CN103331750B - 一种大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，其特征在是由机械臂引导装置、电动推拉车和承载轨道组成；机械臂引导装置在空间呈一定距离置于承载轨道的正前方，前端携有多节回转式机械臂的电动推拉车置于承载轨道上并可沿承载轨道的前后方向做直线运动；多节回转式机械臂的单节机械臂置于机械臂引导装置的上导向轮与下导向轮之间并以上导向轮的弧形下表面和下导向轮的弧形上表面为直线运动导向面。本发明结构与控制简单、运行平稳可靠、综合承载能力强、各关节驱动机构集成与配置方便、便于内部部件方位调整与性能维护。

Description

一种大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置

技术领域

本发明属于机械臂驱动技术领域，具体涉及大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置。

背景技术

机械臂用于狭小纵深运动空间内的远端操控、目标检测等应用场合，通常由多段单节机械臂依次通过回转式关节串联而成并作为末端操作器的支撑部件；为了减轻多节回转式机械臂的自重以提高其在狭小纵深空间内的运动避障能力及末端携载能力，迄今为止将钢丝绳用于机械臂关节的回转式运动驱动方式已有较多应用；然而，一方面在狭小纵深运动空间内作业的机械臂往往需要较大的工作行程，另一方面，受安装空间及系统强度支撑能力的限制，一般不允许直接将钢丝绳驱动机构主体置于多节机械臂的回转式关节内部，这就需要一套位于大行程多节回转式机械臂后端的行走驱动装置，用于统一携带机械臂的各关节回转式驱动机构并精确驱动机械臂整体的前进或后退，以顺利配合完成机械臂的工作路径规划，提高机械臂的运动定位精度和作业效率。

荷兰爱思唯尔（Elsevier）科学出版公司出版的《聚变工程与设计》（Fusion Engineering and Design，83（2008），pp：1833-1836.）中提到一种用于ITER聚变舱内进行故障检测的大行程多节回转式机械臂，其后端行走驱动装置采用封装于一长桶型存储仓内的驱动车厢配合线性导轨实现，在线性导轨的引导作用下，驱动车厢可在长桶型存储仓内来回运动，从而带动多节回转式机械臂的进退行走。该行走驱动装置的长桶型存储仓及线性导轨由多段接合而成，可满足多节回转式机械臂的大行程工作需要，但由于驱动车厢由滚轮直接驱动多节回转式机械臂在线性导轨的导向面上做直线运动，导致运动过程中易产生打滑或卡死等不稳定现象，影响多节回转式机械臂的定位精度；且该行走驱动装置的长桶型存储仓属于封闭式结构，不利于多节回转式机械臂各关节钢丝驱动机构的集成与配置，也不便于该行走驱动装置内部部件的方位调整与性能维护。

中国《机械工程师》2012年第1期介绍了一种可任意弯曲检查核设施的机器蛇，属于多节回转式机械臂，其后端行走驱动装置采用大型多自由度机械手，通过机械手末端执行机构的空间运动带动多节回转式机械臂的进退行走。但该机械手的体积庞大，结构与协调控制比较复杂，成本高，且机械手关节活动范围的限制导致了所驱动的多节回转式机械臂不适于大行程应用场合；又因机械手内部空间不便于搭载与配置多节回转式机械臂的各关节钢丝驱动机构，导致多节回转式机械臂各关节内部结构复杂，加大了该机械手末端执行机构的承重负担。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种结构与控制简单、运行平稳可靠、综合承载能力强、各关节驱动机构集成与配置方便、便于内部部件方位调整与性能维护的大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，用于驱动多节回转式机械臂在大行程工作条件下的前进与后退行走，以提高机械臂的整体工作效率与系统定位精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置的结构特点是：

由一机械臂引导装置、一电动推拉车和一承载轨道组成；所述机械臂引导装置在空间呈一定距离置于所述承载轨道的正前方，前端携有多节回转式机械臂的电动推拉车置于所述承载轨道上并可沿承载轨道的前后方向做直线运动；所述多节回转式机械臂的单节机械臂置于所述机械臂引导装置的上导向轮与下导向轮之间并以上导向轮的弧形下表面和下导向轮的弧形上表面为直线运动导向面；

所述机械臂引导装置的结构设置为：左平板与右平板对称设置于所述多节回转式机械臂的单节机械臂的左右两边；在沿所述单节机械臂的轴线方向分别线性均布至少两个左基座和右基座，所述左平板下端和右平板下端分别与所述左基座和右基座固联；所述左平板与右平板之间是以螺栓相连接；在沿所述单节机械臂的轴线方向分别线性均布至少两只上导向轮和下导向轮，所述上导向轮与下导向轮具有相同的结构形式且是以两端阶梯轴分别通过左调心球轴承和右调心球轴承支承于所述左平板与右平板之间；所述左调心球轴承和右调心球轴承分别固装于左轴承座和右轴承座上，所述左轴承座和右轴承座分别固联在所述左平板和右平板上且各自位置可上下调节；所述左调心球轴承和右调心球轴承的内圈分别由左圆螺母和右圆螺母紧固，所述左调心球轴承和右调心球轴承的外圈分别由左轴承端盖和右轴承端盖紧固；所述上导向轮与下导向轮具有与所述单节机械臂外圆轮廓相切的内凹弧形轮廓；

所述电动推拉车的结构设置为：包括车体上平板、车体左侧板和车体右侧板三部分，所述车体左侧板与车体右侧板对称固定设置在车体上平板的左右两侧；所述多节回转式机械臂的始端单节机械臂头部固结有一始端法兰板，所述始端法兰板通过左右两侧对称设置且固定联接的左T形支架和右T形支架固定安装于所述车体上平板的前端；在所述车体上平板上通过电机支座固定安装伺服减速电机；一小齿轮固联于所述伺服减速电机的输出轴上且与下方的大齿轮相互啮合，所述大齿轮固联于传动轴上；所述传动轴以其两端阶梯轴分别通过左深沟球轴承和右深沟球轴承支承于左L形支架与右L形支架之间，所述左L形支架与右L形支架在传动轴的两端对称设置且分别固定安装于所述车体上平板的左右对称位置处；在所述车体左侧板上固定设置左侧上复合导向轮和左侧下复合导向轮，所述左侧上复合导向轮和左侧下复合导向轮在沿所述单节机械臂的轴线方向分别线性均布至少两只；在所述车体右侧板上固定设置右侧上复合导向轮和右侧下复合导向轮，所述右侧上复合导向轮和右侧下复合导向轮在沿所述单节机械臂的轴线方向分别线性均布至少两只；所述右侧上复合导向轮与左侧上复合导向轮在所述车体上平板的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；所述左侧上复合导向轮为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第一角接触轴承支承于第一轴承座上，所述第一轴承座固联于所述车体左侧板上且相对位置可上下调节；所述第一角接触轴承的内圈由第一圆螺母紧固，所述第一角接触轴承的外圈由第一轴承端盖紧固；所述左侧下复合导向轮与右侧下复合导向轮在所述车体上平板的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；所述右侧下复合导向轮为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第二角接触轴承支承于第二轴承座上，所述第二轴承座固联于所述车体右侧板上且相对位置可上下调节；所述第二角接触轴承的内圈由第二圆螺母紧固，所述第二角接触轴承的外圈由第二轴承端盖紧固；

所述承载轨道的结构设置为：一轨道基板固定设置于承重台上，所述承重台在沿轨道基板的长度方向线性均布至少两个；在所述轨道基板上、位于轨道基板的中央沿所述轨道基板的长度方向设置一齿条，所述齿条与所述大齿轮相互啮合；在所述齿条的左右两侧对称设置左小轴承座和右小轴承座，所述左小轴承座和右小轴承座的相对位置可调节，所述左小轴承座和右小轴承座在沿轨道基板的长度方向线性均布至少两个；左锥形导向轮和右锥形导向轮分别通过左推力球轴承和右推力球轴承支承于所述左小轴承座和右小轴承座上；所述左锥形导向轮的锥形外表面与右锥形导向轮的锥形外表面均与所述多节回转式机械臂的单节机械臂外圆轮廓相切；在所述轨道基板的左右两侧对称设置具有相同结构的左半工字型轨道和右半工字型轨道，所述左侧上复合导向轮和所述左侧下复合导向轮是以左半工字型轨道为导轨，所述右侧上复合导向轮和右侧下复合导向轮是以右半工字型轨道为导轨；

本发明大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置的结构特点也在于：

所述多节回转式机械臂是在各段单节机械臂之间设置回转式关节，并采用双钢丝绳驱动结构，所述始端单节机械臂固定安装在所述电动推拉车的头部；用于驱动各回转式关节的直流伺服电机在电动推拉车的车体上平板上呈阵列均布。

与所述右侧上复合导向轮具有相同结构形式的左侧上复合导向轮的结构设置为：所述左侧上复合导向轮具有与作为导轨的所述左半工字型轨道上端面导轨相接触的踏面AF段，所述踏面AF段自左至右依次是斜度为1:10的斜面AB段、斜度为1:20的斜面BE段以及轮缘EF段；所述轮缘EF段的外侧与水平面之间所夹的轮缘角θ为65°～ 68°；在所述踏面AF段的内侧具有的内侧倒角C1为5mm×45°，在所述轮缘EF段的外侧与内侧分别具有外侧倒角C2为5mm×45°和圆角r为14mm～16mm；所述斜面AB段的厚度为e/5～e/4，所述斜面BE段的厚度为e/3～e/2，所述轮缘EF段的厚度e1及高度h1均为e/3；所述左侧上复合导向轮的右端面上有一直径d为0.5D、深度h2为0.5e的内孔；其中，D为左侧上复合导向轮上BE段的中部直径，e为包括所述外侧倒角C2和内侧倒角C1在内的左侧上复合导向轮的厚度；

与所述右侧下复合导向轮具有相同结构形式的左侧下复合导向轮的结构设置为：所述左侧下复合导向轮具有与所述左半工字型轨道下端面导轨相吻合的相接触的踏面A’F’段，所述踏面A’F’段是厚度为e’、直径为D’的圆柱体，所述圆柱体的外侧倒角C2’为5mm×45°，内侧倒角C1’为5mm×45°，且e’= e；所述左侧下复合导向轮27b的右端面上有一直径为d’、深度为h2’的内孔，其中d’= 0.5D’、h2’=0.5e’；

与所述右半工字型轨道具有相同结构形式的左半工字型轨道的结构设置为：轨身高度为H的左半工字型轨道的上端面呈隆起的圆弧状且圆弧半径R为300mm，H=e；上端面的宽度C1为H/2,下端面的宽度C2为H/1.5，轨腰厚度t为H/3, 轨腰高度h为H/2。

本发明大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置的结构特点还在于：

所述轨道基板、齿条、左半工字型轨道和右半工字型轨道在沿轨道基板的长度方向均由多段等长单元组合而成，所述左半工字型轨道与右半工字型轨道的各段等长单元首、尾部分别由带孔定位销固联于所述轨道基板的左侧与右侧；所述左半工字型轨道与右半工字型轨道的相邻段等长单元之间由贯穿于所述带孔定位销的螺栓相联接；

所述轨道基板的各段等长单元在沿长度方向上均固定设置至少一个承重台、左小轴承座及右小轴承座；相邻左小轴承座之间的距离以及相邻右小轴承座之间的距离均不长于所述多节回转式机械臂的单节机械臂的长度。

所述机械臂引导装置中的上导向轮和下导向轮以及所述承载轨道上的左锥形导向轮和右锥形导向轮均采用耐磨合金或尼龙材料制造，并在表面均匀涂覆有一层高分子自润滑材料聚四氟乙烯层；所述左侧上复合导向轮、右侧上复合导向轮以及左侧下复合导向轮、右侧下复合导向轮均采用经表面淬火的ZG340-640、ZG50SiMn、65Mn或42CrMo材料M1制造；所述左半工字型轨道和右半工字型轨道均采用50Mn或U71Mn材料M2制造；所述材料M1与材料M2的硬度比为1.2:1～1.4:1。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明结构与控制方法简单，成本低廉。本发明由机械臂引导装置、电动推拉车和承载轨道三部分组成，均属于线性驱动与导向系统，避开了机械手等其他驱动方式需要空间旋转关节配置与工作路径规划的困难；本发明装置的大部分组成零部件均具有关于单节机械臂或车体上平板的中心平面左右对称的结构形式，或是具有关于单节机械臂或车体上平板的中心平面左右对称设置的镜像零部件，故加工制造较为容易，降低了装置的制造成本，有利于普及推广。

2、本发明运行平稳可靠。一方面，本发明装置中的伺服减速电机通过小齿轮驱动大齿轮在齿条上啮合滚动，从而带动电动推拉车驱动多节回转式机械臂在承载轨道上进退行走，避开了通常滚轮摩擦式驱动装置因负载偏重或轨道接触面摩擦系数偏低等因素造成的车轮打滑现象，提高了多节回转式机械臂的行走稳定性与线性定位精度；另一方面，本发明装置中电动推拉车上的左、右侧上复合导向轮分别以承载轨道上的左、右半工字型轨道上端面为滚动引导面，左、右侧上复合导向轮分别具有与作为导轨的左、右半工字型轨道上端面导轨相接触的踏面AF段，而踏面AF段又包括斜度为1:10的斜面AB段、斜度为1:20的斜面BE段以及轮缘EF段，这种具有斜度的整体圆锥状踏面形式既可以有效减小横向力的影响，增加电动推拉车驱动多节回转式机械臂行走时的平稳性，保证踏面磨损沿宽度方向的均匀性，又可以实现左、右侧上复合导向轮轮对在电动推拉车偏离承载轨道的中央位置时自动复原，增加电动推拉车驱动多节回转式机械臂行走时的可靠性。

3、本发明综合承载能力强。一方面，本发明装置中的机械臂引导装置与承载轨道共同支承被电动推拉车驱动的多节回转式机械臂，并且由于多节回转式机械臂的单节机械臂置于机械臂引导装置的上导向轮与下导向轮之间并以上导向轮的弧形下表面和下导向轮的弧形上表面为直线运动导向面，使得本发明装置可有效平衡多节回转式机械臂在大行程工作条件下对电动推拉车的倾覆力矩和侧翻力矩；另一方面，本发明装置中当电动推拉车驱动多节回转式机械臂在承载轨道上进退行走时，电动推拉车上的左侧上、下复合导向轮同时在承载轨道上的左半工字型轨道面上滚动，电动推拉车上的右侧上、下复合导向轮同时在承载轨道上的右半工字型轨道面上滚动，使得本发明装置具有优越的综合力学性能与很强的抗倾覆能力；此外，由于本发明装置中左、右半工字型轨道的上端面均呈隆起的圆弧状，且分别具有与左、右侧上复合导向轮踏面相适应的外形，使得由左、右侧上复合导向轮传来的压力更能分别集中于左、右半工字型轨道的中部轨轴，配合左、右半工字型轨道腰部合理的尺寸搭配，使得左、右半工字型轨道具有较大的承载能力和抗弯能力。

4、本发明装置中的多节回转式机械臂采用双钢丝绳驱动结构，用于驱动各回转式关节的直流伺服电机等驱动机构部件呈阵列均布在电动推拉车的车体上平板上，用于驱动多节回转式机械臂进退行走的伺服减速电机等驱动部件也置于电动推拉车上，这种特定配置形式一方面可保证装置整体空间结构的紧凑性与精巧性，另一方面又有利于装置控制系统的统一化与集成化，便于在大行程工作条件下对多节回转式机械臂的整体行走与各回转式关节的回转运动进行集中协调控制，提高了大行程多节回转式机械臂的工作效率。

5、由于本发明中上、下导向轮与单节机械臂之间的相对位置可调，左侧上、下复合导向轮与左半工字型轨道之间以及右侧上、下复合导向轮与右半工字型轨道之间的相对位置可调，并且左、右锥形导向轮与单节机械臂之间的相对位置可调，当电动推拉车驱动多节回转式机械臂在承载轨道上进退行走时，这种多处方位可调的结构形式可保证多节回转式机械臂与线性导向系统之间相互接触条件的最优化与稳定性，配合本发明装置的总体开放式结构特点，使得用户可十分方便地对本发明装置进行性能维护。

6、本发明用于驱动多节回转式机械臂在大行程工作条件下的前进与后退行走，配合多节回转式机械臂各关节的回转运动以及各段单节机械臂的相应空间姿态变化，也可适用于远端遥操控受本发明装置驱动的多节回转式机械臂在狭小纵深空间内的避障和末端执行操作场合，进而提高机械臂的整体工作效率与系统定位精度。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2a为本发明中机械臂引导装置的主视图；

图2b为本发明中机械臂引导装置的A-A阶梯剖视图；

图3a为本发明中电动推拉车的主视图；

图3b为本发明中电动推拉车的左视图兼局部剖视图；

图3c为本发明中电动推拉车的俯视图；

图4a为本发明中承载轨道的主视图；

图4b为本发明中承载轨道的B-B剖视图；

图4c为本发明中承载轨道的俯视图；

图5a为本发明中左侧上复合导向轮的结构示意图；

图5b为本发明中左侧下复合导向轮的结构示意图；

图5c为本发明中左半工字型轨道的结构示意图。

图中标号：1多节回转式机械臂；1p始端单节机械臂；1q单节机械臂；1r回转式关节；2机械臂引导装置；3电动推拉车；4承载轨道；5m上双头螺柱；5n下双头螺柱；6a右螺帽；6b左螺帽；7m上导向轮；7n下导向轮；8a右轴承座；8b左轴承座；9a右轴承端盖；9b左轴承端盖；10a右圆螺母；10b左圆螺母；11a右调心球轴承；11b左调心球轴承；12a右平板；12b左平板；13a右基座；13b左基座；15伺服减速电机；16电机支座；17车体上平板；18a车体右侧板；18b车体左侧板；19始端法兰板；20a右T形支架；20b左T形支架；21a右锥形导向轮；21b左锥形导向轮；22a右半工字型轨道；22b左半工字型轨道；23第二圆螺母；24第二轴承端盖；25第二角接触轴承；26第二轴承座；27a右侧下复合导向轮；27b左侧下复合导向轮；28承重台；29a右小轴承座；29b左小轴承座；30齿条；31轨道基板；32a右侧上复合导向轮；32b左侧上复合导向轮；33第一轴承端盖；34第一圆螺母；35第一角接触轴承；36第一轴承座；37a右L形支架；37b左L形支架；38a右深沟球轴承；38b左深沟球轴承；39传动轴；40大齿轮；41小齿轮；42p直流伺服电机；42q法兰盘；42r钢丝传动轮；42s1左卡箍；42s2右卡箍；42t1左旋钢丝绳；42t2右旋钢丝绳。

具体实施方式

图1所示为本实施例中大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置的整体外部结构，是由一机械臂引导装置2、一电动推拉车3和一承载轨道4组成。机械臂引导装置2在空间呈一定距离置于承载轨道4的正前方，此距离可根据多节回转式机械臂1的总长度以及装置综合承载能力需求相应调整；前端携有多节回转式机械臂1的电动推拉车3置于承载轨道4上并可沿承载轨道4的前后方向做直线运动；其中，电动推拉车3是多节回转式机械臂1的行走主驱动装置，承载轨道4可在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走时起系统支承与线性导向作用；多节回转式机械臂1的单节机械臂1q置于机械臂引导装置2的上导向轮7m与下导向轮7n之间并以上导向轮7m的弧形下表面和下导向轮7n的弧形上表面为直线运动导向面，使得行走驱动装置可有效平衡多节回转式机械臂1在大行程工作条件下对电动推拉车3的倾覆力矩和侧翻力矩，增强装置的综合承载能力。

图1、图2a和图2b所示，本实施例中，在机械臂引导装置2的结构设置中，左平板12b与右平板12a对称设置于多节回转式机械臂1的单节机械臂1q的左右两边；在沿单节机械臂1q的轴线方向分别线性均布至少两个左基座13b和右基座13a，左平板12b下端和右平板12a下端分别与左基座13b和右基座13a固联；其中左基座13b和右基座13a一方面用于对称支承整个机械臂引导装置2，另一方面又可作为通用机械接口与行走驱动装置的使用场地固定联接；左平板12b与右平板12a之间是以螺栓相连接，具体是在左平板12b上端与右平板12a上端之间以及左平板12b下端与右平板12a下端之间分别由上双头螺柱5m和下双头螺柱5n配合两端的左螺帽6b和右螺帽6a相联接；左平板12b与右平板12a之间的双头螺柱与螺帽的联接形式既减轻了机械臂引导装置2的材料重量，又达到了系统装配与拆卸的便利性；在沿单节机械臂1q的轴线方向分别线性均布至少两只上导向轮7m和下导向轮7n，这种特定结构形式一方面可在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走时起引导作用，另一方面又起到与承载轨道共同支承多节回转式机械臂以改善装置受力性能的效果；上导向轮7m与下导向轮7n具有相同的结构形式且是以两端阶梯轴分别通过左调心球轴承11b和右调心球轴承11a支承于左平板12b与右平板12a之间；左调心球轴承11b和右调心球轴承11a分别固装于左轴承座8b和右轴承座8a上，左轴承座8b和右轴承座8a分别固联在左平板12b和右平板12a上且各自位置可上下调节；由于在多节回转式机械臂1的重载作用下不能严格保证左轴承座8b和右轴承座8a 的同轴度，故采用左调心球轴承11b与右调心球轴承11a对称支承的结构形式可实现上导向轮7m与下导向轮7n相对位姿的自我调整；左调心球轴承11b和右调心球轴承11a内圈分别由左圆螺母10b和右圆螺母10a紧固，左调心球轴承11b和右调心球轴承11a外圈分别由左轴承端盖9b和右轴承端盖9a紧固；上导向轮7m与下导向轮7n具有与单节机械臂1q外圆轮廓相切的内凹弧形轮廓，上导向轮7m、下导向轮7n与单节机械臂1q之间的相对位置可上下调节至最佳程度，以此保证多节回转式机械臂1与机械臂引导装置2之间始终维持可靠接触状态；上导向轮7m和下导向轮7n均采用耐磨合金或尼龙材料制造，并在表面均匀涂覆一层高分子自润滑材料聚四氟乙烯，以降低上导向轮、下导向轮与单节机械臂1q之间的摩擦系数，提高机械臂引导装置2的稳定性。

图1、图3a、图3b和图3c所示，本实施例中，电动推拉车3包括车体上平板17、车体左侧板18b和车体右侧板18a三部分，车体左侧板18b与车体右侧板18a对称固定设置在车体上平板17的左右两侧；多节回转式机械臂1的始端单节机械臂1p头部固结有一始端法兰板19，始端法兰板19通过左右两侧对称设置且固定联接的左T形支架20b和右T形支架20a固定安装于车体上平板17的前端，这样便可通过车体上平板17与始端法兰板19之间的机械固联接口将电动推拉车3上的动力有效传递至多节回转式机械臂1上；在车体上平板17上通过电机支座16固定安装伺服减速电机15；一小齿轮41固联于伺服减速电机15的输出轴上且与下方的大齿轮40相互啮合，大齿轮40固联于传动轴39上；传动轴39以其两端阶梯轴分别通过左深沟球轴承38b和右深沟球轴承38a支承于左L形支架37b与右L形支架37a之间，左L形支架37b与右L形支架37a在传动轴39两端对称设置且分别固定安装于车体上平板17的左右对称位置处；在行走驱动装置正常工作过程中，伺服减速电机15通过小齿轮41驱动大齿轮40在齿条30上啮合滚动，从而带动电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1在承载轨道4上进退行走，可有效克服因多节回转式机械臂1的负载偏重造成的车轮打滑问题，提高了多节回转式机械臂1的行走稳定性与线性定位精度；在车体左侧板18b上固定设置左侧上复合导向轮32b和左侧下复合导向轮27b，左侧上复合导向轮32b和左侧下复合导向轮27b在沿单节机械臂1q的轴线方向分别线性均布至少两只；在车体右侧板18a上的设定位置处固定设置右侧上复合导向轮32a和右侧下复合导向轮27a，右侧上复合导向轮32a和右侧下复合导向轮27a在沿单节机械臂1q的轴线方向分别线性均布至少两只；其中，左侧上复合导向轮32b、右侧上复合导向轮32a分别置于左半工字型轨道22b、右半工字型轨道22a的上方，用于在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走时起主要导向作用与承载作用；左侧下复合导向轮27b、右侧下复合导向轮27a分别置于左半工字型轨道22b、右半工字型轨道22a的下方，用于在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走时起辅助导向作用与抗倾覆作用；这种在半工字型轨道上下端面同时布置导向轮的双重导向结构方式极大增强了行走驱动装置的综合力学性能，提高了系统稳定性；右侧上复合导向轮32a与左侧上复合导向轮32b在车体上平板17的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；左侧上复合导向轮32b为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第一角接触轴承35支承于第一轴承座36上，第一轴承座36固联于车体左侧板18b上且相对位置可上下调节；第一角接触轴承35的内圈由第一圆螺母34紧固，第一角接触轴承35的外圈由第一轴承端盖33紧固；左侧下复合导向轮27b与右侧下复合导向轮27a在车体上平板17的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；右侧下复合导向轮27a为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第二角接触轴承25支承于第二轴承座26上，第二轴承座26固联于车体右侧板18a上且相对位置可上下调节；第二角接触轴承25的内圈由第二圆螺母23紧固，第二角接触轴承25的外圈由第二轴承端盖24紧固；一方面，由于左侧上复合导向轮32b、左侧下复合导向轮27b与左半工字型轨道22b之间以及右侧上复合导向轮32a、右侧下复合导向轮27a与右半工字型轨道22a之间的相对位置分别可上下调节至最佳程度，可保证该双重导向结构始终维持可靠接触状态；另一方面，由于左侧上复合导向轮32b、右侧上复合导向轮32a、左侧下复合导向轮27b以及右侧下复合导向轮27a均为轮轴一体化结构，既可减小复合导向轮机械加工的难度，又可配合分别背对背成对安装于两端的第一角接触轴承35、第二角接触轴承25起到增强该双重导向结构刚性、承受倾覆力矩的作用；左侧上复合导向轮32b、右侧上复合导向轮32a以及左侧下复合导向轮27b、右侧下复合导向轮27a均采用经表面淬火的ZG340-640、ZG50SiMn、65Mn或42CrMo等材料M1制造，左半工字型轨道和右半工字型轨道均采用50Mn或U71Mn等材料M2制造，材料M1与材料M2的硬度比为1.2:1～1.4:1，这种硬度匹配比例可最大程度减少轮轨之间的打滑现象，进而最大限度降低复合导向轮的表面擦伤和剥离程度，提高电动推拉车3的使用寿命。

本实施例中，多节回转式机械臂1是在各段单节机械臂1q之间设置回转式关节1r，并采用双钢丝绳驱动结构，其中始端单节机械臂1p固定安装在电动推拉车3的头部，在相邻各段单节机械臂1q之间由含有钢丝轮盘的回转式关节1r相联接；各回转式关节1r由直流伺服电机42p驱动，直流伺服电机42p通过法兰盘42q固装于电动推拉车3的车体上平板17上；直流伺服电机42p旋转驱动一固设有左旋钢丝绳42t1和右旋钢丝绳42t2的钢丝传动轮42r，左旋钢丝绳42t1的护套端部和右旋钢丝绳42t2的护套端部分别通过固设于钢丝传动轮42r上的左卡箍42s1和右卡箍42s2紧固；左旋钢丝绳42t1和右旋钢丝绳42t2分别通过始端单节机械臂1p中空腔部及各段单节机械臂1q中空腔部柔性连接于对应回转式关节1r的钢丝轮盘上；用于驱动各回转式关节1r的直流伺服电机42p在电动推拉车3的车体上平板17上呈阵列均布；在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走工作过程中，由各直流伺服电机42p驱动钢丝传动轮42r旋转一定角度，则固设于钢丝传动轮42r上的左旋钢丝绳42t1和右旋钢丝绳42t2分别绕钢丝传动轮42r伸出和缩进相同长度，再通过双钢丝绳传动系统，控制相应回转式关节装置1r的钢丝轮盘旋转一定角度，从而驱使各单节机械臂1q产生一定空间姿态变化，完成多节回转式机械臂1在狭小纵深空间内的避障和末端执行操作任务；由于多节回转式机械臂1的进退行走驱动系统以及各回转式关节装置1r的回转运动驱动系统均集中分布在电动推拉车3上，这种特定配置形式一方面可保证装置整体空间结构的紧凑性与精巧性，另一方面又有利于装置控制系统的统一化与集成化，便于在大行程工作条件下对多节回转式机械臂的整体行走与各回转式关节装置的回转运动进行集中协调控制，提高了大行程多节回转式机械臂的工作效率，这一结构形式在公开号为：CN102941579A、名称为一种回转式机械臂的钢丝绳传动机构，以及公开号为：CN102814821A、名称为一种双钢丝绳驱动的机械臂大角度可控回转式关节装置的专利说明书中已有公开报导。

图1、图3a、图3b、图3c、图4a、图4b和图4c所示，本实施例中，在承载轨道4的结构设置中，一轨道基板31固定设置于承重台28上，承重台28在沿轨道基板31的长度方向线性均布至少两个；在轨道基板31上、位于轨道基板31的中央沿轨道基板31的长度方向设置一齿条30，齿条30与大齿轮40相互啮合；在齿条30的左右两侧对称设置左小轴承座29b和右小轴承座29a，左小轴承座29b和右小轴承座29a的相对位置可调节，左小轴承座29b和右小轴承座29a在沿轨道基板31的长度方向线性均布至少两个；左锥形导向轮21b和右锥形导向轮21a分别通过左推力球轴承43b和右推力球轴承43a支承于左小轴承座29b和右小轴承座29a上；左锥形导向轮21b的锥形外表面与右锥形导向轮21a的锥形外表面均与多节回转式机械臂1的单节机械臂1q外圆轮廓相切；在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1进退行走工作过程中，左锥形导向轮21b和右锥形导向轮21a对进入电动推拉车3与机械臂引导装置2之间的部分机械臂起到法向支撑与线性约束作用，防止因机械臂脱轨而导致的运动轨迹不确定性；又由于左锥形导向轮21b、右锥形导向轮21a与单节机械臂1q之间的相对位置可左右调节至最佳程度，可保证多节回转式机械臂1与承载轨道4之间始终维持可靠接触状态；左锥形导向轮21b和右锥形导向轮21a均采用耐磨合金或尼龙材料制造，并在表面均匀涂覆一层高分子自润滑材料聚四氟乙烯，以降低左、右锥形导向轮与单节机械臂1q之间的动摩擦系数，减小多节回转式机械臂1进退行走时的阻尼。

本实施例中，在轨道基板31的左右两侧对称设置具有相同结构的左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a，左侧上复合导向轮32b和左侧下复合导向轮27b是以左半工字型轨道22b为导轨，右侧上复合导向轮32a和右侧下复合导向轮27a是以右半工字型轨道22a为导轨；轨道基板31、齿条30、左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a的长度均不短于多节回转式机械臂1的工作行程。

本实施例中，轨道基板31、齿条30、左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a在沿轨道基板31的长度方向均由多段等长单元组合而成，左半工字型轨道22b与右半工字型轨道22a的各段等长单元首、尾部分别由带孔定位销45固联于轨道基板31的左侧与右侧；左半工字型轨道22b与右半工字型轨道22a的相邻段等长单元之间由贯穿于带孔定位销45的螺栓44相联接；这种由多段等长单元首尾依次相接的组合方式既可降低轨道基板31、齿条30、左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a等部件加工制造的难度，促进机械接口的标准化与通用性，又便于根据多节回转式机械臂1的工作行程对等长单元的数量进行计算和调整。

本实施例中，轨道基板31的各段等长单元在沿长度方向上均固定设置至少一个承重台28、左小轴承座29b及右小轴承座29a，其中承重台28是整个电动推拉车3和承载轨道4 的承重基体，同时又可作为通用机械接口与行走驱动装置的使用场地固定联接；相邻左小轴承座29b之间的距离以及相邻右小轴承座29a之间的距离均不长于多节回转式机械臂1的单节机械臂1q的长度，保证多节回转式机械臂1在工作过程中顺利通过承载轨道4的所属区域。

图3a、图3b、图3c、图5a、图5b和图5c所示，本实施例中，在与右侧上复合导向轮32a具有相同结构形式的左侧上复合导向轮32b的结构设置中，左侧上复合导向轮32b具有与作为导轨的左半工字型轨道22b上端面导轨相接触的踏面AF段，踏面AF段自左至右依次是斜度为1:10的斜面AB段、斜度为1:20的斜面BE段以及轮缘EF段；其中，轮缘EF段可防止左侧上复合导向轮32b脱轨；由于踏面AF段具有斜度为1:20的斜面BE段，由左侧上复合导向轮32b和右侧上复合导向轮32a构成的轮对在左半工字型轨道22b上直线运行时，受制造误差所致左半工字型轨道22b的横向不平顺不规则等因素影响，一方面，轮对可能会偏离中央位置，导致左侧上复合导向轮32b与右侧上复合导向轮32a以不同半径滚动，形成轮对的蛇行运动现象，而斜面BE段可使轮对向中央位置复原，在轮对蛇行运动的过程中自动对中，这种特性可防止在直线运行过程中轮缘EF段与左半工字型轨道22b上端面相接触而产生轮缘偏磨的问题；另一方面，由于轮缘EF段与左半工字型轨道22b之间存在间隙，随着轮对向外偏移，外轮与外轨接触的直径大于内轮与内轨接触的直径，与外轨和内轨的不同长度相匹配，就能显著减少复合导向轮的滑行现象；由于斜度为1:20的斜面BE段经常与左半工字型轨道22b的轨面接触，磨耗后使踏面AF段呈凹陷趋势，由于受制造误差或长度累计误差所致左半工字型轨道22b的侧面直线度降低等因素影响，轮对在进入小半径曲线运行时可能发生局部小幅跳动，为了避免这种现象，在斜度为1:20的斜面BE段外侧设置一段斜度为1:10的斜面AB段，这一段仅在小半径曲线上才与轨面接触；上述这种具有斜度的整体圆锥状踏面形式既可以有效减小横向力的影响，增加电动推拉车驱动多节回转式机械臂行走时的平稳性与可靠性，又保证了踏面磨损沿宽度方向的均匀性。

本实施例中，轮缘EF段的外侧与水平面之间所夹的轮缘角θ为65°～68°，保证安全通过小半径曲线；在踏面AF段的内侧具有的内侧倒角C1为5mm×45°，在轮缘EF段的外侧与内侧分别具有外侧倒角C2为5mm×45°和圆角r为14mm～16mm，以便引导电动推拉车3顺利通过承载轨道4；斜面AB段的厚度为e/5～e/4，斜面BE段的厚度为e/3～e/2，轮缘EF段的厚度e1及高度h1均为e/3；左侧上复合导向轮32b的右端面上有一直径d为0.5D、深度h2为0.5e的内孔，以便减小轮体重量和改善受力分布状况；其中，D为左侧上复合导向轮32b上BE段的中部直径，e为包括外侧倒角C2和内侧倒角C1在内的左侧上复合导向轮32b的厚度。

本实施例中，在与右侧下复合导向轮27a具有相同结构形式的左侧下复合导向轮27b的结构设置中，左侧下复合导向轮27b具有与左半工字型轨道22b下端面导轨相吻合的相接触的踏面A’F’段，踏面A’F’段是厚度为e’、直径为D’的圆柱体，圆柱体的外侧倒角C2’为5mm×45°，内侧倒角C1’为5mm×45°，且e’= e；左侧下复合导向轮27b的右端面上有一直径为d’、深度为h2’的内孔，其中d’= 0.5D’、h2’=0.5e’；其中，左侧下复合导向轮27b和右侧下复合导向轮27a用于在电动推拉车3驱动多节回转式机械臂1大行程进退行走时起辅助导向作用以及承受倾覆力矩作用，而左侧下复合导向轮27b的以上尺寸关系设置是为了改善受力分布状况，保证左侧上复合导向轮32b和右侧上复合导向轮32a构成的轮对在左半工字型轨道22b上受力的均匀性与平衡性。

本实施例中，在与右半工字型轨道22a具有相同结构形式的左半工字型轨道22b的结构设置中，轨身高度为H的左半工字型轨道22b的上端面呈隆起的圆弧状且圆弧半径R为300mm，H=e，使得由左侧上复合导向轮32b和右侧上复合导向轮32a传来的压力更能分别集中于左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a的中部轨轴；上端面的宽度C1为H/2,下端面的宽度C2为H/1.5，轨腰厚度t为H/3, 轨腰高度h为H/2；上述左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a分别具有与左侧上复合导向轮32b和右侧上复合导向轮32a踏面相适应的外形，并且半工字型轨道的头部、腰部及底部具有合理的尺寸分配比例，使得左半工字型轨道22b和右半工字型轨道22a具有较大的承载能力和抗弯能力，提高轨道在横向水平力作用下的稳定性。

Claims (5)

1.一种大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，包括一电动推拉车(3)和一承载轨道(4)，其特征在于：所述行走驱动装置设置有一机械臂引导装置(2)；

所述机械臂引导装置(2)在空间呈一定距离置于所述承载轨道(4)的正前方，前端携有多节回转式机械臂(1)的电动推拉车(3)置于所述承载轨道(4)上并可沿承载轨道(4)的前后方向做直线运动；所述多节回转式机械臂(1)的单节机械臂(1q)置于所述机械臂引导装置(2)的上导向轮(7m)与下导向轮(7n)之间并以上导向轮(7m)的弧形下表面和下导向轮(7n)的弧形上表面为直线运动导向面；

所述机械臂引导装置(2)的结构设置为：左平板(12b)与右平板(12a)对称设置于所述多节回转式机械臂(1)的单节机械臂(1q)的左右两边；在沿所述单节机械臂(1q)的轴线方向分别线性均布至少两个左基座(13b)和右基座(13a)，所述左平板(12b)下端和右平板(12a)下端分别与所述左基座(13b)和右基座(13a)固联；所述左平板(12b)与右平板(12a)之间是以螺栓相连接；在沿所述单节机械臂(1q)的轴线方向分别线性均布至少两只上导向轮(7m)和下导向轮(7n)，所述上导向轮(7m)与下导向轮(7n)具有相同的结构形式且是以两端阶梯轴分别通过左调心球轴承(11b)和右调心球轴承(11a)支承于所述左平板(12b)与右平板(12a)之间；所述左调心球轴承(11b)和右调心球轴承(11a)分别固装于左轴承座(8b)和右轴承座(8a)上，所述左轴承座(8b)和右轴承座(8a)分别固联在所述左平板(12b)和右平板(12a)上且各自位置可上下调节；所述左调心球轴承(11b)和右调心球轴承(11a)的内圈分别由左圆螺母(10b)和右圆螺母(10a)紧固，所述左调心球轴承(11b)和右调心球轴承(11a)的外圈分别由左轴承端盖(9b)和右轴承端盖(9a)紧固；所述上导向轮(7m)与下导向轮(7n)具有与所述单节机械臂(1q)外圆轮廓相切的内凹弧形轮廓；

所述电动推拉车(3)的结构设置为：包括车体上平板(17)、车体左侧板(18b)和车体右侧板(18a)三部分，所述车体左侧板(18b)与车体右侧板(18a)对称固定设置在车体上平板(17)的左右两侧；所述多节回转式机械臂(1)的始端单节机械臂(1p)头部固结有一始端法兰板(19)，所述始端法兰板(19)通过左右两侧对称设置且固定联接的左T形支架(20b)和右T形支架(20a)固定安装于所述车体上平板(17)的前端；在所述车体上平板(17)上通过电机支座(16)固定安装伺服减速电机(15)；一小齿轮(41)固联于所述伺服减速电机(15)的输出轴上且与下方的大齿轮(40)相互啮合，所述大齿轮(40)固联于传动轴(39)上；所述传动轴(39)以其两端阶梯轴分别通过左深沟球轴承(38b)和右深沟球轴承(38a)支承于左L形支架(37b)与右L形支架(37a)之间，所述左L形支架(37b)与右L形支架(37a)在传动轴(39)的两端对称设置且分别固定安装于所述车体上平板(17)的左右对称位置处；在所述车体左侧板(18b)上固定设置左侧上复合导向轮(32b)和左侧下复合导向轮(27b)，所述左侧上复合导向轮(32b)和左侧下复合导向轮(27b)在沿所述单节机械臂(1q)的轴线方向分别线性均布至少两只；在所述车体右侧板(18a)上固定设置右侧上复合导向轮(32a)和右侧下复合导向轮(27a)，所述右侧上复合导向轮(32a)和右侧下复合导向轮(27a)在沿所述单节机械臂(1q)的轴线方向分别线性均布至少两只；所述右侧上复合导向轮(32a)与左侧上复合导向轮(32b)在所述车体上平板(17)的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；所述左侧上复合导向轮(32b)为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第一角接触轴承(35)支承于第一轴承座(36)上，所述第一轴承座(36)固联于所述车体左侧板(18b)上且相对位置可上下调节；所述第一角接触轴承(35)的内圈由第一圆螺母(34)紧固，所述第一角接触轴承(35)的外圈由第一轴承端盖(33)紧固；所述左侧下复合导向轮(27b)与右侧下复合导向轮(27a)在所述车体上平板(17)的左右两侧对称设置且具有相同的结构形式；所述右侧下复合导向轮(27a)为轮轴一体化结构，通过在中部安装的一对第二角接触轴承(25)支承于第二轴承座(26)上，所述第二轴承座(26)固联于所述车体右侧板(18a)上且相对位置可上下调节；所述第二角接触轴承(25)的内圈由第二圆螺母(23)紧固，所述第二角接触轴承(25)的外圈由第二轴承端盖(24)紧固；

所述承载轨道(4)的结构设置为：一轨道基板(31)固定设置于承重台(28)上，所述承重台(28)在沿轨道基板(31)的长度方向线性均布至少两个；在所述轨道基板(31)上、位于轨道基板(31)的中央沿所述轨道基板(31)的长度方向设置一齿条(30)，所述齿条(30)与所述大齿轮(40)相互啮合；在所述齿条(30)的左右两侧对称设置左小轴承座(29b)和右小轴承座(29a)，所述左小轴承座(29b)和右小轴承座(29a)的相对位置可调节，所述左小轴承座(29b)和右小轴承座(29a)在沿轨道基板(31)的长度方向线性均布至少两个；左锥形导向轮(21b)和右锥形导向轮(21a)分别通过左推力球轴承(43b)和右推力球轴承(43a)支承于所述左小轴承座(29b)和右小轴承座(29a)上；所述左锥形导向轮(21b)的锥形外表面与右锥形导向轮(21a)的锥形外表面均与所述多节回转式机械臂(1)的单节机械臂(1q)外圆轮廓相切；在所述轨道基板(31)的左右两侧对称设置具有相同结构的左半工字型轨道(22b)和右半工字型轨道(22a)，所述左侧上复合导向轮(32b)和所述左侧下复合导向轮(27b)是以左半工字型轨道(22b)为导轨，所述右侧上复合导向轮(32a)和右侧下复合导向轮(27a)是以右半工字型轨道(22a)为导轨。

2.根据权利要求1所述的大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，其特征是：所述多节回转式机械臂(1)是在各段单节机械臂(1q)之间设置回转式关节(1r)，并采用双钢丝绳驱动结构，所述始端单节机械臂(1p)固定安装在所述电动推拉车(3)的头部；用于驱动各回转式关节(1r)的直流伺服电机(42p)在电动推拉车(3)的车体上平板(17)上呈阵列均布。

3.根据权利要求1所述的大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，其特征在于：

与所述右侧上复合导向轮(32a)具有相同结构形式的左侧上复合导向轮(32b)的结构设置为：所述左侧上复合导向轮(32b)具有与作为导轨的所述左半工字型轨道(22b)上端面导轨相接触的踏面AF段，所述踏面AF段自左至右依次是斜度为1:10的斜面AB段、斜度为1:20的斜面BE段以及轮缘EF段；所述轮缘EF段的外侧与水平面之间所夹的轮缘角θ为65°～68°；在所述踏面AF段的内侧具有的内侧倒角C1为5mm×45°，在所述轮缘EF段的外侧与内侧分别具有外侧倒角C2为5mm×45°和圆角r为14mm～16mm；所述斜面AB段的厚度为e/5～e/4，所述斜面BE段的厚度为e/3～e/2，所述轮缘EF段的厚度e1及高度h1均为e/3；所述左侧上复合导向轮(32b)的右端面上有一直径d为0.5D、深度h2为0.5e的内孔；其中，D为左侧上复合导向轮(32b)上BE段的中部直径，e为包括所述外侧倒角C2和内侧倒角C1在内的左侧上复合导向轮(32b)的厚度；

与所述右侧下复合导向轮(27a)具有相同结构形式的左侧下复合导向轮(27b)的结构设置为：所述左侧下复合导向轮(27b)具有与所述左半工字型轨道(22b)下端面导轨相吻合的相接触的踏面A’F’段，所述踏面A’F’段是厚度为e’、直径为D’的圆柱体，所述圆柱体的外侧倒角C2’为5mm×45°，内侧倒角C1’为5mm×45°，且e’＝e；所述左侧下复合导向轮(27b)的右端面上有一直径为d’、深度为h2’的内孔，其中d’＝0.5D’、h2’＝0.5e’；

与所述右半工字型轨道(22a)具有相同结构形式的左半工字型轨道(22b)的结构设置为：轨身高度为H的左半工字型轨道(22b)的上端面呈隆起的圆弧状且圆弧半径R为300mm，H＝e；上端面的宽度C1为H/2,下端面的宽度C2为H/1.5，轨腰厚度t为H/3,轨腰高度h为H/2。

4.根据权利要求1所述的大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，其特征在于：

所述轨道基板(31)、齿条(30)、左半工字型轨道(22b)和右半工字型轨道(22a)在沿轨道基板(31)的长度方向均由多段等长单元组合而成，所述左半工字型轨道(22b)与右半工字型轨道(22a)的各段等长单元首、尾部分别由带孔定位销(45)固联于所述轨道基板(31)的左侧与右侧；所述左半工字型轨道(22b)与右半工字型轨道(22a)的相邻段等长单元之间由贯穿于所述带孔定位销(45)的螺栓(44)相联接；

所述轨道基板(31)的各段等长单元在沿长度方向上均固定设置至少一个承重台(28)、左小轴承座(29b)及右小轴承座(29a)；相邻左小轴承座(29b)之间的距离以及相邻右小轴承座(29a)之间的距离均不长于所述多节回转式机械臂(1)的单节机械臂(1q)的长度。

5.根据权利要求1所述的大行程多节回转式机械臂的行走驱动装置，其特征在于：

所述机械臂引导装置(2)中的上导向轮(7m)和下导向轮(7n)以及所述承载轨道(4)上的左锥形导向轮(21b)和右锥形导向轮(21a)均采用耐磨合金或尼龙材料制造，并在表面均匀涂覆有一层高分子自润滑材料聚四氟乙烯层；所述左侧上复合导向轮(32b)、右侧上复合导向轮(32a)以及左侧下复合导向轮(27b)、右侧下复合导向轮(27a)均采用经表面淬火的ZG340-640、ZG50SiMn、65Mn或42CrMo材料M1制造；所述左半工字型轨道(22b)和右半工字型轨道(22a)均采用50Mn或U71Mn材料M2制造；所述材料M1与材料M2的硬度比为1.2:1～1.4:1。