一种水平多关节SCARA型协作吊装机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，尤其是提供一种水平多关节scara型协作吊装机器人。

背景技术：

scara（selectivecomplianceassemblyrobotarm）机器人，始于1980年，目的是为了能够高速、有效地解决自动化生产中的装配工序问题，由当时的日本山梨大学教授牧野洋为中心进行研发和产业化。所以，scara机器人也是装配机器人的典型代表。

在大批量工业生产的时代，scara机器人以动作简洁，高速，低成本等特点，以3c电子产业（计算机、通讯和消费电子）为中心，取得了一定的应用成果。具体应用的工序有零件的抓取和摆放（插入），点胶，锁螺丝，锡焊等，替代人工实现重复，质量要求高的工作。

随着以定制化为主的工业新时代的到来，人类需要以柔性化，智能化为标志的更高性能的机器人，在更加广泛的领域，更加灵活地替代人工工作。装配型机器人的应用范围，也从3c行业向3p（食品、药品和化妆品）等一般工业领域发展,具体地说，协作机器人和智能机器人是机器人的发展方向。

协作机器人，能够与人配合进行混合作业，需要安全，灵活，方便等性能，是传统流水线实现自动化的一个有效途径；智能机器人，是由物联网和大数据云计算做支撑，一定程度上应用人工智能技术的机器人，是实现工业4.0的重要基础。

现有技术中协作机器人和智能机器人存在一些共通的本体问题。现有技术中的scara机器人的结构参见图1至图3，包括底座01、主臂02和头部03。其中主臂02通过其上的连接轴ri连接在底座01上，由此主臂02可绕连接轴r1相对于底座01转动；该连接轴r1与安置在底座01中的主臂驱动电机m1上的减速机j1连接。头部03内设置头部驱动电机m2，其连接减速机j2，主臂02上设置连接轴r2连接头部中的减速机j2，头部03可绕连接轴r2相对于主臂02转动。头部上设置主轴031，在头部03内设置驱动电机m3、m4，其分别通过各自的传动机构和减速机j3连接主轴031上的花键螺母05和螺纹螺母06，花键螺母05与主轴031上的花键结构配合，在驱动电机m3和传动机构的作用下，可以带动主轴031绕主轴031的轴线r3转动，螺纹螺母06与主轴031上的螺纹配合，在驱动电机m4和传动机构的作用下，可以带动主轴沿z方向上下移动，从而使得该主轴031做上下移动和转动的动作，在主轴031上一般可以安装动作装置，例如抓手031a（参见图3）。现有scara机器人存在以下缺陷：

1.驱动头部03相对于主臂02转动的电机m2设置在头部03内，使得主臂02和头部03两个运动部件的重量很重，由此，阻碍机器人动作速度的提升。

2.主臂02和头部03两个运动部件相对于底座01呈悬臂支撑形式，质量偏心，难于提升机器人的运动速度和运动精度。

3.为了使得头部03的电机接电，设置外部配线电缆管04连接底座01和头部03，外部配线电缆造成运动阻力，也影响机器人速度的提升。

4.主臂驱动电机m1上的减速机j1连接的连接轴承受着头部的全部重量，减速机j1内定制的轴承较小，能够满足传递力矩的要求，但其承载力不足，使得该结构刚性低，往往造成机器人的早期损坏。

5.现有机器人以底座01支撑在工作台上，操作者在机器人的侧面，机器人安装要占据一定的安装面积，而且在机械手工作区域内存在死点。而如果对现有的机器人简单地将底座01改为吊装结构，如图4所示，由于头部03的重量太大，会出现动作速度不能提升等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种吊装式结构，减小安装面积，使得工作面积增大，工作区域内不存在死点，同时，使得运动部件轻量化、整机质量平衡、能够提供高速度、高精度运动的一种水平多关节scara型协作吊装机器人。

本发明采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种水平多关节scara协作吊装机器人，包括吊装机座、主臂、头部、滚珠丝杆花键轴和执行机构，

所述滚珠丝杆花键轴设置在吊装机座上，吊装机座具有一个吊装机座壳体，吊装机座壳体上设置有吊装安装孔，吊装机座壳体内设有滚珠丝杆花键轴驱动电机和传动机构，滚珠丝杆花键轴驱动电机包括滚珠丝杆花键轴旋转电机和滚珠丝杆花键轴位移电机，滚珠丝杆花键轴旋转电机与滚珠丝杆花键轴位移电机的电机轴通过传动机构连接滚珠丝杆花键轴，使得所述滚珠丝杆花键轴实现设定的动作，滚珠丝杆花键轴的一端伸出吊装机座壳体的下部；

所述主臂位于吊装机座的下部，伸出所述吊装机座壳体下部的所述滚珠丝杆花键轴的端部固定连接在主臂上，可带动主臂整体运动，主臂具有一主臂壳体，主臂壳体内设有头部驱动电机、传动机构以及主臂从动轴，头部驱动电机的电机轴通过传动机构连接主臂从动轴，主臂从动轴的一端伸出主臂壳体的下部；

所述头部位于主臂的下部，伸出所述主臂壳体下部的所述主臂从动轴的端部固定连接在头部上，可带动头部整体运动，头部具有一头部壳体，头部壳体内设有驱动电机、传动机构以及头部工作轴，驱动电机的电机轴通过传动机构连接头部工作轴，头部工作轴的一端伸出头部壳体的下部与执行机构连接。

优选地，所述主臂从动轴与头部壳体之间设有主臂轴承装置。

优选地，连接所述主臂的所述滚珠丝杆花键轴、连接所述头部的所述主臂从动轴、连接所述执行机构的所述头部工作轴以及所述主臂轴承装置均为空心结构，吊装机座中还设有动力源，动力源引出的动力来接线通过滚珠丝杆花键轴、主臂从动轴、头部工作轴的空心轴结构走线，进入主臂壳体和头部壳体内，与相应电机及执行结构连通，为相应部件提供动力。

优选地，所述头部工作轴的旋转轴线到所述主臂从动轴的旋转轴线的距离不小于所述滚珠丝杆花键轴的旋转轴到所述主臂从动轴的旋转轴线的距离。

优选地，所述执行机构上设置有动力驱动装置，该动力驱动装置至少为以下动力之一：电力、气压或液压动力。

优选地，所述滚珠丝杆花键轴包括一个配合主轴上花键结构的花键螺母和一个配合主轴螺纹结构的螺纹螺母，花键螺母和螺纹螺母分别通过传动机构连接滚珠丝杆花键轴旋转电机和滚珠丝杆花键轴位移电机，所述滚珠丝杆花键轴旋转电机驱动所述花键螺母使得所述滚珠丝杆花键轴旋转，所述滚珠丝杆花键轴位移电机驱动所述螺纹螺母使得所述滚珠丝杆花键轴上下移动。

优选地，所述螺纹螺母位于所述花键螺母的上部。

优选地，所述花键螺母与所述滚珠丝杆花键轴旋转电机之间的传动机构包括二级带传动机构。

优选地，所述螺纹螺母与所述滚珠丝杆花键轴位移电机之间的传动机构为一级带传动机构。

优选地，所述吊装机座中，驱动所述滚珠丝杆花键轴的两个电机均位于所述滚珠丝杆花键轴的旋转轴的同一侧。

优选地，驱动所述滚珠丝杆花键轴的两个电机均位于所述滚珠丝杆花键轴的旋转轴的外侧。

优选地，所述主臂中，所述头部驱动电机与所述主臂从动轴之间的传动机构包括二级带传动机构。

优选地，所述头部中，所述驱动电机与所述头部工作轴之间为一级带传动机构。

优选地，所述主臂中，所述头部驱动电机与所述主臂从动轴位于所述滚珠丝杆花键轴的旋转轴两侧。

优选地，所述花键螺母与所述滚珠丝杆花键轴旋转电机之间的二级带传动机构中，第一级带传动机构中的从动轴和第二级带传动机构中的主动轴共轴。

优选地，所述花键螺母和所述滚珠丝杆花键轴旋转电机之间的传动机构中还包括主臂减速机，所述主臂减速机的输入轴连接第一级带传动机构，所述主臂减速机的输出轴连接第二级带传动机构。

优选地，两级带传动机构分别设置在所述主臂减速机的上下两端。

优选地，所述头部驱动电机和所述主臂从动轴之间的传动机构中还包括头部减速机，所述头部减速机的输入轴连接第一级带传动机构，所述头部减速机的输出轴连接第二级带传动机构；两级带传动机构分别设置在所述头部减速机的上下两端。

优选地，在所述滚珠丝杆花键轴上设置两个手动操作的旋钮，两个旋钮分别直接或间接地与所述滚珠丝杆花键轴上连接的螺纹螺母和花键螺母固连。

优选地，所述头部上设置扳手以使得以手扳动该扳手能够令所述头部相对于所述主臂转动。

优选地，所述主臂上设置扳手以使得以手扳动该扳手能够令所述主臂相对于所述吊装机座转动。

优选地，所述传动机构为带传动机构。

更优选地，所述带传动机构为同步齿形带传动机构。

在所述头部两个侧面的外壁上和/或主臂两个侧面的外壁上分别设置接触传感器。

本发明提供的水平多关节scara型协作吊装机器人，通过将原来的底座改为吊装结构，将滚珠丝杆花键轴设置在吊装机座上，从而减轻头部的重量，提升工作速度，且吊装结构能以滚珠丝杆花键轴的轴心为圆心，以主臂和头部的有效长度为半径，在此范围内实施工作，不存在盲点，合理的电机安置结构有效平衡机器人的整体重量，通过滚珠丝杆花键轴及相应传动轴的空心结构，将动力源通过内部走线连通各个电机及执行机构，去掉了现有机器人的外置电缆管；通过传动机构使得机器人的速比方便地调节；通过在头部上设置接触传感器，可以提高本机器人的灵敏性、智能性和可靠性。

下面通过附图和实施例对本发明的结构以及优越性进行详细说明。

附图说明

图1为现有技术中传统型scara机器人外形结构示意图；

图2为传统型scara机器人的结构示意图；

图3为传统型scara机器人配线示意图；

图4为简单更改为吊装结构的scara机器人结构示意图；

图5为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的结构示意图；

图6为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的立体结构示意图；

图7为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的内部结构示意图；

图8为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的配线示意图；

图9为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的同步齿形带传动机构示意图；

图10为本发明的水平多关节scara协作吊装机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并以实施例的方式对本发明作进一步详细描述。

如图5-图9所示，本发明提供了一种水平多关节scara协作吊装机器人，包括吊装机座1、主臂2、头部3、滚珠丝杆花键轴4和执行机构5。

如图7所示滚珠丝杆花键轴4设置在吊装机座1上，吊装机座1具有一个吊装机座壳体11，吊装机座壳体11上设置有吊装安装孔，吊装安装孔可位于吊装基座壳体11的上端，也可位于其侧面，吊装机座壳体11内设有滚珠丝杆花键轴驱动电机和传动机构，滚珠丝杆花键轴驱动电机包括滚珠丝杆花键轴旋转电机m5和滚珠丝杆花键轴位移电机m6，滚珠丝杆花键轴旋转电机m5与滚珠丝杆花键轴位移电机m6的电机轴通过传动机构连接滚珠丝杆花键轴4，使得所述滚珠丝杆花键轴4实现设定转动和上下移动的动作。

具体地，滚珠丝杆花键轴4的轴上，滚珠丝杆螺纹槽和滚珠花键槽相互交叉，这一结构为现有技术，通过此滚珠丝杆花键轴4同时实现轴向行程/径向旋转的复合单元，轴上设有花键螺母41和螺纹螺母42；螺纹螺母42的外周有专用的支持轴承，通过外部传动可以实现螺纹螺母的自由旋转，花键螺母41的外周也有专用的支持轴承，通过外部传动可以实现花键螺母的自由旋转；

滚珠丝杆花键轴旋转电机m5固定在吊装壳体11内的固定板上，滚珠丝杆花键轴旋转电机m5的输出轴连接一主动带轮，在吊装壳体11中设置一减速机j4,减速机j4的输入轴上设置第一级从动带轮，在第一级主动带轮和第一级从动带轮之间连接第一级齿形传动带111，减速机j4的输出轴上设置第二级主动带轮，在滚珠丝杆花键轴4上的下部设置花键螺母41，与滚珠丝杆花键轴4构成花键结构，花键螺母41上固设一第二级从动轮41a,在第二级主动带轮和第二级从动带轮41a之间连接第二级齿形传动带112，第一级带传动机构中的从动轴和第二级带传动机构中的主动轴共轴，两级带传动机构分别设置在主臂减速机j4的上下两端。

滚珠丝杆花键轴位移电机m6固定在吊装壳体11内的固定板上，滚珠丝杆花键轴位移电机m6的输出轴连接一主动带轮，在滚珠丝杆花键轴4上的上部设置螺纹螺母42，与滚珠丝杆花键轴4构成螺纹结构，螺纹螺母42上固设一从动带轮42a，在主动带轮和从动带轮42a之间连接齿形传动带113。

启动滚珠丝杆花键轴旋转电机m5，通过两级带传动和一级减速机j4即可驱动滚珠丝杆花键轴4转动，启动滚珠丝杆花键轴位移电机m6，通过一级带传动即可驱动滚珠丝杆花键轴4上下移动。

驱动滚珠丝杆花键轴4的两个电机均位于所述滚珠丝杆花键轴4的旋转轴r4的同一侧。在图7所示的实施例中，两个电机均设于旋转轴r4的外侧。

滚珠丝杆花键轴4的一端伸出吊装机座壳体11的下部；

主臂2位于吊装机座1的下部，伸出所述吊装机座壳体11下部的滚珠丝杆花键轴4的端部固定连接在主臂2上，可带动主臂2整体运动，主臂2具有一主臂壳体21，主臂壳体21内设有头部驱动电机m7、传动机构以及主臂从动轴201，头部驱动电机m7的电机轴通过传动机构连接主臂从动轴201，主臂从动轴201的一端伸出主臂壳体21的下部。

具体地，头部驱动电机m7固定在主臂壳体21内的固定板上，头部驱动电机m7的输出轴上连接一级主动带轮，在主臂壳体21中设置一减速机j5，减速机j5的输入轴上设置一级从动带轮，在一级主动带轮和一级从动带轮之间连接一级齿形传动带210，减速机j5的输出轴上设置二级主动带轮，在主臂从动轴201上固设一二级从动带轮，在二级主动带轮和二级从动带轮之间连接二级齿形传动带211，第一级带传动机构中的从动轴和第二级带传动机构中的主动轴共轴。启动头部驱动电机m7，通过两级带传动和一级减速机j5即可驱动主臂从动轴201转动，头部驱动电机m7与主臂从动轴201位于滚珠丝杆花键轴的旋转轴r4的两侧，两级带传动机构分别设置在头部减速机j5的上下两端。

头部3位于主臂2的下部，伸出主臂壳体21下部的主臂从动轴201的端部通过主臂轴承装置例如交叉圆柱滚子轴承201a固定连接在头部3上，可带动头部3整体运动，头部3具有一头部壳体31，头部壳体31内设有驱动电机m8、传动机构以及头部工作轴301，驱动电机m8的电机轴通过传动机构连接头部工作轴301，头部工作轴301的一端伸出头部壳体31的下部与执行机构5连接。

具体地，驱动电机m8固定设置在头部壳体31内的固定板上，驱动电机m8的输出轴连接一主动带轮，头部工作轴301上固设一从动带轮，在主动带轮与从动带轮之间连接齿形传动带310。

如图8所示，连接主臂2的滚珠丝杆花键轴4、连接头部3的主臂从动轴201、连接执行机构5的头部工作轴301以及主臂轴承装置201a均为空心结构，吊装机座1中还设有动力源d，动力源d引出的动力来接线a通过滚珠丝杆花键轴4、主臂从动轴201、头部工作轴301的空心轴结构走线，进入主臂壳体21和头部壳体31内，与相应电机及执行结构5连通，为相应部件提供动力。

头部工作轴301的旋转轴线r6到主臂从动轴201的旋转轴线r5的距离不小于滚珠丝杆花键轴4的旋转轴r4到主臂从动轴201的旋转轴线r5的距离，以保证执行机构5工作不存在盲点。执行机构5上设置有动力驱动装置，该动力驱动装置至少为以下动力之一：电力、气压或液压动力。

如图10所示，在滚珠丝杆花键轴4上设置两个手动操作的旋钮，旋钮41b和旋钮42b分别直接或间接地与滚珠丝杆花键轴4上连接的花键螺母41和螺纹螺母42对应固连。

头部3上设置扳手32，以使得以手扳动该扳手32能够令头部3相对于所述主臂2转动；主臂2上设置扳手22，以使得以手扳动该扳手22能够令所述主臂2相对于所述吊装机座1转动，可更为方便的进行手动调试。

在头部3两个侧面的外壁上和主臂2两个侧面的外壁上分别设置接触传感器，当机器人头部3或主臂2碰到人时能够感应并停止运动。

本发明并不局限于上述实施方式，任何本领域技术人员都可做多种修改和变化，在不脱离本发明的精神下，都在本发明所要求保护范围。