一种六自由度三维操作机器人的制作方法
【专利摘要】一种六自由度三维操作机器人，包括基座支承、水平滑台、垂直移动臂、大臂杆、小臂杆、摆动法兰和输出轴；其中，基座支承固定于地面上或安装在其他移动平台上，由垂直的立柱和水平地支撑在该立柱上的横梁构成；水平滑台设置在基座支承的横梁上并作水平方向的平移，形成水平移动自由度；垂直移动臂连接水平滑台并作垂直方向的移动，形成垂直移动自由度；大臂杆连接于垂直移动臂的下端并作旋转运动，形成第一转动自由度；小臂杆连接于大臂杆的前端并作旋转运动，形成第二转动自由度；摆动法兰连接于小臂杆的前端并作旋转运动，形成第三转动自由度；输出轴连接于摆动法兰的侧端并作旋转运动，形成第四转动自由度。本实用新型具有结构简单、可靠性高、工作空间大等优点。
【专利说明】
一种六自由度三维操作机器人
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种六自由度三维操作机器人，属于机器人技术领域。
【背景技术】
[0002]随着计算机与自动控制技术的发展，机器人已经成为提高生产效率、降低劳动强度的重要自动化产品之一。机器人用于工业领域，则被称为工业机器人;如果用于服务人们的生活，则被称为服务机器人;如果用于农业自动化，则被称为农业机器人。按照结构构型的不同，机器人可以分为并联机器人与串联机器人。并联机器人的结构比较复杂，多用于快速搬运等领域，串联机器人应用比较广泛，其结构简单、工作空间也较大。目前常见的工业机器人主要有三自由度、四自由度、五自由度、六自由度，如果再加一个冗余自由度则变成七自由度。三自由度、四自由度机器人的成本较低，但灵活性较差，只能用于一些动作要求简单、运动轨迹不复杂的场合。传统的五自由度机器人虽然兼顾了成本和灵活性，但受自由度数量的限制，其工作空间往往不能满足应用要求。目前，市场上的通用型六自由度串联机器人价格昂贵，操作复杂，有时为了增加工作空间，只能选择更大负载规格的六自由度机器人，从而造成成本大幅提尚。
[0003]除了通用型的六自由度机器人外，经对现有技术的文献检索发现，申请号为201520080778.8的中国专利提供了一种六自由度机器人手臂，通过设置L形分度杆、异形块和下缸体实现了本体位置调节功能，通过设置伸缩杆、弹簧和卡头一方面有助于弹簧的限位，另一方面还有助于本体上的卡座减震。但该实用新型采用缸体结构，无法实现机器人的高精度电机闭环控制，且工作范围有限。
[0004]检索还发现，公开号为CN104608118A的中国专利提供了一种三支链六自由度机器人，在动平台与固定平台之间安装有三个结构相同的支链，每个支链均包括连杆电机、两个连杆、连接套和四连杆组件。该机器人是小型的并联机器人，因工作空间有限，并不适用于大行程的工作空间操作领域。
[0005]检索还发现，公开号为CN203726484U的中国专利提供了一种六自由度机器人，其电机外壳固定在底座上，输出轴垂直向上，并连接在三角块上;腰部电机的输出轴连接在位于其一侧的大臂薄板一端上，大臂薄板的另一端连接在肩部电机的输出轴上；肩部电机的外壳嵌套在第一 B型三角块上。该机器人结构与通用的六自由度机器人类似，但由于连接构件采用薄板结构，其刚度和强度存在一定的缺陷。该机器人的工作空间同样存在较小的不足。
[0006]此外，传统的用于实现水平直线运动方式的链条或皮带传动的精度和效率比较低，在机器人上用的不多，而采用梯形丝杠或滚珠丝杠，则梯形丝杠传动效率低，不适合高速往返传动，而且传动间隙大，回程精度差，只适合用在垂直传动；而滚珠丝杠虽然传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是不能自锁，并且在水平传动时，如果水平行程大了会因自重下垂而变形。【实用新型内容】
[0007]本实用新型针对现有技术中存在的上述不足，提供一种六自由度三维操作机器人，具有大的水平行程，以增大工作空间，既能降低成本，又能提高机器人工作的灵活性。
[0008]本实用新型解决其技术问题的技术方案是:
[0009]一种六自由度三维操作机器人，包括基座支承、水平滑台、垂直移动臂、大臂杆、小臂杆、摆动法兰和输出轴;其中，基座支承固定于地面上或安装在其他移动平台上，由垂直的立柱和水平地支撑在该立柱上的横梁构成;水平滑台设置在基座支承的横梁上并作水平方向的平移，形成水平移动自由度;垂直移动臂连接水平滑台并作垂直方向的移动，形成垂直移动自由度;大臂杆连接于垂直移动臂的下端并作旋转运动，形成第一转动自由度;小臂杆连接于大臂杆的前端并作旋转运动，形成第二转动自由度;摆动法兰连接于小臂杆的前端并作旋转运动，形成第三转动自由度;输出轴连接于摆动法兰的侧端并作旋转运动，形成第四转动自由度。
[0010]优选地，所述的水平滑台通过水平电机、水平齿轮和水平齿条与基座支承的横梁连接;其中，水平电机安装在水平滑台上，水平齿轮连接在水平电机的输出轴上，水平齿条固定在横梁上并与水平齿轮啮合;水平电机通过水平齿轮和水平齿条带动水平滑台在基座支承的横梁上沿水平方向平移。
[0011 ]优选地，所述的水平齿条由若干齿条段连接而成，该水平齿条的最大长度为90米，所述基座支承的立柱为至少3根。
[0012]优选地，所述的水平齿条上安装有防尘罩。
[0013]优选地，所述的垂直移动臂通过垂直电机、垂直齿轮、垂直齿条、滑块和导轨与所述水平滑台连接;其中，垂直电机安装在水平滑台上，垂直齿轮连接在垂直电机的输出轴上，垂直齿条固定在垂直移动臂上并与垂直齿轮啮合，导轨固定在垂直齿条上，滑块固定在水平滑台上且能在导轨上滑移;垂直电机通过垂直齿轮和垂直齿条带动垂直移动臂在滑块和导轨的导向下沿垂直方向移动。
[0014]优选地，所述的大臂杆通过大臂减速器和大臂电机与所述垂直移动臂连接;其中，大臂减速器固定于垂直移动臂的下部，一端连接大臂电机，另一端连接大臂杆;大臂电机通过大臂减速器驱动大臂杆进行旋转;该大臂减速器为行星减速器、谐波减速器或RV。
[0015]优选地，所述的小臂杆通过小臂减速器和小臂电机与所述大臂杆连接;其中，小臂减速器固定于大臂杆的前部，一端连接小臂电机，另一端连接小臂杆;小臂电机通过小臂减速器驱动小臂杆进行旋转;该小臂减速器为谐波减速器。
[0016]优选地，所述的摆动法兰通过摆动减速器和摆动电机与所述小臂杆连接;其中，摆动减速器固定于小臂杆的前部，一端连接摆动电机，另一端连接摆动法兰;摆动电机通过摆动减速器驱动摆动法兰进行旋转;该摆动减速器为谐波减速器。
[0017]优选地，所述的输出轴通过输出轴减速器和输出轴电机与所述摆动法兰连接;其中，输出轴减速器固定于摆动法兰的下部，一端连接输出轴电机，另一端连接输出轴;输出轴电机通过输出轴减速器驱动输出轴绕自身轴线旋转;该输出轴减速器为谐波减速器。
[0018]与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:
[0019]本所述所述的六自由度三维操作机器人，其兼顾灵活性、精度与成本，具有结构简单、可靠性高、工作空间大等优点。特别地，如果增加基座支承上的水平齿条长度，则可以极大地增加该六自由度三维操作机器人的工作空间，通过将最多45根2米长单根齿条段的无缝拼接，最大可达90米的水平自由度的运动范围，并且可以达到±0.1mm的水平定位精度。
[0020]此外，该水平移动平台采用齿轮齿条结构，增加了机器人的稳定性和承载力，传动精度也较高。垂直移动臂也采用齿轮齿条结构，进一步降低了成本。大臂的摆动采用了行星减速器，这种减速器具有减速比大、可靠性好、可传递较大力矩等优点。如果为了提高精度，该行星减速器也可用谐波减速器或RV替代。其余转动关节都采用了谐波减速器，这种减速器具有减速比大、无齿隙、啮合数多、传动效率高、定位精度高等优点，因此本实用新型能够实现较高的末端定位精度。由于末端输出轴可以安装各种不同的末端执行器，因此所述机器人能够用于三维打印、食品加工、搬运、装配、焊接、涂胶、农业自动化等各种不同的操作任务。
【附图说明】
[0021 ]图1为本实用新型的整体结构示意图。
[0022]图2为本实用新型的侧视图。
[0023]图中:
[0024]I基座支承，2水平齿条，3水平滑台，4水平齿轮，5垂直移动臂，6大臂杆，7小臂杆，8水平电机，9摆动法兰，10输出轴，11导轨，12滑块，13垂直齿条，14垂直齿轮，15轴承，16垂直电机，17大臂电机，18大臂减速器，19波纹管，20小臂电机，21小臂减速器，22摆动电机，23摆动减速器，24输出轴电机，25输出轴减速器，26上下拖链，27水平拖链。
【具体实施方式】
[0025]本实用新型提供了一种六自由度三维操作机器人，具有结构简单、可靠性高、末端定位精度高、工作空间大、灵活性较高、成本低等优点。在该机器人末端安装相应的末端执行器，即可完成三维打印、食品加工、搬运、装配、焊接、涂胶、农业自动化等各种作业任务。
[0026]下面对本实用新型的实施例作详细说明，以下的实施例以本实用新型技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，所作出的任何等效的修改、替换、变型和改进，均应属于本实用新型的保护范围。
[0027]请参阅图1，图示六自由度三维操作机器人包括基座支承1、水平滑台3、垂直移动臂5、大臂杆6、小臂杆7、摆动法兰9和输出轴10。所述基座支承I固定于地面基准上或安装在其他移动平台上，由垂直的立柱和水平地支撑在该立柱上的横梁构成。所述水平滑台3设置在所述基座支承I的横梁上并通过齿轮齿条传动作水平方向的平移，形成水平移动自由度。所述垂直移动臂5连接该水平滑台3并通过齿轮齿条传动作垂直方向的移动，形成垂直移动自由度。所述大臂杆6连接于该垂直移动臂5的下端并作旋转运动，形成第一转动自由度。所述小臂杆7连接于该大臂杆6的前端并作旋转运动，形成第二转动自由度。所述摆动法兰9连接于该小臂杆7的前端并作旋转运动，形成第三转动自由度。所述输出轴10连接于该摆动法兰9的侧端并作旋转运动，形成第四转动自由度。
[0028]所述输出轴10通过水平移动自由度、垂直移动自由度、第一转动自由度、第二转动自由度、第三转动自由度和第四转动自由度的共同作用，实现在三维空间中预定轨迹的操作。
[0029]请结合参阅图2，所述的水平滑台3通过水平电机8、水平齿轮4和水平齿条2与所述基座支承I的横梁连接。其中，水平电机8固定安装在水平滑台3上;水平齿轮4连接在水平电机8的输出轴上；水平齿条2通过角接件固定安装在基座支承I的横梁上并与水平齿轮4啮合，该水平齿条2上安装有防尘罩，以防止灰尘及其他杂质落在齿条上。所述水平电机8通过所述水平齿轮4和水平齿条2带动所述水平滑台3在所述基座支承I横梁的导向轨道上沿水平方向平移。
[0030]所述的基座支承I的横梁可以根据实际需要增加长度，以灵活增加所述机器人的工作空间，相应地，所述水平齿条2也增加长度，由若干齿条段连接而成。这样满足了大行程的操作需要，但成本增加有限，却功能大大提高。
[0031]特别地，通过将最多45根2米长的单根齿条段进行无缝拼接，最大可达90米的水平自由度的运动范围，同时可以达到±0.1mm的水平定位精度。单根齿条段的长度可根据实际的要求和加工的条件进行调整，不限于2米，齿条段的数量也要相应变化。如果水平齿条2的长度超过5米，根据负载情况可在所述基座支承I横梁的中间位置增加立柱，即该基座支承I的立柱为至少3根，以防止所述水平齿条2因重力而变形。
[0032]所述的垂直移动臂5通过垂直电机16、垂直齿轮14、垂直齿条13、滑块12和导轨11与所述水平滑台3连接。其中，垂直电机16安装在水平滑台3上，垂直齿轮14连接在垂直电机
16的输出轴上，垂直齿条13固定在垂直移动臂5上并与垂直齿轮14啮合，导轨11固定在垂直齿条13上，滑块12固定在水平滑台3上，并且能在导轨11上滑移，导轨11通过滑块12对垂直移动臂5起导向的作用。所述垂直电机16通过所述垂直齿轮14和垂直齿条13带动所述垂直移动臂5在所述滑块12和导轨11的导向下沿垂直方向移动，该移动方向与所述水平滑台3的水平移动方向垂直，实现所述垂直移动臂5相对于所述基座支承I的垂直运动。
[0033]所述的大臂杆6通过大臂减速器18和大臂电机17与所述垂直移动臂5连接。其中，大臂减速器18固定于垂直移动臂5的下部，该大臂减速器18—端连接大臂电机17，另一端连接大臂杆6。所述大臂电机17通过所述大臂减速器18驱动所述大臂杆6相对于所述垂直移动臂5进行旋转。
[0034]所述的小臂杆7通过小臂减速器21和小臂电机20与所述大臂杆6连接。其中，小臂减速器21固定于大臂杆6的前部，该小臂减速器21—端连接小臂电机20，另一端连接小臂杆
7。所述小臂电机20通过所述小臂减速器21驱动所述小臂杆7相对于所述大臂杆6进行旋转。
[0035]所述的摆动法兰9通过摆动减速器23和摆动电机22与所述小臂杆7连接。其中，摆动减速器23通过过渡板安装固定于小臂杆7的前部，该摆动减速器23—端连接摆动电机22，另一端连接摆动法兰9。所述摆动电机22通过所述摆动减速器23驱动所述摆动法兰9相对于所述小臂杆7进行旋转。
[0036]所述的输出轴10通过输出轴减速器25和输出轴电机24与所述摆动法兰9连接。其中，输出轴减速器25固定于摆动法兰9下部的侧面，一端连接输出轴电机24，另一端连接输出轴10。所述输出轴电机24通过所述输出轴减速器25驱动所述输出轴10绕自身轴线旋转。所述输出轴10上可以根据需要安装不同的末端执行器，从而完成各种操作任务。
[0037]本实施例中，所述的大臂减速器18采用了行星减速器，这种减速器具有减速比大、可靠性好、可传递较大力矩等优点。如果为了提高精度，该大臂减速器18也可用谐波减速器或RV替代。所述的小臂减速器21、摆动减速器23和输出轴减速器25都采用了谐波减速器，这种减速器具有减速比大、无齿隙、啮合数多、传动效率高、定位精度高等优点，因此本实用新型能够实现较高的末端定位精度。
[0038]本实施例中，所述的大臂杆6相对于垂直移动臂5的旋转轴线、小臂杆7相对于大臂杆6的旋转轴线和摆动法兰9相对于小臂杆7的旋转轴线相互平行且与所述水平滑台3的水平平移方向垂直，所述输出轴10的旋转轴线与所述摆动法兰9相对于小臂杆7的旋转轴线相互垂直。自然根据需要，大臂杆6的旋转轴线、小臂杆7的旋转轴线和摆动法兰9的旋转轴线也可以不平行而是互成一斜角，也与水平滑台3的水平平移方向不垂直；同样，输出轴10的旋转轴线与所述摆动法兰9的旋转轴线也可以相互不垂直。
[0039]所述六自由度三维操作机器人还包括有相互连通的波纹管19、上下拖链26和水平拖链27，各构件的电缆通过该上下拖链26、水平拖链27和波纹管19最终汇到电气柜。
[0040]以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。
【主权项】
1.一种六自由度三维操作机器人，其特征是:包括基座支承、水平滑台、垂直移动臂、大臂杆、小臂杆、摆动法兰和输出轴;其中，基座支承固定于地面上或安装在其他移动平台上，由垂直的立柱和水平地支撑在该立柱上的横梁构成;水平滑台设置在基座支承的横梁上并作水平方向的平移，形成水平移动自由度;垂直移动臂连接水平滑台并作垂直方向的移动，形成垂直移动自由度;大臂杆连接于垂直移动臂的下端并作旋转运动，形成第一转动自由度;小臂杆连接于大臂杆的前端并作旋转运动，形成第二转动自由度;摆动法兰连接于小臂杆的前端并作旋转运动，形成第三转动自由度;输出轴连接于摆动法兰的侧端并作旋转运动，形成第四转动自由度。2.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的水平滑台通过水平电机、水平齿轮和水平齿条与基座支承的横梁连接;其中，水平电机安装在水平滑台上，水平齿轮连接在水平电机的输出轴上，水平齿条固定在横梁上并与水平齿轮啮合;水平电机通过水平齿轮和水平齿条带动水平滑台在基座支承的横梁上沿水平方向平移。3.根据权利要求2所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的水平齿条由若干齿条段连接而成，该水平齿条的最大长度为90米，所述基座支承的立柱为至少3根。4.根据权利要求2所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的水平齿条上安装有防尘罩。5.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的垂直移动臂通过垂直电机、垂直齿轮、垂直齿条、滑块和导轨与所述水平滑台连接;其中，垂直电机安装在水平滑台上，垂直齿轮连接在垂直电机的输出轴上，垂直齿条固定在垂直移动臂上并与垂直齿轮啮合，导轨固定在垂直齿条上，滑块固定在水平滑台上且能在导轨上滑移;垂直电机通过垂直齿轮和垂直齿条带动垂直移动臂在滑块和导轨的导向下沿垂直方向移动。6.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的大臂杆通过大臂减速器和大臂电机与所述垂直移动臂连接;其中，大臂减速器固定于垂直移动臂的下部，一端连接大臂电机，另一端连接大臂杆;大臂电机通过大臂减速器驱动大臂杆进行旋转;该大臂减速器为行星减速器、谐波减速器或RV。7.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的小臂杆通过小臂减速器和小臂电机与所述大臂杆连接;其中，小臂减速器固定于大臂杆的前部，一端连接小臂电机，另一端连接小臂杆;小臂电机通过小臂减速器驱动小臂杆进行旋转;该小臂减速器为谐波减速器。8.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的摆动法兰通过摆动减速器和摆动电机与所述小臂杆连接;其中，摆动减速器固定于小臂杆的前部，一端连接摆动电机，另一端连接摆动法兰;摆动电机通过摆动减速器驱动摆动法兰进行旋转;该摆动减速器为谐波减速器。9.根据权利要求1所述的六自由度三维操作机器人，其特征是:所述的输出轴通过输出轴减速器和输出轴电机与所述摆动法兰连接;其中，输出轴减速器固定于摆动法兰的下部，一端连接输出轴电机，另一端连接输出轴;输出轴电机通过输出轴减速器驱动输出轴绕自身轴线旋转;该输出轴减速器为谐波减速器。
【文档编号】B25J9/12GK205466163SQ201620049249
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月19日
【发明人】付艺晗
【申请人】付艺晗