CN104511896A - 一种自动化协同并联操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于自动化生产线的机器人技术领域，提供了一种自动化协同并联操作装置。包括：工控机（2）；与工控机（2）电连接的电控箱（1），电控箱（1）接收来自工控机（2）的控制信号；与电控箱（1）相连的三轴并联平台（4），三轴并联平台（4）呈对称布置，其运动状态分别受与其相连的电控箱（1）控制；与三轴并联平台（4）固定连接的操作机械手（5），三轴并联平台（4）运动带动操作机械手（5）运动；工控机（2）对电控箱（1）协同控制，对每一三轴并联平台（4）的运动状态进行协调，使各个操作机械手（5）之间协同动作。本发明实现了操作机械手的协同动作，可广泛应用于自动化装配生产线中。

Description

一种自动化协同并联操作装置

【技术领域】

本发明涉及应用于自动化生产线的机器人技术领域，特别是涉及一种自动化协同并联操作装置。

【背景技术】

在工厂自动化生产线中，机器人得到了广泛引用。由于其具有效率高、准确性好、稳定可靠等优点，机器人更加深入地推广到企业以及社会生活的其他方面已是大势所趋。越来越多的科研单位、研究院所等投入更大的人力、财力去研究各种先进的自动化操作装置，以不断适应新形势的需求。

并联机构具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等优点，已经被广泛应用于化妆品、食品和药品包装以及电子产品的装配等领域。在自动化生产线中，Delta机器人、六轴并行联杆机器人（简称六轴并联机器人）等都得到了广泛应用。Delta机器人是一种具有三个平动自由度的高速机器人，也是目前商业应用最成功的机器人之一，该并联机器人在一定的工作空间范围内，适应多种应用场合，例如：轻工业中的包装、装捡（pick-place）操作、医学手术等。六轴并联机器人克服了Delta机器人只能平动的缺点，增加了三个方向的转动自由度，成为六自由度并联操作机构，使其在装配领域以及复杂操作环境下作业得到了很好的应用。

国内外学者在并联机构的研究上做出了巨大贡献。Clavel博士于1985年第一次提出了Delta结构，由于其基座平台和运动平台都是呈三角形状而得名。运动学建模、正反解运算以及先进控制技术的研究都是相当长一段时间以来的研究热点，如何实现最优化是重要目标之一，目前Delta机构已经形成了成熟产品并广泛应用于各种场合。六轴并行联杆机器人是stewart平台的衍化结构，虽然在Delta机构的基础上增加了三个自由度，但是其仍然受到机械结构本身的限制而使得工作空间并不大，除了实现Delta机构的功能外，只能进行一些简单的装配操作。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。为了增加操作空间以及在复杂装配环境下进行操作作业，有必要设计一个并联协同操作机构，由同一个上位机统一控制，根据不同的任务要求，各操作机械手有不同的位姿，协同完成同一项任务。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种自动化协同并联操作装置，实现多个操作机械手的协同动作，能够对复杂系统进行自动化装配。

本发明采用如下技术方案：

一种自动化协同并联操作装置，包括：

一工控机（2）；

至少3个电控箱（1），所述电控箱（1）分别与工控机（2）电连接，接收来自工控机（2）的控制信号；

与所述电控箱（1）数量相同的三轴并联平台（4），每一三轴并联平台（4）与一电控箱（1）相连，所述三轴并联平台（4）呈对称布置，三轴并联平台（4）的运动状态分别受与其相连的电控箱（1）控制；

与所述电控箱（1）数量相同的操作机械手（5），每一操作机械手（5）与一三轴并联平台（4）固定连接，三轴并联平台（4）运动带动操作机械手（5）运动；

所述工控机（2）对至少3个电控箱（1）协同控制，对每一三轴并联平台（4）的运动状态进行协调，使各个操作机械手（5）之间协同动作。

进一步地，所述三轴并联平台（4）包括一动平台（12）和至少3个运动链，所述操作机械手（5）与动平台（12）固定连接；

所述至少3个运动链的运动状态受与三轴并联平台（4）相连的电控箱（1）控制，运动链运动带动动平台（12）以及操作机械手（5）运动。

进一步地，每一运动链均包括电机及减速器系统（6）以及依次转动连接的曲柄（7）、上销轴（8）、联杆（9）、下销轴（10）和回转支座（11）；

所述电机及减速器系统（6）受电控箱（1）控制；

曲柄（7）与电机及减速器系统（6）的输出轴相连；

上销轴（8）的一端与曲柄（7）转动连接，上销轴（8）的另一端与联杆（9）转动连接；

联杆（9）的与上销轴（8）连接的另一端与下销轴（10）转动连接；

下销轴（10）的两端穿装于回转支座（11）上，与回转支座（11）转动连接；

回转支座（11）与动平台（12）之间转动连接。

进一步地，曲柄（7）与上销轴（8）之间、上销轴（8）与联杆（9）之间、联杆（9）与下销轴（10）之间、下销轴（10）与回转支座（11）之间以及回转支座（11）与动平台（12）之间均仅设置一个回转副。

进一步地，所述运动链设置于动平台（12）的上端，操作机械手（5）设置于动平台（12）的下端。

进一步地，所述电机及减速器系统（6）受电控箱（1）控制输出一定的转角。

进一步地，所述自动化协同并联操作装置还包括一固定箱体（3）；所述电控箱（1）和工控机（2）设置于固定箱体（3）上端，三轴并联平台（4）设置于固定箱体（3）中，三轴并联平台（4）的一部分穿出固定箱体（3）的下端，操作机械手（5）设置于固定箱体（3）的下方。

进一步地，在所述固定箱体（3）的下端三轴并联平台（4）位置处开有与三轴并联平台（4）的数量相同的开口，联杆（9）的一部分通过所述开口穿出固定箱体（3）的下端。

进一步地，所述三轴并联平台（4）在固定箱体（3）中呈中心对称布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过工控机对多个电控箱的协同控制，实现多个三轴并联平台的协同动作，进而实现各三轴并联平台所携带的操作机械手的协同动作。能够对复杂系统进行自动化装配，可广泛应用于自动化装配生产线中，提高了生产率和产品质量。

【附图说明】

图1是本发明实施例自动化协同并联操作装置的外部结构示意图；

图2是本发明实施例自动化协同并联操作装置的内部传动机构图；

图3是图2中曲柄与联杆连接处的局部放大图；

图4是图2中联杆与回转支座连接处的局部放大图。

附图标记如下：

1、电控箱，       2、工控机，

3、固定箱体，     4、三轴并联平台，

5、操作机械手，   6、电机及减速器系统，

7、曲柄，         8、上销轴，

9、联杆，         10、下销轴，

11、回转支座，    12、动平台。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种自动化协同并联操作装置，包括：

一工控机；

至少3个电控箱，电控箱分别与工控机电连接，接收来自工控机的控制信号；

与电控箱数量相同的三轴并联平台，每一三轴并联平台与一电控箱相连，三轴并联平台呈对称布置，三轴并联平台的运动状态分别受与其相连的电控箱控制；

与电控箱数量相同的操作机械手，每一操作机械手与一三轴并联平台固定连接，三轴并联平台运动带动操作机械手运动；

工控机对至少3个电控箱协同控制，对每一三轴并联平台的运动状态进行协调，使各个操作机械手之间协同动作。

根据作业对象的复杂程度确定操作机械手数量，一般3个足以应对绝大多数场合，但其控制的难度随着数量的增加而增加，同时需要考虑必要性以及成本。因此，本实施例中选择3个操作机械手，下文将以3个电控箱、3个三轴并联平台和3个操作机械手为例进行说明。

如图1所示，本实施例中，该自动化协同并联操作装置包括工控机2、固定箱体3、3个相同的电控箱1、3个相同的三轴并联平台4和3个操作机械手5。电控箱1和工控机2设置于固定箱体3上端，三轴并联平台4设置于固定箱体3中，三轴并联平台4的一部分穿出固定箱体3的下端，操作机械手5设置于固定箱体3的下方。3个电控箱1分别与工控机2电连接，接收来自工控机2的控制信号；3个三轴并联平台4在固定箱体3中呈中心对称布置，其中，中心对称布置是三轴并联平台4的最佳布置方式，这样的布置具有各向同性。每一三轴并联平台4与一电控箱1相连，三轴并联平台4的运动状态分别受与其相连的电控箱1控制。每一操作机械手5与一三轴并联平台4固定连接，三轴并联平台4运动带动操作机械手5运动。

工控机2对电控箱1进行协同控制，对每一三轴并联平台4的运动状态进行协调，进而实现各动平台12所携带的各个操作机械手5之间协同动作。

如图2-图4所示，每一个三轴并联平台4均由动平台12和3个相同的运动链组成，操作机械手5与动平台12固定连接，运动链设置于动平台12的上端，操作机械手5设置于动平台12的下端。运动链的运动状态受电控箱1控制，运动链运动带动动平台12以及操作机械手5运动。

运动链又由电机及减速器系统6、曲柄7、上销轴8、联杆9、下销轴10和回转支座11组成。曲柄7、上销轴8、联杆9、下销轴10和回转支座11依次转动连接。电机及减速器系统6受电控箱1控制输出一定的转角，其输出轴与曲柄7相连，上销轴8的一端与曲柄7转动连接，另一端与联杆9转动连接；联杆9的与上销轴8连接的另一端与下销轴10转动连接；下销轴10的两端穿装于回转支座11上，与回转支座11转动连接；回转支座11与动平台12之间转动连接。曲柄7与上销轴8之间、上销轴8与联杆9之间、联杆9与下销轴10之间、下销轴10与回转支座11之间以及回转支座11与动平台12之间均仅设置一个回转副。其中，曲柄7、上销轴8和联杆9之间构成虎克副，联杆9不仅可以在曲柄7的转动平面内移动，还可以绕着上销轴8、在上销轴8的轴向平面内转动。

固定箱体3的下端在三轴并联平台4位置处开有3个开口，联杆9的一部分通过开口穿出固定箱体3的下端，从而可以在开口范围内活动。

整个装置的工作原理如下：

以对某一液压控制阀块的侧面凹槽装入O型垫圈为例，为了避免阀块在受到侧面的装配力时发生位移，需要对阀块进行夹持。与待装配面相反一侧的操作机械手5负责夹持。工控机2对相应的电控箱1发出指令，根据计算出的操作机械手5的目标位姿，电控箱1分别控制三个电机及减速器系统6，电机及减速器系统6输出相对应的转角，通过曲柄7、上销轴8、联杆9、下销轴10和回转支座11，共同作用于动平台12，使操作机械手5到达目标位姿。同理，待装配面一侧的操作机械手5负责装配，通过与上述相同的控制与传动过程，达到装配的目的。另外一操作机械手5可以负责其他辅助性操作。由此，完成了协同装配操作。

本发明实施例通过工控机对多个电控箱的协同控制，实现多个三轴并联平台的协同动作，进而实现各三轴并联平台所携带的操作机械手的协同动作。能够对复杂系统进行自动化装配，可广泛应用于自动化装配生产线中，提高了生产率和产品质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动化协同并联操作装置，其特征在于，包括：

一工控机（2）；

至少3个电控箱（1），所述电控箱（1）分别与工控机（2）电连接，接收来自工控机（2）的控制信号；

与所述电控箱（1）数量相同的三轴并联平台（4），每一三轴并联平台（4）与一电控箱（1）相连，所述三轴并联平台（4）呈对称布置，三轴并联平台（4）的运动状态分别受与其相连的电控箱（1）控制；

与所述电控箱（1）数量相同的操作机械手（5），每一操作机械手（5）与一三轴并联平台（4）固定连接，三轴并联平台（4）运动带动操作机械手（5）运动；

所述工控机（2）对至少3个电控箱（1）协同控制，对每一三轴并联平台（4）的运动状态进行协调，使各个操作机械手（5）之间协同动作。

2.如权利要求1所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，所述三轴并联平台（4）包括一动平台（12）和至少3个运动链，所述操作机械手（5）与动平台（12）固定连接；

所述至少3个运动链的运动状态受与三轴并联平台（4）相连的电控箱（1）控制，运动链运动带动动平台（12）以及操作机械手（5）运动。

3.如权利要求2所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，每一运动链均包括电机及减速器系统（6）以及依次转动连接的曲柄（7）、上销轴（8）、联杆（9）、下销轴（10）和回转支座（11）；

所述电机及减速器系统（6）受电控箱（1）控制；

曲柄（7）与电机及减速器系统（6）的输出轴相连；

上销轴（8）的一端与曲柄（7）转动连接，上销轴（8）的另一端与联杆（9）转动连接；

联杆（9）的与上销轴（8）连接的另一端与下销轴（10）转动连接；

下销轴（10）的两端穿装于回转支座（11）上，与回转支座（11）转动连接；

回转支座（11）与动平台（12）之间转动连接。

4.如权利要求3所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，曲柄（7）与上销轴（8）之间、上销轴（8）与联杆（9）之间、联杆（9）与下销轴（10）之间、下销轴（10）与回转支座（11）之间以及回转支座（11）与动平台（12）之间均仅设置一个回转副。

5.如权利要求2-4任一项所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，所述运动链设置于动平台（12）的上端，操作机械手（5）设置于动平台（12）的下端。

6.如权利要求3-4任一项所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，所述电机及减速器系统（6）受电控箱（1）控制输出一定的转角。

7.如权利要求1-4任一项所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，所述自动化协同并联操作装置还包括一固定箱体（3）；所述电控箱（1）和工控机（2）设置于固定箱体（3）上端，三轴并联平台（4）设置于固定箱体（3）中，三轴并联平台（4）的一部分穿出固定箱体（3）的下端，操作机械手（5）设置于固定箱体（3）的下方。

8.如权利要求7所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，在所述固定箱体（3）的下端三轴并联平台（4）位置处开有与三轴并联平台（4）的数量相同的开口，联杆（9）的一部分通过所述开口穿出固定箱体（3）的下端。

9.如权利要求7所述的自动化协同并联操作装置，其特征在于，所述三轴并联平台（4）在固定箱体（3）中呈中心对称布置。