专利名称：一种二自由度工业机器人的手腕的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种二自由度工业机器人的手腕。
背景技术：
现代机器人手腕又称为机器人的姿态机构，由于手腕末杆具有绕自身的旋转运动(即第六关节)，若手腕末杆还能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活，由于杆件的姿态可用两个方位来确定，如图1所示， 图中32为机器人的大臂，33为小臂，34为手腕末杆，手腕末杆的末端与末端执行器连接。 图中，手腕末杆的图示姿态可以看作是由处于&方向的原始位置先绕K在平面X3O3Y3内旋转α角，然后在乙与&组成的垂直平面Y3OJ3内向上旋转β角得到。由此可见，α、 β两角决定了手腕末杆的姿态，α角称为侧摆角，β角称为俯仰角。从理论上讲，如果 0° ^ α < 360°、0° ( β < 360°，则手腕末杆在空间可取任意方向，如果设手腕末杆自转角为Y，那么手腕末杆自转角也满足0° ( Y < 360°。从结构形式上分，手腕包括三自由度手腕和侧摆轴α后置式手腕(或称为二自由度手腕)两大类。其中三自由度手腕结构形式主要有两种，即三自由度偏交型手腕和三自由度汇交型手腕。(1)三自由度偏交型手腕又分为普通偏交型和中空偏交型，其中普通偏交型的结构如图2所示，中空偏交型的结构如图3所示。三自由度偏交型手腕的主要特点是手腕末杆偏置在小臂中线的一侧，其优点是手腕结构紧凑，且每个关节的转动几乎没有结构限制， 但由于手腕与小臂的中心不在一条线上，所以三自由度偏交型手腕的运动学反解求解时较复杂，且动力学参数也是强耦合的。(2)三自由度汇交型手腕又分为普通汇交型和球形汇交型，其中普通汇交型的结构如图4所示，球形汇交型的结构如图5所示。三自由度汇交型手腕的优点主要是方便机器人的建模及运动学等分析，但由于受到关节结构的限制，第五自由度处平面Y3OJ3内(见图1)β < 200°，故其灵活度比三自由度偏交型手腕要低；同时球形汇交型的手腕结构也较为复杂，对零件的加工精度和装配精度要求很高，否则很难保证旋转角α、β和Υ的轴线汇交于一点。(3)侧摆轴α后置式手腕(或称为二自由度手腕)从总体的平衡和结构的复杂程度来分，电机的配置可以分为前置式和后置式。前置式的电机简化了传动结构，避免了传动过程的轴线干扰，提高了传动精度，但加大了手腕的重量；后置式的电机有利于小臂的平衡，但增加了传动方案的复杂度并减小了传动精度。由于前置式的电机对工业机器人来说，其负载较大、电机较重、体积也大，因此目前的工业机器人大多数采用后置式的电机，即将电机置于小臂的后端或空腔内。其中电机置于小臂空腔内的二自由度手腕结构如图6所示。电机置于小臂后端时，依靠空心轴将电机的扭矩传递到小臂前端的手腕上，但其结构复杂，对空心轴的加工精度和零件的刚度要求较高，且安装精度的要求也很高，否则会由于远距离传递而使精度得不到保证。而电机竖直并列地置于小臂的空腔内时，通过齿轮和带传动将动力传递到手腕上，该结构适宜扁长型电机，对于小臂空腔的结构要求较复杂，同时由于需要经过多次传递，所以手腕结构复杂，其精度难以得到控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、动力传递精度较高的二自由度工业机器人的手腕。本发明的技术方案为一种二自由度工业机器人的手腕，包括自转驱动机构和俯仰驱动机构，自转驱动机构包括动力输入轴、锥形齿轮组和自转齿轮轴，动力输入轴一端与自转齿轮轴一端通过锥形齿轮组连接，动力输入轴另一端外接自转动力源，自转齿轮轴另一端与手腕末端执行器连接，动力输入轴与自转齿轮轴垂直设置，动力输入轴设于手腕基体的轴线方向上；俯仰驱动机构包括俯仰齿轮轴，俯仰齿轮轴一端外接俯仰动力源，俯仰齿轮轴另一端与手腕基体连接，俯仰齿轮轴设于手腕基体的轴向方向上。所述动力输入轴外周通过一对第一轴承与第一轴承座相连接，动力输入轴外周位于两个第一轴承之间处设有动力输入轴套筒，第一轴承座通过第二轴承与手腕基体相连接，第一轴承外端设有第一轴承盖，第一轴承盖的端面与第一轴承座固定连接，动力输入轴外周位于第一轴承外端处设有弹性挡圈；动力输入轴一端通过锥形齿轮组与自转齿轮轴连接，动力输入轴另一端通过第一同步带轮外接作为自转动力源的第一电机。所述第一轴承为角接触球轴承，第二轴承为深沟球轴承。各轴承的作用是支撑动力输入轴并实现动力输入轴的转动。所述第一轴承座与手腕基体之间还设有第一油封，第一油封设于第二轴承上方， 第一油封实现动力输入轴轴端端的密封，防止灰尘进入手腕。自转齿轮轴的外周通过一对第三轴承与自转轴承架相连接，自转齿轮轴外周位于两个第三轴承之间处设有自转齿轮轴套筒，自转齿轮轴的动力输出端设有第二轴承座，第二轴承座通过一对第四轴承与外端盖连接，第二轴承座的外端面设有与手腕末端执行器连接用的喷枪接口件，喷枪接口件与第二轴承座固定连接；自转齿轮轴与第二轴承座之间设有第一谐波减速器，第一谐波减速器通过第一 CSD套筒与自转齿轮轴连接。所述第三轴承为角接触球轴承，第四轴承为角接触球轴承。各轴承的作用是支撑自转齿轮轴并实现自转齿轮轴的转动。所述喷枪接口件与外端盖之间的空隙内设有第二油封，第二油封实现自转齿轮轴轴端的密封，防止灰尘进入。所述俯仰齿轮轴一端设有第二谐波减速器，第二谐波减速器通过第二 CSD套筒与俯仰齿轮轴连接，第二谐波减速器外周设置第三轴承座，第三轴承座通过第六轴承与手腕基体连接；俯仰齿轮轴外周设有第五轴承，第五轴承外端设有第二轴承盖，第二轴承盖与第三轴承座固定连接；俯仰齿轮轴另一端通过第二同步带轮外接作为俯仰动力源的第二电机。所述第五轴承为深沟球轴承，第六轴承为深沟球轴承。各轴承的作用是支撑俯仰齿轮轴并实现俯仰齿轮轴的转动。所述第三轴承座与手腕基体之间的空隙内设有第三油封，第三油封实现俯仰齿轮轴端的密封，防止灰尘进入。
本二自由度工业机器人的手腕应用于工业机器人中时，手腕的自转运动通过自转驱动机构实现，手腕的俯仰运动通过俯仰驱动机构实现。手腕自转时，第一电机通过第一同步带轮带动动力输入轴转动，然后通过锥形齿轮组将自转动力传递给自转齿轮轴，自转齿轮轴经第一谐波减速器减速后带动第二轴承座和喷枪接口件转动，从而带动末端执行器进行相应动作；手腕俯仰时，第二电机通过第二同步带轮带动俯仰齿轮轴转动，经第二谐波减速器减速后带动手腕基体做俯仰运动，从而实现末端执行器也进行相应的俯仰动作。本二自由度工业机器人的手腕，其原理是采用电机后置式的结构，并将自转驱动机构及其动力源和俯仰驱动机构及其动力源分别独立设置，自转驱动机构将其动力源置于小臂的空腔内，俯仰驱动机构将其动力源置于小臂后端，两个电机采用两种形式设置，有利于小臂的平衡和机器人运行的平稳性。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果1、本二自由度工业机器人的手腕将其自转驱动机构和俯仰驱动机构分别独立设置，可实现两个自由度的独立运动，自转时侧摆角α可实现0° ^ α < 360°的摆动，俯仰时俯仰角β刻实现-90° ( β ^+90°的摆动，各自由度转动范围大，互不干扰。同时，自转驱动机构将其动力源置于小臂的空腔内，俯仰驱动机构将其动力源置于小臂后端，两个电机采用两种形式设置，再分别通过谐波减速器将动力传递给小臂，其结构简单，也有利于小臂的平衡和机器人运行的平稳性。2、本二自由度工业机器人的手腕的两个自由度的转动轴线相互垂直且相交，符合机器人手腕的运动要求，可有效提高其动力传递精度。3、本二自由度工业机器人的手腕的两个自由度均使用谐波减速器，由于谐波减速器的重量较小、结构较为紧凑，与传统工业机器人中前置式的减速器相比较，可有效减小手腕的重量，简化手腕的结构，有利于小臂和机器人整体的平衡。
图1为工业机器人的手腕姿态原理示意图。图2为传统三自由度工业机器人手腕中普通偏交型的结构示意图。图3为传统三自由度工业机器人手腕中中空偏交型的结构示意图。图4为传统三自由度工业机器人手腕中普通汇交型的结构示意图。图5为传统三自由度工业机器人手腕中球形汇交型的结构示意图。图6为传统二自由度工业机器人手腕中电机置于小臂空腔内时的结构示意图。图7为本二自由度工业机器人手腕的结构示意图。图8为图7的A向视图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例本实施例一种二自由度工业机器人的手腕，其结构如图7或图8所示，包括自转驱动机构和俯仰驱动机构，自转驱动机构包括动力输入轴1、锥形齿轮组2和自转齿轮轴3，动力输入轴1 一端与自转齿轮轴3 —端通过锥形齿轮组2连接，动力输入轴1另一端外接自转动力源，自转齿轮轴3另一端与手腕末端执行器连接，动力输入轴1与自转齿轮轴3垂直设置，动力输入轴1设于手腕基体4的轴线方向上；俯仰驱动机构包括俯仰齿轮轴5，俯仰齿轮轴5 —端外接俯仰动力源，俯仰齿轮轴5另一端与手腕基体4连接，俯仰齿轮轴5设于手腕基体4的轴向方向上。动力输入轴1外周通过一对第一轴承6与第一轴承座7相连接，动力输入轴1外周位于两个第一轴承6之间处设有动力输入轴套筒8，第一轴承座7通过第二轴承9与手腕基体4相连接，第一轴承6外端设有第一轴承盖10，第一轴承盖10的端面与第一轴承座 7固定连接，动力输入轴1外周位于第一轴承6外端处设有弹性挡圈11 ；动力输入轴1 一端通过锥形齿轮组2与自转齿轮轴3连接，动力输入轴1另一端通过第一同步带轮12外接作为自转动力源的第一电机。第一轴承6为角接触球轴承，第二轴承9为深沟球轴承，各轴承的作用是支撑动力输入轴并实现动力输入轴的转动。第一轴承座7与手腕基体4之间还设有第一油封13，第一油封13设于第二轴承9 上方，第一油封实现动力输入轴轴端的密封，防止灰尘进入手腕。自转齿轮轴3的外周通过一对第三轴承14与自转轴承架15相连接，自转齿轮轴 3外周位于两个第三轴承14之间处设有自转齿轮轴套筒16，自转齿轮轴3的动力输出端设有第二轴承座17，第二轴承座17通过一对第四轴承18与外端盖19连接，第二轴承座17的外端面设有与手腕末端执行器连接用的喷枪接口件20，喷枪接口件20与第二轴承座17固定连接；自转齿轮轴3与第二轴承座17之间设有第一谐波减速器21，第一谐波减速器21通过第一 CSD套筒22 (CSD套筒即谐波减速器套筒)与自转齿轮轴3连接，第一 CSD套筒22 与自转齿轮轴3之间为键连接。第三轴承14为角接触球轴承，第四轴承18为角接触球轴承，各轴承的作用是支撑自转齿轮轴并实现自转齿轮轴的转动。喷枪接口件20与外端盖19之间的空隙内设有第二油封23，第二油封实现自转齿轮轴端的密封，防止灰尘进入。 俯仰齿轮轴5 —端设有第二谐波减速器对，第二谐波减速器M通过第二 CSD套筒 25与俯仰齿轮轴5连接，第二谐波减速器M外周设置第三轴承座沈，第三轴承座沈通过第六轴承27与手腕基体4连接；俯仰齿轮轴5外周设有第五轴承观，第五轴承观外端设有第二轴承盖四，第二轴承盖四与第三轴承座沈固定连接；俯仰齿轮轴5另一端通过第二同步带轮30外接作为俯仰动力源的第二电机。第五轴承观为深沟球轴承，第六轴承27为深沟球轴承，各轴承的作用是支撑俯仰齿轮轴并实现俯仰齿轮轴的转动。第三轴承座沈与手腕基体4之间的空隙内设有第三油封31，第三油封实现俯仰齿轮轴轴端的密封，防止灰尘进入。本二自由度工业机器人的手腕应用于工业机器人中时，手腕的自转运动通过自转驱动机构实现，手腕的俯仰运动通过俯仰驱动机构实现。手腕自转时，第一电机通过第一同步带轮12带动动力输入轴1转动，然后通过锥形齿轮组2将自转动力传递给自转齿轮轴3， 自转齿轮轴3经第一谐波减速器21减速后带动第二轴承座17和喷枪接口件20转动，从而带动末端执行器进行相应动作；手腕俯仰时，第二电机通过第二同步带轮30带动俯仰齿轮轴5转动，经第二谐波减速器M减速后带动手腕基体4做俯仰运动，从而实现末端执行器也进行相应的俯仰动作，其中手腕基体4的俯仰运动方向如图7中的箭头方向所示。本二自由度工业机器人的手腕，其原理是采用电机后置式的结构，并将自转驱动机构及其动力源和俯仰驱动机构及其动力源分别独立设置，自转驱动机构将其动力源置于小臂的空腔内，俯仰驱动机构将其动力源置于小臂后端，两个电机采用两种形式设置，有利于小臂的平衡和机器人运行的平稳性。如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求
1.一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，包括自转驱动机构和俯仰驱动机构， 自转驱动机构包括动力输入轴、锥形齿轮组和自转齿轮轴，动力输入轴一端与自转齿轮轴一端通过锥形齿轮组连接，动力输入轴另一端外接自转动力源，自转齿轮轴另一端与手腕末端执行器连接，动力输入轴与自转齿轮轴垂直设置，动力输入轴设于手腕基体的轴线方向上；俯仰驱动机构包括俯仰齿轮轴，俯仰齿轮轴一端外接俯仰动力源，俯仰齿轮轴另一端与手腕基体连接，俯仰齿轮轴设于手腕基体的轴向方向上。
2.根据权利要求1所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述动力输入轴外周通过一对第一轴承与第一轴承座相连接，动力输入轴外周位于两个第一轴承之间处设有动力输入轴套筒，第一轴承座通过第二轴承与手腕基体相连接，第一轴承外端设有第一轴承盖，第一轴承盖的端面与第一轴承座固定连接，动力输入轴外周位于第一轴承外端处设有弹性挡圈；动力输入轴一端通过锥形齿轮组与自转齿轮轴连接，动力输入轴另一端通过第一同步带轮外接作为自转动力源的第一电机。
3.根据权利要求2所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述第一轴承为角接触球轴承，第二轴承为深沟球轴承。
4.根据权利要求2所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述第一轴承座与手腕基体之间还设有第一油封，第一油封设于第二轴承上方。
5.根据权利要求1所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，自转齿轮轴的外周通过一对第三轴承与自转轴承架相连接，自转齿轮轴外周位于两个第三轴承之间处设有自转齿轮轴套筒，自转齿轮轴的动力输出端设有第二轴承座，第二轴承座通过一对第四轴承与外端盖连接，第二轴承座的外端面设有与手腕末端执行器连接用的喷枪接口件，喷枪接口件与第二轴承座固定连接；自转齿轮轴与第二轴承座之间设有第一谐波减速器，第一谐波减速器通过第一 CSD套筒与自转齿轮轴连接。
6.根据权利要求5所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述第三轴承为角接触球轴承，第四轴承为角接触球轴承。
7.根据权利要求5所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述喷枪接口件与外端盖之间的空隙内设有第二油封。
8.根据权利要求1所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述俯仰齿轮轴一端设有第二谐波减速器，第二谐波减速器通过第二 CSD套筒与俯仰齿轮轴连接，第二谐波减速器外周设置第三轴承座，第三轴承座通过第六轴承与手腕基体连接；俯仰齿轮轴外周设有第五轴承，第五轴承外端设有第二轴承盖，第二轴承盖与第三轴承座固定连接；俯仰齿轮轴另一端通过第二同步带轮外接作为俯仰动力源的第二电机。
9.根据权利要求8所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述第五轴承为深沟球轴承，第六轴承为深沟球轴承。
10.根据权利要求8所述一种二自由度工业机器人的手腕，其特征在于，所述第三轴承座与手腕基体之间的空隙内设有第三油封。
全文摘要
本发明公开一种二自由度工业机器人的手腕，包括自转驱动机构和俯仰驱动机构，自转驱动机构包括动力输入轴、锥形齿轮组和自转齿轮轴，动力输入轴一端与自转齿轮轴一端通过锥形齿轮组连接，动力输入轴另一端外接自转动力源，自转齿轮轴另一端与手腕末端执行器连接，动力输入轴与自转齿轮轴垂直设置，动力输入轴设于手腕基体的轴线方向上；俯仰驱动机构包括俯仰齿轮轴，俯仰齿轮轴一端外接俯仰动力源，俯仰齿轮轴另一端与手腕基体连接，俯仰齿轮轴设于手腕基体的轴向方向上。本工业机器人手腕将自转驱动机构和俯仰驱动机构分别设置，实现两个自由度的独立运动，各自由度转动范围大，互不干扰，同时其结构简单，有利于小臂平衡和机器人运行的平稳性。
文档编号B25J17/02GK102284959SQ201110212660
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者张爱民, 张铁, 邹焱飚, 陈其忠 申请人:广州数控设备有限公司