CN107321969A - 全向轮式可移动重载铸造机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向轮式可移动重载铸造机器人，包括四驱轮式移动平台、回转装置、升降装置、并联工作臂、配重装置、末端执行器和双目视觉系统。本发明的四驱轮式移动平台采用四轮全向移动加四角驻点自平衡支撑的方式，实现长距离灵活稳定行走和驻点自平衡支撑，提高作业的支撑稳定性，机器人本体还具有空间三个移动和两个转动共五个运动自由度；回转装置、升降装置可分别实现回转和升降调节，四自由度并联工作臂可对末端执行器进行姿态调节，可根据工作需要更换不同的末端执行器，满足中大型铸件的组芯、下芯、浇注和搬运等不同作业的需求，提高铸造机器人的作业效率、质量和安全性，降低了操作人员的劳动强度和生产成本。

Description

全向轮式可移动重载铸造机器人

技术领域

本发明属于铸造机器人设备技术领域，特别涉及一种全向轮式可移动重载铸造机器人。

背景技术

工业机器人高度的柔性化能够满足现代化绿色铸造生产中的各种特殊要求，铸造生产采用机器人，不仅可把操作工人从繁重、单调的体力劳动中解放出来，节约劳动力，而且还是提高铸件生产效率、制造精度和质量、实现铸造生产机械化、自动化及文明化的重要手段。目前，采用先进适用的铸造新技术，提高铸造装备自动化水平，特别是可移动机器人技术的应用，是铸造企业实施绿色铸造生产、实现可持续发展的关键举措。因铸造存在高温、高粉尘、振动、油污、噪声及电磁干扰的恶劣环境，且铸件重量大，因此一般工业机器人无法满足生产需要。铸造机器人要能适应这样的工作环境并正常运行，还存在众多关键技术急需研究与突破。铸造机器人不仅可用于压铸、精铸生产中的铸件搬运和传送，还可用在砂型铸造的造型、制芯、下芯、浇注、清理以及检验等工序中。尤其是在中大型铸件的生产中，砂芯和铸件的尺寸、重量都比较大，执行取芯、组芯、下芯、浇注和搬运作业难度大，要求高。迫切需要能够满足铸件生产中取芯、组芯、下芯、浇注和搬运作业需求的高柔性、重负载型铸造机器人。

目前，在铸造生产中所使用的机器人大多是关节式串联机器人，其优点是结构简单、控制方便、工作空间大，但其精度较差、负载能力小，只能执行轻载作业任务。难以满足中大型铸件生产中的重载作业任务需求，作业精度和效率的提高受到限制。现有铸造机器人的应用还仅局限于在固定工位上辅助完成较为简单的铸造作业任务，无法适应铸造生产复杂作业环境下移动式精确作业要求。如生产中使用的串联式浇注机器人，虽然结构简单，成本较低，但由于自由度过少，应用场合单一，无法满足多种场合的使用。普遍应用的铸造机器人都是由普通机器人改制过来的。目前，很多中小型铸件生产厂家在生产过程中进行取芯、组芯、下芯和浇注等作业时，多采用人海战术，一个工位一个工作人员取芯、下芯、组芯和浇注熔体，工作人员还得来回跑动，显得十分繁乱，同时工作效率低下。砂芯和铸件的搬运作业多以人工辅助简易吊装设备为主，少数采用机器人的技术方案中也多为固定位置的串联式机器人配装气动抓手进行作业，缺乏专业的可移动式的重载铸造机器人。尤其在中大型铸件的浇注作业过程中，仍然以人工为主，工人劳动强调大，体力消耗多、工作效率低。浇注时铁水或钢水需要用浇包转到生产线上，对准浇注口把浇包中的铁水或钢水倒在浇注工件的浇注冒口中。目前，浇注铁水或钢水是由工人手抬或行车吊运沉重的浇包，从高频电炉处接铁水或钢水，再把三、四百斤铁水或钢水与浇包移到浇注地点，两人或多人配合，将浇包慢慢地倾斜，将浇包中的铁水或钢水倾倒在工件的浇注口中。此种方法有以下缺点：(1)受工人一次负重量的影响，浇注件的大小(重量)受到限制，一件铸件要在很短的时间里浇注好，如果用二包或更多包的铁水或钢水浇注，由于工人的速度慢，则浇注出来的铸件很容易存在铸造缺陷等质量问题；(2)工人的劳动强度大，工作环境差。铁水或钢水的温度高达1500℃左右，其工作环境温度在40℃以上，工人的劳动强度大，容易疲劳；(3)工作环境危险，时刻要小心铁水或钢水飞溅，工作人员的人身安全保障存在隐患；(4)工作中运输速度低，浇注速度慢；工作效率低，生产率低，增加了制造成本，延缓了制造进度。

针对铸件组芯、下芯、浇注和搬运中存在的问题，现有专利文献也提出了一些解决方案。申请号为201610698460.5的中国专利公开了一种自动浇注机器人，由动力装置、传动装置、舀取装置、检测装置等组成，可控制舀勺的旋转速度和角度，但该方案只能进行简单的舀取和浇注，机器人工作空间小，生产效率低。申请号为200910015467.2的中国专利公开了一种铝活塞浇注机器人，浇注机器人的主摆臂、副摆臂、竖直摆臂和连杆形成平行四连杆机构，能够满足铝活塞毛坯铸造正向或反向倾转随动浇注工艺要求，但该方案柔性差，动作节拍长，生产效率低，舀取铝液重量重复量精度及定位精度差，产品质量不稳定。申请号为201610072679.4的中国专利公开了一种由机器人控制的浇注装置，该装置采用锥齿轮传动，压缩空气冷却管路和风机给浇注装置持续冷却，但同时对浇注液也有冷却作用，使产品质量降低。申请号为201611165409.4的中国专利公开了一种铝活塞高精度浇注机器人，包括ABB六轴工业机器人和浇注机器人，具有多自由度，系统柔性高等特点，该方案采用的是串联式的机器人手臂，工作空间小且运动过程不平稳，影响浇注质量。申请号为200710012538.4的中国专利公开了一种新型并联浇注机器人，包括基座，旋转副、转盘、机体和浇包，通过容积法保证取液的准确性，通过电机驱动一套平行四边形四杆机构使浇包在一定范围内摆动，实现浇包的定位，但其他方向无法保证精确的定位，机器人工作空间小。申请号为201320665695.6的中国专利公开了一种四关节舀汤或浇注机器人，该设备结构简单，无法进行复杂的浇注工作，浇注时的定位精度低，结构承载较小。申请号为201120359585.8的中国专利公开了一种机器人双浇包浇注臂，包括浇注臂，支撑架，伺服电机和减速机，两个电机通过链条传动系统分别驱动两个浇包进行浇注，提高了生产效率，但同时定位精度变差，且两个浇包的间距不可调，仅适合于小型铸件的浇注。申请号为201510444411.4的中国专利公开了一种地轨移动浇注机械手，浇注机械手下方安装底座，通过滑轮在地轨上移动，但工作轨迹受轨道限制，灵活性差。申请号为201621367895.3的中国专利提出了一种活塞一机二模全自动铸造机的设计方案，用固定位置的串联式浇注机器人和简易的取件手完成取铝液、浇注和取铸件任务，适合生产线上固定位置的轻载作业。

在取芯、组芯和下芯方面，申请号为200920140832.8的中国专利公开了一种由砂箱、砂箱定位组件和用于夹持下芯的串联式机械手等组成的铸造下芯装置，机械手只能在限定的范围内作业，且用于夹持砂芯的执行器采用夹板式结构，只能满足单一性砂芯的作业要求。申请号为201520331028.3的中国专利公开了一种机器人自动组芯装置，包括砂芯放置滑台和固定位置工作的抓手，在砂芯放置滑台上设有支撑座、调整偏心轮、定位轮和光电检测开关，在抓手上设有打胶装置和检测装置，在打胶装置上设有数个胶枪，该技术方案仅仅简化了打胶装置及检测装置的结构，并实现两种功能的集成，整个装置不可移动，工作范围受限，且不满足异形砂芯的作业要求。申请号为201610325766.6的中国专利公开了一种基座式机器人下芯取件机构，包括浇料机械臂和下芯取件机械臂，虽然通过设置的三工位组芯旋转平台可以满足三工位组芯作业半径要求，减轻员工劳动强度，但作业范围和对象仍然受机器人固定式位置和简易末端执行器的限制。申请号为201611053848.6的中国专利公开了一种取芯组芯机器人抓手，包括控制模块、抓手框架、连接法兰、抓手左侧夹紧机构模块、直线滑块导轨、抓手中间夹紧机构模块、气动伺服平移机构、抓手右侧夹紧机构模块，能在左、中、右同时夹紧一个、两个或三个砂芯，各模块独立抓取时可通过气动旋转模块实现砂芯的旋转动作，其不足在于抓取时只能通过活动端夹紧臂模块夹紧砂芯，抓取对较重砂芯时不仅夹持点少，而且需要移动砂芯，容易造成砂芯破损。

随着铸造技术水平的提高，中大型铸件的生产及对铸件成型过程中的取芯、组芯、下芯、浇注和搬运作业自动化的需求也越来越多。现有技术方案中多采用固定工位的串联式机械手进行作业，不仅作业范围小、运动受限，而且负载能力较低，无法满足中大型铸件的取芯、组芯、下芯、浇注和搬运作业需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种全向轮式可移动重载铸造机器人，能够用于中大型铸件在铸造成型过程中的取芯、组芯、下芯、浇注和搬运等作业，提高铸造生产的作业效率、铸件质量和安全性，降低劳动强度和生产成本，可克服现有技术的缺陷。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种全向轮式可移动重载铸造机器人，包括四驱轮式移动平台、回转装置、升降装置、并联工作臂、配重装置、末端执行器和双目视觉系统。其中，所述的四驱轮式移动平台是本发明的承载和移动平台，包括平台车架、前驱动轮、后驱动轮、自平衡液压支腿、控制器和监视器。在所述的平台车架的前后两端的底部设有导航传感器，所述的导航传感器采用磁导航传感器或激光扫描器或红外发射器或超声波发射器；在所述的平台车架的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面中部设有测距传感器，所述的测距传感器采用激光测距传感器或超声波测距传感器；两个前驱动轮安装在平台车架的前端，两个后驱动轮安装在平台车架的后端，用于驱动四驱轮式移动平台移动行走；四个自平衡液压支腿对称安装在平台车架的四个角上，用于铸造机器人在作业时进行驻点支撑，保证四驱轮式移动平台在作业过程中实现原地定位和稳定支撑。所述的控制器位于平台车架的后端，用于接收安装在四驱轮式移动平台上的各传感器和安装在升降装置顶部的双目视觉系统中的工业摄像机所获取的传感信息，并控制四驱轮式移动平台、回转装置、升降装置、并联工作臂、配重装置和末端执行器执行相应的动作或任务指令。在平台车架后端中间位置还设有用于操作人员乘坐的可旋转座椅，在可旋转座椅的一侧设有角度可调支架，所述的监视器固定安装在可调支架的顶部，用于显示导航传感器、测距传感器获取的位置、距离信息和双目视觉系统获取的图像信息以及本发明的工作状态参数，且与可调支架通过铰链相连接。所述的回转装置位于四驱轮式移动平台的前端，且通过螺钉固定安装在平台车架上，用于驱动升降装置、并联工作臂和末端执行器进行回转运动。所述的升降装置位于回转装置的正上方，且升降装置的底部固定安装在回转装置的顶部，用于驱动并联工作臂和末端执行器进行升降运动。所述的并联工作臂为2UPR-2UPU结构的四自由度并联机构，用于支撑并驱动末端执行器实现前后伸缩移动、左右平移、绕水平轴的转动和绕垂直轴的转动共四个自由度的运动及姿态调整；所述的末端执行器安装在并联工作臂的前端，并联工作臂的后端安装在升降装置上并可沿着升降装置上下滑移。所述的配重装置安装在升降装置上，用于平衡并联工作臂和末端执行器的重量，且配重装置的前端与并联工作臂的后端通过铰链相连接。所述的双目视觉系统包括工业摄像机、图像采集卡和工业计算机，用于采集、分析和处理工业摄像机在工作现场获取的图像信息，识别和判断砂芯组件、铸件、砂箱和浇口的几何形状和姿态；所述的工业摄像机有两部，且均设有LED照明光源，所述的图像采集卡集成安装在监视器内，所述的工业计算机集成安装在控制器内，所述的工业摄像机与图像采集卡通过数据线相连接，所述的图像采集卡与工业计算机通过数据线相连接。

所述的前驱动轮和后驱动轮均采用全向轮；所述的末端执行器具体的采用浇包或两爪夹板式气动抓手或三指式同步气动手爪或多指异步式气动抓手，所述的夹爪手指的对数范围为4-12，且每一对夹爪手指之间通过一个双向作用的手指气缸独立连接与控制，进而实现每对夹爪手指独立松开与夹紧，实现对异形砂芯或铸件的贴合式有效抓取；自平衡液压支腿的驱动动力采用电液伺服油缸或电液步进式液压缸。

所述的回转装置包括回转底座、回转体、回转马达、回转齿轮、内齿圈和回转顶盖。其中，所述的回转底座通过螺钉固定安装在平台车架上；所述的回转体套装在回转底座内，且与回转底座之间通过径向轴承和组合轴承相连接，所述的组合轴承为圆柱滚子止推轴承与圆柱滚子径向轴承的组合体，所述的径向轴承采用圆柱滚子型径向轴承；所述的回转马达固定安装在回转底座的下方，用于驱动回转体和回转顶盖进行回转运动，所述的回转齿轮安装在回转马达的输出轴上；所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体内，且与回转齿轮保持内啮合；所述的回转顶盖固定安装在回转体的顶部，且与回转体通过螺钉相连接，在所述的回转顶盖的底部中心还设有角度传感器，用于测量回转体和回转顶盖相对回转底座的转动角度；所述的回转马达采用伺服减速电机或伺服液压马达。

所述的升降装置包括升降底座、立柱、顶梁、升降马达、主动齿轮、从动齿轮、升降丝杠和升降螺母。其中，所述的升降底座位于回转顶盖的上方且与回转顶盖通过螺钉相固连；所述的立柱有两个，呈左右对称布置在升降底座与顶梁之间，且与升降底座、顶梁均保持固连；在其中一个立柱的内侧面上设有大位移传感器，用于测量并联工作臂在立柱上滑移运动时的位移参数，在两个立柱的前侧面上均固定安装有前直线导轨，在两个立柱的后部内侧面上均固定安装有后直线导轨。所述的升降丝杠的上下两端分别安装在顶梁和升降底座上，且与顶梁、升降底座均通过轴承相连接；所述的主动齿轮、从动齿轮均位于升降底座的下方，所述的升降马达固定安装在升降底座的顶面上，用于为升降装置的升降丝杠的旋转提供动力，进而驱动并联工作臂进行升降运动；所述的主动齿轮固定安装在升降马达的输出轴上，所述的从动齿轮固定安装在升降丝杠的下端，所述的主动齿轮与从动齿轮保持外啮合。所述的升降螺母固定安装在并联工作臂的后端，且与升降丝杠通过螺纹相连接。所述的大位移传感器采用直线式磁栅传感器或直线型光栅传感器或直线式感应同步器。所述的两部工业摄像机固定安装在顶梁的前端两侧，且与顶梁之间通过两自由度云台相连接。所述的升降马达采用伺服减速电机或伺服液压马达。

所述的配重装置包括链条、前链轮、后链轮和配重块。其中，所述的链条、前链轮和后链轮的数量均为二，且呈左右对称布置在升降装置上，两个前链轮固定安装在顶梁的前侧面上，两个后链轮固定安装在顶梁的后侧面上；所述的链条的前端与并联工作臂的后端顶部通过铰链相连接，链条的后端与配重块通过铰链相连接，且所述的链条同时与前链轮、后链轮保持啮合；所述的配重块位于立柱的后侧面，在所述的配重块前端设有四个对称布置的后滑块且与立柱上的后直线导轨通过滑移副相连接，所述的配重块的重量可根据末端执行器的负载大小进行调整。

所述的并联工作臂包括工作臂安装座、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链。其中，所述的工作臂安装座位于立柱的前侧面，在所述的工作臂安装座的后端面上设有四个对称布置的后滑块且与立柱的前直线导轨通过滑移副相连接，升降装置中的升降螺母固定安装在工作臂安装座的后侧面上；所述的第一支链、第三支链的结构完全相同，其机构拓扑结构均为UPU结构，且呈左右对称布置在工作臂安装座的前面；所述的第二支链、第四支链的结构完全相同，其机构拓扑结构均为UPR结构，且呈上下对称布置在工作臂安装座的前面。从机构学的角度看，所述的并联工作臂与末端执行器一起构成一个具有空间两个平移和两个转动共四个运动自由度的并联机构。所述的工作臂安装座即为并联工作臂与末端执行器所构成的并联机构的定平台，末端执行器即为并联工作臂与末端执行器所构成的并联机构的动平台。所述的并联工作臂、末端执行器与升降装置、回转装置一起构成一个具有空间三个平移两个转动共五个自由度的混联机构，其中绕垂直轴的转动为冗余自由度。

所述的第一支链包括第一后万向节、第一伸缩杆组和第一前万向节，所述的第一后万向节的后端与工作臂安装座相固连，所述的第一伸缩杆组的后端与第一后万向节的前端相固连，所述的第一伸缩杆组的前端与第一前万向节的后端相固连，第一前万向节的前端与末端执行器相固连。所述的第二支链包括第二后万向节、第二伸缩杆组和第一前铰链，所述的第二后万向节的后端与工作臂安装座相固连，所述的第二伸缩杆组的后端与第二后万向节的前端相固连，所述的第二伸缩杆组的前端与第一前铰链的后端相固连，第一前铰链的前端与末端执行器相固连。所述的第一后万向节的十字轴的两条轴线分别平行于第一前万向节的十字轴的两条轴线，所述的第一前铰链的轴线与第二后万向节的十字轴的一条轴线相平行。所述的第一前万向节的十字轴的水平轴线与第三支链的第二前万向节的十字轴的水平轴线保持同轴；第一后万向节的十字轴的竖直轴线、第二后万向节的十字轴的竖直轴线、第三支链上的第三后万向节的十字轴的竖直轴线和第四支链上的第四后万向节的十字轴的竖直轴线相互平行，从而保证了并联工作臂与末端执行器一起构成的并联机构具有确定的空间内两个平移和两个转动共四个运动自由度。

所述的第一伸缩杆组包括第一后连接座、两根平行布置的第一伸缩杆、第一电动推杆和第一前连接座。其中，所述的第一后连接座的后端与第一后万向节的前端相固连；所述的第一伸缩杆的后端与第一后连接座固连，所述的第一伸缩杆的前端与第一前连接座固连；所述的第一电动推杆的两端分别与第一后连接座、第一前连接座通过铰链相连接，用于驱动第一伸缩杆组伸长或缩短；所述的第一电动推杆与两根第一伸缩杆呈正三角形布置在第一后连接座、第一前连接座之间。所述的第二伸缩杆组与第一伸缩杆组的结构完全相同。

使用时，先根据铸造作业的任务选择合适的末端执行器，执行浇注任务时选择浇包作为末端执行器，执行取芯、组芯、下芯和搬运任务时，尤其是当作业对象为异形砂芯和异形铸件时，可选择多指异步式气动抓手作为末端执行器。然后，根据作业要求启动前驱动轮、后驱动轮使四驱轮式移动平台在车间内移动行走至指定作业位置，再根据作业姿态和高度要求分别调整回转装置、升降装置，通过调整本发明的并联工作臂将末端执行器调整到到合适的作业姿态和作业高度，并联工作臂的姿态调整通过驱动各支链上的电动推杆伸长或缩短来实现。在执行驻点作业时，尤其是针对重量比较大的铸件的浇注和装运时，由于前驱动轮、后驱动轮可能产生打滑或失稳，进而会影响铸造机器人的作业精度，需要将四条自平衡液压支腿伸长，实现四驱轮式移动平台的驻点稳定支撑。导航传感器、测距传感器位置、距离信息、双目视觉系统获取的图像信息、末端执行器的垂直位移和转角信息以及铸造机器人的实时工作状态参数等均在监视器上直观显示，铸造机器人的姿态调整和作业任务等信息分析和处理任务由控制器分析完成。

本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明的四驱轮式移动平台采用独立驱动的四轮全向移动加四角驻点自平衡支撑的方式，实现长距离灵活稳定行走和驻点自平衡支撑，既保证了铸造机器人在重负载条件下的长距离稳定行走，又能提高作业的支撑稳定性；除了四驱轮式移动平台可全向移动行走外，机器人本体还具有升降、前后伸缩、左右平移三个移动和分别绕垂直轴、绕水平轴的两个转动共五个运动自由度，回转装置、升降装置可分别实现整周回转和升降调节，四自由度并联工作臂可对末端执行器进行姿态调节，明显扩大了机器人的工作空间，提高了铸造机器人的运动灵活性；本发明的末端执行器还可根据工作需要更换为浇包或两爪夹板式气动抓手或三指式同步气动手爪或多指异步式气动抓手，以满足中大型铸件的取芯、组芯、下芯、浇注和搬运等不同作业的需求，提高铸造生产中组芯、下芯、浇注和搬运作业的效率、质量和安全性，降低了操作人员的劳动强度和生产成本。尤其是多指异步式气动抓手的采用可以满足异形砂芯、铸件的贴合式有效抓取的作业需求，可避免在组芯、下芯过程中损伤砂芯或铸件，提高了作业的稳定性、安全性和适应性，通过安装在平台车架上的导航传感器、测距传感器、回转装置上的角度传感器、升降装置上的大位移传感器和工业摄像机多传感器信息融合，自动完成铸造机器人位置判断、砂芯与铸件的识别、砂箱和浇口的识别，砂芯组件和铸件的抓取、安放，以及浇注等铸造作业任务，自动化程度高，工作效率高、劳动强度低；本发明还具有结构节凑，设备占用空间小、生产成本低、安全性高、适应性强、末端执行器更换方便、操作维护简便等优点，可克服现有技术的缺陷。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的升降装置的结构示意图；

图3为本发明的回转装置的结构示意图；

图4为图2的A-A向视图；

图5为本发明的并联工作臂的结构示意图；

图6为本发明的并联工作臂的第一支链的结构示意图；

图7为本发明的并联工作臂的第二支链的结构示意图；

图8为本发明的多指异步式气动抓手的结构示意图；

图9为本发明的末端执行器换装多指异步式气动抓手时的总体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

具体实施方式一：

如图1、图2、图3和图5所示，一种全向轮式可移动重载铸造机器人，包括四驱轮式移动平台1、回转装置2、升降装置3、并联工作臂4、配重装置5、末端执行器6和双目视觉系统7。其中，所述的四驱轮式移动平台1是本发明的承载和移动平台，包括平台车架11、前驱动轮12、后驱动轮13、自平衡液压支腿14、控制器15和监视器16。在所述的平台车架11的前后两端的底部设有导航传感器，所述的导航传感器采用磁导航传感器或激光扫描器或红外发射器或超声波发射器；在所述的平台车架11的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面中部设有测距传感器，所述的测距传感器采用激光测距传感器或超声波测距传感器；两个前驱动轮12安装在平台车架11的前端，两个后驱动轮13安装在平台车架11的后端，用于驱动四驱轮式移动平台1移动行走；四个自平衡液压支腿14对称安装在平台车架11的四个角上，用于铸造机器人在作业时进行驻点支撑，保证四驱轮式移动平台1在作业过程中实现原地定位和稳定支撑。所述的控制器15位于平台车架11的后端，用于接收安装在四驱轮式移动平台1上的各传感器和安装在升降装置3顶部的双目视觉系统7中的工业摄像机所获取的传感信息，并控制四驱轮式移动平台1、回转装置2、升降装置3、并联工作臂4、配重装置5和末端执行器6执行相应的动作或任务指令。在平台车架11后端中间位置还设有用于操作人员乘坐的可旋转座椅17，在可旋转座椅17的一侧设有角度可调支架18，所述的监视器16固定安装在可调支架18的顶部，用于显示导航传感器、测距传感器获取的位置、距离信息和双目视觉系统7获取的图像信息以及本发明的工作状态参数，且与可调支架18通过铰链相连接。所述的回转装置2位于四驱轮式移动平台1的前端，且通过螺钉固定安装在平台车架11上，用于驱动升降装置3、并联工作臂4和末端执行器6进行回转运动。所述的升降装置3位于回转装置2的正上方，且升降装置3的底部固定安装在回转装置2的顶部，用于驱动并联工作臂4和末端执行器6进行升降运动。所述的并联工作臂4为2UPR-2UPU结构的四自由度并联机构，用于支撑并驱动末端执行器6实现前后伸缩移动、左右平移、绕水平轴的转动和绕垂直轴的转动共四个自由度的运动及姿态调整；所述的末端执行器6安装在并联工作臂4的前端，并联工作臂4的后端安装在升降装置3上并可沿着升降装置3上下滑移。所述的配重装置5安装在升降装置3上，用于平衡并联工作臂4和末端执行器6的重量，且配重装置5的前端与并联工作臂4的后端通过铰链相连接。所述的双目视觉系统7包括工业摄像机、图像采集卡和工业计算机，用于采集、分析和处理工业摄像机在工作现场获取的图像信息，识别和判断砂芯组件、铸件、砂箱和浇口的几何形状和姿态；所述的工业摄像机有两部，且均设有LED照明光源，所述的图像采集卡集成安装在监视器16内，所述的工业计算机集成安装在控制器15内，所述的工业摄像机与图像采集卡通过数据线相连接，所述的图像采集卡与工业计算机通过数据线相连接。

如图1所示，所述的前驱动轮12和后驱动轮13均采用全向轮；所述的末端执行器6具体的可采用浇包，用于执行铸造生产中的浇注作业功能；自平衡液压支腿14的驱动动力采用电液伺服油缸或电液步进式液压缸。

如图1和图3所示，所述的回转装置2包括回转底座21、回转体22、回转马达23、回转齿轮24、内齿圈25和回转顶盖26。其中，所述的回转底座21通过螺钉固定安装在平台车架11上；所述的回转体22套装在回转底座21内，且与回转底座21之间通过径向轴承和组合轴承39相连接，所述的组合轴承39为圆柱滚子止推轴承与圆柱滚子径向轴承的组合体，所述的径向轴承采用圆柱滚子型径向轴承；所述的回转马达23固定安装在回转底座21的下方，用于驱动回转体22和回转顶盖26进行回转运动，所述的回转齿轮24安装在回转马达23的输出轴上；所述的内齿圈25通过螺钉固定安装在回转体22内，且与回转齿轮24保持内啮合；所述的回转顶盖26固定安装在回转体22的顶部，且与回转体22通过螺钉相连接，在所述的回转顶盖26的底部中心还设有角度传感器，用于测量回转体22和回转顶盖26相对回转底座21的转动角度；所述的回转马达23采用伺服液压马达。

如图1、图2和图4所示，所述的升降装置3包括升降底座31、立柱32、顶梁33、升降马达34、主动齿轮35、从动齿轮36、升降丝杠37和升降螺母38。其中，所述的升降底座31位于回转顶盖26的上方且与回转顶盖26通过螺钉相固连；所述的立柱32有两个，呈左右对称布置在升降底座31与顶梁33之间，且与升降底座31、顶梁33均保持固连；在其中一个立柱32的内侧面上设有大位移传感器，用于测量并联工作臂4在立柱32上滑移运动时的位移参数，在两个立柱32的前侧面上均固定安装有前直线导轨321，在两个立柱32的后部内侧面上均固定安装有后直线导轨322。所述的升降丝杠37的上下两端分别安装在顶梁33和升降底座31上，且与顶梁33、升降底座31均通过轴承相连接；所述的主动齿轮35、从动齿轮36均位于升降底座31的下方，所述的升降马达34固定安装在升降底座31的顶面上，用于为升降装置3的升降丝杠37的旋转提供动力，进而驱动并联工作臂4进行升降运动；所述的主动齿轮35固定安装在升降马达34的输出轴上，所述的从动齿轮36固定安装在升降丝杠37的下端，所述的主动齿轮35与从动齿轮36保持外啮合。所述的升降螺母38固定安装在并联工作臂4的后端，且与升降丝杠37通过螺纹相连接。所述的大位移传感器采用直线式磁栅传感器或直线型光栅传感器或直线式感应同步器。所述的两部工业摄像机固定安装在顶梁33的前端两侧，且与顶梁33之间通过两自由度云台相连接。所述的升降马达34采用伺服液压马达。

如图1、图2和图4所示，所述的配重装置5包括链条51、前链轮52、后链轮53和配重块54。其中，所述的链条51、前链轮52和后链轮53的数量均为二，且呈左右对称布置在升降装置3上，两个前链轮52固定安装在顶梁33的前侧面上，两个后链轮53固定安装在顶梁33的后侧面上；所述的链条51的前端与工作臂安装座41的顶部通过铰链相连接，链条51的后端与配重块54通过铰链相连接，且所述的链条51同时与前链轮52、后链轮53保持啮合；所述的配重块54位于立柱32的后侧面，在所述的配重块54前端设有四个对称布置的后滑块541且与立柱32上的后直线导轨322通过滑移副相连接，所述的配重块54的重量可根据末端执行器6的负载大小进行调整。

如图1、图4、图5、图6和图7所示，所述的并联工作臂4包括工作臂安装座41、第一支链42、第二支链43、第三支链44和第四支链45。其中，所述的工作臂安装座41位于立柱32的前侧面，在所述的工作臂安装座41的后端面上设有四个对称布置的后滑块411且与立柱32的前直线导轨321通过滑移副相连接，升降装置3中的升降螺母38固定安装在工作臂安装座41的后侧面上；所述的第一支链42、第三支链44的结构完全相同，其机构拓扑结构均为UPU结构，且呈左右对称布置在工作臂安装座41的前面；所述的第二支链43、第四支链45的结构完全相同，其机构拓扑结构均为UPR结构，且呈上下对称布置在工作臂安装座41的前面。从机构学的角度看，所述的并联工作臂4与末端执行器6一起构成一个具有空间两个平移和两个转动共四个运动自由度的并联机构。所述的工作臂安装座41即为并联工作臂4与末端执行器6所构成的并联机构的定平台，末端执行器6即为并联工作臂4与末端执行器6所构成的并联机构的动平台。

具体实施方式二：

如图1、图5、图6和图7所示，所述的第一支链42包括第一后万向节421、第一伸缩杆组422和第一前万向节423，所述的第一后万向节421的后端与工作臂安装座41相固连，所述的第一伸缩杆组422的后端与第一后万向节421的前端相固连，所述的第一伸缩杆组422的前端与第一前万向节423的后端相固连，第一前万向节423的前端与末端执行器6相固连。第二支链43包括第二后万向节431、第二伸缩杆组432和第一前铰链433，所述的第二后万向节431的后端与工作臂安装座41相固连，所述的第二伸缩杆组432的后端与第二后万向节431的前端相固连，所述的第二伸缩杆组432的前端与第一前铰链433的后端相固连，第一前铰链433的前端与末端执行器6相固连。所述的第一后万向节421的十字轴的两条轴线分别平行于第一前万向节423的十字轴的两条轴线，所述的第一前铰链433的轴线与第二后万向节431的十字轴的一条轴线相平行。所述的第一前万向节423的十字轴的水平轴线与第三支链44的第二前万向节443的十字轴的水平轴线保持同轴；第一后万向节421的十字轴的竖直轴线、第二后万向节431的十字轴的竖直轴线、第三支链44上的第三后万向节441的十字轴的竖直轴线和第四支链45上的第四后万向节451的十字轴的竖直轴线相互平行。

如图1、图5、图6和图7所示，所述的第一伸缩杆组422包括第一后连接座4221、两根平行布置的第一伸缩杆4222、第一电动推杆4223和第一前连接座4224。其中，所述的第一后连接座4221的后端与第一后万向节421的前端相固连；所述的第一伸缩杆4222的后端与第一后连接座4221固连，所述的第一伸缩杆4222的前端与第一前连接座4224固连；所述的第一电动推杆4223的两端分别与第一后连接座4221、第一前连接座4224通过铰链相连接，用于驱动第一伸缩杆组422伸长或缩短；所述的第一电动推杆4223与两根第一伸缩杆4222呈正三角形布置在第一后连接座4221、第一前连接座4224之间。所述的第二伸缩杆组432与第一伸缩杆组422的结构完全相同。

如此设计，用伸缩杆组实现并联工作臂4的四条支链中移动副的功能，结构简单、紧凑，既可以保证第一支链42、第二支链43、第三支链44和第四支链45中移动副的结构刚度、抗扭能力，使作为移动副的驱动动力的电动推杆只承受轴向载荷，不承受剪切力和扭力，能有效降低移动副中驱动动力的成本；通过严格限定第一支链42、第二支链43、第三支链44和第四支链45中前万向节、后万向节及前铰链的轴线之间的尺度约束类型，即限定各轴线之间的平行或同轴的关系，可以唯一限定本发明中并联工作臂4与末端执行器6所构成的四自由度并联机构能按照设定的空间两个平移和两个转动共四个自由度进行准确地运动和姿态调整。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

如图1、图8和图9所示，所述的末端执行器6具体的采用多指异步式气动抓手，所述的多指异步式气动抓手包括气爪连接座6-1、连接支架6-2、气爪安装板6-3、夹爪手指6-4和手指气缸6-5。其中，所述的气爪连接座6-1固定安装在并联工作臂4的前端；所述的连接支架6-2的上端与气爪连接座6-1固连，连接支架6-2的下端与气爪安装板6-3的顶部固连，且在连接支架6-2的中部还设有加强连杆6-21；在所述的气爪安装板6-3的底部设有导向套6-31，在所述的夹爪手指6-4的下端内侧设有防滑橡胶6-41，在所述的夹爪手指6-4的上端内侧设有导向杆6-42，所述的导向杆6-42套装在导向套6-31内，且与导向套6-31之间通过直线轴承相连接；所述的手指气缸6-5固定安装在气爪安装板6-3上，手指气缸6-5的两端分别与两个夹爪手指6-4通过铰链相连接，所述的手指气缸6-5为双作用气缸；在所述的气爪安装板6-3的顶部还设有电磁换向阀、安全阀。夹爪手指6-4的导向杆6-42在手指气缸6-5的驱动下，可沿着导向套6-31滑移，实现安装在同一个手指气缸6-5两端的夹爪手指6-4进行松开与夹紧的动作，进而实现每对夹爪手指6-4独立松开与夹紧，实现对异形砂芯或铸件的贴合式有效抓取。所述的夹爪手指6-4的对数范围为4-12。如此设计，用多指异步式气动抓手替换浇包，用于抓取砂芯组件、整体砂芯或铸件，可以使本发明具备组芯、下芯和搬运铸件的功能，进一步扩大了本发明的使用功能。其它组成及连接关系与具体实施方式一或具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

如图1、图3和图9所示，本实施方式中的回转马达23采用伺服减速电机。如此设计，直流伺服电机转速高，配合相应的RV精密减速器可以提供较大的扭矩；另外，直流伺服电机还可实现闭环控制，可实现较高的传动精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：

如图1、图2、图3和图9所示，本实施方式中的升降马达34采用伺服减速电机。如此设计，直流伺服电机转速高，配合相应的RV精密减速器可以提供较大的扭矩；另外，直流伺服电机还可实现闭环控制，可实现较高的传动精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

使用时，先根据铸造作业的任务选择合适的末端执行器6，执行浇注任务时选择浇包作为末端执行器，执行取芯、组芯、下芯和搬运任务时，尤其是当作业对象为异形砂芯和异形铸件时，可选择多指异步式气动抓手作为末端执行器。然后，根据作业要求启动前驱动轮12、后驱动轮13使四驱轮式移动平台1在车间内移动行走至指定作业位置，再根据作业姿态和高度要求分别调整回转装置2、升降装置3，通过调整本发明的并联工作臂4将末端执行器6调整到到合适的作业姿态和作业高度。在执行驻点作业时，尤其是针对重量比较大的铸件的浇注和装运时，由于前驱动轮12、后驱动轮13可能产生打滑或失稳，进而会影响铸造机器人的作业精度，需要将四条自平衡液压支腿14伸长，实现四驱轮式移动平台1的驻点稳定支撑。导航传感器、测距传感器位置、距离信息、双目视觉系统获取的图像信息、末端执行器的垂直位移和转角信息以及铸造机器人的实时工作状态参数等均在监视器16上直观显示，铸造机器人的姿态调整和作业任务等信息分析和处理任务由控制器15完成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种全向轮式可移动重载铸造机器人，包括四驱轮式移动平台、回转装置、升降装置、并联工作臂、配重装置、末端执行器和双目视觉系统，其特征在于：所述的四驱轮式移动平台包括平台车架、前驱动轮、后驱动轮、自平衡液压支腿、控制器和监视器，两个前驱动轮安装在平台车架的前端，两个后驱动轮安装在平台车架的后端，四个自平衡液压支腿对称安装在平台车架的四个角上，所述的控制器位于平台车架的后端，在平台车架后端中间位置还设有可旋转座椅，在可旋转座椅的一侧设有角度可调支架，所述的监视器固定安装在可调支架的顶部，且与可调支架通过铰链相连接；所述的回转装置位于四驱轮式移动平台的前端，且通过螺钉固定安装在平台车架上；所述的升降装置位于回转装置的正上方，且升降装置的底部固定安装在回转装置的顶部；所述的并联工作臂为2UPR-2UPU结构的四自由度并联机构，所述的末端执行器安装在并联工作臂的前端，并联工作臂的后端安装在升降装置上并可沿着升降装置上下滑移；所述的配重装置安装在升降装置上，且配重装置的前端与并联工作臂的后端通过铰链相连接；所述的双目视觉系统包括工业摄像机、图像采集卡和工业计算机，所述的工业摄像机有两部，且均设有LED照明光源，所述的图像采集卡集成安装在监视器内，所述的工业计算机集成安装在控制器内，所述的工业摄像机与图像采集卡通过数据线相连接，所述的图像采集卡与工业计算机通过数据线相连接；

所述的回转装置包括回转底座、回转体、回转马达、回转齿轮、内齿圈和回转顶盖，所述的回转底座通过螺钉固定安装在平台车架上；所述的回转体套装在回转底座内，且与回转底座之间通过径向轴承和组合轴承相连接，所述的组合轴承为圆柱滚子止推轴承与圆柱滚子径向轴承的组合体，所述的径向轴承采用圆柱滚子型径向轴承；所述的回转马达固定安装在回转底座的下方，所述的回转齿轮安装在回转马达的输出轴上；所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体内，且与回转齿轮保持内啮合；所述的回转顶盖固定安装在回转体的顶部，且与回转体通过螺钉相连接，在所述的回转顶盖的底部中心还设有角度传感器；

所述的升降装置包括升降底座、立柱、顶梁、升降马达、主动齿轮、从动齿轮、升降丝杠和升降螺母，所述的升降底座位于回转顶盖的上方且与回转顶盖通过螺钉相固连，所述的立柱有两个，呈左右对称布置在升降底座与顶梁之间，且与升降底座、顶梁均固连，在其中一个立柱的内侧面上设有大位移传感器，在两个立柱的前侧面上均固定安装有前直线导轨，在两个立柱的后部内侧面上均固定安装有后直线导轨；所述的升降丝杠的上下两端分别安装在顶梁和升降底座上，且与顶梁、升降底座均通过轴承相连接；所述的主动齿轮、从动齿轮均位于升降底座的下方，所述的升降马达固定安装在升降底座的顶面上，所述的主动齿轮固定安装在升降马达的输出轴上，所述的从动齿轮固定安装在升降丝杠的下端，所述的主动齿轮与从动齿轮保持外啮合；所述的升降螺母固定安装在并联工作臂的后端，且与升降丝杠通过螺纹相连接；

所述的配重装置包括链条、前链轮、后链轮和配重块，所述的链条、前链轮和后链轮的数量均为二，且呈左右对称布置在升降装置上，两个前链轮固定安装在顶梁的前侧面上，两个后链轮固定安装在顶梁的后侧面上；所述的链条的前端与并联工作臂的后端顶部通过铰链相连接，链条的后端与配重块通过铰链相连接，且所述的链条同时与前链轮、后链轮保持啮合；所述的配重块位于立柱的后侧面，在所述的配重块前端设有四个对称布置的后滑块且与立柱上的后直线导轨通过滑移副相连接；

所述的并联工作臂包括工作臂安装座、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述的工作臂安装座位于立柱的前侧面，在所述的工作臂安装座的后端面上设有四个对称布置的后滑块且与立柱的前直线导轨通过滑移副相连接，所述的升降螺母固定安装在工作臂安装座的后侧面上，所述的第一支链、第三支链的结构完全相同，机构拓扑结构均为UPU结构，且呈左右对称布置在工作臂安装座的前面；所述的第二支链、第四支链的结构完全相同，机构拓扑结构均为UPR结构，且呈上下对称布置在工作臂安装座的前面。

2.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的第一支链包括第一后万向节、第一伸缩杆组和第一前万向节，所述的第一后万向节的后端与工作臂安装座相固连，所述的第一伸缩杆组的后端与第一后万向节的前端相固连，所述的第一伸缩杆组的前端与第一前万向节的后端相固连，第一前万向节的前端与末端执行器相固连；第二支链包括第二后万向节、第二伸缩杆组和第一前铰链，所述的第二后万向节的后端与工作臂安装座相固连，所述的第二伸缩杆组的后端与第二后万向节的前端相固连，所述的第二伸缩杆组的前端与第一前铰链的后端相固连，第一前铰链的前端与末端执行器相固连；

所述的第一伸缩杆组包括第一后连接座、两根平行布置的第一伸缩杆、第一电动推杆和第一前连接座，所述的第一后连接座的后端与第一后万向节的前端相固连；所述的第一伸缩杆的后端与第一后连接座固连，所述的第一伸缩杆的前端与第一前连接座固连；所述的第一电动推杆的两端分别与第一后连接座、第一前连接座通过铰链相连接；所述的第一电动推杆与两根第一伸缩杆呈正三角形布置在第一后连接座、第一前连接座之间；所述的第二伸缩杆组与第一伸缩杆组的结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的末端执行器具体的采用浇包或两爪夹板式气动抓手或三指式同步气动手爪或多指异步式气动抓手。

4.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的回转马达、升降马达均采用伺服减速电机或伺服液压马达。

5.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的大位移传感器采用直线式磁栅传感器或直线型光栅传感器或直线式感应同步器。

6.根据权利要求2所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的前驱动轮和后驱动轮均采用全向轮。

7.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的两部工业摄像机固定安装在顶梁的前端两侧，且与顶梁之间通过两自由度云台相连接。

8.根据权利要求1所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：自平衡液压支腿的驱动动力采用电液伺服油缸或电液步进式液压缸。

9.根据权利要求2所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的第一后万向节的十字轴的两条轴线分别平行于第一前万向节的十字轴的两条轴线，所述的第一前铰链的轴线与第二后万向节的十字轴的一条轴线相平行；所述的第一前万向节的十字轴的水平轴线与第三支链的第二前万向节的十字轴的水平轴线保持同轴；第一后万向节的十字轴的竖直轴线、第二后万向节的十字轴的竖直轴线、第三支链上的第三后万向节的十字轴的竖直轴线和第四支链上的第四后万向节的十字轴的竖直轴线相互平行。

10.根据权利要求3所述的一种全向轮式可移动重载铸造机器人，其特征在于：所述的多指异步式气动抓手包括气爪连接座、连接支架、气爪安装板、夹爪手指和手指气缸，所述的气爪连接座固定安装在并联工作臂的前端；所述的连接支架的上下两端分别与气爪连接座和气爪安装板固连；在所述的气爪安装板的底部设有导向套，在所述的夹爪手指的下端内侧设有防滑橡胶，在所述的夹爪手指的上端内侧设有导向杆，所述的导向杆套装在导向套内，且与导向套之间通过直线轴承相连接；所述的手指气缸固定安装在气爪安装板上，手指气缸的两端分别与两个夹爪手指通过铰链相连接，所述的手指气缸为双作用气缸；在所述的气爪安装板的顶部还设有电磁换向阀、安全阀；所述的夹爪手指的对数范围为4-12，且每一对夹爪手指之间通过一个手指气缸独立连接与控制。