带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台

技术领域

本发明涉及机器人安装技术领域，特别是涉及一种带自锁功能的紧 凑轻量型二自由度机器人安装平台。

背景技术

制造业对自动化、智能化生产模式的需求日益增长。为实现生产制 造过程的高效化、智能化、标准化，越来越多的企业引进工业机器人来 代替原有的工人进行大量单一重复性的工作。传统工厂产线或工艺单元 站在设计时将机器人多数采用固定式安装方式，即将工业机器人安装在 固定基座上，依靠机器人本身的有效工作空间完成目标工作，但该种布 局方式在实际生产中常常存在以下几个问题：

1.固定底座导致产线或工作站柔性低，产线更新成本大，即当产线 产品更新时，若新的产品规格超出原有机器人的有效工作空间，则原有 产线或工作站无法兼容，需对机器人安装平台进行改造，从而导致产线 柔性低，大大增加产线更新成本。

2.在相对狭小空间内，单个工艺单元通常配置1台机器人，无法实 现多机多工位协同作业，生产效率较低。

3.串联式工业机器人本体根据不同用途，一般具有4-6个自由度，具 有相对固定的可达工作空间，且出于对机器人的活动范围和内部线缆保 护，机器人的各关节通常会设置限位，同时出于对机器人本身在极限位 姿下的刚度和奇异位姿考虑，机器人通常仅会工作在有效工作空间内， 因此固定的安装方式会进一步缩小机器人的实际有效工作空间。

4.固定底座和固定的机器人自由度，导致机器人本身自由度的冗余 性不够高，在某些工况下不能很好的进行工作路径的避让。

因此如何仅通过改变机器人的安装平台，以安全有效的、低成本的 方式提高产线柔性，降低产线更新成本，增大机器人的有效活动空间， 提高生产效率等变得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高机器人冗余度，增大 机器人有效工作空间；提高产线柔性，降低机器人安装成本；实现在狭 小空间内的安装布置，以及多机协同作业的带自锁功能的紧凑轻量型二 自由度机器人安装平台。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，包括底 座机箱、第一伺服电机、第二伺服电机和齿轮箱外壳，

所述第一伺服电机连接第一涡轮蜗杆运动副，第一涡轮蜗杆运动副 的输出端连接齿轮副，齿轮副固定连接输出轴，输出轴的两端活动安装 在安装平台本体上；

所述第二伺服电机连接第二涡轮蜗杆运动副，第二涡轮蜗杆运动副 固定连接齿轮箱外壳，齿轮箱外壳上安装有第二圆锥滚子轴承，第二圆 锥滚子轴承用于支撑输出轴。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第一伺服电机和第二伺服电机安装在底座机箱外部，第一伺服电机和 第二伺服电机的电机输出轴位于底座机箱内部。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第一涡轮蜗杆运动副包括相连接的第一传动蜗杆和第一传动涡轮，第 一伺服电机的电机输出轴与第一传动蜗杆固定连接，第一传动涡轮连接 齿轮副。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第一传动涡轮的一端通过第四圆锥滚子轴承与底座机箱连接。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述齿轮副包括相啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮，第二锥齿轮与第一涡 轮蜗杆运动副的输出端连接，第一锥齿轮与输出轴固定连接。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述输出轴的两端由第二圆锥滚子轴承进行双端支撑，输出轴的两端安装 有输出法兰，输出法兰固定在安装平台本体上。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第二涡轮蜗杆运动副包括相连接的第二涡轮和第二蜗杆，第二伺服电 机的电机输出轴与第二传动蜗杆固定连接，第二传动涡轮连接齿轮箱外 壳。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第二传动涡轮与转接法兰连接，转接法兰安装在齿轮箱外壳上。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述转接法兰与底座机箱之间安装有第三圆锥滚子轴承。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台，其中所 述第一涡轮蜗杆运动副的第一传动涡轮和第二涡轮蜗杆运动副的第二传 动涡轮之间安装有第一圆锥滚子轴承。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台与现有技 术不同之处在于，本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装 平台具有两个自由度，通过两个伺服电机带动两种方式的运动，实现安 装平台的转动和摆动。安装平台在运转时具有机械自锁和差速传动的效 果，机械自锁可以提高平台使用的安全性；差速传动可以使安装平台在 两个方向上获得不同的位姿；此外，本发明涡轮蜗杆进行动力传递，蜗 杆涡轮啮合齿面间为线接触，且蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因 此使得该机器人安装平台具有结构紧凑，传动比大，工作平稳，噪音小 等优点。

下面结合附图对本发明的带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人 安装平台作进一步说明。

附图说明

图1为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台的 结构示意图；

图2为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台的 侧视图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台与 左右两个机器人配合安装的结构示意图；

图5为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台与 机器人正装状态的结构示意图；

图6为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台与 机器人倒装状态的结构示意图；

图7为本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台与 单个机器人配合安装的结构示意图；

图中标记示意为：1-底座机箱；2-第一传动蜗杆；3-第一传动涡轮； 4-第二传动涡轮；5-第一圆锥滚子轴承；6-转接法兰；7-安装平台本体； 8-输出法兰；9-轴承端盖；10-第一机箱端盖；11-第二圆锥滚子轴承；12- 输出轴；13-第一锥齿轮；14-第二锥齿轮；15-齿轮箱外壳；16-轴承压板； 17-第三圆锥滚子轴承；18-第二传动蜗杆；19-第四圆锥滚子轴承；20-第 一伺服电机；21-第二伺服电机；22-第二机箱端盖。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1-图3所示，本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人 安装平台包括底座机箱1。机箱底座1与第二机箱端盖22安装形成平台 的底座。底座机箱1的外部安装有第一伺服电机20和第二伺服电机21， 两个伺服电机的电机输出轴均位于底座机箱1内部。

第一伺服电机20的电机输出轴与第一传动蜗杆2固定连接，第一传 动蜗杆2与第一传动涡轮3组成涡轮蜗杆运动副，可将第一传动蜗杆2 绕水平方向的旋转运动转变为第一传动涡轮3绕竖直方向的旋转运动， 同时通过减速比将电机输出转矩进行放大。

第一传动涡轮3的一端通过第四圆锥滚子轴承19与底座机箱1连接， 另一端与第二锥齿轮14固定连接。第二锥齿轮14与第一锥齿轮13组成 齿轮副，可将第二锥齿轮14竖直方向的旋转运动转变为第一锥齿轮13 绕水平方向的旋转运动。

第一锥齿轮13固定连接有输出轴12，输出轴12的两端由第二圆锥 滚子轴承11进行双端支撑，输出轴12的两端安装有输出法兰8，输出法 兰8固定在安装平台本体7上。

经过上述传动过程，可以将第一伺服电机20的动力传递到安装平台 本体7，实现安装平台本体7绕水平方向的摆动。

第二伺服电机21的电机输出轴与第二传动蜗杆18固定连接，第二 传动蜗杆18与第二传动涡轮4组成涡轮蜗杆运动副，可将第二传动蜗杆 18绕水平方向的旋转运动转变为第二传动涡轮4绕竖直方向的旋转运动， 同时通过减速比将电机输出转矩进行放大。

第二传动涡轮4与转接法兰6连接，转接法兰6安装在齿轮箱外壳 15上，实现齿轮箱外壳15与第二传动涡轮4的同步运动。转接法兰6与 底座机箱1之间安装有第三圆锥滚子轴承17，轴承压板16用于固定第三 圆锥滚子轴承17。用于支撑输出轴12的第二圆锥滚子轴承11通过轴承 端盖9安装在齿轮箱外壳15上，这样齿轮箱外壳15随第二传动涡轮4 转动，并经输出轴12最终带动安装平台本体7绕竖直方向的旋转运动。 齿轮箱外壳15上方安装有第一机箱端盖10。

第一传动涡轮3与第二传动涡轮4之间通过第一圆锥滚子轴承5连 接，从而实现第一传动涡轮3与第二传动涡轮4的相对运动。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台具有机械 自锁和差速传动的技术特点：

(1)机械自锁

第二传动蜗杆18与第二传动涡轮4组成了涡轮蜗杆运动副，实现安 装平台本体7绕竖直方向的旋转运动；第一传动蜗杆2与第一传动涡轮3 组成涡轮蜗杆运动副，以及第一锥齿轮13与第二锥齿轮14组成的锥齿 轮组实现了安装平台本体7绕水平方向的摆动。由于第二传动蜗杆18与 第二伺服电机21固定连接，第一传动蜗杆2与第一伺服电机20固定连接，均为主动轴。故当蜗杆的导程角小于啮合涡轮的当量摩擦角时，机 构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮 带动蜗杆。这种反向自锁性可保证机器人安装平台无法实现返驱运动， 从而大大增加了安装平台的安全性。同时，基于涡轮蜗杆自身传递特性， 蜗杆涡轮啮合齿面间为线接触，且蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程， 因此使得该机器人安装平台具有结构紧凑、传动比大、工作平稳、噪音 小等优点。

(2)差速传动

当第二伺服电机21输出为0，仅当第一伺服电机20驱动第一传动蜗 杆2和第一传动涡轮3运动，第一传动涡轮3带动第二锥齿轮14运动。 输出轴12与第一锥齿轮13固连，通过第一锥齿轮13与第二锥齿轮14 的啮合运动实现绕自身轴线的旋转运动，最终安装平台本体7通过输出 法兰8与输出轴12进行固连实现绕输出轴12轴线的摆动运动。

当第一伺服电机20输出为0时，第二锥齿轮14此时为固定轴；仅 当第二伺服电机21驱动第二传动蜗杆18和第二传动涡轮4带动齿轮箱 外壳15和输出轴12绕竖直方向进行旋转运动。由于输出轴12上装有第 一锥齿轮13，因此输出轴12绕竖直方向的旋转运动会诱导第一锥齿轮 13与第二锥齿轮14的啮合运动，从而导致第一锥齿轮13带动输出轴12 绕自身轴线进行旋转运动。安装平台本体7通过输出法兰8与输出轴12 进行固连，故安装平台本体7既有绕竖直方向的旋转运动，同时还有绕 输出轴12轴线的旋转运动，速度同输出轴12一致。

为了使安装平台只有绕竖直方向的运动，只需通过第一伺服电机20 以相同的速度反向驱动第一传动蜗杆2与第一传动涡轮3，使得第二锥齿 轮14驱动第一锥齿轮13反转即可抵消安装平台本体7绕输出轴12轴线 的旋转运动，从而实现单方向的运动。同样原理，通过控制第一伺服电 机20和第二伺服电机21的不同的转速和转向，可以最终获得安装平台 在两个方向上的不同位姿。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台在与机器 人配合安装时，如图4-图6所示，可以在安装平台两侧分别安装一台机 器人，从而实现在狭小空间内的安装布置和多机协同作业，其中安装平 台本身的两个旋转自由度可增大机器人的有效工作空间和冗余度，实现 两台机器人多工位作业。在机器人两侧安装时，如图4和图5所示，机器人可以采用正装也可以采用如图6所示的倒装的方式，可根据实际生 产需要进行选择。

在本发明其他实施例中，如图7所示，也可以在安装平台的顶面安 装一台机器人，安装平台本身的两个旋转自由度可增大机器人的有效工 作空间和冗余度。机器人的安装方式也可以采用正装和倒装，可根据实 际生产需要进行选择。

本发明带自锁功能的紧凑轻量型二自由度机器人安装平台具有两个 自由度，通过两个伺服电机带动两种方式的运动，实现安装平台的转动 和摆动。安装平台在运转时具有机械自锁和差速传动的效果，机械自锁 可以提高平台使用的安全性；差速传动可以使安装平台在两个方向上获 得不同的位姿；此外，本发明涡轮蜗杆进行动力传递，蜗杆涡轮啮合齿 面间为线接触，且蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此使得该机器 人安装平台具有结构紧凑，传动比大，工作平稳，噪音小等优点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的 描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技 术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的 这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。