專利名稱：機器人上臂及手腕機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是用于機器人，特別是輕型6自由度關(guān)節(jié)型機器人的上臂及手腕機構(gòu)。
為了靈活自如地進行各種作業(yè)，工業(yè)機器人最好具有6個自由度。公知的結(jié)構(gòu)安排是機器人底座部分具有3個自由度，上臂及手腕機構(gòu)具有3個自由度。但由于技術(shù)實現(xiàn)上的復(fù)雜性，許多輕型工業(yè)機器人只有5個自由度，即底座部分3個自由度，而上臂及手腕機構(gòu)只有2個自由度。文獻［Mark E.Rosheim，“Robot wrist actuators”，John Wiley & Sons，Inc，New York，1989，p.162 & 42］所示為常見的5自由度機器人的結(jié)構(gòu)。其中機器人手腕的兩個自由度，是由位于腰部的兩個“電機－減速器”組件，分別通過兩級傳動機構(gòu)驅(qū)動的。
在這些公知的5自由度機器人結(jié)構(gòu)中，由于當(dāng)時所使用電機的功率／重量比太小，為減輕機器人上臂的自重，只能采取多級的遠距離傳動方式。對于這類受到連桿機構(gòu)或鏈條傳動所約束的5自由度機器人，很難再增加一個繞上臂自身縱軸轉(zhuǎn)動的自由度，將其改造為6自由度機器人。
當(dāng)機器人實現(xiàn)6自由度非常必要時，公知的方法是采用類似文獻［Arthur J. Critchlow，“Introduction to Robotics”，Macmillan Publishing Comp.New York，1985，p.70］的三層套筒軸傳動方式的上臂及手腕機構(gòu)。此時驅(qū)動手腕三個自由度的電機都安裝在上臂后端，然后通過中央軸、內(nèi)層套筒和外層套筒，實現(xiàn)手腕的三個自由度。顯然這種三層套筒軸傳動方式的復(fù)雜性限制了6自由度機器人的普及。
近年來隨著元器件的小型化，尤其是電機功率／重量比的提高，出現(xiàn)了使電機更加靠近被驅(qū)動關(guān)節(jié)，從而簡化傳動鏈的趨勢，使6自由度機器人得以普及。日本安川公司(YASKAWA Elcetric Mfg.Co.Ltd.)的新型機器人Motoman KS (All－Electric Industial Robot，YASKAWA，Japan)系列，可作為這種簡化傳動的6自由度機器人的代表。附


圖1為Motoman KS機器人的傳動示意圖，由圖可見，驅(qū)動第5自由度J5的電機5和驅(qū)動第6自由度J6的電機6放置在上臂1內(nèi)，使之盡量靠近被其驅(qū)動的關(guān)節(jié)安裝以簡化傳動鏈。即電機5通過錐齒輪10及錐齒輪11，再經(jīng)齒形帶12及相應(yīng)的帶輪20，21使手腕殼體13俯仰，實現(xiàn)J5的轉(zhuǎn)動。電機6通過錐齒輪15及錐齒輪16，再經(jīng)齒形帶17及相應(yīng)的帶輪22，23，又一對錐齒輪18，19，使工具法蘭14實現(xiàn)J6的轉(zhuǎn)動。整個上臂1的第4個自由度J4則由電機4直接驅(qū)動。此處7，8，9為三個相應(yīng)的減速器。顯然由附
圖1的傳動方式所組成的6自由度機器人，較之用公知的三層套筒軸傳動方式所組成的6自由度機器人，在結(jié)構(gòu)上大為簡化。
當(dāng)更全面地研究了各種可能使6自由度機器人上臂和手腕機構(gòu)進一步簡化的方案之后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由附
圖1所代表的現(xiàn)有技術(shù)尚存在以下4個可以改進之處(以下敘述見附
圖1)1.由于J5及J6兩個自由度的關(guān)節(jié)驅(qū)動電機5，6及其減速器8，9，都被包含在上臂1及手腕A之內(nèi)，造成機器人上臂1及手腕A的橫截面尺寸增大，降低了機器人在狹小的工作空間作業(yè)的可達性。
2.由于J5及J6兩個自由度的關(guān)節(jié)驅(qū)動電機5，6及其減速器8，9，都集中布置在靠近機器人的上臂1的末端，并與正常的工作載荷(安裝在工具法蘭盤14的外面，未示出)相加在一起，使機器人運動時的轉(zhuǎn)動慣量增大，導(dǎo)致動力性能下降。同時這種質(zhì)量分布也使機器人上臂1的靜力平衡情況惡化。
3.由于電機5的軸線及電機6的軸線都要順著上臂1軸線的方向平行布置，因此要額外增加兩套轉(zhuǎn)換方向的錐齒輪10，11及15，16。而且這種結(jié)構(gòu)中兩套齒形帶12，17及其相應(yīng)的帶輪20，21及22，23也因結(jié)構(gòu)布置的需要而無法避免，因此傳動鏈仍然不夠簡潔。
4.由于各自由度的驅(qū)動電機及其減速器采取串接結(jié)構(gòu)，使上臂1被分割為兩段即包含附
圖1中軸承2左端作旋轉(zhuǎn)支承的固定部分，其中包含有驅(qū)動J4自由度的電機4及其減速器7等，和包含軸承2右方全部的轉(zhuǎn)動部分，即所有可以隨J4轉(zhuǎn)動的部分。機器人的上臂1被分割為1，3兩段以后，使其抗彎曲剛度減弱，同樣會降低機器人的動力性能。
本實用新型的目的，就在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述四個問題，設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，上臂及手腕橫截面尺寸小，無傳動空回，平衡好，整體剛度增強，因而使動力性能和靜態(tài)精度都改善的機器人上臂及手腕機構(gòu)。
本實用新型的上述目的由如下技術(shù)方案實現(xiàn)這種用于機器人特別是輕型6自由度關(guān)節(jié)型機器人的上臂及手腕機構(gòu)，由上臂、手腕部分、電機和傳動系統(tǒng)組成，其本身具有3個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉(zhuǎn)的上臂一端，安裝具有2個自由度的手腕部分，上臂另一端裝有驅(qū)動的電機。手腕部分的2個回轉(zhuǎn)自由度，由裝在上臂另一端兩套相應(yīng)的“電機－減速器”組件分別通過各自的鋼絲繩－繩輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動，“電機－減速器－繩輪”組件，設(shè)計成一個單獨單元。裝有手腕的上臂一端裝有一對繩輪，其一繩輪與手腕殼體固接，另一繩輪通過兩個傳動錐齒輪與工具法蘭盤相接，該對繩輪通過鋼絲繩與上臂另一端的兩個減速器的外殼相連，減速器外殼為繩輪，減速器與電機連成一體。上臂繞其自身縱軸回轉(zhuǎn)的自由度是由安裝在上臂縱軸延長線上，與手腕部分相對一端的“電機減速器”組件以直接的方式驅(qū)動的。
本實用新型的特點是設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，上臂及手腕橫截面尺寸小，無傳動空回，平衡好，整體剛度增強，動力性能和靜態(tài)精度高。
本實用新型的原理見附圖2，該上臂及手腕機構(gòu)具有3個自由度。在可繞其自身軸承30旋轉(zhuǎn)(J4自由度)的上臂1的一端，安裝具有2個自由度(J5和J6)的手腕部分A，另一端裝有驅(qū)動J5和J6運動的相應(yīng)兩組“電機－減速器－繩輪”組件5、6。其中減速器5″、6″的外殼作成繩輪。手腕部分A中，手腕殼體11與繩輪7固接，因此可實現(xiàn)J5的俯仰自由度。繩輪8與錐齒輪12固接，再通過錐齒輪13可將J6的回轉(zhuǎn)運動傳到工具法蘭盤14。減速器5″，6″的外殼(起繩輪作用)與繩輪7、8用鋼絲繩9、10分別組成兩套單級的鋼絲繩傳動系統(tǒng)，把“電機－減速－繩輪”組件5、6的驅(qū)動力矩分別傳遞到手腕部分A。
整個上臂1的J4自由度由安裝在上臂1外端縱軸沿長線上的電機4’通過減速器4直接驅(qū)動。
由附圖2可見，本實用新型的傳動系統(tǒng)比附
圖1的現(xiàn)有技術(shù)更為簡化為實現(xiàn)J4，J5，J6三個自由度，本實用新型中總共只使用了兩套鋼絲繩－繩輪傳動及一對錐齒輪傳動，因此改進了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題3。
在本實用新型中“電機－減速器－繩輪”組件5，6雖然距離繩輪7，8較遠，但這并不增加傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性，只是增長了鋼絲繩的長度而已。但這種安排所獲得的兩個好處是改善了上臂1整體的靜力平衡；減小了靠近機器人手腕部分A的質(zhì)量。機器人是開鏈結(jié)構(gòu)，減小其末端(手腕部分A)的質(zhì)量將大大減低運動時的慣性負載，從而提高動力性能。也就是說本實用新型可以有效地克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題2。
由于本實用新型所使用的鋼絲繩－繩輪傳動，充分利用了鋼絲繩材料易于彎曲、變向的柔性，和受直線拉伸時的高剛性，而且鋼絲繩是牢固地固接在繩輪上直接拖動繩輪，并非靠鋼絲繩與繩輪之間的摩擦力傳動，因此可以傳遞很大的力矩。鋼絲繩－繩輪傳動的這一特點，使得通常必須緊靠被驅(qū)動關(guān)節(jié)安裝才能達到所要求傳動剛度的減速器，可以轉(zhuǎn)移到離被驅(qū)動關(guān)節(jié)較遠處安裝。例如本實用新型中將驅(qū)動J5，J6兩個自由度的減速器5″，6″與電機5’，6’放置在一起，然后將減速器5″，6″輸出的低速大扭矩運動，用鋼絲繩傳遞到手腕部分A。將減速器從手腕部分A移走所帶來的好處，是進一步減小手腕部分A的橫截面尺寸，改善機器人在狹小空間作業(yè)的可達性，即改進了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題1。
本實用新型中上臂1的結(jié)構(gòu)采用通長的整體圓管，這是重量最輕、剛度最好的結(jié)構(gòu)形式，因此有助于提高機器人的動力性能，即可克服現(xiàn)有技術(shù)中將上臂分割成兩段使彎曲剛度降低所產(chǎn)生的問題4。
附圖3和附圖4是本實用新型附圖2內(nèi)所示的兩個關(guān)鍵部分手腕部分A以及“電機－減速器－繩輪”組件5(6完全與5相同)的實施例。
在附圖3的手腕部分A實施例中，手腕殼體11與繩輪7固接在一起，當(dāng)使J5運動的驅(qū)動力矩通過鋼絲繩9拖動繩輪7轉(zhuǎn)動時，即實現(xiàn)了手腕殼體11俯仰的J5自由度。另外繩輪8通過中介軸15與錐齒輪12連接，因此J6運動的驅(qū)動力矩通過鋼絲繩10傳到繩輪8時，使錐齒輪12轉(zhuǎn)動，并經(jīng)錐齒輪13帶動工具法蘭盤14作J6運動。拆下螺釘16，17，可以卸除結(jié)構(gòu)相同的兩個繩輪7，8，從而將手腕殼體及包含于其內(nèi)部的錐齒輪12，13等作為一個完整的部件取出，這增加了使用和維修的便利。
附圖4為“電機－減速器－繩輪”組件的實施例。諧波減速器由波發(fā)生器18，柔輪19，輸出剛輪20，固定剛輪21所組成。波發(fā)生器18用鍵固定在電機5’的軸上，用檔環(huán)28軸向限位。固定剛輪21固定在底座24上。輸出剛輪20與圓盤22固定在一起，并且由一個十字交叉軸承26所支承。柔輪19被松松地限制在底座24與圓盤22所構(gòu)成的軸向空間之中，柔輪19的外齒同時與輸出剛輪20與固定剛輪21的內(nèi)齒相嚙合。由于輸出剛輪20與固定剛輪21是做成少齒差的，因此當(dāng)波發(fā)生器18被電機5’帶動高速旋轉(zhuǎn)時，輸出剛輪20就有低速的大轉(zhuǎn)矩輸出。減速器的低速輸出經(jīng)過與輸出剛輪固接的園盤22傳到與之固接的繩輪23，再經(jīng)鋼絲繩9向手腕部分傳遞運動。在本“電機－減速器－繩輪”組件的實施例中，使用維修的便利也作了重點考慮。例如易損的電機5’及其軸上安裝的波發(fā)生器18，只要拆下螺釘27就可以方便地取下，而不會破壞附圖2中由減速器5″與繩輪7，鋼絲繩9所組成的鋼絲繩傳動系統(tǒng)的正常工作。而且從附圖2中也可以看出，本實用新型中幾個主要部件如手腕部分A，兩個“電機－減速器－繩輪”組件5，6等，不但本身有完整性，自成獨立的單元，便于裝配、調(diào)試和使用維修，而且相互之間的連接關(guān)系十分簡便只要將鋼絲繩9，10繞在相應(yīng)的繩輪上，并收緊至一定予張力即可，不象其他公知的結(jié)構(gòu)中，常常需要將相互嚙合的齒輪對中和調(diào)整齒隙等作高精度的裝配調(diào)整。而且由于鋼絲繩傳動是有予張力的，因此不但有結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便的優(yōu)點，而且是無傳動空回的。附圖2中的“電機－減速器－繩輪”組件5，6完全相同，另一套“電機－減速器－繩輪”組件4中，電機4’和減速器4″和附圖7所示的“電機－減速器－繩輪”組件5相比，其差別總共只有1個零件不同即附圖4中的繩輪23，在減速器4″(附圖2)中換成另一個園盤形連接件。由此可以看出，本實用新型的實施例在結(jié)構(gòu)上很緊湊，零件的種類少而且通用性強，便于經(jīng)濟地組織生產(chǎn)。
附圖5為利用本實用新型各部件的實施例組成的6自由度機器人整機示意圖，圖中1為機器人的上臂，包含3個自由度，即J4，J5，J6。整個上臂1可在推桿B作用下繞支點C旋轉(zhuǎn)?？梢宰屑氝x擇C點的位置，使其與上臂1與推桿B的共同重心靠近或重合，從而最大限度地改善上臂的靜力平衡。
權(quán)利要求1.一種用于機器人，特別是輕型6自由度關(guān)節(jié)型機器人的上臂及手腕機構(gòu)，由上臂、手腕部分、電機和傳動系統(tǒng)組成，其本身具有3個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉(zhuǎn)的上臂一端，安裝具有2個自由度的手腕部分，上臂另一端裝有驅(qū)動的電機，其特征在于手腕部分的2個回轉(zhuǎn)自由度，由裝在上臂另一端兩套相應(yīng)的“電機-減速器-繩輪”組件，分別通過各自的鋼絲繩傳動系統(tǒng)驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的上臂及手腕機構(gòu)，其特征在于上臂繞其自身縱軸回轉(zhuǎn)的自由度，是由安裝在上臂縱軸延長線上與手腕部分相對一端的電機通過減速器以直接方式驅(qū)動的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的上臂及手腕機構(gòu)，其特征在于將“電機－減速器－繩輪”組件，設(shè)計成一個獨立單元，裝有手腕的上臂一端裝有一對輪繩，其一輪繩與手腕殼體固接，另一輪繩通過兩個傳動錐齒輪與工具法蘭盤相接，該對繩輪通過鋼絲繩與上臂另一端的兩個減速器外殼相連，減速器外殼為繩輪，減速器與電機連成一體。
專利摘要一種機器人上臂及手腕機構(gòu)，用于6自由度機器人。由上臂、手腕部分、電機和傳動系統(tǒng)組成，其本身具有3個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉(zhuǎn)的上臂一端，安裝具有2個自由度的手腕部分。手腕部分的兩個自由度，由裝在上臂另一端的兩套相應(yīng)的“電機-減速器-繩輪”組件，分別通過各自的鋼絲繩傳動系統(tǒng)驅(qū)動。該手腕結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，上臂及手腕橫截面尺寸小，無傳動空回，平衡好，整體剛度增強，靜態(tài)精度和動力性能高。
文檔編號B25J1/00GK2215972SQ9422153
公開日1995年12月27日 申請日期1994年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月24日
發(fā)明者伍少昊 申請人:北京理工大學(xué)