一种机器人及其驱动方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种机器人及其驱动方法。

背景技术

在工业领域内的生产加工中，工业机器人具有非常广泛的应用，其能够代替工人进行一系列危险度较高或者精度要求较高的作业。工业机器人一般包括基座、多个关节、多个关节电机、小臂以及手腕等结构，根据作业要求的不同，可以对应调整其具体的构成和动作状态。

现有技术中，工业机器人的小臂中穿设有丝杠花键轴，在丝杠花键轴上套设有花键螺母，花键螺母位于小臂内并与设置于小臂内的驱动机构连接，驱动机构通过花键螺母带动丝杠花键轴旋转。

在上述方案中，丝杠花键轴的两端都会伸出小臂与相邻的关节结构连接，因此丝杠花键轴的长度较大，而花键螺母位于小臂内时，由于架构限制其长度不宜过长，与丝杠花键轴之间的通过钢珠进行滑动接触的长度减少导致接触面积小，二者的连接强度较低，花键丝杆轴的抗弯能力就较小，则驱动机构通过该花键螺母带动丝杠花键轴旋转时，导致丝杠花键轴所能够承受的载荷有限，使得在机器人运动时丝杠花键轴运动的摆动和振动幅度受限，降低了机器人适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人及其驱动方法，解决了现有技术中由于架构限制花键螺母的长度，其与丝杠花键轴之间的有效接触面积较小，二者的连接强度较低，花键丝杆轴的抗弯能力就较小，导致丝杠花键轴所能够承受的载荷有限，使得在机器人运动时丝杠花键轴运动的摆动和振动幅度受限，降低了机器人使用范围的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种机器人，包括小臂、穿设于所述小臂的丝杠花键轴以及设置于所述小臂内且用于驱动所述丝杠花键轴升降的驱动机构，所述丝杠花键轴具有相对的首端和末端，其特征在于，还包括：花键螺母。花键螺母设置于所述丝杠花键轴的所述首端和末端之间并与所述驱动机构连接，所述驱动机构用于驱动所述花键螺母带动所述丝杠花键轴旋转，所述花键螺母位于所述小臂外部，所述花键螺母的长度至少为所述丝杠花键轴直径的六倍。

可选地，所述花键螺母包括：套体，套设于所述丝杠花键轴并与所述驱动机构连接，且所述套体的一端靠近所述小臂，另一端朝向靠近所述末端的一侧延伸；保持架，设置于所述套体与所述丝杠花键轴之间并与所述套体固定连接，所述保持架内且沿所述丝杠花键轴的周向分布有多个安装槽，每个所述安装槽内设有沿所述丝杠花键轴的轴线方向分布的至少多个钢珠，所述钢珠与所述丝杠花键轴的键槽抵接。

可选地，所述安装槽包括开设在所述保持架外侧壁上的过渡槽和与所述过渡槽连通且贯通开设在所述保持架上的滚动槽，多个所述钢珠依次分布在所述过渡槽和所述滚动槽内。

可选地，所述安装槽绕所述丝杠花键轴的周向间隔分布6个。

可选地，所述机器人还包括：限位环，固定套设于所述丝杠花键轴并靠近所述末端之间。

可选地，所述机器人还包括：支撑套，所述支撑套的一端与所述小臂固定连接，另一端通过支撑轴承与所述花键螺母转动连接。

可选地，所述驱动机构包括：第一驱动组件，设置于所述小臂内且与所述丝杠花键轴连接，以驱动所述丝杠花键轴升降；以及与所述花键螺母连接，以驱动所述花键螺母带动所述丝杠花键轴旋转。

可选地，所述第一驱动组件包括：升降传动件，设置于所述丝杠花键轴；第一传动件，与所述升降传动件连接；以及第一电机，与所述第一传动件连接以通过所述第一传动件和所述升降传动件带动所述丝杠花键轴升降。

可选地，所述第二驱动组件包括：谐波减速机，设置于所述丝杠花键轴并与所述花键螺母连接；第二传动件，与所述谐波减速机连接；以及第二电机，与所述第二传动件连接以通过所述第二传动件和所述谐波减速机带动所述花键螺母转动。

第二方面，本发明提供一种机器人驱动方法，其应用于如上述第一方面中任一项所述的机器人，包括：

控制所述驱动机构运行带动所述丝杠花键轴升降，同时驱动机构通过花键螺母带动所述丝杠花键轴旋转以作用于负载；

当所述丝杠花键轴的末端作用于负载时，所述花键螺母的长度至少为所述丝杠花键轴直径的六倍。

本发明的有益效果：

第一方面，通过将花键螺母整体设置在小臂外部，使得花键螺母更加靠近丝杠花键轴的末端设置，由于整个花键螺母可以伸出小臂部分，小臂结构对花键螺母长度没有太大的约束，有利于使得花键螺母的长度得到加长，而相比于现有技术中花键螺母仅为丝杠花键轴直径的3.5倍，本方案中花键螺母长度为丝杠花键轴的直径的6倍以上，这种增加花键螺母长度的方案，能够有效增大花键螺母与丝杠花键轴花键的接触受力面积，进而提高花键螺母的抗弯能力，增强花键丝杆的连接强度，最终使得丝杠花键轴能够承受较大的负载能力。

第二方面，通过该驱动方法使得机器人在运行过程中，丝杠花键轴在升降过程中，由于花键螺母的加长，较长导向的花键螺母将使丝杠花键轴运行较为平稳，同时采用谐波减速机与花键螺母进行连接，能够提高花键螺母的旋转精度。使得机器人在不增设其他结构导致自身结构更为复杂的情况下提高了承载能力、运行平稳性、旋转精度等，从而有效提高了该机器人的适用范围。

附图说明

图1是本发明一些实施例中机器人中小臂的结构示意图；

图2是本发明一些实施例中机器人中花键螺母和丝杠花键轴的结构示意图；

图3是本发明一些实施例中机器人中驱动机构和丝杠花键轴的结构示意图；

图4是本发明一些实施例中机器人中花键螺母和丝杠花键轴的剖视图；

图5是本发明一些实施例中机器人中花键螺母和丝杠花键轴的爆炸结构示意图。

图中：

1、小臂；10、防护套；2、丝杠花键轴；20、首端；21、末端；3、驱动机构；30、第一驱动组件；300、升降传动件；301、第一传动件；302、第一电机；303、安装板；31、第二驱动组件；310、谐波减速机；311、第二传动件；312、第二电机；4、花键螺母；40、第一端；41、第二端；42、套体；43、保持架；430、过渡槽；431、滚动槽；44、钢珠；5、限位环；6、支撑套；60、支撑轴承。

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。

本发明提供一种机器人及其驱动方法

一种机器人

参照图1、图2及图3，机器人包括小臂1、穿设于小臂1的丝杠花键轴2以及设置于小臂1内且用于驱动丝杠花键轴2升降的驱动机构3，丝杠花键轴2具有相对的首端20和末端21。

该机器人还包括花键螺母4，花键螺母4设置于丝杠花键轴2的首端20和末端21之间并与驱动机构3连接，驱动机构3用于驱动花键螺母4带动丝杠花键轴2旋转。花键螺母4位于小臂1外部，花键螺母4具有靠近小臂1的第一端40和与第一端40相对的第二端41，第二端41朝向靠近末端21的方向延伸，，花键螺母4的长度至少为丝杠花键轴2直径的六倍。

具体地，小臂1呈立方体状，其上侧开设有上凸的防护套10，丝杠花键轴2穿设于防护套10中，防护套10的内径大于丝杠花键轴2的外径。丝杠花键轴2的末端21穿入防护套10并从小臂1的下侧穿出，且丝杠花键轴2的首端20与防护套10开口处之间的间距大于丝杠花键轴2的末端21与小臂1下侧之间的间距，以便于丝杠花键轴2的首端20能够顺利与相邻关节结构连接。

驱动机构3设置于小臂1内，其一部分直接与丝杠花键轴2连接，以驱动其沿自身的轴线方向升降，另一部则与花键螺母4的第一端40连接，通过驱动花键螺母4转动而带动丝杠花键轴2旋转。

花键螺母4呈圆柱状，其上端作为第一端40，第一端40靠近小臂1的下侧，以便于与驱动机构3连接。花键螺母4的下端作为第二端41，其朝向靠近末端21的方向延伸。

该机器人在运行时，通过将花键螺母4整体设置在小臂1外部，且第二端41朝向丝杠花键轴2的末端21延伸，使得花键螺母4更加靠近丝杠花键轴2的末端21设置，由于整个花键螺母4可以伸出小臂1部分，小臂1结构对花键螺母4长度没有太大的约束，有利于使得花键螺母4的长度得到加长，而相比于现有技术中的花键螺母4仅为丝杠花键轴2直径的3.5倍，本方案中花键螺母4长度为丝杠花键轴2的直径的6倍以上，这种增加花键螺母长度的方案，能够有效增大花键螺母4与丝杠花键轴2的接触受力面积，进而提高花键螺母4的抗弯能力，增强丝杠花键轴2的连接强度，最终使得丝杠花键轴2能够承受较大的负载能力。

参照图4和图5，在本发明一些实施例中，花键螺母4包括套体42和保持架43。套体42套设于丝杠花键轴2并与驱动机构3连接，且套体42的一端靠近小臂1，另一端朝向靠近末端21的一侧延伸。保持架43设置于套体42与丝杠花键轴2之间并与套体42固定连接，保持架43内且沿丝杠花键轴2的周向分布有多个安装槽，每个安装槽内设有沿丝杠花键轴2的轴线方向分布的多个钢珠44，钢珠44与丝杠花键轴2的键槽抵接。

具体地，套体42与丝杠花键轴2同轴套设，套体42的上端靠近小臂1的下侧以与驱动机构3连接，其下端则朝向末端21延伸。套体42内径大于丝杠花键轴2的外径，以在套体42与丝杠花键轴2之间形成腔体，保持架43就安装在该腔体内，保持架43与套体42固定连接，安装槽就开设在保持架43的侧壁上，其沿丝杠花键轴2的轴线方向延伸，钢珠44滚动设置在该安装槽内，且钢珠44的直径大于保持架43的厚度，使得钢珠44的一侧能够伸出安装槽并伸入丝杠花键轴2的键槽，钢珠44的该侧与键槽的槽底壁抵接，另一端则伸出安装槽并与套体42筒的内侧壁滚动贴合。丝杠花键轴2的键槽是沿着丝杠花键轴2的轴线方向延伸开设的，使得丝杠花键轴2能够实现升降。

当驱动机构3驱动套体42旋转时，套体42会带动保持架43和钢珠44同步旋转，钢珠44挤压键槽从而带动丝杠花键轴2转动。通过设置多个钢珠44，使得花键螺母4与丝杠花键轴2的有效接触面积增大，则花键螺母4与丝杠花键轴2之间的连接强度得到提高，使得丝杠花键轴2在转动过程中能够带动更大的负载，有效提高了机器人的负载上限，提高机器人适用范围。

参照图2，在机器人使用过程中，丝杠花键轴2的首端20和末端21会分别连接对应的关节结构。当丝杠花键轴2承受负载时，花键螺母4带动丝杠花键轴2转动时，花键螺母4受到的弯矩Mr＝F×r，F为丝杠花键轴2的末端21受到的力，r为F的作用点与花键螺母4的距离。当弯矩值不发生改变时，最终所有的力矩会作用在花键螺母4内的钢珠44上，而由于F的作用点和作用方向的原因，不同位置钢珠44的受力并不相同。在设定了Mr不变时，可以确定多个钢珠44的受到的弯矩总和是等于Mr的，即

参照图2和图5，在本发明一些实施例中，安装槽绕丝杠花键轴2的周向间隔分布6个。安装槽包括开设在保持架43外侧壁上的过渡槽430和与过渡槽430连通且贯通开设在保持架43上的滚动槽431，多个钢珠44依次分布在过渡槽430和滚动槽431内。具体地，安装槽呈椭圆形，其内部设置一个隔条以将安装槽分隔为两侧，一侧贯通保持架43作为滚动槽431而另一侧仅开设在保持架43的外侧壁上作为过渡槽430，滚动槽431内的钢珠44一侧与丝杠花键轴2的键槽抵接，另一侧与套体42的内壁抵接。在滚动槽431内保持有16个或者20个以上的钢珠44，以此使得在保持z、Li、α均不变的情况下，Pi变为2Pi，则花键螺母4的所能够承受的弯矩上限就会变为

通过上述方案，使得花键螺母4在延长后，始终都能够保持有多个钢珠44与丝杠花键轴2连接，从而有效增大了丝杠花键轴2与花键螺母4的接触面积，也就能够提高花键螺母4与丝杠花键轴2的连接强度，从而当花键螺母4的抗弯矩能力提高后，丝杠花键轴2所能承受的载荷也会同步得到提高，也就顺利提高了该机器人的适用范围。

在本发明一些实施例中，机器人还包括限位环5。限位环5固定套设于丝杠花键轴2并位于设置于花键螺母4的第二端41与末端21之间。

具体地，限位环5固定套设在丝杠花键轴2上，使得丝杠花键轴2在滑动过程中不会与花键螺母4脱离。同时限位环5能够靠近花键螺母4设置，以进一步强化丝杠花键轴2的末端21的连接强度，从而提高丝杠花键轴2的刚度。而限位环5的实际安装位置可以根据实际花键螺母4的第二端41与丝杠花键轴2的末端21之间的间距来确定，既要为花键螺母4的延长提供足够的空间，也要确保丝杠花键轴2的末端21连接强度符合要求，本发明不对限位环5的具体位置做限定。在本实施例中，在丝杠花键轴2的首端20也设置一个限位环5，其作用相同，在此不做赘述。

在本发明一些实施例中，机器人还包括支撑套6。支撑套6的一端与小臂1固定连接，另一端通过支撑轴承60与花键螺母4转动连接。

具体地，支撑套6套设在花键螺母4的外侧且位于小臂1下侧，支撑套6的上侧与小臂1下侧壁固定连接，固定方式可以为通过法兰和螺栓固定，支撑套6整体呈锥形，使得其下端的内径能够贴近花键螺母4的第二端41，在支撑套6的下端内侧设置一个支撑轴承60，实现花键螺母4的第二端41与支撑套6的下端转动连接。

由于花键螺母4的加长，使得花键螺母4的第二端41与驱动机构3的间距增大，当驱动机构3驱动花键螺母4转动时，花键螺母4的第二端41可能发生轻微的摆动。因此通过将支撑套6同步加长，且在花键螺母4的第二端41的位置处增设一个支撑轴承60，使得花键螺母4的第二端41与支撑套6转动连接，能够有效抑制上述摆动，从而进一步提高花键螺母4的抗弯矩能力，也就能够同步提高丝杠花键轴2的承载能力。

参照图3，在本发明一些实施例中，驱动机构3包括第一驱动组件30和第二驱动组件31。第一驱动组件30设置于小臂1内且与丝杠花键轴2连接，以驱动丝杠花键轴2升降。第二驱动组件31与花键螺母4连接，以驱动花键螺母4带动丝杠花键轴2旋转。

具体地，第一驱动组件30和第二驱动组件31均可以采用电机作为动力源，并根据小臂1内的空间布置相应的传动结构传递动力，以实现带动丝杠花键轴2的升降和旋转，使得丝杠花键轴2具备多个自由度，以满足相应的作业需求。

在本发明一些实施例中，第一驱动组件30包括升降传动件300、第一传动件301以及第一电机302。升降传动件300设置于丝杠花键轴2，第一传动件301与升降传动件300连接，第一电机302与第一传动件301连接以通过第一传动件301和升降传动件300带动丝杠花键轴2升降。

具体地，第一传动件301采用丝杠螺母，其套设在丝杠花键轴2的外侧，且丝杠螺母的内侧壁与丝杠花键轴2螺纹连接，在丝杠螺母的上端还设有丝杠螺母循环器，使得丝杠螺母能够往复运动。而丝杠螺母的外侧壁转动连接有安装板303，安装板303通过多个螺钉固定连接在小臂1内。为了提高密封性，防止油液泄漏，在丝杠螺母的相应位置处均可以设置油封，以降低油液发生泄漏的可能性，油封属于现有技术，在此不做赘述。

丝杠螺母的下端与第一传动件301连接，第一传动件301采用皮带传动，即在丝杠螺母的下端同轴固定连接一个皮带轮，而在第一电机302的输出轴上也设置一个皮带轮，在两个皮带轮上套设同步带形成第一传动件301。应当理解的是，具体第一传动件301的构成可以根据小臂1内实际的安装空间以及传动精度要求来设计，本发明不做限定。在第一驱动组件30运行的状态下，第二驱动组件31能够起到自锁的作用而限制花键螺母4的旋转，也就能够限定丝杠花键轴2的旋转。

通过上述结构在驱动丝杠花键轴2升降时，先启动第一电机302，第一传动件301作为一级传动，将动力通过皮带和皮带轮传递给丝杠螺母，丝杠螺母作为二级传动就会相对于丝杠花键轴2旋转，在二者螺纹连接的情况下，由于丝杠花键轴2的旋转受到第二驱动组件31的锁定，丝杠花键轴2就会沿自身的轴线方向移动，也就顺利驱动丝杠花键轴2升降。

在本发明一些实施例中，第二驱动组件31包括谐波减速机310、第二传动件311以及第二电机312。谐波减速机310设置于丝杠花键轴2并与花键螺母4连接，第二传动件311与谐波减速机310连接，第二电机312与第二传动件311连接以通过第二传动件311和谐波减速机310带动花键螺母4转动。

具体地，谐波减速机310下端与花键螺母4连接，其外壳固定在小臂1内，其上端与第二传动件311连接，第二传动件311与第一传动件301相同，在此不做赘述。

在驱动丝杠花键轴2旋转时，先启动第二电机312，第二电机312带动第二传动件311动作，第二传动件311作为一级传动，经过谐波减速机310减速后带动花键螺母4转动，花键螺母4作为二级传动再带动丝杠花键轴2转动，以顺利驱动丝杠花键轴2旋转，丝杠花键轴2的末端21就可以顺利作用于负载。

在机器人使用过程中，丝杠花键轴2的升降和转动均通过两级传动来实现，而一级传动均通过同步带实现，二级传动采用丝杠螺母或花键螺母4实现，使得该驱动机构3的传动精度得到提升，确保丝杠花键轴2末端21的活动精度与二级传动保持一致。而且在驱动丝杠花键轴2旋转时，谐波减速机310能够利用自身的阻尼克服丝杠花键轴2滑动的问题，无需再单独设置电机抱闸等结构，有利于降低该机器人结构的复杂度和生产成本。同时在本实施例中，第一电机302和第二电机312均设置在小臂1中远离丝杠花键轴2的一侧，形成电机后置的布局，则小臂1靠近丝杠花键轴2的一侧重量更轻，使得丝杠花键轴2的末端21能够承受更大的负载。

一种机器人驱动方法

该机器人驱动方法其应用于如上述中任一实施例中的机器人，该方法具体包括：

控制驱动机构3运行以带动丝杠花键轴2升降，同时驱动机构通过花键螺母4带动丝杠花键轴2旋转以作用于负载当丝杠花键轴2的末端21作用于该负载时，花键螺母4的长度至少为丝杠花键轴2直径的六倍。

机器人的具体构成结构是根据作业要求对应设计的，因此其尺寸、动作模式等往往比较固定，则其内部的安装空间也就十分有限。通过该驱动方法使得机器人在运行过程中，丝杠花键轴2在升降过程中，由于花键螺母4的加长，较长导向的花键螺母4将使丝杠花键轴2运行较为平稳，同时采用谐波减速机310与花键螺母4进行连接，能够提高花键螺母4的旋转精度。使得机器人在不增设其他结构导致自身结构更为复杂的情况下提高了承载能力、运行平稳性、旋转精度等，从而有效提高了该机器人的适用范围。

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。