CN102717924A - 一种变拓扑包装机器人机构 - Google Patents
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Abstract
一种变拓扑包装机器人机构，由主干机构、封盖机构、传动机构和多自由度铰链机构组成，根据食品包装纸盒棱边成型原理，将棱边等效为杆件，将纸盒各顶角等效为铰链，由一个传动齿轮的转动实现机构的包装成型任务。该包装机器人机构能够变拓扑，一次完成包装作业任务，结构简单，成型稳定可靠，大大减少多工作站、多模块包装机械作业的程序，在提高包装作业效率的同时，满足人们对食品包装形式多变的需求。
Description
技术领域
本发明涉及包装机器人设计领域，特别是一种变拓扑包装机器人机构。
背景技术
包装机械能够根据产品的类型、产量和精度要求，快速地完成包装作业。就食品的纸盒包装而言，在全球范围内目前仍然采用的是大量的人工作业，人们对食品包装外观多样化、多层次需求的不断变化，只有人工包装作业才能满足，从而造成食品包装产量的降低，即使有些食品包装采用机械化作业，产量很高，但包装形势单一，并且，大都是通过多个工作站连续的组装操作完成任务，整个作业过程需多模块控制协作完成，机械系统较为复杂。因此，寻求一种既能够满足包装形式多样性，同时又能进行大批量生产的包装装备，已成为包装机械装备技术革新研究的重要方向。
机构是机器及机器人的骨架和执行器，设计一种结构简单并能够一次完成固定形状包装作业任务的包装机器人，可大大减少多工作站、多模块包装机械作业的程序，便于更换包装机械结构形式，在提高包装作业效率的同时，满足人们对产品包装形式多变的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变拓扑包装机器人机构，该机构结构简单并能够快速稳定地一次完成固定形状包装作业任务，将平面纸板形成立体纸盒。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：
一种变拓扑包装机器人机构，由主干机构、封盖机构、传动机构和多自由度铰链机构组成。
所述主干机构由底座、第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆、第六侧杆、中心轴、第一侧杆底座铰链、第二侧杆底座铰链、第三侧杆底座铰链、第四侧杆底座铰链、第五侧杆底座铰链和第六侧杆底座铰链组成，第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆的下部分别有第一半虎克铰链连接孔、第二半虎克铰链连接孔、第三半虎克铰链连接孔、第四半虎克铰链连接孔、第五半虎克铰链连接孔和第六半虎克铰链连接孔，上部分别有第一侧杆铰链、第二侧杆铰链、第三侧杆铰链、第四侧杆铰链、第五侧杆铰链和第六侧杆铰链，第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆分别通过第一侧杆底座铰链、第二侧杆底座铰链、第三侧杆底座铰链、第四侧杆底座铰链、第五侧杆底座铰链和第六侧杆底座铰链与底座连接，中心轴固定安装在底座中心，向下伸出。
所述封盖机构由封盖机构第一部件、封盖机构第二部件、封盖机构第三部件、封盖机构第四部件、封盖机构第五部件和封盖机构第六部件组成，该六个部件均为相同的部件，均由封盖机构单杆、封盖机构三角形和单杆三角形铰链组成，封盖机构单杆上开有封盖机构第三子链连接孔，封盖机构三角形上开有封盖机构第五子链连接孔，封盖机构单杆通过单杆三角形铰链与封盖机构三角形连接。
所述传动机构由传动齿轮、转盘、第一虎克铰链、第二虎克铰链、第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链、第六虎克铰链、第一推力杆、第二推力杆、第三推力杆、第四推力杆、第五推力杆、第六推力杆、第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链组成，第一推力杆、第二推力杆、第三推力杆、第四推力杆、第五推力杆和第六推力杆的一端分别安装有第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链，另一端分别通过第一虎克铰链、第二虎克铰链、第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链和第六虎克铰链与转盘连接，转盘与传动齿轮同轴固定连接。
所述多自由度铰链机构由第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链和第六铰链组成，该六个铰链均为相同的铰链，均由一子链、二子链、三子链、四子链、五子链组成，其中二子链和三子链连成一条支链，四子链和五子连连成另一条支链，两条支链在一子链处连接。
所述传动机构的传动齿轮安装在主干机构中心轴向下伸出部分上，可绕中心轴转动，所述第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链的一端分别与所述第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆下部的第一半虎克铰链连接孔、第二半虎克铰链连接孔、第三半虎克铰链连接孔、第四半虎克铰链连接孔、第五半虎克铰链连接孔和第六半虎克铰链连接孔连接，形成六个完整的虎克铰链。
所述多自由度铰链机构由第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链和第六铰链组成，第一至第六个铰链的结构相同。所述第一铰链一子链与第一侧杆铰链连接，第一铰链五子链封盖机构第一部第五子链连接孔连接，第一铰链三子链与封盖机构第六部件第三子链连接孔连接。其余五个铰链的连接方式与第一铰链相同。
所述变拓扑包装机器人机构的工作原理及过程是：
在初始状态时，主干机构的底座、第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆、第六侧杆、封盖机构第一部件、封盖机构第二部件、封盖机构第三部件、封盖机构第四部件、封盖机构第五部件和封盖机构第六部件处于同一平面，此时传动机构的转盘处于最大的偏转位置。
当所述变拓扑包装机器人机构工作时，转动传动齿轮，转盘通过第一虎克铰链、第二虎克铰链、第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链和第六虎克铰链分别推动第一推力杆、第二推力杆、第三推力杆、第四推力杆、第五推力杆和第六推力杆，再将动力分别传到第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆上，侧杆绕侧杆铰链旋转，由平躺状态转为收拢状态，当转盘转至最小偏转位置时，侧杆达到最大收拢状态，此时每一侧杆均与底座平面垂直，这个过程使封盖机构实现封盖机构单杆与封盖机构三角形一侧边重叠，形成一个新的三角形；随后，驱动多自由度铰链机构第一铰链二子链、第一铰链四子链、第二铰链二子链、第二铰链四子链、第三铰链二子链、第三铰链四子链、第四铰链二子链、第四铰链四子链、第五铰链二子链、第五铰链四子链、第六铰链二子链和第六铰链四子链，使封盖机构第一部件、封盖机构第二部件、封盖机构第三部件、封盖机构第四部件、封盖机构第五部件和封盖机构第六部件由与侧杆同平面转为向内收拢状态，并最终完全封盖顶部。
所述底座形状为正六边形,所述六个虎克铰链连接转盘呈中心对称分布，相邻间隔均为60°。
本发明的突出优点在于：
1、本发明结合食品包装纸盒棱边成型原理，将棱边等效为杆件，将纸盒各顶角等效为铰链，进行创新设计，能够实现拓扑变换，由一个传动齿轮的转动即可实现纸板拓扑变换，成型稳定可靠，与现有的纸盒包装机器人机构相比，具有较好的成型性。
2、结构简单并能够一次完成包装作业任务，大大减少多工作站、多模块包装机械作业的程序，在提高包装作业效率的同时，满足人们对产品包装形式多变的需求。
3、所述传动机构的六根推力杆长度可调，使得安装和维护更为方便。
附图说明
图1为本发明所述变拓扑包装机器人机构的结构示意图。
图2为本发明所述主干机构的结构示意图。
图3为本发明所述封盖机构的结构示意图。
图4为本发明所述封盖机构单杆与封盖机构三角形一边重叠工作状态示意图。
图5为本发明所述传动机构结构示意图。
图6为本发明所述封盖机构第六部件结构示意图。
图7为本发明所述多自由度铰链机构第一种工作状态结构示意图。
图8为本发明所述多自由度铰链机构第二种工作状结构态示意图。
图9为本发明所述变拓扑包装机器人机构初始状态俯视结构示意图。
图10为本发明所述变拓扑包装机器人机构初始状态主视结构示意图。
图11为本发明所述变拓扑包装机器人机构第一种工作状态结构示意图。
图12为本发明所述变拓扑包装机器人机构第二种工作状态结构示意图。
图13为本发明所述变拓扑包装机器人机构第三种工作状态结构示意图。
图14为本发明所述变拓扑包装机器人机构第一种工作状态斜仰视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所述实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对照图1至图7，所述变拓扑包装机器人机构，由主干机构、封盖机构、传动机构和多自由度铰链机构组成。
如图1和图2所示，所述主干机构由底座1-1、第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5、第六侧杆1-2-6、中心轴1-3、第一侧杆底座铰链1-4-1、第二侧杆底座铰链1-4-2、第三侧杆底座铰链1-4-3、第四侧杆底座铰链1-4-4、第五侧杆底座铰链1-4-5和第六侧杆底座铰链1-4-6组成，第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5和第六侧杆1-2-6的下部分别开有第一半虎克铰链连接孔1-5-1、第二半虎克铰链连接孔1-5-2、第三半虎克铰链连接孔1-5-3、第四半虎克铰链连接孔1-5-4、第五半虎克铰链连接孔1-5-5和第六半虎克铰链连接孔1-5-6，上部分别有第一侧杆铰链1-6-1、第二侧杆铰链1-6-2、第三侧杆铰链1-6-3、第四侧杆铰链1-6-4、第五侧杆铰链1-6-5和第六侧杆铰链1-6-6，第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5和第六侧杆1-2-6又分别通过第一侧杆底座铰链1-4-1、第二侧杆底座铰链1-4-2、第三侧杆底座铰链1-4-3、第四侧杆底座铰链1-4-4、第五侧杆底座铰链1-4-5和第六侧杆底座铰链1-4-6与底座1-1连接，中心轴1-3固定安装在底座1-1中心，向下伸出。
如图1、图2和图4所示，所述封盖机构由封盖机构第一部件2-1、封盖机构第二部件2-2、封盖机构第三部件2-3、封盖机构第四部件2-4、封盖机构第五部件2-5和封盖机构第六部件2-6组成，该六个部件均为相同的部件，以封盖机构第一部件2-1为例，其由封盖机构第一部件单杆2-1-1、封盖机构第一部件三角形2-1-2和封盖机构第一部件单杆三角形铰链2-1-3组成,封盖机构第一部件单杆2-1-1上开有封盖机构第一部件第三子链连接孔2-1-5，封盖机构第一部件三角形2-1-2上开有封盖机构第一部件第五子链连接孔2-1-4，封盖机构第一部件单杆2-1-1和封盖机构第一部件三角形2-1-2通过封盖机构第一部件单杆三角形铰链2-1-3连接。
如图5所示，所述传动机构由传动齿轮3-1、转盘3-2、第一虎克铰链3-3-1、第二虎克铰链3-3-2、第三虎克铰链3-3-3、第四虎克铰链3-3-4、第五虎克铰链3-3-5、第六虎克铰链3-3-6、第一推力杆3-4-1、第二推力杆3-4-2、第三推力杆3-4-3、第四推力杆3-4-4、第五推力杆3-4-5、第六推力杆3-4-6、第一半虎克铰链3-5-1、第二半虎克铰链3-5-2、第三半虎克铰链3-5-3、第四半虎克铰链3-5-4、第五半虎克铰链3-5-5和第六半虎克铰链3-5-6组成，第一推力杆3-4-1、第二推力杆3-4-2、第三推力杆3-4-3、第四推力杆3-4-4、第五推力杆3-4-5和第六推力杆3-4-6的一端分别安装着第一半虎克铰链3-5-1、第二半虎克铰链3-5-2、第三半虎克铰链3-5-3、第四半虎克铰链3-5-4、第五半虎克铰链3-5-5和第六半虎克铰链3-5-6，另一端分别通过第一虎克铰链3-3-1、第二虎克铰链3-3-2、第三虎克铰链3-3-3、第四虎克铰链3-3-4、第五虎克铰链3-3-5和第六虎克铰链3-3-6与转盘3-2连接，转盘3-2与传动齿轮3-1同轴固定连接。
如图1、图6和图7所示，所述多自由度铰链机构由第一铰链4-1、第二铰链4-2、第三铰链4-3、第四铰链4-4、第五铰链4-5和第六铰链4-6组成，该六个铰链均为相同的铰链，以第一铰链4-1为例，其由第一铰链一子链4-1-1、第一铰链二子链4-1-2、第一铰链三子链4-1-3、第一铰链四子链4-1-4和第一铰链五子链4-1-5组成，其中第一铰链二子链4-1-2和第一铰链三子链4-1-3连成一条支链，第一铰链四子链4-1-4和第一铰链五子连4-1-5连成另一条支链，两条支链在第一铰链一子链4-1-1处连接。
如图2和图5所示，所述传动机构的传动齿轮3-1安装在主干机构的中心轴1-3向下伸出部分上，可绕中心轴1-3转动，第一半虎克铰链3-5-1、第二半虎克铰链3-5-2、第三半虎克铰链3-5-3、第四半虎克铰链3-5-4、第五半虎克铰链3-5-5和第六半虎克铰链3-5-6的一端分别与所述第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5和第六侧杆1-2-6下部的第一半虎克铰链连接孔1-5-1、第二半虎克铰链连接孔1-5-2、第三半虎克铰链连接孔1-5-3、第四半虎克铰链连接孔1-5-4、第五半虎克铰链连接孔1-5-5和第六半虎克铰链连接孔1-5-6连接，形成六个完整的虎克铰链。
如图2、图3、6、图7和图8所示，所述多自由度铰链机构由第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链和第六铰链组成，第一至第六个铰链的结构相同。所述第一铰链一子链4-1-1与第一侧杆铰链1-6-1连接，第一铰链五子链4-1-5与封盖机构第一部第五子链连接孔2-1-4连接，第一铰链三子链4-1-3与封盖机构第六部件第三子链连2-6-5接孔连接。其余五个铰链的连接方式与第一铰链相同。
所述变拓扑包装机器人机构的工作原理及过程为：
初始状态时，所述主干机构的底座1-1、第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5、第六侧杆1-2-6、封盖机构第一部件2-1、封盖机构第二部件2-2、封盖机构第三部件2-3、封盖机构第四部件2-4、封盖机构第五部件2-5和封盖机构第六部件2-6处于同一平面，此时所述传动机构的转盘3-2处于最大的偏转位置。
所述变拓扑包装机器人机构工作时，转动传动齿轮3-1，转盘3-2通过第一虎克铰链3-3-1、第二虎克铰链3-3-2、第三虎克铰链3-3-3、第四虎克铰链3-3-4、第五虎克铰链3-3-5和第六虎克铰链3-3-6分别推动第一推力杆3-4-1、第二推力杆3-4-2、第三推力杆3-4-3、第四推力杆3-4-4、第五推力杆3-4-5和第六推力杆3-4-6，再将动力分别传到第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5和第六侧杆1-2-6上，第一侧杆1-2-1、第二侧杆1-2-2、第三侧杆1-2-3、第四侧杆1-2-4、第五侧杆1-2-5和第六侧杆1-2-6分别绕第一侧杆底座铰链1-4-1、第二侧杆底座铰链1-4-2、第三侧杆底座铰链1-4-3、第四侧杆底座铰链1-4-4、第五侧杆底座铰链1-4-5和第六侧杆底座铰链1-4-6转动，由平躺状态转为收拢状态，当转盘3-2转至最小偏转位置时，每一侧杆均与底座1-1平面垂直，此时封盖机构单杆与封盖机构三角形的一边重叠，形成一个新的三角形；随后，驱动所述多自由度铰链机构的第一铰链二子链4-1-2、第一铰链四子链4-1-4、第二铰链二子链4-2-2、第二铰链四子链4-2-4、第三铰链二子链4-3-2、第三铰链四子链4-3-4、第四铰链二子链4-4-2、第四铰链四子链4-4-4、第五铰链二子链4-5-2、第五铰链四子链4-5-4、第六铰链二子链4-6-2和第六铰链四子链4-6-4，让封盖机构第一部件2-1、封盖机构第二部件2-2、封盖机构第三部件2-3、封盖机构第四部件2-4、封盖机构第五部件2-5和封盖机构第六部件2-6向内收拢，并最终完全封盖顶部。
Claims (2)
1.一种变拓扑包装机器人机构，其特征是，该机构由主干机构、封盖机构、传动机构和多自由度铰链机构组成，
所述主干机构由底座、第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆、第六侧杆、中心轴、第一侧杆底座铰链、第二侧杆底座铰链、第三侧杆底座铰链、第四侧杆底座铰链、第五侧杆底座铰链和第六侧杆底座铰链组成，第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆的下部分别有第一半虎克铰链连接孔、第二半虎克铰链连接孔、第三半虎克铰链连接孔、第四半虎克铰链连接孔、第五半虎克铰链连接孔和第六半虎克铰链连接孔，上部分别有第一侧杆铰链、第二侧杆铰链、第三侧杆铰链、第四侧杆铰链、第五侧杆铰链和第六侧杆铰链，第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆分别通过第一侧杆底座铰链、第二侧杆底座铰链、第三侧杆底座铰链、第四侧杆底座铰链、第五侧杆底座铰链和第六侧杆底座铰链与底座连接，中心轴固定安装在底座中心，向下伸出；
所述封盖机构由封盖机构第一部件、封盖机构第二部件、封盖机构第三部件、封盖机构第四部件、封盖机构第五部件和封盖机构第六部件组成，该六个部件均为相同的部件，均由封盖机构单杆、封盖机构三角形和单杆三角形铰链组成，封盖机构单杆上开有封盖机构第三子链连接孔，封盖机构三角形上开有封盖机构第五子链连接孔，封盖机构单杆通过单杆三角形铰链与封盖机构三角形连接；
所述传动机构由传动齿轮、转盘、第一虎克铰链、第二虎克铰链、第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链、第六虎克铰链、第一推力杆、第二推力杆、第三推力杆、第四推力杆、第五推力杆、第六推力杆、第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链组成，第一推力杆、第二推力杆、第三推力杆、第四推力杆、第五推力杆和第六推力杆的一端分别安装有第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链，另一端分别通过第一虎克铰链、第二虎克铰链、第三虎克铰链、第四虎克铰链、第五虎克铰链和第六虎克铰链与转盘连接，转盘与传动齿轮同轴固定连接；
所述多自由度铰链机构由第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链和第六铰链组成，该六个铰链均为相同的铰链，均由一子链、二子链、三子链、四子链、五子链组成，其中二子链和三子链连成一条支链，四子链和五子连连成另一条支链，两条支链在一子链处连接；
所述传动机构的传动齿轮安装在主干机构中心轴向下伸出部分上，所述第一半虎克铰链、第二半虎克铰链、第三半虎克铰链、第四半虎克铰链、第五半虎克铰链和第六半虎克铰链的一端分别与所述第一侧杆、第二侧杆、第三侧杆、第四侧杆、第五侧杆和第六侧杆下部的第一半虎克铰链连接孔、第二半虎克铰链连接孔、第三半虎克铰链连接孔、第四半虎克铰链连接孔、第五半虎克铰链连接孔和第六半虎克铰链连接孔连接，形成六个完整的虎克铰链；
所述多自由度铰链机构的第一铰链一子链、第二铰链一子链、第三铰链一子链、第四铰链一子链、第五铰链一子链和第六铰链一子链分别与主干机构上第一侧杆铰链、第二侧杆铰链、第三侧杆铰链、第四侧杆铰链、第五侧杆铰链和第六侧杆铰链连接，第一铰链五子链、第二铰链五子链、第三铰链五子链、第四铰链五子链、第五铰链五子链和第六铰链五子链分别与封盖机构第一部件第五子链连接孔、封盖机构第二部件第五子链连接孔、封盖机构第三部件第五子链连接孔、封盖机构第四部件第五子链连接孔、封盖机构第五部件第五子链连接孔和封盖机构第六部件第五子链连接孔连接，第一铰链三子链、第二铰链三子链、第三铰链三子链、第四铰链三子链、第五铰链三子链和第六铰链三子链分别与封盖机构第六部件第三子链连接孔、封盖机构第一部件第三子链连接孔、封盖机构第二部件第三子链连接孔、封盖机构第三部件第三子链连接孔、封盖机构第四部件第三子链连接孔和封盖机构第五部件第三子链连接孔连接。
2.根据权利要求1所述的变拓扑包装机器人机构，其特征是：所述六个虎克铰链连接转盘呈中心对称分布，相邻间隔均为60°。
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