CN101693368B

CN101693368B - 一种大型板材安装机械手

Info

Publication number: CN101693368B
Application number: CN2009100707401A
Authority: CN
Inventors: 李铁军; 刘今越; 赵海文; 杨冬; 王海玲
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: CN101693368A

Abstract

本发明涉及一种大型板材安装机械手，其特征在于该机械手包括三自由度并联转动平台模块，安装在三自由度并联转动平台模块上方的三自由度串联移动模块和与三自由度串联移动模块连接的末端执行器模块；所述的三自由度并联转动平台模块包括静平台和动平台，静平台的中心与动平台的中心设置一个约束支链和以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处的三个转动支链；所述的三自由度串联移动模块包括Y轴、Z轴两个移动副和一个X轴转动副，X轴转动副采用平行四边形的四杆机构：所述的末端执行器模块包括固定在Z轴滑台上的吸盘架和在吸盘架四角均布安装的四个真空吸盘。

Description

一种大型板材安装机械手

技术领域

本发明涉及机器人和建筑安装技术，具体为一种适用于大型板材干挂工艺、具有六自由度串并联混合结构的大型板材安装机械手。

背景技术

近年来，随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自规划能力等。美国的AUSS、俄罗斯的MT一88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统已用于海洋石油开采，海底勘探、救捞作业、管道敷设及检查、电缆敷设和维护等方面，形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。核工业用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器等；加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统；德国的C7灵巧手等。目前，机器人技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些不错的成果。

建筑(安装)机器人(手)是机器人技术一个崭新的应用领域，开发建筑机器人，旨在提高建筑施工作业的自动化程度，提升施工速度及安全性，并降低工人的劳动强度。目前大型建筑的幕墙装修工程，主要采用大理石或者玻璃等材料，采用干挂式工艺进行施工。但这些材料为板形，重量重，且越来越重，尺寸大，且越来越大，人工操作效率低，安全性差，劳动强度大，施工困难。因此，研发适用于这种大型板材干挂工艺安装工程需要的强承载能力，高稳定性和多灵活性的建筑安装机器人或机械手便是必然之选了。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种大型板材安装机械手，该机械手具有六自由度操作系统，承载能力强，稳定性高，质量轻，操作灵活，适合室内大型板材的干挂安装工艺。

本发明解决所述机械手技术问题的技术方案是：设计一种大型板材安装机械手，其特征在于该机械手包括三自由度并联转动平台模块，安装在三自由度并联转动平台模块上方的三自由度串联移动模块和与三自由度串联移动模块连接的末端执行器模块；所述的三自由度并联转动平台模块包括静平台和动平台，静平台的中心与动平台的中心设置约束支链，约束支链包括机械连接的固定支撑杆和中心球铰，固定支撑杆与静平台的中心连接，中心球铰与动平台的中心连接；在静平台上以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处分别安装有虎克铰，且其中的一个虎克铰位于约束支链的-Y方向；在动平台上以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处分别安装有球铰，且其中的一个球铰位于约束支链的+Y方向；三个虎克铰与三个球铰之间分别对应连接有可以伸缩的电动推杆，构成三个转动支链；

所述的三自由度串联移动模块包括Y轴、Z轴两个移动副和一个X轴转动副；Y轴移动副的直线导轨、Y轴丝杠和Y轴伺服电机直接安装在所述的动平台上；Y轴滑台由Y轴伺服电机通过Y轴丝杠驱动；X轴为转动副采用平行四边形的四杆机构：两个等长平行的转动杆的下端分别通过转动轴与Y轴的滑台相连接，转动杆的上端分别与平动杆的两端机械连接；电动推杆的两端分别与一个转动杆和Y轴滑台机械连接，构成四杆机构的驱动部件；Z轴移动副的基板2装在平动杆的工作一端，Z轴伺服电机、直线导轨和Z轴丝杠分别安装在Z轴基板上，Z轴滑台由Z轴伺服电机通过Z轴丝杠驱动，沿垂直于动平台平面的方向运动；所述的末端执行器模块包括固定在Z轴滑台上的吸盘架和在吸盘架四角均布安装的四个真空吸盘。

与现有技术相比，本发明采用机械手安装大型板材，承载能力强，劳动强度低，适应室内大型板材的干挂安装工艺；本发明机械手分为三自由度并联转动平台模块和三自由度串联移动模块两个独立部分，具有解耦运算少、结构设计简单，操作灵活，便于实际应用等特点。

附图说明

图1为本发明大型板材安装机械手一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明大型板材安装机械手一种实施例的三自由度并联转动平台模块结构示意图；

图3为本发明大型板材安装机械手一种实施例的三自由度串联移动模块结构示意图；

图4为本发明大型板材安装机械手一种实施例的末端执行器模块结构示意图；

图5为本发明大型板材安装机械手一种实施例的辅助定位支撑架结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明技术方案详细说明如下：

本发明设计的大型板材安装机械手(简称机械手，参见图1-5)是基于大型板材干挂安装工艺的要求，遵循机器人结构模块化设计思想，按照板材安装的工作流程而设计。本发明所设计的机械手采用六自由度串并联混合机构，主体运动机构主要由三自由度并联转动平台模块1、安装在三自由度并联转动平台模块1上方的三自由度串联移动模块2和与三自由度串联移动模块2连接的末端执行器模块3组成。

本发明机械手所述的三自由度并联转动平台模块1(简称模块1)包括作为基座的静平台101和动平台107(参见图2)；静平台101的中心设置约束支链的固定支撑杆104，动平台107的中心通过中心球铰109与固定支撑杆104相连接，形成约束支链；静平台101上安装有三个虎克铰，即第一虎克铰102、第二虎克铰112和第三虎克铰113，三个虎克铰分别安装于以固定支撑杆104为形心的等边三角形的三个顶点处，且其中的一个虎克铰(实施例为第三虎克铰113)位于固定支撑杆104的-Y方向；动平台107上安装有三个球铰，即第一球铰106、第二球铰108和第三球铰105，三个球铰分别安装于以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处，且其中的一个球铰(实施例为第一球铰106)位于约束支链的+Y方向。静平台101上的三个虎克铰(即第一虎克铰102、第二虎克铰112和第三虎克铰113)与动平台107上的三个球铰(即第一球铰106、第二球铰105和第三球铰108)之间安装位置相互对应，且三个虎克铰与三个球铰之间分别对应连接有三根可以伸缩的电动推杆，即第一虎克铰102与第一球铰106之间连接有第一电动推杆103，第二虎克铰112与第二球铰108之间连接有第二电动推杆111，第三虎克铰113与第三球铰105之间连接有第三电动推杆110，所述的球铰、虎克铰和电动推杆构成动平台107的转动支链，三根电动推杆的伸缩运动可驱使动平台107在三个自由度上转动。简单说，所述模块1采用了现有技术的3-UPS/S结构，包含一个约束支链和三个转动支链，可有效增加机械手的承载能力，简化并联解耦运算，并且有利于计算机械手的整体工作范围。

本发明机械手所述的三自由度串联移动模块2(简称模块2)包括Y轴、Z轴两个移动副和一个X轴转动副(参见图1、3)。Y轴移动副的左直线导轨201、右直线导轨216、Y轴丝杠217和Y轴伺服电机218直接安装在所述的动平台107上，以节省安装空间。Y轴滑台202由Y轴伺服电机218通过Y轴丝杠217驱动，沿左、右直线导轨201、216移动。为了提高X轴的承载能力，本发明的X轴转动副采用了平行四边形的四杆机构：两个等长平行的左转动杆204和右转动杆213的下端分别通过左转动轴203和右转动轴215与Y轴的滑台202相连接，左转动杆204和右转动杆213的上端分别与平动杆206的两端机械连接。电动推杆(缸)214的两端分别与所述的右转动杆213和Y轴滑台202机械连接。电动推杆214是所述四杆机构的驱动部件。电动推杆(缸)214的长度变化使平动杆206产生沿圆弧轨迹的平动。Z轴移动副的基板212安装在平动杆206的工作一端(实施例为右端或前端)。Z轴伺服电机208、直线导轨211和Z轴丝杠210分别安装在Z轴基板212上。Z轴滑台209由Z轴伺服电机208通过Z轴丝杠210驱动，沿直线导轨211移动，实现垂直于动平台107平面方向的运动。本发明模块2可实现大型板材在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的准确定位。所设计的平行四边形的四杆机构可节省运动空间，并可将安装在它上面的末端执行器3位置提高，有利于干挂工艺的操作。

本发明机械手所述的末端执行器3(参见图4)主要包括固定在移动模块2的Z轴滑台209上的吸盘架301和在吸盘架301的四角均布安装的四个真空吸盘，即上左真空吸盘302、上右真空吸盘303、下左真空吸盘304和下右真空吸盘305。真空吸盘技术本身为现有技术，用来吸取待安装的板材。实施例设计的真空吸盘可以吸附重达50kg的大型板材。

本发明机械手的操作对象为大尺寸或大型板材，重量大，若采用常见的串联机构形式的机械手臂，则手臂的尺寸和重量将很大，不能满足高空作业的实际要求。本发明设计的模块1和模块2是两个独立的部分，在板材的位置控制中，可有效的减少了解耦运算，简化了结构设计难度。本发明模块2设计在模块1的上部，并与末端执行器3相连。机械手工作时，先调整姿态，后调整位置，可以很好地满足大型板材干挂工艺的动作流程要求。

此外，本发明还设计了辅助定位支撑架4(参见图5)，用来进一步保证吸取板材时，板材的竖直轴线与Z轴方向良好重合或平行。辅助定位支撑架4包括H形的支撑架401，支撑架401垂直安装于Y轴滑台202的工作一(前)端上，支撑架401的两侧立柱上分别设置有起定位作用的左挡块402和右挡块403，且左挡块402和右挡块403安装位置或高度一致。在机械手吸取板材过程中，只要使板材的下边缘与支撑架401上的左挡块402和右挡块403相接触，即可满足板材吸取时的姿态要求。

本发明机械手的工作原理和过程是：理想状态下认为，墙壁是与水平面垂直的，墙壁的倾斜度误差应不超过板材安装的误差范围；安装好的板材要与水平面垂直，板材的上下边缘要与水平面平行，且板材之间要相互对齐，共面，间隔一致。

本发明机械手可实现六个自由度的调整定位：俯仰，侧倾和回转三个方向上的转动，前后、左右和上下三个方向上的移动。安装前，板材处于安装空间的任意位置，本发明机械手在空间呈现任意的位置姿态。工作时，本发明机械手在控制系统的控制下，先实现三个方向上的转动，再实现三个方向上的移动，或先实现姿态的调整，使板材先保持与墙体平行，再实现位置的调整，使板材的上下边缘保持与水平面平行。这种设计可简化运动控制算法的复杂性，并消除了运动耦合的影响，对于大型板材干挂安装的工艺特点有很好的适应性。所述的控制系统为现有技术。

具体说，机械手在控制系统的控制下通过改变所述三个电动推杆的长度，调整动平台107的俯仰角、侧倾角和回转角，使板材的空间姿态满足工艺要求。该三个自由度的调整可使板材与待安装的工作表面平行，板材上下边缘与水平面平行。板材姿态调整完成后，进行板材的位置调整，以实现板材的最终定位安装：首先，控制电动推杆214驱动四杆机构，使板材沿圆弧运动至待安装平面；然后，Y轴伺服电机218通过Y轴丝杠217带动Y轴滑台202向左(右)运动，使得板材左(右)边缘对齐；最后，Z轴伺服电机208通过Z轴丝杠210带动Z轴滑台209向下运动，使得板材的下边缘对齐，挂件入槽，完成大型板材的机械安装。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种大型板材安装机械手，其特征在于该机械手包括三自由度并联转动平台模块，安装在三自由度并联转动平台模块上方的三自由度串联移动模块和与三自由度串联移动模块连接的末端执行器模块；所述的三自由度并联转动平台模块包括静平台和动平台，静平台的中心与动平台的中心设置约束支链，约束支链包括机械连接的固定支撑杆和中心球铰，固定支撑杆与静平台的中心连接，中心球铰与动平台的中心连接；在静平台上以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处分别安装有虎克铰，且其中的一个虎克铰位于约束支链的-Y方向；在动平台上以约束支链为形心的等边三角形的三个顶点处分别安装有球铰，且其中的一个球铰位于约束支链的+Y方向；三个虎克铰与三个球铰之间分别对应连接有可以伸缩的电动推杆，构成三个转动支链；

所述的三自由度串联移动模块包括Y轴、Z轴两个移动副和一个X轴转动副；Y轴移动副的直线导轨、Y轴丝杠和Y轴伺服电机直接安装在所述的动平台上；Y轴滑台由Y轴伺服电机通过Y轴丝杠驱动；X轴转动副采用平行四边形的四杆机构：两个等长平行的转动杆的下端分别通过转动轴与Y轴的滑台相连接，转动杆的上端分别与平动杆的两端机械连接；电动推缸的两端分别与一个转动杆和Y轴滑台机械连接，构成四杆机构的驱动部件；Z轴移动副的基板装在平动杆的工作一端，Z轴伺服电机、直线导轨和Z轴丝杠分别安装在Z轴基板上，Z轴滑台由Z轴伺服电机通过Z轴丝杠驱动，沿垂直于动平台平面的方向运动；

所述的末端执行器模块包括固定在Z轴滑台上的吸盘架和在吸盘架四角均布安装的四个真空吸盘。

2.根据权利要求1所述的大型板材安装机械手，其特征在于该机械手还包括辅助定位支撑架，辅助定位支撑架包括H形的支撑架，支撑架垂直安装于Y轴滑台的工作一端上，支撑架的两侧立柱上分别设置有起定位作用的挡块，且两个挡块的安装位置一致。