新型五自由度工业机器人

技术领域

本发明属于多关节工业机器人技术领域，具体涉及新型五自由度工业机器人。

背景技术

作为一种多自由度的柔性机器装置，工业机器人能够替代人力完成各种复杂工况条件和高危有害环境下的长时间、高强度重复劳动，高度自动化地执行工作。在焊接、切割、搬运、装配、修磨等领域，有着广泛的市场和应用前景。

随着工业机器人在工业生产各行业深入普及及应用，对工业机器人提出了新的挑战，以容器类产品焊接切割为例，其涉及石油、化工、燃气、电力、船舶、海工、核电、市政、医药、食品、水处理等诸多领域，焊接切割部件涉及各种相贯线轨迹，均为封闭轨迹应用，且受焊接空间及焊接工艺方法限定，需要机器人焊枪绕被焊接管轴线连续回转，而传统工业机器人与特定生产工艺应用的符合性，难以达到所需的应用目的和应用效果，市场对工业机器人的末端执行关节的工作空间和姿态范围提出了新要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供新型五自由度工业机器人，机器人关节构造能够独立位置姿态调整，机器人末端执行工具能够俯仰偏摆运动，从而实现线缆无缠绕条件下绕定轴连续回转，进而实现封闭轨迹焊接切割应用，满足离线参数化编程工作条件，有利于将工业机器人推广到专业化的产业应用中去，对现有工业机器人而言，是一个巨大的革命性进步。同时，在大多数生产应用场景中，机器人夹持工具为直柄(直线)和平面弯曲工具(平面)，机器人关节构造能够独立进行位置姿态调整，五轴工业机器人夹持直线类、平面类型工具，依然能够产生六轴工业机器人应用效果，且应用直观，操作简便。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：新型五自由度工业机器人，包括安装底座、第一铅垂关节轴部件、第二铅垂关节轴部件、水平关节轴部件、空心关节轴部件以及输出法兰；

所述第一铅垂关节轴部件设置在所述安装底座上，在所述第一铅垂关节轴部件与所述第二铅垂关节轴部件之间固定连接回转臂杆部件，在所述第二铅垂关节轴部件输出端设置回转摆座部件，所述水平关节轴部件设置在所述回转摆座部件上；

所述空心关节轴部件设置于平动座部件上，在所述回转摆座部件与所述平动座部件之间设置连杆部件，在所述水平关节轴部件与所述平动座部件之间设置摇臂部件；

在所述空心关节轴部件的输出轴端设置腕臂部件，所述腕臂部件末端包括所述输出法兰，在所述输出法兰的输出端设置执行工具，在所述回转臂杆部件及所述回转摆座部件上设置线缆组件；

所述第一铅垂关节轴部件、所述第二铅垂关节轴部件以及所述空心关节轴部件相互平行，所述回转摆座部件、所述连杆部件、所述平动座部件以及所述摇臂部件构成平行四边形机构。

进一步，所述空心关节轴部件以及所述腕臂部件在笛卡尔坐标系下的XY平面移动。实现机器人关节位置、姿态解耦合，独立位置姿态调整。

进一步，所述输出法兰与所述空心关节轴部件的轴线垂直且汇交于一点。

进一步，所述空心关节轴部件以及所述输出法兰共同作用，使得所述执行工具绕定轴回转运动，实现封闭轨迹焊接切割应用。

进一步，所述回转臂杆部件采用曲臂杆结构。

进一步，所述第一铅垂关节轴部件、所述第二铅垂关节轴部件、所述腕臂部件以及所述空心关节轴部件均包括伺服电机以及RV减速装置，所述伺服电机为轴关节伺服电机。

进一步，所述回转摆座部件采用比所述回转臂杆部件重的材质。

进一步，所述空心关节轴部件包括空心轴关节座、第四伺服电机、第四RV减速装置以及空心输出轴。

进一步，所述腕臂部件包括铸铝腕臂、第五伺服电机、齿轮传动装置以及第五RV减速装置。

进一步，所述第二铅垂关节轴部件的轴线与所述水平关节轴部件的轴线垂直。

本发明的有益技术效果在于：本发明公开的新型五自由度工业机器人，包括至少两个铅垂关节轴部件以及一空心关节轴部件，第一铅垂关节轴部件设置在安装底座上，在第一铅垂关节轴部件与第二铅垂关节轴部件之间设置回转臂杆部件，在第二铅垂关节轴部件设置回转摆座部件及水平关节轴部件；空心关节轴部件设置于平动座部件上，在回转摆座部件与平动座部件之间设置连杆部件，在水平关节轴部件与平动座部件之间设置摇臂部件；在空心关节轴部件上设置腕臂部件，腕臂部件的输出法兰上设置执行工具，回转摆座部件、连杆部件、平动座部件以及摇臂部件构成平行四边形机构，实现机器人关节位置、姿态解耦合，独立位置姿态调整，夹持直线类、平面类型工具，产生6轴工业机器人应用效果，且应用直观，操作简便，符合容器类产品大接管部件封闭轨迹焊接切割需要，填补国内外现有串联关节五轴工业机器人应用于容器类产品焊接的技术空白。

符合容器类产品密集型马鞍接管管束焊接需要，机器人末端工具工作区域无位置及姿态死角，可以在狭小的封闭空间内构造出焊接所需的焊枪位置姿态。

符合容器类产品管板2G全位置焊接需要，容器类产品管板焊接大而广泛，不同于现有管板焊接机器人装备，工业机器人仅作为搬运载具，结合专用焊接装置实现焊接工业化，本发明公开的工业机器人产品夹持焊枪工具可直接应用于实现管板2G全位置焊接。

实现机器人位置姿态解耦合，提升了机器人工作范围，具备笛卡尔坐标机器人编程应用环境。方便操作的同时，符合离线参数化编程工作条件下生产应用。把工业机器人的应用场景，从柔性工具应用端，推动到智能柔性工艺装备应用端，从而实现与生产工艺结合的专业化工业机器人产品应用。

在机器人运动学和动力学算法优化和应用功能优化方面也有明显的方法优势，机器人逆运动学解析解算法简明，程序占用内存小，运算速度快。得以实现本发明申请机器人应用优势特征。

附图说明

图1为本发明实施例示出的新型五自由度工业机器人的立体结构图；

图2为本发明实施例示出的新型五自由度工业机器人的主视图；

图3为本发明实施例示出的新型五自由度工业机器人的俯视图；

其中：1-安装底座、2-第一铅垂关节轴部件、201-第一伺服电机、202-第一RV减速装置、3-回转臂杆部件、4-第二铅垂关节轴部件、401-第二伺服电机、402-第二RV减速装置、5-回转摆座部件、6-水平关节轴部件、601-第三伺服电机、602-第三RV减速装置、7-摇臂部件、8-连杆部件、9-平动座部件、10-输出法兰、11-空心关节轴部件、1101-空心轴关节座、1102-第四伺服电机、1103-第四RV减速装置、1104-空心输出轴、12-腕臂部件、1201-铸铝腕臂、1202-第五伺服电机、1203-第五RV减速装置、13-执行工具、14-线缆组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供新型五自由度工业机器人，包括安装底座1、安装在安装底座1上的第一铅垂关节轴部件2、与第一铅垂关节轴部件2固定联接的回转臂杆部件3、安装在回转臂杆部件3末端的第二铅垂关节轴部件4、安装在第二铅垂关节轴部件4输出端的回转摆座部件5、安装在回转摆座部件5上的水平关节轴部件6、安装在水平关节轴部件6输出端的摇臂部件7、安装在摇臂部件7末端，与摇臂部件7回转关节副联接的平动座部件9；安装在回转摆座部件5，以及平动座部件9上的连杆部件8；安装在平动座部件9上的空心关节轴部件11、安装在空心关节轴部件11输出轴端的腕臂部件12、安装在腕臂部件12末端的输出法兰10、安装在输出法兰10输出端的执行工具13以及线缆组件14。空心关节轴部件11作为第三铅垂关节轴，输出法兰10与空心关节轴部件11轴线垂直且汇交于一点。

其中安装底座1用于对机器人进行固定，第一铅垂关节轴部件2用于带动回转臂杆部件3回转，回转臂杆部件3用于连接第一铅垂关节轴部件2以及第二铅垂关节轴部件4。第二铅垂关节轴部件4用于带动回转摆座部件5回转，回转摆座部件5用于安装水平关节轴部件6以及连杆部件8，水平关节轴部件6用于带动摇臂部件7回转，摇臂部件7与平动座部件9回转副联接。

如图2所示，平动座部件9与摇臂部件7、连杆部件8回转副联接，且平动座部件9与回转摆座部件5、摇臂部件7以及连杆部件8构成平行四边形机构，运动过程中保持平动。平动座部件9用于带动空心关节轴部件11回转，空心关节轴部件11用于带动腕臂部件12回转，腕臂部件12用于安装输出法兰10，输出法兰10用于带动末端执行工具13回转，末端执行工具13包括直柄焊枪、割枪、喷枪等，末端执行工具13尾部联接有焊接线缆，连续回转应用时，须保证焊接线缆无缠绕。

本发明实施例提供的新型五自由度工业机器人采用5轴6关节机构，R∥R⊥R∥R⊥R⊥R机器人关节布置方式。第一铅垂关节轴部件2与第二铅垂关节轴部件4轴线平行；第二铅垂关节轴部件4轴线与水平关节轴部件6轴线垂直。回转摆座部件5、摇臂部件7，平动座部件9以及连杆部件8构成平行四边形机构。

假定机器人基坐标系Z轴与地面垂直，按右手定则在大地平面建立X-Y平面坐标系，平动座部件9可以实现笛卡尔坐标系下，XYZ三坐标移动，且姿态保持不变。安装在平动座部件9上设置的空心关节轴部件11，与第一铅垂关节轴部件2、第二铅垂关节轴部件4轴线平行，构成三平行轴关节特征，得以实现机器人末端工具有简明的运动学解析解。

空心关节轴部件11以及腕臂部件12在笛卡尔坐标系下的XY平面移动，对于笔形工具(直柄焊枪、割枪、喷枪等)实现冗余臂杆应用。输出法兰10与空心关节轴部件11轴线垂直且汇交于一点，在笛卡尔坐标系下，实现末端工具俯仰偏摆运动。空心关节轴部件11以及输出法兰10共同作用，使得末端执行工具13绕一空间虚拟轴运动，实现机器人末端执行工具13在无焊接线缆缠绕条件下绕虚拟轴连续无限回转应用特性。

回转臂杆部件3采用曲臂杆结构方式，让开其它机器人部件运动空间，方便臂杆机器人原位折叠，方便运输。

铅垂关节轴部件2包括第一伺服电机201以及第一RV减速装置202；与铅垂关节轴部件2固定联接的回转臂杆部件3，采用铸铝臂杆结构；第二铅垂关节轴部件4包括第二伺服电机401以及第二RV减速装置402。

如图3所示，回转摆座部件5采用铸铁结构，水平关节轴部件6包括第三伺服电机601以及第三RV减速装置602。通过将回转摆座部件5采用比回转臂杆部件3重的材质，提升机器人的动力学性能的协调性。

第三铅垂关节轴部件10包括平动座1001、第四伺服电机1002以及第四RV减速装置1003，第四伺服电机1002为轴关节伺服电机。

空心关节轴部件11包括空心轴关节座1101、第四伺服电机1102、第四RV减速装置1103以及空心输出轴1104。

腕臂部件12安装在空心输出轴1104上，腕臂部件12包括铸铝腕臂1201、第五伺服电机1202、齿轮传动装置1203以及第五RV减速装置1204。在腕臂部件12末端安装输出法兰10，输出法兰10末端安装执行工具13。线缆组件14固定在回转臂杆部件3及回转摆座部件5上。

通过上述实施例可以看出，本发明公开的新型五自由度工业机器人，能够实现串联关节机器人位置姿态解耦合，实现机器人位置、姿态独立调整，提高机器人运动空间内任意位置及姿态可达性。机器人末端执行工具360度球形空间姿态任意调整，能够在狭小空间绕工件回转，避开运动干涉。末端执行关节输出轴夹持工具能够俯仰偏摆运动，从而实现线缆无缠绕条件下绕虚拟轴连续无限回转，避免了线缆缠绕问题。满足离线参数化编程工作条件，把工业机器人应用推广到专业化的产业应用中。能够实现容器接管部件连续无限回转焊接，能够应用于离线参数化编程工作条件下。并且机器人运动学性能有质的提升，具备直角坐标机器人应用特性，末端关节轴姿态直观性强，方便操作，能够与生产工艺结合。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。