一种多轴机械臂及机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种多轴机械臂及机器人。

背景技术：

机器人可以分为并联机器人和串联机器人，其中，串联机器人常见的类型有关节机器人。常见的关节机器人，其每一臂的驱动元件安装于与前臂连接的关节上，随着臂数量的增多，每一臂的负载会相应增加，导致臂的驱动动力元件体积增加、臂的运动速度减慢、臂的精度减少等问题，不利于关节机器人的高速化和微型化。

因此，实现臂的轻量化是机器人末端移动高速化的一个研究方向。

技术实现要素：

为了实现机器人臂的轻量化，本发明实施例提供了一种多轴机械臂及机器人，该多轴机械臂及机器人将机械臂、回转端和自转端的驱动元件设置在平台上，机械臂的负载大大减少，有利于工作末端的快速运动，具有良好的实用性。

相应的，本发明提供的多轴机械臂包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件、第一连杆驱动组件、回转端、回转驱动组件和回转传动组件；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；在所述第一基转轴连接件和第二基转轴连接件相对面之间，一圆柱形的第一基转轴始端滑动安装在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴始端滑动安装在所述第二基转轴连接件上；所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线共线并与y轴平行；

所述第一臂始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，铰接位置所在轴线为第一关节；所述第一臂末端与所述第二臂始端铰接，铰接位置所在轴线为第二关节；所述第二臂末端与所述回转端铰接，铰接位置所在轴线为第三关节；

所述第一连杆始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；所述第二连杆末端铰接于所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动；

所述回转传动组件包括第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和用于传动的回转皮带；

所述第一回转带轮固定在所述第一基转轴上，所述第二回转带轮设置在所述第二关节上，所述第三回转带轮设置在所述第三关节上，所述第三回转带轮与所述回转端连接固定；

所述第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮基于所述回转皮带进行连接；

所述回转驱动组件安装于所述第一基转轴连接件y负向，输出端与所述第一基转轴始端连接，驱动所述基转轴、第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和回转端转动。

优选的实施方式，所述多轴机械臂还包括自转端、自转驱动组件和自转传动组件；

所述自转端设置在所述回转端上，轴线与所述第三关节轴线垂直；

所述自转传动组件包括第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮、第一锥齿轮和第二锥齿轮；

所述第一自转带轮固定在所述第二基转轴上，所述第二自转带轮设置在所述第二关节上，所述第三自转带轮设置在所述第三关节上并与所述第三回转带轮同轴；

所述第一锥齿轮与所述第三自转带轮连接固定并同轴，所述第二锥齿轮与所述自转末端同轴连接固定；所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮垂直啮合；

所述自转驱动组件安装于所述第二基转轴连接件y正向，输出端与所述第二基转轴始端连接，驱动所述第二基转轴、第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮和第一锥齿轮转动并基于第一锥齿轮和第二锥齿轮，驱动所述自转末端绕自身轴线转动。

优选的实施方式，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

优选的实施方式，所述第二臂长度大于或等于所述第一连杆长度。

优选的实施方式，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于一第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一臂为空心柱状结构；所述第二臂由两块第二臂盖板组成，所述两块第二臂盖板之间通过一个以上的第二臂固定件连接固定。

相应的，本发明还提供了一种机器人，该机器人包括以上所述的任意一项多轴机械臂和工作末端；所述工作末端设置在所述回转端或所述自转端上。

本发明实施例提供一种多轴机械臂及机器人，该多轴机械臂及机器人将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量。该多轴机械臂具有末端移动速度快等特点，可进行短距离轨迹的轻负载高速往复运动，对机器人的快速作业具有良好的效果。

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获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例多轴机械臂的三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例多轴机械臂的正视图；

图3示出了本发明实施例的A-A截面剖视图；

图4示出了本发明实施例的B-B截面剖视图；

图5示出了本发明实施例回转端和自转端的局部放大图；

图6示出了本发明实施例多轴机械臂的后视图；

图7示出了本发明实施例多轴机械臂的俯视图；

图8示出了本发明实施例的第一臂正视图；

图9示出了本发明实施例的第一连杆正视图；

图10示出了本发明实施例多轴机械臂的运动简图；

图11示出了本发明实施例第一连杆驱动组件的局部放大图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种多轴机械臂及机器人，该多轴机械臂及机器人将第一臂和第二臂的动力元件安装于平台上，第一臂和第二臂上没有重量较重的驱动元件和复杂的传动机构，工作末端的运动速度较快；基于四连杆机构原理控制该多轴机械臂的运动，多轴机械臂的末端轨迹计算较为简单，软件控制更为容易。

图1示出了本发明实施例多轴机械臂的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例多轴机械臂的前视图，图6示出了本发明实施例多轴机械臂的后视图，图7示出了本发明实施例多轴机械臂的俯视图。

本发明实施例提供的多轴机械臂，包括平台101、第一臂102、第二臂103、第一连杆105、第二连杆104、第一臂驱动组件107、第一连杆106驱动组件、回转端844、回转驱动组件801、回转传动组件、自转端845、自转驱动组件802和自转传动组件。

为了减轻第一臂102和第二臂103的重量，本发明实施例的第一臂102的结构为空心柱状结构，具体为方形空心柱状结构；第二臂103通过两块第二臂盖板137组成，所述两块第二臂盖板137之间通过一个以上的第二臂固定件139连接固定；具体实施中，可设置为各种形式的臂结构。

所述平台101与xy平面平行，具体实施中，平台101顶面为一平面，该平面与xy平面平行，形状不唯一。

在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件109和第二基转轴连接件111；

图3示出了A-A截面的剖面图，为了视图的简洁，只示出具有剖切面的部分；轴承的剖面线由于较为复杂，在图中不予显示；为了减少摩擦，相对滑动的各零部件之间基于轴承和轴承套连接，由于该连接方式在行业内较为常见，不予详细介绍。在所述第一基转轴连接件109和第二基转轴连接件111相对面之间，一圆柱形的第一基转轴108始端滑动安装在所述第一基转轴连接件109上；一圆柱形的第二基转轴始端110滑动安装在所述第二基转轴连接件上；所述第一基转轴轴线108和所述第二基转轴110轴线共线并与y轴平行。

所述第一臂102始端滑动铰接于所述第一基转轴108和/或第二基转轴110上，本发明实施例的第一臂102为空心柱状结构，横跨滑动铰接于第一基转轴108和第二基转轴110上；所述第一臂102末端与所述第二臂103始端铰接；所述第二臂末端103与所述回转端铰接。

所述第一连杆105始端滑动铰接于所述第一基转轴108和/或第二基转轴110上，末端与所述第二连杆104始端铰接；所述第二连杆104末端铰接于所述第二臂103中部或末端上；所述第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件107安装于所述平台101上，用于驱动所述第一臂102绕所述第一基转轴108和/或第二基转轴110转动；所述第一连杆驱动组件106安装于所述平台101上，用于驱动所述第一连杆105绕所述第一基转轴108转动。

需要说明的是，第一臂驱动组件和第二臂驱动组件可以控制并保持第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆组成的四连杆机构结构的位置；回转端的位置通过回转驱动组件801、回转传动组件、自转驱动组件802和自转传动组件进行控制。

其中，第一基转轴108由回转驱动组件801驱动。回转驱动组件801包括回转驱动电机810、回转驱动减速器811以及配套的轴承和轴承套。第一基转轴108始端滑动安装在第一基转轴连接件109上，末端固定有第一回转带轮813；回转驱动减速器811固定在第一基转轴108上；回转驱动电机810经回转驱动减速器811与第一基转轴连接件109连接；回转驱动电机810经回转驱动减速器811、第一基转轴108驱动第一回转带轮813转动。

第二基转轴110由自转驱动组件801驱动。自转驱动组件802包括自转驱动电机817、自转驱动减速器816以及配套的轴承和轴承套。第二基转轴110始端滑动安装在第二基转轴连接件111上，末端固定有第一回转带轮814；自转驱动减速器816固定在第二基转轴连接件111上；自转驱动电机817经自转驱动减速器816与第二基转轴110连接；自转驱动电机817经自转驱动减速器110、第二基转轴110驱动第一自转带轮814转动。

图4示出了B-B截面的剖面结构示意图，为了视图的简洁，只示出具有剖切面的部分；轴承的剖面线由于较为复杂，在图中不予显示；为了减少摩擦，相对滑动的各零部件之间基于轴承和轴承套连接，由于该连接方式在行业内较为常见，不予详细介绍。第一臂104末端和第二臂103始端铰接，具体的，第二关节转轴834沿y向贯穿第一臂104的y正向面和y负向面。第二关节转轴834上滑动安装有第二回转套筒833、第二自转套筒832，其中，第二回转套筒833滑动安装在第一臂104y负向面上，在第一臂104内部和外部分别连接固定有第二回转带轮一836和第二回转带轮二835；第二自转套筒832滑动安装在第一臂104y正向面上，在第一臂104内部和外部分别连接固定有第二自转带轮一837和第二自转带轮二838。第二臂的两块第二臂盖板137分别滑动安装在第二回转套筒833、第二自转套筒832上。

图5示出了本发明实施例的俯视图，其中，与回转端的回转运动和自转端的自转运动无关的部件不予显示，局部放大图为第二臂末端的剖视图。第二臂103末端上设置有沿y向贯穿的第三关节转轴842；第三关节转轴842y正向端固定连接有第三自转带轮840，y负向端滑动安装有第三回转套筒843，第三回转套筒843滑动安装在第二臂103y负向面上，其中，第三回转套筒843在y负向连接固定有第三回转带轮847。

本发明实施例的回转端844滑动安装于第三关节转轴842上，y负向端与第三回转套筒843连接固定。

第三关节转轴842上还固定连接有第一锥齿轮841，自转端上连接固定有第二锥齿轮846；第一锥齿轮841和第二锥齿轮842啮合，轴线相互之间垂直。

结合以上对本发明实施例的多轴机械臂结构的说明，以下对本发明实施例的回转端的回转运动和自转端的自转运动进行总结。

回转传动组件包括第一回转带轮、第二回转带轮一、第二回转带轮二、第三回转带轮和用于传动的回转皮带一、回转皮带二。回转驱动组件驱动第一基转轴转动，带动第一回转带轮转动；第一回转带轮基于回转皮带一带动第二回转带轮一转动；第二回转带轮一和第二回转带轮二基于第二回转套筒连接固定并同步运动；第二回转带轮二基于回转皮带二驱动第三回转带轮运动；第三回转带轮与回转端基于第三回转套筒连接固定，并同步转动。

自转传动组件包括第一自转带轮、第二自转带轮一、第二自转带轮二、第三自转带轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和用于传动的自转皮带一、自转皮带二；自转驱动组件驱动第二基转轴转动，带动第一自转带轮转动；第一自转带轮基于自转皮带一带动第二自转带轮一转动；第二自转带轮一和第二自转带轮二基于第二自转套筒连接固定并同步运动；第二自转带轮二基于自转皮带二驱动第三自转带轮运动；第三自转带轮与第一锥齿轮基于第三关节转轴连接固定，并同步转动；第二锥齿轮与第一锥齿轮正交啮合并受到第一锥齿轮驱动实现转动；与第二锥齿轮连接的转动端在回转端上绕自身轴线自转。

图1示出了本发明实施例多轴机械臂的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例多轴机械臂的前视图，图6示出了本发明实施例多轴机械臂的后视图，图7示出了本发明实施例多轴机械臂的俯视图。

第一基转轴和第二基转轴除了作为传动部件以外，还用于将第一臂102始端和第一连杆105始端悬空至设定的高度上，使第一基转轴和第二基转轴与平台之间留有空间供第一臂102和第一连杆105运动，避免第一臂102和第一连杆105与平台101产生干涉。

图1示出了本发明实施例的第一臂三维结构示意图，图8示出了本发明实施例第一臂结构正视图。具体实施中，所述所述第一臂102始端滑动铰接于所述第一基转轴108和第二基转轴110上，末端与所述第二臂103始端铰接；为了供第一臂驱动组件107安装连接，第一臂102在始端背离末端的方向上，延伸出第一臂连接件，第一臂连接件与第一臂驱动组件的输出端铰接。需要说明的是第一臂连接件和第一臂是相对固定的，且第一臂连接件的轴向长度小于第一臂的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一臂连接件的微小位移，经第一基转轴108和第二基转轴110支点后，放大至第一臂末端的大距离位移，有利于第一臂末端的快速运动。

图1示出了本发明实施例的第一连杆三维结构示意图，图9示出了本发明实施例第一连杆结构正视图。第一连杆105始端铰接于所述第一基转轴108上，末端与所述第二连杆104始端铰接；为了供第一连杆驱动组件103安装连接，第一连杆105在始端背离末端的方向上，延伸出第一连杆连接件，第一连杆连接件与第一连杆驱动组件106的输出端铰接。需要说明的是第一连杆连接件和第一连杆是相对固定的，且第一连杆连接件的轴向长度小于第一连杆的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一连杆连接件的微小位移，经第一基转轴108支点，放大至第一连杆末端的大距离位移，有利于第一连杆末端的快速运动。

第二连杆104始端铰接在第一连杆105末端上，末端铰接在第二臂103的中部或第二臂103的末端上。具体实施中，第二连杆104常采用空心连杆以减轻其重量。

进一步的，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104可采用密度较小的铝或铝合金作为材料，以进一步减轻其重量。

图10示出了该多轴机械臂的运动简图，结合图2示出的多轴机械臂实物正视图，分别用直线代替第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆，分别用圆圈代替各个铰接点，其中，各铰接点的命名如下：第一基转轴和第二基转轴设置在同一直线上，该位置概括为第一铰接点121，第一连杆105末端与第二连杆104始端的铰接点为第二铰接点122，第一臂102末端与第二臂103始端的铰接点为第三铰接点123，第二连杆104末端与第二臂103的铰接点为第四铰接点124；由该运动简图可得出，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构。

具体实施中，可将第二臂103的末端设置在第四铰接点124附近，由于此时第二臂103的末端距离第四铰接点124较近，基于杠杆原理可知，第二臂103的末端相对于第二臂103的始端的位移呈缩小作用，有利于提高第二臂103的末端控制精度；但基于四连杆机构的结构限制，该设置方式会导致第二臂103末端的活动范围较小。

因此，具体实施中，亦可延长第二臂103的长度，使末端外伸出第四铰接点124，该设置方式有利于增加第二臂103的活动范围，使其能适合更多的工作环境。

具体实施中，虽然任意结构的四连杆机构均可实现第二臂末端的相应位移控制，但为了使第二臂末端的控制计算更为方便，本发明实施例的四连杆机构的各边长可设置为如下参数：所述第一臂102与所述第二连杆104平行且长度相等；所述第一连杆105平行于所述第二臂103；此时，本发明实施例的四连杆机构呈平行四边形，第一臂102和第二连杆104的姿态相同，第二臂103和第一连杆105的姿态相同，末端的计算可基于第一连杆长度、第一臂长度、第二臂长度、第一连杆与第一臂之间夹角快速得出，使软件的设计和控制更为简单。

以上为本发明实施例的多轴机械臂的机械结构介绍，在本发明实施例中，该四连杆机构具有两个动连杆，分别为第一臂102和第一连杆105，通过控制第一臂102和第一连杆105的运动，可实现第二臂103末端的运动，以下对第一臂和第一连杆的驱动进行介绍。

图11示出了本发明实施例的第一连杆驱动组件的局部放大图。所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座130、第一连杆驱动电机131、第一连杆驱动连接件133、第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135；

所述第一连杆驱动底座130铰接所述平台的x负向上，铰接点为第一连杆驱动底座铰接点120。第一连杆驱动电机131固定于所述第一连杆驱动底座130上；第一连杆驱动电机131的转轴伸入第一连杆驱动底座130内；所述第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135安装于第一连杆驱动外壳136内，所述第一连杆驱动滑块135套在所述第一连杆驱动丝杆134上，所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动滑块135连接固定；所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动丝杆134同轴，并与所述第一连杆105始端连接固定；

所述第一连杆驱动外壳136与所述第一连杆驱动电机131并排固定于所述第一连杆驱动底座130上；所述第一连杆驱动电机131的转轴和所述第一连杆驱动丝杆134的一端在所述第一连杆驱动底座130内基于齿轮连接并进行传动。

具体实施中，通过第一连杆驱动电机131驱动第一连杆驱动丝杆134转动，并带动第一连杆驱动滑块135沿第一连杆驱动丝杆134的轴向运动；第一连杆驱动连接件133受到第一连杆驱动滑块135驱动并绕第一基转轴转动，通过杠杆原理带动第一连杆绕第一基转轴转动。

同理，第一臂驱动组件结构与第一连杆驱动组件结构相同，其中，第一连杆驱动底座铰接点129和第一连杆驱动底座铰接点120常设置于一平行于y轴的直线上，并采用一体加工的方式设置，其余结构部件相同，不再重复进行介绍。

需要说明的是，第一连杆驱动丝杆与第一连杆轴线处于同一直线时，或第一臂驱动丝杆与第一臂处于同一直线时，本发明实施例的多轴机械臂会具有一个运动死区，第一连杆或第一臂无法有效的受到控制并进行运动；因此，具体实施中，第一连杆连接件和第一臂连接件的轴线通常分别与第一连杆和第一臂不在同一直线上，以避免发生该情况。

相应的，本发明实施例提供的多轴机械臂还可以应用至机器人当中。本发明实施例的机器人包括本发明实施例所述的其中一项多轴机械臂和工作末端；当多轴机械臂只设置有回转端时，工作末端可安装至回转端上，此时工作末端共具有3个自由度；当多轴机械臂同时设置有回转端和自转端时，工作末端可安装至自转端上，此时，工作末端共具有4个自由度。

实际运行中，将本发明实施例的平台固定于一平面上，并根据实际所需的运动范围，设计第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆的长度，通过控制第一驱动组件和第二驱动组件，对第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆组成的四连杆机构进行控制；通过控制回转驱动组件和自转驱动组件，对回转端和自转段的旋转运动进行控制，从而实现工作末端的位置快速调整。

由于本发明实施例提供的多轴机械臂及机器人将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，具有末端移动速度快等特点；第二臂末端上安装有可以进行回转的回转端和自转的自转端，具有更大的运动自由度，可实现多方面的作业需求；回转端和自转端的驱动组件同样安装于平台上，其运动部分的重量较现有的机械臂模块更加轻，尤其适用于工作末端快速运动作业；采用形状为平行四边形的四连杆机构，第二臂的末端位置计算较为容易，大大降低了控制软件的编写难度，有利于该多轴机械臂及机器人的普及使用。

以上对本发明实施例所提供的一种多轴机械臂及机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。