协作机器人及参数确定方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及协作机器人及参数确定方法。

背景技术

六轴工业协作机器人所使用的旋转关节通常采用模块化关节的形式，模块化关节有利于产品的批量生产和快速维修，也有利于采用不同规格的关节搭建具有不同负载和工作空间的协作机器人。

但是，随着机器人负载和工作空间的增大，复杂工况使机器人对二轴关节的扭矩需求也逐渐增大；同时在考虑到使用模块化关节搭建的协作机器人，其一轴和二轴的关节规格一般相同的情况，现有的一般采用大规格关节作为协作机器人的一轴和二轴；实际上，二轴关节需要克服机器人二轴到末端法兰之间的关节和连杆的自重带来的影响，一旦一轴和二轴使用相同规格且输出转矩较大的关节，将造成一轴的动力系统和传动系统冗余过大，同时机器人的一轴和二轴关节的功耗和成本也会增加，降低产品的竞争力。

另外，在传统工业机器人上，一般采用外挂平衡缸的形式去补偿机器人自重对二轴关节扭矩需求，但是传统工业机器人的一轴和二轴并非采用模块化关节的设计，关节的输出扭矩能力也不一样，而模块化关节机器人的一轴和二轴关节一般是同规格的，且机器人外壳形状一般是无锐边的连续的曲面，曲面外没有任何外挂零组件，因此传统工业机器人的这种外挂平衡缸的设计无法应用在模块化关节搭建的机器人上。

发明内容

本发明的目的在于提供协作机器人及参数确定方法，使协作机器人在具备模块化关节的同时，提升二轴关节扭矩，补偿机器人重力，增大机器人的带负载能力，避免协作机器人的动力系统和传动系统冗余过大；另外，提供协作机器人的参数设计流程。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

协作机器人，包括：

第一轴关节，

第二轴关节，与所述第一轴关节转动连接；所述第二轴关节包括固定轴和套设在所述固定轴上的转动外壳，所述转动外壳能相对于所述固定轴转动，

第一杆体，所述第一杆体为中空结构，所述第一杆体与所述转动外壳的外壁连接；

平衡缸，设于所述第一杆体内，所述平衡缸的拉杆能沿着所述第一杆体的延伸方向伸缩；

连杆，所述连杆的一端与所述固定轴铰接，另一端与所述拉杆的端部铰接；

滑块，与所述拉杆的端部连接，所述滑块能在所述拉杆的驱动下沿着所述第一杆体的延伸方向滑动。

作为一种协作机器人的可选方案，所述第一杆体内设有沿着所述第一杆体延伸方向设置的滑轨，所述滑块滑设于所述滑轨。

作为一种协作机器人的可选方案，所述固定轴上设有连接座，所述连接座上设有连接孔，所述连接座通过所述连接孔与所述连杆铰接。

作为一种协作机器人的可选方案，所述拉杆的端部设有安装板，所述连杆的另一端铰接于所述安装板的一侧端面，所述滑块固定于所述安装板远离所述连杆的另一侧端面。

作为一种协作机器人的可选方案，所述第一杆体与所述转动外壳的外壁螺接。

作为一种协作机器人的可选方案，所述平衡缸为弹簧平衡缸、液压平衡缸或气动平衡缸。

作为一种协作机器人的可选方案，所述固定轴内设有电机，所述电机与输出法兰驱动连接，所述输出法兰设于所述固定轴的端部，所述输出法兰与所述转动外壳螺接。

作为一种协作机器人的可选方案，所述固定轴与所述转动外壳之间设有至少两个轴承。

作为一种协作机器人的可选方案，所述轴承为交叉滚子轴承。

参数确定方法，基于以上任一技术方案所述的协作机器人，包括以下步骤：

S1、识别协作机器人上的A点、B点、C点和D点，其中，A点为固定轴的中心；B点为连杆与固定轴的铰接中心；C点为连杆与拉杆的端部铰接中心；D点为拉杆上远离连杆的参考点；

S2、确定结构参数L

S3、根据公式

S4、通过结构参数和s

S5、根据公式

S6、确定期望获得的补偿力矩的最大值T

S7、判断(T

有益效果：

在本发明中，通过增设平衡缸能提升第二轴关节的扭矩，补偿机器人重力，增大机器人的带负载能力，避免协作机器人的动力系统和传动系统冗余过大；另外使平衡缸设于第一杆体的内部，提升协作机器人的紧凑性的同时，使协作机器人更能适应模块化关节的形式；为了进一步适应内置平衡缸的功能需求，还通过增设中间传动机构以配合平衡缸的作用，其中，传动机构包括连杆和滑块，具体地，连杆的一端与固定轴铰接，另一端与拉杆的端部铰接；滑块与拉杆的端部连接，滑块能在拉杆的驱动下沿着第一杆体的延伸方向滑动；当转动外壳转动时，带动第一杆体转动，平衡缸的拉杆对滑块产生拉力，滑块所受到的作用力用以提升第二轴关节的扭矩补偿和机器人的重力补偿，提升机器人整体的带负载能力，避免协作机器人的动力系统和传动系统冗余过大。

在本发明中，还涉及参数确定方法，具体参数包括结构参数L

附图说明

图1是现有的采用模块化关节的机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第一轴关节和第二轴关节的内部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第二轴关节的轴测图；

图4是本发明实施例提供的第二轴关节的主视图；

图5是本发明实施例提供的第二轴关节的剖视图；

图6是本发明实施例提供的受力分析示意图；

图7是本发明实施例提供的协作机器人的参考计算点位的示意图；

图8是本发明实施例提供的参数确定方法的流程图；

图9是本发明实施例提供的第一组参数条件下，不同变量随着θ变化的曲线；

图10是本发明实施例提供的第二组参数条件下，不同变量随着θ变化的曲线。

图中：

10、底座；21、第一关节；22、第二关节；23、第三关节；24、第四关节；25、第五关节；26、第六关节；31、第一杆件；32、第二杆件；40、末端法兰；

100、第一轴关节；

200、第二轴关节；210、固定轴；220、转动外壳；230、连接座；240、轴承；

300、第一杆体；310、滑轨；

400、平衡缸；410、拉杆；411、安装板；420、缸盖；

500、连杆；

600、滑块；

700、输出法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

请参阅附图1，现有的六轴协作机器人包括底座10、第一关节21、第二关节22、第三关节23、第四关节24、第五关节25、第六关节26、第一杆件31、第二杆件32和末端法兰40。其中，底座10固定在工作台上，用以支撑整个六轴协作机器人的重量，通过第一关节21、第二关节22、第三关节23、第四关节24、第五关节25和第六关节26等六个转动关节协作实现机器人多自由度的运动，末端法兰40可以连接执行机构执行相关的操作，如机械手或夹具等；通过第一杆件31和第二杆件32能增加六轴协作机器人的运动空间。现有的六轴协作机器人的多个关节为模块化形式，方便批量生产和快速维修。

请参阅附图2-附图5，本实施例涉及一种协作机器人，该协作机器人包括第一轴关节100、第二轴关节200、第一杆体300、平衡缸400、连杆500和滑块600。其中，第二轴关节200与第一轴关节100转动连接；第二轴关节200包括固定轴210和套设在固定轴210上的转动外壳220，转动外壳220能相对于固定轴210转动，第一杆体300为中空结构，第一杆体300与转动外壳220的外壁连接；平衡缸400设于第一杆体300内，平衡缸400的拉杆410能沿着第一杆体300的延伸方向伸缩；连杆500的一端与固定轴210铰接，另一端与拉杆410的端部铰接；滑块600与拉杆410的端部连接，滑块600能在拉杆410的驱动下沿着第一杆体300的延伸方向滑动。

本实施例所涉及的协作机器人通过增设平衡缸400能提升第二轴关节200的扭矩，补偿机器人重力，增大机器人的带负载能力，避免协作机器人的动力系统和传动系统冗余过大；另外使平衡缸400设于第一杆体300的内部，提升协作机器人的紧凑性的同时，使协作机器人更能适应模块化关节的形式；为了进一步适应内置平衡缸400的功能需求，本实施例还通过增设中间传动机构以配合平衡缸400的作用，其中，中间传动机构包括连杆500和滑块600，具体地，连杆500的一端与固定轴210铰接，另一端与拉杆410的端部铰接；滑块600与拉杆410的端部连接，滑块600能在拉杆410的驱动下沿着第一杆体300的延伸方向滑动；当转动外壳220转动时，带动第一杆体300转动，平衡缸400的拉杆410对滑块600产生拉力，滑块600所受到的作用力用以提供第二轴关节200的扭矩补偿和机器人的重力补偿，从而提升协作机器人整体的带负载能力。

可选地，第一杆体300内设有沿着第一杆体300延伸方向设置的滑轨310，滑块600滑设于滑轨310。具体地，在滑块600的底部开设有滑槽，滑块600通过滑槽与滑轨310滑动连接，滑轨310为滑块600提供导向作用。

请参阅附图6，为简化的受力分析示意图。

平衡缸400的拉杆410的有效行程为：

(其中，s为有效行程；L

平衡缸400的拉杆410对滑块600的拉力为：

F

(其中，F

将(1)带入(2)中得：

连杆500对滑块600的的作用力关系式分别为：

F

F

(其中，F

整理(4)和(5)得：

F

进一步地，得：

滑块600对滑轨310的反作用力产生的补偿扭矩：

T＝F

(其中，T为补偿扭矩；F

进一步地，得：

通过以上计算流程能够得到本实施例所涉及的协作机器人的补偿扭矩T。

可选地，固定轴210上设有连接座230，连接座230上设有连接孔，连接座230通过连接孔与连杆500铰接。在本实施例中连接座230可以插接或卡接在固定轴210的侧壁上，且连接座230的形状为三角形，且顶部圆弧过渡。

进一步地，拉杆410的端部设有安装板411，连杆500的另一端铰接于安装板411的一侧端面，滑块600固定于安装板411远离连杆410的另一侧端面。在本实施例中安装板411为L形板，L型板的一侧延伸板与拉杆410连接，可以采用常规的螺纹紧固件使拉杆410与安装板411进行连接；连杆500的另一端与L型板的另一侧延伸板的一侧壁铰接；同时滑块600固定于L型板的另一侧延伸板远离连杆410的另一侧壁上，可选地，滑块600与L型板螺接连接。

可选地，第一杆体300与转动外壳220的外壁螺接。具体地，转动外壳220的外壁凸设有连接凸台，第一杆体300与连接凸台螺接，示例性地，沿着连接凸台的周向设有多个螺纹孔，螺纹孔的数量根据连接强度针对性选择，同时螺接连接形式可以在既保证连接强度的同时，连接形式相对简单，便捷。

可选地，平衡缸400为弹簧平衡缸、液压平衡缸或气动平衡缸。在本实施例中，平衡缸400选用弹簧平衡缸，在其他实施例中也可采用液压平衡缸或者气动平衡缸，本领域的技术人员可以结合平衡缸400的设置空间、平衡缸400的输出参数和经济性综合选用平衡缸400的种类。

可选地，固定轴210内设有电机，电机与输出法兰700驱动连接，输出法兰700设于固定轴210的端部，输出法兰700与转动外壳220螺接。通过电机驱动输出法兰700转动，输出法兰700与转动外壳220连接，使输出法兰700带动转动外壳220转动。

可选地，在输出法兰700和电机之间设有减速器，用于控制电机的输出匹配转速。

可选地，固定轴210与转动外壳220之间设有至少两个轴承240。

作为优选，轴承240为交叉滚子轴承。

通过轴承240为转动外壳220提供转动支撑，在本实施例中，两个交叉滚子轴承套设在固定轴210上并分居于连接座230的两端。

请进一步参阅附图7和附图8，本实施例的另一方面还涉及一种参数确定方法，该方法包括以下步骤：

S1、识别协作机器人上的A点、B点、C点和D点，其中，A点为固定轴210的中心；B点为连杆500与固定轴210的铰接中心；C点为连杆500与拉杆410的端部铰接中心；D点为拉杆410上远离连杆500的参考点；

S2、确定结构参数L

S3、根据公式

S4、通过结构参数和s

S5、根据公式

S6、确定期望获得的补偿力矩的最大值T

S7、判断(T

在本实施例中，为方便示意，附图7中的点C＇为点C运动后位置，点D＇为点D运动后位置。

请参阅附图9，为第一组参数下，不同的变量随第二轴关节200的运动范围θ的变化关系。变量包括α、F

其中，第一组参数具体为：L

θ＝0°时，连杆500为竖直状态，θ＝90°时，连杆500为水平状态，通常，θ的角度范围为(-130°，+130°)。

从图中能得到在第一组参数的条件下，不同的变量随着θ变化的趋势，其中，F

请参阅附图10，为第二组参数下，不同的变量随第二轴关节200的运动范围θ的变化关系。

其中，第二组参数具体为：L

其中，F

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。