CN105500333A - 基于移动机械臂的搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动机械臂的搬运机器人，涉及机器人领域，所述搬运机器人包括MACNUM轮、车体底座、回转平台和机械臂，其中：所述MACNUM轮设置在所述车体底座的下部，所述回转平台通过回转机构设置在所述车体底座的上部，所述机械臂设置在所述回转平台上，所述机械臂包括依次连接的第一臂、第二臂、第三臂、腕关节和机械抓手；并且所述机械臂上还设置有用于分别驱动所述第一臂、第二臂和第三臂运动的第一油缸、第二油缸和第三油缸，所述机械臂上在所述丝杠的端部设置有回转电机。本发明的搬运机器人将基于MACNUM轮的移动式车体与液压机械臂结合在一起，具有移动灵活、功率密度大、能源供给方便等优点。

Description

基于移动机械臂的搬运机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是指一种基于移动机械臂的搬运机器人。

背景技术

由于人体劳动力能力及劳动效率的限制，特别是自动化生产的发展，促进了机器人在工业生产中地位的不断提升，在搬运机械方面通常使用叉车或者智能搬运机器人，但是叉车通常只能搬运比较规整的物品，并且常规的叉车使用灵活性方面还是有所欠缺；而智能搬运机器人如常见的垛料机器人，此类机器人一般情况下都需要固定在某一固定位置，而且大都采用电机驱动，体积大且搬运时所承受的力相对较小。

目前大多数搬运机器人的机械臂关节驱动一般都采用电动机加减速机的方式，通常情况下这种机械臂不仅功率密度相对较低。同时电动机械臂应用在移动式机械臂上时，在持续能源供给方面会受到较大的限制。另外，在一些特殊环境中如核辐射环境下工作，电动式机械臂的使用寿命也会受到极大的影响。

移动式液压机械臂在工程中的应用技术已经十分成熟，但是目前的移动式液压机械臂大多都应用在挖土机、破拆机器人之中。而且移动液压机械臂的移动方式大都采用履带式车体移动，虽说现在的履带式车轮容易在路面条件差的情况下实现移动，但是履带式车轮的移动的灵活性还是有很大限制。如若基于移动式液压机械臂的搬运机器人的移动车体车轮采用履带式车轮，那它的移动的速度及灵活性将大大降低，从而极大的限制了搬运机器人的搬运效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种移动灵活、功率密度大、能源供给方便的基于移动机械臂的搬运机器人。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种基于移动机械臂的搬运机器人，包括MACNUM轮、车体底座、回转平台和机械臂，其中：

所述MACNUM轮设置在所述车体底座的下部，所述MACNUM轮采用四个回转液压马达分别驱动，液压马达安装于所述车体底座内，其运动由位于所述回转平台内的电液比例控制中心控制；

所述回转平台通过回转机构设置在所述车体底座的上部，所述回转机构的定座与所述车体底座固定连接，所述回转机构的回转轴与所述回转平台固定连接，所述回转机构的回转运动由采用PID动压反馈控制的液压马达来驱动的，该液压马达的运动也由位于所述回转平台内的电液比例控制中心控制；

所述机械臂设置在所述回转平台上，所述机械臂包括依次连接的第一臂、第二臂、第三臂、腕关节和机械抓手，所述回转平台与第一臂之间通过销轴连接，所述第一臂与第二臂之间也通过销轴连接，所述第二臂与第三臂之间通过滑轨插接连接，所述第三臂与腕关节之间通过滑轨连接且通过丝杠传动；并且所述机械臂上还设置有用于分别驱动所述第一臂、第二臂和第三臂运动的第一油缸、第二油缸和第三油缸，所述机械臂上在所述丝杠的端部设置有回转电机。

本发明具有以下有益效果：

本发明的搬运机器人将基于MACNUM轮的移动式车体与液压机械臂结合在一起，具有移动灵活、功率密度大、能源供给方便等优点，可用来搬运工厂中的废料或者是各种体积大小的产品，或者用来清理城市垃圾。在搬运物体时机器人可以实现前进、后退、左右平移、左前方与右前方移动。机械臂头部安装有能够旋转的搬运抓手，可实现抓取物品并将物品托起，抓取物品时可通过抓手上的回转关节的回转运动找到合适的抓取角度，能实现同时搬运多件物品的功能。

附图说明

图1为本发明的基于移动机械臂的搬运机器人的立体结构示意图；

图2为本发明中腕关节与第三臂的连接示意图；

图3为本发明中机械抓手与工具头安装底座的安装示意图；

图4为本发明中机械抓手的结构示意图，其中a为立体结构示意图，b为俯视结构示意图；

图5为本发明中机械抓手的工作示意图，其中a为抓起较小的物体，b为抓取体积较大或者圆柱形物体；

图6为本发明中车体底座的平移示意图，其中61表示直行前进、62表示向左平移、63表示向左前方移动、64表示原地右转；

图7为本发明中回转平台PID动压反馈控制的结构框图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于移动机械臂的搬运机器人，如图1所示，包括MACNUM轮2、车体底座1、回转平台3和机械臂，其中：

MACNUM轮2设置在车体底座1的下部，MACNUM轮2采用四个回转液压马达分别驱动，液压马达安装于车体底座1内，其运动由位于回转平台3内的电液比例控制中心(未示出)控制；

回转平台3通过回转机构(未示出)设置在车体底座1的上部，回转机构的定座与车体底座1固定连接，回转平台3的摆动角度可以为0-180°，回转机构的回转轴与回转平台3固定连接，回转机构的回转运动由采用PID动压反馈控制的液压马达来驱动的，该液压马达的运动也由位于回转平台3内的电液比例控制中心控制；

机械臂设置在回转平台3上，机械臂包括依次连接的第一臂8、第二臂9、第三臂13、腕关节15和机械抓手18，回转平台3与第一臂8之间通过销轴连接，第一臂8与第二臂9之间也通过销轴连接，第二臂9与第三臂13之间通过滑轨插接连接，第三臂13与腕关节15之间通过滑轨连接且通过丝杠传动，具体可以为滚珠丝杠；并且机械臂上还设置有用于分别驱动第一臂8、第二臂9和第三臂13运动的第一油缸7、第二油缸10和第三油缸12(该第三油缸12可以左右各设置一个)，机械臂上在丝杠的端部设置有回转电机14。

本发明的搬运机器人将基于MACNUM轮的移动式车体与液压机械臂结合在一起，具有移动灵活、功率密度大、能源供给方便等优点，可用来搬运工厂中的废料或者是各种体积大小的产品，或者用来清理城市垃圾。在搬运物体时机器人可以实现前进、后退、左右平移、左前方与右前方移动。机械臂头部安装有能够旋转的搬运抓手，可实现抓取物品并将物品托起，抓取物品时可通过抓手上的回转关节的回转运动找到合适的抓取角度，能实现同时搬运多件物品的功能。

本发明中，各油缸优选采用以下设置方式：

第一油缸7的底部与回转平台3铰接，第一油缸7的活塞杆顶部与第一臂8铰接，通过第一油缸7的伸缩来支撑第一臂8的摆动；第二油缸10的底部与第一臂8铰接，第二油缸10的活塞杆顶部与第二臂9铰接，通过第二油缸10的伸缩来实现第一臂8与第二臂9之间的相对转动；第三油缸12的底部与第二臂9铰接，第三油缸12的活塞杆顶部与第三臂13铰接，通过第三油缸12的伸缩推动第三臂13沿着第二臂9做伸缩运动，从而能调整工作臂的长度。第一油缸7、第二油缸10、第三油缸12可以通过电液比例控制中心进行控制。

为方便连接固定机械抓手18，优选的，腕关节15的末端通过螺栓固定有工具头安装底座17，机械抓手18采用燕尾槽安装接口连接在工具头安装底座17上。腕关节15与第三臂13之间通过丝杠传动，二者靠滑轨连接，回转电机14带动丝杠转动，从而带动腕关节15沿滑轨的方向做横向移动；腕关节15的上下摆动及工具头安装底座的360°回转都是靠电机驱动。

进一步的，第一臂8与第二臂9之间、第一臂8与回转平台3之间的回转关节内优选均安装有角位移传感器，腕关节15、工具头安装底座17的回转关节内也安装有角位移传感器，这些角位移传感器可以均通过外连的信号线将传感信号输送至电液比例控制中心。然后经电液比例控制中心处理后再将新的指令输送给各个执行机构。通过第一臂8与第二臂9的摆动，第三臂13的伸缩，腕关节15相对于第三臂13的横向移动与上下摆动以及工具头安装底座17的转动可以不断地改变机械抓手的位置与抓取方向。另外，此机器人可将机械抓手18抓取的物品堆放在车斗19内，一次完成多个物品的搬运。

为便于远程观察操作环境，回转平台3的上方可以安装有第一摄像机11，工具头安装底座17上可以安装有第二摄像机16。而且，回转平台3的内部还可以安装有柴油发动机、发电机、蓄电系统和车体配重，发电机由柴油发动机带动发电，可为整个系统持续供电；回转平台3的外部安装有站台4、操作台5和显示器6，操作台5上可安装有手动操控装置，可由随车工作人员随车操控机器人进行工作。在图1中，回转平台3后面部分为工作人员工作站台4，可容纳一名工作人员随车工作。显示器6优选与第一摄像机11及安装在工具头安装底座17上的第二摄像机16以有线或无线方式相连，随车工作人员可通过观察显示器6查看车体前方机车斗内物品的摆放情况。在特殊作业情况下须采用无线遥控作业时，可采用手持终端20对机器人进行遥控操作。另外，回转平台3的内部还可以安装有无线遥控装置，外部配备遥控手柄，以便在特殊环境下进行中短距离遥控操作。

图2为本发明中腕关节与第三臂的连接示意图。腕关节15与第三臂13之间通过滚珠丝杠131进行传动，腕关节15底座上的燕尾形滑块与第三臂13上的燕尾形导向槽卡在一起。当电机带动滚珠丝杠131转动时，通过滚珠丝杠131带动腕关节15及与腕关节15相连的部件沿着燕尾导向槽的方向移动，从而实现了工具头相对于机器人车身的横向移动。这样就可以使得机器人在搬运和摆放物品时实现横向位置的调整。

图3为本发明中机械抓手与工具头安装底座的安装示意图。机械抓手18上安装有燕尾形滑块，工具头安装底座17上有与燕尾形滑块相配合的燕尾槽。另外，在工具头安装底座17和机械抓手18上都有螺栓孔，安装时先将二者通过燕尾槽与尾形滑块的配合卡在一起，然后再通过螺栓50将二者固定在一起。

本发明中，如图4所示，优选的，机械抓手18包括抓手底座48、滑块支架46、抓杆412、主油缸49和翼油缸411，其中：

滑块支架46为两对共四个，每对滑块支架46分别位于抓手底座48的两侧，滑块支架46与抓手底座48之间通过矩形卡槽滑动连接；

主油缸49的一端固定在抓手底座48上，另一端通过连杆410分别连接两侧的两对滑动支架46，通过主油缸49的伸缩就可以带动左右滑块支架46平移；

抓杆412为两组多个，每组抓杆412的中上部分别通过定位销轴43、47连接在两侧的两对滑动支架46的末端之间；

每对滑动支架46的末端对应设置有弧形卡槽51，每组抓杆412的上端通过导向销轴42连接在弧形卡槽51之间；

翼油缸411为两个，分别布置在两侧滑块支架46的外侧，翼油缸411的一端固定在每侧滑块支架的近端处(可以各种方式固定，例如通过图中所示的T形连接件固定)，另一端套设在导向销轴42上；具体的，在图4中，导向销轴42穿过抓杆412和翼油缸411上的销孔将抓杆412和翼油缸411连接起来，导向销轴42两端卡在滑动支架46的弧形卡槽内，导向销轴42只能沿滑动支架46的弧形卡槽滑动，不能做轴向运动。

上述结构中，通过主油缸49的伸缩可以带动左右滑块支架46平移，通过翼油缸411的伸缩可以带动抓杆412绕定位销轴43、47转动，从而通过对主油缸49和翼油缸411的收缩控制使得机械抓手打开或闭合。上述结构设计合理，控制方便。由于两侧的抓杆412分别由两侧的翼油缸411来分别带动，所以可以通过对两侧翼油缸411的单独控制(不对称控制)使得左右的抓杆412处于非对称位置，再加之主油缸49带动左右滑块支架46平移，二者动作配合就可以保证更牢固地抓紧物品。另外有弧形卡槽51的存在会使得导向销轴42在运动时不会沿轴向晃动，机械爪手在完成打开与闭合动作时时更加稳定。导向销轴42轴端与弧形卡槽51之间采用大载荷的轴承连接，当导向销轴42在沿弧形卡槽51运动时，可以减少摩擦。

优选的，其中一侧的滑块支架46之间设置有横向油缸45，该侧的定位销轴43穿过滑动支架上的销孔，能够在滑块支架之间轴向滑动。具体的，如图4所示，横向油缸45底部与滑块支架46铰接。横向油缸45和连接块44只在机械抓手左侧安装，右侧没有。为配合横向油缸45的设置和使用，定位销轴43穿过滑动支架46头部的销孔，二者之间没有固定，定位销轴43可沿轴向滑动。连接块44用于实现横向油缸45的安装，连接块44的底部为螺纹孔，与定位销轴43头部通过螺纹连接，连接块44顶部与横向油缸45顶部铰接。

这样，当横向油缸45收缩时会带动定位销轴43移动，从而带动抓杆412沿导向销轴42改变位置(例如回到初始位置)，使得左右两侧抓杆412对齐，然后再通过对主油缸49和翼油缸411的收缩控制使得机械抓手闭合，这样就可以抓起较小的物体如图5中a)所示。当横向油缸45伸开时则会将左侧抓杆412推动，使得左右抓杆412相互错开，从而可通过对主油缸49和翼油缸411的收缩控制使得机械抓手交叉闭合，以抓取体积较大或者圆柱形物体，如图5中b)所示。本抓手的优点就在于能够随时轻松的抓取不同类型和大小的物体，而不用更换抓手，提高了搬运效率。

为了较好的实现横向油缸45对抓杆412的推动和定位，优选的，翼油缸411与导向销轴42在连接处通过挡圈固定，使得翼油缸411只能绕导向销轴42旋转而不能沿导向销轴42轴向滑动；抓杆412与定位销轴43、47在连接处也通过挡圈固定，使得抓杆412只能沿定位销轴43、47转动而不能相对滑动。

图6为本发明中车体底座1的部分运动示意图。整个车体的运动可分为直行前进61、直行后退、向左平移62、向右平移、向左前方移动63、向右前方移动、向左后方移动、向右后方移动、原地右转64及原地左转。下面在图示MACNUM轮安装方式的情况下对图中四种运动情况进行简要介绍：

当四个MACNUM轮均为顺时针转动时，车体保持直行前进61；当右后轮与左前轮为逆时针旋转，右前轮与左后轮为顺时针旋转时，整个车体向左平移62；当左后轮与右前轮顺时针转动，左前轮与右后轮停转时，车体向左前方运动63；当左前轮与左后轮顺时针转动，右前轮与右后轮逆时针转动时，车体在原地右转64。所述的麦克纳姆轮2可以采用四个回转液压马达驱动，回转液压马达由液压马达、制动阀、停车制动器组成。液压马达可以为斜盘式轴向柱塞马达，其作用是将油液的压力转变成回转运动的转矩。制动阀的作用是使车辆减速直至停车。停车制动器的作用是防止挖掘机在斜坡上停车时溜车、滑移。

图7所示为本发明中回转平台的PID动压反馈控制的结构框图。所述的PID是比例、积分、微分的简称，如图7所示，电压与外负载力矩为输入信号，当电压信号输入之后经过PID控制器和信号放大器后对控制回转液压马达的比例控制阀进行控制从而实现对液压马达的控制。同时外负载力矩的输入也会对液压马达转动的角度产生影响，这样经外负载力矩影响之后液压马达会输出一个回转角度，这个角度会经过安装在回转处的角位移传感器进行测量，然后将测量值反馈到PID控制器中。在PID控制过程中，受输入外负载力矩影响的角位移值会经过比例控制、积分控制、微分控制及滤波器处理后反馈回来重新对比例控制阀进行控制。经过PID控制的特别是有较大惯性或滞后的被控对象，其系统的动态特性会得到改善。目前PID控制可以说是最为方便有效的一种控制技术。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，包括MACNUM轮、车体底座、回转平台和机械臂，其中：

所述MACNUM轮设置在所述车体底座的下部，所述MACNUM轮采用四个回转液压马达分别驱动，液压马达安装于所述车体底座内，其运动由位于所述回转平台内的电液比例控制中心控制；

所述回转平台通过回转机构设置在所述车体底座的上部，所述回转机构的定座与所述车体底座固定连接，所述回转机构的回转轴与所述回转平台固定连接，所述回转机构的回转运动由采用PID动压反馈控制的液压马达来驱动的，该液压马达的运动也由位于所述回转平台内的电液比例控制中心控制；

所述机械臂设置在所述回转平台上，所述机械臂包括依次连接的第一臂、第二臂、第三臂、腕关节和机械抓手，所述回转平台与第一臂之间通过销轴连接，所述第一臂与第二臂之间也通过销轴连接，所述第二臂与第三臂之间通过滑轨插接连接，所述第三臂与腕关节之间通过滑轨连接且通过丝杠传动；并且所述机械臂上还设置有用于分别驱动所述第一臂、第二臂和第三臂运动的第一油缸、第二油缸和第三油缸，所述机械臂上在所述丝杠的端部设置有回转电机。

2.根据权利要求1所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述第一油缸的底部与回转平台铰接，所述第一油缸的活塞杆顶部与第一臂铰接，通过第一油缸的伸缩来支撑第一臂的摆动；

所述第二油缸的底部与第一臂铰接，所述第二油缸的活塞杆顶部与第二臂铰接，通过第二油缸的伸缩来实现第一臂与第二臂之间的相对转动；

所述第三油缸的底部与第二臂铰接，所述第三油缸的活塞杆顶部与第三臂铰接，通过第三油缸的伸缩推动第三臂沿着第二臂做伸缩运动，从而能调整工作臂的长度。

3.根据权利要求2所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述腕关节的末端通过螺栓固定有工具头安装底座，所述机械抓手采用燕尾槽安装接口连接在所述工具头安装底座上。

4.根据权利要求3所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述第一臂与第二臂之间、第一臂与回转平台之间的回转关节内均安装有角位移传感器，所述腕关节、工具头安装底座的回转关节内也安装有角位移传感器，这些角位移传感器均通过外连的信号线将传感信号输送至所述电液比例控制中心。

5.根据权利要求4所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述回转平台的上方安装有第一摄像机，所述工具头安装底座上安装有第二摄像机。

6.根据权利要求5所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述回转平台的内部安装有柴油发动机、发电机、蓄电系统和车体配重，所述发电机由柴油发动机带动发电；所述回转平台的外部安装有站台、操作台和显示器，所述操作台上安装有手动操控装置。

7.根据权利要求6所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述回转平台的内部还安装有无线遥控装置，外部配备遥控手柄。

8.根据权利要求1-7中任一所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述机械抓手包括抓手底座、滑块支架、抓杆、主油缸和翼油缸，其中：

所述滑块支架为两对四个，每对滑块支架分别位于所述抓手底座的两侧，所述滑块支架与抓手底座之间通过矩形卡槽滑动连接；

所述主油缸的一端固定在所述抓手底座上，另一端通过连杆分别连接两侧的两对滑动支架；

所述抓杆为两组多个，每组抓杆的中上部分别通过定位销轴连接在两侧的两对滑动支架的末端之间；

每对滑动支架的末端对应设置有弧形卡槽，每组抓杆的上端通过导向销轴连接在所述弧形卡槽之间；

所述翼油缸为两个，分别布置在两侧滑块支架的外侧，所述翼油缸的一端固定在每侧滑块支架的近端处，另一端套设在所述导向销轴上。

9.根据权利要求8所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，其中一侧的滑块支架之间设置有横向油缸，该侧的定位销轴穿过滑动支架上的销孔，能够在滑块支架之间轴向滑动。

10.根据权利要求9所述的基于移动机械臂的搬运机器人，其特征在于，所述翼油缸与导向销轴在连接处通过挡圈固定，使得翼油缸只能绕导向销轴旋转而不能沿导向销轴轴向滑动；所述抓杆与定位销轴在连接处也通过挡圈固定，使得抓杆只能沿定位销轴转动而不能相对滑动。