二自由度机器人臂[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107243924 A(43)申请公布日 2017.10.13

(21)申请号 201710621119.4(22)申请日 2017.07.27

(71)申请人 哈尔滨博实自动化股份有限公司

地址 150001 黑龙江省哈尔滨市开发区迎

宾路集中区东湖街9号(72)发明人 尚健　谭建勋　姜海涛　刘罡　

岳洪　张全兴　徐忠华　宋志宏　韩守国　金燕　(74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务

所(普通合伙) 23209

代理人 张伟(51)Int.Cl.

B25J 18/00(2006.01)B25J 9/00(2006.01)B25J 19/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图3页

(54)发明名称

二自由度机器人臂(57)摘要

机器人臂，属于机器人技术领域。本发明在实现机器人臂结构紧凑、运动灵活等优点的同时，在某一轴方向上又具有较高的直线运动速度并可同时实现回转运动，此外还可以提供较高的冲击力和输出转矩。本发明具有两个自由度，小臂支架上设有移动回转组件，移动回转组件与旋转运动-直线运动转换机构联接，旋转运动-直线运动转换机构与移动驱动电机铰接，移动回转组件通过导向轮在导轨上做往复直线运动，移动回转组件转子组件通过回转驱动电机做回转运动，移动回转组件转子组件前端固定有夹爪气缸，工具座固定在夹爪气缸的前端，工具座上还设有夹爪，夹爪与夹爪气缸铰接。本发明为机器人的工作臂，用于代替人类作业。

CN 107243924 ACN 107243924 A

权　利　要　求　书

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1.二自由度机器人臂，它具有两个自由度，包括移动驱动电机(1)、回转驱动电机(2)、移动回转组件(3)、导向轮(4)、移动回转组件转子组件(5)、夹爪气缸(6)、旋转运动-直线运动转换机构(7)、夹爪(8)、工具座(9)、导轨(10)和小臂支架(11)，其特征在于：所述移动驱动电机(1)固定在小臂支架(11)后端侧面，小臂支架(11)上设有移动回转组件(3)，移动回转组件(3)的两侧与旋转运动-直线运动转换机构(7)联接，旋转运动-直线运动转换机构(7)与移动驱动电机(1)铰接，小臂支架(11)上设有导轨(10)，导轨(10)为两条且平行布置，移动回转组件(3)的下端四个底角处均设有导向轮(4)，移动回转组件(3)通过导向轮(4)在导轨(10)上做往复直线运动，回转驱动电机(2)与移动回转组件(3)并列上下布置，移动回转组件转子组件(5)通过回转驱动电机(2)做±180°回转运动；移动回转组件转子组件(5)的前端固定有夹爪气缸(6)，工具座(9)固定在夹爪气缸(6)的缸体前端，工具座(9)的前端内部为外喇叭口形锥孔结构，工具座(9)上还设有夹爪(8)，夹爪(8)的后端与夹爪气缸(6)的气缸活塞杆铰接。

2.根据权利要求1所述的二自由度机器人臂，其特征在于：所述的旋转运动-直线运动转换机构(7)包括链条和链轮，链条为两条平行布置，链条的前端通过前部链轮轴(18)安装在小臂支架(11)上，链条的后端通过后部链轮轴(19)安装在小臂支架(11)上，两条链条布置在小臂支架(11)外侧，后部链轮轴(19)上安装有主动链轮Ⅰ(20)，前部链轮轴(18)上安装有从动链轮Ⅰ(21)，移动驱动电机(1)通过减速机(12)与主动链轮Ⅰ(20)连接。

3.根据权利要求1所述的二自由度机器人臂，其特征在于：所述回转驱动电机(2)与移动回转组件(3)上下并列布置，回转驱动电机(2)与移动回转组件(3)的轴线平行，回转驱动电机(2)通过减速机(12)安装在安装架(13)上，安装架(13)安装在移动回转组件(3)上，减速机(12)的输出端安装有主动链轮Ⅱ(14)，移动回转组件的转子组件5的输出端安装有传动链轮Ⅱ(15)，主动链轮Ⅱ(14)通过链传动带动传动链轮Ⅱ(15)及移动回转组件转子组件(5)做±180°回转运动。

4.根据权利要求3所述的二自由度机器人臂，其特征在于：所述的移动回转组件(3)的上端面安装有调整螺栓安装座(23)，调整螺栓安装座(23)上安装有调整螺栓(17)，所述的调整螺栓(17)顶靠在安装架(13)上。

5.根据权利要求4所述的二自由度机器人臂，其特征在于：所述的移动回转组件转子组件(5)内部采用两端支撑的安装方式，移动回转组件转子组件(5)的轴承室(16)为可拆卸结构，所述的移动回转组件转子组件(5)的轴承室(16)的两侧分别安装有轴承室套(22)，所述的轴承室套(22)通过螺栓固定安装在轴承室(16)两侧，轴承室套(22)内安装有支撑轴承，移动回转组件转子组件(5)的转动轴设置在轴承室(16)内并通过轴承室套(22)内的支撑轴承支撑安装。

6.根据权利要求2所述的二自由度机器人臂，其特征在于：所述的移动回转组件(3)每个底角处的导向轮(4)分为上下两部分，上部的导向轮(4)与导轨(10)的上面贴合，下部的导向轮(4)与小臂支架(11)的下端面贴合。

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说　明　书二自由度机器人臂

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技术领域

[0001]本发明涉及一种机器人臂，属于机器人技术领域。

背景技术

[0002]随着人力成本的逐步提高，机器人代替人类作业成为一种趋势。机器人臂是机器人完成作业的关键部分，机器人臂的设计直接决定了机器人能否适用于某一特定的生产工艺和生产场景，它直接决定机器人能否顺利完成预定的的作业计划。因此，合理的设计机器人臂是机器人设计的一个重要部分。

[0003]目前市场上的自动化生产场景所使用的串联或者并联机器人，可作为搬运，焊接，喷涂，装配等使用，但是对一些复杂的操作，不仅要求机器人臂能够完成高速直线运动与回转运动的复合运动，还要求机器人臂能够提供较大的冲击力，同时机器人臂还需要使用一些针对特殊工艺设计的工具，针对此类复杂的工艺生产现场，目前尚没有合适的机器人臂能够完成这些复杂操作。

发明内容

[0004]本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供二自由度机器人臂。[0005]本发明的技术方案：[0006]二自由度机器人臂，它具有两个自由度，包括移动驱动电机、回转驱动电机、移动回转组件、导向轮、移动回转组件转子组件、夹爪气缸、旋转运动-直线运动转换机构、夹爪、工具座、导轨和小臂支架，所述移动驱动电机固定在小臂支架后端侧面，小臂支架上设有移动回转组件，移动回转组件的两侧与旋转运动-直线运动转换机构联接，旋转运动- 直线运动转换机构与移动驱动电机铰接，小臂支架上设有导轨，导轨为两条且平行布置，移动回转组件的下端四个底角处均设有导向轮，动回转组件通过导向轮在导轨上做往复直线运动，回转驱动电机与移动回转组件并列上下布置，移动回转组件的转子组件通过回转驱动电机做±180°回转运动；移动回转组件转子组件的前端固定有夹爪气缸，工具座固定在夹爪气缸的缸体前端，工具座的前端内部为外喇叭口形锥孔结构，工具座上还设有夹爪，夹爪的后端与夹爪气缸的气缸活塞杆铰接。[0007]优选的：所述的旋转运动-直线运动转换机构包括链条和链轮，链条为两条平行布置，链条的前端通过前部链轮轴安装在小臂支架上，链条的后端通过后部链轮轴安装在小臂支架上，两条链条布置在小臂支架外侧，后部链轮轴上安装有主动链轮Ⅰ，前部链轮轴上安装有从动链轮Ⅰ，移动驱动电机1通过减速机与主动链轮Ⅰ连接。[0008]优选的：所述回转驱动电机与移动回转组件上下并列布置，回转驱动电机与移动回转组件的轴线平行，回转驱动电机通过减速机安装在安装架上，安装架安装在移动回转组件上，减速机的输出端安装有主动链轮Ⅱ，移动回转组件的转子组件的输出端安装有传动链轮Ⅱ，主动链轮Ⅱ通过链传动带动传动链轮Ⅱ及移动回转组件转子组件做±180°回转运动。

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优选的：所述的移动回转组件的上端面安装有调整螺栓安装座，调整螺栓安装座

上安装有调整螺栓，所述的调整螺栓顶靠在安装架上。[0010]优选的：所述的移动回转组件的转子组件内部采用两端支撑的安装方式，移动回转组件的转子组件的轴承室为可拆卸结构，所述的移动回转组件的转子组件的轴承室的两侧分别安装有轴承室套，所述的轴承室套通过螺栓固定安装在轴承室两侧，轴承室套内安装有支撑轴承，移动回转组件的转子组件的转动轴设置在轴承室内并通过轴承室套内的支撑轴承支撑安装。[0011]优选的：所述的移动回转组件每个底角处的导向轮分为上下两部分，上部的导向轮与导轨的上面贴合，下部的导向轮与小臂支架的下端面贴合。[0012]本发明具有以下有益效果：本发明具有两个自由度，移动回转组件转子、工具座及夹爪气缸可沿机器人臂轴线方向做±180°回转运动，通过控制回转驱动电机可控制移动回转组件的输出转矩，其转矩大小参见表1；旋转运动-直线运动转换机构将移动驱动电机的旋转运动最终转化为移动回转组件的直线运动，可以控制移动驱动电机的速度和转矩从而控制移动回转组件的直线运动速度和在运动方向的冲击力，在需要冲击力的时候移动回转组件高速运动，通过驱动电机提供的转矩和移动回转组件本身的惯性力在运动方向上提供一个需要的冲击力。实现了机器人臂结构紧凑、运动灵活的优点，同时在某一轴方向上又具有较高的直线运动速度并可同时实现回转运动，此外还可以提供较高的冲击力，参见表2。[0013]表1：机器人臂输出转矩表

[0014]

  电机转速rpm 额定转速 1500 最高转速 3000 瞬时最大转矩 — [0015]表2：机器人冲击力数据表

[0016]

电机转矩(Nm)

8.34 4.74 20.85 输出转矩(Nm)

292 167 730

电机转速rpm

900 1100 1300 冲击力(kgf)

2298.1 2626.4 2954.7

附图说明

[0017]图1是本发明的整体结构立体图；[0018]图2是移动回转组件立体图；

[0019]图3是移动回转组件局部主剖视图；[0020]图4是前部链条传动示意图；[0021]图5是后部链条传动示意图；

[0022]图6是导向轮在移动回转组件的下端底角处的布置图；[0023]图7是轴承室剖视图；

[0024]图8是二自由度机器人臂在运动方向的冲击实验效果图；

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图中 1-移动驱动电机，2-回转驱动电机，3-移动回转组件，4-导向轮，5-移动回转

组件转子组件，6-夹爪气缸，7-旋转运动-直线运动转换机构，8-夹爪，9-工具座，10-导轨， 11-小臂支架，12-减速机，13-安装架，14-主动链轮Ⅱ，15-传动链轮Ⅱ，16-轴承室，17- 调整螺栓，18-前部链轮轴，19-后部链轮轴，20-主动链轮Ⅰ，21-从动链轮Ⅰ，22-轴承室套，23-调整螺栓安装座。

具体实施方式

[0026]在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。[0027]在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

[0028]具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂，它具有两个自由度，包括移动驱动电机1、回转驱动电机2、移动回转组件3、导向轮4、移动回转组件转子组件5、夹爪气缸6、旋转运动-直线运动转换机构7、夹爪8、工具座 9、导轨10和小臂支架11，所述移动驱动电机1固定在小臂支架11后端侧面，小臂支架 11上设有移动回转组件3，移动回转组件3的两侧与旋转运动-直线运动转换机构7联接，旋转运动-直线运动转换机构7与移动驱动电机1铰接，小臂支架11上设有导轨10，导轨10为两条且平行布置，移动回转组件3的下端四个底角处均设有导向轮4，移动回转组件3通过导向轮4在导轨10上做往复直线运动，回转驱动电机2与移动回转组件3并列上下布置，移动回转组件的转子组件5通过回转驱动电机2做±180°回转运动；移动回转组件转子组件5的前端固定有夹爪气缸6，工具座9固定在夹爪气缸6的缸体前端，工具座9的前端内部为外喇叭口形锥孔结构，工具座9上还设有夹爪8，夹爪8的后端与夹爪气缸6的气缸活塞杆铰接。如此设置，此种将驱动电机1固定在小臂支架11后端侧面的布置方式，其驱动电机1的输出端输出的动力直接作用于旋转运动-直线运动转换机构7，这种方式在提高传动效率的同时也大大提高了移动回转组件3所提供的最大冲击力，同时移动回转组件3上端并列布置有回转驱动电机2，回转驱动电机2驱动移动回转组件的转子组件5转动，使得安装在转子组件5前端的夹爪气缸6轴向转动，这样在驱动电机 1和回转驱动电机2的作用下，机器人在运动方向的冲击包括移动回转组件本身的惯性力和回转组件本身的转动力，这种方式达到的冲击效率更高，通过试验证明此结论，试验方案如下：[0029]方案1：利用驱动电机1带动移动回转组件3在试验对象上进行冲击效果模拟；[0030]方案2：利用驱动电机1和回转驱动电机2共同作业下产生的直线+回转的复合运动在试验对象上进行冲击效果模拟；

[0031]使用方案1和方案2分别在相同硬度、相同厚度的试验对象上以相同的速度进行数次冲击试验，获得数次完成击穿试验对象的时间，试验结果如图8：

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从击穿时间曲线可以看出，方案2的最大击穿时间小于方案1的最小击穿时间，且

方案2的击穿时间基本保持平稳，说明方案2的击穿效率远远高于方案1。方案1由于在击穿过程中其工具会出现卡在试验对象中的情况，导致其击穿时间变化较大，难以保证其击穿效率。因此本发明方式除了大大提高了冲击力外，其击穿效率(也就是工作效率)也得到了明显的提升，能够保证其工作的稳定性。

[0033]本发明的导轨10为两条且平行布置，可以承受更加复杂的受力情况，工具座9固定在夹爪气缸6的缸体前端，此种气缸前置的布置方式易于布线，且线缆与移动回转组件随动，整个结构简单有效。[0034]具体实施方式二：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂所述的旋转运动-直线运动转换机构7包括链条和链轮，链条为两条平行布置，链条的前端通过前部链轮轴18安装在小臂支架11上，链条的后端通过后部链轮轴19安装在小臂支架11上，两条链条布置在小臂支架11外侧，后部链轮轴19上安装有主动链轮Ⅰ20，前部链轮轴18上安装有从动链轮Ⅰ21，移动驱动电机1通过减速机12与主动链轮Ⅰ20 连接。如此设置，移动驱动电机1的旋转运动最终转化为移动回转组件3的往复直线运动，可以控制移动驱动电机1的速度和转矩从而控制移动回转组件3的直线运动速度和在直线运动方向的冲击力，在需要冲击力的时候移动回转组件3高速运动，通过移动驱动电机1 提供的转矩和移动组件本身的惯性力在运动方向上提供一个需要的冲击力。[0035]具体实施方式三：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂所述回转驱动电机2与移动回转组件3上下并列布置，回转驱动电机2与移动回转组件3 的轴线平行，回转驱动电机2通过减速机12安装在安装架13上，安装架13安装在移动回转组件3上，减速机12的输出端安装有主动链轮Ⅱ14，移动回转组件转子组件5的输出端安装有传动链轮Ⅱ15，主动链轮Ⅱ14通过链传动带动传动链轮Ⅱ15及移动回转组件的转子组件5做±180°回转运动。

[0036]具体实施方式四：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂所述的移动回转组件3的上端面安装有调整螺栓安装座23，调整螺栓安装座23上安装有调整螺栓17，所述的调整螺栓17顶靠在安装架13上。如此设置，所述的安装架13通过长圆孔的固定方式安装在回转组件3的上端面上，通顶靠在安装架13上的调整螺栓17，能够保证减速机12输出端主动链轮Ⅱ14和移动回转组件转子组件5的输出端传动链轮Ⅱ 15的工作间距，保证链条始终处于张紧状态。[0037]具体实施方式五：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂所述的移动回转组件转子组件5内部采用两端支撑的安装方式，移动回转组件转子组件5 的轴承室16为可拆卸结构，所述的转子组件5的轴承室16的两侧分别安装有轴承室套 22，所述的轴承室套22通过螺栓固定安装在轴承室16两侧，轴承室套22内安装有支撑轴承，转子组件5的转动轴设置在轴承室16内并通过轴承室套22内的支撑轴承支撑安装。如此设置，转子组件采用两端支撑方式，其轴承室为可拆卸结构，这种可拆卸结构更便于转子组件在长时间使用后进行维修养护过程的拆装，其结构拆卸简单方便，节省了维修和养护时间。[0038]具体实施方式六：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的二自由度机器人臂所述的移动回转组件3每个底角处的导向轮4分为上下两部分，上部的导向轮4与导轨 10的上面贴合，下部的导向轮4与小臂支架11的下端面贴合。上部的导向轮4主要起到导向作用，

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下部的导向轮4起到平衡扭转力矩的作用。[0039]进一步地，根据一种实现方式，所述导轨10为半圆形长导轨。[0040]进一步地，根据一种实现方式，所述移动驱动电机1和回转驱动电机2为伺服电机，由运动控制器与伺服驱动器控制。具有机器人的运动学和动力学特征，动作灵活，重复定位精度和运动轨迹精度控制精准，结构紧凑，占地面积小，易于维护，便于操作。[0041]进一步地，根据一种实现方式，所述的旋转运动-直线运动转换机构7还可以为电动推杆、螺纹丝杠或皮带。[0042]进一步地，根据一种实现方式，所述的移动回转组件3的链传动还可以为齿轮传动、带传动等传动方式。[0043]进一步地，根据一种实现方式，轴承室17可根据实际情况设置为可拆卸及不可拆卸两种方式。

[0044]本发明的工作原理：

[0045]机器人臂一轴电机驱动减速机带动旋转运动-直线运动转换机构7，旋转运动-直线运动转换机构7带动移动回转组件3沿导轨10做往复直线运动，二轴电机驱动链传动机构带动移动回转组件3做回转运动。夹爪气缸6的伸缩运动，可以带动夹爪8抓紧或松开工具座9中的工具，机器人所使用的电机均为伺服电机，由运动控制器与伺服驱动器控制，具有机器人的运动学和动力学特征，动作灵活，重复定位精度和运动轨迹精度控制精准，结构紧凑，占地面积小，易于维护，便于操作，一轴电机的旋转运动最终转化为移动回转组件4的直线运动，电机驱动移动回转组件3做回转运动同时提供一定的输出转矩，可以控制伺服电机的速度和转矩从而控制移动回转组件3的输出转矩及直线运动速度和在运动方向的冲击力，在需要冲击力的时候移动回转组件3高速运动，通过电机提供的转矩和移动回转组件3本身的惯性力在运动方向上提供一个需要的冲击力，同时监控冲击力的大小反馈，当冲击力达到设定允许值上限值时冲击停止，电机反转回退，指令和反馈采用高速通讯模式，保证接收反馈和发送控制指令的实时性。机器人臂所用RV减速机具有抗冲击力强、扭矩大、体积小、重量轻、传动比范围大、减速比大、寿命长、定位精度高、精度保持稳定、效率高、振动小、传动平稳等诸多优点，较机器人中常用的谐波减速机具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定。

[0046]本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

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图2

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图3

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图5

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图6

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