CN114193463A - 一种关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节机器人，属于工业机器人技术领域，包括底座，第一臂组件的一端与底座转动连接且能够绕竖直轴线转动，第二驱动电机设置在第二臂组件上，第二臂组件的一端与第一臂组件的另一端转动连接且能够绕竖直轴线转动，中间轴设于第二臂组件末端的下部且可绕竖直轴线转动及升降运动，第三臂组件包括第一安装罩壳，第一安装罩壳固定在中间轴下部的输出端，第五驱动电机带动第四臂组件绕水平轴线转动，第四臂组件包括第二安装罩壳，第六驱动电机安装在第二安装罩壳的内部，第六驱动电机的输出端与第六轴输出法兰固连。本设备在现有的水平多关节机器人的基础上增加第三臂和第四臂，扩充其末端的自由度，从而适应更广泛的应用需求。

Description

一种关节机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种六轴关节机器人。

背景技术

20世纪60年代初，日本率先发明了机器人，机器人集机械、控制、电子、计算机、传感器、通讯与网络等多个领域的先进技术为一体，其在制造业中应用越来越广泛。目前工业机器人已成为先进制造行业的支撑技术。工业机器人可以代替人工从事一些重复机械化和长时间的工作，或是在危险、恶劣环境的下作业，提高工作效率和质量。

传统的水平关节机器人为平面关节型，具有四个自由度，包括3个旋转关节和一个移动关节，其特殊的结构设计使其能够在平面内运行平稳，且在竖直方向上也具有较大的刚度。相对于其他的工业机器人来说具有结构简单，动作速率快，重复定位精度高，控制方便等优点，被广泛应用于自动化装配、搬运等工作中。

随着经济的快速发展，我国制造业也在迅速发展，产品数量及种类的增多导致人们对产品的加工和质量要求也日益提高。然而目前市场上的水平关节自由度机器人，其应用范围相对单一有限，不能满足日益复杂化的工作环境和激烈的市场竞争需求。例如应用在如鞋底涂胶，3D打磨等复杂场景中，传统的水平关节机器人的应用受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种关节机器人，在现有的水平多关节机器人的基础上增加第三臂和第四臂，扩充其末端的自由度，从而适应更广泛的应用需求。

本发明所提供的技术方案：一种关节机器人,包括底座、第一臂组件、第二臂组件和中间轴，底座内设第一驱动电机，第一臂组件的一端与底座转动连接且能够在第一驱动电机的驱动下绕竖直轴线转动，第二驱动电机设置在第二臂组件的上端面，所述第二臂组件的一端与第一臂组件的另一端转动连接且能够在第二驱动电机的驱动下绕竖直轴线转动，中间轴设于第二臂组件另一端的下部且可绕竖直轴线转动及升降运动，还包括第三臂组件和第四臂组件，第三臂组件包括第一安装罩壳，第一安装罩壳固定在中间轴下部的输出端，第五驱动电机设置在第一安装罩壳内部，第五驱动电机的输出轴水平设置，第五驱动电机带动第四臂组件绕水平轴线转动，第四臂组件包括第二安装罩壳，第六驱动电机安装在第二安装罩壳的内部，第六驱动电机的输出端伸出第二安装罩壳，第六轴输出法兰固定在第六驱动电机的输出端，第五驱动电机与第六驱动电机的输出端相互垂直。

进一步的，所述第五驱动电机设置在第一安装罩壳内侧上部，第五主动带轮安装在第五驱动电机的输出端，同步带连接第五主动带轮和第五从动带轮，第五主动带轮的齿数大于第五从动带轮的齿数，第五谐波减速器与第五从动带轮相连且同轴设置，第四臂组件中第二安装罩壳安装在第五谐波减速器的输出端。

进一步的，所述第五主动带轮、第五从动带轮、第五谐波减速器、第二安装罩壳均设置在第一安装罩壳的内部；第一安装罩壳的下部开有通槽，第五驱动电机带动第二安装罩壳转动绕轴转动，第五从动带轮位于第五主动带轮的下方，第五驱动电机、第二安装罩壳位于第五从动带轮的同侧。

进一步的，所述第二安装罩壳的另一端与第一安装罩壳的另一内侧转动连接。

进一步的，所述第六驱动电机的输出端与第六谐波减速器的输入端相连，第六谐波减速器的输出端与第六轴输出法兰相连。

进一步的，所述第一臂组件包括第一臂，所述第一臂设置在底座的上方，第一驱动电机的输出端与第一臂一端经第一谐波减速器相连，第一驱动电机带动第一臂一端转动。

进一步的，所述第二臂组件包括第二臂和第二谐波减速器；第二谐波减速器安装在第一臂的另一端，第二谐波减速器的输出端与第二臂的一端相连，第二驱动电机与第二谐波减速器输出端相连，所述第二驱动电机带动第二臂一端转动。进一步的，还包括第三驱动电机、第四驱动电机，第三驱动电机、第四驱动电机均通过电机支架、设置在第二臂的上方，第三主动带轮、第四主动带轮分别安装在第三驱动电机、第四驱动电机的输出端，第三主动带轮、第三从动带轮通过同步带转动连接，第四主动带轮、第四从动带轮通过同步带转动连接，第三驱动电机带动通过第三主动带轮、第三从动带轮以带动中间轴竖直运动，第四驱动电机带动第四主动带轮、第四从动带轮以带动中间轴转动。

进一步的，所述中间轴为丝杆花键一体轴、或者滚珠丝杠轴与滚珠花键轴配合。

进一步的，所述关节机器人用于涂胶行业。

本发明的有益效果：本发明在现有的水平多关节机器人的基础上增加了第三臂和第四臂，扩充了传统关节机器人的自由度，该机器人既由水平多关节机器人动作速率快，重复定位精度高，控制方便等特点，同时又具有垂直关节机器人更加灵活运动空间，从而能够实现复杂的空间运动，进而满足工业生产中的不同需求。

附图说明

图1是本发明关节机器人整体结构示意图。

图2是本发明关节机器人的第一臂组件的剖视示意图。

图3是本发明关节机器人的第二臂组件的剖视示意图。

图4是图3中第二臂末端的局部放大剖视示意图。

图5是本发明关节机器人的第三臂组件的剖视示意图。

图6是本发明关节机器人的第四臂组件的剖视示意图。

图7 是本发明关节机器人第三臂组件外观结构示意图。

图8 是本发明关节机器人第四臂组件外观结构示意图一。

图9 是本发明关节机器人第四臂组件外观结构另一视角的示意图二。

图中：1.底座；2、第一臂；3、第二驱动电机；4、第三驱动电机；5、第三轴电机支架；6、第四轴电机支架；7、第四驱动电机；8、滚珠丝杠轴；9、联动板；10、丝杠安装支架；11、第二臂；12、第一安装罩壳；13、第二安装罩壳；14、一轴限位基座；15、第一谐波减速器；16、第一谐波减速器刚轮侧安装法兰；17、聚氨酯缓冲块；18、一轴电机安装板；19、第一驱动电机；20、第二谐波减速器；21、第二谐波减速器刚轮侧安装法兰；22、二轴电机安装板；23、第三主动带轮；24、第四从动带轮；25、带轮压板一；26、第四主动带轮；27、第六轴输出法兰；28、带轮压板二；29、丝杠支座组件；30、带轮压板三；31、导向杆；32、丝杠螺母；33、导向连接板；34、第六谐波减速器；35、支座螺母；36、轴承隔套；37、角接触轴承；38、轴承压盖；39、滚珠花键轴；40、花键螺母；41、花键螺母安装座；42、第四谐波减速器；43、带轮压板五；44、第五谐波减速器；45、第五轴安装板；46、第五主动带轮；47、带轮压板四；48.第五从动带轮；49、第五驱动电机；50、第六驱动电机；51.第三从动带轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1、图3、图5、图6所示，本发明所提供的一种关节机器人包括底座11、第一臂组件、第二臂组件、中间轴和第三臂组件、第四臂组件；底座1中开有用于容纳电机的腔室，第一臂组件包括第一臂22和第一谐波减速器15；第一驱动电机19设置在底座11的内部，第一驱动电机19竖直向上安装在一轴电机安装板18上，一轴电机安装板18与第一谐波减速器15的基体连接，第一谐波减速器刚轮侧安装法兰16固定在底座11的上端面，第一谐波减速器15的基体固定在第一谐波减速器刚轮侧安装法兰16的下端面，第一驱动电机19的电机轴输出端与第一谐波减速器15的输入端相连，第一谐波减速器15的输出端与第一臂2的一端固连，从而第一驱动电机19的动力经第一谐波减速器15输出到第一臂2上，第一臂2一端绕竖直轴线转动。

为了限制第一臂2的转动范围，防止与周围物体发生碰撞，在底座1上表面靠近第一臂2转动端的一侧设置一轴限位基座14，一轴限位基座14与底座1的外部固连。优选的，在底座1的外表面且靠近第一臂2的下方设置聚氨酯缓冲块17，对第一臂22起缓冲保护作用。

第二臂组件包括第二臂11和第二谐波减速器20；第二驱动电机3竖直向下安装在二轴电机安装板22上，二轴电机安装板22的下端安装在第二谐波减速器刚轮侧安装法兰21的上端，第二谐波减速器20的基体上端与第二谐波减速器刚轮侧安装法兰21固连，第二谐波减速器20的基体下端与第二臂11固连，第一臂2末端与第二谐波减速器20的输出端固连。第二臂11末端开有阶梯孔，第二谐波减速器刚轮侧安装法兰21、第二谐波减速器20的上部位于第二臂11的阶梯孔内，第一臂2末端开有阶梯孔，第二谐波减速器20的下部位于第一臂2末端阶梯孔内。从而，第二驱动电机3的动力经第二谐波减速器20输出到第一臂2上，转化成第二臂11相对于第一臂2的运动。

中间轴可以选用滚珠丝杠花键一体轴或者滚珠丝杠轴8与滚珠花键耦合，本实施例中，针对滚珠丝杠轴8与滚珠花键轴39耦合运动的结构展开描述。第三驱动电机4通过第三轴电机支架5安装在第二臂11的中部，第三主动带轮23设置在第三电机支架5的内部，带轮压板一25将第三主动带轮23与第三驱动电机4的输出端锁紧，第三驱动电机4与第三主动带轮23相连，第三驱动电机4带动第三主动带轮23转动，丝杠安装支架10固定在第二臂11的上端面，丝杠支座组件29安装在丝杠安装支架10中，滚珠丝杠轴8能够转动地安装在丝杠支座组件29中，第三从动带轮51安装在滚珠丝杠轴8的下部，带轮压板三30将第三从动带轮51锁紧在滚珠丝杠轴8上，滚珠丝杠轴8、丝杠支座组件29、第三从动带轮51同轴设置，丝杠螺母32安装在丝杠的上部，同步带连接第三主动带轮23和第三从动带轮51。从而第三驱动电机4的动力经过第三主动带轮23、第三从动带轮51、滚珠丝杠轴8到丝杠螺母32上，转动为丝杠螺母32竖直运动。

第四驱动电机7安装在第四轴电机支架6安装在第二臂11的中部，第四主动带轮26设置在第四轴电机支架6的内部，第四驱动电机7与第四主动带轮26相连，第四驱动电机7带动第四主动带轮26转动，带轮压板二28上端面与第四主动带轮26的下端面接触，带轮压板二28与第四驱动电机7的输出端固连，带轮压板二28将第四主动带轮26与第四驱动电机7的输出端锁紧。

第二臂11末端开有阶梯孔，第四谐波减速器42的基体固定在第二臂11阶梯孔中，第四从动带轮24与第四谐波减速器42的输入端固连，花键螺母安装座与第四谐波减速器42的输出端固连，花键螺母40安装在花键螺母安装座41内，花键螺母40与花键螺母安装座41同轴设置，滚珠花键轴39安装在花键螺母40的通孔中，滚珠花键轴39由下到上依次穿过第四谐波减速器42、第四从动带轮24且不与两者接触。从而第四驱动电机7的动力依次通过第四主动带轮26、第四从动带轮24、第四谐波减速器42、花键螺母安装座41、花键螺母40带动滚珠花键轴39绕竖直轴线转动。

还包括联动板9，丝杠螺母32与联动板9的一侧相连，优选的，联动板9中开有通孔，丝杠螺母32固定在联动板9的通孔中，滚珠花键轴39上通过角接触轴承37安装在联动板9的通孔中，轴承压盖38通过固定在联动板9的下端，对角接触轴承37的外圈进行定位，轴承隔套36安装在滚珠花键轴39上且轴承隔套36的下端与角接触轴承37的内圈接触，支座螺母35安装在滚珠花键轴39螺纹段，支座螺母35将轴承隔套36压紧角接触轴承37的内圈，对角接触轴承37的内圈进行定位。

为了联动板运动的稳定性，还包括至少一个导向杆31，导向杆31竖直设置，导向杆31的下端固定在丝杠安装支架10上，导向杆31的中部穿过安装在联动板10中的直线轴承。优选的，滚珠丝杠轴8的上部可转动地安装在导向连接板33中，导向杆31的上部与导向连接板33固连。

第三臂组件包括第一安装罩壳12，第一安装罩壳12固定在中间轴下部的输出端，本实施例中，第一安装罩壳12上端固定在滚珠花键轴39的下端，第五轴安装板45竖直安装在第一安装罩壳12的内部，第五驱动电机49水平安装在第五轴安装板45的一侧，第五驱动电机49设置在第一安装罩壳12内部，第五驱动电机49带动第四臂组件绕水平轴线转动，第四臂组件包括第二安装罩壳13，第六驱动电机50安装在第二安装罩壳13的内部，第六驱动电机50的输出端伸出第二安装罩壳13，第六轴输出法兰27固定在第二驱动电机3的输出端，优选的，第六驱动电机的输出端与第六谐波减速器相连，第六谐波减速器的输出端与连接法兰相连。第五驱动电机49的轴线与第六驱动电机50的输出端旋转所在的平面相互垂直。

为了缩短第五驱动电机49带动第二安装罩壳13运动的响应时间，第五主动带轮46安装在第五驱动电机49的输出端，带轮压板四47将第五主动带轮46锁紧在第五驱动电机49的输出轴上，第五从动带轮48与第五主动带轮46转动连接，第五主动带轮46与第五从动带轮48的齿数之比不小于2:1，第五驱动电机49的动力需要经过减速器传递到第二安装罩壳13才能满足实际应用的需要，一般的行星减速器需要的体积和质量过大，设置在靠近第六轴输出法兰2754的位置，会增加第二臂11末端的转动惯量，同时对控制精度造成不利的影响，一般的谐波减速器的体积和质量较小，适合设置在靠近第六轴输出法兰2754的位置，通用的谐波减速器最小速比为50，响应时间较长，第五主动带轮46与第五从动带轮48的齿数之比不小于2:1，优选的设置为整数比，优选为2：1，3:1，4:1，优选的第五主动带轮46与第五从动带轮48的齿数比设置为2:1，配合速比为50的谐波减速器能够实现速比为25的谐波减速器的减速效果。从而第五驱动电机49与第五谐波减速器44配合，第五谐波减速器44的基体安装在第五轴安装板45上，第五从动带轮48与第五谐波减速器44的输入端固连，带轮压板五43将第五从动带轮48锁紧在第五谐波减速器44上，第二安装罩壳13安装在第五谐波减速器44的输出端。

第五主动带轮46、第五从动带轮48、第五谐波减速器44、第二安装罩壳13均设置在第一安装罩壳12的内部，从而减少传动元件裸露在外，减少空气中杂质影响传动，第一安装罩壳12的下部开有通槽，第五驱动电机49带动第二安装罩壳13绕轴转动，上述通槽保证第二安装罩壳13的运动不受干涉。

进一步的，第一安装罩壳12主要包括连接法兰、电机容纳罩壳、左侧护罩和右侧护罩，连接法兰与滚珠花键轴的下端固连，电机容纳罩壳的上端面与连接法兰的下端面固连，左侧护罩和右侧护罩分别设置在电机容纳罩壳的两端，左侧护罩、右侧护罩的高度均大于电机容纳罩壳的高度，从而第一安装罩壳12的下部构成用于容纳第二安装罩壳13的通槽。

为了减少第一安装罩壳12沿第五驱动电机49沿其轴线方向的距离，第五从动带轮48设置在第五主动带轮46的正下方，进一步的，第五驱动电机49、第二安装罩壳13位于同步带的同侧，第二安装罩壳13的外形类似长方体。

为了减少第二安装罩壳13的单侧悬垂，第二安装罩壳13的一侧开有沿第五谐波减速器44轴线方向的阶梯孔，第二安装罩壳13的该侧与第五谐波减速器44的输出端固定连接，第二安装罩壳13相对的另一侧开有圆形通孔，第一安装罩壳12与第二安装罩壳13的接触面设置凸台，第二安装罩壳13的另一侧可转动地安装在上述凸台外圆周上，凸台中部开有用于穿过连接第六驱动电机50及其上部件接线的通孔。

本发明的六轴关节机器人尤其适应于涂胶行业，在3D涂胶领域，传统的三三轴平面关机机器人或者四轴平面关节机器人已经不能满足需要。在鞋底涂胶行业，尤其是运动鞋鞋底涂胶行业，运动鞋鞋底的上表面需要涂胶，然后与其他零件进行粘接，运动鞋底鞋底的上表面，为了适应脚步形状，鞋底上表面沿鞋长方向的宽度不同和高度不同，鞋底上表面沿鞋宽方向的高度不同，在鞋底上表面的边缘处有圆弧过渡的向上折边，机器人末端需要绕x或（和）y轴转动，来实现涂胶的均匀性，此时便六轴关节机器人以达到更好的涂胶需要。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际结构可以有多种方式和变化。凡在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施实例，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种关节机器人,其特征在于，包括底座（1）、第一臂组件、第二臂组件和中间轴，底座（1）内设第一驱动电机（19），第一臂组件的一端与底座（1）转动连接且能够在第一驱动电机（19）的驱动下绕竖直轴线转动，第二驱动电机（3）设置在第二臂组件的上端面，所述第二臂组件的一端与第一臂组件的另一端转动连接且能够在第二驱动电机（3）的驱动下绕竖直轴线转动，中间轴设于第二臂组件另一端的下部且可绕竖直轴线转动及升降运动，还包括第三臂组件和第四臂组件，第三臂组件包括第一安装罩壳（12），第一安装罩壳（12）固定在中间轴下部的输出端，第五驱动电机（49）设置在第一安装罩壳（12）内部，第五驱动电机（49）的输出轴水平设置，第五驱动电机（49）带动第四臂组件绕水平轴线转动，第四臂组件包括第二安装罩壳（13），第六驱动电机（50）安装在第二安装罩壳（13）的内部，第六驱动电机（50）的输出端伸出第二安装罩壳（13），第六轴输出法兰（27）固定在第六驱动电机（50）的输出端，第五驱动电机（49）与第六驱动电机（50）的输出端相互垂直。

2.根据权利要求1所述的关节机器人，其特征在于，所述第五驱动电机（49）设置在第一安装罩壳（12）内侧上部，第五主动带轮（46）安装在第五驱动电机（49）的输出端，同步带连接第五主动带轮（46）和第五从动带轮（48），第五主动带轮（46）的齿数大于第五从动带轮（48）的齿数，第五谐波减速器（44）与第五从动带轮（48）相连且同轴设置，第四臂组件中第二安装罩壳（13）安装在第五谐波减速器（44）的输出端。

3.根据权利要求2所述的关节机器人，其特征在于，所述第五主动带轮（46）、第五从动带轮（48）、第五谐波减速器（44）、第二安装罩壳（13）均设置在第一安装罩壳（12）的内部；第一安装罩壳（12）的下部开有通槽，第五驱动电机（49）带动第二安装罩壳（13）转动绕轴转动，第五从动带轮（48）位于第五主动带轮（46）的下方，第五驱动电机（49）、第二安装罩壳（13）位于第五从动带轮（48）的同侧。

4.根据权利要求3所述的关节机器人，其特征在于，所述第二安装罩壳（13）的另一端与第一安装罩壳（12）的另一内侧转动连接。

5.根据权利要求1所述的关节机器人，其特征在于，所述第六驱动电机（50）的输出端与第六谐波减速器（34）的输入端相连，第六谐波减速器（34）的输出端与第六轴输出法兰（27）相连。

6.根据权利要求1所述的关节机器人，其特征在于，所述第一臂组件包括第一臂（2），所述第一臂（2）设置在底座（1）的上方，第一驱动电机（19）的输出端与第一臂（2）一端经第一谐波减速器（15）相连，第一驱动电机（19）带动第一臂（2）一端转动。

7.根据权利要求1所述的关节机器人，其特征在于，所述第二臂组件包括第二臂（11）和第二谐波减速器（20）；第二谐波减速器（20）安装在第一臂（2）的另一端，第二谐波减速器（20）的输出端与第二臂（11）的一端相连，第二驱动电机（3）与第二谐波减速器（20）输出端相连，所述第二驱动电机（3）带动第二臂（11）一端转动。

8.根据权利要求1所述的关节机器人，其特征在于，还包括第三驱动电机（4）、第四驱动电机（7），第三驱动电机（4）、第四驱动电机（7）均通过电机支架、设置在第二臂（11）的上方，第三主动带轮（23）、第四主动带轮（26）分别安装在第三驱动电机（4）、第四驱动电机（7）的输出端，第三主动带轮（23）、第三从动带轮（51）通过同步带转动连接，第四主动带轮（26）、第四从动带轮（24）通过同步带转动连接，第三驱动电机（4）带动通过第三主动带轮（23）、第三从动带轮（51）以带动中间轴竖直运动，第四驱动电机（7）带动第四主动带轮（26）、第四从动带轮（24）以带动中间轴转动。

9.根据权利要求8所述的关节机器人，其特征在于，所述中间轴为丝杆花键一体轴、或者滚珠丝杠轴（8）与滚珠花键轴（39）配合。

10.一种如权利要求8、9任意之一所述的关节机器人的用途，其特征在于，所述关节机器人用于涂胶行业。

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