一种高负载多关节机器人及其控制方法

1.本发明涉及机器人传动控制技术领域，尤其是具有高负载、大工作空间的多关节机器人及其控制方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展和工业技术的提高，越来越多的工业机器人被广泛应用于生产实践中，机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，手工操作相比有着明显的优势，采用机器人代替手工作业既可以提高产品的质量和产量，提高劳动生产率以及降低生产成本，又能保障人身安全，改善劳动环境。近年来，随着机器人技术的发展，应用长距离操作、高负载的机器人结构受到工业、国防、航空航天等领域的关注。
3.传统的机器人中，由于关节轴的布局形式，机器人工作过程中，根部各关节需要很大的驱动力来克服机器人自身重量的影响。当需要大工作空间时，由于机器人体型庞大，大部分的输入功率都用于克服机器人自身重量，而有效的输出功率却非常有限。这就造成机器人的制造成本和使用成本居高不下，为此，有必要设计一种具有高负载、大工作空间的低成本机器人以满足在特定工作环境下的使用要求。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，解决上述现有技术的问题。本发明旨在于设计一种可以在高负载、重量轻、工作空间大且耗能低的多关节机器人及其控制方法，各旋转臂既能独立运动，又可协同运动，可使机器人在较大的工作空间内完成任意轨迹和角度的工作。具有较高的有效负载和较大的工作空间，同时兼有可收纳、结构简单、成本低廉等优点。
5.本发明是通过下述技术方案来实现的。
6.本发明一方面，提供了一种高负载多关节机器人，包括设于机座上的至少五个旋转臂和五个关节轴，五个关节轴包括三个竖直关节轴和两个水平关节轴；
7.接近机座的各旋转臂通过三个竖直关节轴在水平面旋转运动，接近末端的各旋转臂通过两个水平关节轴在竖直面内旋转运动；
8.通过设于靠近机座的旋转臂上的电机及减速器带动多级传动机构，控制竖直关节轴旋转，以及通过电机及减速器、多级传动机构、转向减速器、滚珠丝杠和连杆机构控制水平关节轴的旋转，每个关节轴带动一个旋转臂运动。
9.上述方案中，所述第一旋转臂通过第一关节轴连接在机座上，第一关节轴与第一旋转臂之间固定连接，第一旋转臂相对于机座在水平面内自由转动；
10.第二旋转臂通过第二关节轴串联连接在第一旋转臂的末端，第二关节轴与第二旋转臂之间固定连接，第二旋转臂相对于第一旋转臂在水平面内自由转动；
11.第三旋转臂通过第三关节轴连接在第二旋转臂的末端，第三关节轴与第三旋转臂之间固定连接，第三旋转臂相对于第二旋转臂在水平面内自由转动；
12.第四旋转臂通过第四关节轴连接在第三旋转臂的末端，第四关节轴与第四旋转臂
之间固定连接，第四旋转臂相对于第三旋转臂在竖直面内自由转动；
13.第五旋转臂通过第五关节轴连接在第四旋转臂的末端，第五关节轴与五旋转臂之间固定连接，第五旋转臂相对于第四旋转臂在竖直面内自由转动。
14.上述方案中，第一、第二和第三旋转臂之间通过级联皮带进行动力传递，各竖直关节轴上均安装有可相对于竖直关节轴自由转动的双联带轮和与竖直关节轴固定连接的大带轮，双联带轮用于多级带传动中动力传递的过度，大带轮用于驱动竖直关节轴的转动；
15.第三旋转臂上安装有转向减速器、滚珠丝杠和丝杠滑块，通过连杆机构驱动第四旋转臂和第五旋转臂运动。
16.上述方案中，第一旋转臂基座上固定第一关节轴和五个电机及减速器，第一关节轴上固定安装有第一大带轮和三个间隔盘，三个间隔盘分层安装四个双联带轮轴，双联带轮轴在间隔盘上自由转动，但相对于第一旋转臂的空间位置不变。
17.上述方案中，五个电机及减速器分别安装在第一旋转臂基座后部，各电机及减速器上分别设有一个小带轮，各小带轮上分别连接有一个带轮皮带；第三电机及减速器通过第三带轮皮带连接第一大带轮转动，驱动第一关节轴转动；
18.在间隔盘和第一旋转臂的端面间安装有四个双联带轮轴，双联带轮轴在间隔盘上自由转动，但相对于第一旋转臂的空间位置不变，双联带轮轴为前一级带传动的从动轮轴和下一级带传动的主动轮轴。
19.上述方案中，在第二关节轴和第三关节轴竖直关节轴上安装有大带轮和双联带轮；大带轮与竖直关节轴之间固定连接，大带轮驱动竖直关节轴转动；双联带轮相对于竖直关节轴自由转动，为前一级带传动的从动轮和下一级带传动的主动轮。
20.上述方案中，所述第三旋转臂上端前后两侧安装有转向减速器和滚珠丝杠；转向减速器的输入端通过安装小带轮接收动力和转矩，输出端与滚珠丝杠相连；
21.前侧滚珠丝杠上的丝杠滑块与一个连杆铰接，该连杆另一侧与三角板的一个角铰接，其余两角分别与第四旋转轴和第四旋转臂铰接，使三角板的一个边与第四旋转臂保持相对固定；
22.后侧滚珠丝杠上的丝杠滑块与另一连杆铰接，该连杆另一端与由其它连杆和旋转臂之间构成的四边形机构铰接。
23.上述方案中，第一、二、三旋转臂在高度方向交错布置，可折叠收纳。
24.上述方案中，在第五旋转臂末端安装末端执行器。
25.本发明另一方面，提供了一种所述高负载多关节机器人的控制方法，包括：
26.第一电机及减速器通过第三小带轮、第三带轮皮带、第一大带轮组成的一级带传动将动力和转矩传递至第一关节轴，并带动第一旋转臂运动；
27.第四电机及减速器通过第四小带轮、第四带轮皮带、第四双联带轮轴、第四传输皮带、第二大带轮组成的二级带传动将动力和转矩传递至第二关节轴，并带动第二旋转臂运动；
28.第五电机及减速器通过第五小带轮、第五带轮皮带、第三双联带轮轴、第三传输皮带、第三双联带轮、第六传输皮带、第三大带轮组成的三级带传动将动力和转矩传递至第三关节轴，并带动第二旋转臂运动；
29.第二电机及减速器通过第二小带轮、第二带轮皮带、第二双联带轮轴、第一传输皮
带、第二双联带轮、第九传输皮带、第四双联带轮、第六小带轮组成的四级带传动将动力和转矩传递至第一转向减速器，通过第一转向减速器、第一滚珠丝杠和第一丝杠滑块将回转运动转换为线性运动，第一丝杠滑块的线性运动通过第二连杆带动三角板绕第四关节轴转动，同时带动第四旋转臂绕第四关节轴转动；
30.第一电机及减速器通过第一小带轮、第一带轮皮带、第一双联带轮轴、第二传输皮带、第一双联带轮、第五传输皮带、第五双联带轮、第七小带轮组成的四级带传动将动力和转矩传递至第二转向减速器，通过第二转向减速器、第二滚珠丝杠和第二丝杠滑块将回转运动转换为线性运动，第二丝杠滑块的线性运动通过第三连杆和由第四连杆、第一连杆、第五旋转臂和第四旋转臂组成的四边形机构进而带动第五旋转臂绕第五关节轴转动。
31.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
32.在水平面内运动的第一、二、三旋转臂的控制传动方式以带传动为主，带传动可以在较大的轴间距和多轴间传递动力，由于第一、二、三旋转臂在水平面内运动时，电机输出转矩的方向与负载力矩的方向相互垂直，这使控制第一、二、三旋转臂运动的电机无需输出较多的额外转矩，便于控制。同时带传动的这一优点可满足本发明中电机均布置在机座同一侧的需求。
33.由于第四关节轴和第五关节轴在高负载作业时需要承担更大的扭矩，电机也需提供更大的动力，在本发明中由于电机均布置在第一旋转臂内部的同一侧而非关节处，这样可以在机器人工作时能减轻臂的自重，提供更多的有效负载，同时在电机选型时，可解除电机尺寸和质量带来的限制，尽可能选择输出功率较大的电机，使机器人在高负载工作时有更优异的性能。
34.本发明高负载多关节机器人包含至少三个竖直关节和两个水平关节，可完成大工作空间内任意轨迹和角度的动作，操作距离远。
35.本发明电机的合理布置可减轻旋转臂的自重，且在电机选型时无过多限制，可提高机器人的有效负载，可以满足复杂环境下的高负载作业。
36.本发明控制传动方式中以带传动居多，结构简单紧凑，便于结构设计。
37.本发明高负载多关节机器人可以折叠收纳，便于运输。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
39.图1为本发明实施例提供的高负载作业的多关节机器人系统结构示意图。
40.图2为本发明实施例提供的第一关节轴处的内部传动结构示意图。
41.图3为本发明实施例提供的第一关节轴处的部分结构示意图。
42.图4为本发明实施例提供的一个间隔盘的结构示意图。
43.图5为本发明实施例提供的第二关节轴和第三关节轴处的内部传动结构示意图。
44.图6为本发明实施例提供的第四和第五关节轴处的传动结构示意图(前视图)。
45.图7为本发明实施例提供的第四和第五关节轴处的传动结构示意图(后视图)。
46.附图标记：1.第一旋转臂；2.第二旋转臂；3.第三旋转臂；4.第四旋转臂；5.第五旋转臂；6.第一关节轴；7.第二关节轴；8.第三关节轴；9.第四关节轴；10.第五关节轴；11.机
座；12.第一大带轮；13.第一间隔盘；14.第一传输皮带；15.第二传输皮带；16.第一双联带轮轴；17.第二间隔盘；18.第二双联带轮轴；19.第一带轮皮带；20.第一小带轮；21.第一电机及减速器；22.第二带轮皮带；23.第二电机及减速器；24.第二小带轮；25.第三带轮皮带；26.第三小带轮；27.第三电机及减速器；28.第四小带轮；29.第四电机及减速器；30.第四带轮皮带；31.第五小带轮；32.第五电机及减速器；33.第五带轮皮带；34.第三双联带轮轴；35.第三间隔盘；36.第三传输皮带；37.第四双联带轮轴；38.第四传输皮带；39.第五传输皮带；40.第一双联带轮；41.第二双联带轮；42.第二大带轮；43.第三双联带轮；44.第六传输皮带；45.第三大带轮；46.第一滚珠丝杠；47.第一转向减速器；48.第六小带轮；49.第七小带轮；50.第七传输皮带；51.第八传输皮带；52.第四双联带轮；53.第五双联带轮；54.第九传输皮带；55.第一连杆；56.三角板；57.第二连杆；58.第三连杆；59.第一丝杠滑块；60.第二转向减速器；61.第二滚珠丝杠；62.第二丝杠滑块；63.第四连杆。
具体实施方式
47.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
48.如图1所示，本实施例中一种高负载多关节机器人，包括设于机座11上的五个旋转臂和五个关节轴，五个关节轴包括三个竖直关节轴和两个水平关节轴。接近底座的关节第一关节轴6、第二关节轴7和第三关节轴8为竖直关节轴，可保证接近机座的各旋转臂均在水平面的旋转运动；第四关节轴9和第五关节轴10为水平关节轴，可保证接近末端的各旋转臂在竖直面内旋转运动。
49.如图1所示，第一旋转臂1通过第一关节轴6安装在机座11上，使第一旋转臂1可相对于机座11在水平面内自由转动；第二旋转臂2通过第二关节轴7串联安装在第一旋转臂1的末端，使第二旋转臂2可相对于第一旋转臂1在水平面内自由转动；第三旋转臂3通过第三关节轴8串联安装在第二旋转臂2的末端，使第三旋转臂3可相对于第二旋转臂2在水平面内自由转动；第四旋转臂4通过第四关节轴9串联安装在第三旋转臂3的末端，使第四旋转臂2可相对于第三旋转臂3在竖直面内自由转动；第五旋转臂5通过第五关节轴10串联安装在第四旋转臂4的末端，使第五旋转臂5可相对于第四旋转臂4在竖直面内自由转动。
50.如图2、3、4所示，第一旋转臂1基座上固定第一关节轴6和五个电机：第一、第二、第三、第四、第五电机及减速器21、23、27、29和32，第一关节轴6上固定安装有第一大带轮12和三个间隔盘：第一、第二、第三间隔盘13、17和35，第一大带轮12固定在第一关节轴6中部，第一大带轮12用以驱动第一关节轴6的转动；三个间隔盘13、17和35位于大带轮12上下侧，分层安装四个双联带轮轴：第一、第二、第三、第四双联带轮轴16、18、34和37；其中，双联带轮轴16、18、34和37可在间隔盘上自由转动，但相对于第一旋转臂1的空间位置不变。
51.第一、第二、第三、第四、第五电机及减速器21、23、27、29和32分别安装在第一旋转臂1基座后部，各电机及减速器上分别设有第一、第二、第三、第四、第五小带轮20、24、26、28、31，各小带轮上分别连接有第一、第二、第三、第四、第五带轮皮带19、22、25、30、33。
52.第三电机及减速器27通过第三带轮皮带25连接第一大带轮12转动，第一电机及减速器21通过第一带轮皮带19连接第一双联带轮轴16转动，第二电机及减速器23通过第二带轮皮带22连接第二双联带轮轴18转动，第四电机及减速器29通过第四带轮皮带30连接第四
双联带轮轴37转动。第一、第二、第三、第四双联带轮轴16、18、34和37上分别进一步连接第二、第一、第三、第四传输皮带15、14、36、38。
53.如图1、5所示，第二关节轴7上安装有第二大带轮42和三个双联带轮：第一、第二、第三双联带轮40、41和43，第二大带轮42轴向固定在第二关节轴7上，用以驱动第二关节轴7的转动；第一、第二、第三双联带轮40、41和43分别连接第二、第一、第三、第四传输皮带15、14、36、38。第一、第二、第三双联带轮40、41和43可相对于第二关节轴7自由转动，用以在多级带传动中传递动力。
54.在第三关节轴8上安装有第三大带轮45和两个双联带轮：第四、第五双联带轮52和53，第一、第二、第三双联带轮40、41和43分别连接第五、第九、第六传输皮带39、54、44，第五、第九、第六传输皮带39、54、44分别连接第四、第五双联带轮52、53和第三大带轮45。第四、第五双联带轮52和53进一步通过第七、第八传输皮带50、51连接第六、第七小带轮48、49。第四、第五双联带轮52和53可相对于第三关节轴8自由转动；第三大带轮45用以驱动第三关节轴8的转动。
55.如图1、5、6、7所示，第三旋转臂3上端的前后两侧安装有第一、第二转向减速器47、60和第一、第二滚珠丝杠46和61。
56.第六小带轮48固定安装在第一转向减速器47的输入轴上，第一转向减速器47的输出端接第一滚珠丝杠46；第七小带轮49固定安装在第二转向减速器60的输入轴上，第二转向减速器60的输出端接第二滚珠丝杠61。
57.第一滚珠丝杠46上设有第一丝杠滑块59，第一丝杠滑块59与第二连杆57铰接，第二连杆57另一端铰接三角板56的一个角，三角板56上其余两角分别铰接在第四旋转轴9和第四旋转臂4上，使三角板56上一条边与第四旋转臂4保持相对固定。
58.第二滚珠丝杠61上设有第二丝杠滑块62，第二丝杠滑块62与第三连杆58铰接，第三连杆58另一端与第一连杆55的一端和第四连杆63的一端铰接，第一连杆55另一端与第五旋转臂5铰接。
59.在第五旋转臂末端安装末端执行器。
60.进一步，第一、二、三旋转臂在高度方向交错布置，可折叠收纳。可根据具体的工作需求，以类似的传动控制方法增加水平关节和竖直关节的个数。
61.本发明高负载多关节机器人的控制方法，包括以下过程：
62.1.第一电机及减速器27输出动力和转矩，通过第三小带轮26——第三带轮皮带25——第一大带轮12组成的一级带传动将动力和转矩传递至第一关节轴6，并带动第一旋转臂1运动。
63.2.第四电机及减速器29输出动力和转矩，通过第四小带轮28——第四带轮皮带30——第四双联带轮轴37——第四传输皮带38——第二大带轮42组成的二级带传动将动力和转矩传递至第二关节轴7，并带动第二旋转臂2运动。
64.3.第五电机及减速器32输出动力和转矩，通过第五小带轮31——第五带轮皮带33——第三双联带轮轴34——第三传输皮带36——第三双联带轮43——第六传输皮带44——第三大带轮45组成的三级带传动将动力和转矩传递至第三关节轴8，并带动第二旋转臂4运动。
65.4.第二电机及减速器23输出动力和转矩，通过第二小带轮24——第二带轮皮带
22——第二双联带轮轴18——第一传输皮带14——第二双联带轮41——第九传输皮带54——第四双联带轮52——第六小带轮48组成的四级带传动将动力和转矩传递至第一转向减速器47，通过第一转向减速器47、第一滚珠丝杠46和第一丝杠滑块59将回转运动转换为线性运动，第一丝杠滑块59的线性运动通过第二连杆57带动三角板56绕第四关节轴9转动，同时带动第四旋转臂4绕第四关节轴9转动。
66.5.第一电机及减速器21输出动力和转矩，通过第一小带轮20——第一带轮皮带19——第一双联带轮轴16——第二传输皮带15——第一双联带轮40——第五传输皮带39——第五双联带轮53——第七小带轮49组成的四级带传动将动力和转矩传递至第二转向减速器60，通过第二转向减速器60、第二滚珠丝杠61和第二丝杠滑块62将回转运动转换为线性运动，第二丝杠滑块62的线性运动通过第三连杆58和由第四连杆63、第一连杆55、第五旋转臂5和第四旋转臂4组成的四边形机构进而带动第五旋转臂5绕第五关节轴10转动。
67.每个关节都有一个独立的电机驱动，使各关节轴带动各旋转臂工作时，既能独立运动，又可协同运动，可使机器人在较大的工作空间内完成任意轨迹和角度的工作。
68.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。