本发明提供了一种五自由度机器人末端传动机构，该机构具有两个转轴线正交的旋转关节和两台并排后置的伺服电机，其中：第一伺服电机通过一套谐波减速器组件减速后经一对直齿轮将动力传递给第一旋转关节，使其作旋转运动，第一旋转为中空结构，直齿轮采用错齿结构以消除回转间隙；第二伺服电机驱动一根通过第一旋转关节内部且与第一旋转关节同轴的传动轴，经一对锥齿轮正交传动，随后通过第二套谐波减速器组件减速，驱动末端输出轴，第二伺服电机轴线与第一伺服电机轴线平行。本发明所述传动机构可压缩机器人末端占用的空间，使其结构紧凑，传动精确可靠且具有较大的转动范围。
1.一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，包括第一伺服电机、第二伺服电机，由第一谐波减速器、主动直齿轮、从动直齿轮和空心传动轴构成的第一传动组件，由传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、转接轴、第二谐波减速器构成的第二传动组件，末端输出轴，以及由箱体外壳、锥齿轮组外壳、末端谐波外壳构成的外壳，其中：所述第一伺服电机安放在箱体外壳上，其输出端连接第一谐波减速器，主动直齿轮固连在第一谐波减速器的输出端上并与从动直齿轮啮合，从动直齿轮与空心传动轴固连，第二伺服电机采用后置方案，与所述第一伺服电机并行排列，也安装在箱体外壳上，其输出端连接传动轴，主动锥齿轮固连在传动轴的末端并与从动锥齿轮啮合，转接轴与从动锥齿轮固连，同时转接轴连接在第二谐波减速器的输入端；末端输出轴连接在第二谐波减速器的末端，锥齿轮组外壳与空心传动轴固连并随空心传动轴转动，末端谐波外壳固连在锥齿轮组外壳上；
所述箱体外壳、空心传动轴和从动直齿轮构成第一旋转关节，从动直齿轮与空心传动轴一起相对于箱体外壳转动，从而实现第一旋转关节的运动；末端谐波外壳和末端输出轴构成第二旋转关节，末端输出轴相对于末端谐波外壳旋转，从而实现第二旋转关节的运动；
第一旋转关节、第二旋转关节正交；第一伺服电机通过第一传动组件驱动第一旋转关节并带动第二旋转关节整体随之运动，第二伺服电机通过第二传动组件驱动第二旋转关节；所述第二伺服电机采用后置方案而非与第二谐波减速器直接相连，因此不受第一旋转关节运动影响，也降低了第一旋转关节的负载；
所述第二伺服电机不动的情况下，与第二伺服电机连接的传动轴以及传动轴末端的主动锥齿轮也不旋转，所述第二旋转关节整体随第一旋转关节运动，转接轴与从动锥齿轮会被迫绕第一旋转关节的旋转轴转动，因从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，产生自转并带动转接轴旋转，使得末端输出轴也产生运动；此时控制第二伺服电机旋转，使第二伺服电机在第一伺服电机每转一圈的同时沿同方向转动一个修正量，该修正量的大小为直齿轮组传动比与第一谐波减速器的减速比之商。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的第一伺服电机通过第一传动组件驱动第一旋转关节，即：所述第一伺服电机驱动第一谐波减速器，经第一谐波减速器减速后，由固定于第一谐波减速器的输出端的主动直齿轮传递给与之啮合的从动直齿轮，从而将动力传递给与从动直齿轮固连的空心传动轴，空心传动轴带动与其固连的锥齿轮组外壳，以及与锥齿轮组外壳固连的末端谐波外壳，传动完成，第一旋转关节开始旋转运动，并带动第二旋转关节整体随第一旋转关节运动。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的第二伺服电机通过第二传动组件驱动第二旋转关节，即：第二伺服电机直接驱动传动轴，动力经装在传动轴末端的主动锥齿轮和装在转接轴上的从动锥齿轮正交传动后带动转接轴，进而传递给与转接轴连接的第二谐波减速器，通过第二谐波减速器减速后，驱动连接在第二谐波减速器末端的末端输出轴，传动完成；所述第二旋转关节绕所述末端输出轴的轴线作旋转运动。
4.根据权利要求1所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的第一旋转关节与第二旋转关节进行联动，即：控制第一伺服电机旋转，通过第一谐波减速器减速，再经主动直齿轮、从动直齿轮传动带动空心传动轴以及与空心传动轴固连的各部件旋转；同时控制第二伺服电机旋转以驱动传动轴，经过主动锥齿轮、从动锥齿轮传动带动转接轴，再通过第二谐波减速器带动末端输出轴。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的主动直齿轮采用分片错齿结构，形状为两个叠在一起的薄片齿轮，通过调整两片薄片齿轮轻微错位以实现与从动直齿轮的紧密啮合，消除回转间隙，保证传动精确和平稳。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的传动轴从空心传动轴的空心内部穿过且与空心传动轴共轴线；所述的转接轴与传动轴正交。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的第一旋转关节的旋转轴轴线为空心传动轴的轴心线；所述的第二旋转关节的旋转轴轴线为末端输出轴的轴心线。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种五自由度机器人末端传动机构，其特征在于，所述的空心传动轴与箱体外壳之间、所述的传动轴与空心传动轴之间、所述的第一谐波减速器输出端与箱体外壳之间、所述的末端输出轴与末端谐波外壳之间、所述的转接轴与锥齿轮组外壳之间都通过轴承连接及支撑，以保证旋转运动平滑可靠。
一种五自由度机器人末端传动机构
技术领域
[0001] 本发明涉及工业机器人技术领域，具体地，涉及一种五自由度串联型机器人末端传动机构。
背景技术
[0002] 工业机器人的末端关节结构对机器人的控制性、实用性和可操作性影响较大。工业机器人的末端传动机构设计，是工业机器人结构设计的重点。对于一个五自由度的工业机器人，在考虑成本的前提下为保证其满足响应快、定位精度好的要求，简单的方案是在四轴SCARA机器人的基础上增加一个自由度。但若将机器人的末端关节的驱动部分放在末端附近，会增大机器人的末端尺寸，增加机器人正常工作的难度。而采用电机后置的设计则可构成结构较为紧凑的机械手末端，但这样也需要同时对机器人的关节排列作出调整。
[0003] 基于以上问题，考虑使用一种类似SCARA机器人的装置。为了不影响末端传动结构分布，需要将上下移动的部分放在第一关节。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种五自由度机器人末端传动机构，该机器人结构紧凑，传动精确可靠，而且转动灵活，在不考虑负载的情况下，末端两个关节都可以做到无限回转。
[0005] 为实现以上目的，本发明提供一种五自由度机器人末端传动机构，包括第一伺服电机、第二伺服电机，由第一谐波减速器、主动直齿轮、从动直齿轮和空心传动轴构成的第一传动组件，由传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、转接轴、第二谐波减速器构成的第二传动组件，末端输出轴，以及由箱体外壳、锥齿轮组外壳、末端谐波外壳构成的外壳，其中：所述第一伺服电机安放在箱体外壳上，其输出端连接第一谐波减速器，主动直齿轮固连在第一谐波减速器的输出端上并与从动直齿轮啮合，从动直齿轮与空心传动轴固连，第二伺服电机采用后置方案，与所述第一伺服电机并行排列，也安装在箱体外壳上，其输出端连接传动轴，主动锥齿轮固连在传动轴的末端并与从动锥齿轮啮合，转接轴与从动锥齿轮固连，同时转接轴连接在第二谐波减速器减速的输入端；末端输出轴连接在第二谐波减速器的末端，锥齿轮组外壳与空心传动轴固连并随空心传动轴转动，末端谐波外壳固连在锥齿轮组外壳上；
[0006] 所述箱体外壳、空心传动轴和从动直齿轮构成第一旋转关节，从动直齿轮与空心传动轴一起相对于箱体外壳转动，从而实现第一旋转关节的运动；末端谐波外壳和末端输出轴构成第二旋转关节，末端输出轴相对于末端谐波外壳旋转，从而实现第二旋转关节的运动；第一旋转关节、第二旋转关节正交；第一伺服电机通过第一传动组件驱动第一旋转关节并带动第二旋转关节整体随之运动，第二伺服电机通过第二传动组件驱动第二旋转关节；所述第二伺服电机采用后置方案而非与第二谐波减速器直接相连，因此可以不受第一旋转关节运动影响，也降低了第一旋转关节的负载。
[0007] 优选地，所述的第一伺服电机通过第一传动组件驱动第一旋转关节，具体的：所述第一伺服电机驱动第一谐波减速器，经第一谐波减速器减速后，由固定于第一谐波减速器的输出端的主动直齿轮传递给与之啮合的从动直齿轮，从而将动力传递给与从动直齿轮固连的空心传动轴，空心传动轴带动与其固连的锥齿轮组外壳，以及与锥齿轮组外壳固连的末端谐波外壳，传动完成，第一旋转关节开始旋转运动，并带动第二旋转关节整体随第一旋转关节运动。
[0008] 优选地，在所述第二伺服电机不动的情况下，与第二伺服电机连接的传动轴以及传动轴末端的主动锥齿轮也不旋转，所述第二旋转关节整体随第一旋转关节运动，转接轴与从动锥齿轮会被迫绕第一旋转关节的旋转轴转动，因从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，产生自转并带动转接轴旋转，使得末端输出轴也产生运动；此时控制第二伺服电机旋转，使第二伺服电机在第一伺服电机每转一圈的同时沿同方向转动一个修正量，该修正量的大小为直齿轮组传动比与第一谐波减速器的减速比之商。
[0009] 优选地，所述的第二伺服电机通过第二传动组件驱动第二旋转关节，具体的：第二伺服电机直接驱动传动轴，动力经装在传动轴末端的主动锥齿轮和装在转接轴上的从动锥齿轮正交传动后带动转接轴，进而传递给与转接轴连接的第二谐波减速器减，通过第二谐波减速器减速后，驱动连接在第二谐波减速器末端的末端输出轴，传动完成；所述第二旋转关节绕所述末端输出轴的轴线作旋转运动。
[0010] 优选地，所述的第一旋转关节与第二旋转关节进行联动，即：控制第一伺服电机旋转，通过第一谐波减速器减速，再经主动直齿轮、从动直齿轮传动带动空心传动轴以及与空心传动轴固连的各部件旋转；同时控制第二伺服电机旋转以驱动传动轴，经过主动锥齿轮、从动锥齿轮传动带动转接轴，再通过第二谐波减速器带动末端输出轴。
[0011] 优选地，所述的主动直齿轮采用分片错齿结构，形状为两个叠在一起的薄片齿轮，通过调整两片薄片齿轮轻微错位以实现与从动直齿轮的紧密啮合，消除回转间隙，保证传动精确和平稳。
[0012] 优选地，所述的传动轴从空心传动轴的空心内部穿过且与空心传动轴共轴线；所述的转接轴与传动轴正交。
[0013] 优选地，所述的第一旋转关节的旋转轴为空心传动轴的轴心线；所述的第二旋转关节的旋转轴为末端输出轴的轴心线。
[0014] 优选地，所述的空心传动轴与箱体外壳之间、所述的传动轴与空心传动轴之间、所述的第一谐波减速器输出端与箱体外壳之间、所述的末端输出轴与末端谐波外壳之间、所述的转接轴与锥齿轮组外壳之间都通过轴承连接及支撑，以保证旋转运动平滑可靠。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0016] 本发明所述的一种五自由度机器人末端传动机构，采用电机后置方案，使其末端具有较小的外形，通过一系列传动装置将动力传递至相应关节，保证结构上的紧凑性，降低其对工作条件的要求，传动精确可靠而且转动灵活。在不考虑负载的情况下，末端两个关节都可以做到无限回转。
附图说明
[0017] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0018] 图1为本发明一实施例机构整体结构框图；
[0019] 图2为本发明一实施例的第一旋转关节结构示意图；
[0020] 图3为本发明一实施例的第二旋转关节结构示意图；
[0021] 图中：第一伺服电机1、箱体外壳2、第二伺服电机3、第一谐波减速器4、第一深沟球轴承5、第一角接触球轴承6、空心传动轴7、从动直齿轮8、传动轴9、第二角接触球轴承10、第三角接触球轴承11、第二深沟球轴承12、第三深沟球轴承13、谐波输出端14、主动直齿轮15；锥齿轮组外壳16、第四角接触球轴承17、主动锥齿轮18、第二谐波减速器19、末端输出轴20、第四深沟球轴承21、末端谐波外壳22、第五深沟球轴承23、第六深沟球轴承24、从动锥齿轮
25、转接轴26、第七深沟球轴承27。
具体实施方式
[0022] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0023] 如图1和图2所示，本实施例提供一种五自由度机器人末端传动机构，包括：第一伺服电机1、箱体外壳2、第二伺服电机3、第一谐波减速器4、空心传动轴7、从动直齿轮8、传动轴9、谐波输出端14、主动直齿轮15、锥齿轮组外壳16、主动锥齿轮18、第二谐波减速器19、末端输出轴20、末端谐波外壳22、从动锥齿轮25和转接轴26，其中：
[0024] 第一谐波减速器4、空心传动轴7、从动直齿轮8、谐波输出端14和主动直齿轮15构成第一传动组件；传动轴9、主动锥齿轮18、第二谐波减速器19、从动锥齿轮25、转接轴26构成第二传动组件；
[0025] 箱体外壳2、空心传动轴7和从动直齿轮8构成第一旋转关节，从动直齿轮8与空心传动轴7一起相对于箱体外壳2转动，实现第一旋转关节的运动；末端输出轴20和末端谐波外壳22构成第二旋转关节，末端输出轴20相对于末端谐波外壳22旋转，实现第二旋转关节的运动；第一伺服电机1通述第一传动组件驱动第一旋转关节，第二伺服电机3通过第二传动组件驱动第二旋转关节。
[0026] 上述部件之间的连接关系为：
[0027] 第一伺服电机1、第二伺服电机3并排后置，即第一、第二伺服电机1、3平行安放在箱体外壳2上；第一伺服电机1的输出端连接第一谐波减速器4，谐波输出端14固定在第一谐波减速器4的输出端，主动直齿轮15固连在谐波输出端14上并与从动直齿轮8啮合，从动直齿轮8与空心传动轴7固连；
[0028] 第二伺服电机3的输出端与传动轴9连接，主动锥齿轮18固连在传动轴9末端并与从动锥齿轮25啮合，转接轴26与从动锥齿轮25固连，转接轴26连接在第二谐波减速器减速19的输入端，末端输出轴20连接在第二谐波减速器减速19末端；
[0029] 锥齿轮组外壳16与空心传动轴7固连并随空心传动轴7转动，末端谐波外壳22固连在锥齿轮组外壳16上。
[0030] 本实施例中，所述的传动轴9从空心传动轴7的空心内部穿过，且与空心传动轴7共轴线；所述的转接轴26与传动轴9正交。
[0031] 本实施例中，所述的第一旋转关节的旋转轴为空心传动轴7的轴心线；所述的第二旋转关节的旋转轴为末端输出轴20的轴心线。
[0032] 作为一个优选实施方式，所述的第一伺服电机1通述第一传动组件驱动第一旋转关节，具体传动情况为：
[0033] 第一伺服电机1驱动第一谐波减速器4，经第一谐波减速器4减速后，由固定于第一谐波减速器4的输出端的谐波输出端14输出，主动直齿轮15连接在谐波输出端14上并与从动直齿轮8啮合，从而将动力传递给与从动直齿轮8连接的空心传动轴7，空心传动轴7带动与其固连的锥齿轮组外壳16，以及与锥齿轮组外壳16固连的末端谐波外壳22，传动完成，第一旋转关节开始旋转运动并带着第二旋转关节整体随第一旋转关节运动。
[0034] 作为一个优选实施方式，所述的第二伺服电机3通过第二传动组件驱动第二旋转关节，具体传动情况为：
[0035] 第二伺服电机3直接驱动传动轴9，动力经装在传动轴9末端的主动锥齿轮18和装在转接轴26上的从动锥齿轮25正交传动后带动转接轴26，进而通过第二谐波减速器19减速后，驱动末端输出轴20，传动完成；所述第二旋转关节绕末端输出轴20的轴线作旋转运动。
[0036] 作为一个优选实施方式，所述的第一旋转关节中，由于传动链为电机-谐波减速器-直齿轮，为了消除回转间隙，使关节运动精确可靠，需要消除齿轮传动的齿隙，因此使用消隙齿轮传动，即所述的主动直齿轮15采用分片错齿结构，其具体形状为两个叠在一起的薄片齿轮，如图2所示，通过调整两片薄齿轮轻微错位，实现与从动直齿轮组紧密啮合。
[0037] 作为一个优选实施方式，所述的谐波输出端14与箱体外壳2之间通过第二深沟球轴承12、第三深沟球轴承13连接和支撑，可以自由相对转动；所述的空心传动轴7与箱体外壳2之间通过第一角接触球轴承6、第二角接触球轴承10连接和支撑，可以自由相对转动。
[0038] 作为一个优选实施方式，所述的传动轴9与空心传动轴7之间通过第一深沟球轴承5、第三角接触球轴承11、第四角接触球轴承17连接和支撑，可以自由相对转动。
[0039] 作为一个优选实施方式，所述的转接轴26与锥齿轮组外壳16之间通过第六深沟球轴承24、第七深沟球轴承27连接和支撑，可作相对转动；所述的末端输出轴20与末端谐波外壳22之间通过第四深沟球轴承21、第五深沟球轴承23连接和支撑，可作相对转动。
[0040] 作为一个优选实施方式，所述的第一旋转关节旋转带动第二旋转关节整体随之运动，由图2所示，此时转接轴26与从动锥齿轮25会被迫绕第一旋转关节的旋转轴转动，从动锥齿轮25与主动锥齿轮18啮合产生自转，并带动转接轴26旋转，使得末端输出轴20也产生运动。该运动是额外产生的，需要加以修正。修正的方法为：控制第二伺服电机3旋转，使第二伺服电机3在第一伺服电机1每转1圈的同时，沿同方向转动一个修正量。该修正量的大小为直齿轮组传动比与第一谐波减速器4的减速比之商。
[0041] 综上，要使所述传动机构进行联动，则：控制第一伺服电机1旋转，通过第一谐波减速器4减速，再经主动直齿轮15、从动直齿轮8传动，带动空心传动轴7以及与空心传动轴7固连的各部件旋转；同时控制第二伺服电机3旋转，使第二伺服电机3驱动传动轴9，经过主动锥齿轮18、从动锥齿轮25传动带动转接轴26，再通过第二谐波减速器19带动末端输出轴20。
[0042] 作为一个优选实施方式，所述传动机构的设计参数为：第一谐波减速器4及第二谐波减速器19减速比均为80，直齿轮组传动比为1.25，锥齿轮组传动比为1，从而第二伺服电机3的控制转速为末端期望转速乘以80再加上第一伺服电机1转速的六十四分之一。当然，在其他实施例中也可以采用其他的设计参数，这不影响本发明的实质。
[0043] 本发明采用电机后置方案，使其末端具有较小的外形，通过一系列传动装置将动力传递至相应关节，保证结构上的紧凑性，降低其对工作条件的要求，传动精确可靠而且转动灵活。在不考虑负载的情况下，末端两个关节都可以做到无限回转。
[0044] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
