本发明涉及一种机器人码垛手腕，包括机器人码垛手的手腕本体和腕部码垛机械手驱动连接机构，所说的腕部码垛机械手驱动连接机构由偏心码垛手支撑臂驱动输入部分、偏心码垛手支撑臂输出部分、码垛手连接座及自旋转部分组成，其中的偏心码垛手支撑臂驱动输入部分由伺服电机以及减速器组成，偏心码垛手支撑臂输出部分由内设有轴承组的连接座和带竖向旋转轴的中空结构的偏心码垛手支撑臂组成，码垛手连接座及自旋转部分由带传动轴的码垛手连接座、轴承组、双轮轴同步传动机构以及主传动轴组成。本发明的结构简单合理、操作灵活方便，在不增加码垛机器人关节轴数量情况下,可使码垛手运行轨迹实现所需的平面、弧线、弧面等多样化轨迹的技术要求。
1.一种机器人码垛手腕，包括机器人码垛手的手腕本体(8)和设在手腕本体(8)上的腕部码垛机械手驱动连接机构(9)，其特征在于：所说的腕部码垛机械手驱动连接机构(9)由偏心码垛手支撑臂驱动输入部分、偏心码垛手支撑臂输出部分、码垛手连接座及自旋转部分三部分组成，其中偏心码垛手支撑臂驱动输入部分由设置在手腕本体(8)上方的伺服电机(901)以及与伺服电机(901)输出轴连接的减速器(902)组成；
偏心码垛手支撑臂输出部分由一个内设有第三轴承组(910)的连接座(903)和一个带竖向旋转轴的中空结构的偏心码垛手支撑臂(904)组成，连接座(903)固定安装在手腕本体(8)下方，偏心码垛手支撑臂(904)通过第三轴承组(910)设于连接座(903)下，其竖向旋转轴与减速器(902)输出轴同轴连接；
码垛手连接座及自旋转部分由带传动轴的码垛手连接座(906)、第一轴承组(905)、第二轴承组(908)、双轮轴同步传动机构以及主传动轴(909)组成，双轮轴同步传动机构的两个传动轮轴分别通过第二轴承组(908)和第一轴承组(905)定位设置在偏心码垛手支撑臂(904)壳体内，双轮轴同步传动机构中的主传动轮轴通过主传动轴(909)与连接座(903)的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座(906)的传动轴与双轴同步传动机构中的副传动轮轴同轴传动连接。
2.根据权利要求1所述的机器人码垛手腕，其特征在于：所说的双轮轴同步传动机构为双圆柱齿轮传动组(907)，双圆柱齿轮传动组(907)的两个齿轮轴分别通过第二轴承组(908)和第一轴承组(905)定位设置在偏心码垛手支撑臂(904)壳体内，双圆柱齿轮传动组(907)中的主齿轮轴通过主传动轴(909)与连接座(903)的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座(906)的传动轴与双圆柱齿轮传动组(907)中的副齿轮轴同轴传动连接。
3.根据权利要求2所述的机器人码垛手腕，其特征在于：双圆柱齿轮传动组(907)的齿轮传动比按1～3∶1～3配置。
4.根据权利要求1所述的机器人码垛手腕，其特征在于：所说的双轮轴同步传动机构为双链轮链条传动组，双链轮链条传动组的两个链轮轴分别通过第二轴承组(908)和第一轴承组(905)定位设置在偏心码垛手支撑臂(904)壳体内双链轮链条传动组中的主链轮轴通过主传动轴(909)与连接座(903)的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座(906)的传动轴与双链轮链条传动组中的副链轮轴同轴传动连接。
5.根据权利要求4所述的机器人码垛手腕，其特征在于：双链轮链条传动组中主、副两链轮组的传动比按1～3∶1～3配置。
6.根据权利要求1所述的机器人码垛手腕，其特征在于：所说的双轮轴同步传动机构为双带轮同步带传动组，双带轮同步带传动组的两个带轮轴分别通过第二轴承组(908)和第一轴承组(905)定位设置在偏心码垛手支撑臂(904)壳体内，双带轮同步带传动组中的主带轮轴通过主传动轴(909)与连接座(903)的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座(906)的传动轴与双带轮同步带传动组中的副带轮轴同轴传动连接。
7.根据权利要求6所述的机器人码垛手腕，其特征在于：双带轮同步带传动组中主、副两带轮组的传动比按1～3∶1～3配置。
8.根据权利要求1所述的机器人码垛手腕，其特征在于：减速器(902)采用法兰连接形式固定安装在手腕本体(8)上，伺服电机(901)采用端面法兰连接形式与减速器(902)固定连接，伺服电机(901)输出轴与减速器(902)输入轴同轴传动连接，并通过输入传动键(911)实现驱动动力输入。
9.根据权利要求1所述的机器人码垛手腕，其特征在于：偏心码垛手支撑臂(904)的竖向旋转轴与减速器(902)输出轴采用螺栓连接。
一种机器人码垛手腕
技术领域
[0001] 本发明属于机械设备技术领域，涉及一种新型关节机器人手腕，特别是一种能实现码垛手精确抓取位姿的机器人码垛手腕。
背景技术
[0002] 自上世纪70年代末日本人首次将机器人技术用于码垛工艺以来，对机器人码垛机的设计研究已取得了长足的进步，随着码垛抓取对象质量日趋增大，其适用范围也更趋广阔，特别是多轴关节机器人码垛机，由于具有机构紧凑、动作灵活、工作范围大及占地面积小的特点，迄今已广泛用于轻工、食品、化工、建材等多个领域。但现有技术尚存在的不足之处是：由于多轴关节机器人码垛机的码垛手运行轨迹都只能随原始设计而确定(这一点从机器人的使用说明书中所附有的并大多被描述成某一特定平面的机器人的作业区域位置图上即可看到)且只能保持在各关节所确定的空间组合运行轨迹的动态轨迹位姿，其扩展空间相当有限，还难以实现精确校准码垛手多样化运行轨迹(平面、弧线、弧面等)抓取位姿的技术要求。
发明内容
[0003] 本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单合理、操作灵活方便、可实现码垛手运行轨迹多样化要求的机器人码垛手腕。
[0004] 为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的机器人码垛手腕是一种由伺服电机通过减速机同轴驱动的偏心码垛手支撑臂和支撑臂偏心处的码垛手连接及自旋转机构组成的机械结构，它包括机器人码垛手的手腕本体和设在手腕本体上的腕部码垛机械手驱动连接机构，所说的腕部码垛机械手驱动连接机构由偏心码垛手支撑臂驱动输入部分、偏心码垛手支撑臂输出部分、码垛手连接座及自旋转部分三部分组成，其中，(一)、偏心码垛手支撑臂驱动输入部分由设置在手腕本体上方的伺服电机以及与伺服电机输出轴连接的减速器组成；(二)、偏心码垛手支撑臂输出部分由一个内设有第三轴承组的连接座和一个带竖向旋转轴的中空结构的偏心码垛手支撑臂组成，连接座固定安装在手腕本体下方，偏心码垛手支撑臂通过第三轴承组设于连接座下，其竖向旋转轴与减速器输出轴同轴连接；(三)、码垛手连接座及自旋转部分由带传动轴的码垛手连接座、第一轴承组、第二轴承组、双轮轴同步传动机构以及主传动轴组成，双轮轴同步传动机构的两个传动轮轴分别通过第二轴承组和第一轴承组定位设置在偏心码垛手支撑臂壳体内，双轮轴同步传动机构中的主传动轮轴通过主传动轴与连接座的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座的传动轴与双轴同步传动机构中的副传动轮轴同轴传动连接。
[0005] 本发明的技术解决方案还包括：所说的双轮轴同步传动机构为双圆柱齿轮传动组，双圆柱齿轮传动组的两个齿轮轴分别通过第二轴承组和第一轴承组定位设置在偏心码垛手支撑臂壳体内，双圆柱齿轮传动组中的主齿轮轴通过主传动轴与连接座的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座的传动轴与双圆柱齿轮传动组中的副齿轮轴同轴传动连接。具体实施结构中，双圆柱齿轮传动组的齿轮传动比可按1～3∶1～3配置，以保证码垛手在任意位置时与原始设计基点时的位姿不变。
[0006] 本发明的技术解决方案还包括：所说的双轮轴同步传动机构为双链轮链条传动组，双链轮链条传动组的两个链轮轴分别通过第二轴承组和第一轴承组定位设置在偏心码垛手支撑臂壳体内双链轮链条传动组中的主链轮轴通过主传动轴与连接座的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座的传动轴与双链轮链条传动组中的副链轮轴同轴传动连接。具体实施结构中，双链轮链条传动组中主、副两链轮组的传动比可按1～3∶1～3配置，以保证码垛手在任意位置时与原始设计基点时的位姿不变。
[0007] 本发明的技术解决方案还包括：所说的双轮轴同步传动机构为双带轮同步带传动组，双带轮同步带传动组的两个带轮轴分别通过第二轴承组和第一轴承组定位设置在偏心码垛手支撑臂壳体内，双带轮同步带传动组中的主带轮轴通过主传动轴与连接座的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座的传动轴与双带轮同步带传动组中的副带轮轴同轴传动连接。具体实施结构中，双带轮同步带传动组中主、副两带轮组的传动比按1～3∶1～3配置，以保证码垛手在任意位置时与原始设计基点时的位姿不变。
[0008] 本发明的技术解决方案还包括：减速器采用法兰连接形式固定安装在手腕本体上，伺服电机采用端面法兰连接形式与减速器固定连接，伺服电机输出轴与减速器输入轴同轴传动连接，并通过输入传动键实现驱动动力输入。
[0009] 本发明的技术解决方案还包括：偏心码垛手支撑臂的竖向旋转轴与减速器输出轴采用螺栓连接。
[0010] 实际工作中，本发明可通过改变该机器人码垛手腕的机械结构，以机器人机座中心的原点范围为基准，并借助于电子摄像可视识别及传感器感觉跟踪等功能来精确实现动态搜寻捕获及抓取目标，同时通过有效的改变作业路径，实现码垛手既可按各关节所确定的空间组合运行轨迹作所需确定的动态轨迹位姿，又可在此基础上，通过此该机器人码垛手腕的腕关节复合旋转而实现随机精确校准码垛手的抓取位姿，从而使码垛手运行轨迹能够实现所需的平面、弧线、弧面等多样化轨迹的技术要求。
[0011] 与现有技术相比，本发明的结构合理、操作灵活，在不增加码垛机器人关节轴数量情况下,根据需要通过调整传动机构双轮轴间偏心距离L(参见附图1)及改变传动比可实现码垛手位姿中心在伺服驱动中心L～2L范围内的回转，而使码垛手运行轨迹多样化。
附图说明
[0012] 图1为本发明一个具体实施例的结构原理示意图，图中的各标号名称分别是：901―伺服电机，902―减速器，903―连接座，904―偏心码垛手支撑臂，905―第一轴承组，
906―码垛手连接座，907―双圆柱齿轮传动组，908―第二轴承组，909―主传动轴，910―第三轴承组，911―输入传动键。
[0013] 图2为采用本发明设计结构的四轴关节型码垛机器人的工作结构示意图，图中的各标号名称分别是：1―底座，2―腰旋转体，3―第二机械臂驱动杆一，4―第二机械臂驱动杆二，5―手腕位姿连杆一，6―手腕位姿中间过渡连杆,7―手腕位姿连杆二,8―手腕本体，9―腕部码垛机械手驱动连接机构，10―第二机械臂，11―第一机械臂，D1―腰旋转体伺服驱动系统，D2―第一机械臂伺服驱动系统，D3―第二机械臂伺服驱动系统，S1―码垛手系统。图2中各臂、杆连接采用铰接结构。
具体实施方式
[0014] 以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际应用结构并不仅限于下述的实施例。
[0015] 参见图1，本发明所述的机器人码垛手腕包括机器人码垛手的手腕本体8和腕部码垛机械手驱动连接机构9，其中，腕部码垛机械手驱动连接机构9由偏心码垛手支撑臂驱动输入部分、偏心码垛手支撑臂输出部分、码垛手连接座及自回转部分三部分组成。
[0016] 图1所示实施例中的偏心码垛手支撑臂驱动输入部分采用伺服电机驱动减速机的传动系统，它包括伺服电机901、减速器902及输入传动键911；减速器902采用法兰连接形式固定安装于手腕本体8上(参见附图2)，伺服电机901采用端面法兰联接形式与减速器902固定连接，通过输入传动键911实现驱动动力输入。
[0017] 偏心码垛手支撑臂输出部分包括连接座903、偏心码垛手支撑臂904及第三轴承组910。连接座903固定安装于手腕本体8上(参见附图2)，偏心码垛手支撑臂904通过第三轴承组910定位安装于连接座903下，偏心码垛手支撑臂904旋转轴与减速器902采用螺栓联接，用以实现偏心码垛手支撑臂904与驱动输入同轴旋转，同时偏心码垛手支撑臂904采用中空结构，以实现码垛手连接座906的自回转需要。
[0018] 本实施例中的码垛手连接座及自旋转部分是在支撑臂偏心位置配置同轴且与支撑臂有双轮轴同步传动的用以实现码垛手的自旋转的码垛手连接机构，它包括第一轴承组905、码垛手连接座906、双圆柱齿轮传动组907、第二轴承组908及主传动轴909；主传动轴
909用第二轴承组908定位安装于偏心码垛手支撑臂904，且将主传动轴909与减速机902通过螺栓联接，为码垛手联接及自回转提供动力；码垛手连接座906用第一轴承组905定位安装于偏心码垛手支撑臂904的偏心位置处，主传动轴909与码垛手连接座906间通过双轮轴同步传动机构(图1中双圆柱齿轮传动组907)联系。工作中根据需要通过调整传动机构双轮轴间偏心距离L及改变传动比可实现码垛手位姿中心在伺服驱动中心L～2L范围内的回转，而使码垛手运行轨迹多样化。
[0019] 作为本发明的一种实施方式，码垛手连接机构的码垛手自旋转驱动可采用码垛手支撑臂同轴驱动齿轮传动方式来实现，即双轮轴同步传动机构为双圆柱齿轮传动组907，双圆柱齿轮传动组907的两个齿轮轴分别通过第二轴承组908和第一轴承组905定位设置在偏心码垛手支撑臂904壳体内，双圆柱齿轮传动组907中的主齿轮轴通过主传动轴909与连接座903的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座906的传动轴与双圆柱齿轮传动组907中的副齿轮轴同轴传动连接，这样使码垛手连接座906与主传动轴909的相向旋转，实现码垛手任意位置时与原始设计基点时的位姿不变。本实施例中双圆柱齿轮传动组的齿轮传动比可按1∶1配置，码垛手连接座906的下端法兰为码垛手的连接法兰。
[0020] 作为本发明的另一种实施方式，码垛手连接机构的码垛手自旋转驱动也可采用码垛手支撑臂同轴驱动链轮链条传动方式来实现，即双轮轴同步传动机构为双链轮链条传动组，双链轮链条传动组的两个链轮轴分别通过第二轴承组908和第一轴承组905定位设置在偏心码垛手支撑臂904壳体内双链轮链条传动组中的主链轮轴通过主传动轴909与连接座903的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座906的传动轴与双链轮链条传动组中的副链轮轴同轴传动连接。
[0021] 作为本发明的再一种实施方式，码垛手连接机构的码垛手自旋转驱动还可采用码垛手支撑臂同轴驱动(同步)带传动方式来实现，即双轮轴同步传动机构为双带轮同步带传动组，双带轮同步带传动组的两个带轮轴分别通过第二轴承组908和第一轴承组905定位设置在偏心码垛手支撑臂904壳体内，双带轮同步带传动组中的主带轮轴通过主传动轴909与连接座903的竖向旋转轴同轴传动连接，码垛手连接座906的传动轴与双带轮同步带传动组中的副带轮轴同轴传动连接。
[0022] 此外，作为本发明的其它种实施方式，码垛手连接机构的码垛手自旋转驱动也可采用与码垛手支撑臂轴杆系结构方式来实现。
[0023] 采用本发明所述码垛手腕的一种码垛机器人(四轴关节型码垛机器人)工作结构如图2所示。底座1为码垛机器人的安装载体，固定于地基基础上；腰旋转体2安装于底座1上，其余各构件直接或间接均安装于腰旋转体2上；腰旋转体伺服驱动系统D1驱动腰旋转体2，通过腰旋转体伺服驱动系统D1驱动腰旋转体2绕底座1旋转；第一机械臂伺服驱动系统D2驱动第一机械臂11与伺服驱动系统D2同轴旋转；第二机械臂伺服驱动系统D3与第一机械臂伺服驱动系统D2同轴线布置，并通过驱动第二机械臂驱动杆一3、第二机械臂驱动杆二4实现第二机械臂10绕第一机械臂11上铰接支点旋转；手腕本体8左侧铰接安装于第二机械臂
10末端，手腕本体8上部与手腕位姿连杆二7末端绞接连接，并依靠手腕位姿连杆一5、手腕位姿中间过渡连杆6、手腕位姿连杆二7保持手腕本体8在码垛机器人任意工作状态下的水平位姿不变；本发明所述的腕部码垛机械手驱动连接机构9固定在手腕本体8上，码垛手系统S1连接在腕部码垛机械手驱动连接机构9下方。
[0024] 为彰显本发明的实际价值所在，设计者将通过下述的两个方面阐述本发明实例在码垛机器人上的应用。
[0025] 一、末端执行器的位姿轨迹分析：一般码垛机器人末端执行器的位姿全轨迹为中空苹果球状，亦可理解为铅垂截面上近似肾型剖面绕底座中心轴线回转所扫掠而成。本码垛机器人除具有此共性特质，由于在手腕本体8上增加腕部码垛机械手驱动连接机构9，使得末端执行器的位姿轨迹适度扩展。仅从以下两个特定情况的描述、分析即可窥其全貌而得到结论：
[0026] 1、当腰旋转体伺服驱动系统D1、第一机械臂伺服驱动系统腕部D2和第二机械臂伺服驱动系统D3处于工作状态，而码垛机械手驱动连接机构9处于非工作状态(即锁蔽状态)时，码垛手系统S1位姿轨迹为理论设计的中空苹果型球状；
[0027] 2、当腰旋转体伺服驱动系统D1、第一机械臂伺服驱动系统腕部D2和第二机械臂伺服驱动系统D3处于非工作状态(即锁蔽状态)，而仅码垛机械手驱动连接机构9处于工作状态时，码垛手系统S1位姿轨迹为水平平面内半径为L的圆弧线。
[0028] 从以上两点看出，当所有伺服驱动同时工作时，其轨迹较一般码垛机器人会有明显变化。
[0029] 二、码垛机器人的工况分析：由于在手腕本体8上增加腕部码垛机械手驱动连接机构9，在码垛机器人各构成单元已完全确定时：a)通过调节腕部码垛机械手驱动连接机构9输出码垛手连接座906位置绕主传动轴909转动并使码垛手系统S1由图2中的右侧位置移转至左侧位置时，无形中等于缩短了第二机械臂10，抓码同等载荷其所需驱动功率将大幅降低，且码垛机器人各构成单元受力情况亦有所改善；b)在不增加码垛机器人关节轴数量(即不增加驱动动力)情况下,等效成五轴关节型码垛机器人。
