專利名稱：一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于工業(yè)機器人的三自由 度斜交球形空心手腕傳動機構(gòu)。
技術(shù)背景 工業(yè)機器人的手腕是聯(lián)結(jié)機械臂與末端操作器的重要部件。其功用是改變末端 操作器在空間的姿態(tài)，因此具有三個自由度。隨著機器人技術(shù)的進步及其在工業(yè)領(lǐng)域的 迅猛發(fā)展，工業(yè)機器人手腕設(shè)計的緊湊化、靈活性需求越來越高。為了實現(xiàn)靈活的姿態(tài) 控制以及可以使各種管線穿越的空心傳動結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)一般采用斜交非球形的手腕結(jié) 構(gòu)形式，用空心錐齒輪傳動機構(gòu)傳遞運動和動力。如美國專利US4703688，機器人臂的 手腕機構(gòu)由上關(guān)節(jié)，下關(guān)節(jié)和工具安裝盤組成，上關(guān)節(jié)被直接驅(qū)動，下關(guān)節(jié)通過設(shè)置于 上關(guān)節(jié)內(nèi)的空心錐齒輪嚙合驅(qū)動，工具安裝盤通過設(shè)置于上關(guān)節(jié)內(nèi)的空心錐齒輪嚙合傳 動多個空心錐齒輪驅(qū)動。由于傳動機構(gòu)的制約，上關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與工具安裝盤轉(zhuǎn)軸偏置一段 距離。手腕非球形配置，使得三個自由度的軸線不能相交于一點，導致機器人的運動學 反解困難，甚至沒有解析解，這樣造成機器人控制性能的提升瓶頸。非球形手腕的原理 致使手腕結(jié)構(gòu)不緊湊，管線穿越長度大且彎扭情況復雜。同時對機器人末端負載運行情 況下的受力影響不良。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種易于反解、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠的工業(yè)機器人三 自由度斜交球形空心手腕傳動機構(gòu)，能夠克服現(xiàn)有非球形空心手腕技術(shù)的缺點。本實用新型的技術(shù)方案是一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，包括第一關(guān)節(jié)支撐部件，第二關(guān)節(jié)支撐部 件和第三關(guān)節(jié)終端部件，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于機器人前臂的末 端，產(chǎn)生工業(yè)機器人空心手腕的第一個自由度；所述第二關(guān)節(jié)支撐部件可相對轉(zhuǎn)動地設(shè) 置于第一關(guān)節(jié)支撐部件的末端，產(chǎn)生工業(yè)機器人手腕的第二個自由度；所述第三關(guān)節(jié)終 端部件用于安裝連接工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，其可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二關(guān)節(jié)支撐部 件的末端，產(chǎn)生機器人手腕的第三個自由度；在驅(qū)動力的作用下，所述空心手腕傳動機 構(gòu)通過對上述三個自由度的協(xié)調(diào)來執(zhí)行作業(yè)操作。作為本實用新型的進一步改進，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件的空心驅(qū)動端內(nèi)設(shè)置有 可相對轉(zhuǎn)動的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪，所述第二關(guān)節(jié)支撐部件內(nèi)靠近第一關(guān)節(jié)支撐部件的 一端呈錐齒輪狀，所述第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪與該呈錐齒輪狀的端部嚙合傳動，實現(xiàn)所述 第二個自由度的產(chǎn)生。作為本實用新型的進一步改進，其特征在于，所述第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪內(nèi)設(shè)置 有可相對轉(zhuǎn)動的第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪，所述第二關(guān)節(jié)支撐部件內(nèi)部設(shè)置有可相對轉(zhuǎn)動的 過渡錐齒輪和可相對轉(zhuǎn)動的第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪，所述第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪通過多根連桿與第三關(guān)節(jié)終端部件連接，所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪通過過渡錐齒輪將動力傳遞到第 三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪，并進一步通過上述多根連桿帶動第三關(guān)節(jié)終端部件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)所述 第三個自由度的產(chǎn)生。作為本實用新型的進一步改進，所述的過渡錐齒輪包括固連為一體的下半側(cè)過 渡錐齒輪和上半側(cè)過渡錐齒輪，分別與所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪和第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪 嚙合，從而將所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪的動力傳遞到第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪。作為本實用新型的進一步改進，所述連桿兩端分別通過鉸鏈與第三關(guān)節(jié)輸出錐 齒輪和第三關(guān)節(jié)終端部件鉸接，各鉸鏈銷軸均與第三關(guān)節(jié)終端部件的轉(zhuǎn)軸C平行，各根 連桿兩端的鉸鏈銷軸偏置距離相等，連桿與第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪連接一端的銷軸軸線到 該第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪軸線的距離，與該連桿另一端的銷軸軸線到C軸的距離相等。作為本實用新型的進一步改進，所述的鉸鏈為普通鉸鏈、萬向鉸或者球鉸。作為本實用新型的進一步改進，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪 和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪同軸，軸線為A;所述第二關(guān)節(jié)支撐部件、下半側(cè)過渡錐齒輪和 上半側(cè)過渡錐齒輪同軸，其軸線為B，上述軸線A、軸線B與第三關(guān)節(jié)終端部件的轉(zhuǎn)軸C 相交于一點O，且B軸與A軸和與C軸的夾角相等。本實用新型的特點是手腕第一、二、三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動自由度軸線A、B、C共同相交于一點O，這使得 機器人的運動學反解存在易于求解的解析解，有利于機器人控制性能的提升。當手腕第一、二、三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動自由度軸線共面時，A軸與C軸共線，這使得 手腕末端工作空間形成單開口球面，具有最佳的運動學靈活性。手腕第三關(guān)節(jié)空心輸出錐齒輪到手腕第三關(guān)節(jié)終端部件的傳動，采用了一種創(chuàng) 新的機器人關(guān)節(jié)部件連接方式，使得兩個轉(zhuǎn)動軸線平行且偏離一定距離同時沿軸線方向 距離較大的零部件能夠準確同步轉(zhuǎn)動。手腕傳動機構(gòu)布置緊湊、空心空間大，使得管線穿越長度短、彎扭幅度很小， 具有較高可靠性。

圖1為空心手腕傳動機構(gòu)的剖視結(jié)構(gòu)示意圖圖2為空心手腕傳動機構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)示意圖圖3為空心手腕傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)到極限位置的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明。如圖1-3所示，本實用新型的外部主要由三個部件構(gòu)成，分別是第一關(guān)節(jié)支撐 部件1，第二關(guān)節(jié)支撐部件2和第三關(guān)節(jié)終端部件3。第一關(guān)節(jié)支撐部件1可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于機器人前臂10的末端，第二關(guān)節(jié)支撐 部件2可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第一關(guān)節(jié)支撐部件1的末端，第三關(guān)節(jié)終端部件3可相對轉(zhuǎn)動 地設(shè)置于第二關(guān)節(jié)支撐部件2的末端。第一關(guān)節(jié)支撐部件1的空心驅(qū)動端內(nèi)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置有第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4，第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4內(nèi)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置有第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪5;第二關(guān)節(jié)支撐 部件2內(nèi)靠近第一關(guān)節(jié)支撐部件1的一端呈錐齒輪狀，該第二關(guān)節(jié)支撐部件2內(nèi)部可相對 轉(zhuǎn)動地設(shè)置有下半側(cè)過渡錐齒輪6和上半側(cè)過渡錐齒輪7，以及第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8， 其中，所述下半側(cè)過渡錐齒輪6與上半側(cè)過渡錐齒輪7固聯(lián)為一體，沒有相對轉(zhuǎn)動，所述 第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8通過多根(如三根以上)連桿9與第三關(guān)節(jié)終端部件3連接。所述 第三關(guān)節(jié)終端部件3用于安裝連接各種工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，以執(zhí)行相應(yīng)的作業(yè)。第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4與第二關(guān)節(jié)支撐部件2的錐齒輪端嚙合，構(gòu)成所述傳動機 構(gòu)的第一條傳動鏈。通過該第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4的驅(qū)動帶動所述第二關(guān)節(jié)支撐部件2 轉(zhuǎn)動。所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪5與所述下半側(cè)過渡錐齒輪6嚙合，所述上半側(cè)過渡錐 齒輪7與第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8嚙合，該第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8通過多根(如三根以上) 連桿9與第三關(guān)節(jié)終端部件3連接，構(gòu)成所述傳動機構(gòu)的第二條傳動鏈。第一關(guān)節(jié)支撐部件1，第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪5同軸，設(shè) 定其軸線為A ；第二關(guān)節(jié)支撐部件2，下半側(cè)過渡錐齒輪6和上半側(cè)過渡錐齒輪7同軸， 設(shè)定其軸線為B;第三關(guān)節(jié)終端部件3的轉(zhuǎn)軸為C，且第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8的轉(zhuǎn)軸與C 軸平行，軸線A、B、C共同相交于一點O，B軸分別與A軸和C軸有大小相等的夾角。連桿9兩端可以是普通鉸鏈或者萬向鉸或者球鉸，其鉸鏈銷軸與C軸平行，各根 連桿9兩端的鉸鏈銷軸偏置距離相等。連桿9與第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8連接一端的銷軸 軸線到該第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8軸線的距離，與該連桿9另一端的銷軸軸線到C軸的距離 相等。第一關(guān)節(jié)支撐部件1相對于機器人前臂10做可控的轉(zhuǎn)動運動，產(chǎn)生機器人手腕 的第一個自由度。第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪4相對于機器人前臂10做可控的轉(zhuǎn)動運動，通過與第二關(guān) 節(jié)支撐部件2的錐齒輪端嚙合傳動，使得第二關(guān)節(jié)支撐部件2相對第一關(guān)節(jié)支撐部件1做 可控的轉(zhuǎn)動運動，產(chǎn)生機器人手腕的第二個自由度。第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪5相對于機器人前臂10做可控的轉(zhuǎn)動運動，與其嚙合的下 半側(cè)過渡錐齒輪6將運動和動力通過固聯(lián)的上半側(cè)過渡錐齒輪7嚙合傳動到第三關(guān)節(jié)輸出 錐齒輪8，最后第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪8通過連桿9傳動第三關(guān)節(jié)終端部件3，使其相對于 第二關(guān)節(jié)支撐部件2做可控的轉(zhuǎn)動運動，產(chǎn)生機器人手腕的第三個自由度。
權(quán)利要求1.一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，包括第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)，第二關(guān)節(jié)支撐 部件(2)和第三關(guān)節(jié)終端部件(3)，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置 于機器人前臂(10)的末端，產(chǎn)生工業(yè)機器人空心手腕的第一個自由度；所述第二關(guān)節(jié) 支撐部件(2)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)的末端，產(chǎn)生工業(yè)機器人手 腕的第二個自由度；所述第三關(guān)節(jié)終端部件(3)用于安裝連接工業(yè)機器人的末端執(zhí)行 器，其可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)的末端，產(chǎn)生機器人手腕的第三個自 由度；在驅(qū)動力的作用下，所述空心手腕傳動機構(gòu)通過對上述三個自由度的協(xié)調(diào)來執(zhí)行 作業(yè)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征在于，所述第一 關(guān)節(jié)支撐部件(1)的空心驅(qū)動端內(nèi)設(shè)置有可相對轉(zhuǎn)動的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(4)，所 述第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)內(nèi)靠近第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)的一端呈錐齒輪狀，所述第二 關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(4)與該呈錐齒輪狀的端部嚙合傳動，實現(xiàn)所述第二個自由度的產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征在于，所述 第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(4)內(nèi)設(shè)置有可相對轉(zhuǎn)動的第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(5)，所述第二 關(guān)節(jié)支撐部件(2)內(nèi)部設(shè)置有可相對轉(zhuǎn)動的過渡錐齒輪(6，7)和可相對轉(zhuǎn)動的第三 關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)，所述第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)通過多根連桿(9)與第三關(guān)節(jié) 終端部件(3)連接，所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(5)通過過渡錐齒輪(6，7)將動力傳 遞到第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)，并進一步通過上述多根連桿(9)帶動第三關(guān)節(jié)終端部 件(3)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)所述第三個自由度的產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征在于，所述的 過渡錐齒輪(6，7)包括固連為一體的下半側(cè)過渡錐齒輪(6)和上半側(cè)過渡錐齒輪(7)，分別與所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(5)和第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(7)嚙合，從而 將所述第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(5)的動力傳遞到第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征在于，所述連桿(9)兩端分別通過鉸鏈與第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)和第三關(guān)節(jié)終端部件(3)鉸接，各鉸鏈銷軸均與第三關(guān)節(jié)終端部件(3)的轉(zhuǎn)軸C平行，各根連桿(9)兩端的鉸鏈銷軸 偏置距離相等，連桿(9)與第三關(guān)節(jié)輸出錐齒輪(8)連接一端的銷軸軸線到該第三關(guān) 節(jié)輸出錐齒輪(8)軸線的距離，與該連桿(9)另一端的銷軸軸線到C軸的距離相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征在于，所述的鉸 鏈為普通鉸鏈、萬向鉸或者球鉸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5或6所述的一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，其特征 在于，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(4)和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動錐齒輪(5)同軸，軸線為A;所述第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)、下半側(cè)過渡錐齒輪(6)和上半 側(cè)過渡錐齒輪(7)同軸，其軸線為B，上述軸線A、軸線B與第三關(guān)節(jié)終端部件(3) 的轉(zhuǎn)軸C相交于一點O，且B軸與A軸和與C軸的夾角相等。
專利摘要本實用新型公開了一種工業(yè)機器人空心手腕傳動機構(gòu)，包括第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)，第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)和第三關(guān)節(jié)終端部件(3)，所述第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于機器人前臂10的末端，產(chǎn)生工業(yè)機器人空心手腕的第一個自由度；所述第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第一關(guān)節(jié)支撐部件(1)的末端，產(chǎn)生機器人手腕的第二個自由度；所述第三關(guān)節(jié)終端部件(3)用于安裝連接工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，其可相對轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二關(guān)節(jié)支撐部件(2)的末端，產(chǎn)生機器人手腕的第三個自由度。本實用新型的手腕傳動機構(gòu)布置緊湊、空心空間大，使得管線穿越長度短、彎扭幅度很小，具有較高可靠性。
文檔編號B25J17/00GK201800047SQ20102054232
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者劉世平, 周明輝, 李世其, 馬天陽 申請人:華中科技大學