CN102602708A - 搬运码垛机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及搬运码垛机器人，其包括底座，设在底座上的旋转机架，设在旋转机架上的大臂平行四边形机构，手腕水平姿态保持平行四边形机构、与大臂平行四边形机构和手腕水平姿态保持平行四边形机构连接的手臂平行四边形机构、与手臂平行四边形机构连接的手腕，在旋转机架上设有倾斜导轨，在该倾斜导轨上设有由直线驱动元件驱动的滑块，所述滑块与手腕水平姿态保持平行四边形机构的下方大臂下端的固定连接件活动连接；大臂平行四边形机构中的上方大臂的下端与一直线驱动元件的上端同轴连接，直线驱动元件的下端通过旋转铰与旋转机架连接。本发明简化了机器人的机械结构，优化了机构的受力方式，因而结构紧凑，节省能量消耗，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人，特别是其主要运动关节采用直线元件驱动，形成并联运动机构的搬运码垛机器人。
技术背景
目前成熟的码垛机器人有以下几个系列，德国的KUKA系列、瑞典的ABB系列和日本的FANUC、OKURA、FUJI系列。以上所提及的这几个系列的码垛机器人几乎占据了全球的市场份额。这些常用的码垛机器人从结构特点上可以分成两大类。一种是以ABB公司的IRB660为代表的传统关节型机器人，这种机器人的各个关节通过减速器与电机连接，构成所谓串联型机器人。另一种是以FUJI公司研制的Ace系列为代表的，主体结构应用了平行四边形机构，构成并联机构，其驱动采用滚珠丝杠和滚动导轨这类直线驱动元件，依靠机构节点的水平与竖直的运动实现末端执行器合成运动。
在此基础上科研人员也发明了平行四边形机构的码垛机器人，相关的中国专利有：CN200610113034.7B ，CN200610113040.2A ， CN200520020980.8。这些发明技术的共同特点都采用了滚珠丝杠和滚动导轨这类直线驱动元件，并用伺服电机进行驱动控制，但机构的构型各异。中国专利CN200610113034.7B公开的机器人由丝杆螺母直线驱动元件构成二个曲柄摇块机构支撑大臂和小臂，其不足的是，由于丝杆工作时处于受压状态，当载荷较大时机构系统可能产生不稳定。中国专利CN200610113040.2A ， CN200520020980.8公开的机器人中，其二自由度驱动机构均由一个水平方向直线驱动单元和一个垂直方向直线驱动单元组合而成。其不足之处主要有：当水平方向直线驱动单元与大臂处于大夹角时，直线驱动单元受力过大，但又不能通过改变驱动方向实施调节；垂直方向直线驱动需要靠垂直方向导轨导向，增加了机构复杂程度，重要的是其运动方向与驱动方向并不一致，不符合有效力的传递方式和原则。
发明内容
本发明的目的是提供一种在上述机器人构型的基础上，进一步简化机械结构，优化机构的受力方式，并使得制造成本更低，结构更紧凑，更加节省能量消耗的高速重载的搬运码垛机器人。
本发明的技术解决方案是搬运码垛机器人包括底座，设在底座上的可绕竖直方向旋转的旋转机架，设在旋转机架上的由下方大臂、下方小臂、上方大臂、上方小臂组成的大臂平行四边形机构、手腕水平姿态保持平行四边形机构、与大臂平行四边形机构和手腕水平姿态保持平行四边形机构连接的手臂平行四边形机构、与手臂平行四边形机构连接的可绕竖直方向旋转的手腕。在旋转机架上设有倾斜导轨，在该倾斜导轨上设有由直线驱动元件驱动的滑块，所述滑块与手腕水平姿态保持平行四边形机构的下方大臂下端的固定连接件活动连接；大臂平行四边形机构中的上方大臂的下端与一直线驱动元件的上端同轴连接，直线驱动元件的下端通过旋转铰与旋转机架连接。
以上所述的倾斜导轨可与水平方向形成β夹角，其大小为00＜β＜600。
本发明的直线驱动元件可为电机——丝杆螺母机构。
本发明的直线驱动元件可为液压驱动机构。
本发明的直线驱动元件也可为气压驱动机构。
本发明的工作原理是搬运码垛机器人的大臂，大臂平行四边形机构和手臂组成的连杆机构，在滑块和直线驱动元件的共同驱动作用下，实现手腕的前后移动和上下举升。在手臂平行四边形机构和手腕水平姿态保持平行四边形机组成的连杆机构的共同作用，保持手腕端面始终为水平。可绕竖直方向旋转的旋转机架和可绕竖直方向旋转的手腕则驱动机器人水平旋转，实现抓取重物后在水平面内的移动。为改善搬运码垛机器人大臂的受力结构，将安装在旋转机架上的进行直线驱动运动的滑块，通过导轨使之与水平方向保持β大小角度关系，并受到直线驱动元件驱动。β角度大小范围可设计定为00＜β＜600之间某个值，根据机器人的活动范围大小、搬运载荷的大小等条件，通过优化计算分析可确定一个最佳β角。将进行直线驱动运动的直线驱动元件与大臂平行四边形机构中的上方大臂的下端设计为同轴安装，直线驱动元件的下端通过旋转铰与旋转机架连接，这样使杆件受力在一条直线上，驱动力传递效率最高，而且直线驱动元件在整个工作过程中始终为受拉的状态，符合杆件合理受力方式。上述直线驱动单元根据移动载荷的重量大小、速度、移动精度等技术参数不同，其直线驱动元件可以采用伺服电机——丝杆螺母机构，也可采用液压驱动机构。当安装在在旋转机架的倾斜导轨上的滑块与进行直线驱动运动的与上方大臂的下端同轴安装的直线驱动元件，共同发生直线伺服驱动时，通过运动杆件的约束作用，使得手腕获得希望的工作移动。移动的点位置、轨迹、速度等运动参数取决于滑块和该直线驱动元件的伺服运动控制，可借助计算机软硬件实施。
附图说明
图1为本发明的结构简图；
图2为本发明的构造示意图；
图3为本发明的旋转机架与驱动装置的构造示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2、图3 所示，本发明搬运码垛机器人包括底座16，安装在底座16上的可绕竖直方向旋转的旋转机架9，安装在旋转机架9上的由下方大臂2、下方小臂17、上方大臂3、上方小臂18组成的大臂平行四边形机构、手腕水平姿态保持平行四边形机4、手臂5、与大臂平行四边形机构和手腕水平姿态保持平行四边形机构4连接的手臂平行四边形机构6、与手臂平行四边形机构6连接的可绕竖直方向旋转的手腕7。在旋转机架9上加工有倾斜导轨14，在倾斜导轨14上安装有由直线驱动元件丝杠螺母副15驱动的滑块8。所述滑块8与手腕水平姿态保持平行四边形机构4的下方大臂2的下端的固定连接件19的下端活动连接；大臂平行四边形机构中的上方大臂3的下端与直线驱动元件丝杠螺母副1的上端同轴安装，直线驱动元件丝杠螺母副1的下端通过旋转铰与旋转机架9连接，
为改善机器人下方大臂2的受力结构，将安装在旋转机架9上的进行直线驱动运动的滑块8，通过倾斜导轨14，使之与水平方向保持β大小角度关系，并受到直线驱动元件的控制驱动。倾斜导轨14的β角度大小范围可设计定为00＜β＜600之间某个值，可根据具体机器人的活动范围大小、搬运载荷的大小等条件，通过优化计算分析设置最佳β角。本实施例β为300。手腕水平姿态保持平行四边形机构4的下方大臂2的的固定连接件19的下端用带轴承的旋转铰轴与滑块8连接，保证连接强度和刚性。滑块8通过丝杆螺母副15进行直线驱动，而丝杆螺母副15的丝杆则通过同步皮带13、皮带轮11、皮带轮12与伺服电机连接，从而实现这个方向的伺服控制驱动。将进行直线驱动运动的丝杆螺母副1与大臂平行四边形机构中的上方大臂3设计为同轴线安装，且丝杆螺母副1的丝杠的一端通过旋转铰与旋转机架9连接，丝杆螺母副1的螺母与大臂平等四边形机构中的上方大臂3固定连接，丝杆的另一端由伺服电机10驱动旋转，从而驱动螺母直线运动。这样设计的丝杆构件受力在一条直线上，驱动力传递效率最高，而且丝杆在整个工作过程中始终为受拉的状态，符合杆件合理受力方式。在驱动滑块8的丝杆螺母副15和丝杆螺母副1共同发生直线伺服驱动时，通过运动杆件的约束作用，使得手腕7获得希望的工作移动。移动的点位置、轨迹、速度等运动参数取决于驱动滑块8的丝杆螺母副15和丝杆螺母副1的伺服运动控制，可借助计算机软硬件实施。也可用液压驱动机构或者气压驱动机构代替丝杆螺母副15和丝杆螺母副1，可获得能实现顺序点位控制的机器人。
Claims (5)
1.搬运码垛机器人，包括底座，设在底座上的可绕竖直方向旋转的旋转机架，设在旋转机架上的由下方大臂、下方小臂、上方大臂、上方小臂组成的大臂平行四边形机构、手腕水平姿态保持平行四边形机构、与大臂平行四边形机构和手腕水平姿态保持平行四边形机构连接的手臂平行四边形机构、与手臂平行四边形机构连接的可绕竖直方向旋转的手腕，其特征在于在旋转机架上设有倾斜导轨，在该倾斜导轨上设有由直线驱动元件驱动的滑块，所述滑块与手腕水平姿态保持平行四边形机构的下方大臂下端的固定连接件活动连接；大臂平行四边形机构中的上方大臂的下端与一直线驱动元件的上端同轴连接，直线驱动元件的下端通过旋转铰与旋转机架连接。
2. 根据权利要求1所述的搬运码垛机器人，其特征在于倾斜导轨与水平方向形成β夹角，其大小为00＜β＜600。
3.根据权利要求1或2所述的搬运码垛机器人，其特征在于所述直线驱动元件为电机——丝杆螺母机构。
4.根据权利要求1或2所述的搬运码垛机器人，其特征在于所述直线驱动元件为液压驱动机构。
5.根据权利要求1或2所述的搬运码垛机器人，其特征在于所述直线驱动元件为气压驱动机构。
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