CN112677143A - 可扩展式平面关节型机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可扩展式平面关节型机器人，包括：机器人大臂结构：所述机器人大臂结构一端连接有第一旋转关节，另一端连接有第二旋转关节；所述第二旋转关节输出端设有垂直自由度关节；所述机器人大臂结构包括大臂末端模块和大臂前端模块；所述大臂末端模块和大臂前端模块之间设有多组大臂中部模块；本发明的平面关节型机器人大臂是将传统的一体化大臂进行模块化改造，使用者可以依据不同的工作半径需求，对机器人大臂中部模块的安装个数进行选择，使得可扩展式平面关节型机器人具有多种不同的工作半径，从而满足企业的多种生产需求。
Description
技术领域
本发明涉及可扩展式平面关节型机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
平面关节型机器人属于圆柱坐标型工业机器人的一种，主体结构主要包括2个相互平行的旋转关节，其作用是在平面上对物体进行定位，以及垂直于平面的移动关节，其作用主要用于完成机器人末端件在垂直平面内的运动。与一般的工业机器人相比，平面关节型机器人在平面运动上具有良好的灵活性，在竖直运动中具有很高的刚性，并且具备优越的速度、精度、线性度和垂直度等性能，能快速精准地完成插件、组装、分拣、包装等作业。然而，目前传统的平面关节型机器人尺寸结构都采用整体化生产，工作空间固定不变，且拆装不变，无法依据企业的生产需求实现不同的工作空间，难以适应企业多样化生产。实际生产中，当企业生产线发生变化，机器人原有的工作半径不足时，企业就要重新购买机器人，以适应新的生产线。同时传统的平面关节型机器人结构设计方面缺乏有效的分析与优化，难以实现小体积、高负载等要求。
另一方面传统的平面关节型机器人在大臂和小臂上共安装了多套电机及减速器，因此运动惯性大，实现高速高精度运动时对于机器人的机械和控制***要求较高。同时，传统的平面关节型机器人关节一般采用谐波减速器，并且垂直自由度关节一般采用滚珠丝杠，价格较为昂贵，导致机器人制造成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供可扩展式平面关节型机器人，以解决现有技术无法依据企业的生产需求实现不同的工作空间，难以适应企业多样化生产缺陷。
可扩展式平面关节型机器人，包括：
机器人大臂结构：所述机器人大臂结构一端连接有第一旋转关节，另一端连接有第二旋转关节；所述第二旋转关节输出端设有垂直自由度关节；
所述机器人大臂结构包括大臂末端模块和大臂前端模块；所述大臂末端模块和大臂前端模块之间设有多组大臂中部模块。
进一步地，所述大臂前端模块设有第一关节减速器安装孔，所述大臂末端模块设有第二关节减速器安装孔。
进一步地，所述大臂中部模块内设有中空结构，所述中空结构内设有加强筋。
进一步地，所述第一旋转关节包括关节电机；
所述关节电机输出端连接有法兰式行星减速器，所述法兰式行星减速器通过减速器安装平台与大臂末端模块连接。
进一步地，所述第一旋转关节的外端设有磁环式角度编码器；所述磁环式角度编码器的内圈安装在机器人大臂结构的外部，并且使磁环与法兰式行星减速器保持同轴度。
进一步地，所述磁环式角度编码器的外圈固定在减速器安装平台上，所述磁环式角度编码器设有编码器保护端盖。
进一步地，所述垂直自由度关节包括步进电机、安装支架、导轨、丝杠、滑块和机器人小臂；
所述步进电机设于安装支架的顶部，所述丝杆的一端与步进电机连接，另一端与安装支架底部连接，所述滑块套设在丝杆上，所述安装支架上设有与滑块适配的导轨，所述机器人小臂与滑块连接。
进一步地，所述第一旋转关节与第二旋转关节结构相同；所述第一旋转关节连接有基座。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明使用法兰式行星减速器代替传统的谐波减速器，并且通过简单的螺栓连接，实现高效精确的传动，从而有效地降低了平面关节型机器人的制造成本。
本发明的机器人旋转关节结构采用磁环式角度编码器，并将其安装在机器人旋转关节的外端，使其能够精确测量机器人旋转关节的实际转动角度，而传统机器人关节编码器一般都安装在减速器的输出轴上，这种方式虽然能够使得机器人关节结构更加紧凑，但是极大地增加了机器人关节结构的复杂程度，增加的机器人的制造成本，并且关节编码器没有与机器人关节外部大臂直接相连接，从而无法真实有效地测量机器人关节的实际转动角度，增大了机器人关节的控制误差。
本发明的平面关节型机器人大臂是将传统的一体化大臂进行模块化改造，使用者可以依据不同的工作半径需求，对机器人大臂中部模块的安装个数进行选择，使得可扩展式平面关节型机器人具有多种不同的工作半径，从而满足企业的多种生产需求。
本发明的平面关节型机器人垂直自由度结构采用滚珠丝杠代替传统的滚珠花键丝杠，有效简化了平面关节型机器人垂直自由度的结构，易于制造，同时降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明A部关节剖面示意图；
图3是本发明A部关节***结构图；
图4是本发明机器人大臂结构示意图；
图5是本发明C部垂直自由度关节示意图；
图6是本发明机器人主视图；
图7是本发明机器人实施例图。
图中：1、关节电机；2、法兰式行星减速器；3连接孔； 4、旋转法兰；5、外部凸台；6、机器人大臂结构；7、编码器保护端盖； 8、磁环式角度编码器； 9、编码器安装支架； 10、减速器安装平台；11、大臂末端模块；12、大臂中部模块；13、大臂前端模块；14、第二关节减速器安装孔；15、大臂模块螺栓安装孔；16、加强筋；17、中空结构；18、第一关节减速器安装孔；19、步进电机；20、导轨；21、丝杠；22、滑块；23、机器人小臂；24、安装支架；25、基座； 27、第一关节减速器安装平台；28、第一旋转关节；29、第二旋转关节。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图7所示，提供可扩展式平面关节型机器人本发明主要包括关节电机1，法兰式行星减速器2，旋转法兰4，外部凸台5，编码器保护端盖7，磁环式角度编码器8，编码器安装支架9，减速器安装平台10，大臂末端模块11，大臂中部模块12，大臂前端模块13，第一关节减速器安装孔14，大臂模块螺栓安装孔15，加强筋16，中空结构17，第一关节减速器安装孔18，步进电机19，导轨20，丝杠21，滑块22，机器人小臂23，安装支架24，基座25，第一关节减速器安装平台27；该发明可以分为3个主要结构，分别为旋转关节、机器人大臂结构6、垂直自由度关节。
可扩展式平面关节型机器人平面关节机器人旋转关节结构如图1、图2所示，该旋转关节包括第一旋转关节28和第二旋转关节29，主要由关节电机1，法兰式行星减速器2，旋转法兰4，外部凸台5，编码器保护端盖7，磁环式角度编码器8，编码器安装支架9，减速器安装平台10部件构成。首先法兰式行星减速器2通过螺栓使其外部凸台5与减速器安装平台10相固定，并且其一端与关节电机1输出轴直接相连接，另一端通过螺栓将旋转法兰4穿过连接孔3与大臂末端模块11直接连接，使得法兰式行星减速器2可以通过旋转法兰4实现与机器人大臂结构6相对转动。
磁环式角度编码器8结构方面，磁环式角度编码器8安装在第一旋转关节的外端，使其能够精确测量机器人旋转关节的实际转动角度，如图1、图2所示，磁环式角度编码器8的内圈安装在机器人大臂的外部，并且使得磁环与法兰式行星减速器2保持同轴度。然后使用编码器安装支架9将磁环式角度编码器8的外圈固定在减速器安装平台10上，编码器保护端盖7也安装在编码器安装件6上，起到保护磁环式角度编码器8的作用。
当关节电机1转动时，关节电机1通过电机输出轴将动力传递给法兰式行星减速器2，法兰式行星减速器2通过减速齿轮实现减速，并且将旋转运动传递给旋转法兰4，使得旋转法兰4旋转，由于旋转法兰4与机器人大臂末端模块11通过螺栓固定，因此当旋转法兰4旋转时，将使机器人大臂末端模块11.法兰式行星减速器2相对转动，又因为法兰式行星减速器2与减速器安装平台10使用螺栓进行固定，因此实现机器人大臂末端模块11与减速器安装平台10的相对转动，从而实现关节的旋转运动。同时，由于磁环式角度编码器8的内圈固定在机器人大臂末端模块11上，而磁环式角度编码器8的外圈通过编码器安装支架9固定在减速器安装平台11上，所以磁环式角度编码器8的内圈和外圈会随着机器人关节的转动而相对转动，准确地反映机器人关节转动角度，此设计具有结构简单，精度高，成本低等优点。
可扩展式平面关节机器人第一旋转关节28和第二旋转关节29具有相同的结构，如图5所示，第一旋转关节中的第一关节减速器安装平台27固定在基座25上，与基座25形成一个整体。当机器人第一旋转关节28进行旋转时，机器人大臂前端模块13与第一关节减速器安装平台27的相对转动，由于第一关节减速器安装平台27与基座25相对固定，因此机器人大臂前端模块13会相对基座25进行旋转，实现第一关节的旋转运动。
如图3所示，机器人大臂结构6主要由大臂末端模块11，大臂中部模块12，大臂前端模块13，第二关节减速器安装孔14，大臂模块螺栓安装孔15，加强筋16，中空结构17，第一关节减速器安装孔18部件构成。首先，本发明是将传统的一体化大臂进行模块化改造，分为大臂前端模块13，大臂中部模块12，大臂末端模块11，其中大臂前端模块13和大臂末端模块11分别设计有第一关节减速器安装孔18和第二关节减速器安装孔14，使其分别与机器人第一关节和第二关节的法兰式行星减速器2的旋转法兰4相连接，起关联机器人第一关节和第二关节的作用，而机器人大臂中部模块12由多个相同的模块组成，使用者可以依据不同的工作半径需求，对机器人大臂结构6中部模块的安装个数进行选择，使得机器人大臂结构6具有多种不同的工作半径，从而满足企业多种生产需求。为了方便机器人大臂结构6各模块之间自由拆卸与安装，并且增强连接处的强度与刚度，机器人大臂结构6各模块设计有大臂模块螺栓安装孔15，使模块之间采用螺栓进行连接，同时为了方便连接面的螺栓的安装，大臂各模块都采用中空结构17设计，方便安装人员将螺栓放入以及拧紧。为了机器人整体外形美观，减少连接误差以及增加机器人的强度和刚度，将用于连接法兰式行星减速器2的连接法兰设计在大臂前端模块以及大臂末端模块中，实现机器人大臂与法兰式行星减速器2直接连接，从而简化关节结构，减少连接误差，同时大臂各模块内部都设计有加强筋16，进一步增加大臂模块的强度。为了降低平面关节型机器人大臂的重量，机器人大臂结构6采用型号为7075高强度铝合金进行制造。
如图4所示，垂直自由度关节主要由步进电机19，导轨20，丝杠21，滑块22，机器人小臂23，安装支架24部件构成。滑块22安装在丝杠21和导轨20上，然后通过安装支架24固定在减速器安装平台10上，机器人小臂23通过螺栓固定在滑动平台上。当步进电机19转动时，带动丝杠21旋转，此时滑块22在丝杠21的牵引下，沿着导轨20进行滑动，从而实现机器人小臂23的垂直运动。该发明设计有效地简化的平面关节型机器人垂直自由度的结构，易于制造，同时降低了生产成本。
工作流程：
如图5所示，为了更好的说明本发明的优越性，以3自由度平面关节型机器人为例（其它自由度可以采用相同的结构进行设计），该机器人由机器人基座、第一旋转关节28、机器人大臂结构、第二旋转关节、垂直自由度关节、及机器人小臂23。
首先将第1旋转关节安装在机器人基座中，然后使用机器人大臂连接第1旋转关节和第二旋转关节；接着将垂直关节安装在第二旋转关节的减速器安装平台10上，最后将机器人小臂23安装在垂直自由度关节的滑块22上，形成一台完整的3自由度平面关节型机器人。
由于机器人大臂采用模块化设计，使用者可以依据不同工作空间的使用要求，对大臂模块个数进行选择。例如需要较小的工作半径，使用者可以将大臂前端模块13和大臂末端模块11直接相连接，从而得到较小的工作半径；如果需要较大的工作半径，使用者可以通过增加一定的大臂中部模块12的个数得到不同的工作空间。
机器人运转，使用者分别控制机器人的3个电机的转动，而电机将动力直接传递给法兰式行星减速器，而减速器直接通过旋转法兰带动相应的机械臂进行转动，结构简单，有效降低了机械结构的复杂性。
本发明对象主要技术方案包括旋转关节结构设计、大臂模块化设计、垂直自由度设计。通过本发明组建平面关节机器人主要创新点有以下几点：
本发明使用法兰式行星减速器代替传统的谐波减速器，并且通过简单的螺栓连接，实现高效精确的传动，从而有效地降低了平面关节型机器人的制造成本。
本发明的机器人旋转关节结构采用磁环式角度编码器，并将其安装在机器人旋转关节的外端，使其能够精确测量机器人旋转关节的实际转动角度，而传统机器人关节编码器一般都安装在减速器的输出轴上，这种方式虽然能够使得机器人关节结构更加紧凑，但是极大地增加了机器人关节结构的复杂程度，增加的机器人的制造成本，并且关节编码器没有与机器人关节外部大臂直接相连接，从而无法真实有效地测量机器人关节的实际转动角度，增大了机器人关节的控制误差。
本发明的平面关节型机器人大臂是将传统的一体化大臂进行模块化改造，使用者可以依据不同的工作半径需求，对机器人大臂中部模块的安装个数进行选择，使得可扩展式平面关节型机器人具有多种不同的工作半径，从而满足企业的多种生产需求。
本发明的平面关节型机器人垂直自由度结构采用滚珠丝杠代替传统的滚珠花键丝杠，有效简化了平面关节型机器人垂直自由度的结构，易于制造，同时降低了生产成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，包括：
机器人大臂结构：所述机器人大臂结构一端连接有第一旋转关节，另一端连接有第二旋转关节；所述第二旋转关节输出端设有垂直自由度关节；
所述机器人大臂结构包括大臂末端模块和大臂前端模块；所述大臂末端模块和大臂前端模块之间设有多组大臂中部模块。
2.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述大臂前端模块设有第一关节减速器安装孔，所述大臂末端模块设有第二关节减速器安装孔。
3.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述大臂中部模块内设有中空结构，所述中空结构内设有加强筋。
4.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述第一旋转关节包括关节电机；
所述关节电机输出端连接有法兰式行星减速器，所述法兰式行星减速器通过减速器安装平台与大臂末端模块连接。
5.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述第一旋转关节的外端设有磁环式角度编码器；所述磁环式角度编码器的内圈安装在机器人大臂结构的外部，并且使磁环与法兰式行星减速器保持同轴度。
6.根据权利要求5所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述磁环式角度编码器的外圈固定在减速器安装平台上，所述磁环式角度编码器设有编码器保护端盖。
7.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述垂直自由度关节包括步进电机、安装支架、导轨、丝杠、滑块和机器人小臂；
所述步进电机设于安装支架的顶部，所述丝杆的一端与步进电机连接，另一端与安装支架底部连接，所述滑块套设在丝杆上，所述安装支架上设有与滑块适配的导轨，所述机器人小臂与滑块连接。
8.根据权利要求1所述的可扩展式平面关节型机器人，其特征在于，所述第一旋转关节与第二旋转关节结构相同；所述第一旋转关节连接有基座。
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