技术领域
[0001] 本
发明一般地涉及机器人的手腕体。具体地，本发明涉及
工业机器人的手腕体及其
传动系统。
背景技术
[0002] 工业机器人的手腕体是连接臂部和
末端执行器的部件，起支承末端执行器的作用。在一般的六轴机器人中，手腕体通常具有三个
自由度，即能够实现手腕体的偏转、
俯仰和回转。由于手腕体安装到手臂的末端并且用于确定末端执行器的
姿态，因此手腕体往往具有复杂的结构。为保证机器人的整体
稳定性，手腕体需要结构尽量紧凑并且重量较轻，以减轻臂部的
载荷。为此，在大负荷机器人中，用于控制手腕体的各种运动的多个驱动装置往往置于小臂的后端，并通过传动机构将动
力传至手腕体以驱动手腕体绕各旋
转轴线的运动。同时，将减速器设置在手腕体能够使末端执行器的运动更加灵活且平稳。
[0003] 在驱动装置后置而减速器前置的机器人中，通常采用交汇式传动。这种情况下，驱动装置的动力需在传动路线中经由锥
齿轮改变方向以带动腕部绕五轴和六轴摆动和转动。
锥齿轮传动能够方便地实现90度轴交
角设计需求，齿轮大端的参数为标准值，且设计制造及安装均较为简便。但是，锥
齿轮传动需要确保相
啮合齿轮之间的轴向
定位和安装空间，这会造成腕部尺寸增大。在一对相啮合的锥齿轮中，小轮是强度相对较弱的一者，在小轮失效之后往往需要同时更换一对齿轮副。
[0004] 鉴于以上问题，需要一种能够设计更灵活、
传动比更大且强度更高的手腕体传动设计。
发明内容
[0005] 本发明的一个目的在于提供一种结构紧凑的机器人及其手腕体结构。本发明的另一目的在于提供一种具有更大空间布置自由度的机器人及其手腕体结构。本发明的另一目的在于提供一种承载能力高且传动平稳的机器人及其手腕体结构。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种机器人，所述机器人包括：
基座；大臂，所述大臂被可枢转地支承于基座；小臂，所述小臂被可枢转地连接至所述大臂；手腕体，所述手腕体包括：第一腕部构件，其连接至所述小臂，并且能够绕第一轴线旋转；第二腕部构件，其以能够绕第二轴线旋转的方式连接到所述第一腕部构件；第三腕部构件，其以能够绕第三轴线旋转的方式连接到所述第二腕部构件；第一传动组件，其用于驱动所述第二腕部构件相对于所述第一腕部构件旋转，其中所述第一传动组件包括轴线垂直的第一齿轮副和第一减速装置；和第二传动组件，其用于驱动所述第三腕部构件相对于所述第二腕部构件旋转，其中所述第二传动组件包括轴线垂直的第二齿轮副、轴线垂直的第三齿轮副和第二减速装置；末端执行装置，其连接至所述第三腕部构件；第一驱动装置，其布置在所述小臂的后端，并且用于驱动所述第一腕部构件绕第一轴线旋转；第二驱动装置，其布置在所述小臂的后端，并且用于驱动所述第二腕部构件绕第二轴线旋转；第三驱动装置，其布置在所述小臂的后端，并且用于驱动所述第三腕部构件绕第三轴线旋转；其中，所述第一齿轮副、所述第二齿轮副和所述第三齿轮副中的至少一个是一对准双曲面齿轮。
[0007] 优选地，所述第一腕部构件包括内部通孔、第一侧通孔和第二侧通孔，所述第一齿轮副包括第一齿轮轴和第二齿轮轴，所述第一齿轮轴可枢转地设置在所述第一腕部构件的内部通孔中，所述第二齿轮轴设置在所述第一减速装置的通孔中，所述第一减速装置的
外壳固定到所述第二腕部构件。
[0008] 优选地，所述第二腕部构件包括第一侧面通孔、第二侧面通孔和前通孔，所述第二齿轮副包括第三齿轮轴和第四齿轮轴，所述第三齿轮轴可枢转地设置在所述第一齿轮轴的通孔中，所述第四齿轮轴可枢转地设置在所述第二腕部构件的第一侧面通孔和所述第一腕部构件的第二侧通孔中，所述第三齿轮副包括第五齿轮轴和第六齿轮轴，所述第五齿轮轴可枢转地设置在所述第二腕部构件的第二侧面通孔中，所述第六齿轮轴设置在所述第二减速装置的通孔中，所述第二减速装置的外壳固定到所述第三腕部构件。
[0009] 优选地，所述第五齿轮轴和所述第六齿轮轴的齿轮部为准双曲面齿轮。
[0010] 优选地，所述第一齿轮轴、所述第二齿轮轴、所述第三齿轮轴和所述第四齿轮轴的齿轮部均为准双曲面齿轮。
[0011] 本发明还提供一种机器人的手腕体，包括：第一腕部构件，其用于连接至机器人的小臂，并且能够绕第一轴线旋转；第二腕部构件，其以能够绕第二轴线旋转的方式连接到所述第一腕部构件；第三腕部构件，其以能够绕第三轴线旋转的方式连接到所述第二腕部构件；第一传动组件，其用于驱动所述第二腕部构件相对于所述第一腕部构件旋转，其中所述第一传动组件包括轴线垂直的第一齿轮副和第一减速装置；和第二传动组件，其用于驱动所述第三腕部构件相对于所述第二腕部构件旋转，其中所述第二传动组件包括轴线垂直的第二齿轮副、轴线垂直的第三齿轮副和第二减速装置，其中，所述第一齿轮副、所述第二齿轮副和所述第三齿轮副中的至少一个是一对准双曲面齿轮。
[0012] 优选地，所述第一腕部构件包括内部通孔、第一侧通孔和第二侧通孔，所述第一齿轮副包括第一齿轮轴和第二齿轮轴，所述第一齿轮轴可枢转地设置在所述第一腕部构件的内部通孔中，所述第二齿轮轴设置在所述第一减速装置的通孔中，所述第一减速装置的外壳固定到所述第二腕部构件。
[0013] 优选地，所述第二腕部构件包括第一侧面通孔、第二侧面通孔和前通孔，所述第二齿轮副包括第三齿轮轴和第四齿轮轴，所述第三齿轮轴可枢转地设置在所述第一齿轮轴的通孔中，所述第四齿轮轴可枢转地设置在所述第二腕部构件的第一侧面通孔和所述第一腕部构件的第二侧通孔中，所述第三齿轮副包括第五齿轮轴和第六齿轮轴，所述第五齿轮轴可枢转地设置在所述第二腕部构件的第二侧面通孔中，所述第六齿轮轴设置在所述第二减速装置的通孔中，所述第二减速装置的外壳固定到所述第三腕部构件。
[0014] 优选地，所述第五齿轮轴和所述第六齿轮轴的齿轮部为准双曲面齿轮。
[0015] 优选地，所述第一齿轮轴、所述第二齿轮轴、所述第三齿轮轴和所述第四齿轮轴的齿轮部均为准双曲面齿轮。
[0016] 根据本发明，能够提供结构紧凑、承载能力高、传动平稳且空间布置自由度大的用于机器人的手腕体。
附图说明
[0017] 图1是根据本发明的一个
实施例的机器人的总体示图。
[0018] 图2是根据本发明的一个实施例的
机器人手腕体的剖视图。
[0019] 图3A是图2中的第一腕部构件的立体图。
[0020] 图3B是第一腕部构件的截面图。
[0021] 图4A是图2中的第二腕部构件的立体图。
[0022] 图4B是第二腕部构件的截面图。
[0023] 图5是图2中的第三腕部构件的示意图。
[0024] 图6是根据本发明的一个实施例的准双曲面齿轮副的示意图。
具体实施方式
[0025] 下文中，参照附图描述本发明的实施例。下面的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由
权利要求书限定。
[0026] 图1是根据本发明的一个实施例的工业机器人100的总体示图。如图1所示，工业机器人100的外部结构主要包括：基座1、大臂2、小臂3、手腕体4、平衡器5、以及多个
马达6。
[0027] 图1中，以基准面P0为参照基准定义了三维
坐标系XYZ。其中，XY平面与基准面P0平行，Z轴垂直于基准面P0。图1中所示的工业机器人100处于如下状态：基座1被固定于基准面P0；大臂2与基准面P0垂直；小臂3及手腕体4与大臂垂直，并平行于基准面P0。
[0028] 这里所称的“垂直”、“平行”等，并不要求其所成的角度是90度或0度，而是允许一定的公差或误差。
[0029] 下面，对工业机器人100的各个组成部分进行具体说明。
[0030] 基座1是工业机器人100的底座，用于将机器人100安装固定于工作场所，并
支撑机器人100的其他部件。通常情况下，基座1可以由金属、
合金等坚固的材料制成，也可以由其他各种材料制成，只要其刚性、挠性等性能满足需求即可。基座可以通过
铸造等制造工艺形成。图1中的基座1的内部是中空的，其中容纳有图中未示出的马达等其他部件。当然，马达等部件也可以根据需求设置在基座1的外部或者分开设置。基座1的上部与大臂2及平衡器5相连结。基座1的底部通过机械连结等方式被固定到基准面P0上。需要说明的是，尽管大多情况下基座1被直接固定于地面(此时地面即为基准面P0)，但并不限于此，也可以被固定于
工作台等其他平面。例如，当需要将工业机器人100倒置进行悬挂设置时，基座1可被固定于
天花板等的下表面上。
[0031] 大臂2是工业机器人100的第一臂，大臂2的一端被支承于基座1。大臂2能够绕垂直于基准面P0的第一轴A1相对于基座1进行相对旋转(第一旋转运动)。由图1可以看出，该第一旋转位于XY平面内。此外，大臂2还能够绕平行于基准面的第二轴A2进行旋转运动(第二旋转运动)。如图1所示，该第二旋转位于XZ平面内。大臂2的另一端与小臂3相连。如图1所示，大臂2与小臂3能够绕
旋转轴A3进行相对旋转(第三旋转运动)。
[0032] 小臂3呈杆状，能够在马达6的驱动下，绕其中
心轴A4进行旋转(第四旋转运动)。如上所述，小臂3的一端与大臂2相连。此外，小臂3的另一端与手腕体4相连。如图1所示，小臂3与手腕体4能够绕平行于基准面P0的第四轴A5进行相对旋转(第五旋转运动)。
[0033] 除了上述第一至第五旋转运动，本实施例的工业机器人100还包括第六旋转运动。所述第六旋转运动是指与手腕体4的末端相连结的执行部件(图中未示出)绕其轴心旋转的运动。由此，本实施例的工业机器人100的各个部件的旋转运动合计具有六个旋转轴，因此该工业机器人100也被称为六轴机器人。
[0034] 为上述第一旋转运动提供动力的马达被设置于基座1的内部(图中未示出)。为上述第二旋转运动提供动力的马达被设置于第二轴A2附近(图中未示出)。为上述第三旋转运动提供动力的马达被设置于第三轴A3附近(图中未示出)。为上述第四及第五旋转运动提供动力的马达6被设置于小臂3的一端，其动力通过减速器等动力传递装置向手腕体及小臂传递。作为提供上述驱动力的马达，例如可以是电动马达。但马达的种类不限于此，只要能满足提供驱动力的条件即可，除了电动马达之外，也可以是
液压马达或
气动马达等。
[0035] 平衡器6被支承在基座1上。平衡器6与大臂2相连。平衡器6能够与大臂2进行相对旋转。图1所示的状态下，平衡器6处于初始
位置，不对大臂2施加作用力。随着大臂2绕第二轴A2进行旋转，平衡器6与大臂2之间的相对距离发生变化。伴随着该变化，平衡器6向大臂2施加拉力或推力。通过提供这样的作用力，有助于大臂2更加容易地返回到平衡位置。即，平衡器2具有协助大臂2恢复平衡的功能。
[0036] 除上述部分之外，工业机器人100至少还包括：动力传递系统、
能源供应系统、以及动作控制系统。所述动力传递系统能够将各个马达产生的驱动力传递至各运动部件，例如大臂、小臂、手腕体等。所述能源供应系统能够向各个马达提供其工作所需的能源。当采用电动马达时，所述能够供应系统即为电力供应系统。通过科学地规划布置电力输送线路，来满足各个电动马达的用电需求。此外，所述动作控制系统能够对各个运动部件的动作进行控制。所述动作控制系统能够按照用户预先设定的程序，控制各个运动部件的动作。
[0037] 图2是根据本发明的一个实施例的机器人手腕体4的剖视图。如图2所示，机器人1的手腕体4包括第一腕部构件41、第二腕部构件42和第三腕部构件43。
[0038] 图3A-图5分别示出第一腕部构件41、第二腕部构件42和第三腕部构件43的具体结构。
[0039] 手腕体4构造成通过第一腕部构件41的第一端41A连接至小臂3。第一驱动装置61用于驱动手腕体4的第一腕部构件41围绕第四轴A4可转动地运动，以实现手腕体4的偏转(臂转)运动。
[0040] 第二腕部构件42可枢转地连接到第一腕部构件41。第二驱动装置62用于驱动第二腕部构件42围绕第五轴A5可转动地运动，以实现手腕体4的俯仰(腕摆)运动。
[0041] 第三腕部构件43可枢转地连接到第二腕部构件42。第三驱动装置63用于驱动第三腕部构件43围绕第六轴A6可转动地运动，以实现手腕体4的回转(手转)运动。末端执行器(未示出)能够连接至第三腕部构件43，并通过驱动装置61、62、63的驱动而相应地运动。末端执行器包括但不限于夹持器、托持器、
吸盘、
喷枪和
焊枪等等。例如，在用于
焊接作业时，末端执行器可以用于
气焊、
电弧焊、激光焊、
等离子体焊、
电子束焊、
电阻焊、钎焊、摩擦焊等等。
[0042] 如图2、3A和3B所示，第一腕部构件41包括内通孔411、第一侧通孔412和第二侧通孔413。
[0043] 齿轮轴44设置在第一腕部构件41的内通孔411处并贯穿该内通孔411。齿轮轴44的轴线与机器人100的第六轴A6重合。齿轮轴44的轴部441被可枢转地支承在内通孔
411中。齿轮轴44的齿轮部442从轴部441延伸到内通孔411之外。
[0044] 齿轮轴45设置在齿轮轴44的通孔443处并部分地穿过该通孔443。齿轮轴45的轴线与机器人100的第六轴A6重合。齿轮轴45的轴部451被可枢转地支承在齿轮轴44的通孔443中。齿轮轴45的齿轮部452从轴部451延伸到通孔443之外。
[0045] 第一减速器71设置在第一腕部构件41的第一侧通孔412处。第一减速器71具有中心通孔711，其轴线与机器人100的第五轴A5重合。第一减速器71是偏心摆动型减速器。例如，第一减速器71为RV减速器。
[0046] 齿轮轴46设置在第一减速器71的通孔711处并贯穿该通孔711。齿轮轴46的轴线与机器人100的第五轴A5重合。齿轮轴46的轴部461被可枢转地支承在通孔711中。齿轮轴46的齿轮部462从轴部461延伸到通孔711之外。
[0047] 当齿轮轴46的旋转输入到第一减速器71时，该旋转经第一减速器71减速而引起外壳712转动，从而带动第二腕部构件42围绕第五轴A5转动。
[0048] 齿轮轴44的齿轮部442与齿轮轴46的齿轮部462相啮合。
[0049] 如图4A和4B所示，第二腕部构件42包括第一侧部421、第二侧部422和前部423。应注意图4A中未示出第一侧部421。第一减速器71的外壳712被固定地安装至第二腕部构件42的第一侧部421。
[0050] 第二腕部构件42的第二侧部422包括第一通孔424和第二通孔425。当第一腕部构件41和第二腕部构件42组装到一起时，第一通孔424与第一腕部构件41的第二侧通孔413相对，并且第一通孔424的轴线与第二侧通孔413的轴线重合。
[0051] 在第一腕部构件41和第二腕部构件42组装的状态下，轴套73设置成穿过第一腕部构件41的第二侧通孔413和第二腕部构件42的第一通孔424。轴套73被固定地连接至第一腕部构件41，并且借助于
轴承被可枢转地支承在第二腕部构件42的第一通孔424中。齿轮轴47设置成贯穿该轴套73。在这种状态下，齿轮轴47的轴线与机器人100的第五轴A5重合。齿轮轴47的轴部471被可枢转地支承在轴套73中。齿轮轴47的齿轮部472从轴部471向手腕体4的内侧延伸到第一腕部构件41的第二侧通孔413之外。齿轮轴47的连接部473安装有第一正齿轮74。例如，连接部473与第一正齿轮74可以通过
轮齿或
花键相互啮合。
[0052] 齿轮轴48设置在第二腕部构件42的第二通孔425处并贯穿该第二通孔425。齿轮轴48的轴线与机器人100的第五轴A5平行，并且与机器人100的第六轴A6垂直。齿轮轴48的轴部481被可枢转地支承在第二通孔425中。齿轮轴48的齿轮部482从轴部481向手腕体4的内侧延伸到第二通孔425之外。齿轮轴48的连接部483安装有第二正齿轮75。例如，连接部483与第二正齿轮75可以通过轮齿或花键相互啮合。
[0053] 第二腕部构件42的前部423包括前通孔426。第二减速器72设置在第二腕部构件42的前通孔426处。第二减速器72具有中心通孔721，其轴线与机器人100的第六轴A6重合。第二减速器72是偏心摆动型减速器。例如，第二减速器72为RV减速器。
[0054] 齿轮轴49设置在第二减速器72的通孔721处并贯穿该通孔721。齿轮轴49的轴线与机器人100的第六轴A6重合。齿轮轴49的轴部491被可枢转地支承在通孔721中。齿轮轴49的齿轮部492从轴部491延伸到通孔721之外。
[0055] 当齿轮轴49的旋转输入到第二减速器72时，该旋转经第二减速器72减速而引起外壳722转动，从而带动第三腕部构件43围绕第六轴A6转动。
[0056] 齿轮轴48的齿轮部482与齿轮轴49的齿轮部492相啮合。
[0057] 第二减速器72的外壳722被固定地安装至第三腕部构件43的第一端431。第三腕部构件43的第二端432用于连接末端执行器。
[0058] 齿轮轴44的齿轮部442与齿轮轴46的齿轮部462组成第一齿轮副，齿轮轴45的齿轮部452与齿轮轴47的齿轮部472组成第二齿轮副，齿轮轴48的齿轮部482与齿轮轴49的齿轮部492组成第三齿轮副。根据本发明的实施例，第一齿轮副、第二齿轮副和第三齿轮副中的至少一者为准双曲面齿轮副。
[0059] 图6示出第三齿轮副为准双面齿轮副的示意图。齿轮轴48的齿轮部482与齿轮轴49的齿轮部492均采用准双曲面齿轮。如图6所示，齿轮轴48的齿轮部482的轴线与齿轮轴49的齿轮部492的轴线垂直，但是两者不交叉。因此，齿轮轴48和齿轮轴49的轴线可以形成一偏置量。这增大了齿轮轴48和齿轮轴49的布置自由端。
[0060] 根据本发明的结构，当第二驱动装置62的转动和
扭矩被传递到齿轮轴44时，由于齿轮轴44与齿轮轴46啮合，转动和扭矩被传递至齿轮轴46并被输入到第一减速器71，由第一减速器71进行减速。第一减速器71减速后的转动和扭矩将驱动第二腕部构件42，使得第二腕部构件42围绕第五轴A5旋转至
指定的位置。
[0061] 当第三驱动装置63的转动和扭矩被传递到齿轮轴45时，转动和扭矩经由齿轮轴45、齿轮轴47、第一正齿轮74、第二正齿轮75、齿轮轴48和齿轮轴49被输入到第二减速器
72，由第二减速器72进行减速。第二减速器72减速后的转动和扭矩将驱动第三腕部构件
43，使得第三腕部构件43围绕第六轴A6旋转至指定的位置。
[0062] 尽管借助于本发明的实施例给出了上述描述，但是在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员将领会本发明还可以有很多等同的变化和
修改。这些等同的变化和修改也包含在本发明的范围内。
