CN108032282A - 一种混联式移动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混联式移动机械手，包括移动平台、并联承载装置、机械手、监测系统、运动控制系统。本发明能够综合并联机构和串联机构的双重优点，提高了系统的刚度、工作空间、结构稳定性和作业灵活性；通过实时检测机械手执行作业任务的过程中移动平台的姿态信息和载荷信息，能够根据作业负载的变化，调整并联承载装置在移动平台的姿态，实现系统对负载变化的匹配。

Description

一种混联式移动机械手

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种混联式移动机械手。

背景技术

机械手被广泛应用到生产加工、服务运输等各个领域，具有工作效率高、重复精度好、功能强大等优点。然而，固定在操作台上的机械手，由于其工作空间十分有限，极大地制约了机械手功能的拓展。移动机器人是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合在复杂的非结构化环境中工作，集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体，相对固定式机器人和机械手，其应用范围和功能都大为拓展和提高，在军事、民用和科学研究中得到广泛应用，包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、农林、商业服务和灾害救护等，是机器人研究中的重要领域。

移动机械手是将机械手安装在移动机器人上，集成了移动平台和机械手两个子系统，这种结构使其拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，同时具有移动和操作功能，使其能够在更短的时间内，以更优的位姿完成更大范围内的任务，优于传统的机械手和移动机器人。文章《带有机械臂的全方位移动机器人的研制》采用全方位移动机构设计了一种全方位移动机械臂，但是其刚度和稳定性较低。专利CN201510206946.8公开了一种重载搬运装配移动机器人，采用移动平台和Stewart 并联平台，实现系统的搬运、装配作业，但是其系统的工作空间和作业灵活性明显受到限制。可以看出，现有技术中移动机械手的移动平台多是作为运动载体，其上搭载的机械手臂通常采用串联关节臂，这存在以下问题：单纯的基于串联机构的移动机械手，整体系统的刚度和稳定性较低，难以完成高强度的搬运作业，尤其是在负载变化或执行大负载抓取以及重载搬运作业时极易导致失稳，而此时仅仅具有运动载体功能的移动平台难以进行有效的反馈调节进行匹配，因而容易造成整车倾覆事故，影响移动机械手的高效稳定作业，增加了作业失败的可能性；而单纯的并联机构其系统的工作空间和作业灵活性明显受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种混联式移动机械手，基于并联机构和串联机构的优点，发明一种刚度高、工作空间大、结构稳定、作业灵活的新型移动机械手，同时能够根据作业负载的变化，通过调整并联承载装置在移动平台的姿态，实现系统对负载变化的匹配。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种混联式移动机械手，包括移动平台1、并联承载装置3和机械手2。所述的并联承载装置3包含上平台31和下平台32。所述上平台31为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313。在上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。在上平台31和下平台32之间设置有刚度支撑杆36。

进一步说，在上平台31的底面设置有3个加强筋板312、3个球铰安装座311和1个支撑架37。其中，3个加强筋板312呈品字形分布。3个球铰安装座311呈品字形分布。支撑架37位于上平台31底面的中心。

为了更好地说明本发明的结构特点，现换一角度对本发明的结构特点进行阐述：

一种混联式移动机械手，包括移动平台、并联承载装置、机械手，所述的并联承载装置具有上平台和下平台，并联承载装置的上平台的中部为网状辐射盘面，网状辐射盘面的中心设置有回转安装座，回转安装座上设置有回转支撑和圆柱齿轮，上平台的底面设置有加强筋板、球铰安装座和支撑架，并联承载装置的驱动元件通过球铰安装座安装在并联承载装置的上平台和下平台之间，上平台和下平台之间设置有刚度支撑杆，并联承载装置的下平台与移动平台的上表面通过移动副联接，机械手的底座固定在并联承载装置的上平台的回转安装座上，机械手第一关节的驱动元件安装在并联承载装置的支撑架内部。

所述的并联承载装置的下平台设置有移动导轨和传动螺母，下平台的表面设置有刚度支撑杆的第一连接铰。

所述的移动平台的上表面设置有导轨槽，导轨槽的一端为通槽，另一端为盲槽，移动平台的上表面与并联承载装置的下平台采用导轨副联接。

所述的加强筋板和球铰安装座在并联承载装置的上平台的底面成中心对称布置。

所述的加强筋板和球铰安装座均为3个，所述的每个球铰安装座均具有两个球窝。所述的支撑架的底面设置有刚度支撑杆的第二连接铰。所述的机械手具有单个或多个自由度。所述的并联承载装置的驱动元件为电机驱动。所述的机械手的驱动元件为电机驱动。

所述的混联式移动机械手，还包括监测系统和运动控制系统，监测系统包括姿态传感器和力传感器，姿态传感器和力传感器安装在移动平台上用以检测移动平台的姿态和载荷信息。工作时，根据作业对象的空间位置，运动控制系统控制移动平台运动到作业对象附近位置，进行粗定位，同时调整机械手的姿态，进行精定位，在此过程中，当机械手与作业对象之间的相对位置出现不匹配时，运动控制系统控制发出指令控制并联承载装置进行姿态调整，增加机械手与作业对象之间的定位协调空间。机械手与作业对象之间的定位完成后，根据作业工艺的要求，运动控制系统生成机械手的作业轨迹，控制机械手进行作业，作业过程中，当负载变化时，运动控制系统可控制并联承载装置进行姿态调整，实现整体系统对负载变化的匹配。

本发明的优点在于：

本发明的混联式移动机械手，能够综合并联机构和串联机构的双重优点，与传统的移动机械手相比，提高了系统的刚度、工作空间、结构稳定性和作业灵活性。采用的并联承载装置能够实现姿态的调整，有利于增加机械手与作业对象间的定位协调，进一步增大了系统的工作空间和灵活性。通过实时检测机械手作业过程中移动平台的姿态信息和载荷信息，当负载变化时，通过反馈控制，运动控制系统可控制并联承载装置进行姿态调整，实现整体系统对负载变化的匹配。

附图说明

图1本发明的移动机械手的结构图。

图2本发明的移动机械手的并联承载装置的主视图。

图3本发明的移动机械手的并联承载装置的俯视图。

图4本发明的并联承载装置上平台的俯视图。

图5本发明的并联承载装置上平台的底部结构图。

图6本发明的并联承载装置的支撑架的结构图。

图7本发明的并联承载装置下平台的结构图。

图8本发明的移动平台上表面的结构图。

图9本发明的混联式移动机械手的控制系统图。

图10本发明的并联承载装置的驱动模块的结构图。

上述图中的标记为：1、移动平台。12、导轨凹槽。2、机械手。21、机械手底座。22、机械手驱动电机。3、并联承载装置。31、并联承载装置的上平台。311、球铰安装座。312、加强筋板。313、回转安装座。3131、回转支撑。3132、圆柱齿轮。32、并联承载装置的下平台。33、并联承载装置的驱动模块。331、驱动电机。332、减速模块。3321、圆柱齿轮。3322、角接触轴承轴承。333、执行机构。3331、主动机构。3332、从动机构。34、移动导轨。35、传动螺母。36、刚度支撑杆。361、第一连接铰。362、第二连接铰。37、支撑架。4、监测系统。41、姿态传感器。42、力传感器。5、运动控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

参见图1，一种混联式移动机械手,包括移动平台1、并联承载装置3和机械手2。所述的并联承载装置3包含上平台31和下平台32。所述上平台31顶面的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313。在上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。在上平台31和下平台32之间设置有刚度支撑杆36。

进一步说，在上平台31的底面设置有3个加强筋板312、3个球铰安装座311和1个支撑架37。其中，3个加强筋板312呈品字形分布。3个球铰安装座311呈品字形分布。支撑架37位于上平台31底面的中心。

进一步说，支撑架37为铸造件整体结构。进一步说，支撑架37的截面为梯形结构。机械手2内含机械手第一关节的驱动元件。机械手第一关节的驱动元件安装在支撑架37之中。

进一步说，在上平台31和下平台32之间设有3个以上的并联承载装置的驱动模块33。进一步说，并联承载装置的驱动模块33为驱动模块，每个驱动模块包含至少一个传动环节。

进一步说，并联承载装置的驱动模块33的一端与球铰安装座311相连接。并联承载装置的驱动模块33的另一端通过安装座334与下平台32的顶部相连接。优选的方案是：上平台31的底部为球铰安装座。下平台32的顶部的安装模式采用下述方式之一：配有球铰安装座。不使用球铰安装座，直接把驱动模块33的安装座334固定上即可。

进一步说，并联承载装置的驱动模块33包括驱动电机331、减速模块332和执行机构333。其中，驱动电机331经减速模块332与执行机构333相连接。通过并联承载装置的驱动模块33对并联承载装置3姿态进行平稳调姿进一步说，减速模块332包括圆柱齿轮3321和角接触轴承轴承3322，换言之，是通过其中的圆柱齿轮3321和角接触轴承轴承3322完成传动的。

执行机构333包括主动机构3331和从动机构3332，其中主动机构3331为螺纹外表面，从动机构3332为螺纹内表面，主动机构3331和从动机构3332通过螺纹传动实现驱动电机331的运动到执行机构333的传递。

执行机构333的一端与球铰安装座311相连，另一端通过安装座334固定在下平台32的顶部。

进一步说，在并联承载装置的下平台32上设置有移动导轨34，在移动平台1的上表面设置有导轨槽12。导轨槽12的一端为通槽，另一端为盲槽。通过移动导轨34与导轨槽12的配合，实现并联承载装置的下平台32与移动平台1的上表面之间的相对滑动。

进一步说，机械手2含有一个机械手底座21。机械手底座21与回转安装座313固定连接。在回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。其中，回转支撑3131的内齿与圆柱齿轮3132的外齿啮合，圆柱齿轮3132带动回转支撑3131实现转动。

进一步说，机械手2含有机械手第一关节和机械手第一关节的驱动元件。机械手第一关节的驱动元件为机械手驱动电机22。机械手驱动电机22安装在支撑架37中。

进一步说，在下平台32的底面设置有移动导轨34，并配有传动螺母35。传动螺母35位于移动导轨34的中部，在驱动源的作用下，传动螺母35实现旋转，从而带动移动导轨34实现移动。在下平台32的表面设置有第一连接铰361。通过第一连接铰361使下平台32与刚度支撑杆36的一端相连接。所述刚度支撑杆36呈柱状结构，两端为柱状连杆，两端的柱状连杆通过压缩弹簧362进行连接。刚度支撑杆36负责增强并联承载装置3的刚度，同时减缓移动平台1带来的冲击，减小驱动模块33的承载。

进一步说，在移动平台1的上表面设置有导轨槽12。导轨槽12的一端为通槽，另一端为盲槽。移动平台1的上表面与下平台(32)采用导轨副联接。即，移动平台1的上表面与并联承载装置的下平台(32)通过导轨副实现相对滑动。

进一步说，加强筋板312和球铰安装座311在并联承载装置的上平台31的底面成中心对称布置。

进一步说，加强筋板312和球铰安装座311均为3个，所述的每个球铰安装座311均具有两个球窝。

进一步说，支撑架37的底面设置有第二连接铰362。通过第二连接铰362将支撑架37与刚度支撑杆36相连接。

进一步说，机械手2具有单个或多个自由度。

进一步说，并联承载装置3含有驱动元件。并联承载装置3的驱动元件为驱动电机。

进一步说，机械手2含有驱动元件。并联承载装置2的驱动元件为驱动电机。

进一步说，混联式移动机械手，还包括监测系统4和运动控制系统5。监测系统4包括姿态传感器41和力传感器42。姿态传感器41和力传感器42安装在移动平台1上用以检测移动平台1的姿态和载荷信息。

本发明所述混联式移动机械手的驱动方法：工作时，根据作业对象的空间位置，运动控制系统控制移动平台运动到作业对象附近位置，进行粗定位，同时调整机械手的姿态，进行精定位，在此过程中，当机械手与作业对象之间的相对位置出现不匹配时，运动控制系统控制发出指令控制并联承载装置进行姿态调整，增加机械手与作业对象之间的定位协调空间。机械手与作业对象之间的定位完成后，根据作业工艺的要求，运动控制系统生成机械手的作业轨迹，控制机械手进行作业，作业过程中，当负载变化时，运动控制系统可控制并联承载装置进行姿态调整，实现整体系统对负载变化的匹配。

实施例1

如图1和图2所示，一种混联式移动机械手，包括移动平台1、并联承载装置3、机械手2，机械手2具有六自由度，机械手2采用电机驱动，其中第一关节的驱动元件22安装在并联承载装置3的内部。并联承载装置3具有上平台31和下平台32。并联承载装置的下平台32设置有移动导轨34和传动螺母35，并联承载装置3的驱动元件33均匀分布安装在并联承载装置3的上平台31和下平台32之间，上平台31和下平台32之间设置有刚度支撑杆36。机械手2通过底座21固定在并联承载装置3的上平台31的回转安装座313上。

如图3、图4和图5所示，并联承载装置的上平台31的中部为网状辐射盘面，网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313，回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。如图6所示，支撑架37的底面设置有刚度支撑杆36的第二连接铰362，下平台32的表面设置有刚度支撑杆36的第一连接铰361。

如图7所示，移动平台1的上表面设置有导轨槽12，导轨槽12的一端为通槽，另一端为盲槽，移动平台1的上表面与并联承载装置3采用导轨副联接。

如图8所示，混联式移动机械手还包括监测系统4和运动控制系统5，监测系统包括姿态传感器41和力传感器42，姿态传感器41和力传感器42安装在移动平台1上用以检测移动平台1的姿态和载荷信息。

工作时，根据作业对象7的空间位置，运动控制系统5控制移动平台1运动到作业对象7附近位置，进行粗定位，同时调整机械手2的姿态，进行精定位，在此过程中，当机械手2与作业对象7之间的相对位置出现不匹配时，运动控制系统5控制发出指令控制并联承载装置3进行姿态调整，增加机械手2与作业对象7之间的定位协调空间；机械手2与作业对象7之间的定位完成后，根据作业工艺的要求，运动控制系统5生成机械手2的作业轨迹，控制机械手2进行作业，作业过程中，当负载变化时，运动控制系统5可控制并联承载装置3进行姿态调整，实现整体系统对负载变化的匹配。

本发明的混联式移动机械手，能够综合并联机构和串联机构的双重优点，与传统的移动机械手相比，提高了系统的刚度、工作空间、结构稳定性和作业灵活性；采用的并联承载装置能够实现姿态的调整，有利于增加机械手与作业对象间的定位协调，进一步增大了系统的工作空间和灵活性；通过实时检测机械手作业过程中移动平台的姿态信息和载荷信息，当负载变化时，通过反馈控制，运动控制系统可控制并联承载装置进行姿态调整，实现整体系统对负载变化的匹配。

Claims (10)

1.一种混联式移动机械手，其特征在于：包括移动平台（1）、并联承载装置（3）和机械手（2）；所述的并联承载装置（3）包含上平台（31）和下平台（32）；所述上平台（31）为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座（313）；在上平台（31）的底面设置有加强筋板（312）、球铰安装座（311）和支撑架（37）；在上平台（31）和下平台（32）之间设置有刚度支撑杆（36）。

2.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：在上平台（31）的底面设置有3个加强筋板（312）、3个球铰安装座（311）和1个支撑架（37）；其中，3个加强筋板（312）呈品字形分布；3个球铰安装座（311）呈品字形分布；支撑架（37）位于上平台（31）底面的中心。

3.根据权利要求2所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：支撑架（37）为铸造件整体结构；机械手（2）内含机械手第一关节的驱动元件；机械手第一关节的驱动元件安装在支撑架（37）之中。

4.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：在上平台（31）和下平台（32）之间设有3个以上的并联承载装置的驱动模块（33）。

5.根据权利要求4所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：并联承载装置的驱动模块（33）的一端与球铰安装座（311）相连接；并联承载装置的驱动模块（33）的另一端通过安装座（334）与下平台（32）的顶部相连接。

6.根据权利要求5所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：并联承载装置的驱动模块（33）包括驱动电机（331）、减速模块（332）和执行机构（333）；其中，驱动电机（331）经减速模块（332）与执行机构（333）相连接；通过并联承载装置的驱动模块（33）对并联承载装置（3）姿态进行平稳调姿；执行机构（333）的一端与球铰安装座（311）相连，另一端通过安装座（334）固定在下平台（32）的顶部。

7.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：并联承载装置的下平台（32）设置有移动导轨（34），在移动平台（1）的上表面设置有导轨槽（12）；导轨槽（12）的一端为通槽，另一端为盲槽；通过移动导轨（34）与导轨槽（12）的配合，实现并联承载装置的下平台（32）与移动平台（1）的上表面之间的相对滑动。

8.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：机械手（2）含有一个机械手底座（21）；机械手底座（21）与回转安装座（313）固定连接；在回转安装座（313）上设置有回转支撑（3131）和圆柱齿轮（3132），回转支撑（3131）的内齿与圆柱齿轮（3132）的外齿啮合，圆柱齿轮（3132）带动回转支撑（3131）实现转动。

9.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：机械手（2）含有机械手第一关节和机械手第一关节的驱动元件；机械手第一关节的驱动元件为机械手驱动电机（22）；机械手驱动电机（22）安装在支撑架（37）中。

10.根据权利要求1所述的一种混联式移动机械手，其特征在于：在下平台（32）的底面设置有移动导轨（34），并配有传动螺母（35）。