一種輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統的製作方法

2023-04-27 11:52:41

本發明涉及一種SCARA(平面多關節)機器人系統，具體是指一種輕量化、模塊化、低成本的末端直驅的SCARA機器人系統，屬於SCARA機器人技術領域。

背景技術：

隨著科學技術的進步，機器人技術已經被廣泛應用於軍事、工農業生產、科研、民用等各個領域。而SCARA機器人是一種圓柱坐標型工業機器人，具有工作效率高，運行可靠的特點，廣泛應用於裝配行業。但SCARA機器人的末端因帶有減速器，使得其運動部分的質量較大，而實現高速高精度運動時對於機器人的機械和控制系統的要求非常高，導致整機成本與維修成本居高不下。因此，減少SCARA機器人運動部分的質量﹑並且對整機進行輕量化和模塊化設計，是降低SCARA機器人整體成本的有效方式。

SCARA平面多關節機器人一般具有兩個以上的旋轉關節，電機驅動裝置布置在每一個關節上，以驅動各關節轉動，機器人末端的運動軌跡為幾個關節運動的合成。機器人的末端在定位時數據計算量較大，控制系統的成本較高，傳統的帶輪傳動裝置結構鬆散、精度低、不容易控制。採用電機直驅結構有助於減小末端機械系統的體積，省去減速機構，從而達到減小機器人體積，增加關節剛度的目的。

現有技術中，中國專利CN201510121144.7公開了一種直驅式可翻轉晶圓傳輸機器人，其採用直驅結構，實現了可翻轉的傳輸結構，但是主要用於翻轉手腕使用電機驅動真空吸附末端，實現翻轉動作，不能直接進行旋轉，且並沒有考慮結構輕量化設計。而中國專利CN201310021481.X則公開了一種基於視覺系統的機器人柔性衝壓工件搬運系統，其主要用於衝壓件的搬運自動化，未採用直驅結構。

因此，目前亟需提供一種輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，以達到減小機器人體積，增加關節剛度，降低整機成本的目的。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，解決傳統的SCARA機器人結構鬆散、精度低、不容易控制的技術問題，採用末端直驅結構，並對SCARA機器人整機進行輕量化和模塊化設計，使得結構簡單，降低成本，提高系統結構剛度及控制精度。

為實現上述目的，本發明提供一種輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，包含：機座，其固定設置在地面上或工作空間上；大臂模塊，其連接設置在所述的機座頂端，且該大臂模塊可繞豎直方向轉動；小臂模塊，其連接設置在所述的大臂模塊上，且該小臂模塊可繞豎直方向轉動；主軸直驅模塊，其連接設置在所述的小臂模塊上，且該主軸直驅模塊可繞豎直方向轉動；直線運動機構，其固定設置在所述的小臂模塊上，且與所述的主軸直驅模塊連接，帶動該主軸直驅模塊上下移動。

所述的大臂模塊包含：大臂，其後端通過第一轉軸與所述的機座頂端連接；第一電機，其固定設置在所述的機座上；第一傳動組件，其固定設置在所述的機座上，且分別連接所述的第一電機和大臂的第一轉軸，將第一電機的動力傳遞至大臂，驅動大臂以第一轉軸為中心繞豎直方向轉動。

所述的第一電機為高機動伺服電機，所述的第一傳動組件為諧波減速器，該第一電機和第一傳動組件的傳動軸均採用軸承實現軸向固定。

所述的小臂模塊包含：小臂，其後端通過第二轉軸與所述的大臂的前端連接；第二電機；第二傳動組件，其固定設置在所述的小臂上，且分別連接所述的第二電機和小臂的第二轉軸，將第二電機的動力傳遞至小臂，驅動小臂以第二轉軸為中心繞豎直方向轉動。

所述的第二電機為高機動伺服電機，所述的第二傳動組件為諧波減速器，該第二電機和第二傳動組件的傳動軸均採用軸承實現軸向固定。

所述的主軸直驅模塊包含：末端主軸，其穿設在所述的小臂的前端；第三電機，其套設在所述的末端主軸上，直接驅動末端主軸繞豎直方向轉動。

所述的末端主軸為空心軸；所述的第三電機為高機動伺服電機。

所述的直線運動機構包含：滾珠絲槓，其頂端通過連接板與所述的末端主軸的頂端連接；第四電機，其固定設置在所述的小臂上；第三傳動組件，其分別連接所述的第四電機和滾珠絲槓，將第四電機的動力傳遞至滾珠絲槓，驅動滾珠絲槓繞豎直方向轉動並上下移動，並通過連接板帶動末端主軸上下移動。

所述的第四電機為高機動伺服電機。

本發明所提供的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，具有以下優點和有益效果：

1、末端主軸旋轉採用直驅電機直接驅動，減少了常規的傳動減速結構，消除間隙誤差，極大的提高了控制精度，也使得整體結構更加緊湊，並且具有高解析度、高定位精度和高剛性，有效改善了平面多關節機器人系統的性能。

2、採用輕量化、模塊化設計，使得平面多關節機器人系統的結構簡單，降低生產成本以及維護成本。

附圖說明

圖1為本發明中的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統的結構示意圖；

圖2為本發明中的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統裝配後的結構示意圖；

圖3為本發明中的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統裝配後的剖面示意圖。

具體實施方式

以下結合圖1～圖3，詳細說明本發明的一個優選實施例。

如圖1～圖3所示，為本發明提供的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，包含：機座1，其固定設置在地面上或工作空間上；大臂模塊，其連接設置在所述的機座頂端，且該大臂模塊可繞豎直方向轉動；小臂模塊，其連接設置在所述的大臂模塊上，且該小臂模塊可繞豎直方向轉動；主軸直驅模塊，其連接設置在所述的小臂模塊上，且該主軸直驅模塊可繞豎直方向轉動；直線運動機構，其固定設置在所述的小臂模塊上，且與所述的主軸直驅模塊連接，帶動該主軸直驅模塊上下移動。

如圖2所示，所述的大臂模塊包含：大臂2，其後端通過第一轉軸與所述的機座頂端連接；第一電機21，其固定設置在所述的機座1上；第一傳動組件22，其固定設置在所述的機座1上，且分別連接所述的第一電機21和大臂2的第一轉軸，將第一電機21的動力傳遞至大臂2，驅動大臂2以第一轉軸為中心繞豎直方向轉動。

所述的第一電機21為高機動伺服電機，所述的第一傳動組件22為諧波減速器，該第一電機21和第一傳動組件22的傳動軸均採用軸承實現軸向固定。

所述的小臂模塊包含：小臂3，其後端通過第二轉軸與所述的大臂2的前端連接；第二電機31；第二傳動組件32，其固定設置在所述的小臂3上，且分別連接所述的第二電機31和小臂3的第二轉軸，將第二電機31的動力傳遞至小臂3，驅動小臂3以第二轉軸為中心繞豎直方向轉動。

所述的第二電機31為高機動伺服電機，所述的第二傳動組件32為諧波減速器，該第二電機31和第二傳動組件32的傳動軸均採用軸承實現軸向固定。

所述的主軸直驅模塊包含：末端主軸5，其穿設在所述的小臂3的前端；第三電機51，其套設在所述的末端主軸5上，通過滾珠花鍵直接驅動末端主軸5繞豎直方向轉動。

所述的末端主軸5為空心軸；所述的第三電機51為高機動伺服電機。

區別於現有技術中傳統的SCARA機器人結構形式，本發明中用於驅動末端主軸5旋轉的第三電機51採用直驅電機，其能夠直接驅動末端主軸5旋轉，而無需採用任何的傳動減速結構，使得精度高，裝配更簡單，節省了傳動減速結構的安裝過程和所需的空間安裝位置，使得SCARA機器人的整體體積更小，提高整體結構剛度，達到輕量化、低成本的設計。

所述的直線運動機構包含：滾珠絲槓4，其頂端通過連接板42與所述的末端主軸5的頂端連接；第四電機41，其固定設置在所述的小臂3上；第三傳動組件43，其分別連接所述的第四電機41和滾珠絲槓4，將第四電機41的動力傳遞至滾珠絲槓4，驅動滾珠絲槓4繞豎直方向轉動並上下移動，並通過連接板42帶動末端主軸5上下移動。

所述的第四電機41為高機動伺服電機。

本發明中，所述的機座、大臂模塊、小臂模塊和主軸直驅模塊均由多個組合件組裝形成模塊化設計，各模塊之間通過螺釘連接即可組成低成本、模塊化的SCARA機器人整機。並且，其中機座上安裝軸承用以固定第一轉軸的位置，可在SCARA機器人整機組合之後進行整體加工，從而最大限度的保證同軸度；而大臂模塊和小臂模塊的連接處可設計凸臺結構，以保證裝配後實現高同軸度。

本發明所提供的輕量化模塊化的末端直驅平面多關節機器人系統，具有以下優點和有益效果：

1、末端主軸旋轉採用直驅電機直接驅動，減少了常規的傳動減速結構，消除間隙誤差，極大的提高了控制精度，也使得整體結構更加緊湊，並且具有高解析度、高定位精度和高剛性，有效改善了平面多關節機器人系統的性能。

2、採用輕量化、模塊化設計，使得平面多關節機器人系統的結構簡單，降低生產成本以及維護成本。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。