一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人

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一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人\n技术领域：\n[0001] 本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人。\n背景技术：\n[0002] 工业机器人在当今装配制造业中的作用显得尤为突出，广泛应用于电子、化工、汽车、机械、食品、医药等自动化生产领域，完成诸如装箱、码垛、焊接、装配、喷涂、分拣、检测等高速作业，尤其是串联型六自由度工业机器人的生产应用，大大提高了生产效率，提高了产品质量。目前，现有串联型六自由度工业机器人大都采用在各个运动关节处安装伺服电机与RV减速器或谐波减速器等驱动装置，驱动机器人运行操作，比如ABB六自由度机器人、FANUC六自由度机器人、KUKA六自由度机器人、YASKAWA六自由度工业机器人等。由于在运动关节处设置上述驱动装置结构，导致现有串联型工业机器人相对于驱动装置安装在机架处的并联型工业机器人，具有运动惯量大、刚度差、动态响应差、末端累计误差大、运行精度低、可靠性低等性能缺陷。并且，由于RV减速器或谐波减速器价格昂贵，在串联型工业机器人中各个运动关节处设置RV减速器或谐波减速器，则增加了串联型工业机器人的加工制造成本和维护成本。\n发明内容：\n[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人，该机器人能够改善现有串联型工业机器人在刚度、运行精度、可靠性等方面的不足，并降低六自由度工业机器人的加工制造成本和维护成本。\n[0004] 本发明所提供的一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人由腰部回转机构、肩部回转机构、肘部回转机构、腕部俯仰机构、腕部回转机构以及腕部偏转机构组成。\n[0005] 所述腰部回转机构包括第一伺服电机12、RV减速器11、底座13以及回转支架10，所述第一伺服电机12固接于所述回转支架10的内部，所述RV减速器11与所述底座13固接，所述回转支架10通过所述第一伺服电机12以及RV减速器11相对于所述底座13实现腰部回转运动。\n[0006] 所述肩部回转机构包括第二伺服电机22、第一伞齿轮组23、第一滚珠丝杠14、第一丝杠螺母21、第一丝杠螺母座20、第一滑块组19、第一导轨组18、肩部底座17、前大臂15以及第一转动副16，所述第二伺服电机22固接于所述回转支架10的外侧壁，所述第一导轨组18固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第一滚珠丝杠14的一端固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第一滚珠丝杠14与所述第一导轨组18平行设置，所述第一伞齿轮组\n23分别固接于所述第二伺服电机22的输出轴以及所述第一滚珠丝杠14的另一端，所述第一丝杠螺母21固接于所述第一丝杠螺母座20，所述第一丝杠螺母21设置在所述第一滚珠丝杠14中，所述第一丝杠螺母座20固接于所述第一滑块组19，所述肩部底座17固接于所述第一滑块组19，所述第一滑块组19设置在所述第一导轨组18中，所述前大臂15的一端通过所述第一转动副16与所述肩部底座17连接，所述前大臂15的另一端通过第六转动副\n27与小臂28连接。\n[0007] 所述肘部回转机构包括第三伺服电机1、第一同步带轮组5、第二滚珠丝杠24、第一同步带4、第二丝杠螺母25、第二丝杠螺母座30、第二滑块组31、第二导轨组29、后大臂\n36、第一连杆34、小臂28、第二转动副32、第三转动副35、第四转动副33、第五转动副26以及第六转动副27，所述第三伺服电机1固接于所述回转支架10的外部，所述第二导轨组29固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第二滚珠丝杠24的一端固接于所述回转支架10内侧壁，所述第二滚珠丝杠24与所述第二导轨组29平行设置，所述第一同步带轮组5分别固接于所述第三伺服电机1输出轴以及所述第二滚珠丝杠24的另一端，所述第一同步带4设置在所述第一同步带轮组5上，所述第二丝杠螺母25固接于所述第二丝杠螺母座30，所述第二丝杠螺母25设置在所述第二滚珠丝杠24中，所述第二丝杠螺母座30固接于所述第二滑块组31，所述第二滑块组31设置在所述第二导轨组29中，所述后大臂36的一端通过所述第二转动副32与所述第二滑块组31连接，所述第一连杆34的一端通过所述第三转动副\n35与所述肩部底座17连接，所述后大臂36的一端通过所述第四转动副33与所述第一连杆\n34的另一端连接，所述小臂28通过所述第五转动副26与所述后大臂36的另一端连接。\n[0008] 所述腕部俯仰机构包括第四伺服电机2、第二同步带轮组7、第三滚珠丝杠46、第二同步带6、第三丝杠螺母47、第三丝杠螺母座48、第三滑块组50、第三导轨组51、第二连杆45、第三连杆53、第四连杆38、第五连杆39、腕部座42、第七转动副52、第八转动副54、第九转动副49、第十转动副43、第十一转动副44、第十二转动副37、第十三转动副40以及第十四转动副41，所述第四伺服电机2固接于所述回转支架10的外部，所述第三导轨组51固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第三滚珠丝杠46的一端固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第三滚珠丝杠46与所述第三导轨组51平行设置，所述第二同步带轮组7分别固接于所述第四伺服电机2输出轴与所述第三滚珠丝杠46的另一端，所述第二同步带6设置在所述第二同步带轮组7上，所述第三丝杠螺母47固接于所述第三丝杠螺母座48，所述第三丝杠螺母47设置在所述第三滚珠丝杠46上，所述第三丝杠螺母座48固接于所述第三滑块组50，所述第三滑块组50设置在所述第三导轨组51上，所述第二连杆45的一端通过所述第七转动副52与所述第三滑块组50相连接，所述第三连杆53的一端通过所述第八转动副54与所述肩部底座17相连接，所述第三连杆53的另一端通过所述第九转动副49与所述第二连杆45相连接，所述第四连杆38通过所述第十转动副43连接于所述前大臂15，所述第四连杆38的一端通过所述第十一转动副44与所述第二连杆45的另一端相连接，所述第五连杆39的一端通过所述第十二转动副37与所述第四连杆38的另一端相连接，所述第五连杆39的另一端通过所述第十三转动副40与所述腕部座42相连接；所述腕部座42通过所述第十四转动副41与所述小臂28连接。\n[0009] 所述腕部回转机构包括第五伺服电机3、第三同步带轮组9、第四滚珠丝杠59、第三同步带8、第四丝杠螺母61、第四丝杠螺母座62、第四滑块组63、第四导轨组58、第六连杆57、第七连杆64、第八连杆56、第九连杆69、第十连杆72、第一转轴85、腕部壁罩71、小同步带轮组75、小同步带73、第二转轴84、第二伞齿轮组81、回转件82、第十五转动副65、第十六转动副66、第十七转动副60、第十八转动副68、第十九转动副55、第二十转动副67、第二十一转动副70、第二十二转动副86、第二十三转动副74、第二十四转动副77以及第二十五转动副83，所述第五伺服电机3固接于所述回转支架10的外部，所述第四导轨组58固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第四滚珠丝杠59的一端固接于所述回转支架10的内侧壁，所述第四滚珠丝杠59与所述第四导轨组58平行设置，所述第三同步带轮组9分别固接于所述第五伺服电机3的输出轴与所述第四滚珠丝杠59的另一端，所述第三同步带8设置在所述第三同步带轮组9上，所述第四丝杠螺母61固接于所述第四丝杠螺母座62，所述第四丝杠螺母61设置在所述第四滚珠丝杠59上，所述第四丝杠螺母座62固接于所述第四滑块组63，所述第四滑块组63设置在所述第四导轨组58上，所述第六连杆57的一端通过所述第十五转动副65与所述第四滑块组63相连接，所述第七连杆64的一端通过所述第十六转动副66与所述肩部底座17相连接，所述第七连杆64的另一端通过所述第十七转动副60与所述第六连杆57相连接，所述第八连杆56通过所述第十八转动副68与所述前大臂15相连接，所述第八连杆56的一端通过所述第十九转动副55与所述第六连杆57的另一端相连接，所述第九连杆69的一端通过所述第二十转动副67与所述第八连杆56的另一端相连接，所述第九连杆69的另一端通过所述第二十一转动副70与所述第十连杆72的一端相连接，所述第十连杆72的另一端固接于所述第一转轴85，所述第一转轴85通过所述第二十二转动副86、第二十三转动副74分别与所述小臂28以及所述腕部座42相连接，所述第二转轴84通过所述第二十四转动副77与所述腕部座42相连接，所述小同步带轮组75分别固接于所述第一转轴85与第二转轴84的一端，所述小同步带73设置在所述小同步带轮组75上，所述腕部壁罩71固接于所述腕部座42的一侧，所述腕部壁罩71覆盖所述小同步带轮组75与小同步带73，所述第二伞齿轮组81中一伞齿轮固接于所述第二转轴84的另一端，所述第二伞齿轮组81中的另一伞齿轮通过第二十五转动副83连接于所述腕部座\n42，且所述第二伞齿轮组81中的另一伞齿轮与所述回转件82固接。\n[0010] 所述腕部偏转机构包括第六伺服电机76、圆柱齿轮组78、输出件79以及第二十六转动副80，所述第六伺服电机76固接于所述回转件82，所述圆柱齿轮组78中一圆柱齿轮固接于所述第六伺服电机76的输出轴，所述圆柱齿轮组78中另一圆柱齿轮通过所述第二十六转动副80与所述回转件82相连接，且所述圆柱齿轮组78中另一圆柱齿轮与所述输出件79固接。\n[0011] 所述第一转动副16、第三转动副35、第八转动副54、第十六转动副66同轴设置；\n所述第六转动副27、第十转动副43、第十八转动副68同轴设置；所述第二十四转动副77与第二十二转动副86、第二十三转动副74平行设置；所述第二滚珠丝杠24、第三滚珠丝杠46以及所述第四滚珠丝杠59互相平行设置，所述第二滚珠丝杠24、第三滚珠丝杠46以及所述第四滚珠丝杠59与所述第一滚珠丝杠14垂直设置；所述后大臂36中所述第四转动副33、第五转动副26两轴线之间的连杆长度等于所述前大臂15中所述第一转动副16、第六转动副27两轴线之间的连杆长度。\n[0012] 本发明与现有技术相比具有以下技术特点：\n[0013] (1)本发明利用滚珠丝杠传动原理，采用伺服电机、滚珠丝杠组合作为驱动装置的方法，替代了常用的伺服电机、RV减速器或谐波减速器组合作为驱动装置的方法，有效压缩了机器人加工成本，并降低了维护维修成本；\n[0014] (2)本发明采用伺服电机、滚珠丝杠组合作为驱动装置，将驱动装置安装于腰部壳内，降低了机器人各关节运动惯量，传动侧隙小，精度高，提高了机器人整体刚度和承载能力。\n[0015] 本发明利用滚珠丝杠传动，实现了与之连接的伺服电机输出轴的减速增扭功能，无需购买安装价格昂贵的RV减速器或谐波减速器，降低了加工制造维护成本，与伺服电机形成了该六自由度工业机器人肩部回转机构、肘部回转机构、腕部俯仰机构、腕部回转机构的驱动装置，并且将该驱动装置都安装于腰部壳上，实现了该六自由度工业机器人具有高精度、高刚度、高可靠性、高负荷等性能。\n附图说明：\n[0016] 图1是本发明的含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人结构示意图；\n[0017] 图2是图1的A处局部放大结构示意图；\n[0018] 图3是本发明的腰部回转机构结构示意图；\n[0019] 图4是本发明的肩部回转机构结构示意图；\n[0020] 图5是本发明的肘部回转机构结构示意图；\n[0021] 图6是本发明的腕部俯仰机构结构示意图；\n[0022] 图7是本发明的腕部回转机构结构示意图；\n[0023] 图8是图7的A处腕部壁壳内部机构及本发明的腕部偏转机构结构示意图；\n[0024] 图9是图7的B处局部放大结构示意图。\n[0025] 图中：1：第三伺服电机，2：第四伺服电机，3：第五伺服电机，4：第一同步带，5：第一同步带轮组，6：第二同步带，7：第二同步带轮组，8：第三同步带，9：第三同步带轮组，10：\n回转支架，11：RV减速器，12：第一伺服电机，13：底座，14：第一滚珠丝杠，15：前大臂，16：\n第一转动副，17：肩部底座，18：第一导轨组，19：第一滑块组，20：第一丝杠螺母座，21：第一丝杠螺母，22：第二伺服电机，23：第一伞齿轮组，24：第二滚珠丝杠，25：第二丝杠螺母，\n26：第五转动副，27：第六转动副，28：小臂；29：第二导轨组，30：第二丝杠螺母座，31：第二滑块组，32：第二转动副，33：第四转动副，34：第一连杆，35：第三转动副，36：后大臂，37：\n第十二转动副，38：第四连杆，39：第五连杆，40：第十三转动副，41：第十四转动副，42：腕部座，43：第十转动副，44：第十一转动副，45：第二连杆，46：第三滚珠丝杠，47：第三丝杠螺母，48：第三丝杠螺母座，49：第九转动副，50：第三滑块组，51：第三导轨组，52：第七转动副，53：第三连杆，54：第八转动副，55：第十九转动副，56：第八连杆，57：第六连杆，58：第四导轨组，59：第四滚珠丝杠，60：第十七转动副，61：第四丝杠螺母，62：第四丝杠螺母座，\n63：第四滑块组，64：第七连杆，65：第十五转动副，66：第十六转动副，67：第二十转动副，\n68：第十八转动副，69：第九连杆，70：第二十一转动副，71：腕部壁壳，72：第十连杆，73：小同步带，74：第二十三转动副，75：小同步带轮组，76：第六伺服电机，77：第二十四转动副，\n78：圆柱齿轮组，79：输出件，80：第二十六转动副，81：第二伞齿轮组，82：回转件，83：第二十五转动副，84：第二转轴，85：第一转轴，86：第二十二转动副。\n具体实施方式：\n[0026] 下面结合附图对本发明作进一步描述：\n[0027] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9，一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人，主要包括腰部回转机构、肩部回转机构、肘部回转机构、腕部俯仰机构、腕部回转机构和腕部偏转机构等各种机构。\n[0028] 见图3，腰部回转机构由第一伺服电机12、RV减速器11、底座13、回转支架10组成；RV减速器11一侧固接于底座13上，另一侧与回转支架10底部固接安装；第一伺服电机12固接安装于回转支架10内，并与RV减速器11构成腰部回转机构的驱动装置；以此，本发明通过第一伺服电机12、RV减速器11组成的驱动装置实现腰部回转功能。\n[0029] 见图4，肩部回转机构由第二伺服电机22、第一伞齿轮组23、第一滚珠丝杠14、第一丝杠螺母21、第一丝杠螺母座20、第一滑块组19、第一导轨组18、肩部底座17、前大臂\n15、第一转动副16组成；第一导轨组18、第一滚珠丝杠14的一端固接安装于回转支架10内侧壁同一侧，两者平行布置；第二伺服电机22固接安装于回转支架10外侧壁；第一伞齿轮组23分别固接于第二伺服电机22输出轴上和第一滚珠丝杠14的另一端上；第一丝杠螺母21固接于第一丝杠螺母座20上，并同时设置在第一滚珠丝杠14；第一滑块组19与第一丝杠螺母座20固接连接，并同时设置于第一导轨组18上；肩部底座17固接安装于第一滑块组19上，并与前大臂15一端通过第一转动副16相连接；以此，本发明通过第二伺服电机\n22、第一伞齿轮组23，驱动第一滚珠丝杠14，使得第一丝杠螺母21进行平移运动，从而带动肩部底座17、前大臂15相对腰部壳10进行平移运动，故实现肩部回转功能。\n[0030] 见图2、图5，肘部回转机构由第三伺服电机1、第一同步带轮组5、第二滚珠丝杠\n24、第一同步带4、第二丝杠螺母25、第二丝杠螺母座30、第二滑块组31、第二导轨组29、后大臂36、第一连杆34、小臂28、第二转动副32、第三转动副35、第四转动副33、第五转动副\n26、第六转动副27组成；第二导轨组29、第二滚珠丝杠24的一端固接安装于回转支架10内侧壁同一侧，两者平行布置；第三伺服电机1固接安装于回转支架10外侧壁；第一同步带轮组5分别固接安装于所述第三伺服电机1输出轴与所述第二滚珠丝杠24的另一端；所述第一同步带4设置于所述第一同步带轮组5；第二丝杠螺母25固接安装于第二丝杠螺母座\n30上，并同时设置在第二滚珠丝杠24上；第二滑块组31与第二丝杠螺母座30固接连接，并同时设置于第二导轨组29上；后大臂36一端与第二滑块组31通过第二转动副32相连接；第一连杆34一端与肩部底座17通过第三转动副35相连接，另一端通过第四转动副33与后大臂36相连接；小臂28一端与后大臂36另一端通过第五转动副26相连接，并通过第六转动副27与前大臂15另一端相连接；以此，本发明通过第三伺服电机1、第一同步带4、第一同步带轮组5，驱动第二滚珠丝杠24，使得第二丝杠螺母25进行平移运动，在上述连杆机构的约束下，从而带动后大臂36相对腰部壳10进行运动，故实现肘部回转功能。\n[0031] 见图2、图6，腕部俯仰机构由第四伺服电机2、第二同步带轮组7、第三滚珠丝杠\n46、第二同步带6、第三丝杠螺母47、第三丝杠螺母座48、第三滑块组50、第三导轨组51、第二连杆45、第三连杆53、第四连杆38、第五连杆39、腕部座42、第七转动副52、第八转动副\n54、第九转动副49、第十转动副43、第十一转动副44、第十二转动副37、第十三转动副40、第十四转动副41组成；第三导轨组51、第三滚珠丝杠46的一端固接安装于回转支架10内侧壁同一侧，两者平行布置；第四伺服电机2固接安装于回转支架10外侧壁；第二同步带轮组7分别固接安装于所述第四伺服电机2输出轴与所述第三滚珠丝杠46的另一端；所述第二同步带7设置于所述第二同步带轮组7上；第三丝杠螺母47固接安装于第三丝杠螺母座\n48上，并同时设置在第三滚珠丝杠46上；第三滑块组50与第三丝杠螺母座48固接连接，设置于第三导轨组51上，同时通过第七转动副52与第二连杆45一端相连接；第三连杆53一端通过过第八转动副54与肩部底座17相连接，另一端通过第九转动副49与所述第二连杆\n45相连接；第四连杆38通过第十转动副43连接于前大臂15一侧，一端通过第十一转动副\n44与第二连杆45另一端相连接，另一端通过第十二转动副37与第五连杆39一端相连接；\n第五连杆39另一端通过第十三转动副40与腕部座42相连接；腕部座42通过第十四转动副41连接于小臂28；以此，本发明通过第四伺服电机2、第二同步带6、第二同步带轮组7，驱动第三滚珠丝杠46，使得第三丝杠螺母47进行平移运动，在连杆机构约束下，从而带动腕部座42相对小臂28进行回转运动，故实现腕部俯仰功能。\n[0032] 见图7、图8、图9，腕部回转机构由第五伺服电机3、第三同步带轮组9、第四滚珠丝杠59、第三同步带8、第四丝杠螺母61、第四丝杠螺母座62、第四滑块组63、第四导轨组58、第六连杆57、第七连杆64、第八连杆56、第九连杆69、第十连杆72、第一转轴85、腕部壁罩\n71、小同步带轮组75、小同步带73、第二转轴84、第二对伞齿轮组81、回转件82、第十五转动副65、第十六转动副66、第十七转动副60、第十八转动副68、第十九转动副55、第二十转动副67、第二十一转动副70、第二十二转动副86、第二十三转动副74、第二十四转动副77、第二十五转动副83组成；第四导轨组58、第四滚珠丝杠59的一端固接安装于回转支架10内侧壁同一侧，两者平行布置；第五伺服电机3固接安装于回转支架10外侧壁；第三同步带轮组9分别固接安装于所述第五伺服电机3输出轴与所述第四滚珠丝杠59的另一端；所述第三同步带8设置于所述第三同步带轮组9上；第四丝杠螺母61固接安装于第四丝杠螺母座62上，并同时设置在第四滚珠丝杠59上；第四滑块组63与第四丝杠螺母座62固接连接，设置于第四导轨组58上，并同时通过第十五转动副65与第六连杆57一端相连接；第七连杆64一端通过第十六转动副66与肩部底座17相连接，另一端通过第十七转动副60与第六连杆相连接；第八连杆56通过第十八转动副68连接于前大臂15另一侧，一端与第六连杆57另一端通过第十九转动副55相连接，另一端与第九连杆69一端通过第二十转动副\n67相连接；第九连杆69另一端通过第二十一转动副70与第十连杆72一端相连接；第十连杆72另一端固接于所述第一转轴85上，保证第十连杆72与第一转轴85没有相对运动；第一转轴85通过第二十二转动副86、第二十三转动副74分别连接于小臂28和腕部座42；第二转轴84通过第二十四转动副77连接于腕部座42；小同步带轮组75中一带轮固接于第一转轴85一端，另一带轮固接于第二转轴84一端；小同步带73设置于小同步带轮组75上，保证小同步带轮组75同步运动；腕部壁罩71固接于腕部座42一侧，覆盖于小同步带轮组\n75与小同步带73；第二转轴84另一端与第二伞齿轮组81中一伞齿轮固接；第二伞齿轮组\n81中另一伞齿轮通过第二十五转动副83连接安装于所述腕部座42上，同时此第二伞齿轮组81中另一伞齿轮并与回转件82固接，构成一体；以此，本发明通过第五伺服电机3、第三同步带8、第三同步带轮组9，驱动第四滚珠丝杠59，使得第四丝杠螺母61进行平移运动，在连杆机构约束下，从而带动回转件82相对腕部座42进行回转运动，故实现腕部回转功能。\n[0033] 见图8，腕部偏转机构由第六伺服电机76、圆柱齿轮组78、输出件79、第二十六转动副80组成；第六伺服电机76固接安装于回转件82上；圆柱齿轮组78中一圆柱齿轮固接于第六伺服电机76输出轴；圆柱齿轮组78中的另一圆柱齿轮通过第二十六转动副80连接安装于回转件82上，同时此圆柱齿轮组78中的另一圆柱齿轮并与输出件79固接连接；以此，本发明通过第六伺服电机76，驱动圆柱齿轮组78，使得输出件79相对回转件82进行回转运动，故实现腕部偏转功能。\n[0034] 见图1、图4、图5、图6、图7、图8、图9，第一转动副16、第三转动副35、第八转动副54、第十六转动副66在肩部底座17连接处同轴布置；第六转动副27、第十转动副43、第十八转动副68在前大臂15一端连接处同轴布置；第二十四转动副77与第二十二转动副\n86、第二十三转动副74在腕部座42两连接处平行布置；在腰部壳10内，第二滚珠丝杠24、第三滚珠丝杠46、第四滚珠丝杠59互相平行布置，并与第一滚珠丝杠14垂直布置；后大臂\n36中第四转动副33、第五转动副26两轴线之间的连杆长度等于前大臂15中第一转动副\n16、第六转动副27两轴线之间的连杆长度。\n[0035] 本发明的一种含滚珠丝杠副的六自由度工业机器人可实现输出件位置的调整和姿态的调整；位置调整主要通过由伺服电机、滚珠丝杠作为驱动装置的腰部回转机构、肩部回转机构、肘部回转机构等进行运动，输出件进行空间位置平动；姿态调整主要由伺服电机、滚珠丝杠作为驱动装置的腕部俯仰机构、腕部回转机构和由伺服电机、圆柱齿轮组作为驱动装置的腕部偏转机构进行运动，输出件进行空间姿态回转运动。\n[0036] 以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。