CN103722549A - 空间协作重载精密双臂机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间协作重载精密双臂机械手,包括联动导轨总成、用于负载重物的负载机械手和用于保证工件定位精度的辅助定位机械手;负载机械手和辅助定位机械手在空间内协同工作,在保证整体机械手结构具有较强负载能力的同时,还具有了较高的定位精度,解决了现有机械手领域存在的负载能力和精度性能相互矛盾的问题,双臂能够同时在空间协同工作,在保证大负载能力的同时也能够满足不同形状工件的夹持、高表面精度、高效率和安全性能要求。

Description

空间协作重载精密双臂机械手技术领域
[0001] 本发明涉及一种自动化机械部件,特别涉及一种空间协作重载精密双臂机械手。背景技术
[0002] 机械手作为重大装备制造业中最主要的工具而被广泛研究,应用于汽车、船舶、舰艇、飞机、卫星、火箭、宇宙飞船以及钢铁冶金等行业。然而,在重大装备的制造、安装/装配等生产环节,对工业机械手的载荷能力、精度性能提出了更高的要求,而且在一些特殊行业里对机械手安全性能也提出了更高要求。
[0003] 但现有技术中,机械手的负载能力和精度性能是一对矛盾体,提闻负载能力必须要失去精度,而通过伺服电机驱动虽能提高机械手的精度,但其负载能力又会下降。而且,机械手在空间工作过程中的协同工作能力低,一般都是流水线作业,效率较低,在核工业等特殊行业中对机械手的安全性能要求较高的领域,现有的流水作业机械手的远远不能达到负载和精度的双重要求。
[0004] 因此需要一种空间协作重载精密双臂机械手,双臂能够同时在空间协同工作,在保证大负载能力的同时也能够满足不同形状工件的夹持、高表面精度、高效率和安全性能要求。
发明内容
[0005] 有鉴于此,本发明提供一种空间协作重载精密双臂机械手,双臂能够同时在空间协同工作,在保证大负载能力的同时也能够满足不同形状工件的夹持、高表面精度、高效率和安全性能要求。
[0006] 本发明的空间协作重载精密双臂机械手,包括联动导轨总成、用于负载重物的负载机械手和用于保证工件定位精度的辅助定位机械手;
[0007] 所述联动导轨总成至少包括用于安装负载机械手的滑块I和用于安装辅助定位机械手的滑块II ;
[0008] 所述负载机械手包括肩关节1、上臂1、肘关节1、下臂1、手腕总成I和手爪总成I,上臂I内置液压缸I,下臂I内置液压缸II,上臂I通过肩关节I以沿竖直平面转动的方式与滑块I连接,下臂I通过肘关节I以沿竖直平面转动的方式与液压缸I活塞杆连接,所述手腕总成I包括摆动液压马达和伺服电机I,所述摆动液压马达缸体与液压缸II活塞杆固定连接,所述手爪总成包括与伺服电机I输出轴连接的手爪座和至少两个与手爪座铰接的手爪,所述手爪由依次铰接的指节组成,每个指节均设置驱动指节往复运动的指节驱动件;
[0009] 所述辅助定位机械手包括肩关节I1、上臂I1、肘关节I1、下臂I1、手腕总成II和末端执行器,上臂II内置液压缸III,下臂II内置液压缸IV,上臂II通过肩关节II以沿竖直平面可以转动的方式与滑块II连接,下臂II通过肘关节II以沿竖直平面可以转动的方式与液压缸III活塞杆连接,所述手腕总成II包括伺服电机II和伺服电机III,所述伺服电机II机体与液压缸IV的活塞杆端部固定,所述末端执行器包括转盘和固定设置于转盘的自动螺栓拧紧装置,所述伺服电机III的动力输出轴与转盘圆周方向固定配合。
[0010] 进一步,所述肩关节1、肩关节I1、肘关节1、肘关节II分别设置有臂驱动装置,所述臂驱动装置包括臂驱动伺服电机,所述臂驱动伺服电机的动力输出轴通过蜗轮蜗杆机构驱动对应的机械臂沿竖直平面转动。
[0011] 进一步,所述臂驱动伺服电机的输出轴与对应蜗轮蜗杆机构的蜗杆一体成型制成。
[0012] 进一步,所述手爪座为上小下大的工字型结构,所述指节设置为两个,其中第一指节的指节驱动件为液压缸V,所述液压缸V缸体与手爪座小头端铰接,第一指节与液压缸V的活塞杆固定,第二指节的指节驱动件为液压马达。
[0013] 进一步,第一指节和第二指节的夹持面上设有由柔性材料制成的柔性夹持层。
[0014] 进一步,所述联动导轨总成还包括导轨和与导轨滑动配合设置的驱动组件,所述导轨为并列设置的两个,所述驱动组件对应负载机械手和辅助定位机械手设置两组,每组驱动组件均包括基座和丝杆,所述滑块I和所述滑块II分别与对应的丝杆滑动配合,所述驱动组件还包括与基座配合设置的驱动轮、用于驱动驱动轮沿导轨行走的伺服电机IV和用于驱动丝杆转动的伺服电机V。
[0015] 进一步,每组所述驱动组件还包括两端与基座连接并内套于滑块进行导向的导向光杆。
[0016] 进一步,还包括自动控制系统,所述自动控制系统包括:
[0017] 压力传感器,设置于负载机械手指节的夹持面内部用于检测每个指节的压力;
[0018] 位移传感器,设置于每个关节处,用于检测机械手各个部分的位置;
[0019] 激光测距传感器,设置于辅助定位机械手的末端执行器和负载机械手手爪处,用于检测与工件的距离,调节末端执行器的位置;
[0020] 中央控制器,用于接收各个传感器的信号并向每个伺服电机、液压缸、液压马达的控制系统发送命令信号实施联动控制。
[0021] 进一步,所述驱动轮包括主动轮和从动轮,所述主动轮由对应伺服电机IV驱动。
[0022] 本发明的有益效果:本发明的空间协作重载精密双臂机械手,采用双机械臂结构,其中负载机械手用于负载重物,负载机械手采用液压缸和液压马达形成液压驱动力,为搬运重物提高强大动力,并且负载机械手手爪的每一指节均设有指节驱动件,可根据夹持工件的具体形状调节指节夹持位置,能够增大与工件的接触面积,通用性较强,辅助定位机械手用于辅助定位,辅助定位机械手机械臂末端手腕处采用双伺服电机结构调整末端执行器位姿,从而保证空间协作重载精密双臂机械手的精度要求;负载机械手和辅助定位机械手在空间内协同工作,在保证整体机械手结构具有较强负载能力的同时,还具有了较高的定位精度,解决了现有机械手领域存在的负载能力和精度性能相互矛盾的问题,双臂能够同时在空间协同工作,在保证大负载能力的同时也能够满足不同形状工件的夹持、高表面精度、高效率和安全性能要求。
附图说明
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。[0024] 图1为本发明结构示意图;
[0025] 图2为联动导轨总成结构示意图;
[0026] 图3为自动控制系统流程示意图;
[0027] 图4为图1A处放大示意图;
[0028] 图5为图1B处放大示意图;
[0029] 图6为臂驱动装置结构示意图。
具体实施方式
[0030] 图1为本发明结构示意图,图2为联动导轨总成结构示意图,图3为自动控制系统流程示意图,图4为图1A处放大示意图,图5为图1B处放大示意图,图6为臂驱动装置结构示意图,如图所示:本实施例的空间协作重载精密双臂机械手,包括联动导轨总成、用于负载重物的负载机械手I和用于保证工件定位精度的辅助定位机械手2 ;
[0031] 所述联动导轨总成至少包括用于安装负载机械手的滑块I 3和用于安装辅助定位机械手的滑块II 4;
[0032] 所述负载机械手包括肩关节I 5、上臂I 6、肘关节I 7、下臂I 8、手腕总成I和手爪总成I,上臂I 6内置液压缸I 9,下臂I 8内置液压缸II 10,上臂I 6通过肩关节I 5以沿竖直平面转动的方式与滑块I 3连接,下臂I 8通过肘关节I 7以沿竖直平面转动的方式与液压缸I 9活塞杆连接,所述手腕总成I包括摆动液压马达11和伺服电机I 12,所述摆动液压马达11缸体与液压缸II 10活塞杆固定连接,所述手爪总成包括与伺服电机I 12输出轴连接的手爪座13和至少两个与手爪座铰接的手爪,所述手爪由依次铰接的指节组成,每个指节均设置驱动指节往复运动的指节驱动件;
[0033] 所述辅助定位机械手包括肩关节II 14、上臂II 15、肘关节II 16、下臂II 17、手腕总成II和末端执行器,上臂II 15内置液压缸III 18,下臂II 17内置液压缸IV 19,上臂II 15通过肩关节II 14以沿竖直平面可以转动的方式与滑块II 4连接,下臂II 17通过肘关节II 16以沿竖直平面可以转动的方式与液压缸III 18活塞杆连接,所述手腕总成II包括伺服电机II 19和伺服电机III 20,所述伺服电机II机体与液压缸IV的活塞杆端部固定,所述末端执行器包括转盘21和固定设置于转盘21的自动螺栓拧紧装置22,所述伺服电机III20的动力输出轴与转盘21圆周方向固定配合;液压缸IV的活塞杆端部设有安装座,伺服电机II机体通过螺栓23安装于安装座;液压系统与伺服电机复合驱动,可提高定位精度。
[0034] 本实施例中,所述肩关节I 5、肩关节II 14、肘关节I 7、肘关节II 16分别设置有臂驱动装置,所述臂驱动装置包括臂驱动伺服电机49,所述臂驱动伺服电机49的动力输出轴50通过蜗轮蜗杆机构驱动对应的机械臂沿竖直平面转动,蜗轮蜗杆机构包括蜗杆51、蜗轮52和蜗轮轴53 ;肩关节I 5处的臂驱动装置的臂驱动伺服电机安装到滑块I上,蜗轮蜗杆机构的蜗杆与该臂驱动伺服电机同轴直连传动,臂驱动伺服电机的输出轴和蜗杆与大臂I同轴线设置,蜗轮蜗杆机构还包括一蜗轮轴,蜗轮轴与蜗轮花键连接,蜗轮轴一端与大臂I固定连接,另一端通过轴承与滑块I定位连接,臂驱动伺服电机驱动蜗杆带动蜗轮转动,蜗轮通过花键带动蜗轮轴工作,从而带动大臂I在竖直平面内转动,肩关节II 14设置的臂驱动装置与肩关节I 5的臂驱动装置同理设置;肘关节I 7设置的臂驱动装置的臂驱动伺服电机安装在液压缸I活塞杆上设置的安装座上,蜗轮蜗杆机构的蜗杆与该与该臂驱动伺服电机同轴直连传动,蜗轮蜗杆机构还包括一蜗轮轴,蜗轮轴与蜗轮花键连接,蜗轮轴一端与小臂I固定连接,另一端通过轴承与液压缸I活塞杆上设置的安装座定位连接,臂驱动伺服电机驱动蜗杆带动蜗轮转动,蜗轮通过花键带动蜗轮轴工作,从而带动小臂I在竖直平面内转动,肘关节II 16设置的臂驱动装置与肘关节I 7的臂驱动装置同理设置;蜗轮蜗杆机构驱动方式承载能力较大,传动平稳,噪音较小,并且蜗轮蜗杆机构具有自锁性,可实现反向自锁,即只能由蜗杆带动蜗轮,而不能由蜗轮带动蜗杆,在机械手中使用自锁蜗杆机构,反向自锁性可起安全保护作用。
[0035] 本实施例中,所述臂驱动伺服电机的输出轴与对应蜗轮蜗杆机构的蜗杆一体成型制成;传动平稳,减少能量损耗,且具有较强的承载能力。
[0036] 本实施例中,所述手爪座13为上小下大的工字型结构,所述指节设置为两个,其中第一指节24的指节驱动件为液压缸V 25,所述液压缸V缸体与手爪座13小头端铰接,第一指节24与液压缸V活塞杆固定,第二指节26的指节驱动件为液压马达27 ;可根据夹持工件的具体形状调节指节夹持位置,能够增大与工件的接触面积,通用性较强。
[0037] 本实施例中,第一指节25和第二指节26的夹持面上设有由柔性材料制成的柔性夹持层28 ;减少指节夹持面对夹持工件造成的硬力损伤。
[0038] 本实施例中,所述联动导轨总成还包括导轨(图中为导轨29和导轨29a)和与导轨滑动配合设置的驱动组件,所述导轨为并列设置的两个,所述驱动组件对应负载机械手和辅助定位机械手设置两组,如图所示,用于驱动负载机械手的驱动组件30包括滑块I 3、基座31、基座31a和丝杆32,基座对应导轨设置两个,所述滑块I 3和丝杆32滑动配合,所述驱动组件30还包括与基座配合设置的驱动轮、用于驱动驱动轮沿导轨行走的伺服电机IV 33和用于驱动丝杆转动的伺服电机V 34 ;用于驱动辅助定位机械手的驱动组件30a包括滑块II 4、基座35、基座35a和丝杆36,基座对应导轨设置两个,所述滑块II 4和丝杆36滑动配合,所述驱动组件30a还包括与基座配合设置的驱动轮、用于驱动驱动轮沿导轨行走的伺服电机IV 37和用于驱动丝杆转动的伺服电机V 38 ;联动导轨总成可使得负载机械手和辅助定位机械手可沿导轨方向和与导轨垂直方向上移动,可根据夹持工件形状调节负载机械手和辅助定位机械手的位置,提高适应场合,并保证定位精度。
[0039] 本实施例中,每组所述驱动组件还包括两端与基座连接并内套于滑块进行导向的导向光杆(图中为导向光杆39和导向光杆39a);导向光杆保证滑块的平稳,从而保证机械手在空间平面上的运动。
[0040] 本实施例中,还包括自动控制系统,所述自动控制系统包括:
[0041] 压力传感器40,设置于负载机械手指节的夹持面内部用于检测每个指节的压力;
[0042] 位移传感器41,设置于每个关节处,用于检测机械手各个部分的位置;
[0043] 激光测距传感器42,设置于辅助定位机械手的末端执行器和负载机械手手爪处,用于检测与工件的距离,调节末端执行器的位置;
[0044] 中央控制器43,用于接收各个传感器的信号并向每个伺服电机、液压缸、液压马达的控制系统44和控制系统45发送命令信号实施联动控制。
[0045] 本实施例中,所述驱动轮包括主动轮(图中为主动轮46和主动轮46a)和从动轮(图中为从动轮47和从动轮47a),所述主动轮46由对应伺服电机IV 33驱动,所述主动轮46a由对应伺服电机IV 35驱动。[0046] 最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:包括联动导轨总成、用于负载重物的负载机械手和用于保证工件定位精度的辅助定位机械手; 所述联动导轨总成至少包括用于安装负载机械手的滑块I和用于安装辅助定位机械手的滑块II ; 所述负载机械手包括肩关节1、上臂1、肘关节1、下臂1、手腕总成I和手爪总成I,上臂I内置液压缸I,下臂I内置液压缸II,上臂I通过肩关节I以沿竖直平面转动的方式与滑块I连接,下臂I通过肘关节I以沿竖直平面转动的方式与液压缸I活塞杆连接,所述手腕总成I包括摆动液压马达和伺服电机I,所述摆动液压马达缸体与液压缸II活塞杆固定连接,所述手爪总成包括与伺服电机I输出轴连接的手爪座和至少两个与手爪座铰接的手爪,所述手爪由依次铰接的指节组成,每个指节均设置驱动指节往复运动的指节驱动件; 所述辅助定位机械手包括肩关节I1、上臂I1、肘关节I1、下臂I1、手腕总成II和末端执行器,上臂II内置液压缸III,下臂II内置液压缸IV,上臂II通过肩关节II以沿竖直平面可以转动的方式与滑块II连接,下臂II通过肘关节II以沿竖直平面可以转动的方式与液压缸III活塞杆连接,所述手腕总成II包括伺服电机II和伺服电机III,所述伺服电机II机体与液压缸IV的活塞杆端部固定,所述末端执行器包括转盘和固定设置于转盘的自动螺栓拧紧装置,所述伺服电机III的动力输出轴与转盘圆周方向固定配合。
2.根据权利要求1所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:所述肩关节1、肩关节I1、肘关节1、肘关节II分别设置有臂驱动装置,所述臂驱动装置包括臂驱动伺服电机,所述臂驱动伺服电机的动力输出轴通过蜗轮蜗杆机构驱动对应的机械臂沿竖直平面转动。
3.根据权利要求2所述的空`间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:所述臂驱动伺服电机的输出轴与对应蜗轮蜗杆机构的蜗杆一体成型制成。
4.根据权利要求3所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:所述手爪座为上小下大的工字型结构,所述指节设置为两个,其中第一指节的指节驱动件为液压缸V,所述液压缸V缸体与手爪座小头端铰接,第一指节与液压缸V的活塞杆固定,第二指节的指节驱动件为液压马达。
5.根据权利要求4所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:第一指节和第二指节的夹持面上设有由柔性材料制成的柔性夹持层。
6.根据权利要求5所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:所述联动导轨总成还包括导轨和与导轨滑动配合设置的驱动组件,所述导轨为并列设置的两个,所述驱动组件对应负载机械手和辅助定位机械手设置两组,每组驱动组件均包括基座和丝杆,所述滑块I和所述滑块II分别与对应的丝杆滑动配合,所述驱动组件还包括与基座配合设置的驱动轮、用于驱动驱动轮沿导轨行走的伺服电机IV和用于驱动丝杆转动的伺服电机V。
7.根据权利要求6所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:每组所述驱动组件还包括两端与基座连接并内套于滑块进行导向的导向光杆。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:还包括自动控制系统,所述自动控制系统包括: 压力传感器,设置于负载机械手指节的夹持面内部用于检测每个指节的压力;位移传感器,设置于每个关节处,用于检测机械手各个部分的位置; 激光测距传感器,设置于辅助定位机械手的末端执行器和负载机械手手爪处,用于检测与工件的距离,调节末端执行器的位置; 中央控制器,用于接收各个传感器的信号并向每个伺服电机、液压缸、液压马达的控制系统发送命令信号实施联动控制。
9.根据权利要求8所述的空间协作重载精密双臂机械手,其特征在于:所述驱动轮包括主动轮和从动轮,所述主动轮由`对应伺服电机IV驱动。
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