新型的多关节机器人的制作方法
【专利摘要】一种新型的多关节机器人，在底座上装有旋转平台，下机械臂的下端铰接在旋转平台的上端，下机械臂的上端与中机械臂的下端铰接，中机械臂的上端与上机械臂的一端铰接，在该上机械臂的另一端安装升降轴；在旋转平台内装有旋转平台驱动装置，在下机械臂的下端与旋转平台之间的下关节、以及下机械臂的上端与中机械臂下端之间的中关节分别安装一调节装置；在中机械臂的上端与上机械臂的一端之间的上关节装有上关节驱动装置；在上机械臂上装有升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置；所述的各驱动装置均由控制系统控制。本发明的优点是：具有结构简单，操作方便，企业先期投入小等优点。
【专利说明】新型的多关节机器人
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型的多关节机器人，具有上下左右远近等多方向运动功能，可 广泛应用于各种重复性劳动和高危脏乱环境下的作业：如电焊工，喷漆工，打磨工，陶瓷喷 釉工，喷粉工，抛光工，装配工等，代替人工劳动。
【背景技术】
[0002] 随着我国制造业的快速发展，用工成本越来越高，使我国在制造业上的优势已经 越来越小了，很多岗位和污染、危险工种已经出现后继泛人的现象。为了企业升级转型，提 高制造业的水平，促进制造业的二次腾飞，企业对产业和装备进行升级迫在眉睫，少数企业 已经走在了行业的前面，但是这些企业在产业升级时也遇到一定的困难，比如说投入资金 大(要三四年才能收回成本)，培训一个操作人员和相关设备的维修保养方面也是很大的支 出，由此而带来的也是一些高新设备操作人员方面的欠缺和维护成本居高不下等问题。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是提供一种新型多关节机器人，以简化设备的结构，降低设备的维护 成本和对操作人员的要求，从而降低生产成本。
[0004] 本发明的技术方案是：一种新型的多关节机器人，其特征在于，包括底座、旋转平 台、下机械臂、中机械臂、上机械臂和升降轴，在底座上装有旋转平台，下机械臂的下端铰接 在旋转平台的上端，下机械臂的上端与中机械臂的下端铰接，中机械臂的上端与上机械臂 的一端铰接，在该上机械臂的另一端安装升降轴； 在旋转平台内装有旋转平台驱动装置，在下机械臂的下端与旋转平台之间的下关节、 以及下机械臂的上端与中机械臂下端之间的中关节分别安装一调节装置，用于调节对应关 节的角度；在中机械臂的上端与上机械臂的一端之间的上关节装有上关节驱动装置；在上 机械臂上装有升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置；所述的各驱动装置均由控制系 统控制，并装有编码器。
[0005] 所述的调节装置为蜗轮蜗杆机构，蜗轮固定安装在相应关节的铰接轴上，蜗杆与 驱动电机的输出轴传动连接或人工调节蜗杆；所述的旋转平台通过承载轴承安装在底座的 主支撑轴上；所述的旋转平台驱动装置的组成为：由旋转平台驱动电机和减速系统经过电 磁离合器，由旋转平台驱动齿轮围绕底座固定齿轮转动，从而带动平台的旋转。
[0006] 所述的上机械臂的一端通过机械臂旋转轴经轴承安装在中机械臂的上端；所述的 上关节驱动装置组成为：上机械臂驱动电机和减速装置经电磁离合器通过机械臂旋转齿轮 围绕机械臂旋转固定齿轮转动，带动上机械臂作旋转运动。
[0007] 所述的升降轴为在圆柱形的光杆上设有一条以上的轴向凹槽；在升降轴上还设有 等距的环形齿槽；该升降轴通过升降轴转动装置安装在所述的上机械臂的顶端。
[0008] 所述的升降轴转动装置包括轴套、轴承、调整凸块、调整螺栓和挡圈，在轴套的内 周面设有轴向的、并与所述的升降轴的轴向凹槽对应的调整凸块凹槽，在调整凸块凹槽的 底面设有径向的螺孔，在该径向螺孔内安装调整螺栓；在每一调整凸块凹槽内装有一根调 整凸块，轴套的外缘通过轴承与上机械臂的顶端轴承座转动连接，轴承用挡圈固定；所述的 升降轴装在该轴套内，由调整凸块通过调整螺栓来调节松紧度，以保证升降轴能在轴套内 上下滑动又能保持最小的间隙，外装的轴承又能保证在升降轴上下滑动的同时又能够通过 所述的升降轴转动驱动装置带动升降轴旋转。
[0009] 在所述的轴套内装有轴向滑动轴承296。
[0010] 所述的升降轴转动装置包括轴套、轴承、调整轴承、U形支撑、调整螺栓和挡圈，在 轴套内沿轴向设有至少两个调整轴承，调整轴承转动支撑在U形支撑内，U形支撑的底端与 设在轴套的径向螺孔内的调整螺栓转动连接；轴套的外缘通过轴承与上机械臂的顶端轴承 座转动连接，轴承用挡圈固定；所述的升降轴装在该轴套内。
[0011] 所述的升降轴转动驱动装置的组成为：由安装在上机械臂上的升降轴旋转驱动电 机和减速装置经电磁离合器和升降轴转动传动机构驱动同步带轮，经同步带带动所述的轴 套转动，从而带动升降轴同步转动；所述的升降轴转动传动机构包括同步带传动机构、链传 动机构或齿轮传动机构。
[0012] 所述的升降轴升降驱动装置的组成为：在所述的升降轴侧面安装与该升降轴上的 环形齿槽相互啮合的升降轴升降齿轮，该升降轴升降齿轮安装在一升降轴升降驱动轴的一 端，该升降轴升降驱动轴的另一端与齿轮传动机构经电磁离合器与升降轴升降驱动电机的 输出轴传动连接；在该升降轴升降驱动轴的一端装有平衡扭力装置； 所述的平衡扭力装置包括壳体、中心轴和扭力簧，圆形的壳体轴心转动安装中心轴， 蜗卷形的扭力簧的一端与中心轴连接，扭力簧的另一端与壳体连接，中心轴的外端与所述 的升降轴升降驱动轴的一端直接连接或通过传动机构间接连接，壳体与所述的上机械臂固 定；平衡扭力装置能够抵消因升降轴自身重量带来的向下引力，使升降轴即使处于垂直情 况下也能保持一种平衡的状态，而不会使升降轴在没有驱动力的状况下自然的向下滑动。
[0013] 在所述的中机械臂和上机械臂的两边装有光电感应防碰撞传感器或急停按钮，防 止人员在该机械臂的回转作业区被碰撞的危险；在所述的中机械臂的根部断开对接，在对 接处设有用于调节轴向角度的法兰盘，并沿圆周均布多个连接孔，用螺栓相互连接。
[0014] 本发明的优点是：具有结构简单，操作方便，企业先期投入小等优点，相比国外动 辄就几十万一台的机器人和需要相关专业知识的编程人员等具有无可比拟的成本上升优 势和人员易招、设备维护简单的后期使用成本方面的明显优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的总体结构示意图； 图2是图1中底座的主视图； 图3是图2的俯视图； 图4是本发明的旋转平台驱动装置的结构示意图； 图5是图4的俯视图（略有偏转，示意图）； 图6是图1中下机械臂的主视图； 图7是图6的左视图； 图8是图1中中机械臂的主视图； 图9是图8的左视图； 图10是图1中上机械臂及升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置的结构示意 图； 图11是图10的俯视图（省略了上关节驱动装置和升降轴转动驱动装置）； 图12是本发明的升降轴升降驱动装置的另一实施例的结构示意图； 图13是本发明的升降轴转动装置第一实施例的轴向剖视图示意图； 图14是图13的俯视图； 图15是本发明升降轴的主视图(设有轴向凹槽的一侧）； 图16是图15中P处的放大图； 图17是图15的左视图； 图18是本发明的平衡扭力装置安装在升降轴升降驱动轴另一端的实施例； 图19是本发明扭力平衡器的轴向剖视图； 图20是图19的A-A剖视图； 图21是本发明的升降轴转动装置第二实施例的轴向剖视图示意图； 图22是图21的仰视图； 图23是本发明的升降轴转动装置第三实施例的轴向剖视图示意图； 图24是图23的俯视图(局部剖视）； 图25是本发明的升降轴转动装置第四实施例的俯视图(局部剖视)。
【具体实施方式】
[0016] 参见图1?图25,本发明一种新型的多关节机器人，其特征在于，包括底座1、旋转 平台3、下机械臂14、中机械臂15、上机械臂17和升降轴30,在底座1上装有旋转平台3,下 机械臂14的下端铰接在旋转平台3上端的铰接座34上(组成下关节)，下机械臂14的上端 与中机械臂15的下端通过铰接轴13铰接(组成中关节)，中机械臂15的上端与上机械臂17 的一端（以下称为底端)通过旋转轴19铰接(组成上关节)，在该上机械臂17的另一端（以下 称为顶端）安装升降轴30。
[0017] 在旋转平台3内装有旋转平台驱动装置，在所述的下关节、中关节分别安装一调 节装置，用于调节对应关节偏转的角度；在上关节装有上关节驱动装置；在上机械臂上装 有升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置。
[0018] 在所述的中机械臂15和上机械臂17的两边装有光电感应防碰撞传感器或急停按 钮34,防止人员在该机械臂的回转作业区被碰撞的危险。
[0019] 参见图2-图7,所述的调节装置为蜗轮蜗杆机构，每一蜗轮12固定安装在下关节 和上关节的铰接轴13上，蜗杆11由驱动电机(未图示）驱动，也可以由人工调节。
[0020] 所述的旋转平台3通过上下几个承载轴承5安装在底座1的主支撑轴2上。所述 的旋转平台驱动装置的组成为：由旋转平台驱动电机10和减速系统9经过电磁离合器8由 旋转平台驱动齿轮7围绕底座固定齿轮4转动从而带动平台3的旋转。
[0021] 参见图1和图10,所述的上机械臂17的底端通过旋转轴19经轴承20安装在中机 械臂15的上端。所述的上关节驱动装置组成为：上机械臂驱动电机和减速装置32经电磁 离合器8通过机械臂旋转齿轮21围绕机械臂旋转固定齿轮18转动，带动上机械臂17作旋 转运动。
[0022] 参见图15-图17,所述的升降轴30为在圆柱形的光杆上设有至少一条轴向凹槽 39 ;在升降轴30上还设有等距的环形齿槽38(与齿条的作用相同）。所述的升降轴30通过 升降轴转动装置29安装在所述的上机械臂17的顶端。
[0023] 参见图13和图14,所述的升降轴转动装置29的一个实施例的结构包括轴套291、 轴承292、调整凸块295、调整螺栓294和挡圈293，在轴套291的内周面设有轴向的、并与所 述的升降轴30的的轴向凹槽39对应的调整凸块凹槽，在调整凸块凹槽的底面设有径向的 螺孔，在该径向螺孔内安装调整螺栓294。在每一调整凸块凹槽内装有一根调整凸块295， 轴套291的外缘通过轴承292与上机械臂17的顶端转动连接，用挡圈293固定轴承292。 所述的升降轴30装在该轴套291内，由调整凸块295通过调整螺栓294来调节松紧度，以 保证升降轴30能在轴套291内上下滑动又能保持最小的间隙。外装的轴承292又能保证 在升降轴30上下滑动的同时又能够通过所述的升降轴转动驱动装置带动升降轴30旋转。
[0024] 还可在上述的轴套291内装有轴向滑动轴承296(升降轴转动装置29的第二实施 例，参见图21和图22)。
[0025] 参见图23和图24,升降轴转动装置29的第三实施例的结构为：包括轴套291、轴 承292、调整轴承297、U形支撑298、调整螺栓294和挡圈293,在轴套291内沿轴向设有至 少两个调整轴承297,调整轴承297转动支撑在U形支撑298内，U形支撑298的底端与设 在轴套291的径向螺孔内的调整螺栓294转动连接；轴套291的外缘通过轴承292与上机 械臂17的顶端轴承座转动连接，轴承292用挡圈293固定在轴套291上。所述的升降轴30 装在该轴套291内，通过调节调整螺栓294带动U形支撑298和调整轴承297径向移动，达 到调节调整轴承297与升降轴30之间的间隙的目的，以保证升降轴30能在轴套291内上 下滑动又能保持最小的间隙。
[0026] 参见图25,升降轴转动装置29的第四实施例与第三实施例基本相同，不同之处是 去掉上述的U形支撑298,而是用两根调节调整螺栓294直接带动调整轴承297轴的两端。
[0027] 参见图10,所述的升降轴转动驱动装置的组成为：由安装在上机械臂17上的升降 轴旋转驱动电机和减速装置27经电磁离合器8和一对相互啮合的齿轮35驱动同步带轮 33,经同步带28带动升降轴转动装置29的轴套291转动，从而带动升降轴30同步转动。
[0028] 所述的升降轴转动驱动装置一般采用升降轴转动驱动电机和升降轴转动传动机 构(包括同步带传动机构、链传动机构或齿轮传动机构)，升降轴转动驱动电机通过升降轴 转动传动机构带动所述的轴套转动，均可实现带动升降轴同步转动。
[0029] 参见图10和图11，所述的升降轴升降驱动装置的组成为：在所述的升降轴3(H则 面安装与该升降轴30上的环形齿槽相互哨合的升降轴升降齿轮26,该升降轴升降齿轮26 安装在一升降轴升降驱动轴25的一端，该升降轴升降驱动轴25的另一端他齿轮传动机构 与升降轴升降驱动电机23的输出轴(经电磁离合器8)传动连接；在该升降轴升降驱动轴25 的一端装有平衡扭力装置24。
[0030] 参见图12,所述的升降轴升降驱动装置也可采用其他驱动方式代替上述实施例中 的升降轴升降驱动轴25,如用同步带、各种皮带、链条、钢索等软性传动机构37实现，图中 标记38为动力装置。
[0031] 参见图19和图20,所述的平衡扭力装置24包括壳体241、中心轴242和扭力簧 243,圆形的壳体241的轴心转动安装中心轴242,蜗卷形的扭力簧(簧片)243的一端与中心 轴242连接，扭力簧243的另一端通过固定柱244与壳体241的内侧连接。中心轴242的 外端与所述的升降轴升降驱动轴25的一端直接连接或通过传动机构间接连接，壳体241与 所述的上机械臂17固定。平衡扭力装置24能够抵消因升降轴30自身重量带来的向下引 力，使升降轴30即使处于垂直情况下也能保持一种平衡的状态，而不会使升降轴30在没有 驱动力的状况下自然的向下滑动。平衡扭力装置24可以安装在升降轴升降驱动轴25的左 端(如图1和图10所示)，也可以安装在升降轴升降驱动轴25的右端(如图18所示)。
[0032] 下面对本发明结构原理进一步说明： 1、底座1 :主要是起到整个机器人的支撑和同地面或其它平台的固定作用。
[0033] 2、旋转平台3 :通过承载轴承安装在底座的主支撑轴2上，由旋转平台驱动电机10 和减速系统9经过电磁离合器8由旋转平台驱动齿轮7围绕底座固定齿轮4转动从而带动 平台的旋转(此为一轴旋转）如图4、图5。
[0034] 3、下机械臂14铰接在旋转平台3上面，通过蜗轮12和蜗杆11的转动可以调整下 机械臂14的角度及工作半径的大小(如图1、图4、图5)。
[0035] 4、中机械臂15安装在下机械臂14上面，也是装有蜗轮蜗杆机构，同样可以调节中 机械臂15的角度。在所述的中机械臂15的根部断开对接，在对接处通过法兰盘16对接， 沿法兰盘16圆周均布多个连接孔，用螺栓相互连接。需要调节中机械臂15轴向角度时，可 以人工转动对接的两个法兰盘16的相对角度，然后用螺栓相互紧固。可以根据生产场合的 不同来旋转中机械臂15的角度，以满足不同的生产需求(如图8)。
[0036] 5、上机械臂17通过旋转轴19经轴承20转动安装在中机械臂15的顶端，由上机 械臂驱动电机和减速装置32经电磁离合器8通过机械臂旋转齿轮21围绕机械臂旋转固定 齿轮18转动，带动上机械臂17作旋转运动(如图1和图10)。
[0037] 6、升降轴30通过升降轴旋转装置29能够转动和轴向滑动地安装在上机械臂17 上，由升降轴升降驱动电机23经电磁离合器8通过升降轴升降驱动齿轮22来驱动升降轴 升降驱动轴25和升降轴升降齿轮26(该升降齿轮26可以单边的在升降轴的一侧设置也可 以对称的在升降轴的两边设置）的转动来带动升降轴30的上升和下降运动(升降轴升降齿 轮26转动带动升降轴30上环形齿槽38实现升降轴30的升降)。
[0038] 7,在各个电机减速系统输出动力后都装有一个电磁离合器8,目的是为了对各个 工作轨迹输入编程时，需要转动机械臂和升降轴的移动，然后通过装在各个转动位置上的 编码器6把轨迹程序输入控制器。由于电机经减速机后，其输出端的阻力会比较大，在推动 机械臂以及升降轴升降旋转的时候会很沉重因而变得困难，这样就需要把电机和减速装置 在对工作轨迹编程时加以断开，所以加上电磁离合器8后，就可以把电机和减速机带来的 阻力同机械臂和升降轴部分的传动源给分开了，从而达到轻松转动机械臂和升降轴来完成 工作轨迹的编程工序了。
[0039] 工作时，操作者手抓住升降轴30,拖动电机和工作端的端点，对准要工作的工件， 比如说焊接时的焊缝位置或者是喷涂时需要喷涂的位置，进行读入编程，因为几个轴的转 动关节上都装有编码器6,这样在推动升降轴30和机械臂作寻迹轨道时，编码器6即自动的 把各个参数记录到记忆程序里面了，在工作时只需要设定起点和重复的数量就能够让机器 人自动的把要焊接或喷涂的工件按之前的轨迹精确的走一遍了。因为几个关节之间可以灵 活的转动，这样就可以通过几个轴之间的回转来达到远近高低的多维度作业要求，可以模 仿人手的功能来完成相关作业。
【权利要求】
1. 一种新型的多关节机器人，其特征在于，包括底座、旋转平台、下机械臂、中机械臂、 上机械臂和升降轴，在底座上装有旋转平台，下机械臂的下端铰接在旋转平台的上端，下机 械臂的上端与中机械臂的下端铰接，中机械臂的上端与上机械臂的一端铰接，在该上机械 臂的另一端安装升降轴； 在旋转平台内装有旋转平台驱动装置，在下机械臂的下端与旋转平台之间的下关节、 以及下机械臂的上端与中机械臂下端之间的中关节分别安装一调节装置，用于调节对应关 节的角度；在中机械臂的上端与上机械臂的一端之间的上关节装有上关节驱动装置；在上 机械臂上装有升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置；所述的各驱动装置均由控制系 统控制，并装有编码器。
2. 根据权利要求1所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的调节装置为蜗轮 蜗杆机构，蜗轮固定安装在相应关节的铰接轴上，蜗杆与驱动电机的输出轴传动连接或人 工调节蜗杆；所述的旋转平台通过承载轴承安装在底座的主支撑轴上；所述的旋转平台驱 动装置的组成为：由旋转平台驱动电机和减速系统经过电磁离合器，由旋转平台驱动齿轮 围绕底座固定齿轮转动，从而带动平台的旋转。
3. 根据权利要求1所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的上机械臂的一端 通过机械臂旋转轴经轴承安装在中机械臂的上端；所述的上关节驱动装置组成为：上机械 臂驱动电机和减速装置经电磁离合器通过机械臂旋转齿轮围绕机械臂旋转固定齿轮转动， 带动上机械臂作旋转运动。
4. 根据权利要求1所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的升降轴为在圆柱 形的光杆上设有一条以上的轴向凹槽；在升降轴上还设有等距的环形齿槽；该升降轴通过 升降轴转动装置安装在所述的上机械臂的顶端。
5. 根据权利要求4所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的升降轴转动装置 包括轴套、轴承、调整凸块、调整螺栓和挡圈，在轴套的内周面设有轴向的、并与所述的升降 轴的轴向凹槽对应的调整凸块凹槽，在调整凸块凹槽的底面设有径向的螺孔，在该径向螺 孔内安装调整螺栓；在每一调整凸块凹槽内装有一根调整凸块，轴套的外缘通过轴承与上 机械臂的顶端轴承座转动连接，轴承用挡圈固定；所述的升降轴装在该轴套内，由调整凸块 通过调整螺栓来调节松紧度，以保证升降轴能在轴套内上下滑动又能保持最小的间隙，夕卜 装的轴承又能保证在升降轴上下滑动的同时又能够通过所述的升降轴转动驱动装置带动 升降轴旋转。
6. 根据权利要求5所述的新型的多关节机器人，其特征在于，在所述的轴套内装有轴 向滑动轴承。
7. 根据权利要求5所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的升降轴转动装置 包括轴套、轴承、调整轴承、U形支撑、调整螺栓和挡圈，在轴套内沿轴向设有至少两个调整 轴承，调整轴承转动支撑在U形支撑内，U形支撑的底端与设在轴套的径向螺孔内的调整 螺栓转动连接；轴套的外缘通过轴承与上机械臂的顶端轴承座转动连接，轴承用挡圈固定； 所述的升降轴装在该轴套内。
8. 根据权利要求5、6或7所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的升降轴转动 驱动装置的组成为：由安装在上机械臂上的升降轴旋转驱动电机和减速装置经电磁离合器 和升降轴转动传动机构驱动同步带轮，经同步带带动所述的轴套转动，从而带动升降轴同 步转动；所述的升降轴转动传动机构包括同步带传动机构、链传动机构或齿轮传动机构。
9. 根据权利要求1所述的新型的多关节机器人，其特征在于，所述的升降轴升降驱动 装置的组成为：在所述的升降轴侧面安装与该升降轴上的环形齿槽相互啮合的升降轴升降 齿轮，该升降轴升降齿轮安装在一升降轴升降驱动轴的一端，该升降轴升降驱动轴的另一 端与齿轮传动机构经电磁尚合器与升降轴升降驱动电机的输出轴传动连接；在该升降轴升 降驱动轴的一端装有平衡扭力装置； 所述的平衡扭力装置包括壳体、中心轴和扭力簧，圆形的壳体轴心转动安装中心轴， 蜗卷形的扭力簧的一端与中心轴连接，扭力簧的另一端与壳体连接，中心轴的外端与所述 的升降轴升降驱动轴的一端直接连接或通过传动机构间接连接，壳体与所述的上机械臂固 定；平衡扭力装置能够抵消因升降轴自身重量带来的向下引力，使升降轴即使处于垂直情 况下也能保持一种平衡的状态，而不会使升降轴在没有驱动力的状况下自然的向下滑动。
10. 根据权利要求1所述的新型的多关节机器人，其特征在于，在所述的中机械臂和上 机械臂的两边装有光电感应防碰撞传感器或急停按钮，防止人员在该机械臂的回转作业区 被碰撞的危险；在所述的中机械臂的根部断开对接，在对接处设有用于调节轴向角度的法 兰盘，并沿圆周均布多个连接孔，用螺栓相互连接。
【文档编号】B25J9/08GK104084945SQ201410338281
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】王典超 申请人:王典超