一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人，通過腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)腰部整周轉(zhuǎn)動，肩擺動機構(gòu)和肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的兩自由度的并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)二維平動，分別由安裝在回轉(zhuǎn)平臺上的電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動；由前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)相互連接的三個相互正交的旋轉(zhuǎn)軸由三個電機分別獨立驅(qū)動，實現(xiàn)執(zhí)行末端工具的三自由度姿態(tài)調(diào)整。本發(fā)明既保持了串聯(lián)機構(gòu)較大工作空間的優(yōu)點，又采用滾珠絲杠傳動，不但保證了機構(gòu)的剛度，而且降低驅(qū)動電機位置，獲得較好的動力學特性，承載能力大，易于實現(xiàn)高速或超高速操作；具有無側(cè)隙、剛度高，便于實現(xiàn)微動進給，累積誤差小，運動精度高，正逆運動學求解方便，便于控制的優(yōu)點。
【專利說明】一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動化領(lǐng)域，具體是一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)自動化就是以工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)為控制目的，實現(xiàn)各種過程控制，在整個工業(yè)生產(chǎn)中，盡量減少人力操作的技術(shù)。工業(yè)機器人屬于工業(yè)自動化產(chǎn)品的一個重要方面，工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器，工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。未來幾年中國或成為全球最大的機器人需求市場。由于現(xiàn)代計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，多軸運動控制技術(shù)不斷成熟，工業(yè)機器人的成本逐漸降低，目前已進入爆發(fā)式增長階段。絕大部分工業(yè)機器人有六個軸，其中三個軸將執(zhí)行末端安裝工具送至空間可達位置，而另外的三個軸實現(xiàn)執(zhí)行末端焊接工具的空間姿態(tài)調(diào)整。傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)式機器人都將電機安裝在關(guān)節(jié)處，使得機械手臂顯得笨重，存在轉(zhuǎn)動慣量大、剛度差以及累積誤差大等不足。機構(gòu)的動力學性能較差，難以滿足日益高速高精度要求。串聯(lián)機構(gòu)在機構(gòu)設(shè)計方面具有較好的運動學性能，而動力學性能較低；和串聯(lián)機器人相比較，并聯(lián)機構(gòu)具有無累積誤差，精度較高，驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應好，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大，根據(jù)這些特點，并聯(lián)機器人可以應用于高承載能力的場合，但由于并聯(lián)機器人受結(jié)構(gòu)限制，工作空間往往很小，較難應用于對工作空間要求大的領(lǐng)域。而且，驅(qū)動電機均安裝在關(guān)節(jié)處的機器人故障率較高，可靠性差，易造成較大的關(guān)節(jié)誤差，對機器人的精度影響較大，由于這諸多缺點，現(xiàn)有機器人結(jié)構(gòu)很難兼顧作業(yè)靈活性及高精度的特性，很難滿足大工作空間、高精度、高可靠性的作業(yè)要求，成為高端工業(yè)機器人設(shè)計制造的一個難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種串并聯(lián)機構(gòu)的機器人機構(gòu)，綜合串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)各自的優(yōu)點，在保證機器人作業(yè)靈活性、高精度、高可靠性的前提下，盡可能的將電機安置于機座上或?qū)㈦姍C合理布置，充分發(fā)揮串并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點，大幅提高機器人可靠性，降低維護成本，提高機器人運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)機器人較好的動力學性倉泛。
[0004]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)以上目的:
[0005]一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人，包括腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)、肩擺動機構(gòu)、肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)、機座及回轉(zhuǎn)平臺；
[0006]所述的腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過回轉(zhuǎn)平臺由第十六轉(zhuǎn)動副安裝在機座上，第十六轉(zhuǎn)動副由第一伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)腰部整周轉(zhuǎn)動；
[0007]所述肩擺動機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)平臺、第一滾珠絲杠、第一滾珠絲杠套筒、第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一滾珠絲杠與回轉(zhuǎn)平臺由第一轉(zhuǎn)動副連接，第一滾珠絲杠與第一滾珠絲杠套筒由第一螺旋副連接，第一連桿與第一滾珠絲杠套筒由第十一轉(zhuǎn)動副連接，第一連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第三轉(zhuǎn)動副連接，第一連桿與第二連桿由第十轉(zhuǎn)動副連接，第三連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第四轉(zhuǎn)動副連接，第二連桿與第三連桿由第九轉(zhuǎn)動副連接，第一滾珠絲杠由第二伺服電機驅(qū)動；
[0008]所述肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括第二滾珠絲杠、第二滾珠絲杠套筒、第四連桿、第五連桿和第六連桿，第二滾珠絲杠與回轉(zhuǎn)平臺由第二轉(zhuǎn)動副連接，第二滾珠絲杠與第二滾珠絲杠套筒由第二螺旋副連接，第四連桿與第二滾珠絲桿套筒由第十二轉(zhuǎn)動副連接，第四連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第五轉(zhuǎn)動副連接，第四連桿與第五連桿由第六轉(zhuǎn)動副連接，第五連桿與第六連桿由第七轉(zhuǎn)動副連接，第三連桿與第六連桿由第八轉(zhuǎn)動副連接；第二滾珠絲杠由第三伺服電機驅(qū)動；
[0009]所述前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具座回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成三維轉(zhuǎn)動機構(gòu),前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由前臂與第六連桿通過第十三轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在第六連桿上的第四伺服電機驅(qū)動，腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)由前臂與手腕通過第十四轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在前臂上的第五伺服電機驅(qū)動，工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)由手腕與末端工具卡座通過第十五轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在手腕上的第六伺服電機驅(qū)動。
[0010]所述的第十六轉(zhuǎn)動副垂直于機座；第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、第三轉(zhuǎn)動副、第四轉(zhuǎn)動副、第五轉(zhuǎn)動副、第六轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副、第九轉(zhuǎn)動副、第十轉(zhuǎn)動副和第十四轉(zhuǎn)動副相互平行，其中第四轉(zhuǎn)動副與第五轉(zhuǎn)動副同軸；第^^一轉(zhuǎn)動副與第十轉(zhuǎn)動副同軸，第十二轉(zhuǎn)動副與第六轉(zhuǎn)動副同軸，第十三轉(zhuǎn)動副與第十四轉(zhuǎn)動副相互垂直，第十四轉(zhuǎn)動副與第十五轉(zhuǎn)動副相互垂直。
[0011]本發(fā)明腰部整周轉(zhuǎn)動通過回轉(zhuǎn)平臺上的電機驅(qū)動，肩擺動機構(gòu)和肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的兩自由度的并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)二維平動，分別由安裝在回轉(zhuǎn)平臺上的電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動；由前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)相互連接的三個相互正交的旋轉(zhuǎn)軸由三個電機分別獨立驅(qū)動，實現(xiàn)執(zhí)行末端工具的三自由度姿態(tài)調(diào)整。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)點:
[0012]1、采用串并聯(lián)機構(gòu)，兼有并聯(lián)機構(gòu)累積誤差小、剛度大和串聯(lián)機構(gòu)工作空間大的優(yōu)點，盡可能的將驅(qū)動裝置安放在機座位置；
[0013]2、特別是采用滾珠絲杠傳動方案，將驅(qū)動電機位置盡可能降到最低，降低了手臂桿件的承載負荷，降低了整機的轉(zhuǎn)動慣量，傳動平穩(wěn)，無側(cè)隙、精度高，剛度高且具有良好的動力學性能，降低了電機軸的承載量，有利于精度的提高；
[0014]3、將機構(gòu)的驅(qū)動裝置合理布置，提高整體機構(gòu)的平衡性能，進一步提高了機構(gòu)的動力學性能；
[0015]4、機構(gòu)簡單，便于正逆運動學的求解、軌跡規(guī)劃、誤差補償，方便精確控制。此外，執(zhí)行末端安裝不同的裝置可以實現(xiàn)不同的工業(yè)用途，如碼垛、切割、裝配、噴涂、焊接及搬運
坐寸ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。[0017]圖2為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的肩擺動機構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的前臂扭轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的第一種工作狀態(tài)示意圖。
[0021]圖6為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的第二種工作狀態(tài)示意圖。
[0022]圖7為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的第三種工作狀態(tài)示意圖。
[0023]圖8為所述一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人的第四種工作狀態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。
[0025]對照圖1、2、3和4，一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人由機座、回轉(zhuǎn)平臺、腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)、肩擺動機構(gòu)、肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。所述回轉(zhuǎn)平臺1 6安裝在機座I上，實現(xiàn)整個機構(gòu)的空間六自由度運動。
[0026]對照圖1，腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過回轉(zhuǎn)平臺16由第十六轉(zhuǎn)動副連接在機座I上，并有第一伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)整周回轉(zhuǎn)運動。
[0027]對照圖1、2，肩擺動機構(gòu)和肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)形成位置調(diào)整機構(gòu)。圖2所示肩擺動機構(gòu)由回轉(zhuǎn)平臺16、第一滾珠絲杠4、第一滾珠絲杠套筒5、第一連桿3、第二連桿7和第三連桿9連接而成。第一滾珠絲杠4與第二伺服電機剛性連接，第二伺服電機與回轉(zhuǎn)平臺16由第一轉(zhuǎn)動副18連接，第一滾珠絲杠4與第一滾珠絲杠套筒5由第一螺旋副21連接，第一連桿3與第一滾珠絲杠套筒5由第十一轉(zhuǎn)動副23連接，第一連桿3與回轉(zhuǎn)平臺16由第三轉(zhuǎn)動副19連接，第一連桿3與第二連桿7由第十轉(zhuǎn)動副24連接，第三連桿9與回轉(zhuǎn)平臺16由第四轉(zhuǎn)動副20連接，第二連桿7與第三連桿9由第九轉(zhuǎn)動副28連接。
[0028]對照圖1、3，肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)由第二滾珠絲杠2、第二滾珠絲杠套筒6、第四連桿8、第五連桿10、第六連桿12構(gòu)成。其中，第二滾珠絲杠2與第三伺服電機剛性連接，第三伺服電機與回轉(zhuǎn)平臺16由第二轉(zhuǎn)動副17連接，第二滾珠絲杠2與第二滾珠絲杠套筒6由第二螺旋副22連接，第四連桿8與第二滾珠絲桿套筒6由第十二轉(zhuǎn)動副26連接，第四連桿8與回轉(zhuǎn)平臺16由第五轉(zhuǎn)動副27連接，第四連桿8與第五連桿10由第六轉(zhuǎn)動副25連接，第五連桿10與第六連桿12由第七轉(zhuǎn)動副30連接，第三連桿9與第六連桿12由第八轉(zhuǎn)動副29連接。
[0029]對照圖1、4，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括前臂13，前臂13通過第十三轉(zhuǎn)動副31與第六連桿12連接，由第四伺服電機11驅(qū)動，第四伺服電機安裝在第六連桿12的前端，有利于與前臂13上前端的負載相平衡，保證良好的動力學性能；腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括手腕14，手腕14通過第十四轉(zhuǎn)動副32與前臂13連接，由第五伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括末端工具卡座15，末端工具卡座15通過第十五轉(zhuǎn)動副33與手腕14連接，由第六伺服電機驅(qū)動。通過第四伺服電機、第五伺服電機和第六伺服電機三個電機獨立驅(qū)動，實現(xiàn)了三維轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)了工具姿態(tài)調(diào)整。
[0030] 對照圖1、5、6、7、8，所述的工業(yè)機器人通過由肩擺動機構(gòu)和肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的機構(gòu)實現(xiàn)平面的二維平動，將前臂執(zhí)行末端工具卡座送達預定的區(qū)域；轉(zhuǎn)動平臺的整周轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了空間范圍內(nèi)執(zhí)行末端的位置調(diào)整，獲得較大的工作空間；前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)的三維轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了工具姿態(tài)的調(diào)整；采用無側(cè)隙的滾珠絲杠副傳動，便于實現(xiàn)高速運行和微動進給。以上機構(gòu)特性實現(xiàn)了機構(gòu)如圖5-圖8所示的各種位置姿態(tài)，靈活而簡捷地將工具送至空間不同點工作，而且獲得較好的動力學性能，達到高精度、高可靠性、運行穩(wěn)定性和便于維護保養(yǎng)優(yōu)良特性。
【權(quán)利要求】
1.一種含滾珠絲杠副驅(qū)動的六自由度工業(yè)機器人，包括腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)、肩擺動機構(gòu)、肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)、機座及回轉(zhuǎn)平臺；其特征在于: 所述的腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過回轉(zhuǎn)平臺由第十六轉(zhuǎn)動副安裝在機座上，第十六轉(zhuǎn)動副由第一伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)腰部整周轉(zhuǎn)動； 所述肩擺動機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)平臺、第一滾珠絲杠、第一滾珠絲杠套筒、第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一滾珠絲杠與回轉(zhuǎn)平臺由第一轉(zhuǎn)動副連接，第一滾珠絲杠與第一滾珠絲杠套筒由第一螺旋副連接，第一連桿與第一滾珠絲杠套筒由第十一轉(zhuǎn)動副連接，第一連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第三轉(zhuǎn)動副連接，第一連桿與第二連桿由第十轉(zhuǎn)動副連接，第三連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第四轉(zhuǎn)動副連接，第二連桿與第三連桿由第九轉(zhuǎn)動副連接，第一滾珠絲杠由第二伺服電機驅(qū)動； 所述肘回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括第二滾珠絲杠、第二滾珠絲杠套筒、第四連桿、第五連桿和第六連桿，第二滾珠絲杠與回轉(zhuǎn)平臺由第二轉(zhuǎn)動副連接，第二滾珠絲杠與第二滾珠絲杠套筒由第二螺旋副連接，第四連桿與第二滾珠絲桿套筒由第十二轉(zhuǎn)動副連接，第四連桿與回轉(zhuǎn)平臺由第五轉(zhuǎn)動副連接，第四連桿與第五連桿由第六轉(zhuǎn)動副連接，第五連桿與第六連桿由第七轉(zhuǎn)動副連接，第三連桿與第六連桿由第八轉(zhuǎn)動副連接；第二滾珠絲杠由第三伺服電機驅(qū)動； 所述前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工具座回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成三維轉(zhuǎn)動機構(gòu)，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由前臂與第六連桿通過第十三轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在第六連桿上的第四伺服電機驅(qū)動，腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)由前臂與手腕通過第十四轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在前臂上的第五伺服電機驅(qū)動，工具卡座回轉(zhuǎn)機構(gòu)由手腕與末端工具卡座通過第十五轉(zhuǎn)動副連接，由安裝在手腕上的第六伺服電機驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器人，其特征在于:所述的第十六轉(zhuǎn)動副垂直于機座；第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、第三轉(zhuǎn)動副、第四轉(zhuǎn)動副、第五轉(zhuǎn)動副、第六轉(zhuǎn)動副、第七轉(zhuǎn)動副、第八轉(zhuǎn)動副、第九轉(zhuǎn)動副、第十轉(zhuǎn)動副和第十四轉(zhuǎn)動副相互平行，其中第四轉(zhuǎn)動副與第五轉(zhuǎn)動副同軸；第^^一轉(zhuǎn)動副與第十轉(zhuǎn)動副同軸，第十二轉(zhuǎn)動副與第六轉(zhuǎn)動副同軸，第十三轉(zhuǎn)動副與第十四轉(zhuǎn)動副相互垂直，第十四轉(zhuǎn)動副與第十五轉(zhuǎn)動副相互垂直。
【文檔編號】B25J9/08GK103737577SQ201310672418
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)明者】蔡敢為, 范雨, 張 林, 楊潔丹, 關(guān)卓懷, 李巖舟, 溫芳, 楊旭娟 申請人:廣西大學