一種機器人上臂及手腕機構，用于６自由度機器人。由上臂、手腕部分、電機和傳動系統組成，其本身具有３個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉的上臂一端，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的“電機－減速器－繩輪”組件，分別通過各自的鋼絲繩傳動系統驅動。該手腕結構簡單，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，靜態精度和動力性能高。（*該技術在2004年保護過期，可自由使用*）
【技術實現步驟摘要】
本技術是用于機器人，特別是輕型6自由度關節型機器人的上臂及手腕機構。為了靈活自如地進行各種作業，工業機器人最好具有6個自由度。公知的結構安排是機器人底座部分具有3個自由度，上臂及手腕機構具有3個自由度。但由于技術實現上的復雜性，許多輕型工業機器人只有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自由度機器人的結構。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驅動的。在這些公知的5自由度機器人結構中，由于當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動的自由度，將其改造為6自由度機器人。當機器人實現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。此時驅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、內層套筒和外層套筒，實現手腕的三個自由度。顯然這種三層套筒軸傳動方式的復雜性限制了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，出現了使電機更加靠近被驅動關節，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。附附圖說明圖1為Motoman KS機器人的傳動示意圖，由圖可見，驅動第5自由度J5的電機5和驅動第6自由度J6的電機6放置在上臂1內，使之盡量靠近被其驅動的關節安裝以簡化傳動鏈。即電機5通過錐齒輪10及錐齒輪11，再經齒形帶12及相應的帶輪20，21使手腕殼體13俯仰，實現J5的轉動。電機6通過錐齒輪15及錐齒輪16，再經齒形帶17及相應的帶輪22，23，又一對錐齒輪18，19，使工具法蘭14實現J6的轉動。整個上臂1的第4個自由度J4則由電機4直接驅動。此處7，8，9為三個相應的減速器。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，在結構上大為簡化。當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進一步簡化的方案之后，本專利技術人發現，由附圖1所代表的現有技術尚存在以下4個可以改進之處(以下敘述見附圖1)1.由于J5及J6兩個自由度的關節驅動電機5，6及其減速器8，9，都被包含在上臂1及手腕A之內，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的可達性。2.由于J5及J6兩個自由度的關節驅動電機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動慣量增大，導致動力性能下降。同時這種質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換方向的錐齒輪10，11及15，16。而且這種結構中兩套齒形帶12，17及其相應的帶輪20，21及22，23也因結構布置的需要而無法避免，因此傳動鏈仍然不夠簡潔。4.由于各自由度的驅動電機及其減速器采取串接結構，使上臂1被分割為兩段即包含附圖1中軸承2左端作旋轉支承的固定部分，其中包含有驅動J4自由度的電機4及其減速器7等，和包含軸承2右方全部的轉動部分，即所有可以隨J4轉動的部分。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。本技術的目的，就在于解決現有技術存在的上述四個問題，設計出結構簡單，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精度都改善的機器人上臂及手腕機構。本技術的上述目的由如下技術方案實現這種用于機器人特別是輕型6自由度關節型機器人的上臂及手腕機構，由上臂、手腕部分、電機和傳動系統組成，其本身具有3個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉的上臂一端，安裝具有2個自由度的手腕部分，上臂另一端裝有驅動的電機。手腕部分的2個回轉自由度，由裝在上臂另一端兩套相應的“電機－減速器”組件分別通過各自的鋼絲繩－繩輪傳動系統驅動，“電機－減速器－繩輪”組件，設計成一個單獨單元。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動的。本技術的特點是設計結構簡單，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，動力性能和靜態精度高。本技術的原理見附圖2，該上臂及手腕機構具有3個自由度。在可繞其自身軸承30旋轉(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，另一端裝有驅動J5和J6運動的相應兩組“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，把“電機－減速－繩輪”組件5、6的驅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直接驅動。由附圖2可見，本技術的傳動系統比附圖1的現有技術更為簡化為實現J4，J5，J6三個自由度，本技術中總共只使用了兩套鋼絲繩－繩輪傳動及一對錐齒輪傳動，因此改進了現有技術存在的問題3。在本技術中“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的復雜性，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的質量。機器人是開鏈結構，減小其末端(手腕部分A)的質量將大大減低運動時的慣性負載，從而提高動力性能。也就是說本技術可以有效地克服現有技術存在的問題2。由于本技術所使用的鋼絲繩－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－繩輪傳動的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種用于機器人，特別是輕型６自由度關節型機器人的上臂及手腕機構，由上臂、手腕部分、電機和傳動系統組成，其本身具有３個自由度。在可繞其自身縱軸軸承回轉的上臂一端，安裝具有２個自由度的手腕部分，上臂另一端裝有驅動的電機，其特征在于手腕部分的２個回轉自由度，由裝在上臂另一端兩套相應的“電機－減速器－繩輪”組件，分別通過各自的鋼絲繩傳動系統驅動。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：伍少昊，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：實用新型
國別省市：11[中國|北京]
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