一种紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体地，涉及一种紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人。

背景技术：

在现代工业及其它日常工作生活领域中，机械手臂或机器人的应用呈普及化趋势，且已经由在工业上使用逐渐向人们的日常生活中蔓延。

目前，市场上的轻小型工业机器人，末端负载重量集中在3-10kg，此类机器人主要应用在汽车和3c领域。然而，面向末端负载重量小于1kg的细分领域，市场上只存在提供给机器人爱好者的消费级产品，此类型的机器人存在三个方面的不足：

第一个方面是源于电机的开环控制，机器人末端的精度为毫米级别，难以符合工业场合的应用需求。

第二个方面是减速机的背隙，在消费级产品平均成本的限制下，所选减速机的背隙会对机器人的末端精度造成较大的影响。

第三个方面是电机的位置布置，相比于机器人的整体尺寸，两个电机所形成的宽度尺寸过大，对用户的实际应用场地提出了较高的要求。

对于小型机器人来说，对于尺寸的要求越来越高，消费者期望能够使用结构紧凑，体积小的机器人，在提高机器人的外形美观度的同时，节省空间，方便携带、安置。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，解决了小型机器人由于电机设占用较大宽度的技术问题，提高了机器人的末端精度，节省了空间，提升了机器人外形美观度。

技术方案：本发明提供了一种紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，包括底座、支撑架、大臂、小臂、第一轴驱动组件、第二轴驱动组件和第三轴驱动组件，所述支撑架在底座的上方，所述大臂与支撑架的上端部连接，所述小臂与大臂的上端部连接，所述支撑架包括下底板、第一侧板、第二侧板，所述第一轴驱动组件设在下底板上，所述第二轴驱动组件设在第一侧板上，并且第二轴驱动组件与大臂连接，所述第三轴驱动组件设在第二侧板上，并且第三轴驱动组件与小臂连接。所述第一轴防尘罩设在下底板的下端面上，第二轴防尘罩设在第一侧板外侧，第三轴防尘罩设在第二侧板外侧。本发明的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，将第二轴驱动组件的电机和第三轴驱动组件的电机设在支撑架内，将第二轴驱动组件的同步带减速装置和第三轴驱动组件的同步带减速装置设在支撑架外，通过第一轴驱动组件、第二轴驱动组件和第三轴驱动组件的水平交错设置，通过将支撑架的宽度加宽，达到容纳第一轴驱动组件、第二轴驱动组件的电机和第三轴驱动组件的电机的效果，通过第二轴驱动组件的同步带减速装置和第三轴驱动组件的同步带减速装置设在支撑架外，并在同步带减速装置上加盖防尘盖板，达到了防尘美观的效果，相对于传统的小型机器人大大降低了由于电机外设占用的空间，并且防尘盖板还能保护同步带减速装置，使得机器人整体结构紧凑，外形美观。

进一步的，上述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，所述第一侧板和第二侧板垂直设在下底板的两侧，所述第一轴驱动组件设在下底板上，所述第二轴驱动组件和第三轴驱动组件位于第一侧板和第二侧板两侧。设置的下底板、第一侧板和第二侧板，形成可容纳第一轴驱动组件、第二轴驱动组件和第三轴驱动组件的腔体，将第一轴驱动组件、第二轴驱动组件和第三轴驱动组件交错设在其中，使得机器人整体外形简洁美观。

进一步的，上述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，所述第一轴驱动组件包括第一轴电机、第一轴一级主动轮、第一轴一级皮带、第一轴一级从动轮、转接座、第一轴二级主动轮、第一轴二级皮带、第一轴二级从动轮、回转轴承，所述第一轴电机通过转接座固定在下底板上，所述转接座连接在下底板的上端面上，所述第一轴电机与第一轴一级主动轮连接，所述第一轴一级皮带套设在第一轴一级主动轮和第一轴一级从动轮的外壁上，并且第一轴一级主动轮通过第一轴一级皮带可带动第一轴一级从动轮转动，所述第一轴二级主动轮通过转接座与第一轴一级从动轮连接，而且第一轴一级从动轮带动第一轴二级主动轮转动，所述第一轴二级皮带套设在第一轴二级主动轮和第一轴二级从动轮的外壁上，所述回转轴承外圈的上端面连接下底板的下端面，回转轴承内圈的下端面连接第一轴二级从动轮的上端面，所述第一轴二级从动轮的下端面固定在底座的上端面上。将第一轴电机与第一轴一级主动轮连接，第一轴一级主动轮通过第一轴一级皮带带动第一轴一级从动轮和第一轴二级主动轮转动，第一轴二级主动轮通过第一轴二级皮带带动回转轴承转动，使得大臂和小臂能够在360°范围内旋转。

进一步的，上述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，第二轴驱动组件包括第二轴电机、第二轴一级主动轮、第二轴一级皮带、第二轴一级从动轮、第二轴二级主动轮、第二轴二级皮带、第二轴二级从动轮和转接件，所述第二轴电机与第二轴驱动组件的其他部件分布在第一侧板的两侧，所述第二轴电机固定在下底板的上方，并且第二轴电机位于第一侧板和第二侧板之间，所述第二轴电机的输出端朝向第一侧板设置，所述第二轴一级主动轮与第二轴电机连接，所述第二轴一级皮带套设在第二轴一级主动轮和第二轴一级从动轮上，并且第二轴一级主动轮可带动第二轴一级从动轮转动，所述第二轴二级主动轮通过转接件与第二轴一级从动轮连接，第二轴二级主动轮跟随第二轴一级从动轮同步转动，所述第二轴二级皮带套设在第二轴二级主动轮和第二轴二级从动轮上，并且第二轴二级主动轮可带动第二轴二级从动轮转动。将第二轴电机设在第一侧板和第二侧板之间，第二轴一级主动轮、第二轴一级皮带、第二轴一级从动轮、第二轴二级主动轮、第二轴二级皮带和第二轴二级从动轮设在第一侧板的外侧，降低了将第二轴电机设在第一侧板外侧的空间，通过多级皮带轮传动，实现驱动大臂转动的目的。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述第三轴驱动组件包括第三轴电机、第三轴一级主动轮、第三轴一级皮带、第三轴一级从动轮、第三轴二级主动轮、第三轴二级皮带和第三轴二级从动轮，所述第三轴电机与第三轴驱动组件的其他部件分布在第二侧板的两侧，所述第三轴电机固定在下底板的上方，并且第三轴电机位于第一侧板和第二侧板之间，所述第三轴电机的输出端朝向第二侧板设置，所述第二轴电机和第三轴电机反向并列设在第一侧板和第二侧板之间，所述第三轴一级主动轮与第三轴电机连接，所述第三轴一级皮带套设在第三轴一级主动轮和第三轴一级从动轮的上，并且第三轴一级主动轮可带动第三轴一级从动轮转动，所述第三轴二级主动轮与第三轴一级从动轮连接，实现第三轴二级主动轮与第三轴一级从动轮同步转动，所述第三轴二级皮带套设在第三轴二级主动轮和第三轴二级从动轮上，并且第三轴二级主动轮可带动第三轴二级从动轮转动。将第三轴电机并列与第二轴电机设，第三轴一级主动轮、第三轴一级皮带、第三轴一级从动轮、第三轴一级主动轮、第三轴二级皮带和第三轴二级从动轮远离第一侧板的一侧设置，降低了第三轴电机设在第一侧板外侧的空间，通过多级皮带传动，实现驱动小臂转动的目的，第一轴电机、第二轴电机和第三轴电机处于下底板的中心线上，并且第二轴电机和第三轴电机交错设置，大大降低了电机占用的空间，使得此机器人整体结构紧凑。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述第三轴二级从动轮上设有第三轴连杆一，所述第三轴连杆一上设有第三轴连杆二，并且第三轴连杆一和第三轴连杆二铰接，所述第三轴连杆二与小臂连接。设置的第三轴连杆一和第三轴连杆二通过第三轴驱动组件驱动进行移动，从而驱动小臂绕着与大臂的铰接点转动。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述第一侧板和第二侧板上设有第一水平支撑杆，所述第一水平支撑杆的两端部分别设在第一侧板和第二侧板上，所述第一水平支撑杆上设有转接件，并且转接件的下端面在第一水平支撑杆的上端面上，所述转接件上设有下连杆，并且转接件与下连杆的下端部铰接，所述下连杆的上端部铰接有连杆支架，所述大臂上设有第二水平支撑杆，所述连杆支架套设在第二水平支撑杆上，所述连杆支架上铰接有上连杆。设置的下连杆、连杆支架和上连杆用于保持小臂末端设置的机器人取物结构保持水平。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述第一侧板和第二侧板垂直设在下底板的两侧边缘，并且第一侧板和第二侧板以下底板的中心线为对称轴对称设，所述第一轴电机的输出端向下垂直设在下底板的中心线上，所述第二轴电机和第三轴电机反向并列设在第一侧板和第二侧板之间，并且第二轴电机和第三轴电机水平设在下底板之上。上述第一轴电机、第二轴电机和第三轴电机的设置方式，保证了小面积的第一侧板和第二侧板空间内，能够容纳第一轴电机、第二轴电机和第三轴电机，大大降低了空间的占用率，使得整体结构紧凑。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述第一侧板的上端部设有台阶轴，台阶轴与第二轴二级从动轮连接，第二侧板的上端部设有台阶轴，台阶轴与第三轴二级从动轮连接。设置的台阶轴将第二轴二级从动轮和第三轴二级从动轮分别设置在第一侧板和第二侧板上。

进一步的，所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，其特征在于：所述大臂包括大臂侧板一、大臂侧板二、大臂架，所述大臂侧板一和大臂侧板二平行设在第一侧板和第二侧板之间，所述大臂侧板一与第二轴二级从动轮连接，所述大臂侧板二通过台阶轴与第二侧板铰接，所述第一侧板和第二侧板间有支撑杆，所述大臂架、小臂均为一体化设计。通过将大臂架、小臂设计为一体，增加了强度。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，结构设计合理，具有如下优点：

第一个方面，本发明不仅采用了带有编码器的步进电机做闭环控制，并且采用了带有细分功能的电机驱动器，在很大程度上，提高了机器人的运动精度。

第二个方面，本发明充分发挥同步带背隙小的优势，通过多级同步带传动实现减速增扭的功能，替代了当前的减速机方案，在成本相当的情况下，减小了减速机背隙带来的末端精度问题。

第三个方面，本发明采用交错式的电机布置方式，巧妙地将三个电机都收缩在基座内，不仅减小了宽度方向的尺寸，而且使得整体的结构紧凑，对用户的现场条件提出了更宽松的要求。

第四个方面，本发明采用防尘罩与多级同步带传动装置，防尘保护，结构美观。

附图说明

图1为本发明所述紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人的结构示意图；

图2为本发明所述紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人的爆炸图一；

图3为本发明所述紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人的爆炸图二。

图中：底座1、支撑架2、下底板21、第一侧板22、第二侧板23、大臂3、大臂侧板一31、大臂侧板二32、大臂架33、小臂4、第一轴驱动组件5、第一轴电机51、第一轴一级主动轮52、第一轴一级皮带53、第一轴一级从动轮54、转接座551、转接座552、第一轴二级主动轮56、第一轴二级皮带57、第一轴二级从动轮58、回转轴承59、第二轴驱动组件6、第二轴电机61、第二轴一级主动轮62、第二轴一级皮带63、第二轴一级从动轮64、第二轴二级主动轮65、第二轴二级皮带66、第二轴二级从动轮67、转接件68、第三轴驱动组件7、第三轴电机71、第三轴一级主动轮72、第三轴一级皮带73、第三轴一级从动轮74、第三轴二级主动轮75、第三轴二级皮带76、第三轴二级从动轮77、第三轴连杆一78、第三轴连杆二79、第一水平支撑杆8、转接件81、下连杆82、连杆支架83、第二水平支撑杆84、上连杆85、支撑杆86、台阶轴91、台阶轴92、台阶轴93。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

如图1-3所示的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人，包括底座1、支撑架2、大臂3、小臂4、第一轴驱动组件5、第二轴驱动组件6和第三轴驱动组件7，所述支撑架2在底座1的上方，所述大臂4与支撑架2的上端部连接，所述小臂4与大臂3的上端部连接，其中，支撑架包括下底板21、第一侧板22、第二侧板23，所述第一轴驱动组件5设在下底板21上，所述第二轴驱动组件6设在第一侧板22上，并且第二轴驱动组件6与大臂3连接，所述第三轴驱动组件7设在第二侧板23上，并且第三轴驱动组件7与小臂4连接。所述第一轴防尘罩01设在下底板21的下端面上，第二轴防尘罩02设在第一侧板22外侧，第三轴防尘罩03设在第二侧板23外侧。所述第一侧板22和第二侧板23垂直设在下底板21的两侧，所述第一轴驱动组件5设在下底板21上，所述第二轴驱动组件6和第三轴驱动组件7位于第一侧板22和第二侧板23两侧。本发明的第一轴驱动组件5、第二轴驱动组件6和第三轴驱动组件7的具体结构分别为：第一轴驱动组件5包括第一轴电机51、第一轴一级主动轮52、第一轴一级皮带53、第一轴一级从动轮54、转接座551、转接座552、第一轴二级主动轮56、第一轴二级皮带57、第一轴二级从动轮58、回转轴承59，所述第一轴电机51通过转接座551固定在下底板21上，所述转接座551连接在下底板21的上端面上，所述第一轴电机51与第一轴一级主动轮52连接，所述第一轴一级皮带53套设在第一轴一级主动轮52和第一轴一级从动轮54的外壁上，并且第一轴一级主动轮52通过第一轴一级皮带53可带动第一轴一级从动轮54转动，所述第一轴二级主动轮56通过转接座552与第一轴一级从动轮54连接，而且第一轴一级从动轮54带动第一轴二级主动轮56转动，所述第一轴二级皮带57套设在第一轴二级主动轮56和第一轴二级从动轮58的外壁上，所述回转轴承59外圈的上端面连接下底板21的下端面，回转轴承59内圈的下端面连接第一轴二级从动轮58的上端面，所述第一轴二级从动轮58的下端面固定在底座1的上端面上。第二轴驱动组件6包括第二轴电机61、第二轴一级主动轮62、第二轴一级皮带63、第二轴一级从动轮64、第二轴二级主动轮65、第二轴二级皮带66、第二轴二级从动轮67和转接件68，所述第二轴电机61与第二轴驱动组件6的其他部件分布在第一侧板22的两侧，所述第二轴电机61固定在下底板21的上方，并且第二轴电机61位于第一侧板22和第二侧板23之间，所述第二轴电机61的输出端朝向第一侧板22设置，所述第二轴一级主动轮62与第二轴电机61连接，所述第二轴一级皮带63套设在第二轴一级主动轮62和第二轴一级从动轮64上，并且第二轴一级主动轮62可带动第二轴一级从动轮64转动，所述第二轴二级主动轮65通过转接件68与第二轴一级从动轮64连接，第二轴二级主动轮65跟随第二轴一级从动轮64同步转动，所述第二轴二级皮带66套设在第二轴二级主动轮65和第二轴二级从动轮67上，并且第二轴二级主动轮65可带动第二轴二级从动轮67转动。第三轴驱动组件7包括第三轴电机71、第三轴一级主动轮72、第三轴一级皮带73、第三轴一级从动轮74、第三轴二级主动轮75、第三轴二级皮带76和第三轴二级从动轮77，所述第三轴电机71与第三轴驱动组件7的其他部件分布在第二侧板23的两侧，所述第三轴电机71固定在下底板21的上方，并且第三轴电机71位于第一侧板22和第二侧板23之间，所述第三轴电机71的输出端朝向第二侧板23设置，所述第二轴电机61和第三轴电机71反向并列设在第一侧板22和第二侧板23之间，所述第三轴一级主动轮72与第三轴电机71连接，所述第三轴一级皮带73套设在第三轴一级主动轮72和第三轴一级从动轮74的上，并且第三轴一级主动轮72可带动第三轴一级从动轮74转动，所述第三轴二级主动轮75与第三轴一级从动轮74连接，实现第三轴二级主动轮75与第三轴一级从动轮74同步转动，所述第三轴二级皮带76套设在第三轴二级主动轮75和第三轴二级从动轮77上，并且第三轴二级主动轮75可带动第三轴二级从动轮77转动。第三轴二级从动轮77上设有第三轴连杆一78，所述第三轴连杆一78上设有第三轴连杆二79，并且第三轴连杆一78和第三轴连杆二79铰接，所述第三轴连杆二79与小臂4连接。设的第三轴连杆一78和第三轴连杆二79是驱动小臂的连杆机构。本发明为四轴机器人，在小臂的末端设有取物结构(图中省略没有示出)，需要保持末端的水平，具体结构为，第一侧板22和第二侧板23上设有第一水平支撑杆8，所述第一水平支撑杆8的两端部分别设在第一侧板22和第二侧板23上，所述第一水平支撑杆8上设有转接件81，并且转接件81的下端面在第一水平支撑杆8的上端面上，所述转接件81上设有下连杆82，并且转接件81与下连杆82的下端部铰接，所述下连杆82的上端部铰接有连杆支架83，所述大臂3上设有第二水平支撑杆84，所述连杆支架83套设在第二水平支撑杆84上，所述连杆支架83上铰接有上连杆85，上连杆84通过铰链连接于末端，这套连杆机构是为了保证设在小臂4的末端取物结构始终保持水平。

本发明为了降低整体机器人的尺寸，达到紧凑设计的目的，第一轴电机51、第二轴电机61和第三轴电机71的具体设计为：第一侧板22和第二侧板23垂直设在下底板21的两侧边缘，并且第一侧板22和第二侧板23以下底板21的中心线为对称轴对称设置，所述第一轴电机51的输出端向下垂直设在下底板21的中心线上，所述第二轴电机61和第三轴电机71反向并列设在第一侧板22和第二侧板23之间，并且第二轴电机61和第三轴电机71水平设在下底板21之上。

为了将第二轴二级从动轮67和第三轴二级从动轮77进行支撑，第一侧板22的上端部设有台阶轴91，台阶轴91与第二轴二级从动轮67连接，第二侧板23的上端部设有台阶轴92，台阶轴92与第三轴二级从动轮77连接。

另外，本发明的大臂3包括大臂侧板一31、大臂侧板二32、大臂架33，所述大臂侧板一31和大臂侧板二32平行设在第一侧板22和第二侧板23之间，所述大臂侧板一31与第二轴二级从动轮67连接，所述大臂侧板二32通过台阶轴93与第二侧板23铰接，所述第一侧板22和第二侧板23间有支撑杆86，所述大臂架33、小臂4均为一体化设计。

本发明的紧凑型皮带传动封闭式小型四轴机器人的具体工作原理为：

第一轴电机51驱动第一轴一级主动轮52转动，第一轴一级主动轮52通过第一轴一级皮带53带动第一轴一级从动轮54转动，第一轴二级主动轮56随第一轴一级从动轮54同步转动，第一轴二级主动轮56带动第一轴二级皮带57以回转轴承59做圆周运动，从而实现了四轴机器人的第一轴旋转；第二轴电机61驱动第二轴一级主动轮62旋转，第二轴一级主动轮62通过第二轴一级皮带63带动第二轴一级从动轮64转动，第二轴一级主动轮65随第二轴一级从动轮64同步转动，第二轴一级主动轮65通过第二轴二级皮带66带动第二轴二级从动轮67转动；第三轴电机71驱动第三轴一级主动轮72旋转，第三轴一级主动轮72通过第三轴一级皮带73带动第三轴一级从动轮74转动，第三轴二级主动轮75随第三轴一级从动轮74同步转动，第三轴二级主动轮75通过第三轴二级皮带76带动第三轴二级从动轮77转动；其中，上述通过多级皮带传动，既能够保证大臂和小臂的转动，同时降低了减速机背隙带来的末端精度问题。

本发明机器人使用过程中，第一轴驱动组件5、第二轴驱动组件6和第三轴驱动组件7单独工作，互不干涉，保证了机器人稳定可靠的完成各种动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。