CN106041902A - 一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人 - Google Patents

Abstract

一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，包括手臂升降机构、姿态保持机构、回转支承、底座、末端执行器、伺服电机以及减速器。手臂升降机构包括旋转机架、第一主动杆、第一折杆、支撑杆、横杆、第二连杆和第二主动杆；姿态保持机构包括第一平衡杆、第二折杆、第二平衡杆和平动保持架，旋转机架通过回转支承与底座连接；末端执行器连接在平动保持架上。本发明采用多连杆可控机构,利用安装在旋转机架上的伺服电机进行驱动，具有刚度高、运动惯量小、承载能力强、姿态控制精确、动力学特性好的优点，满足高速、重载搬运码垛需求。

Description

一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别是一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人。

背景技术

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，现行串联机械臂的驱动电机大都需要安装在关节处，会导致手臂笨重、刚性差、惯量大、关节误差累积、机构动力学性能较差等问题。

多连杆可控机构综合了传统并联机构刚性好,运行速度高,承载能力强以及串联机构柔性好的特点，而且驱动电机安装在机架上,驱动方式为外副驱动,所以多连杆可控机构的刚度性能好、承载能力强,运动惯量较小,关节误差累积少，动力学特性好,将其应用于工业码垛机器人可以满足高速、重载搬运码垛作业需求。

发明内容

本发明的目的在于设计一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，采用安装于旋转机架上的由伺服电机驱动的多连杆可控机构代替驱动电机安装在关节处的现行串联机械臂，另外，将含有三个平行四边形结构的连杆机构应用于姿态控制，使机器人满足结构紧凑、刚度性能好、承载能力强、运动惯量小、关节误差累积少、姿态控制精确、动力学特性好的要求。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，包括手臂升降机构、姿态保持机构、回转支承、底座、末端执行器、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第一减速器、第二减速器、第三减速器以及第四减速器，具体结构和连接方式为：

所述手臂升降机构包括旋转机架、第一主动杆、第一折杆、支撑杆、横杆、第二连杆以及第二主动杆，

所述姿态保持机构包括第一平衡杆、第二折杆、第二平衡杆以及平动保持架，

所述第一伺服电机连接在第一减速器上，第一减速器安装在底座上，第一减速器通过第一转动副与旋转机架连接，回转支承安装在底座上，回转支承通过第二转动副与旋转机架连接，其中，第一转动副与第二转动副共旋转轴，

所述第二伺服电机连接在第二减速器上，第二减速器安装在旋转机架上并通过第三转动副与第一主动杆的一端连接，第一主动杆的另一端通过第四转动副与第一折杆的第一端连接，第一折杆的第二端通过第五转动副与支撑杆的中间端连接，第一折杆的第三端通过第六转动副与第一平衡杆的一端连接，第一平衡杆的另一端通过第七转动副与第二折杆的第一端连接，第二折杆的第二端通过第八转动副与支撑杆的一端连接，支撑杆的第三端通过第九转动副与旋转机架连接，第二折杆的第三端通过第十转动副与第二平衡杆的一端连接，第二平衡杆的另一端通过第十一转动副与平动保持架的一端连接，平动保持架的另一端通过第十二转动副与横杆的一端连接，横杆的中间端通过第十三转动副与支撑杆的一端连接，横杆的第三端通过第十四转动副与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过第十五转动副与第二主动杆的一端连接，第二主动杆的另一端通过第十六转动副与第三减速器连接，

所述第三伺服电机连接在第三减速器上，第三减速器安装在旋转机架上并通过第十六转动副与第二主动杆连接，

所述第四伺服电机连接在第四减速器上，第四减速器安装在平动保持架上并通过旋转轴线竖直的第十七转动副与末端执行器连接。

所述旋转机架、第一主动杆、第一折杆、支撑杆通过第三转动副、第四转动副、第五转动副和第九转动副组成第一个平行四边形结构，其中，在机器人工作时，第三转动副25与第九转动副同旋转机架之间的相对位置固定不变。

所述第一折杆、第一平衡杆、第二折杆、支撑杆通过第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副组成第二个平行四边形结构。

所述第二折杆、第二平衡杆、平动保持架、横杆通过第八转动副、第十转动副、第十一转动副、第十二转动副和第十三转动副组成第三个平行四边形结构，其中，第八转动副和第十三转动副共旋转轴。

本发明的突出优点在于：

1.采用安装于旋转机架上的由伺服电机驱动的多连杆可控机构代替驱动电机安装在关节处的现行串联机械臂，减轻了机械臂的重量，满足结构紧凑、刚度性能好、运动惯量小、承载能力强、关节误差累积少、动力学特性好的要求。

2.将具有三个特定平行四边形结构的连杆机构应用于姿态控制，使得平动保持器在机器人运动输出过程中始终保持水平状态，降低了机器人控制编程的难度，有利于对被搬运物品进行精确的姿态控制。

3.在伺服电机驱动下，通过编程控制手臂升降机构、姿态保持机构的组合运动，同时配合旋转机架的回转运动，相较现行串联机械臂可改善速度、加速度、平稳度等各项指标，实现机器人末端执行器轨迹灵活多变的空间运动输出。

附图说明

图1为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的整体结构示意图。

图2为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的手臂举升机构示意图。

图3为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的姿态保持机构示意图。

图4为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的主要电机安装第一示意图。

图5为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的主要电机安装第二示意图。

图6为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的末端执行器安装示意图。

图7为本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人的整体效果图。

具体实施方式

对照图1至图7，本发明所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人，包括手臂升降机构、姿态保持机构、回转支承2、底座3、末端执行器11、第一伺服电机15、第二伺服电机17、第三伺服电机19、第四伺服电机21、第一减速器16、第二减速器18、第三减速器20、第四减速器22，具体结构和连接方式为：

对照图1和图2，所述手臂升降机构包括旋转机架1、第一主动杆4、第一折杆5、支撑杆6、横杆12、第二连杆13以及第二主动杆14。

对照图1和图3，所述姿态保持机构包括第一平衡杆7、第二折杆8、第二平衡杆9以及平动保持架10。

对照图1、图4和图5，所述第一伺服电机15连接在第一减速器16上，第一减速器16安装在底座3上并通过第一转动副23与旋转机架1连接，回转支承2安装在底座3上并通过第二转动副24与旋转机架1连接，其中，第一转动副23与第二转动副24共旋转轴。

对照图1至图5，所述第二伺服电机17连接在第二减速器18上，第二减速器18安装在旋转机架1上并通过第三转动副25与第一主动杆4的一端连接，第一主动杆4的另一端通过第四转动副26与第一折杆5的第一端连接，第一折杆5的第二端通过第五转动副27与支撑杆6的中间端连接，第一折杆5的第三端通过第六转动副28与第一平衡杆7的一端连接，第一平衡杆7的另一端通过第七转动副29与第二折杆8的第一端连接，第二折杆8的第二端通过第八转动副30与支撑杆6的一端连接，支撑杆6的第三端通过第九转动副31与旋转机架1连接，第二折杆8的第三端通过第十转动副32与第二平衡杆9的一端连接，第二平衡杆9的另一端通过第十一转动副33与平动保持架10的一端连接，平动保持架10的另一端通过第十二转动副34与横杆12的一端连接，横杆12的中间端通过第十三转动副35与支撑杆6的一端连接，横杆12的第三端通过第十四转动副36与第二连杆13的一端连接，第二连杆13的另一端通过第十五转动副37与第二主动杆14的一端连接，第二主动杆14的另一端通过第十六转动副38与第三减速器20连接。

对照图1、图4和图5，所述第三伺服电机19连接在第三减速器20上，第三减速器20安装在旋转机架1上并通过第十六转动副38与第二主动杆14连接。

对照图1、图6，所述第四伺服电机21连接在第四减速器22上，第四减速器22安装在平动保持架10上并通过旋转轴线竖直的第十七转动副39与末端执行器11连接。

对照图1、图2和图5，所述旋转机架1、第一主动杆4、第一折杆5、支撑杆6通过第三转动副25、第四转动副26、第五转动副27和第九转动副31组成第一个平行四边形结构，其中，在机器人工作时，第三转动副25与第九转动副31同旋转机架1之间的相对位置固定不变。

对照图1、图3，所述第一折杆5、第一平衡杆7、第二折杆8、支撑杆6通过第五转动副27、第六转动副28、第七转动副29和第八转动副30组成第二个平行四边形结构。

对照图1、图2、图3，所述第二折杆8、第二平衡杆9、平动保持架10、横杆12通过第八转动副30、第十转动副32、第十一转动副33、第十二转动副34和第十三转动副35组成第三个平行四边形结构，其中，第八转动副30和第十三转动副35共旋转轴。

工作原理及过程：

对照图1至图7，所述的四自由度十杆可控机构式码垛机器人在工作时，在伺服电机驱动下，通过编程控制手臂升降机构、姿态保持机构的组合运动，实现末端执行器11的空间移动工况和空间转动工况，空间移动工况通过以下方式实现：在第二伺服电机17的驱动控制下，第一主动杆4围绕第三转动副25转动并通过第四转动副26带动第一折杆5转动，第一折杆5通过第五转动副27带动支撑杆6转动，在第三伺服电机19的驱动控制下，第二主动杆14围绕第十六转动副38转动并通过第十五转动副37带动第二连杆13转动，支撑杆6和第二连杆13共同带动横杆12运动，再通过平动保持架10的连接，使得安装在平动保持架10上的末端执行器11可以上下左右移动，同时，在第一伺服电机15的驱动控制下，旋转机架围绕共旋转轴的第一转动副23和第二转动副24转动，实现多连杆可控机构的整体旋转，使得末端执行器11可以前后移动，从而使得末端执行器11可以在一定空间范围内任意移动，此外，旋转机架1、第一主动杆4、第一折杆5、支撑杆6通过第三转动副25、第四转动副26、第五转动副27、第九转动副31组成第一个平行四边形结构，其中，在机器人工作时，第三转动副25与第九转动副31同旋转机架1之间的相对位置固定不变，第一折杆5、第一平衡杆7、第二折杆8、支撑杆6通过第五转动副27、第六转动副28、第七转动副29、第八转动副30组成第二个平行四边形结构，第二折杆8、第二平衡杆9、平动保持架10、横杆12通过第八转动副30、第十转动副32、第十一转动副33、第十二转动副34、第十三转动副35组成第三个平行四边形结构，其中，第八转动副30、第十三转动副35共旋转轴，这三个特定的平行四边形结构使得平动保持架10在机器人运动输出过程中始终保持水平状态，利于被搬运物品的水平稳定性；空间转动工况通过以下方式实现：在第四伺服电机21的驱动控制下，末端执行器11围绕旋转轴线竖直的第十七转动副39转动，从而实现末端执行器11的空间转动。当平动保持架10运动到物品需要被抓取或被码放位置的上方时，通过控制末端执行器11夹持、松开或转动物品，实现该机器人对物品的高速搬运、码垛作业。

Claims (4)

1.一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，包括手臂升降机构、姿态保持机构、回转支承、底座、末端执行器、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第一减速器、第二减速器、第三减速器以及第四减速器，其特征在于,具体结构和连接方式为：

所述手臂升降机构包括旋转机架、第一主动杆、第一折杆、支撑杆、横杆、第二连杆以及第二主动杆，

所述姿态保持机构包括第一平衡杆、第二折杆、第二平衡杆以及平动保持架，

所述第一伺服电机连接在第一减速器上，第一减速器安装在底座上，第一减速器通过第一转动副与旋转机架连接，回转支承安装在底座上，回转支承通过第二转动副与旋转机架连接，其中，第一转动副与第二转动副共旋转轴，

所述第二伺服电机连接在第二减速器上，第二减速器安装在旋转机架上并通过第三转动副与第一主动杆的一端连接，第一主动杆的另一端通过第四转动副与第一折杆的第一端连接，第一折杆的第二端通过第五转动副与支撑杆的中间端连接，第一折杆的第三端通过第六转动副与第一平衡杆的一端连接，第一平衡杆的另一端通过第七转动副与第二折杆的第一端连接，第二折杆的第二端通过第八转动副与支撑杆的一端连接，支撑杆的第三端通过第九转动副与旋转机架连接，第二折杆的第三端通过第十转动副与第二平衡杆的一端连接，第二平衡杆的另一端通过第十一转动副与平动保持架的一端连接，平动保持架的另一端通过第十二转动副与横杆的一端连接，横杆的中间端通过第十三转动副与支撑杆的一端连接，横杆的第三端通过第十四转动副与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过第十五转动副与第二主动杆的一端连接，第二主动杆的另一端通过第十六转动副与第三减速器连接，

所述第三伺服电机连接在第三减速器上，第三减速器安装在旋转机架上并通过第十六转动副与第二主动杆连接，

所述第四伺服电机连接在第四减速器上，第四减速器安装在平动保持架上并通过旋转轴线竖直的第十七转动副与末端执行器连接。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，其特征在于,所述旋转机架、第一主动杆、第一折杆、支撑杆通过第三转动副、第四转动副、第五转动副和第九转动副组成第一个平行四边形结构，其中，在机器人工作时，第三转动副与第九转动副同旋转机架之间的相对位置固定不变。

3.根据权利要求1所述的一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，其特征在于,所述第一折杆、第一平衡杆、第二折杆、支撑杆通过第五转动副、第六转动副、第七转动副和第八转动副组成第二个平行四边形结构。

4.根据权利要求1所述的一种四自由度十杆可控机构式码垛机器人，其特征在于,所述第二折杆、第二平衡杆、平动保持架、横杆通过第八转动副、第十转动副、第十一转动副、第十二转动副和第十三转动副组成第三个平行四边形结构，其中，第八转动副和第十三转动副共旋转轴。