CN105945928A - 一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人 - Google Patents

Abstract

一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构等。多单元连杆驱动机构在计算机控制下，实现了多台小功率电机驱动，大功率、高扭矩的动力输出，满足了装载机器人高负载作业动力要求。通过在动臂升降机构、铲斗控制机构中引入液压元件，实现了缸内压力相等，改善了装载机器人铲斗和动臂的两驱动链受力不均衡的问题，提高承载稳定性。该装载机器人不仅具有机械效率高、响应速度快、运动精度高、可控性好等特点，而且铲斗控制机构的平面并联设计，以及多单元连杆驱动机构和液压元件的引入大幅提高了其承载能力和抗振性能，并易实现过载保护功能，更适用于制造重型高负载装载机器人。

Description

一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人

技术领域

本发明涉及装载机领域，特别是一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人。

背景技术

装载机是一种广泛应用于农田、水利、能源、市政等施工领域，进行散装物料装卸的关键设备，对基础设施建设起到了重要的作用，但是传统液压式装载机存在着能耗高、噪音大、尾气排放严重、智能化水平低等缺点。可控机构是传统机构与电子技术结合的产物，近年来开展的“数控一代”装备创新工程，给传统工程机械技术升级带来了机遇，针对液压式装载机的缺点，将可控机构及机器人相关技术应用到装载机工作装置设计中，提出了一类可控机构式装载机，该类装载机构避免了液压系统的使用，它由多自由度连杆机构和多个可控电机组成，其输出运动由多台计算机编程控制的可控电机共同决定，铲斗的输出轨迹是一个多自变量的函数，可以轻易实现复杂柔性轨迹输出，因此可控装载机构属于施工机器人范畴。相比液压式装载机，可控装载机构具有智能化程度高、灵活度好、高传动效率等优点，对于推动装载机绿色化、智能化具有重要的意义。

但是，在对可控装载机构进行工程应用研究的过程中，发现了一系列未曾涉及的工程问题。首先，现有可控装载机构动臂升降支链和铲斗控制支链均采用主动杆—连杆—动臂的构型设计形式，因主动杆由可控电传动系统驱动，受制于可控电机成本高、输出功率小、扭矩低等问题，造成现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱等问题，难以满足装载机的动力要求，所以现有可控装载机构的构型设计形式仅适用于微小型装载机；其次，现有可控装载机构为平面并联机构，两主动杆在同时抬升动臂或者同时控制铲斗铲装作业时，由于制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成动臂两并联驱动支链和铲斗两并联控制支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响可控装载机构的使用寿命；另外，现有可控装载机构各构件一般采用转动副的连接形式，相比含移动副的液压式装载机的工作装置，缺少有效的过载保护及吸振手段。上述原因严重影响了可控装载机构的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，既具有现有可控装载机构智能化程度高、灵活度好、传动效率高等优点，同时解决现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱，动臂升降机构和铲斗控制机构稳定性差，缺乏有效的过载保护及吸振手段等工程问题，使该装载机器人具有较好的动力学性能及承载稳定性，同时具有较强的承载能力、抗振能力和过载保护性能。

本发明通过以下技术方案来达到上述目的：一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架。

所述多单元连杆驱动机构包括动臂多单元连杆驱动机构和铲斗多单元连杆驱动机构，所述动臂多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、机架、第一曲轴，所述第一驱动支链包括第一主动杆、第一连杆，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第三十一转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第二转动副与第一曲轴连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆、第二连杆，所述第二主动杆一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第三十二转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第四转动副与第一曲轴连接，所述第一曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接。所述铲斗多单元连杆驱动机构包括第三驱动支链、第四驱动支链、第二曲轴，所述第三驱动支链包括第三主动杆、第三连杆，所述第三主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第三十三转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第八转动副与第二曲轴连接，所述第四驱动支链包括第四主动杆、第四连杆，所述第四主动杆一端通过第九转动副与机架连接，另一端通过第三十四转动副与第四连杆一端连接，所述第四连杆另一端通过第十转动副与第二曲轴连接，所述第二曲轴通过第十一转动副、第十二转动副与机架连接。

所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第四主动杆均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过第一曲轴、第二曲轴输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题，通过该设计有效提高了该装载机器人的承载能力，另外，根据不同的动力需要，可以方便选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链进行驱动，使该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可满足大、中、小型装载机器人动力要求，特别适用于制造重型高负载装载机器人。

所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第十三转动副、第十四转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第五连杆、第一液压缸，所述第五连杆一端通过键或者其它连接方式与第一曲轴固定连接，另一端通过第十五转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第十六转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第六连杆、第二液压缸，所述第六连杆一端通过健或者其它连接方式与第一曲轴固定连接，另一端通过第十七转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十八转动副与动臂连接。

当该装载机器人实际作业时，动臂多单元连杆驱动机构通过曲轴为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，所述第一液压缸与第二液压缸的缸体通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。并且通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构两液压缸上引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。

所述铲斗控制机构包括铲斗、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗通过第十九转动副、第二十转动副与动臂连接，所述第一控制支链包括第七连杆、第三液压缸、第一摇臂、第一拉杆，所述第七连杆一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十一转动副与第三液压缸连接，所述第三液压缸通过第二十二转动副与第一摇臂一端连接，所述第一摇臂另一端通过第二十三转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第二十四转动副与第三液压缸连接，另一端通过第二十五转动副与铲斗连接，所述第二控制支链包括第八连杆、第四液压缸、第二摇臂、第二拉杆，所述第八连杆一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十六转动副与第四液压缸连接，所述第四液压缸通过第二十七转动副与第二摇臂一端连接，所述第二摇臂另一端通过第二十八转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十九转动副与第四液压缸连接，另一端通过第三十转动副与铲斗连接。

铲斗控制机构由铲斗多单元连杆驱动机构通过第二曲轴实现动力输入，并实现铲斗的翻转运动，铲斗多单元连杆驱动机构的引入提高了铲斗的崛起力及负载能力。为了提高铲装稳定性，改善动态性能，所述铲斗控制机构采用平面并联机构的设计形式，为了克服因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成两铲斗控制支链受力不均的问题，通过引入第三液压缸、第四液压缸，保证了铲斗控制机构第一、第二控制支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第三液压缸和第四液压缸并联，通过液压缸所含移动副的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两控制支链的受力平衡，改善了铲斗控制机构两控制支链受力不均的问题，提高装载机器人作业稳定性，延长了铲斗控制机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高铲斗控制机构的抗振能力，并且通过在第三液压缸或第四液压缸中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现铲斗控制机构的过载保护功能。

所述一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人在多单元连杆驱动机构的编程控制下，完成装载作业。在装载机器人铲装作业过程中，当执行机构承受的载荷在许用范围时，动臂升降机构和铲斗控制机构中的液压缸仅通过所含移动副微调的方式平衡第一、第二升降支链或第一、第二控制支链的受力，此时液压缸可视为一个不可伸缩的传力构件；若该装载机器人承受的载荷超过许用范围时，通过打开液压缸上的泄压阀，通过液压缸所含移动副的移动起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、可靠性，以及更高的负载能力和抗振能力，更适用于制造重型高负载装载机器人。

本发明突出优点在于：

1、该装载机器人采用全新的构型设计,在满足装载作业所需自由度和工作空间要求下，具有较好的运动学和动力学性能，动臂升降机构和铲斗控制机构通过采用平面并联设计，大幅提升了装载机器人的刚性。该装载机器人既具有可控机构式装载机能耗低、传动效率高、智能化程度高、可靠性好等特点，同时具备液压式装载机工作装置抗冲击性能好、过载保护性能强、举升稳定性好等特点。

2、该装载机器人执行机构采用计算机编程控制的电传动系统进行驱动，不仅具有较高的智能化水平，实现了作业数控化，而且提高了传动效率，降低了能耗，并无尾气排放。在该机器人的设计中，液压缸主要用途并非像现有液压式工程机械，用来驱动工作装置做功，而是通过微小移动调节偏载，并作为连杆传递动力，因而避免了液压系统传动效率低等问题，减少了液压元件的磨损问题，相比液压式工程机械具有更长的使用寿命以及更高的可靠性。

3、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更强的承载能力和适应性。铲斗控制机构和动臂升降机构通过引入多单元连杆驱动机构，大幅提高了该装载机器人的承载能力，特别适用于制造重型工程施工机器人；该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可根据不同的动力要求，选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链驱动，满足大、中、小型装载机器人动力要求。

4、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更好的动态性能和可靠性。液压缸等液压元件的引入不仅使该机器人具有了良好的抗振和缓冲性能，而且具有较好的过载保护功能。动臂升降机构和铲斗控制机构通过缸体并联，实现了偏载作用下动臂两升降支链和铲斗两控制支链的受力平衡，改善了各构件受力不均的问题，提高了动臂的举升稳定性和铲斗的铲掘稳定性，延长了各构件的使用寿命，提高了装载机器人的可靠性。

5、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更多的过载保护手段，通过在动臂升降机构、铲斗控制机构中液压缸上引入泄压阀等附属装置，较易实现装载机器人的过载保护性能。

附图说明

图1为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人执行机构示意图。

图2为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人机架示意图。

图3为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构示意图之一。

图4为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构示意图之二。

图5为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构曲轴示意图。

图6为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构示意图之一。

图7为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构示意图之二。

图8为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构曲轴示意图。

图9为本发明所述的动臂升降机构示意图。

图10为本发明所述的铲斗控制机构示意图。

图11为本发明所述的一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人平面视图。

图12为本发明所述的多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人工作示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1，本发明所述的一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架1。

对照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，所述多单元连杆驱动机构包括动臂多单元连杆驱动机构和铲斗多单元连杆驱动机构，所述动臂多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、机架1、第一曲轴7，所述第一驱动支链包括第一主动杆3、第一连杆5，所述第一主动杆3一端通过第一转动副2与机架1连接，另一端通过第三十一转动副4与第一连杆5一端连接，所述第一连杆5另一端通过第二转动副6与第一曲轴7连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆13、第二连杆11，所述第二主动杆13一端通过第三转动副14与机架1连接，另一端通过第三十二转动副12与第二连杆11一端连接，所述第二连杆11另一端通过第四转动副10与第一曲轴7连接，所述第一曲轴7通过第五转动副8、第六转动副9与机架1连接。所述铲斗多单元连杆驱动机构包括第三驱动支链、第四驱动支链、第二曲轴25，所述第三驱动支链包括第三主动杆16、第三连杆18，所述第三主动杆16一端通过第七转动副15与机架1连接，另一端通过第三十三转动副17与第三连杆18一端连接，所述第三连杆18另一端通过第八转动副19与第二曲轴25连接，所述第四驱动支链包括第四主动杆21、第四连杆23，所述第四主动杆21一端通过第九转动副20与机架1连接，另一端通过第三十四转动副22与第四连杆23一端连接，所述第四连杆23另一端通过第十转动副24与第二曲轴25连接，所述第二曲轴25通过第十一转动副26、第十二转动副27与机架1连接。

所述第一主动杆3、第二主动杆13、第三主动杆16、第四主动杆21均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过第一曲轴7、第二曲轴25输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题，通过该设计有效提高了该装载机器人的承载能力，另外，根据不同的动力需要，可以方便选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链进行驱动，使该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可满足大、中、小型装载机器人动力要求，特别适用于制造重型高负载装载机器人。

对照图1、图2、图9，所述动臂升降机构包括动臂32、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂32通过第十三转动副37、第十四转动副38与机架1连接，所述第一升降支链包括第五连杆28、第一液压缸30，所述第五连杆28一端通过键或者其它连接方式与第一曲轴7固定连接，另一端通过第十五转动副29与第一液压缸30一端连接，所述第一液压缸30另一端通过第十六转动副31与动臂32连接，所述第二升降支链包括第六连杆33、第二液压缸35，所述第六连杆33一端通过健或者其它连接方式与第一曲轴7固定连接，另一端通过第十七转动副34与第二液压缸35一端连接，所述第二液压缸35另一端通过第十八转动副36与动臂32连接。

当该装载机器人实际作业时，动臂多单元连杆驱动机构通过曲轴7为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，所述第一液压缸30与第二液压缸35的缸体通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂32两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。并且通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构两液压缸上引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。

对照图1、图2、图10，所述铲斗控制机构包括铲斗48、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗48通过第十九转动副58、第二十转动副59与动臂32连接，所述第一控制支链包括第七连杆39、第三液压缸41、第一摇臂43、第一拉杆46，所述第七连杆39一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴25固定连接，另一端通过第二十一转动副40与第三液压缸41连接，所述第三液压缸41通过第二十二转动副42与第一摇臂43一端连接，所述第一摇臂43另一端通过第二十三转动副44与动臂32连接，所述第一拉杆46一端通过第二十四转动副45与第三液压缸41连接，另一端通过第二十五转动副47与铲斗48连接，所述第二控制支链包括第八连杆49、第四液压缸51、第二摇臂53、第二拉杆56，所述第八连杆49一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴25固定连接，另一端通过第二十六转动副50与第四液压缸51连接，所述第四液压缸51通过第二十七转动副52与第二摇臂53一端连接，所述第二摇臂53另一端通过第二十八转动副54与动臂32连接，所述第二拉杆56一端通过第二十九转动副55与第四液压缸51连接，另一端通过第三十转动副57与铲斗48连接。

铲斗控制机构由铲斗多单元连杆驱动机构通过第二曲轴25实现动力输入，并实现铲斗48的翻转运动，铲斗多单元连杆驱动机构的引入提高了铲斗的崛起力及负载能力。为了提高铲装稳定性，改善动态性能，所述铲斗控制机构采用平面并联机构的设计形式，为了克服因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成两铲斗控制支链受力不均的问题，通过引入第三液压缸41、第四液压缸51，保证了铲斗控制机构第一、第二控制支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第三液压缸41和第四液压缸51并联，通过液压缸所含移动副的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两控制支链的受力平衡，改善了铲斗控制机构两控制支链受力不均的问题，提高装载机器人作业稳定性，延长了铲斗控制机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高铲斗控制机构的抗振能力，并且通过在第三液压缸41或第四液压缸51中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现铲斗控制机构的过载保护功能。

对照图1、图8、图11、图12，所述一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人在多单元连杆驱动机构的编程控制下，完成装载作业。在装载机器人铲装作业过程中，当执行机构承受的载荷在许用范围时，动臂升降机构和铲斗控制机构中的液压缸仅通过所含移动副微调的方式平衡第一、第二升降支链或第一、第二控制支链的受力，此时液压缸可视为一个不可伸缩的传力构件；若该装载机器人承受的载荷超过许用范围时，通过打开液压缸上的泄压阀，通过液压缸所含移动副的移动起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、可靠性，以及更高的负载能力和抗振能力，更适用于制造重型高负载装载机器人。

Claims (2)

1.一种多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架，其特征在于：

所述多单元连杆驱动机构包括动臂多单元连杆驱动机构和铲斗多单元连杆驱动机构，所述动臂多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、机架、第一曲轴，所述第一驱动支链包括第一主动杆、第一连杆，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第三十一转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第二转动副与第一曲轴连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆、第二连杆，所述第二主动杆一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第三十二转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第四转动副与第一曲轴连接，所述第一曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接,所述铲斗多单元连杆驱动机构包括第三驱动支链、第四驱动支链、第二曲轴，所述第三驱动支链包括第三主动杆、第三连杆，所述第三主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第三十三转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第八转动副与第二曲轴连接，所述第四驱动支链包括第四主动杆、第四连杆，所述第四主动杆一端通过第九转动副与机架连接，另一端通过第三十四转动副与第四连杆一端连接，所述第四连杆另一端通过第十转动副与第二曲轴连接，所述第二曲轴通过第十一转动副、第十二转动副与机架连接，

所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第十三转动副、第十四转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第五连杆、第一液压缸，所述第五连杆一端与第一曲轴固定连接，另一端通过第十五转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第十六转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第六连杆、第二液压缸，所述第六连杆一端与第一曲轴固定连接，另一端通过第十七转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十八转动副与动臂连接，

所述铲斗控制机构包括铲斗、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗通过第十九转动副、第二十转动副与动臂连接，所述第一控制支链包括第七连杆、第三液压缸、第一摇臂、第一拉杆，所述第七连杆一端与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十一转动副与第三液压缸连接，所述第三液压缸通过第二十二转动副与第一摇臂一端连接，所述第一摇臂另一端通过第二十三转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第二十四转动副与第三液压缸连接，另一端通过第二十五转动副与铲斗连接，所述第二控制支链包括第八连杆、第四液压缸、第二摇臂、第二拉杆，所述第八连杆一端与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十六转动副与第四液压缸连接，所述第四液压缸通过第二十七转动副与第二摇臂一端连接，所述第二摇臂另一端通过第二十八转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十九转动副与第四液压缸连接，另一端通过第三十转动副与铲斗连接。

2.根据权利要求1所述的多单元连杆驱动平面四活动度重型装载机器人，其特征在于：所述第一液压缸与第二液压缸并联，所述第三液压缸与第四液压缸并联，所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第四主动杆均由可控电机进行驱动。