专利名称：一种工业机器人空心手腕传动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种用于工业机器人的三自由度斜交 球形空心手腕传动机构。
背景技术：
工业机器人的手腕是联结机械臂与末端操作器的重要部件。其功用是改变末端操 作器在空间的姿态，因此具有三个自由度。随着机器人技术的进步及其在工业领域的迅猛 发展，工业机器人手腕设计的紧凑化、灵活性需求越来越高。为了实现灵活的姿态控制以及 可以使各种管线穿越的空心传动结构，现有技术一般采用斜交非球形的手腕结构形式，用 空心锥齿轮传动机构传递运动和动力。如美国专利US4703688，机器人臂的手腕机构由上 关节，下关节和工具安装盘组成，上关节被直接驱动，下关节通过设置于上关节内的空心锥 齿轮啮合驱动，工具安装盘通过设置于上关节内的空心锥齿轮啮合传动多个空心锥齿轮驱 动。由于传动机构的制约，上关节转轴与工具安装盘转轴偏置一段距离。手腕非球形配置， 使得三个自由度的轴线不能相交于一点，导致机器人的运动学反解困难，甚至没有解析解， 这样造成机器人控制性能的提升瓶颈。非球形手腕的原理致使手腕结构不紧凑，管线穿越 长度大且弯扭情况复杂。同时对机器人末端负载运行情况下的受力影响不良。本发明的目的是提供一种易于反解、结构紧凑、灵活可靠的工业机器人三自由度 斜交球形空心手腕传动机构，能够克服现有非球形空心手腕技术的缺点。本发明的技术方案是
本发明的外部主要由三个部件构成，分别是第一关节支撑部件，第二关节支撑部件和 第三关节终端部件。第一关节支撑部件可转动地设置于机器人前臂的末端，第二关节支撑 部件可转动地设置于第一关节支撑部件的末端，第三关节终端部件可转动地设置于第二关 节支撑部件的末端。本发明的内部由两条传动链组成，一条从第二关节驱动锥齿轮开始，到第二关节 支撑部件为止，另一条从第三关节驱动锥齿轮开始，依次经过下半侧过渡锥齿轮，上半侧过 渡锥齿轮，第三关节输出锥齿轮，连杆，到第三关节终端部件为止。第二关节驱动锥齿轮可 转动地设置于第一关节支撑部件的空心驱动端内，与第二关节支撑部件的锥齿轮端啮合。 第三关节驱动锥齿轮可转动地设置于第二关节驱动锥齿轮内，与下半侧过渡锥齿轮啮合。 下半侧过渡锥齿轮与上半侧过渡锥齿轮固联，共同可转动地设置于第二关节支撑部件内。 上半侧过渡锥齿轮与第三关节输出锥齿轮啮合。第三关节输出锥齿轮可转动地设置于第二 关节支撑部件内。第三关节输出锥齿轮通过三根以上连杆与第三关节终端部件连接。本发明的特点是
手腕第一、二、三关节的转动自由度轴线A、B、C共同相交于一点0，这使得机器人的运 动学反解存在易于求解的解析解，有利于机器人控制性能的提升。当手腕第一、二、三关节的转动自由度轴线共面时，A轴与C轴共线，这使得手腕末 端工作空间形成单开口球面，具有最佳的运动学灵活性。
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手腕第三关节空心输出锥齿轮到手腕第三关节终端部件的传动，采用了一种创新 的机器人关节部件连接方式，使得两个转动轴线平行且偏离一定距离同时沿轴线方向距离 较大的零部件能够准确同步转动。手腕传动机构布置紧凑、空心空间大，使得管线穿越长度短、弯扭幅度很小，具有 较高可靠性。
图1为空心手腕传动机构的剖视结构示意图 图2为空心手腕传动机构的外部结构示意图
图3为空心手腕传动机构转到极限位置的剖视结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。如图1-3所示，本发明的外部主要由三个部件构成，分别是第一关节支撑部件1， 第二关节支撑部件2和第三关节终端部件3。第一关节支撑部件1可相对转动地设置于机器人前臂10的末端，第二关节支撑部 件2可相对转动地设置于第一关节支撑部件1的末端，第三关节终端部件3可相对转动地 设置于第二关节支撑部件2的末端。第一关节支撑部件1的空心驱动端内可相对转动地设置有第二关节驱动锥齿轮 4，第二关节驱动锥齿轮4内可相对转动地设置有第三关节驱动锥齿轮5 ；第二关节支撑部 件2内靠近第一关节支撑部件1的一端呈锥齿轮状，该第二关节支撑部件2内部可相对转 动地设置有下半侧过渡锥齿轮6和上半侧过渡锥齿轮7，以及第三关节输出锥齿轮8，其中， 所述下半侧过渡锥齿轮6与上半侧过渡锥齿轮7固联为一体，没有相对转动，所述第三关节 输出锥齿轮8通过多根(如三根以上)连杆9与第三关节终端部件3连接。所述第三关节终 端部件3用于安装连接各种工业机器人的末端执行器，以执行相应的作业。第二关节驱动锥齿轮4与第二关节支撑部件2的锥齿轮端啮合，构成所述传动机 构的第一条传动链。通过该第二关节驱动锥齿轮4的驱动带动所述第二关节支撑部件2转 动。所述第三关节驱动锥齿轮5与所述下半侧过渡锥齿轮6啮合，所述上半侧过渡锥 齿轮7与第三关节输出锥齿轮8啮合，该第三关节输出锥齿轮8通过多根(如三根以上)连 杆9与第三关节终端部件3连接，构成所述传动机构的第二条传动链。第一关节支撑部件1，第二关节驱动锥齿轮4和第三关节驱动锥齿轮5同轴，设定 其轴线为A ；第二关节支撑部件2，下半侧过渡锥齿轮6和上半侧过渡锥齿轮7同轴，设定其 轴线为B ；第三关节终端部件3的转轴为C，且第三关节输出锥齿轮8的转轴与C轴平行，轴 线A、B、C共同相交于一点0，B轴分别与A轴和C轴有大小相等的夹角。连杆9两端可以是普通铰链或者万向铰或者球铰，其铰链销轴与C轴平行，各根连 杆9两端的铰链销轴偏置距离相等。连杆9与第三关节输出锥齿轮8连接一端的销轴轴线 到该第三关节输出锥齿轮8轴线的距离，与该连杆9另一端的销轴轴线到C轴的距离相等。第一关节支撑部件1相对于机器人前臂10做可控的转动运动，产生机器人手腕的第一个自由度。第二关节驱动锥齿轮4相对于机器人前臂10做可控的转动运动，通过与第二关节 支撑部件2的锥齿轮端啮合传动，使得第二关节支撑部件2相对第一关节支撑部件1做可 控的转动运动，产生机器人手腕的第二个自由度。第三关节驱动锥齿轮5相对于机器人前臂10做可控的转动运动，与其啮合的下半 侧过渡锥齿轮6将运动和动力通过固联的上半侧过渡锥齿轮7啮合传动到第三关节输出锥 齿轮8，最后第三关节输出锥齿轮8通过连杆9传动第三关节终端部件3，使其相对于第二 关节支撑部件2做可控的转动运动，产生机器人手腕的第三个自由度。
权利要求
一种工业机器人空心手腕传动机构，包括第一关节支撑部件(1)，第二关节支撑部件(2)和第三关节终端部件(3)，所述第一关节支撑部件(1)可相对转动地设置于机器人前臂(10)的末端，产生工业机器人空心手腕的第一个自由度；所述第二关节支撑部件(2)可相对转动地设置于第一关节支撑部件(1)的末端，产生工业机器人手腕的第二个自由度；所述第三关节终端部件(3)用于安装连接工业机器人的末端执行器，其可相对转动地设置于第二关节支撑部件(2)的末端，产生机器人手腕的第三个自由度；在驱动力的作用下，所述空心手腕传动机构通过对上述三个自由度的协调来执行作业操作。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所述第一 关节支撑部件(1)的空心驱动端内设置有可相对转动的第二关节驱动锥齿轮(4)，所述第 二关节支撑部件(2)内靠近第一关节支撑部件(1)的一端呈锥齿轮状，所述第二关节驱动 锥齿轮(4)与该呈锥齿轮状的端部啮合传动，实现所述第二个自由度的产生。
3.根据权利要求1或2所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所述第 二关节驱动锥齿轮(4)内设置有可相对转动的第三关节驱动锥齿轮(5)，所述第二关节支 撑部件(2 )内部设置有可相对转动的过渡锥齿轮(6，7 )和可相对转动的第三关节输出锥齿 轮(8)，所述第三关节输出锥齿轮(8)通过多根连杆(9)与第三关节终端部件(3)连接，所述 第三关节驱动锥齿轮(5)通过过渡锥齿轮(6，7)将动力传递到第三关节输出锥齿轮(8)，并 进一步通过上述多根连杆(9)带动第三关节终端部件(3)转动，实现所述第三个自由度的 产生。
4.根据权利要求3所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所述的过 渡锥齿轮(6，7)包括固连为一体的下半侧过渡锥齿轮(6)和上半侧过渡锥齿轮(7)，分别与 所述第三关节驱动锥齿轮(5)和第三关节输出锥齿轮(7)啮合，从而将所述第三关节驱动 锥齿轮(5)的动力传递到第三关节输出锥齿轮(8)。
5.根据权利要求3或4所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所述 连杆(9 )两端分别通过铰链与第三关节输出锥齿轮(8 )和第三关节终端部件(3 )铰接，各铰 链销轴均与第三关节终端部件(3)的转轴C平行，各根连杆(9)两端的铰链销轴偏置距离相 等，连杆(9)与第三关节输出锥齿轮(8)连接一端的销轴轴线到该第三关节输出锥齿轮(8) 轴线的距离，与该连杆(9)另一端的销轴轴线到C轴的距离相等。
6.根据权利要求5所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所述的铰 链为普通铰链、万向铰或者球铰。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种工业机器人空心手腕传动机构，其特征在于，所 述第一关节支撑部件(1)、第二关节驱动锥齿轮(4)和第三关节驱动锥齿轮(5)同轴，轴线 为A ；所述第二关节支撑部件(2)、下半侧过渡锥齿轮(6)和上半侧过渡锥齿轮(7)同轴，其 轴线为B，上述轴线A、轴线B与第三关节终端部件(3)的转轴C相交于一点0，且B轴与A 轴和与C轴的夹角相等。
全文摘要
本发明公开了一种工业机器人空心手腕传动机构，包括第一关节支撑部件(1)，第二关节支撑部件(2)和第三关节终端部件(3)，所述第一关节支撑部件(1)可相对转动地设置于机器人前臂10的末端，产生工业机器人空心手腕的第一个自由度；所述第二关节支撑部件(2)可相对转动地设置于第一关节支撑部件(1)的末端，产生机器人手腕的第二个自由度；所述第三关节终端部件(3)用于安装连接工业机器人的末端执行器，其可相对转动地设置于第二关节支撑部件(2)的末端，产生机器人手腕的第三个自由度。本发明的手腕传动机构布置紧凑、空心空间大，使得管线穿越长度短、弯扭幅度很小，具有较高可靠性。
文档编号B25J17/00GK101954639SQ20101029207
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者刘世平, 周明辉, 李世其, 马天阳 申请人:华中科技大学