CN106120905A - 一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人 - Google Patents

Abstract

一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人，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，满足了滑移装载机器人高负载作业动力要求。基于帕斯卡原理通过在动臂升降机构中引入液压元件，实现缸内压力相等，有效改善以往可控滑移装载机构抬升动臂的两驱动链受力不均衡的问题，提高承载稳定性。该滑移装载机器人不仅具有以往可控滑移装载机构传动效率高、响应速度快、运动精度高、可控性好等特点，而且多单元连杆驱动机构和液压元件的引入使其具有更好的承载和抗振性能，并易实现过载保护功能，非常适用于制造大、中、小型滑移装载机器人。

Description

一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人

技术领域

本发明涉及滑移装载机领域，特别是一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人。

背景技术

滑移装载机是一种主要应用于建筑、市政等施工领域，进行建材等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，但是传统滑移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，将与随着人们环保意识的增加，以城市施工为主的滑移装载机，越来越难以适应苛刻的市场环境。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，针对液压式滑移装载机的缺点，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，该类可控滑移式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。相比液压式滑移装载机，可控滑移式装载机构具有智能化程度高、灵活度好、高传动效率等优点，对于推动滑移装载机绿色化、智能化具有重要的意义。

但是，在对可控滑移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，现有可控滑移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，造成现有可控滑移装载机构动力性能差、负载能力弱等问题，难以满足滑移装载机的动力要求，所以现有可控滑移装载机构的构型设计形式仅适用于部分微小型滑移装载机；其次，现有可控滑移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，特别是在滑移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，影响可控滑移装载机构的使用寿命；另外，现有可控滑移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滑移装载机的工作装置，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滑移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三活动度滑移装载机器人，既具有现有可控滑移装载机构智能化程度高、灵活度好、传动效率高等优点，同时解决现有可控滑移装载机构动力性能差、负载能力弱、动臂升降机构稳定性差、缺乏有效的过载保护及吸振手段等工程问题，使该滑移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：本发明所述的一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人，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机架、第一驱动支链、第二驱动支链、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曲轴连接，所述第二升降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曲轴连接，所属曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接。

所述第一主动杆、第二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，解决了传统可控滑移装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据滑移装载机器人的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。

所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂，所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸，所述第三连杆一端通过键或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液压缸一端连接，所述第一液压缸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四连杆、第二液压缸,，所述第四连杆一端通过键或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液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述动臂通过第十三转动副、第十四转动副与机架连接。

当该滑移装载机器人实际作业时，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。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第一直线驱动器、第二直线驱动器、铲斗。所述第一直线驱动器一端通过第十五转动副与动臂连接，另一端通过第十六转动副与铲斗连接，所述第二直线驱动器一端通过第十七转动副与动臂连接，另一端通过第十八转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第十九转动副、第二十转动副与动臂连接。所述第一直线驱动器、第二直线驱动器为伺服电动缸，也可以选用其它类型的直线驱动器，所述铲斗在第一直线驱动器和第二直线驱动器的带动下实现翻转运动。

所述一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人既具有可控滑移装载机构智能化程度高、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式滑移装载机的诸多优点，具体表现在：（1）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，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；（2）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高滑移装载机器人的抗振性能；（3）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在滑移装载机器人铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人相比现有可控滑移装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，适用于大、中、小型各类滑移装载机使用。

本发明突出优点在于：

1、该滑移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，动臂升降机构通过采用平面并联设计，大幅提升了滑移装载机器人的刚性。该滑移装载机器人既具有可控机构式滑移装载机能耗低、传动效率高、智能化程度高、可靠性好等特点，同时具备液压式滑移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、该滑移装载机器人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。在该滑移机器人的设计中，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、相比现有可控滑移装载机构，本发明所述滑移装载机器人具有更强的承载能力和适应性。多单元连杆驱动机构的引入，大幅提高了该滑移装载机器人的承载能力，特别适用于制造大、中型滑移装载机器人；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，满足各类滑移装载机器人动力要求。

4、相比现有可控滑移装载机构，本发明所述滑移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滑移装载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。动臂升降机构通过缸体并联，实现了偏载作用下动臂两升降支链的受力平衡，改善了各构件受力不均的问题，提高了动臂的举升稳定性，延长了各构件的使用寿命，提高了该滑移装载机器人的可靠性。

5、相比现有可控滑移装载机构，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液压缸上引入泄压阀等附属装置，较易实现滑移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三活动度滑移装载机器人示意图。

图2为本发明所述的一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人机架示意图。

图3为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之一。

图4为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之二。

图5为本发明所述的多单元连杆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连杆驱动三活动度滑移装载机器人平面视图。

图9为本发明所述的一种多单元连杆驱动三活动度滑移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三活动度滑移装载机器人，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，所述多单元连杆驱动机构包括机架1、第一驱动支链、第二驱动支链、曲轴10，所述第一驱动支链包括第一主动杆28、第一连杆29，所述第一主动杆28一端通过第一转动副19与机架1连接，另一端通过第二转动副34与第一连杆29一端连接，所述第一连杆29另一端通过第三转动副30与曲轴10连接，所述第二升降支链包括第二主动杆33、第二连杆32，所述第二主动杆33一端通过第四转动副22与机架1连接，另一端通过第五转动副23与第二连杆32一端连接，所述第二连杆32另一端通过第六转动副31与曲轴10连接，所属曲轴10通过第七转动副20、第八转动副21与机架1连接。

所述第一主动杆28、第二主动杆33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曲轴10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，解决了传统可控滑移装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据滑移装载机器人的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。

对照图1、图2、图6，所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂7，所述第一升降支链包括第三连杆24、第一液压缸9，所述第三连杆24一端通过键或其它连接方式与曲轴10固定连接，另一端通过第九转动副11与第一液压缸9一端连接，所述第一液压缸9另一端通过第十转动副8与动臂7连接，所述第二升降支链包括第四连杆26、第二液压缸27,，所述第四连杆26一端通过键或其它连接方式与曲轴10固定连接，另一端通过第十一转动副25与第二液压缸27一端连接，所述第二液压缸27另一端通过第十二转动副3与动臂7连接，所述动臂7通过第十三转动副2、第十四转动副18与机架1连接。

当该滑移装载机器人实际作业时，多单元连杆驱动机构通过曲轴10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9与第二液压缸27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7两升降支链受力不均的问题，提高动臂7举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。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第一直线驱动器4、第二直线驱动器15、铲斗5。所述第一直线驱动器4一端通过第十五转动副14与动臂7连接，另一端通过第十六转动副16与铲斗5连接，所述第二直线驱动器15一端通过第十七转动副13与动臂7连接，另一端通过第十八转动副17与铲斗5连接，所述铲斗5通过第十九转动副12、第二十转动副6与动臂7连接。所述第一直线驱动器4、第二直线驱动器15为伺服电动缸，也可以选用其它类型的直线驱动器，所述铲斗5在第一直线驱动器4和第二直线驱动器15的带动下实现翻转运动。

对照图1、图8、图9，所述一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人既具有可控滑移装载机构智能化程度高、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式滑移装载机的诸多优点，具体表现在：（1）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一液压缸9与第二液压缸27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7两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；（2）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高滑移装载机器人的抗振性能；（3）所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在滑移装载机器人铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人相比现有可控滑移装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，适用于大、中、小型各类滑移装载机使用。

Claims (2)

1.一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人，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机架、第一驱动支链、第二驱动支链、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曲轴连接，所述第二升降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曲轴连接，所属曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接，

所述动臂升降机构包括第一升降支链、第二升降支链、动臂，所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸，所述第三连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第九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转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二液压缸,，所述第四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液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述动臂通过第十三转动副、第十四转动副与机架连接，

所述铲斗控制机构包括第一直线驱动器、第二直线驱动器、铲斗，所述第一直线驱动器一端通过第十五转动副与动臂连接，另一端通过第十六转动副与铲斗连接，所述第二直线驱动器一端通过第十七转动副与动臂连接，另一端通过第十八转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第十九转动副、第二十转动副与动臂连接。

2.根据权利要求1，所述一种多单元连杆驱动三活动度滑移装载机器人，其特征在于：所述第一液压缸与第二液压缸并联，所述第一主动杆、第二主动杆均由可控电机驱动，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器均为伺服电动缸。