一种模块化SCARA机器人的制作方法

本发明涉及机器人自动化技术领域，特别涉及一种模块化scara机器人。

背景技术：

现今，机器人技术已经取得极大发展，由于其具有高度灵活性以及良好弹性被广泛应用于各个行业，但是现有技术的多数机器人系统主要针对某种特定的环境和场合，因此缺乏相应功能扩展性以及结构重构性。

对于快速更替的产品生产线，往往需要更换各种类型的机器人系统，以满足生产需求，因此容易造成生产资源的严重浪费以及制约机器人的推广应用。

因此，多功能、易构建、低成本是机器人新系统开发重要目标，其中模块化机器人是行之有效的解决方案，机器人模块化能够简化设计制造和维护成本，缩短研制周期、减低研制成本。

国内外模块化scara机器人还比较少，以浙江理工大学开发的一种低成本的模块化scara机器人(专利号：201510245266.7)作为代表，这种机器人在一定程度上解决scara机器人重构问题，但存在结构上比较复杂、拼装比较困难等问题，并且各关节模块仅仅用于scara机器人构型的机器人系统中，却不能用于组成其他新构型的机器人系统，因此缺乏普遍性和一般性。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种良好的替换性、便于控制和使用可靠以及结构紧凑一种模块化scara机器人，旨在解决模块化scara机器人缺乏普遍性以及一般性的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种模块化scara机器人，包括用于固定的安装基座，所述安装基座顶端与回转关节模块底端相连，所述回转关节模块顶端与直角连杆一端相连，所述直角连杆另一端与摆转关节模块一端相连，所述摆转关节模块另一端与双自由度圆柱关节模块相连；所述回转关节模块只有一个自由度且关节转轴与自身结构中心轴相互重合，所述摆转关节模块只有一个自由度且关节转轴与自身结构中心轴相互垂直，所述双自由度圆柱关节模块内部竖向设置有进行轴向运动或绕自身中心轴线旋转或轴向运动和绕自身中心轴线旋转的复合螺旋运动的丝杆。

优选地，回转关节模块包括相互分离的第一上壳体和第一下壳体，所述第一下壳体底端与所述安装基座顶端相连，所述第一上壳体顶端与所述直角连杆一端相连，所述第一下壳体内部设有第一伺服驱动控制器与第一下壳体内上部的第一隔板固定相连，所述第一下壳体内部还安装有与所述第一伺服驱动控制器电连接的第一伺服电机，所述第一伺服电机动力输出端穿过所述第一隔板与第一主动圆柱齿轮相连，所述第一隔板上方设有第一谐波减速器，所述第一谐波减速器的动力输入端设有第一从动圆柱齿轮与所述第一主动圆柱齿轮啮合传动，所述第一谐波减速器的动力输出端与所述第一上壳体相连。

优选地，所述摆转关节模块包括相互分离的第二后壳体和第二前壳体，所述第二后壳体一端与所述直角连杆另一端相连，所述第二后壳体内部固定连接有第二伺服驱动控制器，所述第二后壳体内部还安装有与所述第二伺服驱动控制器电连接的第二伺服电机，所述第二伺服电机的动力输出端穿过第二隔板与第二主动锥齿轮相连，所述第二前壳体内部安装有第二谐波减速器，所述第二谐波减速器的动力输入端同轴相连有第二从动锥齿轮与所述第二主动锥齿轮啮合传动，所述第二谐波减速器的动力输出端与所述第二前壳体相连。

优选地，所述双自由度圆柱关节模块包括内部设有空腔的外壳，所述外壳表面设有若干个开口，所述外壳内部一侧安装第三伺服驱动控制器，所述第三伺服驱动控制器端部通过所述外壳侧面开口与所述摆转关节模块的所述第二前壳体一端连接，所述双自由度圆柱关节模块还设有竖直穿过所述外壳上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆，所述外壳内部安装有传动机构配合传动所述丝杆，所述传动机构与所述第三伺服驱动控制器电连接。

优选地，所述传动机构包括固定于所述外壳内部上法兰盘且与所述第三伺服驱动控制器电连接的第三伺服电机，所述第三伺服电机的动力输出轴端穿过所述上法兰盘且与第一主同步轮相连；所述上法兰盘另一侧与丝杆螺母固定部相连，所述丝杆螺母转动部与第一从同步轮相连，所述第一主同步轮和所述第一从同步轮以同步带相连传动；所述传动机构还包括固定于所述外壳内部下法兰盘且与所述第三伺服驱动控制器电连接的第四伺服电机，所述第四伺服电机的动力输出端穿过所述下法兰盘与第二主同步轮相连，所述下法兰盘另一侧与花键螺母固定部相连，所述花键螺母转动部与第二从同步轮相连，所述第二主同步轮和所述第二从同步轮以同步带相连传动，所述丝杆同时穿过所述丝杆螺母转动部中心以及所述花键螺母转动部中心以竖向上下移动。

优选地，所述第三伺服电机和所述第四伺服电机的传动轴端方向相反。

优选地，所述第三伺服电机和所述第四伺服电机分别与用于检测角位移和角速度的光电编码器连接，所述第三伺服电机和所述第四伺服电机分别与用于减速增力的减速器相连。

优选地，所述安装基座与所述回转关节模块、所述回转关节模块与所述直角连杆、所述直角连杆与所述摆转关节模块、所述摆转关节模块与所述双自由度圆柱关节模块通过卡环卡紧相连。

优选地，所述直角连杆中部位置为直角。

相对于现有技术，本发明技术方案具有以下优点：

1)良好的替换性。本发明技术方案中，模块化scara机器人包括依次相连的安装基座、回转关节模块、直角连杆、摆转关节模块以及双自由度圆柱关节模块。依次相连的部件之间通过卡环卡紧紧固，当其中的某个部件出现故障或者需要新增或改变实现的功能时，只需要将故障的部件进行替换或者将其他工作部件或工作模块新增至对应的安装位置并且通过卡环卡紧，即可实现相应替换以及扩展功能。因此本发明技术方案的模块化scara机器人相对于现有技术具有良好的替换性和扩展性，可满足不同的生产工艺以及产品生产线更新换代的需求，同时有效降低生产成本以及提高工作效率。

2)便于控制和使用可靠。本发明技术方案中，模块化scara机器人的每个工作模块均设置有伺服驱动控制器以控制和驱动伺服电机进行工作，每个工作模块之间控制工作则是相对独立，每个部件之间的独立控制使得模块化scara机器人在具备良好的替换性基础上，各个工作模块之间的工作相互不会受到影响，因此具有较好的控制性能以及使用可靠性。

3)结构紧凑。本发明技术方案中，回转关节模块以上下方式进行结构设置进行回转，摆转关节模块以前后的方式进行结构设置进行摆转，而双自由度圆柱关节模块内部集成安装有伺服驱动控制器以及相应的伺服电机，通过上下结构错开设置，使得双自由度圆柱关节模块内部结构更加紧凑。上述多种工作模块之间通过紧凑的结构设置使得模块化scara机器人体积更小，重量更轻，从而具有更高的灵活性，同时多个工作模块之间配合作用，因此本发明技术方案的模块化scara机器人具有多个自由度，可适用于不同的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明模块化scara机器人的外形结构示意图；

图2为本发明回转关节模块的内部结构示意图；

图3为本发明摆转关节模块的内部结构示意图；

图4为本发明双自由度圆柱关节模块的内部结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种模块化scara机器人。

请参见图1至图4，本发明实施例的模块化scara机器人，包括用于固定模块化scara机器人的安装基座1，安装基座1的顶端与回转关节模块2底端相连，回转关节模块2的顶端与直角连杆3一端相连，直角连杆3另一端与摆转关节模块4一端相连，摆转关节模块4另一端与双自由度圆柱关节模块6相连。本实施例中，回转关节模块2只有一个自由度且关节轴线与自身结构中心轴相互重合，摆转关节模块4只有一个自由度且关节转轴与自身结构中心轴相互垂直，双自由度圆柱关节模块6内部竖向设置有进行轴向运动或绕自身中心轴线旋转或轴向运动和绕自身中心轴线旋转的复合螺旋运动的丝杆601。

请参见图2，本发明实施例中，回转关节模块2包括相互分离的第一上壳体21和第一下壳体22，第一下壳体21底端通过卡环5与安装底座1顶端卡紧相连，第一上壳体21通过卡环5与直角连杆3的一端卡紧相连，第一下壳体22内部设有第一伺服驱动控制器27与第一下壳体21内上部的第一隔板28固定相连，第一下壳体22内部还安装有与第一伺服驱动控制器27电连接的第一伺服电机26，第一伺服电机26动力输出端穿过第一隔板28与第一主动圆柱齿轮25相连，第一隔板28上方设有第一谐波减速器23，第一谐波减速器23的动力输入端设有第一从动圆柱齿轮24与第一主动圆柱齿轮25啮合传动，第一谐波减速器23的动力输出端与第一上壳体21相连。

请参见图3，本发明实施例中，摆转关节模块4包括相互分离的第二后壳体41和第二前壳体42，第二后壳体41一端与直角连杆3的另一端通过卡环5卡紧相连，第二前壳体42一端与双自由度圆柱关节模块6通过卡环5卡紧相连，第二后壳体41内部固定连接有第二伺服驱动控制器43，第二后壳体41内部还安装有与第二伺服驱动控制器43电连接的第二伺服电机44，第二伺服电机44的动力输出端穿过第二隔板48与第二主动锥齿轮45相连，第二前壳体42内部安装有第二谐波减速器47，第二谐波减速器47的动力输入端同轴相连有第二从动锥齿轮46与第二主动锥齿轮45啮合传动，第二谐波减速器47的动力输出端与第二前壳体42相连。

请参见图4，本发明实施例中，双自由度圆柱关节模块6包括内部设有空腔的外壳602，外壳602表面设有若干个开口，外壳602内部一侧安装第三伺服驱动控制器614，第三伺服驱动控制器614端部通过外壳602侧面开口与摆转关节模块4的第二前壳体42一端连接，双自由度圆柱关节模块6还设有竖直穿过外壳602上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆601，外壳602内部安装有传动机构配合传动丝杆601，传动机构与第三伺服驱动控制器614电连接。本实施例中，传动机构包括固定于外壳602内部上法兰盘605且与第三伺服驱动控制器614电连接的第三伺服电机615，第三伺服电机615的动力输出轴端穿过上法兰盘605且与第一主同步轮616相连；上法兰盘605另一侧与丝杆螺母固定部604相连，丝杆螺母转动部606与第一从同步轮603相连，第一主同步轮616和第一从同步轮603以同步带611相连传动；传动机构还包括固定于外壳602内部下法兰盘609且与第三伺服驱动控制器614电连接的第四伺服电机613，第四伺服电机613的动力输出端穿过下法兰盘609与第二主同步轮612相连，下法兰盘609另一侧与花键螺母固定部608相连，花键螺母转动部607与第二从同步轮610相连，第二主同步轮612和第二从同步轮610以同步带611相连传动，丝杆601同时穿过丝杆螺母转动部606中心以及花键螺母转动部607中心以竖向上下移动。

本实施例中，第三伺服电机615和第四伺服电机613的传动轴端方向相反。

本实施例中，第三伺服电机615和第四伺服电机613分别与用于检测角位移和角速度的光电编码器连接，第三伺服电机615和第四伺服电机613分别与用于减速增力的减速器相连。

请参见图1至图4，本发明实施例中，模块化scara机器人的回转关节模块2需要绕自身结构中心轴线进行旋转时，第一伺服驱动控制器27控制第一伺服电机26向外输出动力，第一伺服电机26驱动第一主动圆柱齿轮25进行旋转，第一主动圆柱齿轮25啮合传动第一从动圆柱齿轮24，第一从动圆柱齿轮24向第一谐波减速器23的动力输入端输入动力，而第一谐波减速器23的动力输出端驱动第一上壳体21进行旋转，从而使得第一上壳体21相对第一下壳体22关于回转关节模块2的中心轴线进行旋转，从而使得回转关节模块2的第一上壳体21绕回转关节模块2的结构中心轴线旋转并向直角连杆3输出回旋作用力。

本发明实施例中，模块化scara机器人的摆转关节模块4的第二前壳体42需要相对第二后壳体41进行摆转时，第二伺服驱动控制器43控制第二伺服电机44向外输出动力，第二伺服电机44驱动第二主动锥齿轮45进行旋转，第二主动锥齿轮45啮合传动第二从动锥齿轮46进行旋转，第二从动锥齿轮46向第二谐波减速器47传递动力，第二谐波减速器47的动力输出端从而驱动第二前壳体42绕第二从动锥齿轮46的中心轴线进行旋转，而表现为第二前壳体42相对于第二后壳体41进行摆转运动。

本发明实施例的双自由度圆柱关节模块6的丝杆601工作方式包括绕自身中心轴线旋转、沿自身中心轴线直线移动、绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动。

当本发明实施例的丝杆601进行绕自身中心轴线旋转时，第三伺服驱动控制器614控制第三伺服电机615向外输出动力从而驱动第一主同步轮616旋转，第一主同步轮616通过同步带611驱动第一从同步轮603旋转。因为第一从同步轮603与丝杆螺母转动部606相连，从而使得第一从同步轮603驱动丝杆螺母转动部606进行旋转。同理，作为第三伺服驱动控制器614控制第四伺服电机615向外输出动力从而驱动第二主同步轮612进行旋转，第二主同步轮612通过同步带611驱动第二从同步轮610旋转。因为第二从同步轮610与花键螺母转动部607相连，从而使得第二从同步轮610驱动花键螺母转动部607进行旋转。当丝杆螺母转动部606和花键螺母转动部607以相同大小和相同方向的转速进行旋转从而驱动丝杆601绕自身的中心线进行旋转。另外，第三伺服驱动控制器614控制第三伺服电机615和第四伺服电机613同时反向旋转，即可实现丝杆601以相反旋转方向绕自身中心轴线旋转。

当本发明实施例的丝杆601需要沿自身中心轴线直线移动时，第三伺服驱动控制器614控制第三伺服电机6015驱动第一主同步轮616进行旋转，第一主同步轮616通过同步带611传动第一从同步轮603旋转，进而使得第一从同步轮603带动丝杆螺母转动部606旋转。与此同时，第三伺服驱动控制器614控制第四伺服电机613处于静止状态，最终使得花键螺母转动部607也处于静止状态，使得丝杆601在花键螺母转动部607的约束作用下仅做沿自身中心轴线直线移动。另外，第三伺服电机控制器614控制第三伺服电机615进行逆向旋转，通过相应的传动结构即可实现丝杆601以相反方向沿自身中心轴线轴向移动。

当本发明实施例的丝杆601需要进行绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动时，第三伺服驱动控制器614控制第三伺服电机615驱动第一主同步轮616进行旋转，第一主同步轮616通过同步带611驱动第二从同步轮610旋转，进而使得第二从同步轮610带动丝杆螺母转动部606旋转，与此同时，第三伺服驱动控制器614控制第四伺服电机613驱动第二主同步轮612旋转，第二主同步轮612通过同步带611驱动第二从同步轮610旋转，进而使得第二从同步轮610带动花键螺母转动部607旋转，但是为了实现丝杆601以螺旋运动方式运动时，需要第三伺服驱动控制器614分别控制第三伺服电机615以及第四伺服电机613分别以不同转速但相同旋转方向进行旋转，从而使得丝杆601的上部和下部分别受到不同大小的旋转驱动作用力，从而使得丝杆601以绕自身中心轴线旋转以及沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动方式进行工作。

请参见图1至图4，本发明实施例中，模块化scara机器人包括依次相连的安装基座1、回转关节模块2、直角连杆3、摆转关节模块4以及双自由度圆柱关节模块6。依次相连的部件之间通过卡环5卡紧紧固，当其中的某个部件出现故障或者需要新增或改变实现的功能时，只需要将故障的模块进行替换或者将其他工作部件或工作模块新增至对应的安装位置并且通过卡环5卡紧，即可实现相应替换以及扩展功能。因此本发明实施例中的模块化scara机器人相对于现有技术具有良好的替换性和扩展性，可满足不同的生产工艺以及产品生产线更新换代的需求，同时有效降低生产成本以及提高工作效率。

本发明实施例中，模块化scara机器人的每个工作模块均设置有伺服驱动控制器以控制和驱动伺服电机进行工作，每个工作模块之间控制工作则是相对独立，每个部件之间的独立控制使得模块化scara机器人在具备良好的替换性基础上，各个工作模块之间的工作相互不会受到影响，因此具有较好的控制性能以及使用可靠性。

本发明实施例中，回转关节模块2以上下方式进行结构设置进行回转，摆转关节模块4以前后的方式进行结构设置进行摆转，而双自由度圆柱关节模块6内部集成安装有伺服驱动控制器以及相应的伺服电机，通过上下结构错开设置，使得双自由度圆柱关节模块6内部结构更加紧凑。上述多种工作模块之间通过紧凑的结构设置使得模块化scara机器人体积更小，重量更轻，从而具有更高的灵活性，同时多个工作模块之间配合作用，因此本发明实施例中的模块化scara机器人具有多个自由度，可适用于不同的应用场景。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。