CN106917423A - 一种两自由度数控挖坑机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种两自由度数控挖坑机器人机构，包括主臂升降机构、水平维持支链、刀头平台。该数控挖坑机器人机构采用运动副均为转动副的两自由度平面连杆机构，由安装在机架上的伺服电机系统进行驱动控制，相比单自由度挖坑机器人机构中刀头仅能沿弧形轨迹运动，通过计算机数控编程控制，该挖坑机器人机构的刀头平台能轻易实现两自由度柔性可控高精度平动，既可使刀头沿竖直轨迹进行挖坑作业，也能在机架位置固定时调整钻孔位置，有效提高了挖坑效率，特别适用于小区域内的密集钻孔作业。该种挖坑机器人机构利用连杆传动取代挖坑机常用的液压系统，避免了液压系统能耗高，可靠性差等问题，能更加适用于人口密集区域的灯杆埋设、绿化工程、桩工作业等场合。

Description

一种两自由度数控挖坑机器人机构

技术领域

本发明涉及挖坑机领域，特别是一种两自由度数控挖坑机器人机构。

背景技术

挖坑机是近几年才出现的一种以内燃机作为动力源，配以液压系统来实现土坑挖掘的机械设备，一般由动力系统（拖拉机或挖掘机）、液压系统、机械钻挖系统三部分组成，挖坑机使人们从繁重的体力劳动解放出来，使广泛应用于道路灯杆、绿化挖坑，山地、丘岭、沟壑区植树造林，施肥快速挖坑的专用机械。

但是，在挖坑机取得广泛应用的同时，也存在着诸多问题。首先，液压阀和液压回路是造成能量损失的主要原因，一般液压系统的能量损失高达30%以上，现有挖坑机由于采用液压系统进行动力传递，不仅能耗高，而且易产生油液泄漏污染环境，大幅增加了使用及维护成本；其次，挖坑机通常采用柴油机作为液压传动系统源动力，还存在着工作噪音大、尾气排放严重等问题，随着环境问题日益严峻，现有挖坑机越来越难适应人口密集区的市政工程；另外，随着数控一代装备创新工程的实施，绿色化、智能化、精确化已成为机械设备的重要发展趋势，传统挖坑机动力及液压系统存在着响应速度慢、运动精度低等问题，难以满足新一代数字装备的性能要求。

随着以可控机构为代表的机构学前沿学科的发展，以及现代计算机技术、现代控制技术、机器人等现代技术不断进步，为挖坑机的绿色化、智能化、精密化提供了技术基础，单自由度数控挖坑机器人机构具有智能化程度高、能耗低、可靠性高等优势，是一种集绿色化、智能化、精确化于一身的数字化装备，虽然成本低，但是一方面，由于单自由度数控挖坑机器人机构的刀头平台只能实现单自由度柔性可控平动，从而使挖坑机器人的刀头只能沿圆弧轨迹进行挖坑作业，无法保证较高的挖坑质量，在挖坑作业时，往往通过移动底盘或机架来实现来保证所挖坑道具有较高的垂直度，一定程度上影响了挖坑效率和挖坑质量；另一方面，不论是现有挖坑机还是单自由度挖坑机器人，一旦底盘或机架位置固定，则挖坑位置相对固定，很难实现任意调整，即难以实现在底盘不动的前提下，挖坑位置的任意改变，影响了密集坑道钻孔作业时的挖坑效率。如何提出一种两自由度数控挖坑机器人机构，在具有低噪音、零排放、低维护保养成本等优点，以及具有高可靠性、高机械效率、高智能化等特点的前提下，能够实现挖坑机刀头两自由度柔性可控高精度运动，在机架位置不变的前提下，不仅能够高效、高质量的完成挖坑作业，也能够迅速实现挖坑位置的改变，使挖坑机器人机构既能较好适用于人口密集区域以城市道路灯杆埋设、绿化施工等为主的市政工程作业，又能高效率的进行密集坑道钻孔作业，已成为挖坑机领域一个亟需解决的工程问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种两自由度数控挖坑机器人机构，在具有低噪音、零排放、低维护保养成本等优点，以及具有高可靠性、高机械效率、高智能化等特点的前提下，能够实现挖坑机刀头两自由度柔性可控高精度运动，在机架位置不变的前提下，不仅能够高效、高质量的完成挖坑作业，也能够迅速实现挖坑位置的改变，使挖坑机器人机构既能较好适用于人口密集区域以城市道路灯杆埋设、绿化施工等为主的市政工程作业，又能高效率的进行密集坑道钻孔作业。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种两自由度数控挖坑机器人机构包括主臂升降机构、小臂摆动支链、水平维持支链、刀头平台。

所述两自由度数控挖坑机器人机构为运动副均采用转动副的两自由度平面连杆机构。

所述主臂升降机构包含机架、主臂、第一主动杆、第一连杆，所述主臂通过转动副与机架连接，所述第一主动杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过转动副与主臂连接。

所述小臂摆动支链包括第二主动杆、第二连杆、小臂，所述第二主动杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过转动副与小臂连接，所述小臂通过转动副与主臂连接，所述刀头平台通过转动副与小臂连接。

与现有技术相比，其有益效果是：两自由度数控挖坑机器人机构为运动副均采用转动副的两自由度平面连杆机构，相比含移动副的现有挖坑机工作装置，一方面不仅提高了可靠性和机械效率，而且便于加工、制造及装配，有效降低了成本；另一方面，由于转动副具有关节累积误差小等优点，显著提高了主臂升降机构的运动精度，保证了该挖坑机器人机构的施工质量，另外，由于挖坑机器人机构采用两自由度平面连杆机构，相比单自由度挖坑机器人机构具有更高的灵活度和可操作性。

所述水平维持支链由第三连杆、摇臂、第四连杆组成，所述第三连杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与摇臂连接，所述摇臂通过转动副安装在主臂上，所述第四连杆一端通过转动副与摇臂连接，另一端通过转动副与刀头平台连接。与现有技术相比，其有益效果是：通过在两自由度数控挖坑机器人机构中引入水平维持支链，在挖坑机器人挖坑作业过程中，可以实时保证刀头平台与水平面平行，进而保证刀头与地面垂直，相比现有挖坑机，该挖坑机器人机构所挖坑道具有更好的垂直度。

所述第一主动杆、第二主动杆由安装在机架上的伺服电机系统驱动。所述刀头由安装在刀头平台上的伺服驱动器驱动控制。通过对伺服电机系统以及伺服驱动器的数控编程控制，实现刀头的两自由度柔性可控高精度运动，进而保证该种挖坑机器人机构实现高精度、高智能化挖坑作业。与现有技术相比，其有益效果是：相比单自由度挖坑机器人机构，该种两自由度数控挖坑机器人机构在计算机数控编程下，能够实现挖坑机刀头两自由度柔性可控高精度运动，在机架位置不变的前提下，挖坑机刀头既能够沿竖直轨迹作垂直运动，能够高效、高质量的完成挖坑作业，获得较高垂直度的坑道，也能够迅速实现挖坑位置的改变，高效率的进行小区域内密集钻孔作业。该种两自由度数控挖坑机器人机构不仅低噪音无尾气排放等优势，而且具有高效化、智能化、绿色化等特点，能更好的适用于人口密集区域的城市道路灯杆埋设、绿化工程、桩工作业等场合。

与现有技术相比，该种两自由度数控挖坑机器人机构的突出优点在于：

1.该挖坑机器人机构采用伺服电机系统驱动的连杆机构传动取代了现有挖坑机的液压传动，一方面避免了液压系统的能量损失，有效提高了挖坑机器人机构的机械效率，降低了能耗；另一方面，避免了液压系统故障率高，加工制造以及维护保养成本高等问题，使该种挖坑机器人机构具有出色的可靠性和较低的维护保养成本。

2.连杆机构传动相比液压传动具有响应速度快，运动精度高等优势，使该种挖坑机器人机构相比现有挖坑机具有更佳的动态性能。

3.该种挖坑机器人机构在计算机编程控制下，即可实现数字化挖坑作业，相比现有挖坑机普遍采用的机械操纵装置，不仅智能化程度高，操纵强度低，而且有效保证了所挖坑道的规范性和一致性，大幅提升了挖坑质量和挖坑效率。

4.该种挖坑机器人机构由于采用伺服电机系统驱动，不仅低噪音，而且无尾气排放，特别适用于人口密集区域以城市道路灯杆埋设、绿化施工等为主的市政工程作业。

5.与单自由度数控挖坑机器人机构相比，该种两自由度数控挖坑机器人机构在计算机数控编程下，能够实现挖坑机刀头两自由度柔性可控高精度运动，在机架位置不变的前提下，挖坑机刀头既能够沿竖直轨迹作垂直运动，能够高效、高质量的完成挖坑作业，获得较高垂直度的钻坑，也能够迅速实现挖坑位置的改变，高效率的进行密集坑道钻孔作业。

附图说明

图1为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构示意图。

图2为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构的主臂升降机构示意图。

图3为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构的小臂摆动支链示意图。

图4为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构的水平维持支链示意图。

图5为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构三维示意图。

图6为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构沿竖直轨迹作业示意图。

图7为本发明所述两自由度数控挖坑机器人机构调整挖坑位置示意图。

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、图2、图3、图4、图5，一种两自由度数控挖坑机器人机构包括主臂升降机构、小臂摆动支链、水平维持支链、刀头平台17。所述两自由度数控挖坑机器人机构为运动副均采用转动副的两自由度平面连杆机构。

对照图1、图2、图5，所述主臂升降机构包含机架1、主臂7、第一主动杆3、第一连杆5，所述主臂7通过转动副8与机架1连接，所述第一主动杆3一端通过转动副2与机架1连接，另一端通过转动副4与第一连杆5一端连接，所述第一连杆5另一端通过转动副6与主臂7连接。

对照图1、图3、图5，所述小臂摆动支链包括第二主动杆10、第二连杆12、小臂15，所述第二主动杆10一端通过转动副8与机架1连接，另一端通过转动副11与第二连杆12一端连接，所述第二连杆12另一端通过转动副13与小臂15连接，所述小臂15通过转动副9与主臂7连接，所述刀头平台17通过转动副16与小臂15连接。

对照图1、图5、图6，两自由度数控挖坑机器人机构为运动副均采用转动副的两自由度平面连杆机构，相比含移动副的现有挖坑机工作装置，一方面不仅提高了可靠性和机械效率，而且便于加工、制造及装配，有效降低了成本；另一方面，由于转动副具有关节累积误差小等优点，显著提高了主臂升降机构的运动精度，保证了该挖坑机器人机构的施工质量，另外，由于挖坑机器人机构采用两自由度平面连杆机构，相比单自由度挖坑机器人机构具有更高的灵活度和可操作性。

对照图1、图4、图5，所述水平维持支链由第三连杆19、摇臂21、第四连杆23组成，所述第三连杆19一端通过转动副18与机架1连接，另一端通过转动副20与摇臂21连接，所述摇臂21通过转动副9安装在主臂7上，所述第四连杆23一端通过转动副22与摇臂21连接，另一端通过转动副14与刀头平台17连接。通过在两自由度数控挖坑机器人机构中引入水平维持支链，在挖坑机器人挖坑作业过程中，可以实时保证刀头平台与水平面平行，进而保证刀头与地面垂直，相比现有挖坑机，该挖坑机器人机构所挖坑道具有更好的垂直度。

对照图1、图5、图6、图7，所述第一主动杆3、第二主动杆10由安装在机架1上的伺服电机系统驱动。所述刀头25由安装在刀头平台17上的伺服驱动器24驱动控制。通过对伺服电机系统以及伺服驱动器的数控编程控制，实现刀头的两自由度柔性可控高精度运动，进而保证该种挖坑机器人机构实现高精度、高智能化挖坑作业。相比单自由度挖坑机器人机构，该种两自由度数控挖坑机器人机构在计算机数控编程下，能够实现挖坑机刀头两自由度柔性可控高精度运动，在机架位置不变的前提下，挖坑机刀头既能够沿竖直轨迹作垂直运动，能够高效、高质量的完成挖坑作业，获得较高垂直度的坑道，也能够迅速实现挖坑位置的改变，高效率的进行小区域内密集钻孔作业。该种两自由度数控挖坑机器人机构不仅低噪音无尾气排放等优势，而且具有高效化、智能化、绿色化等特点，能更好的适用于人口密集区域的城市道路灯杆埋设、绿化工程、桩工作业等场合。

Claims (2)

1.一种两自由度数控挖坑机器人机构包括主臂升降机构、小臂摆动支链、水平维持支链、刀头平台，其特征在于：

所述两自由度数控挖坑机器人机构为运动副均采用转动副的两自由度平面连杆机构，

所述主臂升降机构包含机架、主臂、第一主动杆、第一连杆，所述主臂通过转动副与机架连接，所述第一主动杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过转动副与主臂连接，

所述小臂摆动支链包括第二主动杆、第二连杆、小臂，所述第二主动杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过转动副与小臂连接，所述小臂通过转动副与主臂连接，

所述刀头平台通过转动副与小臂连接，

所述水平维持支链由第三连杆、摇臂、第四连杆组成，所述第三连杆一端通过转动副与机架连接，另一端通过转动副与摇臂连接，所述摇臂通过转动副安装在主臂上，所述第四连杆一端通过转动副与摇臂连接，另一端通过转动副与刀头平台连接。

2.根据权利要求1所述一种两自由度数控挖坑机器人机构，其特征在于：

所述第一主动杆、第二主动杆由安装在机架上的伺服电机系统驱动，

所述刀头由安装在刀头平台上的伺服驱动器驱动控制。