(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710910764.8
(22)申请日 2017.09.29
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区100084信箱82
分箱清华大学专利办公室
(72)发明人 赵景山 罗宏图 国汝君 吴荣宗
公司 11327
代理人 邸更岩
(51)Int.Cl.
B25J 18/04(2006.01)
B25J 9/12(2006.01)
B25J 9/10(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，
所述的机器人臂包括壳体、旋转装置和伸缩装
置。采用本发明的技术方案，机器人臂有两个可
独立控制的自由度，其中一个为旋转自由度，另
一个为平移自由度。该机器人臂的旋转自由度的
主要作用是能调整机器人末端的姿态，使得机器
人拥有灵活的姿态适应能力；而机器人臂的平移
自由度让机器人能根据工作空间需求改变臂长，
配合其他机器人臂运动到达需要的空间位置，最
大程度上实现机器人运动适应性。同时，本发明
的机械人臂机构紧凑，传动链短，自重轻，能满足
机器人轻量化设计需求；另外，本发明采用的过
约束可伸缩机构刚度大，传动精度高，能满足机
器人运动的精度要求。权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 107471254 A 2017.12.15
C N 107471254
A
1.一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：该机器人臂包括壳体(3)、旋转装置(13)和伸缩装置(5)；
所述旋转装置(13)包括第二电机(2)、输入齿轮(21)和第二减速器(11)；所述第二减速器(11)固定安装在所述壳体(3)内，并通过输入齿轮(21)与第二电机(2)相连；所述第二减速器(11)的输出法兰与所述伸缩装置(5)连接； 所述伸缩装置(5)包括第一电机(1)、第一减速器(8)、伸缩机构(22)、丝杆(19)、螺母
(18)、中空导轨(6)、滑块(15)、第二轴承(16)和滑动衬套(17)；所述伸缩机构(22)包括连接板(7)、驱动板(4)和n组周向布置的剪叉机构(25)，其中n为大于等于3的正整数；所述n组剪叉机构(25)分别通过铰链与连接板(7)和驱动板(4)连接；
所述中空导轨(6)一端通过连接套筒(9)固定连接到所述壳体(3)，另一端通过第二轴承(16)和滑动衬套(17)支撑；所述第二轴承(16)安装在驱动板(4)内；所述滑动衬套(17)安装在连接板(7)内；
所述丝杆(19)一端通过第一减速器(8)与第一电机(1)连接，丝杠(19)另一端与螺母
(18)连接；所述螺母(18)与滑块(15)固连，滑块(15)固定安装在第二轴承(16)内圈上；所述滑块(15)安装到中空导轨(6)的开口槽内。
2.根据权利要求1所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：所述n组剪叉机构(25)沿连接板(7)和驱动板(4)均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：所述丝杆(19)通过输入轴(20)、第一减速器(8)与第一电机(1)连接。
4.根据权利要求3所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：所述的第二减速器(11)为中空构型，所述输入轴(20)和连接套筒(9)能穿过所述第二减速器
(11)的中空部分。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：每组剪叉机构(25)由两级V型剪式机构(24)和m级X型剪式机构(23)铰接而成，其中m为大于等于0的整数。
6.根据权利要求5所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：每级V型剪式机构(24)和每级X型剪式机构(23)均与一个相对应的连接板(7)或者驱动板(4)铰接。
7.根据权利要求5所述的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：若m 等于0，驱动板(4)与第二级V型剪式机构(24)铰接；若m为大于等于1，驱动板(4)与第一级X 型剪式机构(23)铰接。
权 利 要 求 书1/1页CN 107471254 A
一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂
技术领域
[0001]本发明涉及工业机器人；更具体地，本发明涉及工业机器人中的机器人臂。
背景技术
[0002]相比于人工作业，机器人作业更稳定可靠，且可长时间流水作业，既能提高生产效率又能降低成本。机器人在汽车、搬运、焊接、喷涂等传统的劳动力密集型的领域越来越多地替代人工，大幅度降低了工人的劳动强度和改善了工作环境。在现有的工业机器人技术中，机器人的臂长一般是固定的，其能达到的工作空间也由机器人的臂长和关节唯一确定。在待加工零件尺寸变化大的场合，工厂一般会布置不同大小的机器人来满足加工要求，增加了前期的投入成本和后期的维护成本。因此，实现能适应不同工作空间要求的机器人一直是设计人员的不懈追求。同时，拥有大范围工作空间的机器人仍存在着机器人笨重，负载重量小等缺点，依然有很大的改进空间。
发明内容
[0003]为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，使其不仅结构紧凑，而且能调整机器人末端的姿态，使得机器人拥有灵活的姿态适应能力；同时能根据工作空间需求改变臂长，配合其他机器人臂运动到达需要的空间位置。
[0004]本发明的技术方案如下：
[0005]一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂，其特征在于：该机器人臂包括壳体、旋转装置和伸缩装置；所述旋转装置包括第二电机、输入齿轮和第二减速器；所述第二减速器固定安装在所述壳体内，并通过输入齿轮与第二电机相连；所述第二减速器的输出法兰与所述伸缩装置连接；所述伸缩装置包括第一电机、第一减速器、伸缩机构、丝杆、螺母、中空导轨、滑块、第二轴承和滑动衬套；所述伸缩机构包括连接板、驱动板和n组周向布置的剪叉机构，其中n为大于等于3的正整数；所述n组剪叉机构分别通过铰链与连接板和驱动板连接；所述中空导轨一端通过连接套筒固定连接到所述壳体，另一端通过第二轴承和滑动衬套支撑；所述第二轴承安装在驱动板内；所述滑动衬套安装在连接板内；所述丝杆一端通过第一减速器与第一电机连接，丝杠另一端与螺母连接；所述螺母与滑块固连，滑块固定安装在第二轴承内圈上；以此同时，滑块安装到中空导轨的开口槽内。
[0006]优选地，所述n组剪叉机构沿连接板和驱动板均匀布置。
[0007]优选地，所述丝杆通过输入轴和第一减速器与第一电机连接。
[0008]优选地，所述的第二减速器为中空构型，所述输入轴和连接套筒能穿过所述第二减速器的中空部分。
[0009]本发明的技术特征还在于：每组剪叉机构由两级V型剪式机构和m级X型剪式机构铰接而成，其中m为大于等于0的整数。每级V型剪式机构和每级X型剪式机构均与一个相对应的连接板或者驱动板铰接。若m等于0，驱动板与第二级V型剪式机构铰接；若m为大于等于
1，驱动板与第一级X型剪式机构铰接。
[0010]本发明的技术方案具有以下优点及突出性的技术效果：机器臂有两个可独立控制的自由度，其中一个为旋转自由度，另一个为移动自由度。该机器人臂的旋转自由度的主要作用是能调整机器人末端的姿态，使得机器人拥有灵活的姿态适应能力；而机器人臂的平移自由度让机器人能根据工作空间需求改变臂长，配合其他机器人臂运动到达需要的空间位置，最大程度上实现机器人运动适应性。同时，本发明的机械臂机构紧凑，传动链短，自重轻，能满足机器人轻量化设计需求；另外，本发明采用的过约束可伸缩机构刚度大，传动精度高，能满足机器人运动的精度要求。
附图说明
[0011]图1是本发明提供的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂实施例的立体结构视图。
[0012]图2是本发明提供的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂实施例的剖视图。[0013]图3是图2的局部视图。
[0014]图4是本发明的伸缩机构的主视图。
[0015]图5是图4的侧视图。
[0016]图中：1-第一电机；2-第二电机；3-壳体；4-驱动板；5-伸缩机构；6-中空导轨；7-加强板；8-第一减速器；9-连接套筒；10-密闭端盖；11-第二减速器；12-锁紧圆螺母；13-旋转装置；14-第一轴承；15-滑块；16-第二轴承；17-滑动衬套；18-螺母；19-丝杆；20-输入轴；21-输入齿轮；22-伸缩机构；23-X型剪叉机构；24-V型剪叉机构；25-剪叉机构。
具体实施方式
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式和工作过程作进一步地详细描述，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施例。[0018]图1是本发明提供的一种可独立伸缩旋转的两自由度机器人臂实施例的立体结构视图，图2是实施例的剖视图。本发明所述的两自由度机器人臂包括壳体3、旋转装置13和伸缩装置5。所述旋转装置13包括第二电机2、输入齿轮21和
第二减速器11；所述第二减速器11固定安装在所述壳体3内，并通过输入齿轮21与第二电机2相连；所述第二减速器11的输出法兰与所述伸缩装置5连接。
[0019]所述伸缩装置5包括第一电机1、第一减速器8、伸缩机构22、丝杆19、螺母18、中空导轨6、滑块15、第二轴承16和滑动衬套17。所述伸缩机构22包括连接板7、驱动板4和n组剪叉机构25，其中n为大于等于3的正整数；所述n组剪叉机构25分别通过铰链与连接板7和驱动板4连接，n组剪叉机构25沿连接板7和驱动板4均匀布置。
[0020]每组剪叉机构25由两组V型剪式机构24和m组X型剪式机构23铰接而成，其中m为大于等于0的整数；若m等于0，驱动板4与第二级V型剪式机构24铰接；若m为大于等于1，驱动板4与第一级X型剪式机构23铰接。
[0021]所述中空导轨6一端通过连接套筒9固定连接到所述壳体3，另一端通过第二轴承16和滑动衬套17支撑；所述第二轴承16安装在驱动板4内；所述滑动衬套17安装在连接板7内；该布置保证所述中空导轨6能相对所述伸缩机构22自由转动。
[0022]所述丝杆19通过第一减速器8与第一电机1连接，本实施例中所述丝杆通过输入轴20和第一减速器8与第一电机连接。
[0023]所述螺母18与滑块15固定连接，滑块15安装在第二轴承16内圈。同时，滑块15安装到中空导轨6的开口槽内，保证了滑块15能在中空导轨6上进行滑动而不发生转动。此时，螺母18能通过滑块15和第二轴承16将驱动力传递到驱动板4，驱动板4能带动伸缩机构22进行伸长或者缩短。
[0024]另外，所述第二减速器11的输出法兰与连接板7固定连接，驱动伸缩机构22绕着中空导轨6旋转。所述的第二减速器11为中空构型，所述输入轴20和连接套筒9可穿过所述第二减速器11的中空部分。
[0025]本实施例的工作原理，详细叙述如下：
[0026]首先，本实施例的机器人臂实现独立旋转自由度的工作原理如下：第二电机2通过输入齿轮20驱动第二减速器11，第二减速器11的输出法兰与连接板7固定连接，从而伸缩机构22整体能与第二减速器11的输出法兰同步旋转。
[0027]其次，本实施例的机器人臂实现独立伸缩自由度的工作原理如下：中空导轨6一端通过连接套筒9固定连接到所述壳体3，另一端采用第二轴承16和滑动衬套17共同支撑，而第二轴承16固定安装在驱动板4内，滑动衬套17固定安装在连接板7内。采用该布置的作用是：1)中空导轨6保持静止状态，为伸缩机构22提供固定支撑和导向功能；2)第二轴承16和滑动衬套17保证了伸缩机构22能绕着中空导轨6自由旋转。
[0028]另外，螺母18与滑块15固定连接，且滑块15安装在中空导轨6的导槽内，该布置方式能约束螺母18和滑块15的周向运动，保证螺母18和滑块15只能沿着中空导轨6轴向运动。也就是说，螺母18和滑块15只能发生直线移动，而不能发生转动。进而，当第一电机1驱动螺母18直线运动时，螺母18通过滑块15和第二轴承16将直线运动传递给驱动板4，驱动板4的直线运动能带动伸缩机构22的伸长或者缩短。
[0029]所以，本技术方案的机器臂有两个可独立控制的旋转和移动自由度。同时，本装置机构紧凑，传动链短，自重轻，能满足机器人轻量化设计需求；另外，本装置采用的过约束可伸缩机构刚度大，传动精度高，能满足机器人运动的精度要求，具有广泛的应用前景和巨大的市场价值。
[0030]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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