CN103790191A - 混合驱动变胞机构挖掘机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合驱动变胞机构挖掘机械，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构和铲斗，变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆、挖掘臂和挖掘连杆以及机架构成的二自由度五连杆机构，采用电机和伺服电机混合驱动的策略，根据不同挖掘工况要求变化自身拓扑结构，满足不同挖掘任务中复杂轨迹输出和频繁负载变化要求；正铲式铲斗铰连于挖掘臂前端；铲斗调整机构设于挖掘臂前端臂体与铲斗之间，由单独的伺服电机控制，负责调整铲斗在各个挖掘工况中的姿态。本发明具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特点，根据工况变化自我重构，解决了传统机械式挖掘机构实现动作简单、液压式挖掘机构易出现漏油等问题。

Description

混合驱动变胞机构挖掘机械

（一）技术领域：

本发明涉及工程机械技术，特别是一种混合驱动变胞机构挖掘机械。

（二）背景技术：

挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于工业、交通、能源、农田改造、水利、民用建筑、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工方面。

挖掘机主要有液压式和机械式两种类型。液压式挖掘机具有结构简单、重量轻、可实现很多复杂动作等优点，被广泛采用。但是液压式挖掘机是以液压油为传递动力的介质，其起动性较差，容易因内部元件磨损后产生泄漏，而且涉及的元件较多，泄漏的液压油会造成环境的污染。同时出现过热，工作无力等现象。随着挖掘机功能要求的增加，其液压系统越来越复杂，会造成其故障出现更具有突发性、隐蔽性。正因为液压系统有如此缺陷和局限性，液压式挖掘机多为中、小型挖掘机，许多大型挖掘机还不得不采用电力驱动的机械式挖掘机。

机械式挖掘机已经有近百年历史，是利用机械传动件带动挖掘动作，其具有作业效率高，使用寿命长，能适应恶劣的矿山工作环境等特点。但是，传统的单自由度机械式挖掘机自身结构庞大复杂且不能完成灵活多变的挖掘动作，即使仅用于采矿，也常常遇到困难，如：在挖掘较高台面时斗齿上不能产生更大的切削力；对于倾斜矿层的清理根底，向装载车中卸载高度偏小等等。

当前，工程机械领域已形成这样的共识：机械式挖掘机所能完成的动作简单、难以变化，许多动作不能实现；液压式挖掘机可以灵活地执行各种工程动作，但又存在液压系统零部件要求高、寿命不长、漏油等缺陷。这是工程机械领域一个十分棘手的问题，也是长期未能取得突破的难题。

变胞机构是上世纪90年代，英国伦敦大学国王学院戴建生教授等人在研究可折叠式纸盒和工艺品机构时发现的一类新型机构，具有多工作阶段的变功能和变拓扑结构特性。变胞机构由于其适应性和可重构性，尤其适应于在不同工作阶段完成不同工作任务等要求。该发现获得了1998年在亚特兰大召开的ASME第25界机构学双年度最佳论文奖，并列入20世纪90年代获奖的四篇论文之一。这类新型机构提出后，引起了国际机构学界的广泛关注并获得了一些应用：伦敦大学国王学院利用变胞原理开发研制出变胞手，其结构和自由度在运行中变化，由此向三指手提供了额外的自由度，便于控制手指抓持方位和灵巧度；北京航空航天大学丁希仑等开发了火星变胞探测车，该车利用变胞原理，采用杆件变换，使其变形并变换不同的行走方式以适应不同的需求和不同的环境；新加坡南洋理工大学Y.M.Chen等开发了变胞水下车，利用变胞概念，变换车形来完成所需的工作任务。

（三）发明内容：

本发明是将变胞机构的原理应用于工程机械技术领域，提出了一种混合驱动变胞机构挖掘机械，以满足不同工作阶段中复杂轨迹输出和频繁负载变化的要求。

本发明通过以下技术方案满足上述要求：

本发明混合驱动变胞机构挖掘机械的技术方案，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构以及正铲式铲斗，所不同的是所述变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆、中部向上拱起的折状挖掘臂和挖掘连杆以及机架构成的二自由度五连杆机构，所述重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆分别于机架上铰装并分别由设于机架上的重载挖掘电机和轨迹输出伺服电机驱动，所述轨迹输出伺服电机自带有大扭矩电磁制动器，所述挖掘臂的尾端铰连重载挖掘驱动杆，所述挖掘连杆铰连于挖掘臂中部和轨迹输出驱动杆，挖掘臂前端臂体上开设有滑动槽；所述铲斗铰连于挖掘臂前端；所述铲斗调整机构设于挖掘臂前段臂体与铲斗之间，包括调整驱动杆、臂体连杆和铲斗连杆，所述调整驱动杆铰装于挖掘臂前段臂体上并由设于机架上的铲斗调整伺服电机驱动，所述铲斗调整伺服电机自带有大扭矩电磁制动器，所述臂体连杆与调整驱动杆铰连，所述铲斗连杆铰装于铲斗，其铰连点低于铲斗与挖掘臂前端的铰连点，臂体连杆与铲斗连杆通过传动销形成复合铰链，所述传动销滑动置于所述滑动槽内。

所述变胞挖掘机构采用重载挖掘电机和轨迹输出伺服电机的混合驱动：重载挖掘时，所述轨迹输出驱动杆由大扭矩电磁制动器锁死，所述二自由度五连杆机构变胞为单自由度四杆机构；在工作载荷不大、需实现复杂轨迹作业时，大扭矩电磁制动器放松轨迹输出驱动杆，轨迹输出伺服电机控制轨迹输出驱动杆并配合重载挖掘驱动杆运动，单自由度四连杆机构恢复为平面二自由度五连杆机构；挖掘过程中大部分的挖掘力由重载挖掘驱动杆提供，并在重载挖掘时承载全部挖掘力；所述铲斗调整伺服电机负责控制各种挖掘工况中铲斗的姿态以及挖掘完成后的卸料工作，并在挖掘过程中由其自带的大扭矩电磁制动器锁死调整驱动杆以固定铲斗位置。

根据功能的不同，所述重载挖掘电机的功率大于轨迹输出伺服电机的功率。

为平衡铲斗运动，所述铲斗连杆为于挖掘臂前段臂体两侧设置的双杆组件。

本发明用于轮胎式或履带式挖掘机，则所述机架为轮胎式或履带式挖掘机的回转平台，从而实现挖掘、回转、卸料等挖掘工作和整机的定位与行走。

本发明的有益效果：

1、本发明混合驱动变胞机构挖掘机械具有变胞功能，在工作载荷不大、需实现复杂轨迹时，为二自由度五连杆机构，而在大载荷工况时，变胞成为单自由度四连杆机构，可较好满足不同挖掘任务中复杂轨迹输出和频繁负载变化等要求。

2、本发明所提出的混合驱动变胞机构采用大功率常规电机和较小功率伺服电机混合驱动的策略，与全伺服电机驱动的挖掘机构相比具有更大的挖掘力和更高的可靠性。

3、本发明所提出的混合驱动变胞机构采用外转动副驱动，承受挖掘力的驱动电机均安装在机架上，能有效降低手臂重量，提高挖掘速度。

4、本发明所提出的混合驱动变胞机构，既能解决传统单自由度机械式挖掘机构动作简单，挖掘速度难控制，不能实现复杂动作等问题，又能解决液压式挖掘机构对零部件要求高、寿命不长、易漏油、可靠度难保证等问题，并且整机结构简单紧凑，零部件制造加工要求低。

（四）附图说明：

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式中铲斗调整机构的后视图。

图3为图1实施方式中铲斗调整机构的俯视图。

图4为图1实施方式安装在履带式挖掘机的回转平台上的结构示意图。

图5（a）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘前姿态。

图5（b）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘后姿态。

图5（c）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘后卸料姿态。

图6（a）为图1实施方式实现远距离重载挖掘前姿态。

图6（b）为图1实施方式实现远距离重载挖掘后姿态。

图6（c）为图1实施方式实现远距离重载挖掘后卸料姿态。

图7（a）为图1实施方式实现近距离重载挖掘前姿态。

图7（b）为图1实施方式实现近距离重载挖掘后姿态。

图7（c）为图1实施方式实现近距离重载挖掘后卸料姿态。

图8（a）为图1实施方式实现深沟重载挖掘前姿态。

图8（b）为图1实施方式实现深沟重载挖掘后姿态。

图8（c）为图1实施方式实现深沟重载挖掘后卸料姿态。

图9（a）为图1实施方式实现高处重载挖掘前姿态。

图9（b）为图1实施方式实现高处重载挖掘后姿态。

图9（c）为图1实施方式实现高处重载挖掘后卸料姿态。

图号标识：1、铲斗；2、重载挖掘驱动杆；3、轨迹输出驱动杆；4、挖掘臂；5、挖掘连杆；6、机架；7、滑动槽；8、调整驱动杆；9、臂体连杆；10、铲斗连杆；11、传动销；12、轨迹输出伺服电机；13、铲斗调整伺服电机；14、重载挖掘电机。

（五）具体实施方式：

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明混合驱动变胞机构挖掘机械主要由变胞挖掘机构、铲斗调整机构以及正铲式铲斗1构成。

所述变胞挖掘机构为二自由度五连杆机构，主要由重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3、折状挖掘臂4和挖掘连杆5以及机架6构成，常规运用中所述机架6为轮胎式或履带式挖掘机的回转平台，从而实现挖掘、回转、卸料等挖掘工作和整机的定位与行走。所述重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3左、右设置，两者的下端分别铰连于所述回转平台上，所述挖掘臂4的尾部下端铰连重载挖掘驱动杆2的上端，中部向上拱起的挖掘臂4中部铰连挖掘连杆5的上端（挖掘臂4以中间拱起部位分界形成前、后两段臂），所述挖掘连杆5的下端铰连轨迹输出驱动杆3的上端，所述挖掘臂4的前部下端伸出回转平台外；所述回转平台上安装分别驱动重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3的重载挖掘电机14和轨迹输出伺服电机12，所述轨迹输出伺服电机12自带有大扭矩电磁制动器，当该电磁制动器锁紧电机转子时则轨迹输出驱动杆3固定位置，所述变胞挖掘机构变胞为单自由度的四连杆机构，如图1、图4所示。

所述重载挖掘电机14的功率大于轨迹输出伺服电机12的功率。

所述轨迹输出驱动杆3由较小功率的轨迹输出伺服电机12控制，通过编程控制以配合重载挖掘驱动杆2实现二自由度五连杆机构复杂挖掘轨迹的输出，并在重载挖掘时由轨迹输出伺服电机12自带的大扭矩电磁制动器完全锁死轨迹输出驱动杆3，二自由度五连杆机构变胞为单自由度四连杆机构；所述重载挖掘驱动杆2由大功率常规重载挖掘电机14控制，提供挖掘过程中大部分的挖掘力，并在重载挖掘时承载全部挖掘力。

所述铲斗1对应于挖掘臂4前端设置，所述铲斗1背部上方位置铰连于挖掘臂4前端，如图1、图2、图3、图4所示。

所述铲斗调整机构设于挖掘臂4的前臂与铲斗1之间，包括调整驱动杆8、臂体连杆9和铲斗连杆10，所述调整驱动杆8和臂体连杆9设于挖掘臂4前臂的一侧，调整驱动杆8的下端通过设于挖掘臂4前臂上的铲斗调整伺服电机13与挖掘臂4前臂铰连，所述铲斗调整伺服电机13自带有大扭矩电磁制动器，所述臂体连杆9的后端与调整驱动杆8的上端铰连，所述铲斗连杆10为平行的双杆组件，分别设于挖掘臂4前臂前段的两侧，铲斗连杆10的前端铰连于铲斗1背部下方位置，臂体连杆9的前端与铲斗连杆10的后端通过传动销11形成复合铰链，所述传动销11滑动置于滑动槽7中，所述滑动槽7开设于挖掘臂4前臂的前段，滑动槽7的方向与挖掘臂4前臂的伸展方向一致，如图1、图2、图3、图4所示。

所述铲斗调整机构负责控制各种挖掘工况中铲斗1的姿态以及挖掘完成后的卸料工作，并在挖掘过程中由铲斗调整伺服电机13自带的大扭矩电磁制动器完全锁死铲斗调整机构。

如图5（a）、图5（b）、图5（c）所示为轻载挖掘状态：所述变胞挖掘机构为平面二自由度五杆机构，重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3分别在大功率重载挖掘电机14和较小功率轨迹输出伺服电机12的联合驱动下运动，通过计算机编程控制可实现铲斗1斗尖在工作空间内较复杂挖掘轨迹的输出；挖掘任务完成后，调整驱动杆8回转，铲斗1翻转卸料，卸料完成后，通过控制铲斗调整伺服电机13调整铲斗1的姿态以适应下一次挖掘任务的要求。

如图6（a）、图6（b）、图6（c）所示为远距离重载挖掘状态：首先通过控制重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3的转角让二自由度五连杆机构处于适合远距离挖掘的起始位置，此时轨迹输出伺服电机12断电，其自带的大扭矩电磁制动器将电机转子锁死，轨迹输出驱动杆3不再转动，挖掘机构变胞成为单自由度四连杆机构，由大功率重载挖掘电机14单独驱动，完成较简单轨迹的远距离重载挖掘任务；挖掘任务完成后，调整驱动杆8回转，铲斗1翻转卸料；卸料完成后，通过控制铲斗调整伺服电机13调整铲斗1的姿态以适应下一次挖掘任务的要求。

如图7（a）、图7（b）、图7（c）所示为近距离重载挖掘状态：首先通过控制重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3的转角让二自由度五连杆机构处于适合近距离挖掘的起始位置，此时轨迹输出伺服电机12断电，其自带的大扭矩电磁制动器将电机转子锁死，轨迹输出驱动杆3不再转动，挖掘机构变胞成为单自由度四连杆机构，由大功率重载挖掘电机14单独驱动，完成较简单轨迹的近距离重载挖掘任务；挖掘任务完成后，调整驱动杆8回转，铲斗1翻转卸料；卸料完成后，通过控制铲斗调整伺服电机13调整铲斗1的姿态以适应下一次挖掘任务的要求。

如图8（a）、图8（b）、图8（c）为深沟重载挖掘状态：首先通过控制重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3的转角让二自由度五连杆机构处于适合深沟挖掘的起始位置，此时轨迹输出伺服电机12断电，其自带的大扭矩电磁制动器将电机转子锁死，轨迹输出驱动杆3不再转动，挖掘机构变胞成为单自由度四连杆机构，由大功率重载挖掘电机14单独驱动，完成较简单轨迹的深沟重载挖掘任务；挖掘任务完成后，调整驱动杆8回转，铲斗1翻转卸料；卸料完成后，通过控制铲斗调整伺服电机13调整铲斗1的姿态以适应下一次挖掘任务的要求。

如图9（a）、图9（b）、图9（c）为高处重载挖掘状态：首先通过控制重载挖掘驱动杆2和轨迹输出驱动杆3的转角让二自由度五连杆机构处于适合高处挖掘的起始位置，此时轨迹输出伺服电机12断电，其自带的大扭矩电磁制动器将电机转子锁死，轨迹输出驱动杆3不再转动，挖掘机构变胞成为单自由度四连杆机构，由大功率重载挖掘电机14单独驱动，完成较简单轨迹的高处重载挖掘任务；挖掘任务完成后，调整驱动杆8回转，铲斗1翻转卸料；卸料完成后，通过控制铲斗调整伺服电机13调整铲斗1的姿态以适应下一次挖掘任务的要求。

Claims (5)

1.混合驱动变胞机构挖掘机械，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构以及正铲式铲斗（1），其特征在于：所述变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）、中部向上拱起的折状挖掘臂（4）和挖掘连杆（5）以及机架（6）构成的二自由度五连杆机构，所述重载挖掘驱动杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）分别于机架（6）上铰装并分别由设于机架（6）上的重载挖掘电机（14）和轨迹输出伺服电机（12）驱动，所述轨迹输出伺服电机（12）自带有大扭矩电磁制动器，所述挖掘臂（4）的尾端铰连重载挖掘驱动杆（2），所述挖掘连杆（5）铰连于挖掘臂（4）中部和轨迹输出驱动杆（3），所述挖掘臂（4）前段臂体上开设有滑动槽（7）；所述铲斗（1）铰连于挖掘臂（4）前端；所述铲斗调整机构设于挖掘臂（4）前段臂体与铲斗（1）之间，包括调整驱动杆（8）、臂体连杆（9）和铲斗连杆（10），所述调整驱动杆（8）铰装于挖掘臂（4）前段臂体上并由设于机架（6）上的铲斗调整伺服电机（13）驱动，所述铲斗调整伺服电机（13）自带有大扭矩电磁制动器，所述臂体连杆（9）与调整驱动杆（8）铰连，所述铲斗连杆（10）铰装于铲斗（1），其铰连点低于铲斗（1）与挖掘臂（4）前端的铰连点，臂体连杆（9）与铲斗连杆（10）通过传动销（11）形成复合铰链，所述传动销（11）滑动置于所述滑动槽（7）内。

2.根据权利要求1所述的混合驱动变胞机构挖掘机械，其特征在于：重载挖掘时，所述轨迹输出驱动杆（3）由轨迹输出伺服电机（12）的大扭矩电磁制动器锁死，所述二自由度五连杆机构变胞为单自由度四杆机构。

3.根据权利要求2所述的混合驱动变胞机构挖掘机械，其特征在于：所述重载挖掘电机（14）的功率大于轨迹输出伺服电机（12）的功率。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的混合驱动变胞机构挖掘机械，其特征在于：所述铲斗连杆（10）为于挖掘臂（4）前段臂体两侧设置的双杆组件。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的混合驱动变胞机构挖掘机械，其特征在于：所述机架（6）为轮胎式或履带式挖掘机的回转平台。

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