[發明專利]一種二自由度工業機器人的手腕

無效

• 申請號: 201110212660.2
• 申請日: 2011-07-28
• 公開（公告）號: CN102284959A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 陳其忠;張鐵;張愛民;鄒焱飚
• 申請（專利權）人: 廣州數控設備有限公司
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及工業機器人技術領域，特別涉及一種二自由度工業機器人的手腕。

背景技術

現代機器人手腕又稱為機器人的姿態機構，由于手腕末桿具有繞自身的旋轉運動(即第六關節)，若手腕末桿還能在空間取任意方位，那么與之相聯的末端執行器就可在空間取任意姿態，即達到完全靈活，由于桿件的姿態可用兩個方位來確定，如圖1所示，圖中32為機器人的大臂，33為小臂，34為手腕末桿，手腕末桿的末端與末端執行器連接。圖中，手腕末桿的圖示姿態可以看作是由處于X₃方向的原始位置先繞Z₃在平面X₃O₃Y₃內旋轉α角，然后在Y₃與Z₃組成的垂直平面Y₃O₃Z₃內向上旋轉β角得到。由此可見，α、β兩角決定了手腕末桿的姿態，α角稱為側擺角，β角稱為俯仰角。從理論上講，如果0°≤α≤360°、0°≤β≤360°，則手腕末桿在空間可取任意方向，如果設手腕末桿自轉角為γ，那么手腕末桿自轉角也滿足0°≤γ≤360°。

從結構形式上分，手腕包括三自由度手腕和側擺軸α后置式手腕(或稱為二自由度手腕)兩大類。其中三自由度手腕結構形式主要有兩種，即三自由度偏交型手腕和三自由度匯交型手腕。

(1)三自由度偏交型手腕又分為普通偏交型和中空偏交型，其中普通偏交型的結構如圖2所示，中空偏交型的結構如圖3所示。三自由度偏交型手腕的主要特點是手腕末桿偏置在小臂中線的一側，其優點是手腕結構緊湊，且每個關節的轉動幾乎沒有結構限制，但由于手腕與小臂的中心不在一條線上，所以三自由度偏交型手腕的運動學反解求解時較復雜，且動力學參數也是強耦合的。

(2)三自由度匯交型手腕又分為普通匯交型和球形匯交型，其中普通匯交型的結構如圖4所示，球形匯交型的結構如圖5所示。三自由度匯交型手腕的優點主要是方便機器人的建模及運動學等分析，但由于受到關節結構的限制，第五自由度處平面Y₃O₃Z₃內(見圖1)β≤200°，故其靈活度比三自由度偏交型手腕要低；同時球形匯交型的手腕結構也較為復雜，對零件的加工精度和裝配精度要求很高，否則很難保證旋轉角α、β和γ的軸線匯交于一點。

(3)側擺軸α后置式手腕(或稱為二自由度手腕)從總體的平衡和結構的復雜程度來分，電機的配置可以分為前置式和后置式。前置式的電機簡化了傳動結構，避免了傳動過程的軸線干擾，提高了傳動精度，但加大了手腕的重量；后置式的電機有利于小臂的平衡，但增加了傳動方案的復雜度并減小了傳動精度。由于前置式的電機對工業機器人來說，其負載較大、電機較重、體積也大，因此目前的工業機器人大多數采用后置式的電機，即將電機置于小臂的后端或空腔內。其中電機置于小臂空腔內的二自由度手腕結構如圖6所示。電機置于小臂后端時，依靠空心軸將電機的扭矩傳遞到小臂前端的手腕上，但其結構復雜，對空心軸的加工精度和零件的剛度要求較高，且安裝精度的要求也很高，否則會由于遠距離傳遞而使精度得不到保證。而電機豎直并列地置于小臂的空腔內時，通過齒輪和帶傳動將動力傳遞到手腕上，該結構適宜扁長型電機，對于小臂空腔的結構要求較復雜，同時由于需要經過多次傳遞，所以手腕結構復雜，其精度難以得到控制。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、動力傳遞精度較高的二自由度工業機器人的手腕。

本發明的技術方案為：一種二自由度工業機器人的手腕，包括自轉驅動機構和俯仰驅動機構，自轉驅動機構包括動力輸入軸、錐形齒輪組和自轉齒輪軸，動力輸入軸一端與自轉齒輪軸一端通過錐形齒輪組連接，動力輸入軸另一端外接自轉動力源，自轉齒輪軸另一端與手腕末端執行器連接，動力輸入軸與自轉齒輪軸垂直設置，動力輸入軸設于手腕基體的軸線方向上；俯仰驅動機構包括俯仰齒輪軸，俯仰齒輪軸一端外接俯仰動力源，俯仰齒輪軸另一端與手腕基體連接，俯仰齒輪軸設于手腕基體的軸向方向上。

所述動力輸入軸外周通過一對第一軸承與第一軸承座相連接，動力輸入軸外周位于兩個第一軸承之間處設有動力輸入軸套筒，第一軸承座通過第二軸承與手腕基體相連接，第一軸承外端設有第一軸承蓋，第一軸承蓋的端面與第一軸承座固定連接，動力輸入軸外周位于第一軸承外端處設有彈性擋圈；動力輸入軸一端通過錐形齒輪組與自轉齒輪軸連接，動力輸入軸另一端通過第一同步帶輪外接作為自轉動力源的第一電機。