CN211466392U - 一种水平多关节机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水平多关节机器人，包括底座、大臂组件、小臂组件及动作轴，底座包括基座和臂筒，基座内设有驱动单元，臂筒内设有传动单元，大臂组件通过臂筒与基座连接且可绕J1轴线转动，大臂组件与臂筒之间设有驱动臂，驱动臂绕J1轴线转动，驱动臂的前端连接有附杆，附杆的另一端连接小臂组件，小臂组件在平面四连杆机构的带动下绕J2轴线转动，动作轴设于小臂组件的另一端且可绕J3轴线转动及升降运动。本实用新型实现机器人的低制造成本及高速运动。

Description

一种水平多关节机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种水平多关节机器人。

背景技术

水平多关节机器人SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)是一种水平多关节机器人，具有四个轴和四个运动自由度:X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。在X,Y方向上具有顺从性，而在Z轴方向上具有良好的刚度，大臂和小臂是串联的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限的空间中进行作业，然后收回。它的第一，二，四轴具有转动特性，第三轴具有线性移动特性，并且第三和第四可以根据工作需要的不同，制造成相应多种不同的形态。因此，SCARA机器人被广泛应用于电子产品工业，汽车工业，塑料工业，药品工业和食品工业等多个领域，用以完成搬取，装配，喷涂，焊接等操作。

例如，中国专利CN109551515A公布了一种水平多关节产业机器人，该机器人具有固定于天花板面的基座、连结于基座并能够在水平面转动的第一手臂、连接于第一手臂并能够在水平面内转动的第二手臂以及设置大臂组件和小臂组件之间的连接筒。该专利解决了大臂与小臂之间的运动干涉问题，但该机器人的各驱动马达都设置于各关节上或小臂组件内，增加了机器人手臂的重量与转动惯量，降低了机器人的运行速度与节拍。

实用新型内容

为解决现上述问题，本实用新型提供一种水平多关节机器人，重新优化其结构以降低机器人手臂的重量与转动惯量，通过增大驱动马达的功率以提升机器人的运行速度而不增加运动部件的重量，同时可采用更长臂展以提高机器人的运动灵活性。

本实用新型采用的第一技术方案是：一种水平多关节机器人，包括底座、大臂组件、小臂组件及动作轴，底座包括基座和臂筒，基座内设有驱动单元，臂筒内设有传动单元，大臂组件通过臂筒与基座连接且可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，大臂组件与臂筒之间设有驱动臂，驱动臂可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，驱动臂的前端连接有附杆，附杆的另一端连接小臂组件，驱动臂、附杆、大臂组件、小臂组件组成平面四连杆机构，小臂组件可在平面四连杆机构的带动下绕J2轴线转动，动作轴设于小臂组件的另一端且可绕J3轴线转动及升降运动。

采用上述技术方案，将小臂组件和大臂组件之间的连接筒改为设置在大臂组件和基座之间的臂筒，臂筒不仅起到加长基座与大臂间距的作用，且作为传动部件将驱动单元的动力传递到大臂及驱动臂，从而实现大臂及驱动臂的转动，且通过驱动臂实现小臂的转动，驱动单元及传动单元均设置在底座内，使机器人的大部分质量移动到J1轴上，极大地减小了动作轴的转动惯量，提升了机器人的运行速度和节拍，且可通过增大驱动单元的电机功率进一步提升机器人的运行速度。

本实用新型采用的第二技术方案是在第一技术方案上的改进，本实用新型采用的第二技术方案是：驱动单元包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；传动单元包括同轴设置的第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴；大臂组件设有第一大臂同步带传动单元和第二大臂同步带传动单元，小臂组件设有第一小臂同步带传动单元和第二小臂同步带传动单元；动作轴设有执行轴、升降螺母和旋转套筒；第一电机驱动第一传动轴带动驱动臂绕J1轴线转动；第二电机驱动第二传动轴带动大臂组件绕J1轴线转动；第三电机驱动第三传动轴转动，第三传动轴通过第一大臂同步带传动单元、第一小臂同步带传动单元驱动升降螺母转动从而带动执行轴升降运动；第四电机驱动第四传动轴转动，第四传动轴通过第二大臂同步带传动单元、第二小臂同步带传动单元驱动旋转套筒转动从而带动执行轴绕J3轴线转动。

采用上述技术方案，使大臂、小臂、动作轴的运动都能单独控制，使机器人的动作更为灵活。动作轴的动作通过同步带传递，可使机械臂的臂展更长，且制造成本降低，并且可进一步减小机械臂的质量。

本实用新型采用的第三技术方案是在第二技术方案上的改进，本实用新型采用的第三技术方案是：第一电机、第二电机、第三电机和第四电机分别通过同步带驱动第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴转动。

采用上述技术方案，可进一步降低制造成本，减小机械臂的质量。

本实用新型采用的第四技术方案是在第三技术方案上的改进，本实用新型采用的第四技术方案是：大臂组件和小臂组件通过连接轴连接，连接轴包括同轴设置的第一连接轴和第二连接轴，第一连接轴用于连接第一大臂同步带传动单元和第一小臂同步带传动单元，第二连接轴用于连接第二大臂同步带传动单元和第二小臂同步带传动单元。

采用上述技术方案，可减小机器人臂筒的体积，减小机械臂的质量。

本实用新型采用的第五技术方案是在第四技术方案上的改进，本实用新型采用的第五技术方案是：小臂组件和大臂组件的连接关节内设有交叉滚子轴承，交叉滚子轴承套装在连接轴外侧用于转动连接小臂关节与大臂关节。

采用上述技术方案，可简化关节结构，方便安装，减小关节的质量同时降低关节高度。

本实用新型采用的第六技术方案是在第二技术方案上的改进，本实用新型采用的第六技术方案是：第一大臂同步带传动单元、第二大臂同步带传动单元、第一小臂同步带传动单元及第二小臂同步带传动单元均包括主动带轮、被动带轮及同步连接主动带轮和被动带轮的同步带；大臂主动带轮与传动轴连接，大臂被动带轮及小臂主动带轮通过连接轴连接，小臂被动带轮分别与升降螺母和旋转套筒连接。

采用上述技术方案，同步带为橡胶、聚氨酯等材质，相对于齿轮、链条传动进一步降低传动部件重量，同时同步带不需润滑、维护方便，且传动精度较高。

本实用新型采用的第七技术方案是在第六技术方案上的改进，本实用新型采用的第七技术方案是：第一大臂同步带传动单元和第二大臂同步带传动单元均设于大臂臂体的安装空腔内，两传动单元的同步带平行设置；第一小臂同步带传动单元和第小大臂同步带传动单元均设于小臂臂体的安装空腔内，两传动单元的同步带平行设置。

采用上述技术方案，大臂臂体和小臂臂体同时起到保护罩的功能，简化大臂组件和小臂组件的结构设计，进一步减小机器人的质量。

本实用新型采用的第八技术方案是在第七技术方案上的改进，本实用新型采用的第八技术方案是：大臂同步带传动单元及小臂同步带单元均设有偏心轴带轮，大臂同步带和小臂同步带均通过偏心轴带轮调节张力。

采用上述技术方案，方便调节同步带的张紧力，提高机器人动作的可靠性。

本实用新型采用的第九技术方案是在第一技术方案上的改进，本实用新型采用的第九技术方案是：附杆通过转轴及轴承可转动连接在驱动臂的前端，附杆的另一端通过转轴及轴承可转动连接在小臂组件的臂体上。

采用上述技术方案，使机器人动作更灵活。

本实用新型的有益效果：本实用新型的SCARA机器人是在现有技术上的改进，将小臂组件和大臂组件之间的连接筒改为设置在大臂组件和底座之间，连接筒不再是运动部件；所有轴的驱动马达都后置在底座内，同时增大马达功率提升机器人运行速度而不增加运动部件重量；运动臂内都采用同步带传动，最大程度降低运动部件重量。降低了机器人本体的重量及转动惯量，从而有效提升了机器人的运行速度及节拍，使高速SCARA机器人的生产成为可行。

附图说明

图1是本实用新型第一实施方案的水平多关节机器人的立体结构示意图。

图2是从另一角度观测的图1的轴测图。

图3是图1的剖视结构示意图。

图4是本实用新型第一实施方案的水平多关节机器人的基座的结构示意图。

图5是本实用新型第一实施方案的水平多关节机器人的大臂组件的结构示意图。

图6是本实用新型第一实施方案的水平多关节机器人的小臂组件的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本实用新型第一实施例提供一种水平多关节机器人，该机器人为倒装机器人，可广泛应用于流水线零部件的分拣或搬运工作。

如图1及图2所示，该水平多关节机器人包括底座2、大臂组件4、小臂组件5及动作轴6，底座2包括基座21和臂筒22，基座21内设有驱动单元，臂筒22内设有传动单元，大臂组件4通过臂筒22与基座21连接且可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，大臂组件5与臂筒22之间设有驱动臂3，驱动臂3可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，驱动臂3的前端连接有附杆31，附杆31的另一端连接小臂组件5，驱动臂3、附杆31、大臂组件4、小臂组件5组成平面四连杆机构，小臂组件5可在平面四连杆机构的带动下绕J2轴线转动，动作轴6设于小臂组件5的另一端且可绕J3轴线转动及升降运动。

下面参阅附图对本实用新型第一实施例的水平多关节机器人的结构和工作原理做进一步的说明。

请参阅图3及图4，对底座2的结构做如下介绍：

底座2包括基座21和设置在基座21下方的臂筒22。基座21内设有安装孔，安装孔用于通过螺栓与与天花板设置面连接。基座21的上方安装有第一电机11、第二电机12、第三电机13及第四电机14。基座21内设有安装腔，安装腔内设有传动带组件及带轮组件。

臂筒22包括外臂筒221、第一传动轴222、第二传动轴223、第三传动轴224及第四传动轴225。第一传动轴222、第二传动轴223、第三传动轴224及第四传动轴225均为中空轴。

外臂筒221通过螺钉竖直安装在基座21的下侧面，外臂筒221内同轴设有第一传动轴222、第二传动轴223、第三传动轴224及第四传动轴225。

第一传动轴222通过轴承可转动设置于外臂筒221内，第一传动轴222的上端伸出外筒壁延伸至基座安装腔，上端部通过螺钉固定连接有第一传动带轮226，第一传动带轮226的轴向中心部设有通孔。

第二传动轴223通过轴承可转动设置于第一传动轴222内，第二传动轴223的上端伸出第一传动轴222及第一传动带轮226延伸至基座安装腔，上端部通过螺钉固定连接有第二传动带轮227，第二传动带轮227的轴向中心部设有通孔。

第三传动轴224通过轴承可转动设置于第二传动轴223内，第三传动轴224的上端伸出第二传动轴223及第二传动带轮227延伸至基座安装腔，上端部通过螺钉固定连接有第三传动带轮228，第三传动带轮228的轴向中心部设有通孔。

第四传动轴225通过轴承可转动设置于第三传动轴224，第四传动轴225的上端伸出第三传动轴224及第三传动带轮228延伸至基座安装腔，上端部套装有第四传动带轮229。

第一电机11通过第一同步带15驱动第一传动带轮226带动第一传动轴222在外臂筒221内绕J1轴线转动；第二电机12通过第二同步带16驱动第二传动带轮227带动第二传动轴223在第一传动轴222内绕J1轴线转动；第三电机13通过第三同步带17驱动第三传动带轮228带动第三传动轴224在第二传动轴223内绕J1轴线转动；第四电机14通过第四同步带18驱动第四传动带轮229带动第四传动轴225在第三传动轴224绕J1轴线转动。

第一同步带15、第二同步带16、第三同步带17及第四同步带18组成设于基座安装腔内的传动带组件。第一传动带轮226、第二传动带轮227、第三传动带轮228及第四传动带轮229组成设于基座安装腔内的带轮组件。

请参阅图3及图2，对平面四连杆机构做如下介绍：

驱动臂3设于臂筒组件22与大臂组件4之间，驱动臂3的后端设有贯通其上下面的通孔，驱动臂3通过其通孔套装在第二传动轴223的下端，驱动臂3与第二传动轴223之间设有轴承。驱动臂3后端上侧面通过螺钉固定在第一传动轴222的下端面，由第一传动轴222带动绕J1轴线转动。驱动臂3的前端通过转轴及轴承转动连接附杆31的一端，附杆31的另一端通过转轴及轴承转动连接在小臂组件5的下侧面。大臂组件4、驱动臂3、附杆31、小臂组件5组成平面四连杆机构，所述四连杆机构优选为平行四边形或梯形。

请参阅图3、图5及图6，对大臂组件4、小臂组件5及它们之间的连接关系做如下介绍：

大臂组件4包括大臂臂体41，设置在大臂臂体41内的第一大臂同步带42、第二大臂同步带43、第一大臂主、被动带轮44(441)、第二大臂主、被动带轮45(451)、第一大臂同步带张紧轮46及第二大臂同步带张紧轮47。

大臂臂体41的前端和后端的上侧面均设有凸出上侧面的圆台安装部，大臂臂体内沿其长度方向设有安装空腔，安装空腔的后端贯通圆台安装部设有第一台阶通孔，安装空腔的前端贯通圆台安装部设有第二台阶通孔。

大臂臂体41通过台阶通孔的大孔插装在第二传动轴223的下端部，由第二传动轴带动转动绕J1轴线转动。第三传动轴224的下端穿过第二传动轴223及大臂臂体41的上侧面延伸至大臂臂体的安装空腔，第一大臂主动带轮44通过螺栓固定安装在第三传动轴224上，第三传动轴224与大臂臂体41之间设有轴承。第一大臂主动带轮44轴向中心部设有通孔。第四传动轴225的下端穿过第三传动轴224及第一大臂主动带轮44延伸至大臂臂体的安装空腔，第二大臂主动带轮45套装在第四传动轴225的下端部，第四传动轴225与第二大臂主动带轮45之间设有轴承。

小臂组件5包括小臂臂体51，设置在小臂臂体51内的第一小臂同步带52、第二小臂同步带53、第一小臂主、被动带轮54(541)、第二小臂主、被动带轮55(551)、第一小臂同步带张紧轮56及第二小臂同步带张紧轮57。

小臂臂体51的前端和后端的下侧面均设有凸出下侧面的圆台安装部，小臂臂体51内沿其长度方向设有安装空腔，安装空腔的后端贯通圆台安装部设有第一台阶通孔，安装空腔的前端贯通上、下侧面设有第二通孔和第三台阶通孔。

大臂臂体41后端上侧面的圆台安装部与小臂臂体51前端下侧面的圆台安装部相对，外径相等。两圆台安装部的台阶通孔的大孔相连成一个安装孔，所述安装孔内设置交叉滚子轴承，交叉滚子轴承起到转动连接大臂组件和小臂组件的作用。

第二连接轴72为空心轴，通过轴承可转动设于大臂臂体41后端及小臂臂体51前端的台阶通孔的小孔内，第二连接轴72上端穿过小臂臂体51前端圆台安装部延伸至小臂臂体第二安装空腔，上端部固定套装第二小臂主动带轮55，第二小臂主动带轮55的轴向中心部设有通孔；第二连接轴72下端穿过大臂臂体41后端圆台安装部延伸至大臂臂体安装空腔，下端部固定套装第一大臂被动带轮441，第一大臂被动带轮441的轴向中心部设有通孔。第一连接轴71与第二连接轴72同轴设置，第一连接轴71上端穿过第二连接轴72及第二小臂主动带轮55延伸至臂臂体51安装空腔的上部，第一连接轴的上端部固定套装第一小臂主动带轮54；第一连接轴71下端穿过第二连接轴72及第一大臂被动带轮441延伸至大臂臂体41安装空腔的下部，下端部固定套装第二大臂被动带轮451。第一连接轴71与第一大臂被动带轮441和第二小臂主动带轮55之间设有轴承。

第一大臂同步带42同步连接第一大臂主带轮44与第一大臂被动带轮441，第一大臂同步带42带动第二连接轴72在大臂组件和小臂组件的关节内绕J2轴线转动。第二大臂同步带43同步连接第二大臂主带轮45与第二大臂被动带轮451，第二大臂同步带43带动第一连接轴71在第二连接轴72内绕J2轴线转动。第一大臂同步带42通过第一大臂同步带张紧轮46张紧，第二大臂同步带42通过第二大臂同步带张紧轮47张紧。

请参阅图2、图3，对动作轴6及其与小臂组件5的连接关系做如下介绍：

动作轴6包括执行轴61、升降螺母62及旋转套筒63。

执行轴61的外周面设有螺旋螺纹和花键式沟槽，旋转套筒63内设有与花键式沟槽适配的内花键；升降螺母62设有与螺旋螺纹适配的内螺旋螺纹。升降螺母62通过连接法兰可转动安装在小臂组件5的第二通孔内，升降螺母62与连接法兰之间设有轴承。升降螺母62的下端伸入小臂臂体41的安装空腔，第一小臂被动带轮541通过螺钉固定安装在升降螺母62的下端部。旋转套筒63通过连接法兰可转动安装在小臂组件5的第三台阶通孔内，旋转套筒63与连接法兰之间设有轴承。旋转套筒63的上端伸入小臂组件安装空腔，第二小臂被动带轮551通过螺钉固定安装在旋转套筒63的上端部。

第一小臂同步带52同步连接第一小臂被动带轮541和第一小臂主动带轮54，第一小臂同步带52带动升降螺母62绕J3轴线正向或反向转动，驱动执行轴61向上或向下做直线运动。

第二小臂同步带53同步连接第二小臂被动带轮551和第二小臂主动带轮55，第二小臂同步带53带动旋转套筒63绕J3轴线转动，旋转套筒63带动驱动执行轴61同步旋转。执行轴61的下端连接末端执行器，从而实现对流水线上零部件的分拣。第一小臂同步带52通过第一小臂同步带张紧轮56张紧，第二小臂同步带53通过第二小臂同步带张紧轮57张紧。

实施例1的工作方式是：

第一电机11通过第一同步带15、第一传动带轮226驱动第一传动轴222转动，带动驱动臂3绕J1轴线转动；驱动臂3通过附杆31带动小臂组件5绕J2轴线转动。

第二电机12通过第二同步带16、第二传动带轮227驱动第二传动轴223转动，带动大臂组件4绕J1轴线转动。

第三电机13通过第三同步带17、第三传动带轮228驱动第三传动轴224转动，第三传动轴224通过第一大臂主带轮44、第一大臂同步带42、第一大臂被动带轮441、第二连接轴72、第一小臂主动带轮54、第一小臂同步带52、第一小臂被动带轮541带动升降螺母62转动，驱动执行轴61升降运动。

第四电机14通过第四同步带18、第四传动带轮229驱动第四传动轴225转动，第四传动轴225通过第二大臂主带轮45、第二大臂同步带43、第二大臂被动带轮451、第一连接轴71、第二小臂主动带轮55、第二小臂同步带53、第二小臂被动带轮551带动旋转套筒63转动，驱动执行轴61绕J3轴线转动。

为了减轻重量，优选大臂臂体41和小臂臂体51采用铝合金、钛合金或碳纤维等质轻且具有一定强度和韧性的材料制成。

上述实施例中小臂组件5位于大臂组件4的上方，在其他实施例中，小臂组件5也可设置在大臂组件4的下方，同时调整附杆31连接在驱动臂3的下方，大臂组件4、驱动臂3、附杆31、小臂组件5组成平面四连杆机构，优选所述四连杆机构呈平行四边形或梯形。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种水平多关节机器人，包括底座、大臂组件、小臂组件及动作轴，其特征在于：底座包括基座和臂筒，基座内设有驱动单元，臂筒内设有传动单元，大臂组件通过臂筒与基座连接且可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，大臂组件与臂筒之间设有驱动臂，驱动臂可在驱动单元的驱动下绕J1轴线转动，驱动臂的前端连接有附杆，附杆的另一端连接小臂组件，驱动臂、附杆、大臂组件、小臂组件组成平面四连杆机构，小臂组件可在平面四连杆机构的带动下绕J2轴线转动，动作轴设于小臂组件的另一端且可绕J3轴线转动及升降运动。

2.根据权利要求1所述的水平多关节机器人，其特征在于：驱动单元包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；传动单元包括同轴设置的第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴；大臂组件设有第一大臂同步带传动单元和第二大臂同步带传动单元，小臂组件设有第一小臂同步带传动单元和第二小臂同步带传动单元；动作轴设有执行轴、升降螺母和旋转套筒；第一电机驱动第一传动轴带动驱动臂绕J1轴线转动；第二电机驱动第二传动轴带动大臂组件绕J1轴线转动；第三电机驱动第三传动轴转动，第三传动轴通过第一大臂同步带传动单元、第一小臂同步带传动单元驱动升降螺母转动从而带动执行轴升降运动；第四电机驱动第四传动轴转动，第四传动轴通过第二大臂同步带传动单元、第二小臂同步带传动单元驱动旋转套筒转动从而带动执行轴绕J3轴线转动。

3.根据权利要求2所述的水平多关节机器人，其特征在于：第一电机、第二电机、第三电机和第四电机分别通过同步带驱动第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴转动。

4.根据权利要求3所述的水平多关节机器人，其特征在于：大臂组件和小臂组件通过连接轴连接，连接轴包括同轴设置的第一连接轴和第二连接轴，第一连接轴用于连接第一大臂同步带传动单元和第一小臂同步带传动单元，第二连接轴用于连接第二大臂同步带传动单元和第二小臂同步带传动单元。

5.根据权利要求4所述的水平多关节机器人，其特征在于：小臂组件和大臂组件的连接关节内设有交叉滚子轴承，交叉滚子轴承套装在连接轴外侧用于转动连接小臂关节与大臂关节。

6.根据权利要求2所述的水平多关节机器人，其特征在于：第一大臂同步带传动单元、第二大臂同步带传动单元、第一小臂同步带传动单元及第二小臂同步带传动单元均包括主动带轮、被动带轮及同步连接主动带轮和被动带轮的同步带；大臂主动带轮与传动轴连接，大臂被动带轮及小臂主动带轮通过连接轴连接，小臂被动带轮分别与升降螺母和旋转套筒连接。

7.根据权利要求6所述的水平多关节机器人，其特征在于：第一大臂同步带传动单元和第二大臂同步带传动单元均设于大臂臂体的安装空腔内，两传动单元的同步带平行设置；第一小臂同步带传动单元和第小大臂同步带传动单元均设于小臂臂体的安装空腔内，两传动单元的同步带平行设置。

8.根据权利要求7所述的水平多关节机器人，其特征在于：大臂同步带传动单元及小臂同步带单元均设有偏心轴带轮，大臂同步带和小臂同步带均通过偏心轴带轮调节张力。

9.根据权利要求1所述的水平多关节机器人，其特征在于：附杆通过转轴及轴承可转动连接在驱动臂的前端，附杆的另一端通过转轴及轴承可转动连接在小臂组件的臂体上。

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