基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人。

背景技术：

平面关节型scara机器人，拥有三个旋转自由度和一个垂直方向的自由度，可在水平面内快速定位完成指定作业，特别适合装配印刷电路板和电子零部件、搬动和取放集成电路板等工作，被广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。

传统的scara机器人采用直驱方式进行传动，具有价格低的特点，但是电机位于每个关节内，电缆走线使得关节旋转角度受限；末臂在垂直空间上体积较大，无法适用于工作空间较小的场合；直驱传动方式使得机器人末端振动较大，无法满足有高精度定位要求的场合，如晶圆上下料。而面向晶圆上下料等场合的scara机器人具有扁平结构、高性能等优点，但是其结构依赖于价格昂贵的力矩电机和谐波减速机。

双臂机器人是未来机器人的发展潮流，提出具有双臂、高性能、薄臂和低成本的scara机器人技术方案，对于智能制造技术发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够具有双臂并且使机械臂的旋转角度不受限制、减小机械臂的体积的基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人，包括两个scara机械臂(1)、腰关节机构(11)；

所述腰关节机构(11)包括腰关节动子板(11a)、腰关节输出轴(11b)、腰关节电机(11g)，所述腰关节电机(11g)通过腰关节输出轴(11b)带动所述腰关节动子板(11a)旋转，所述腰关节动子板(11a)的两侧各连接有一个scara机械臂(1)；

所述scara机械臂(1)包括前臂(4)、中臂(5)、末臂(6)、前臂传动机构(7)、中臂传动机构(8)、末臂传动机构(9)、臂座(10)；所述前臂(4)、中臂(5)、末臂(6)从前到后依次设置；所述前臂传动机构(7)为一级传动机构，其电机的输出轴通过一组同步带轮连接所述前臂(4)的转轴，带动所述前臂(4)旋转；所述中臂传动机构(8)为二级传动机构，其电机的输出轴经过两组同步带轮的依次传递连接所述中臂(5)的转轴，带动所述中臂(5)旋转；所述末臂传动机构(9)为三级传动机构，其电机的输出轴经过三组同步带轮的依次传递连接所述末臂(6)，带动所述末臂(6)旋转；所述前臂传动机构(7)、中臂传动机构(8)、末臂传动机构(9)的电机分别与所述臂座(10)固定连接。

双臂机器人可协同作业，灵活性高、适用性广，通过带轮和同步带实现多级传动，同步带具有一定的减振作用，机械臂末端振动小；机械臂的电机均位于机械臂的外部，电缆总线容易，使机械臂的旋转角度不受限制；传动机构占用空间小，减小了机械臂的体积，机械臂呈扁平、薄臂结构，可在垂直空间受限场合工作；传动机构可由廉价的标准件组成，且电机维护容易，降低了成本。

作为优化的技术方案，所述前臂传动机构(7)包括前臂电机(7a)、前臂带轮组(7b)、前臂同步带(7c)、前臂转轴(7d)、前臂轴承(7e)；所述前臂带轮组(7b)包括两个带轮，所述前臂同步带(7c)绕在两个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述前臂电机(7a)的输出轴安装在所述前臂带轮组(7b)的其中一个带轮的内圈；所述前臂转轴(7d)的一端安装在所述前臂带轮组(7b)的另一个带轮的内圈，中部安装在所述前臂轴承(7e)的内圈，另一端设有连接结构；

所述中臂传动机构(8)包括中臂电机(8a)、中臂第一带轮组(8b)、中臂第一同步带(8c)、中臂第一转轴(8d)、中臂第一轴承(8e)、中臂第二带轮组(8f)、中臂第二同步带(8g)、中臂第二转轴(8h)、中臂第二轴承(8i)；所述中臂第一轴承(8e)共两个；中臂第一带轮组(8b)包括两个带轮，其中一个带轮安装在其中一个中臂第一轴承(8e)的内圈，所述中臂第一同步带(8c)绕在所述中臂第一轴承(8e)与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述中臂第二带轮组(8f)包括两个带轮，其中一个带轮安装在另一个中臂第一轴承(8e)的内圈，所述中臂第二同步带(8g)绕在所述中臂第一轴承(8e)与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述中臂第一转轴(8d)的两端分别安装在所述中臂第一带轮组(8b)、中臂第二带轮组(8f)的安装在所述中臂第一轴承(8e)内的带轮的内圈；所述中臂电机(8a)的输出轴安装在所述中臂第一带轮组(8b)的另一个带轮的内圈；所述中臂第二转轴(8h)的一端安装在所述中臂第二带轮组(8f)的另一个带轮的内圈，中部安装在所述中臂第二轴承(8i)的内圈，另一端设有连接结构；

所述末臂传动机构(9)包括末臂电机(9a)、末臂第一带轮组(9b)、末臂第一同步带(9c)、末臂第一转轴(9d)、末臂第一轴承(9e)、末臂第二带轮组(9f)、末臂第二同步带(9g)、末臂第二轴承(9h)、末臂第二转轴(9i)、末臂第三带轮组(9j)、末臂第三同步带(9k)、末臂第三转轴(9m)、末臂第三轴承(9n)；所述末臂第一带轮组(9b)包括两个带轮，所述末臂第一同步带(9c)绕在两个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述末臂电机(9a)的输出轴安装在所述末臂第一带轮组(9b)的其中一个带轮的内圈；末所述臂第二轴承(9h)共两个；所述末臂第二带轮组(9f)包括两个带轮，其中一个带轮安装在其中一个末臂第二轴承(9h)的内圈，所述末臂第二同步带(9g)绕在所述末臂第二轴承(9h)与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述末臂第三带轮组(9j)包括两个带轮，其中一个带轮安装在另一个末臂第二轴承(9h)的内圈，所述末臂第三同步带(9k)绕在所述末臂第二轴承(9h)与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；所述末臂第二转轴(9i)的两端分别安装在所述末臂第二带轮组(9f)、末臂第三带轮组(9j)的安装在所述末臂第二轴承(9h)内的带轮的内圈；所述末臂第一转轴(9d)的一端安装在所述末臂第一带轮组(9b)的另一个带轮的内圈，中部安装在所述末臂第一轴承(9e)的内圈，另一端安装在所述末臂第二带轮组(9f)的另一个带轮的内圈；所述末臂第三转轴(9m)的一端安装在所述末臂第三带轮组(9j)的另一个带轮的内圈，中部安装在所述末臂第三轴承(9n)的内圈，另一端设有连接结构。

结构合理，可以减小机械臂的体积。

作为优化的技术方案，所述中臂第一转轴(8d)、末臂第二转轴(9i)为实心轴，所述前臂转轴(7d)、中臂第二转轴(8h)、末臂第一转轴(9d)为空心轴，所述中臂第一转轴(8d)、末臂第一转轴(9d)、前臂转轴(7d)从内到外依次同轴设置，所述末臂第二转轴(9i)设在所述中臂第二转轴(8h)内与其同轴设置。空心和实心转轴同轴设置，进一步减小机械臂的体积。

作为优化的技术方案，所述末臂第一轴承(9e)采用多组深沟球轴承，所述末臂第一轴承(9e)的外圈连接所述前臂转轴(7d)的内壁。

作为优化的技术方案，所述scara机械臂(1)还包括臂座(10)，所述臂座(10)包括下安装板和上安装板；所述前臂电机(7a)、中臂电机(8a)、末臂电机(9a)分别与所述臂座(10)的下安装板固定连接；所述前臂转轴(7d)端部的连接结构与所述前臂(4)的下板前端固定连接，所述前臂轴承(7e)为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，所述前臂轴承(7e)的外圈与所述臂座(10)的上安装板固定连接；两个中臂第一轴承(8e)上分别安装有轴承座，两个轴承座分别与所述臂座(10)的下安装板、所述前臂(4)的上板前端固定连接；所述中臂第二转轴(8h)端部的连接结构与所述中臂(5)的下板前端固定连接，所述中臂第二轴承(8i)为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，所述中臂第二轴承(8i)的外圈与所述前臂(4)的上板后端固定连接；两个末臂第二轴承(9h)上分别安装有轴承座，两个轴承座分别与所述前臂(4)的下板后端、所述中臂(5)的上板前端固定连接；所述末臂第三转轴(9m)端部的法兰结构与所述末臂(6)的下板前端固定连接，所述末臂第三轴承(9n)为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，所述末臂第三轴承(9n)的外圈与所述中臂(5)的上板后端固定连接。结构合理，电缆总线容易。

作为优化的技术方案，所述腰关节机构(11)还包括腰关节轴承(11c)、腰关节轴承法兰(11d)、腰关节电机法兰(11e)、腰关节座(11f)；所述腰关节电机法兰(11e)固定连接在所述腰关节座(11f)的上方，所述腰关节电机(11g)设在所述腰关节座(11f)的内部空腔中并与所述腰关节电机法兰(11e)固定连接；所述腰关节轴承法兰(11d)固定连接在所述腰关节电机法兰(11e)的上方，所述腰关节轴承(11c)的外圈与所述腰关节轴承法兰(11d)固定连接；所述腰关节输出轴(11b)的中部安装在所述腰关节轴承(11c)的内圈，所述腰关节电机(11g)的输出轴穿出腰关节电机法兰(11e)的中心孔并与所述腰关节输出轴(11b)固定连接，所述腰关节输出轴(11b)的上端设有连接结构；所述腰关节动子板(11a)安装在所述腰关节输出轴(11b)的上部外圈。

作为优化的技术方案，还包括升降机构(2)、升降转接板(3)，所述腰关节机构(11)通过所述升降转接板(3)连接所述升降机构(2)；所述升降机构(2)为直线模组；所述升降转接板(3)分别与所述腰关节机构(11)以及所述升降机构(2)的滑块固定连接。结构简单，方便升降。

作为优化的技术方案，还包括相机转接板(12)、3d相机(13)，所述3d相机(13)通过所述相机转接板(12)连接所述腰关节机构(11)，所述3d相机(13)采用双目相机或者线结构光相机或者tof相机。采用3d相机实现对目标的跟踪，配合八自由度关节实现协同作业。

作为优化的技术方案，所述腰关节电机(11g)以及所述前臂(4)、中臂(5)、末臂(6)的电机均采用步进电机或伺服电机。

作为优化的技术方案，所述腰关节电机(11g)以及所述前臂(4)、中臂(5)、末臂(6)的电机均安装有编码器和减速机。

本发明的优点在于：双臂机器人可协同作业，灵活性高、适用性广；通过带轮和同步带实现多级传动，同步带具有一定的减振作用，机械臂末端振动小；机械臂的电机均位于机械臂的外部，电缆总线容易，使机械臂的旋转角度不受限制；传动机构占用空间小，减小了机械臂的体积，机械臂呈扁平、薄臂结构，可在垂直空间受限场合工作；传动机构可由廉价的标准件组成，且电机维护容易，降低了成本；采用3d相机实现对目标的跟踪，配合八自由度关节实现协同作业。

附图说明

图1是本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的结构示意图。

图2为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人不含3d相机结构示意图。

图3为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的scara机械臂和腰关节机构的结构示意图。

图4为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的腰关节机构的结构示意图。

图5为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的scara机械臂的结构示意图。

图6为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的scara机械臂的剖视示意图。

图7为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的前臂传动机构的结构示意图。

图8为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的中臂传动机构的结构示意图。

图9为本发明实施例基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人的末臂传动机构的结构示意图。

图中，scara机械臂1、升降机构2、升降转接板3、前臂4、中臂5、末臂6、前臂传动机构7、中臂传动机构8、末臂传动机构9、臂座10、腰关节机构11、3d相机转接板12、3d相机13、前臂电机7a、前臂带轮组7b、前臂同步带7c、前臂转轴7d、前臂轴承7e、中臂电机8a、中臂第一带轮组8b、中臂第一同步带8c、中臂第一转轴8d、中臂第一轴承8e、中臂第二带轮组8f、中臂第二同步带8g、中臂第二转轴8h、中臂第二轴承8i、末臂电机9a、末臂第一带轮组9b、末臂第一同步带9c、末臂第一转轴9d、末臂第一轴承9e、末臂第二带轮组9f、末臂第二同步带9g、末臂第二轴承9h、末臂第二转轴9i、末臂第三带轮组9j、末臂第三同步带9k、末臂第三转轴9m、末臂第三轴承9n、腰关节动子板11a、腰关节输出轴11b、腰关节轴承11c、腰关节轴承法兰11d、腰关节电机法兰11e、腰关节座11f、腰关节电机11g。

具体实施方式

如图1-9所示，基于同步带轮传动的仿人双臂协作机器人，包括两个scara机械臂1、升降机构2、升降转接板3、腰关节机构11、相机转接板12、3d相机13。

scara机械臂1包括前臂4、中臂5、末臂6、前臂传动机构7、中臂传动机构8、末臂传动机构9、臂座10。

前臂4、中臂5、末臂6从前到后依次设置，前臂4厚度为50mm，中臂厚度为32mm，末臂厚度为5mm，前臂4、中臂5、末臂6的关节间距离为200mm；前臂传动机构7为一级传动机构，其电机的输出轴通过一组同步带轮连接前臂4的转轴，通过一组同步带轮将电机转矩传递给前臂4，带动前臂4进行360°旋转；中臂传动机构8为二级传动机构，其电机的输出轴经过两组同步带轮的依次传递连接中臂5的转轴，通过两组同步带轮将电机转矩传递给中臂5，带动中臂5进行360°旋转；所述末臂传动机构9为三级传动机构，其电机的输出轴经过三组同步带轮的依次传递连接末臂6，通过三组同步带轮将电机转矩传递给末臂6，带动末臂6进行360°旋转。

前臂传动机构7包括前臂电机7a、前臂带轮组7b、前臂同步带7c、前臂转轴7d、前臂轴承7e；前臂带轮组7b包括两个带轮，前臂同步带7c绕在两个带轮之外将两个带轮连接在一起；前臂电机7a的输出轴安装在前臂带轮组7b的其中一个带轮的内圈；前臂转轴7d的一端安装在前臂带轮组7b的另一个带轮的内圈，中部安装在前臂轴承7e的内圈，另一端设有法兰连接结构。

中臂传动机构8包括中臂电机8a、中臂第一带轮组8b、中臂第一同步带8c、中臂第一转轴8d、中臂第一轴承8e、中臂第二带轮组8f、中臂第二同步带8g、中臂第二转轴8h、中臂第二轴承8i；中臂第一轴承8e共两个；中臂第一带轮组8b包括两个带轮，其中一个带轮安装在其中一个中臂第一轴承8e的内圈，中臂第一同步带8c绕在中臂第一轴承8e与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；中臂第二带轮组8f包括两个带轮，其中一个带轮安装在另一个中臂第一轴承8e的内圈，中臂第二同步带8g绕在中臂第一轴承8e与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；中臂第一转轴8d的两端分别安装在中臂第一带轮组8b、中臂第二带轮组8f的安装在中臂第一轴承8e内的带轮的内圈；中臂电机8a的输出轴安装在中臂第一带轮组8b的另一个带轮的内圈；中臂第二转轴8h的一端安装在中臂第二带轮组8f的另一个带轮的内圈，中部安装在中臂第二轴承8i的内圈，另一端设有法兰连接结构。

末臂传动机构9包括末臂电机9a、末臂第一带轮组9b、末臂第一同步带9c、末臂第一转轴9d、末臂第一轴承9e、末臂第二带轮组9f、末臂第二同步带9g、末臂第二轴承9h、末臂第二转轴9i、末臂第三带轮组9j、末臂第三同步带9k、末臂第三转轴9m、末臂第三轴承9n；末臂第一带轮组9b包括两个带轮，末臂第一同步带9c绕在两个带轮之外将两个带轮连接在一起；末臂电机9a的输出轴安装在末臂第一带轮组9b的其中一个带轮的内圈；末臂第二轴承9h共两个；末臂第二带轮组9f包括两个带轮，其中一个带轮安装在其中一个末臂第二轴承9h的内圈，末臂第二同步带9g绕在末臂第二轴承9h与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；末臂第三带轮组9j包括两个带轮，其中一个带轮安装在另一个末臂第二轴承9h的内圈，末臂第三同步带9k绕在末臂第二轴承9h与另一个带轮之外将两个带轮连接在一起；末臂第二转轴9i的两端分别安装在末臂第二带轮组9f、末臂第三带轮组9j的安装在末臂第二轴承9h内的带轮的内圈；末臂第一转轴9d的一端安装在末臂第一带轮组9b的另一个带轮的内圈，中部安装在末臂第一轴承9e的内圈，另一端安装在末臂第二带轮组9f的另一个带轮的内圈；末臂第三转轴9m的一端安装在末臂第三带轮组9j的另一个带轮的内圈，中部安装在末臂第三轴承9n的内圈，另一端设有法兰连接结构。

中臂第一转轴8d、末臂第二转轴9i为实心轴，前臂转轴7d、中臂第二转轴8h、末臂第一转轴9d为空心轴；中臂第一转轴8d、末臂第一转轴9d、前臂转轴7d从内到外依次同轴设置；末臂第二转轴9i设在中臂第二转轴8h内与其同轴设置；末臂第一轴承9e采用多组深沟球轴承，末臂第一轴承9e的外圈连接前臂转轴7d的内壁。

臂座10包括下安装板和上安装板；前臂电机7a、中臂电机8a、末臂电机9a分别与臂座10的下安装板固定连接；前臂转轴7d端部的法兰连接结构与前臂4的下板前端固定连接，前臂轴承7e为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，前臂轴承7e的外圈与臂座10的上安装板固定连接；两个中臂第一轴承8e上分别安装有轴承座，两个轴承座分别与臂座10的下安装板、前臂4的上板前端固定连接；中臂第二转轴8h端部的法兰连接结构与中臂5的下板前端固定连接，中臂第二轴承8i为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，中臂第二轴承8i的外圈与前臂4的上板后端固定连接；两个末臂第二轴承9h上分别安装有轴承座，两个轴承座分别与前臂4的下板后端、中臂5的上板前端固定连接；末臂第三转轴9m端部的法兰连接结构与末臂6的下板前端固定连接，末臂第三轴承9n为交叉滚子轴承，内外圈均设有安装接口，末臂第三轴承9n的外圈与中臂5的上板后端固定连接。

腰关节机构11包括腰关节动子板11a、腰关节输出轴11b、腰关节轴承11c、腰关节轴承法兰11d、腰关节电机法兰11e、腰关节座11f、腰关节电机11g；腰关节电机法兰11e固定连接在腰关节座11f的上方，腰关节电机11g设在腰关节座11f的内部空腔中并与腰关节电机法兰11e固定连接；腰关节轴承法兰11d固定连接在腰关节电机法兰11e的上方，腰关节轴承11c的外圈与腰关节轴承法兰11d固定连接；腰关节输出轴11b的中部安装在腰关节轴承11c的内圈，腰关节电机11g的输出轴穿出腰关节电机法兰11e的中心孔并与腰关节输出轴11b固定连接，腰关节输出轴11b的上端设有法兰连接结构；腰关节动子板11a为“几”字形折板，其顶部的横板安装在腰关节输出轴11b的上部外圈，两侧的横板分别与两个scara机械臂1的臂座10的下安装板固定连接。

腰关节机构11通过升降转接板3连接升降机构2；升降机构2为现有的直线模组产品，行程为百毫米量级，升降机构2竖直设置；升降转接板3为倒置的l形折板，腰关节座11f的底部与l形折板的横板上侧面固定连接，l形折板的竖板与升降机构2的滑块固定连接，可沿竖直方向运动。

3d相机13通过相机转接板12连接腰关节机构11，相机转接板12与腰关节动子板11a顶部的横板固定连接，3d相机13与相机转接板12固定连接。

3d相机13采用双目相机。

前臂电机7a、中臂电机8a、末臂电机9a、腰关节电机11g均采用步进电机。

前臂电机7a、中臂电机8a、末臂电机9a、腰关节电机11g均安装有编码器和减速机。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：前臂电机7a、中臂电机8a、末臂电机9a均采用伺服电机，3d相机13采用线结构光相机。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：3d相机13采用tof相机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。