非奇异构型七轴协作的关节机器人

摘要

本发明涉及一种非奇异构型七轴协作的关节机器人，由J1轴～J7轴七个依次连接的关节组成，J1轴～J6轴的关节分别由外壳和驱动芯体组成；J1轴、J3轴和J5轴的关节结构相同，其转轴沿Y轴方向设置；J2轴、J4轴和J6轴的关节结构相同，其转轴沿Z轴方向设置；J7轴的关节转轴沿X轴方向设置；J1轴～J7轴关节的驱动芯体沿对应的转轴方向旋转，J1轴～J7轴关节的外壳与前一个关节的驱动芯体连接。该机器人关节提高了机器人关节速度，同时达到使机器人在工作空间内完全消除奇异的目的，提高机器人的工作能力。

说明书

技术领域

本发明创造涉及一种非奇异构型七轴协作的关节机器人，属于机器人领域。

背景技术

现有的工业产品中，越来越多的企业选择机器人取代人工生产，尤其对于装配流水线，机器人运行速度高，精度准确，直接提高了产品质量。在流水线的装配机器人中，关节机器人应用比较广泛，其费用低，精度高，受广大客户的青睐。

在医疗、服务、娱乐等领域，关节型协作机器人能够提供安全方便的人机交互操作体验，并能进行高精度的定位和运动跟踪。其应用也正在变得越来越广泛。

但是，现有的关节机器人，其关节的自由度受限，经常出现空间死点，无法到达，使关节机器人应用受限。

发明内容

本发明创造要解决的技术问题是提供一种非奇异构型七轴协作的关节机器人，该机器人关节提高了机器人关节速度，同时达到使机器人在工作空间内完全消除奇异的目的，提高机器人的工作能力。

为解决以上问题，本发明创造的具体技术方案如下：一种非奇异构型七轴协作的关节机器人，由J1轴～J7轴七个依次连接的关节组成，J1轴～J6轴的关节分别由外壳和驱动芯体组成；J1轴、J3轴和J5轴的关节结构相同，其转轴沿Y轴方向设置；J2轴、J4轴和J6轴的关节结构相同，其转轴沿Z轴方向设置；J7轴的关节转轴沿X轴方向设置；J1轴～J7轴关节的驱动芯体沿对应的转轴方向旋转，J1轴～J7轴关节的外壳与前一个关节的驱动芯体连接。

所述的驱动芯体的结构包括，在驱动壳的中心设有沿轴线设置的中心走线管，中心走线管的外圆周同轴间隙配合主轴；主轴的中部设有无框力矩电机，无框力矩电机的转子与主轴连接；在主轴的前端连接谐波减速机，谐波减速机的输出刚性轮与驱动壳连接；在驱动壳的前端内圆周连接轴承座，轴承座内通过轴承Ⅰ同轴设置输出轴。

所述的主轴的后端外圆周设置抱闸制动器，在驱动壳的后端部设置后端盖，抱闸制动器与后端盖的内端面连接。

所述的轴承座的内圆周设有绝对值编码器，绝对值编码器与输出轴外端面产生相对运动。

J1轴、J3轴和J5轴的外壳为左右两端开口的桶型结构，左端具有连接法兰，右端通过轴承II连接端盖法兰，驱动芯体的驱动壳通过螺栓与外壳连接。

J1轴的外壳长度大于驱动壳，在J1轴的外壳内设有驱动器，驱动器的控制线缆通过中空走线管依次与其他轴关节的驱动芯体连接。

J2轴、J4轴、J6轴和J7轴的外壳为U型框体结构，U型框体的两个平行平面连接驱动芯体，驱动芯体的驱动壳连接左侧相邻关节的驱动芯体驱动壳，U型框体的立边连接右侧相邻关节的壳体。

该非奇异构型七轴协作的关节机器人采用七个依次连接的关节，且有三种分别沿X轴、Y轴和Z轴为轴线的关节，实现关节运动灵活，无卡点，从而提高机器人的工作能力。

进步的限定驱动芯体的结构，采用中部设置动力，前端部转动设置编码器和后端部制动结构，最大程度的保证了驱动芯体的体积小，传动精度高，制动性能好的特点。

根据不同关节转轴方向不同，其连接设置不同的外壳结构，保证七个关节的有效连接，同时也保证相互运动是不相互干涉。同时在J1轴关节的壳体内设置驱动器，不仅提供了驱动器的防护外壳，而且节省了外置的空间，使关节结构更加优化。

附图说明

图1为七轴协作关节机器人主体结构示意图。

其中，1为J1轴关节、2为J2轴关节、3为J3轴关节、4为J4轴关节、5为J5轴关节、6为J6轴关节、7为J7轴关节。

图2为七轴协作关节机器人关节结构图。

图3为传统关节运动学设计的示意图。

图4为非奇异关节结构运动学设计示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种非奇异构型七轴协作的关节机器人，由J1轴～J7轴七个依次连接的关节组成，J1轴～J6轴的关节分别由外壳和驱动芯体组成；J1轴、J3轴和J5轴的关节结构相同，其转轴沿Y轴方向设置；J2轴、J4轴和J6轴的关节结构相同，其转轴沿Z轴方向设置；J7轴的转轴沿X轴方向设置，轴心设置驱动电机；J1轴～J7轴关节的驱动芯体沿对应的转轴方向旋转，J1轴～J7轴关节的外壳与前一个关节的驱动芯体连接。通过控制不同的关节沿自身的转轴旋转时，即可实现机器人到达指定位置。

如图2所示，驱动芯体的结构包括，在驱动壳1-4的中心设有沿轴线设置的中心走线管1-11，中心走线管1-11的外圆周同轴间隙配合主轴1-3；主轴1-3的中部设有无框力矩电机1-2，无框力矩电机1-2的转子与主轴1-3连接；在主轴1-3的前端连接谐波减速机1-15，谐波减速机1-15的输出刚性轮与驱动壳1-4连接；在驱动壳1-4的前端内圆周连接轴承座1-22，轴承座1-22内通过轴承Ⅰ1-20同轴设置输出轴1-19。在主轴1-3的后端外圆周设置抱闸制动器1-8，在驱动壳1-4的后端部设置后端盖1-10，抱闸制动器1-8与后端盖1-10的内端面连接。

所述的轴承座1-22的内圆周设有绝对值编码器1-23，绝对值编码器1-23与输出轴1-19外端面产生相对运动。通过绝对值编码器实现对每个关节运动角度的控制，提高机器人的运动精度。

J1轴、J3轴和J5轴的外壳为左右两端开口的桶型结构，左端具有连接法兰，右端通过轴承II1-25连接端盖法兰1-26，驱动芯体的驱动壳1-4通过螺栓与外壳连接。J1轴的外壳长度大于驱动壳1-4，在J1轴的外壳内设有驱动器1-27，驱动器1-27的控制线缆通过中空走线管1-11依次与其他轴关节的驱动芯体连接。

J2轴、J4轴、J6轴和J7轴的外壳为U型框体结构，U型框体的两个平行平面连接驱动芯体，驱动芯体的驱动壳1-4连接左侧相邻关节的驱动芯体驱动壳，U型框体的立边连接右侧相邻关节的壳体。

本申请的机器人采用了非奇异结构运动学设计。这种设计在J5、J6、J7的布局上有别于传统的机器人手腕设计。如图3和图4所示，为非奇异结构运动学设计和传统设计在J5、J6、J7的运动机构布局上的对比。

机构是否奇异的关键在于J6关节的角度位置。J6关节的角度位置s6通常有如下工作空间：s6∈[-90°,90°]。对于传统构型设计，J5、J6、J7的位姿关系如下：

其中，c

可见此时s5和s7失去了独立性，即机器人处于奇异位置。对于七轴机器人，处于奇异位置将使机器人关节速度显著增大，甚至出现关节速度发散至无穷大。传统构型设计在J6关节工作空间的正中间出现奇异位置，是非常影响机器人的工作能力的。

对于非奇异结构运动学设计，J5、J6、J7的位姿关系如下：

当s6＝0°时，上述位姿关系简化为：

即s6＝0°是非奇异结构运动学设计下，工作空间中最远离奇异的位置。当s6＝±90°时，上述位姿关系简化为：

即s6＝±90°是非奇异结构运动学设计的理论奇异位置。可以通过简单地限制J6关节的运动范围，达到使机器人在工作空间内完全消除奇异的目的，如限制s6∈[-70°,70°]。

在七轴机器人的运动学解算中需要用到优化指标，常用的优化指标有关节角极限位置指标和可操作度指标。前者使机器人回避关节角极限位置，计算量较小；后者使机器人回避机器人奇异位置，计算量较大。当采用非奇异结构运动学设计时，在运动学解算时只要让机器人关节角远离极限位置，就可以自然地做到回避奇异位置。所以其优化指标中可以去掉可操作度指标，这极大地提高了解算效率。