一种机器人两自由度关节模块的制作方法

1.本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种机器人两自由度关节模块，适用于小行程的水平搬运机器人。


背景技术：

2.在分拣搬运领域，工业搬运机器人以其高效、稳定、持久运作的性能以及成本优势逐渐替代人工操作。但随着细分行业各种需求的涌现，对机器人的构型，性能以及成本提出了更多的要求。某些作业场合对机器人的体积要求较高，但是对行程要求并不高，现有的水平搬运机器人以scara为例，多是以滚珠丝杠花键轴配合同步带作为末端的传动结构以实现末端执行器的旋转和升降，其他的同类型的机器人结构大同小异，往往因为丝杠的长度和电机高度限制造成末端关节的厚度增加，无法应用在对高度有限制的较为狭小的空间；且这种结构使末端执行器的线路气管走向一般都需要置于机器人外部，防护性有所下降。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供一种机器人两自由度关节模块，对机器人的末端关节部分设计了新的传动结构组合，并优化了各个元器件布局，使其厚度降低；且利用结构中空使线路气路可以置于关节内部，进一步提升机器人整体的防护性。
4.本发明是这样实现的，提供一种机器人两自由度关节模块，包括升降组件、旋转组件和花键，升降组件包括升降驱动结构、偏置轴、轴承摆动连杆和升降导向连接板，升降驱动结构的输出轴与偏置轴固定连接，轴承摆动连杆为“8”形结构，偏置轴的偏置端通过第一轴承连接在轴承摆动连杆的一个圆槽内，升降导向连接板一端设有小轴，另一端开有花键连接孔，小轴通过第一轴承连接在轴承摆动连杆的另一个圆槽内，在花键连接孔内设有第二轴承，花键的上端穿过第二轴承与升降导向连接板转动连接；旋转组件包括带轮和花键套，花键穿过带轮和花键套，带轮与花键套固定连接，花键可升降不可转动地连接在花键套内。
5.优选的，在所述第二轴承上方，设有第二轴承压盖，第二轴承压盖固定在所述升降导向连接板上，在第二轴承压盖上方、所述花键的外壁固定连接气管固定件，在第二轴承的下方、花键的外壁固定连接轴承顶盖，轴承顶盖下方的花键外壁固定设有定位挡圈，气管固定件上方固定连接气管接头。
6.进一步优选，还包括固定基础和两组导向组件，两组导向组件分别设置在所述偏置轴的两侧，每组导向组件包括轴端支架、直线轴承和导向轴，轴端支架下端固定在固定基础上，上端与导向轴连接，导向轴的下端也连接在固定基础上，直线轴承设置在导向轴上，所述升降导向连接板上设有导向孔，升降导向连接板通过导向孔套在导向轴上，且升降导向连接板与直线轴承连接。
7.进一步优选，还包括转接调整板，转接调整板上设有多个腰型孔，转接调整板通过腰型孔与所述固定基础连接，所述导向轴的下端连接在转接调整板上。
8.进一步优选，所述升降驱动结构包括均横向设置的电机和减速器，电机连接减速器，减速器远离电机的一端连接在固定法兰上，减速器的输出端与所述偏置轴固定连接。
9.进一步优选，所述花键内部中空。
10.进一步优选，在所述小轴的端部固定连接第一轴承压盖，在小轴远离第一轴承压盖的一端设有小轴止动面，小轴上的第一轴承压盖配合小轴止动面将所述第一轴承压紧固定；在所述偏置轴的偏置端的端部，也设有一个第一轴承压盖，在偏置端远离第一轴承压盖的一端设有偏置端止动面，偏置轴上的第一轴承压盖配合偏置端止动面，将第一轴承压紧。
11.与现有技术相比，本发明的优点在于：
12.1、驱动端以轴扭矩输出的形式，与偏置轴紧固在一起。偏置轴与驱动力输出轴的轴线不在一条直线上，两者之间间距的两倍作为末端升降的最大行程。连杆采用截面为“8”的构型，利用反对称装配的两组轴承与连杆组合成摆动组件，用来传递扭矩。摆动组件与花键之间用导向升降板连接在一起，通过结构之间配合链的限制，使驱动力输出的扭矩转换成竖直方向的升降正反力。同时导向升降连接板在花键一侧内置轴承，可以为花键增加旋转自由度。
13.2、为实现结构整体刚性的强化，上述用来传递扭矩的摆动连杆每个轴承槽采用双轴承的支撑方式。并且为末端的升降运动引入两个冗余约束：直线导向组件，例如导轨加滑块或者直线轴承加导向轴等组合形式。导向组件固定在机械臂上，与升降连接板配合在一起。导向组件通过一转接板与机械臂固定，转接板加工腰孔特征为装配提供调整空间。通过固定机构与导向组件的约束限制，使整体刚性进一步加强。
14.3、带轮固定在法兰型滚珠花键轴上，而后花键插入法兰型滚珠花键轴内，利用皮带控制带轮转动，进而带动花键的旋转，为其旋转提供驱动力。
15.4、花键加工成中空的结构，可用来走线走气管。设计一摇摆气管紧固件，其上固定气管接头，可方便接入气管，其可通过螺钉或顶丝压紧在花键顶端。当花键旋转时，中空内部气管和线路也会跟着旋转，两者是相对静止的关系，避免了气管与花键之间的磨损。
16.5、通过控制电机的转动模式可以实现末端执行器的升降。当单向连续运转时，可以实现快速且连续的升降往复运动，此时运动行程为最大值，且往复运动的速度最快。当要求达到指定行程时，通过控制减速器输出端在规定的控制零点附近某个指定角度的正反转，来实现指定行程的往复运动。
附图说明
17.图1为本发明提供的关节整体剖面图；
18.图2为本发明提供的关节整体立体图；
19.图3为升降组件的结构示意图；
20.图4为导向组件的结构示意图；
21.图5为偏置轴结构图；
22.图6六轴承摆动连杆结构图；
23.图7为升降导向连接板结构图；
24.图8为气管固定件的结构图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
26.参考图1-图8，本发明提供一种机器人两自由度关节模块，包括升降组件、旋转组件和花键10，升降组件包括升降驱动结构、偏置轴4、轴承摆动连杆6和升降导向连接板8，升降驱动结构的输出轴与偏置轴4固定连接，轴承摆动连杆6为“8”形结构，偏置轴4的偏置端401通过第一轴承7连接在轴承摆动连杆6的一个圆槽601内，升降导向连接板8一端设有小轴801，另一端开有花键连接孔802，小轴801通过第一轴承7连接在轴承摆动连杆6的另一个圆槽601内，在花键连接孔802内设有第二轴承12，花键10的上端穿过第二轴承12与升降导向连接板8转动连接；旋转组件包括带轮15和花键套16，花键10穿过带轮15和花键套16，带轮15与花键套16固定连接，花键10可升降不可转动地连接在花键套16内。
27.在本发明中，偏置轴4的轴线与升降驱动结构的输出端的轴线不共线，两轴线之间距离的2倍即为此机构的最大行程，当偏置轴4转动到竖直方向最高点时，若规定此时为机械零点，此时末端执行器将向上抬到最高点，反之亦然。当升降驱动结构的输出轴由机械零点转动一圈时，末端执行器将实现下降到最大行程处，在上升回到机械零点。在轴承摆动连杆6中设置双轴承结构，以此来提高整体结构的刚性。
28.工作过程中，需要升降时，通过升降驱动结构驱动偏置轴4转动，偏置轴4转动过程中，通过偏置端401带动轴承摆动连杆6与其连接的一端做竖直方向的圆周运动，轴承摆动连杆6的另一端做竖直直线运动，从而带动升降导向连接板8、花键10做竖直方向的升降运动；需要转动时，将皮带套在带轮15上，通过皮带传动带动带轮15转动，带轮15带动花键套16转动，花键套16带动花键10转动。
29.为了使升降导向连接板8与第二轴承12连接位置固定，作为技术方案的改进，在所述第二轴承12上方，设有第二轴承压盖11，第二轴承压盖11固定在所述升降导向连接板8上，在第二轴承压盖11上方、所述花键10的外壁固定连接气管固定件9，在第二轴承12的下方、花键10的外壁固定连接轴承顶盖13，轴承顶盖13下方的花键10外壁固定设有定位挡圈14，气管固定件9上方固定连接气管接头22。
30.第二轴承压盖11通过螺钉固定在升降导向连接板8上，气管固定件9与轴承顶盖13将第二轴承12夹紧，然后通过定位挡圈14将轴承顶盖13的位置再限定住。
31.虽然上述方案已经实现了升降以及旋转两个自由度，但是整体结构的刚性不足，可能因为加工误差以及轴承间隙使机械运动存在两个自由度之外的耦合变形，影响控制精度，故增加导向组件来强化整体结构的刚性，使运动更加顺滑精准。作为技术方案的改进，还包括固定基础18和两组导向组件，两组导向组件分别设置在所述偏置轴4的两侧，每组导向组件包括轴端支架21、直线轴承20和导向轴19，轴端支架21下端固定在固定基础18上，上端与导向轴19连接，导向轴19的下端也连接在固定基础18上，直线轴承20设置在导向轴19上，所述升降导向连接板8上设有导向孔803，升降导向连接板8通过导向孔803套在导向轴19上，且升降导向连接板8与直线轴承20连接。
32.工作过程中，在偏置轴4的带动下，轴承摆动连杆6带动升降导向连接板8上下运动，由于升降导向连接板8还套接在导向轴19并固定在直线轴承20上，因此通过导向轴19来
对升降导向连接板8的位置进行限定。
33.为了方便调整导向轴19的位置，减少装配复杂度，作为技术方案的改进，还包括转接调整板17，转接调整板17上设有多个腰型孔，转接调整板17通过腰型孔与所述固定基础18连接，所述导向轴19的下端连接在转接调整板17上。
34.作为升降驱动结构的具体实现方式，所述升降驱动结构包括均横向设置的电机1和减速器2，电机1连接减速器2，减速器2远离电机1的一端连接在固定法兰3上，减速器2的输出端与所述偏置轴4固定连接。
35.电机1和减速器2横向设置，以此来节省纵向空间，偏置轴4利用平键以及螺钉固定在减速器输出轴上。驱动升降过程中，电机1驱动，减速器2的输出轴带动偏置轴4转动。
36.由于在机器人工作过程中，会有一些气路或者电路管线，为了防止在工作过程中将各个线路缠绕在机器人上，作为技术方案的改进，所述花键10内部中空。通过气管固定件9来连接气路，然后将气路管线和其他电路管线穿过花键10内部。
37.为了保证第一轴承7的连接稳定性和密封性，作为技术方案的改进，在所述小轴801的端部固定连接第一轴承压盖5，在小轴801远离第一轴承压盖5的一端设有小轴止动面804，小轴801上的第一轴承压盖5配合小轴止动面804将所述第一轴承7压紧固定；在所述偏置轴4的偏置端401的端部，也设有一个第一轴承压盖5，在偏置端远离第一轴承压盖5的一端设有偏置端止动面402，偏置轴4上的第一轴承压盖5配合偏置端止动面402，将第一轴承7压紧。

技术特征：
1.一种机器人两自由度关节模块，其特征在于，包括升降组件、旋转组件和花键(10)，升降组件包括升降驱动结构、偏置轴(4)、轴承摆动连杆(6)和升降导向连接板(8)，升降驱动结构的输出轴与偏置轴(4)固定连接，轴承摆动连杆(6)为“8”形结构，偏置轴(4)的偏置端(401)通过第一轴承(7)连接在轴承摆动连杆(6)的一个圆槽(601)内，升降导向连接板(8)一端设有小轴(801)，另一端开有花键连接孔(802)，小轴(801)通过第一轴承(7)连接在轴承摆动连杆(6)的另一个圆槽(601)内，在花键连接孔(802)内设有第二轴承(12)，花键(10)的上端穿过第二轴承(12)与升降导向连接板(8)转动连接；旋转组件包括带轮(15)和花键套(16)，花键(10)穿过带轮(15)和花键套(16)，带轮(15)与花键套(16)固定连接，花键(10)可升降不可转动地连接在花键套(16)内。2.根据权利要求1所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，在所述第二轴承(12)上方，设有第二轴承压盖(11)，第二轴承压盖(11)固定在所述升降导向连接板(8)上，在第二轴承压盖(11)上方、所述花键(10)的外壁固定连接气管固定件(9)，在第二轴承(12)的下方、花键(10)的外壁固定连接轴承顶盖(13)，轴承顶盖(13)下方的花键(10)外壁固定设有定位挡圈(14)，气管固定件(9)上方固定连接气管接头(22)。3.根据权利要求1所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，还包括固定基础(18)和两组导向组件，两组导向组件分别设置在所述偏置轴(4)的两侧，每组导向组件包括轴端支架(21)、直线轴承(20)和导向轴(19)，轴端支架(21)下端固定在固定基础(18)上，上端与导向轴(19)连接，导向轴(19)的下端也连接在固定基础(18)上，直线轴承(20)设置在导向轴(19)上，所述升降导向连接板(8)上设有导向孔(803)，升降导向连接板(8)通过导向孔(803)套在导向轴(19)上，且升降导向连接板(8)与直线轴承(20)连接。4.根据权利要求3所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，还包括转接调整板(17)，转接调整板(17)上设有多个腰型孔，转接调整板(17)通过腰型孔与所述固定基础(18)连接，所述导向轴(19)的下端连接在转接调整板(17)上。5.根据权利要求1所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，所述升降驱动结构包括均横向设置的电机(1)和减速器(2)，电机(1)连接减速器(2)，减速器(2)远离电机(1)的一端连接在固定法兰(3)上，减速器(2)的输出端与所述偏置轴(4)固定连接。6.根据权利要求1所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，所述花键(10)内部中空。7.根据权利要求1所述的机器人两自由度关节模块，其特征在于，在所述小轴(801)的端部固定连接第一轴承压盖(5)，在小轴(801)远离第一轴承压盖(5)的一端设有小轴止动面(804)，小轴(801)上的第一轴承压盖(5)配合小轴止动面(804)将所述第一轴承(7)压紧固定；在所述偏置轴(4)的偏置端(401)的端部，也设有一个第一轴承压盖(5)，在偏置端远离第一轴承压盖(5)的一端设有偏置端止动面(402)，偏置轴(4)上的第一轴承压盖(5)配合偏置端止动面(402)，将第一轴承(7)压紧。

技术总结
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种机器人两自由度关节模块，包括升降组件、旋转组件和花键，升降组件包括升降驱动结构、偏置轴、轴承摆动连杆和升降导向连接板，升降驱动结构的输出轴与偏置轴固定连接，偏置轴的偏置端通过第一轴承连接在轴承摆动连杆的一个圆槽内，升降导向连接板一端设有小轴，另一端开有花键连接孔，小轴通过第一轴承连接在轴承摆动连杆的另一个圆槽内，在花键连接孔内设有第二轴承，花键的上端穿过第二轴承与升降导向连接板转动连接；旋转组件包括带轮和花键套。本发明优化了各个元器件布局，使其厚度降低；且利用结构中空使线路气路可以置于关节内部，进一步提升机器人整体的防护性。进一步提升机器人整体的防护性。进一步提升机器人整体的防护性。


技术研发人员：张鹤 王瑞 刘祥 陈立博 王成龙 李晓乐 马爽 陈为廉
受保护的技术使用者：沈阳飞鱼特种机器人有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12