CN106120887A - 一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人 - Google Patents

Abstract

一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人，包括多单元直线驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构等。多单元直线驱动机构由多组直线驱动器驱动，通过曲轴实现大功率、高扭矩的动力输出，满足执行机构动力需求。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，提高了承载稳定性。该装载机器人不仅具有传动效率高、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直线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，特别适用于制造重型高负载装载机器人。

Description

一种多单元直线驱动十六杆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，特别是一种多单元直线驱动十六杆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直线驱动十六杆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，以及动臂升降机构、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：一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人，包括多单元直线驱动机构、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第一直线驱动器、第二直线驱动器、机架、曲轴，所述第一直线驱动器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曲轴连接，所述第二直线驱动器一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第四转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接。所述第一直线驱动器、第二直线驱动器均为伺服电动缸，所述多单元直线驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多台小功率直线驱动器的动力合成后，通过曲轴实现大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机成本高、功率小、驱动扭矩低等问题，提高了该装载机器人的承载能力。另外，该多单元直线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直线驱动器驱动，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、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第七转动副、第八转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第一连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第一连杆一端通过键或者其它连接方式与曲轴固定连接，另一端通过第九转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，所述第一活塞杆另一端通过第十转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第二连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第二连杆一端通过健或者其它连接方式与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第十二转动副与动臂连接。在实际工程应用中，所述第一缸体、第一移动副、第一活塞杆可用一液压缸取代，所述第二缸体、第二移动副与第二活塞杆可用另一液压缸取代，在装载机器人作业过程中，多单元直线驱动机构通过曲轴为动臂升降机构提供动力。

由于可控装载机构由于动臂升降机构为平面并联机构，因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成动臂两并联驱动支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响执行机构的使用寿命。所述多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人通过引入第一移动副、第二移动副，保证了动臂升降机构第一、第二动臂升降支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第一缸体与第二缸体并联，通过第一移动副、第二移动副的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两动臂升降支链的受力平衡，改善了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。另外，液压元件的引入有效提高动臂升降机构的抗振能力，并且通过在第一缸体或第二缸体中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，所述铲斗通过第十三转动副、第十四转动副与动臂连接，所述第一控制支链包括第一主动杆、第三缸体、第三活塞杆、第一摇臂、第一拉杆，所述第一主动杆一端通过第十五转动副与机架连接，另一端通过第十六转动副与第三缸体连接，所述第三缸体通过第三移动副与第三活塞杆连接，所述第三活塞杆通过第十七转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第十八转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十九转动副与第一摇臂连接，另一端通过第二十转动副与铲斗连接，所述第二控制支链包括第二主动杆、第四缸体、第四活塞杆、第二摇臂、第二拉杆，所述第二主动杆一端通过第二十一转动副与机架连接，另一端通过第二十二转动副与第四缸体连接，所述第四缸体通过第四移动副与第四活塞杆连接，所述第四活塞杆通过第二十三转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第二十四转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十五转动副与第二摇臂连接，另一端通过第二十六转动副与铲斗连接。所述第一主动杆、第二主动杆由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，铲斗在两主动杆的带动下实现翻转运动。

一方面为了提高铲装稳定性，改善动态性能，另一方面为了提高该装载机器人的负载能力，所述铲斗控制机构采用平面并联机构的设计形式，为了避免因为制造、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，通过引入第三移动副、第四移动副，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缸体与第四缸体并联，通过第三移动副、第四移动副的自动调节，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，并且通过在第三缸体或第四缸体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。

所述一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人在各电传动系统可控电机的编程控制下，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移动副仅通过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，此时由各支链中缸体、移动副、活塞杆构成的杆组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，通过打开缸体上的泄压阀，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元直线驱动十六杆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，本发明所述的技术方案特别适用于设计制造大吨位的重型装载机器人。

本发明突出优点在于：

1、在保证满足装载机性能要求的前提下，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，大幅降低了能耗。另外，该装载机器人的动力系统由于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，不仅噪音低、无尾气排放，而且自动化和智能化程度高。

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。铲斗控制机构采用的平面并联机构设计形式和动臂升降机构多单元直线驱动机构的引入，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；该多单元直线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直线驱动器驱动，满足大、中、小型装载机器人动力要求。

3、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。通过在动臂升降机构和铲斗控制机构引入液压元件，使装载机器人获得了较佳的抗振性能和承载稳定性。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。另外，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。

4、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直线驱动十六杆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直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人机架示意图。

图3为本发明所述的多单元直线驱动机构示意图之一。

图4为本发明所述的多单元直线驱动机构示意图之二。

图5为本发明所述的多单元直线驱动机构曲轴示意图。

图6为本发明所述的动臂升降机构示意图。

图7为本发明所述的铲斗控制机构示意图。

图8为本发明所述的一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人平面视图。

图9为本发明所述的多单元直线驱动十六杆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直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人，包括多单元直线驱动机构、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，所述多单元连杆驱动机构包括第一直线驱动器2、第二直线驱动器8、机架1、曲轴7，所述第一直线驱动器2一端通过第一转动副10与机架1连接，另一端通过第二转动副5与曲轴7连接，所述第二直线驱动器8一端通过第三转动副9与机架1连接，另一端通过第四转动副6与曲轴7连接，所述曲轴7通过第五转动副11、第六转动副12与机架1连接。所述第一直线驱动器2、第二直线驱动器8均为伺服电动缸，所述多单元直线驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多台小功率直线驱动器的动力合成后，通过曲轴7实现大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机成本高、功率小、驱动扭矩低等问题，提高了该装载机器人的承载能力。另外，该多单元直线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直线驱动器驱动，满足大、中、小型装载机器人动力要求。

对照图1、图2、图6，所述动臂升降机构包括动臂24、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂24通过第七转动副14、第八转动副15与机架1连接，所述第一升降支链包括第一连杆18、第一缸体20、第一活塞杆22，所述第一连杆18一端通过键或者其它连接方式与曲轴7固定连接，另一端通过第九转动副19与第一缸体20连接，所述第一缸体20通过第一移动副21与第一活塞杆22一端连接，所述第一活塞杆22另一端通过第十转动副56与动臂24连接，所述第二升降支链包括第二连杆32、第二缸体31、第二活塞杆29，所述第二连杆32一端通过健或者其它连接方式与曲轴7固定连接，另一端通过第十一转动副33与第二缸体31连接，所述第二缸体31通过第二移动副30与第二活塞杆29一端连接，第二活塞杆29另一端通过第十二转动副28与动臂24连接。在实际工程应用中，所述第一缸体20、第一移动副21、第一活塞杆22可用一液压缸取代，所述第二缸体31、第二移动副30与第二活塞杆29可用另一液压缸取代，在装载机器人作业过程中，多单元直线驱动机构通过曲轴7为动臂升降机构提供动力。

由于可控装载机构由于动臂升降机构为平面并联机构，因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成动臂两并联驱动支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响执行机构的使用寿命。所述多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人通过引入第一移动副21、第二移动副30，保证了动臂升降机构第一、第二动臂升降支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第一缸体20与第二缸体31并联，通过第一移动副21、第二移动副30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动臂升降支链的受力平衡，改善了动臂24两升降支链受力不均的问题，提高动臂24举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高动臂升降机构的抗振能力，并且通过在第一缸体20或第二缸体31中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7，所述铲斗控制机构包括铲斗39、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗39通过第十三转动副25、第十四转动副26与动臂24连接，所述第一控制支链包括第一主动杆47、第三缸体45、第三活塞杆43、第一摇臂36、第一拉杆38，所述第一主动杆47一端通过第十五转动副16与机架1连接，另一端通过第十六转动副46与第三缸体45连接，所述第三缸体45通过第三移动副44与第三活塞杆43连接，所述第三活塞杆43通过第十七转动副4与第一摇臂36连接，所述第一摇臂36通过第十八转动副23与动臂24连接，所述第一拉杆38一端通过第十九转动副37与第一摇臂36连接，另一端通过第二十转动副40与铲斗39连接，所述第二控制支链包括第二主动杆48、第四缸体50、第四活塞杆52、第二摇臂34、第二拉杆42，所述第二主动杆48一端通过第二十一转动副17与机架1连接，另一端通过第二十二转动副49与第四缸体50连接，所述第四缸体50通过第四移动副51与第四活塞杆52连接，所述第四活塞杆52通过第二十三转动副3与第二摇臂34连接，所述第二摇臂34通过第二十四转动副27与动臂24连接，所述第二拉杆42一端通过第二十五转动副35与第二摇臂34连接，另一端通过第二十六转动副41与铲斗39连接。所述第一主动杆47、第二主动杆48由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，铲斗39在两主动杆的带动下实现翻转运动。

一方面为了提高铲装稳定性，改善动态性能，另一方面为了提高该装载机器人的负载能力，所述铲斗控制机构采用平面并联机构的设计形式，为了避免因为制造、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，通过引入第三移动副44、第四移动副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缸体45与第四缸体50并联，通过第三移动副44、第四移动副51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，并且通过在第三缸体45或第四缸体50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9，所述一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人在各电传动系统可控电机的编程控制下，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移动副仅通过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，此时由各支链中缸体、移动副、活塞杆构成的杆组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，通过打开缸体上的泄压阀，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元直线驱动十六杆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，本发明所述的技术方案特别适用于设计制造大吨位的重型装载机器人。

Claims (2)

1.一种多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人，包括多单元直线驱动机构、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第一直线驱动器、第二直线驱动器、机架、曲轴，所述第一直线驱动器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曲轴连接，所述第二直线驱动器一端通过第三转动副与机架连接，另一端通过第四转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第五转动副、第六转动副与机架连接，

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，所述动臂通过第七转动副、第八转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第一连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第一连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第九转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，所述第一活塞杆另一端通过第十转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第二连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第二连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第十二转动副与动臂连接，

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，所述铲斗通过第十三转动副、第十四转动副与动臂连接，所述第一控制支链包括第一主动杆、第三缸体、第三活塞杆、第一摇臂、第一拉杆，所述第一主动杆一端通过第十五转动副与机架连接，另一端通过第十六转动副与第三缸体连接，所述第三缸体通过第三移动副与第三活塞杆连接，所述第三活塞杆通过第十七转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第十八转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十九转动副与第一摇臂连接，另一端通过第二十转动副与铲斗连接，所述第二控制支链包括第二主动杆、第四缸体、第四活塞杆、第二摇臂、第二拉杆，所述第二主动杆一端通过第二十一转动副与机架连接，另一端通过第二十二转动副与第四缸体连接，所述第四缸体通过第四移动副与第四活塞杆连接，所述第四活塞杆通过第二十三转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第二十四转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十五转动副与第二摇臂连接，另一端通过第二十六转动副与铲斗连接。

2.根据权利要求1所述的多单元直线驱动十六杆四活动度重型装载机器人，其特征在于：所述第一缸体与第二缸体并联，所述第三缸体、第四缸体并联，所述第一主动杆、第二主动杆均由可控电机进行驱动，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器均为伺服电动缸。