CN104149088B - 一种串并联四自由度搬运码垛机器人 - Google Patents

一种串并联四自由度搬运码垛机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四自由度码垛机器人，用于生产线上的搬运、码垛。其特征是该码垛机器人主要由支架机构、焊接架、臂部机构和手腕组成。支架机构是该机器人的基础，由腰部伺服电机、谐波减速机、支架腿、腰部基础板、旋转基础板组成，臂部机构包括前大臂、后大臂和小臂，在平面内具有两个垂直方向的平动自由度；该码垛机器人具有四自由度的运动能力，能够在粮食生产线末端实现高速搬运和码垛，具有搬运效率高，运动平稳的特点，并且与传感技术相结合，实现自动判断是否进行抓包动作，是今后建立无人生产线重要组成部分。

Description

一种串并联四自由度搬运码垛机器人
技术领域
本发明涉及一种用于袋类搬运的码垛机械，尤其是应用于粮食生产线末端的码垛机器人，一种串并联四自由度搬运码垛机器人。
背景技术
目前，公知的码垛机器人大多是双耦合输入，非线性输出的复杂运动轨迹，工作空间由多段弧形构成，其工作原理为费力杠杆，因而需要的驱动力大，消耗功率大，尤其是杠杆支点处受力很大，一般都需要添加平衡重减轻电机负担，其零部件数量多，结构复杂，调整困难，机器人本体刚度差，无法实现高速运动，且容易发生故障。同时，一般的码垛机器人的腰部结构往往存在走线困难的问题，在机器人整体绕腰部旋转的时候，腰部电线的旋转幅度不可以很大。
发明内容
本发明提供了一种结构简单，控制方便，省力省功、机器人本体刚度好，腰部电线旋转幅度小的粮食搬运码垛机器人。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种串并联四自由度粮食生产线搬运码垛机器人，包括支架、臂部机构、焊接架、手腕机构、手抓和手腕水平保持机构。
所述支架，由支架腿、支架腿横梁、腰部基础板、旋转基础板、腰部伺服电机和谐波减速机组成；支架腿通过地脚螺栓固定在地面上，腰部基础板、支架腿横梁通过螺钉与支架腿连接，谐波减速机安装在腰部基础板上，腰部伺服电机通过谐波减速机与旋转基础板连接，腰部基础板和腰部旋转板上均安装线卡，限制腰部电线的旋转幅度。
所述臂部机构由小臂、前大臂、后大臂、小连杆、水平导轨、水平滚珠丝杠、水平电机架、水平伺服电机、水平减速机、水平连接板、水平移动板、水平架、大同步带轮、小同步带轮、竖直导轨、竖直滚珠丝杠、竖直电机架、竖直伺服电机、竖直减速机、竖直连接板、竖直移动板、竖直架、轴一到轴六组成；所述小臂、前大臂、后大臂、小连杆通过轴一到轴五连接，构成四连杆机构；所述水平电机架、竖直电机架通过螺钉安装在所述旋转基础板上，水平伺服电机安装在水平电机架上，水平伺服电机一端安装小同步带轮，并通过同步带与水平滚珠丝杠一端安装的大同步带轮相连，水平滚珠丝杠螺母与水平连接板、水平连接板与水平移动板、水平移动板与水平架通过内六角螺钉及定位销固定连接，水平移动板安装在水平导轨上；竖直伺服电机一端安装小同步带轮，并通过同步带与竖直滚珠丝杠一端安装的大同步带轮相连、竖直滚珠丝杠螺母与竖直连接板、竖直连接板与竖直移动板、竖直移动板与竖直架通过内六角螺钉及定位销固定连接，竖直移动板安装在竖直导轨上；所述轴一，一端通过螺钉另一端通过圆螺母固定连接在竖直架上，并且通过一组圆锥滚子轴承与后大臂构成一个转动副；所述轴二，两端分别通过螺钉固连在两个小连杆上，并且通过一组圆锥滚子轴承与后大臂构成一个转动副；所述轴三，通过螺钉固定连接在后大臂上，并且通过一组圆锥滚子轴承与小臂构成一个转动副；所述轴四，一端通过螺钉另一端通过圆螺母固定连接在水平架上，并且通过一组圆锥滚子轴承与前大臂构成一个转动副，通过一组滚针轴承与小连杆构成一个转动副；所述5轴，通过螺钉固定连接在三角板上，并且通过二组圆锥滚子轴承，分别与前大臂、小臂构成各一个转动副；所述轴六，通过螺钉固定连接在小臂上，并且通过一组圆锥滚子轴承与手腕构成一个转动副。
所述焊接架，由竖直导轨支撑、竖直丝杠座支撑、竖直连接方钢、竖直斜钢管、水平导轨支撑、水平丝杠座支撑、水平连接钢管、水平支撑腿、斜拉杆组成；所述竖直导轨支撑，其上设有导轨槽和安装孔，用于安装臂部机构的竖直导轨；所述竖直丝杠座支撑，其上设有安装孔，用于安装臂部机构的竖直丝杠两端的丝杠座；所述竖直连接方钢，其上设有螺纹孔和销孔，用于连接所述竖直导轨支撑和竖直丝杠座支撑；所述竖直斜钢管，与竖直丝杠座支撑通过焊接连接，构成刚度很高的“口”字型结构；所述水平导轨支撑，其上设有导轨槽和安装孔，用于安装臂部机构的竖直水平导轨；所述水平丝杠座支撑，其上设有安装孔，用于安装臂部机构的水平丝杠两端的丝杠座；所述水平连接钢管，两端分别与水平丝杠座支撑通过焊接连接；所述水平支架腿，与水平导轨支撑焊接连接；所述斜拉杆通过螺钉，连接竖直导轨支撑和水平导轨支撑，提高了焊接架整体的刚度；所述水平支架腿和竖直导轨支撑上设有螺纹孔，通过螺钉安装在所述旋转基础板上。焊接架上装有两组共六个传感器，分别检测水平丝杠螺母与竖直丝杠螺母的位置，两端为限位传感器，中间为原点传感器，保证码垛机器人的初始位姿和合理运动范围。
所述手腕机构连接在臂部和手腕水平保持机构上，包括手腕、手抓伺服电机、手抓减速机。
所述手抓连接在所述手腕下端，在所述手抓伺服电机的驱动下，所述手抓可绕所述手腕旋转±180°。所述手抓包括抓包直线气缸、压包直线气缸；所述抓包直线气缸完成抓包动作，所述压包气缸完成压包动作。
所述手腕水平保持机构包括短拉杆、三角板、杆端轴承、长拉杆、辅助轴；所述短拉杆两端通过杆端轴承和小轴连接在水平移动板和三角板上、所述长拉杆两端通过杆端轴承和辅助轴连接在三角板和手腕上；所述三角板通过内六角螺钉安装在轴五上。
本发明的码垛机器人具有四自由度的运动能力，能够在粮食生产线末端实现高速搬运和码垛，具有搬运效率高，运动平稳的特点，并且与传感技术相结合，实现自动判断是否进行抓包动作，是今后建立无人生产线重要组成部分。
附图说明
图1是本发明的机器人的轴视图。
图2是本发明的机器人支架机构的轴视图。
图3是本发明的机器人支架机构的主视图。
图4是本发明的机器人臂部机构的轴视图。
图5是本发明的机器人臂部机构的主视图。
图6是本发明的机器人焊接架的轴视图。
图7是本发明的机器人手抓机构的轴视图。
图8是本发明的机器人手抓机构的侧视图。
图9是本发明的机器人手腕水平保持机构的轴视图。
图中：I支架；II臂部机构；III焊接架；IV手腕水平保持机构；V手腕；VI手抓；1支架腿；2支架腿横梁；3腰部伺服电机；4腰部伺服电机；5谐波减速机；6旋转基础板；7小臂；8轴三；9后大臂；10轴五；11前大臂；12竖直导轨；13竖直滚珠丝杠；14轴二；15小连杆；16竖直移动板；17竖直架；18轴一；19竖直电机架；20水平伺服电机；21水平滚珠丝杠；22水平导轨；23轴四；246轴；25竖直连接板；26竖直大带轮；27竖直同步带；28水平电机架；29竖直伺服电机；30水平小带轮；31水平同步带；32水平大带轮；33水平连接板；34水平移动板；35水平架；36竖直丝杠座支撑；37竖直连接方钢；38竖直斜钢管；39竖直导轨支撑；40水平导轨支撑；41斜拉杆；42调整垫片；44水平支撑腿；43水平连接钢管；45水平丝杠座支撑；46手抓伺服电机；47手抓减速机；48手腕；49抓包直线气缸；50压包直线气缸；51三角板；52短拉杆；53杆端轴承；54辅助轴；55长拉杆。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的串并联四自由度粮食生产线搬运码垛机器人是由支架I、臂部机构II、焊接架III、手腕机构V、手抓VI和手腕水平保持机构IV组成，采用电控和气动系统驱动，实现机器人腰部转动、手腕在大小臂构成的平面内的二维平动，手抓绕手腕转动及抓包、压包运动。
如图2、3所示，支架I包括支架腿1、支架腿横梁2、腰部基础板4、旋转基础板6、腰部伺服电机3和谐波减速机5；腰部基础板4通过螺钉安装在支架腿1上，支架腿1之间通过支架腿横梁2连接，固定安装在腰部基础板4上的谐波减速机5由腰部伺服电机3驱动，将运动传递给旋转基础板6，腰部伺服电机3为与其连接的旋转基础板6提供了一个转动自由度。带动整个机器人旋转，
如图4、5所示，臂部结构II包括小臂7、前大臂11、后大臂9、小连杆15、水平导轨22、水平滚珠丝杠21、水平伺服电机20、水平大带轮32、水平小带轮30、水平带31、水平连接板33、水平移动板34、水平架35、竖直导轨12、竖直滚珠丝杠13、竖直伺服电机29、竖直大带轮26、竖直小带轮、竖直带27、竖直连接板25、竖直移动板16、竖直架17、轴一18、轴二14、轴三8、轴四23、5轴10、6轴24；后大臂9通过轴一18与竖直架17相连，竖直架17与竖直移动板16、竖直移动板16与竖直连接板25、竖直连接板25与竖直滚珠丝杠13的螺母通过螺钉连接，竖直驱动电机29下端部位安装竖直大带轮26，并通过竖直同步带27与竖直滚珠丝杠13下端的小同步带轮相连，带动竖直丝杠旋转，使轴一18做垂直运动；前大臂11通过轴四23与水平架35相连，水平架35与水平移动板34、水平移动板34与水平连接板33、水平连接板33与水平滚珠丝杠21的螺母通过螺钉连接，水平伺服电机20轴伸部位安装水平大带轮32，并通过水平同步带31与水平滚珠丝杠21右端的小同步带相连，带动水平滚珠丝杠21旋转，使轴四23做水平运动。小臂7、前大臂11、后大臂9、小连杆15通过轴二14、轴三8、轴四23、5轴10连接，构成平行四杆机构。
如图6所示，焊接架III包括竖直导轨支撑39、竖直丝杠座支撑36、竖直连接方钢37、竖直斜钢管38、水平导轨支撑40、水平丝杠座支撑45、水平连接钢管43、水平支撑腿44、斜拉杆41；竖直导轨支撑36、水平支撑腿44通过螺钉与旋转基础板6相连；竖直丝杠座支撑36与竖直连接方钢37、竖直连接方钢37与竖直导轨支撑39通过螺钉连接；竖直斜钢管38与竖直丝杠座支撑36通过焊接连接；水平导轨支撑40、水平丝杠座支撑45分别与水平支撑腿44通过焊接连接；水平连接钢管43与水平丝杠座支撑45通过焊接连接；斜拉杆41通过螺钉，连接竖直连接方钢37和水平导轨支撑40；水平丝杠座安装在水平丝杠座支撑45上，水平滚珠丝杠21水平丝杠座上；竖直丝杠座安装在竖直丝杠座支撑36上，竖直滚珠丝杠13安装在竖直丝杠座上；水平导轨22安装在水平导轨支撑40上，竖直导轨12安装在竖直导轨支撑39上。
如图7、图8所示，手腕机构V、手抓VI包括手腕48、手腕驱动电机46、手腕减速机47、抓包直线气缸49、压包直线气缸50；手腕48固定在小臂11前端，由手腕驱动电机46通过手腕减速机47将旋转运动传递给手抓，执行回转运动，由两个直线气缸49控制手抓的张合，实现米袋的抓取，由一个直线气缸50进行压包动作。
如图9所示，手腕水平保持机构IV包括三角板51，短拉杆52，杆端轴承53，辅助轴54，长拉杆55。三角板51与5轴10通过螺钉连接，短拉杆52通过杆端轴承53和辅助杆轴54，一端与水平架35连接，一端与三角板51连接；长拉杆55通过杆端轴承53和辅助杆轴54，一端与手腕48连接，一端与三角板51连接；通过一定的尺寸关系保证手腕水平。

Claims (1)

1.一种串并联四自由度码垛机器人，包括支架(I)、臂部机构(II)、焊接架(III)、手腕(V)、手抓(VI)和手腕水平保持机构(IV)；其特征在于：
支架(I)包括支架腿(1)、支架腿横梁(2)、腰部伺服电机(3)、谐波减速机(5)，腰部基础板(4)和旋转基础板(6)；腰部伺服电机(3)接收脉冲信号转动，通过谐波减速机(5)传递动力，带动旋转基础板(6)转动，使机械手旋转到预定位置；
臂部机构(II)包括小臂(7)、前大臂(11)、后大臂(9)、小连杆(15)、水平导轨(22)、水平滚珠丝杠(21)、水平伺服电机(20)、水平大带轮(32)、水平小带轮(30)、水平同步带(31)、水平连接板(33)、水平移动板(34)、水平架(35)、竖直导轨(12)、竖直滚珠丝杠(13)、竖直伺服电机(29)、竖直大带轮(26)、竖直小带轮、竖直同步带(27)、竖直连接板(25)、竖直移动板(16)、竖直架(17)、轴一(18)、轴二(14)、轴三(8)、轴四(23)、5轴(10)和6轴(24)；后大臂(9)通过轴一(18)与竖直架(17)相连，竖直架(17)与竖直移动板(16)、竖直移动板(16)与竖直连接板(25)、竖直伺服电机(29)与竖直丝杠(13)螺母通过螺钉连接，竖直驱动电机(29)下端部位安装竖直大带轮(26)，并通过竖直同步带(27)与竖直滚珠丝杠(13)下端的小同步带轮相连，带动竖直丝杠旋转，使轴一(18)做垂直运动；前大臂(11)通过轴四(23)与水平架(35)相连，水平架(35)与水平移动板(34)、水平移动板(34)与水平连接板(33)、水平连接板(33)与水平丝杠(21)螺母通过螺钉连接，水平伺服电机(20)轴伸部位安装水平大带轮(32)，并通过水平同步带(31)与水平滚珠丝杠(21)右端的小同步带相连，带动水平滚珠丝杠(21)旋转，使轴四(23)做水平运动；使轴四(23)做水平运动；小臂(7)、前大臂(11)、后大臂(9)、小连杆(15)通过轴二(14)、轴三(8)、轴四(23)、5轴(10)连接，构成平行四杆机构；轴一(18)一端通过螺钉另一端通过圆螺母固定连接在竖直架(17)上，并且通过一组圆锥滚子轴承与后大臂(9)构成一个转动副；轴二(14)两端分别通过螺钉固连在两个小连杆(15)上，并且通过一组圆锥滚子轴承与后大臂(9)一组构成一个转动副；轴三(8)通过螺钉固定连接在后大臂(9)上，并且通过一组圆锥滚子轴承与小臂(7)构成一个转动副；所述轴四(23)，一端通过螺钉另一端通过圆螺母固定连接在水平架(35)上，并且通过一组圆锥滚子轴承与前大臂(11)构成一个转动副，通过一组滚针轴承与小连杆(15)构成一个转动副；5轴(10)通过螺钉固定连接在三角板(51)上，并且通过2组圆锥滚子轴承，分别与前大臂(11)、小臂(7)构成各一个转动副；所述6轴(24)，通过螺钉固定连接在小臂(7)上，并且通过一组圆锥滚子轴承与手腕(48)构成一个转动副；所述前大臂(11)、后大臂(9)两端为封闭口字型钢结构，中间为管钢；所述小臂(7)为封闭口字型钢结构；
焊接架(III)包括竖直导轨支撑(39)、竖直丝杠座支撑(36)、竖直连接方钢(37)、竖直斜钢管(38)、水平导轨支撑(40)、水平丝杠座支撑(45)、水平连接钢管(43)、水平支撑腿(44)和斜拉杆(41)；竖直导轨支撑(36)、水平支撑腿(44)通过螺钉与旋转基础板(6)相连；竖直丝杠座支撑(36)与竖直连接方钢(37)、竖直连接方钢(37)与竖直导轨支撑(39)通过螺钉连接；竖直斜钢管(38)与竖直丝杠座支撑(36)通过焊接连接；水平导轨支撑(40)、水平丝杠座支撑(45)分别与水平支撑腿(44)通过焊接连接；水平连接钢管(43)与水平丝杠座支撑(45)通过焊接连接；斜拉杆(41)通过螺钉，连接竖直连接方钢(37)和水平导轨支撑(40)；水平丝杠座安装在水平丝杠座支撑(45)上，水平滚珠丝杠(21)水平丝杠座上；竖直丝杠座安装在竖直丝杠座支撑(36)上，竖直滚珠丝杠(13)安装在竖直丝杠座上；水平导轨(22)安装在水平导轨支撑(40)上，竖直导轨(12)安装在竖直导轨支撑(39)上；整个焊接架具有很高的刚度，稳定性很好；
手腕(V)包括手腕(48)、手腕驱动电机(46)和手腕减速机(47)；
手抓(VI)包括抓包直线气缸(49)和压包直线气缸(50)；抓包直线气缸(49)完成抓包动作，所述压包气缸(50)完成压包动作；
手腕水平保持机构(IV)包括短拉杆(52)、三角板(51)、杆端轴承(53)、长拉杆(55)和辅助轴(54)；所述短拉杆(42)两端通过杆端轴承(53)和辅助轴(54)接在水平架(35)和三角板(51)上、所述长拉杆(55)两端通过杆端轴承(53)和辅助轴(54)连接在三角板(51)和手腕(48)上；所述三角板(51)通过内六角螺钉安装在5轴(10)上。
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