CN105269553B - 一种重载搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化装备领域中的机器人，具体地说是一种重载搬运机器人，设有蜗轮的本体安装在基座上，左、右臂分别通过平行四边形机构与本体相连，每个平行四边形机构的一侧与本体转动连接，另一侧与左臂或右臂的一端铰接，每个平行四边形机构上均安装有与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆通过蜗杆电机驱动；每个平行四边形机构上均设有驱动左臂或右臂升降的缸；左、右臂的另一端分别与末端执行器垂向旋转驱动电机转动连接，末端执行器垂向旋转驱动电机的输出端设有末端执行器腕关节驱动电机，末端执行器腕关节驱动电机的输出端连接有末端执行器。本发明具有并联机器人定位精度好、刚度高的优点；同时具有串联机器人结构简单、占用空间小等优点。

Description

一种重载搬运机器人

技术领域

本发明涉及自动化装备领域中的机器人，具体地说是一种重载搬运机器人。

背景技术

搬运机器人是代替人完成搬运作业的一种工业机器人，在冶金、汽车制造、物流码垛等许多行业已有许多应用的案例。随着工业水平的发展，各行各业的用户对搬运机器人的需求越来越广泛、性能要求越来越高。

一般来讲，搬运机器人根据结构形式不同可分为串联式和并联式两大类。串联式因具有结构简单、工作范围(负荷及几何空间)大、占用空间小等优点，而获得广泛应用；并联式由于具有动作频率快、定位精度高、刚度高等优点，也越来越受到人们的关注。但串联式搬运机器人刚度低，并联式搬运机器人工作空间小且控制难度大。

发明内容

为了解决串联式搬运机器人刚度低、并联式搬运机器人工作空间小且控制难度大的问题，本发明的目的在于提供一种重载搬运机器人。该重载搬运机器人采用蜗轮蜗杆传动、结合双平行四边形封闭机构，在较小的空间使机器人具备了更高的刚度，更适应于重载作业。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括基座、左臂、蜗轮、本体、蜗杆、平行四边形机构、右臂、末端执行器垂向旋转驱动电机、末端执行器腕关节驱动电机、末端执行器及缸，其中设有蜗轮的本体安装在基座上，所述左臂及右臂分别通过平行四边形机构与本体相连，每个平行四边形机构的一侧与本体转动连接，另一侧与左臂或右臂的一端铰接，每个所述平行四边形机构上均安装有与所述蜗轮啮合的蜗杆，所述蜗杆通过蜗杆电机驱动，通过蜗杆与蜗轮的啮合实现左臂及右臂同步或分别绕所述本体转动；每个所述平行四边形机构上均设有驱动左臂或右臂升降的缸；所述左臂及右臂的另一端分别与末端执行器垂向旋转驱动电机转动连接，该末端执行器垂向旋转驱动电机的输出端设有末端执行器腕关节驱动电机，所述末端执行器腕关节驱动电机的输出端连接有末端执行器。

其中：所述平行四边形机构的任一条边通过第一套筒与本体转动连接，且该边上安装有与所述蜗轮相啮合的蜗杆，与所述边相对的另一条边和左臂或右臂的一端铰接；与所述左臂相连的平行四边形机构上的第一套筒及与所述右臂相连的平行四边形机构上的第一套筒分别沿轴向位于所述蜗轮的上下两侧；

所述缸及其作为输出端的拉杆分别铰接于平行四边形机构任一对角线的两端；

所述左臂及右臂的另一端分别设有第二套筒，该左臂及右臂分别通过各自的第二套筒与所述末端执行器垂向旋转驱动电机转动连接；所述左臂上的第二套筒与右臂上的第二套筒沿末端执行器垂向旋转驱动电机的轴向上下设置；

所述重载搬运机器人具有四个自由度，分别为所述左臂及右臂绕本体轴向中心线转动自由度、左臂及右臂分别上下运动的自由度、末端执行器在末端执行器垂向旋转驱动电机驱动下绕垂直方向的旋转自由度以及末端执行器在末端执行器腕关节驱动电机驱动下绕腕关节的旋转自由度。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用双臂并联方式，左、右臂分别通过平行四边形机构与本体连接，具有并联机器人定位精度好、刚度高的优点；同时，与双臂连接的平行四边形机构通过蜗杆啮合到本体上的蜗轮，大大简化了双臂的驱动结构，具有串联机器人结构简单、占用空间小等优点。

2.本发明的平行四边形机构使得末端关节运动更加平衡，负载能力更强，从而能够承担较重的负载。

3.本发明左、右臂绕本体中心的旋转由分别安装于平行四边形机构上的蜗杆和安装于本体上的蜗轮来实现，而蜗杆由蜗杆电机来驱动，两蜗杆同时与同一蜗轮啮合，此设计结构取代了以往多数机器人使用昂贵的伺服电机来驱动机械臂的方案，更有利于机器人的广泛应用；末端执行器部分的两个旋转自由度分别由末端执行器垂向旋转驱动电机及末端执行器腕关节驱动电机驱动，此处设计使得末端执行器更加灵活，更方便工件的抓取。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图之一；

图2为本发明的立体结构示意图之二；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明左(右)臂的平行四边形机构的结构示意图；

其中：1为基座，2为左臂，3为蜗轮，4为本体，5为蜗杆，6为平行四边形机构，7为拉杆，8为右臂，9为末端执行器垂向旋转驱动电机，10为末端执行器腕关节驱动电机，11为末端执行器，12为缸，13为第一套筒，14为蜗杆电机，15为第二套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明包括基座1、左臂2、蜗轮3、本体4、蜗杆5、平行四边形机构6、右臂8、末端执行器垂向旋转驱动电机9、末端执行器腕关节驱动电机10、末端执行器11及缸12，其中本体4固定在基座1上，在本体4上固接有蜗轮3。

左臂2与右臂8形状结构完全相同、对称设置，分别通过平行四边形机构6与本体4相连。平行四边形机构6其中的任一条边(第一边)固接有第一套筒13，该第一套筒13套设在本体4上、并通过轴承与本体4转动连接；且在该边上转动安装有与蜗轮3相啮合的蜗杆5，蜗杆5通过固定在该边上的蜗杆电机14驱动旋转。与该边相对的另一条边(第二边)和左臂2或右臂8的一端铰接，左臂2或右臂8的另一端分别固接有第二套筒15，该左臂2或右臂8分别通过各自的第二套筒15与末端执行器垂向旋转驱动电机9转动连接。与左臂2相连的平行四边形机构6上的第一套筒13及与右臂8相连的平行四边形机构6上的第一套筒13分别沿本体4的轴向位于蜗轮3的上下两侧，左臂2上的第二套筒15与右臂8上的第二套筒15沿末端执行器垂向旋转驱动电机9的轴向上下设置。

每个平行四边形机构6上均设有缸12，该缸12及其作为输出端的拉杆7分别铰接于平行四边形机构6任一对角线的两端。本实施例的缸12可为气缸或液压缸。

末端执行器垂向旋转驱动电机9的输出端设有末端执行器腕关节驱动电机10，末端执行器腕关节驱动电机10的输出端连接有末端执行器11。

本发明的重载搬运机器人具有四个自由度，分别为左臂2及右臂8通过相啮合的蜗轮3与蜗杆5的作用下绕本体4轴向中心线转动自由度、左臂2及右臂8在缸12的作用下分别上下运动的自由度、末端执行器11在末端执行器垂向旋转驱动电机9驱动下绕垂直方向的旋转自由度以及末端执行器11在末端执行器腕关节驱动电机10驱动下绕腕关节的旋转自由度。

本发明的工作原理为：

首先由系统计算并给出待夹取目标在系统坐标系中的坐标，然后，左臂2和右臂8便可分别绕本体4旋转设定角度α，左、右臂2、8的转动是通过蜗杆电机14带动分别固定于左、右臂2、8上的两个蜗杆5转动，蜗杆5与本体4上的蜗轮3啮合来实现的；即，蜗杆电机14驱动蜗杆5旋转，因蜗轮3固定在本体4上，而蜗杆5是由蜗杆电机14驱动旋转的，通过蜗轮3给蜗杆5的反作用力，使平行四边形机构6及与其相连的左臂2或右臂8分别绕本体4旋转设定角度α。两个蜗杆电机14可同步同向工作，这样左臂2及右臂8即同步同向绕本体4旋转；两个蜗杆电机14也可同步反向工作，这样左臂2与右臂8即同步反向绕本体4旋转，同时左臂2与右臂8分别绕与平行四边形机构6铰接的铰轴转动，实现左臂2与右臂8伸缩；两个蜗杆电机14也可不同步工作，或一个工作、另一个停止工作。达到角α后，再通过分别与左臂2和右臂8连接的平行四边形机构6上的两个缸12驱动拉杆7伸缩，来驱动左、右臂2、8作空间直线的运动(上下升降运动)，使其在空间上产生一个位移d，这样α和d就可以覆盖以机器人的本体4某位置为中心的一个空心球形区域，这个区域就是搬运机器人的工作区间，亦即机械手能够到达的区域。夹爪安装在末端执行器11上，夹爪的开合可以是气动或液压，末端执行器11可以由末端执行器腕关节驱动电机10绕腕关节旋转；为使夹爪能够以正确姿态夹取到目标，末端执行器11还可以在末端执行器垂向旋转驱动电机9的带动下绕垂直方向旋转，这样即通过简单的机构和驱动装置，实现了双臂夹取目标的任务，定位准确，刚度高。目标被夹取后，即可通过控制各驱动电机和左、右臂2、8上的拉杆7，使被夹取目标随两臂一起运动到目标位置，并摆好位姿，即可将被夹取物放置到目标位置，松开夹爪，退回原位，至此，即完成了整个搬运过程。

当在末端执行器11位置安装刀具(安装刀具以铣刀为例)后，本发明的搬运机器人可以作为一台自动加工机使用用于零件加工，其执行过程为：工作台位于搬运机器人附近的设定位置，系统以搬运机器人与工作台建立系统坐标系。手动将工件安装在对应夹具上，夹具安装在位置已知的工作台上，对搬运机器人进行对刀、初始化搬运机器人位姿，然后通过计算机图形处理软件(现有技术)，将处理过的图形数据以传动参数的形式分别传送给搬运机器人的四个电机(两个蜗杆电机14、末端执行器垂向旋转驱动电机9、末端执行器腕关节驱动电机10)和两个用于驱动平行四边形机构6的拉杆7，并将切削参数传递给铣刀对应的驱动电机，这样就可以使铣刀可以在加工机控制系统(现有技术)控制下以设定的速度、角度沿工件表面作指定曲线运动，从而实现对工件的铣削加工。与单臂机器人相比，双臂机器人能够靠自身良好的刚度，在加工中更有效地抵抗因加工阻力带来的振动干扰，保证加工质量。

当在末端执行器11位置安装一把焊枪时，本发明的搬运机器人可以作为一台自动焊接设备使用，可以应用于汽车、轮船等制造行业，代替手动焊接，其执行过程与以上两种应用相似。

Claims (7)

1.一种重载搬运机器人，其特征在于：包括基座(1)、左臂(2)、蜗轮(3)、本体(4)、蜗杆(5)、平行四边形机构(6)、右臂(8)、末端执行器垂向旋转驱动电机(9)、末端执行器腕关节驱动电机(10)、末端执行器(11)及缸(12)，其中设有蜗轮(3)的本体(4)安装在基座(1)上，所述左臂(2)及右臂(8)分别通过平行四边形机构(6)与本体(4)相连，每个平行四边形机构(6)的一侧与本体(4)转动连接，另一侧与左臂(2)或右臂(8)的一端铰接，每个所述平行四边形机构(6)上均安装有与所述蜗轮(3)啮合的蜗杆(5)，所述蜗杆(5)通过蜗杆电机(14)驱动，通过蜗杆(5)与蜗轮(3)的啮合实现左臂(2)及右臂(8)同步或分别绕所述本体(4)转动；每个所述平行四边形机构(6)上均设有驱动左臂(2)或右臂(8)升降的缸(12)；所述左臂(2)及右臂(8)的另一端分别与末端执行器垂向旋转驱动电机(9)转动连接，该末端执行器垂向旋转驱动电机(9)的输出端设有末端执行器腕关节驱动电机(10)，所述末端执行器腕关节驱动电机(10)的输出端连接有末端执行器(11)。

2.按权利要求1所述的重载搬运机器人，其特征在于：所述平行四边形机构(6)的任一条边通过第一套筒(13)与本体(4)转动连接，且该边上安装有与所述蜗轮(3)相啮合的蜗杆(5)，与所述边相对的另一条边和左臂(2)或右臂(8)的一端铰接。

3.按权利要求2所述的重载搬运机器人，其特征在于：与所述左臂(2)相连的平行四边形机构(6)上的第一套筒(13)及与所述右臂(8)相连的平行四边形机构(6)上的第一套筒(13)分别沿轴向位于所述蜗轮(3)的上下两侧。

4.按权利要求1或2所述的重载搬运机器人，其特征在于：所述缸(12)及其作为输出端的拉杆(7)分别铰接于平行四边形机构(6)任一对角线的两端。

5.按权利要求1所述的重载搬运机器人，其特征在于：所述左臂(2)及右臂(8)的另一端分别设有第二套筒(15)，该左臂(2)及右臂(8)分别通过各自的第二套筒(15)与所述末端执行器垂向旋转驱动电机(9)转动连接。

6.按权利要求5所述的重载搬运机器人，其特征在于：所述左臂(2)上的第二套筒(15)与右臂(8)上的第二套筒(15)沿末端执行器垂向旋转驱动电机(9)的轴向上下设置。

7.按权利要求1所述的重载搬运机器人，其特征在于：所述重载搬运机器人具有四个自由度，分别为所述左臂(2)及右臂(8)绕本体(4)轴向中心线转动自由度、左臂(2)及右臂(8)分别上下运动的自由度、末端执行器(11)在末端执行器垂向旋转驱动电机(9)驱动下绕垂直方向的旋转自由度以及末端执行器(11)在末端执行器腕关节驱动电机(10)驱动下绕腕关节的旋转自由度。