高负载大臂展的机械臂、协作机器人及二者工作方法与流程

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种高负载大臂展的机械臂、协作机器人及二者工作方法。

背景技术：

工业机器人虽然负载大，但是占地面积大、不易操作、部署不灵活，同时出于安全考虑，操作人员与工业机器人之间通常需要隔离栏分开，这也限制了生产力以及生产线的灵活性。因此，设计与操作人员在共同工作空间中有近距离互动的机器人，即协作机器人。

目前市场上存在的协作机器人主要存在以下几个缺点，

（1）协作机器人为降低自身重量，机壳采用铝合金材料。由于铝合金的屈服强度要比高强螺栓屈服强度低很多，当负载高、臂展较大时，铝合金件螺纹易脱扣。

（2）协作机器人结构空间有限，为了节约空间且装配方便，关节与臂管的连接处通常采用螺栓连接，在大负载条件下其连接表面易压溃。

（3）大负载的协作机器人，由于自重要比小负载的协作机器人要大，其惯性也大，因此需要更好的设置灵敏性，以便完成协作机器人与操作人员之间的协同工作。

因此，现有的协作机器人负载一般比较小，如3kg，5kg等，限制了协作机器人的负载量和臂展长度，严重影响了协作机器人的发展和应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高负载大臂展的协作机器人及其工作方法，以增加协作机器人的臂长。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种协作机器人用机械臂，包括：依次串联设置的若干个关节组件、位于各关节组件之间的连接件；其中首端关节组件适于引入工作力矩；中间关节组件或连接件适于传导工作力矩；以及末端关节组件适于连接操作工具，以输出工作力矩。

进一步，所述首端关节组件包括串联设置的至少两个关节；所述中间关节组件包括串联设置的至少一个关节；以及所述末端关节组件包括串联设置的至少三个关节。

进一步，各关节均包括：设有底盖的壳体，位于壳体内部的电机、复用编码器、刹车装置、谐波减速器和驱动器；其中所述谐波减速器作为力矩输出端，通过法兰与连接件或下一关节壳体的底盖相连。

进一步，所述法兰的外圈分布有若干葫芦状的螺栓孔，以适于螺栓头从法兰外侧沿螺栓孔的大孔处卡入。

进一步，所述螺栓头与法兰之间设有异形垫片；所述异形垫片包括对接于法兰表面的两个半圆形垫片；各半圆形垫片上均开设有若干通孔，以与法兰上的螺栓孔对应匹配。

进一步，所述连接件包括：直臂管或弯头臂管；其中直臂管的首末两端分别连接首端关节组件、中间关节组件；弯头臂管的首末两端分别连接中间关节组件、末端关节组件。

进一步，所述中间关节组件的数量为至少两个；两个中间关节组件通过弯头臂管连接。

进一步，所述末端关节组件还连接有力传感器，以检测末端关节组件输出的工作力矩。

第二方面，本发明还提供了一种协作机器人用机械臂的工作方法，所述机械臂适于通过依次串联设置的若干个关节组件，以增加协作机器人的臂长。

第三方面，本发明还提供了一种高负载大臂展的协作机器人，包括：输出电机和如前所述的机械臂；以及所述输出电机的输出轴适于通过底座与机械臂连接，以向机械臂提供工作力矩。

第四方面，本发明还提供了一种高负载大臂展的协作机器人的工作方法，即所述协作机器人适于通过如前所述的机械臂增加臂长。

本发明的有益效果是，本发明的高负载大臂展的机械臂、协作机器人及二者工作方法，通过串联设置的若干个关节组件，各关节组件之间通过连接件相连，在保证协作机器人高负载量的前提下，还可以增加臂长，保证机械臂的灵活性，便于协作机器人操作施工。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1是本发明的机械臂的结构示意图；

图2是本发明的法兰的结构示意图；

图3是本发明的异形垫片的结构示意图；

图中：

关节组件1，首端关节组件11，第一关节111，第二关节112，中间关节组件12，第三关节121，末端关节组件13，第四关节131，第五关节132，第六关节133；

连接件2，直臂管21，弯头臂管22；

法兰3，螺栓孔31；

异形垫片4，通孔41；

底座5。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

实施例1

图1是本发明的机械臂的结构示意图。

如图1所示，本实施例1的协作机器人用机械臂包括：依次串联设置的若干个关节组件1、位于各关节组件之间的连接件2；其中首端关节组件11适于引入工作力矩；中间关节组件12或连接件2适于传导工作力矩；以及末端关节组件13适于连接操作工具，以输出工作力矩。

可选的，所述操作工具例如但不限于夹爪、机械手、焊枪等直接作用于工件的工具。

作为关节组件的一种可选的实施方式。

所述关节组件（即末端关节组件、中间关节组件、首端关节组件）包括：串联设置的至少一个关节；各关节均包括：设有底盖的壳体，位于壳体内部的电机、复用编码器、刹车装置、谐波减速器和驱动器；其中所述谐波减速器作为力矩输出端，通过法兰3与连接件或下一关节壳体的底盖相连，以传递下一关节组件输出的工作力矩。其中，关节中的电机、复用编码器、刹车装置、谐波减速器和驱动器等部件均属于现有技术，本实施例未对其做出任何改进，略有不同的是其安装位置上，将谐波减速器放置于壳体的开口处，以便于通过法兰3与连接件或下一关节壳体的底盖相连。

可选的，见图1，所述首端关节组件11包括至少两个关节，即第一关节111、第二关节112，由于首端关节组件所承受的弯矩或扭矩较大，因此，第一关节111与第二关节112之间通过法兰3直接连接，即第一关节的谐波减速器通过法兰3与第二关节的壳体底盖相连。

可选的，见图1，所述中间关节组件12包括至少一个关节，即第三关节121，第二关节112的谐波减速器通过法兰与连接件（大臂管）的一端相连，连接件（大臂管）的另一端通过法兰与第三关节121的壳体底盖相连，然后第三关节121通过连接件（弯头臂管）与末端关节组件相连，以传导工作力矩。

可选的，见图1，所述末端关节组件13包括至少三个关节，即第四关节131、第五关节132、第六关节133，三个关节依次首尾串联，三个关节之间不加设连接件，可以保证结构紧凑，便于连接操作工具。

不同姿态的各关节所承受的弯矩或扭矩是不同的，距离负载越远的关节，承受载荷越大。整体来讲，末端关节组件、中间关节组件、首端关节组件三者所承受的弯矩或扭矩依次增大。空间内一个刚体是具有六个自由度，所以六个关节可以保证机械臂以需要的位姿达到目标点。机械臂类似于人的手臂，第一、二关节组成肩关节，两个关节保证机械臂具有较大的操作空间；第四、五、六关节组成腕关节，这样机械臂的灵活性更好；第三关节也就相当于肘关节。这样既可以保证协作机器人的负载量，又可以增加机械臂的臂长和灵活性，其中第一关节、第二关节相同，二者承受的扭矩最大，第三关节承受的扭矩次之，第四关节、第五关节、第六关节相同，承受的扭矩最小。此外，由于首端关节组件引入工作力矩，其弯矩与扭矩会非常大，末端关节组件输出工作力矩，也需要结构紧凑，因此二者分别需要多个紧密连接的关节，以提高稳定性。

作为连接件的一种可选的实施方式。

见图1，所述连接件2包括：直臂管21或弯头臂管22；其中直臂管21的首末两端分别连接首端关节组件11、中间关节组件12；弯头臂管22的首末两端分别连接中间关节组件12、末端关节组件13。由于首端关节组件与中间关节组件之间所承受的弯矩或扭矩较大，因此直臂管采用大臂管。

可选的，见图1，所述弯头臂管包括：小臂管和位于小臂管底部的弯头。一般用于连接中间关节组件12、末端关节组件13，承受弯矩或扭矩较小的部件之间。

可选的，所述中间关节组件12的数量为至少两个；两个中间关节组件12通过弯头臂管22连接，可以进一步提升臂长，并增加机械臂的灵活性。

进一步，所述末端关节组件13还连接有力传感器，以检测末端关节组件13输出的工作力矩，并发送至协作机器人的控制模块，以判断末端关节组件13输出的工作力矩是否达到操作工具的操作要求或超出末端关节组件的承载能力（所承受弯矩或扭矩）。当然，也可以通过测量各关节的电流，通过编码器实现角度、角速度的测量，但力传感器的测量精度相对高一些。机械臂共有1-10个安全等级，等级越高，机械臂碰撞检测后停止所需的力越小，第6级为默认等级。所述控制模块外接有机器人示教器，以便于人工操作，也提高了协作机器人的灵敏度。通过负载的运动轨迹预测所需驱动力，当末端关节组件所需驱动力（输出的工作力矩）大于控制模块的设定值时，协作机器人停止工作，以避免发生碰撞，从而将操作人员与协作机器人之间的接触力限制在无害水平。

实施例2

图2是本发明的法兰的结构示意图。

图3是本发明的异形垫片的结构示意图。

见图2和图3，在实施例1的基础上，本实施例2的法兰3外圈设有若干葫芦状的螺栓孔31，以适于螺栓头从法兰3外侧沿螺栓孔31的大孔处卡入，然后转动一定角度使螺栓杆轴线与小孔的轴线重合，即通过螺栓完成谐波减速器与连接件或下一关节壳体底盖的连接，方便安装。

见图3，所述螺栓头与法兰3之间设有异形垫片4；所述异形垫片4包括对接于法兰3表面的两个半圆形垫片；各半圆形垫片上均设有若干通孔41，以与法兰3上的螺栓孔31对应匹配。即在异形垫片与法兰匹配安装时，螺栓孔31与通孔41一一对应并重合。法兰的外侧（即螺栓头与法兰连接面）设有异形垫片，由于负载较大，法兰的葫芦孔处容易压溃，所以需要异形垫片，分成两半这样容易装配，如第二关节与大臂管连接处，由于大臂管是整体铸造，垫片不分开也就无法安装。法兰的内侧（即法兰与机壳或连接件的连接面），连接面的接触面积还是比较大的，所以不需要异形垫片。

在本申请中，可以根据输出的工作力矩大小，选择法兰结构是否增加异形垫片，例如第一关节与第二关节之间的法兰结构、第二关节与连接件之间的法兰结构，由于所承受的力矩较大，尽量增加异形垫片，以提高结构稳定性。

常规的法兰与螺栓头之间通过普通垫片连接，由于螺栓孔是葫芦孔，异形垫片有一部分面积是无法与法兰贴紧的，该处的法兰容易出现压溃现象。因此将普通垫片更换为异形垫片，此异形垫片与法兰表面的形状一样，拥有相同尺寸的葫芦孔；这样就可以保证异形垫片与法兰的整个面贴紧，不会出现压溃现象。此外，异形垫片的材料可以选择牌号为zg36simnmo的钢材，以防止整个接触面被压溃。

本实施例2的法兰结构通过在法兰外圈设置葫芦状的螺栓孔，方便螺栓安装；通过在法兰外侧加设异形垫片，并开设与螺栓孔相同的通孔，在异形垫片与法兰匹配安装时，保持螺栓孔与通孔一一对应并重合，可以避免异形垫片与法兰的接触面上出现无法贴合的部位，防止接触面压溃，提高了法兰结构的稳定性，提高了协作机器人及其机械臂的结构稳定性和工作准确度。

实施例3

在实施例1和2的基础上，本实施例3提供了一种协作机器人用机械臂的工作方法，所述机械臂适于通过依次串联设置的若干个关节组件，以增加协作机器人的臂长。

关于机械臂的结构和具体实施过程参见实施例1和2中的相关论述，在此不再赘述。

实施例4

在实施例1-3的基础上，本实施例4提供了一种高负载大臂展的协作机器人，包括：输出电机和如前所述的机械臂；以及所述输出电机的输出轴适于通过底座4与机械臂连接，以向机械臂提供工作力矩。

关于机械臂的结构和具体实施过程参见实施例1-3中的相关论述，在此不再赘述。

实施例5

在实施例1-4的基础上，本实施例5提供了一种高负载大臂展的协作机器人的工作方法，即所述协作机器人适于通过如前所述的机械臂增加臂长。

关于机械臂的结构和具体实施过程参见实施例1-4中的相关论述，在此不再赘述。

综上所述，本高负载大臂展的机械臂、协作机器人及二者工作方法通过串联设置的若干个关节组件和各关节组件之间的连接件，将关节组件中的谐波减速器作为力矩输出端，通过法兰结构与连接件或下一关节壳体的底盖相连，同时各关节组件之间通过连接件相连，进而提高机械臂的臂长，这样即增加了机械臂的臂长和灵活性，又保证了协作机器人的负载量，便于协作机器人操作施工；各关节之间以及各关节与连接件之间均通过法兰结构连接，在增加臂长的同时提高了机械稳定性，不容易出现脱扣现象；在法兰结构中增加含有通孔的异形垫片，并与法兰中的螺栓孔对应匹配，在异形垫片与法兰在安装时可以保证接触面的整个面贴紧，不会出现压溃现象，提高了异形垫片的使用寿命，也提高了机械臂的稳定性。因此，本机械臂及协作机器人的负载能力高达20kg，臂展达到1.6m，具有高负载、大臂展、结构稳定等优点，更适合机械、汽车等行业中对大质量部件的灵活处理。

本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。