CN106013287A - 一种多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人 - Google Patents

Abstract

一种多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构等。该装载机器人动臂升降机构和铲斗控制机构均采用多单元连杆驱动机构，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。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及多单元连杆驱动机构的引入大幅提高了其承载能力，特别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两自由度重型反铲装载机器人

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两自由度重型反铲装载机器人。

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，其中，承载能力差是制约可控装载机构工程应用的最突出的工程难题。由于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，造成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，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两自由度重型反铲装载机器人，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、负载能力弱等工程问题，使该装载机器人具有较强的承载能力，满足重型装载机器人动力要求。

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两自由度重型反铲装载机器人，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，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三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四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与第一曲轴连接，所述第一曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接。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九转动副与机架连接，另一端通过第十转转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第十一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十二转动副与机架连接，另一端通过第十三转动副与第四连杆一端连接，所述第四连杆另一端通过第十四转动副与第二曲轴连接，所述第二曲轴通过第十五转动副、第十六转动副与机架连接。

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。

所述动臂升降机构包括动臂、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆，所述动臂通过第十七转动副、第十八转动副与机架连接，所述第五连杆一端通过键或其它连接方式与第一曲轴固定链接，另一端通过第十九转动副与第六连杆一端连接，所述第六连杆另一端通过第二十转动副与动臂连接，所述第七连杆一端通过键或其它连接方式与第一曲轴固定连接，另一端通过第二十一转动副与第八连杆一端连接，所述第八连杆另一端通过第二十二转动副与动臂连接。

所述铲斗控制机构包括铲斗、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第十二连杆、第一摇臂、第二摇臂、第一拉杆、第二拉杆，所述铲斗通过第二十三转动副、第二十四转动副与动臂连接，所述第九连杆一端通过键或其它连接方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十五转动副与第十连杆一端连接，所述第十连杆另一端通过第二十六转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第二十七转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第三十四转动副与第一摇臂连接，另一端通过第二十八转动副与铲斗连接，所述第十一连杆一端通过键或者其它方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十九转动副与第十二连杆一端连接，所述第十二连杆另一端通过第三十转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第三十一转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第三十二转动副与第二摇臂连接，另一端通过第三十三转动副与铲斗连接。

该种多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人的动臂升降机构和铲斗控制机构通过采用平面并联设计，不仅大幅提高了该装载机器人的承载能力，而且大幅提升了装载机器人的刚性，使其具有较好的动力学性能。该装载机器人执行机构由安装在机架上的多单元连杆驱动机构提供动力，其运动作业由计算机编程控制。多单元连杆驱动机构的引入，可以将多条小功率驱动支链的动力合成后，通过曲轴进行大扭矩、高功率扭矩输出，大幅提高了其承载能力，因此该发明提供的技术方案特别适用于设计制造重型高负载装载机器人。

本发明突出优点在于：

1、在保证满足装载作业要求的前提下，该装载机器人采用由电传动系统驱动的连杆传动取代了传统装载机工作装置的液压传动系统，避免了液压系统机械效率低、可靠性差等问题，相比液压式装载机，该装载机器人具有低能耗、低噪音、无尾气排放等特点。另外，该装载机器人的动力系统采用了计算机编程控制的可控电传动系统，相比现有液压式工程机械，具有自动化和智能化程度高等优点，执行机构操纵控制简单，实现了数控化作业。

2、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。

3、动臂升降机构和铲斗控制机构通过采用平面并联设计，不仅大幅提高了该装载机器人的承载能力，而且大幅提升了装载机器人的刚性。使该装载机器人非常适用于制造重型装载机器人。

附图说明

图1为本发明所述的一种多单元连杆驱动两自由度重型反铲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两自由度重型反铲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两自由度重型反铲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两自由度重型反铲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两自由度重型反铲装载机器人，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，另一端通过第二转动副4与第一连杆5一端连接，所述第一连杆5另一端通过第三转动副6与第一曲轴7连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆11、第二连杆9，所述第二主动杆11一端通过第四转动副12与机架1连接，另一端通过第五转动副10与第二连杆9一端连接，所述第二连杆9另一端通过第六转动副8与第一曲轴7连接，所述第一曲轴7通过第七转动副13、第八转动副14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16一端通过第九转动副15与机架1连接，另一端通过第十转转动副17与第三连杆18一端连接，所述第三连杆18另一端通过第十一转动副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21一端通过第十二转动副20与机架1连接，另一端通过第十三转动副22与第四连杆23一端连接，所述第四连杆23另一端通过第十四转动副24与第二曲轴25连接，所述第二曲轴25通过第十五转动副26、第十六转动副27与机架1连接。

所述第一主动杆3、第二主动杆11、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。

对照图1、图2、图9，所述动臂升降机构包括动臂32、第五连杆28、第六连杆30、第七连杆57、第八连杆59，所述动臂32通过第十七转动副36、第十八转动副37与机架1连接，所述第五连杆28一端通过键或其它连接方式与第一曲轴7固定链接，另一端通过第十九转动副29与第六连杆30一端连接，所述第六连杆30另一端通过第二十转动副31与动臂32连接，所述第七连杆57一端通过键或其它连接方式与第一曲轴7固定连接，另一端通过第二十一转动副58与第八连杆59一端连接，所述第八连杆59另一端通过第二十二转动副35与动臂32连接。

对照图1、图2、图10，所述铲斗控制机构包括铲斗48、第九连杆40、第十连杆42、第十一连杆56、第十二连杆54、第一摇臂44、第二摇臂52、第一拉杆46、第二拉杆50，所述铲斗48通过第二十三转动副33、第二十四转动副34与动臂32连接，所述第九连杆40一端通过键或其它连接方式与第二曲轴25固定连接，另一端通过第二十五转动副41与第十连杆42一端连接，所述第十连杆42另一端通过第二十六转动副43与第一摇臂44连接，所述第一摇臂44通过第二十七转动副38与动臂32连接，所述第一拉杆46一端通过第三十四转动副45与第一摇臂44连接，另一端通过第二十八转动副47与铲斗48连接，所述第十一连杆56一端通过键或者其它方式与第二曲轴25固定连接，另一端通过第二十九转动副55与第十二连杆54一端连接，所述第十二连杆54另一端通过第三十转动副53与第二摇臂52连接，所述第二摇臂52通过第三十一转动副39与动臂32连接，所述第二拉杆50一端通过第三十二转动副51与第二摇臂52连接，另一端通过第三十三转动副49与铲斗48连接。

该种多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人的动臂升降机构和铲斗控制机构通过采用平面并联设计，不仅大幅提高了该装载机器人的承载能力，而且大幅提升了装载机器人的刚性，使其具有较好的动力学性能。该装载机器人执行机构由安装在机架上的多单元连杆驱动机构提供动力，其运动作业由计算机编程控制。多单元连杆驱动机构的引入，可以将多条小功率驱动支链的动力合成后，通过曲轴实现大扭矩、高功率扭矩输出，大幅提高了该机器人的承载能力，因此该发明提供的技术方案特别适用于设计制造重型高负载装载机器人。

Claims (2)

1.一种多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人，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，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三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四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与第一曲轴连接，所述第一曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接，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九转动副与机架连接，另一端通过第十转转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第十一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十二转动副与机架连接，另一端通过第十三转动副与第四连杆一端连接，所述第四连杆另一端通过第十四转动副与第二曲轴连接，所述第二曲轴通过第十五转动副、第十六转动副与机架连接，

所述动臂升降机构包括动臂、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆，所述动臂通过第十七转动副、第十八转动副与机架连接，所述第五连杆一端与第一曲轴固定链接，另一端通过第十九转动副与第六连杆一端连接，所述第六连杆另一端通过第二十转动副与动臂连接，所述第七连杆一端与第一曲轴固定连接，另一端通过第二十一转动副与第八连杆一端连接，所述第八连杆另一端通过第二十二转动副与动臂连接，

所述铲斗控制机构包括铲斗、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第十二连杆、第一摇臂、第二摇臂、第一拉杆、第二拉杆，所述铲斗通过第二十三转动副、第二十四转动副与动臂连接，所述第九连杆一端与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十五转动副与第十连杆一端连接，所述第十连杆另一端通过第二十六转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第二十七转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第三十四转动副与第一摇臂连接，另一端通过第二十八转动副与铲斗连接，所述第十一连杆一端与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十九转动副与第十二连杆一端连接，所述第十二连杆另一端通过第三十转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第三十一转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第三十二转动副与第二摇臂连接，另一端通过第三十三转动副与铲斗连接。

2.根据权利要求1所述的多单元连杆驱动两自由度重型反铲装载机器人，其特征在于：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。