CN109454636B - 四自由度上下料机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度上下料机械手，基座包括底座、支撑柱和以在液压驱动下绕支撑柱转动的方式设置的回转缸体，机械臂包括臂体和以可在横向平面内做左右往复摆动的方式设置的末端执行器，臂体以可在竖直平面内做俯仰摆动运动的方式铰接设置于回转缸体上部；末端执行器包括可在液压驱动下绕自身轴线转动的第一回转轴、沿垂直方向与第一回转轴外侧固定连接的固定缸体和设置于固定缸体内并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第二回转轴；即可具有四个自由度的运动调整，使用定位精度大大提高，可满足多空间、多场景下的使用。且由于每个自由度的运动都是通过液压驱动调整，使得机械手整体具有较高的重载承载力，可适用于多种工件的使用。

Description

四自由度上下料机械手

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，特别涉及一种多自由度上下料机械手。

背景技术

上下料机械手作为重要支柱装备中较为主要的关键装备而被广泛研究，主要应用于汽车、船舶、舰艇、飞机、卫星、火箭、宇宙飞船、大型机床、大型生产线与设备组以及钢铁冶金等行业。采用上下料机械手，主要具有如下几个方面的突出优势：一是可以实现节约人力资源；有的料，尤其是比较中的料，往往需要几个工人才能完成，这是采用机床上下料装置，可以轻松解决问题；二是可以实现程序化操作，机床上下料装置是可以进行编程控制的，只要通过程序控制执行元件，即可实现自动操作控制，并且速度可调；三是可减少人为损耗，如果是人工操作的话，很难保证不出意外，造成工人伤亡或机器损坏，亦或是工件受损，采用机床上下料装置，这些意外情况都可以避免；四是可以大幅提高效率；采用机床上下料装置可显著减少空余时间，不间断的操作，对于加工任务时间紧急的情况下具有明显的优势。

现有技术中，在某些特殊的应用场合，对工业机械手的定位精度和承载能力提出了更高的要求，在重载的工作环境下，机械手由于大多采用液压驱动的方式，加上传动链和配合部件的影响，其运行的精度很难得到保证；而在机械手采用多自由度的情况下，如果对机械手的精度提出更高的要求，则会限制自由度方面的发展。也就是说，如何在定位精度和承载能力间取得平衡，使得上下料机械手在具有重载性能的同时，还可满足多自由度的定位精度，是现有技术中一个亟待解决的问题。为解决该问题，现有技术中出现了多种机械结构的机械手，其借助电动或气动的方式，与液动方式相互配合，并设置机械臂具有多自由度，以满足重载与定位精度的平衡，但多结构较为复杂，整体占用空间大，且需要较大范围的活动空间，使用场合有限，不能大范围的推广使用。

因此，需要对现有的上下料机械手进行改进，使其具有较好的适应性，可使用于较多工业设备制造领域，并使得其在具有较好的重载承载力的同时，可满足定位精度的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种四自由度上下料机械手，其具有较好的适应性，可使用于较多工业设备制造领域，并在具有较好的重载承载力的同时，可满足定位精度的要求。

本发明的四自由度上下料机械手，包括基座和基座配合设置的机械臂；

基座包括底座、竖直设置的支撑柱和可在液压驱动下绕支撑柱转动的方式外套支撑柱设置的回转缸体，机械臂以可在竖直平面内做俯仰摆动运动的方式铰接设置于回转缸体上部；

机械臂包括臂体和以可在横向平面内做左右往复摆动的方式设置于臂体末端并用于对工件进行夹持的末端执行器；

末端执行器包括沿竖向设置于臂体末端并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第一回转轴、沿垂直方向与第一回转轴外侧固定连接的固定缸体和设置于固定缸体内并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第二回转轴，且第二回转轴以轴线垂直相交的方式相对第一回转轴设置；

末端执行器还包括用于对工件夹持的夹持爪，夹持爪包括固定架、拉杆、第一夹持杆和第二夹持杆，第一夹持杆和第二夹持杆相对成夹持状态设置并均枢接于固定架，第二回转轴内沿轴向形成有拉杆伸缩腔室，拉杆的內端内置于拉杆伸缩腔室内并拉杆整体可沿第二回转轴轴向做前后伸缩运动，且拉杆的外端在做伸缩运动时可带动第一夹持杆和第二夹持杆相对固定架转动以用于对工件形成夹持或松开。

进一步，第一夹持杆和第二夹持杆结构相同，均包括与固定架枢接连接并绕枢接点转动的枢接部、位于外侧的夹持爪部和位于内侧的驱动杆部，且驱动杆部上均设置由条形孔，第一夹持杆和第二夹持杆的驱动杆部成交叉设置，且拉杆的外末端上设置的销轴同时穿过两条形孔形成连接，并在拉杆做伸缩运动时，销轴可沿两驱动杆部的条形孔同时滑动。

进一步，固定架上设置有用于对销轴前后移动导向的导向条孔。

进一步，拉杆通过液压驱动的方式实现在拉杆活动腔室内的伸缩运动，且拉杆活动腔室内设置有压缩弹簧，压缩弹簧一端抵止于拉杆活动腔室底壁，一端抵止于拉杆的內端上。

进一步，第二回转轴靠近第一回转轴一端嵌入第一回转轴设置。

进一步，回转缸体与支撑柱间设置有第一动块和第一定块，第一动块与支撑柱固定连接，第一定块与回转缸体连接，且第一动块和第一定块将回转缸体与支撑柱间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动回转缸体相对支撑柱转动的第一液腔。

进一步，固定缸体与第二回转轴之间设置有第二动块和第二定块，第二动块与第二回转轴固定连接，第二定块与固定缸体固定连接，且第二动块和第二定块将固定缸体与第二回转轴间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第二回转轴相对固定缸体转动的第二液腔。

进一步，第一回转轴包括轴体和形成于轴体上的环形轴肩部，臂体的末端形成用于支撑安装环形轴肩部的轴腔，环形轴肩部支撑于轴腔内并端面通过深沟球轴承与轴腔转动配合。

进一步，臂体的末端对应第一回转轴的端部设置有用于驱动第一回转轴绕自身轴线转动的液压驱动装置，液压驱动装置包括外套第一回转轴的端部设置的液压驱动缸体、设置在液压驱动缸体与第一回转轴间的第三动块和第三定块，第三动块与第一回转轴固定连接，第三定块与液压驱动缸体固定连接，且第三动块和第三定块将液压驱动缸体与第一回转轴间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第一回转轴相对液压驱动缸体转动的第三液腔。

进一步，第一夹持杆和第二夹持杆的夹持爪部上分别设置有一V形手指块。

本发明的有益效果：本发明的四自由度上下料机械手，由于回转缸体可相对竖直设置的支撑柱转动，可带动机械臂整体在横向平面内转动，以实现大范围的夹持位置调整，且末端执行器可相对臂体在横向平面内做左右往复摆动，以实现小范围内末端执行器位置的调整，满足精度要求；同时机械臂整体可在竖直平面内做俯仰摆动运动和末端夹持爪可在第二回转轴的带动下绕第二回转轴的轴线转动，实现上下俯仰摆动和自身的回转转动，即可具有四个自由度的运动调整，使用定位精度大大提高，可满足多空间、多场景下的使用。

并且，在定位精度大大提高的同时，由于每个自由度的运动都是通过液压驱动调整，使得机械手整体具有较高的重载承载力，可适用于多种工件的使用。即保证了定位精度的同时，也满足了重载需求，较好的解决了现有技术中重载需求与定位精度相互矛盾的问题。

另外，由于末端执行器的第二回转轴对应拉杆形成有用于拉杆伸缩运动的拉杆伸缩腔室，使得末端执行器的整体结构更加紧凑，在整体占用空间较小的情况下即可满足活动需要，整体性能大大提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中的基座结构示意图；

图3为图2A-A向截面结构示意图；

图4为本发明的末端执行器与臂体连接结构示意图；

图5为图4中B-B向截面结构示意图；

图6为图4中C-C向截面结构示意图；

图7为本发明中夹持爪结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。

本发明提出一种四自由度上下料机械手。

参照图1-图7，图1为本发明整体结构示意图，图2为本发明中的基座结构示意图，图3为图2A-A向截面结构示意图，图4为本发明的末端执行器与臂体连接结构示意图，图5为图4中B-B向截面结构示意图，图6为图4中C-C向截面结构示意图，图7为本发明中夹持爪结构示意图，如图所示：本实施例的四自由度上下料机械手，包括基座1和基座1配合设置的机械臂2；

基座1包括底座1-1、竖直设置的支撑柱1-2和可在液压驱动下绕支撑柱1-2转动的方式外套支撑柱1-2设置的回转缸体1-3，机械臂2以可在竖直平面内做俯仰摆动运动的方式铰接设置于回转缸体1-3上部即，机械臂整体铰接设置在回转缸体上，回转缸体上设置有铰接座1-6；其中，底座1-1可设置为移动式或固定式，支撑柱1-2为立柱结构，回转缸体1-3安装在支撑柱1-2上，当液压驱动时，回转缸体1-3可相对支撑柱1-2绕支撑柱1-2的轴线转动，回转缸体1-3与支撑柱1-2之间通过轴承实现转动配合，并在液压腔内实现密封结构；机械臂2通过伸长液压缸3实现俯仰摆动运动，伸长液压缸3的缸体3-1与回转缸体1-3铰接连接，伸长液压缸3的活塞杆3-2与机械臂2的臂体固定连接；即通过回转缸体1-3的回转转动实现机械臂2整体大范围的在横向水平面内的摆动，而通过伸长液压缸3实现机械臂2整体在竖直水平面内的俯仰摆动，这两个自由度可实现机械臂2整体的大范围调整；

机械臂2包括臂体2-1和以可在横向平面内做左右往复摆动的方式设置于臂体2-1末端并用于对工件进行夹持的末端执行器；即末端执行器可实现在横向水平面内的左右往复摆动，以实现在小范围内的位置调整；

末端执行器包括沿竖向设置于臂体2-1末端并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第一回转轴2-2、沿垂直方向与第一回转轴2-2外侧固定连接的固定缸体2-3和设置于固定缸体2-3内并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第二回转轴2-4，且第二回转轴2-4以轴线垂直相交的方式相对第一回转轴2-2设置；即末端执行器通过第一回转轴2-2绕自身轴线的转动实现在横向水平面内的左右往复摆动，而通过第二回转轴2-4绕自身轴线的转动，可实现末端执行器绕第二回转轴2-4轴线的转动，从而实现精度控制；

末端执行器还包括用于对工件4夹持的夹持爪，夹持爪包括固定架2-5、拉杆2-6、第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8相对成夹持状态设置并均枢接于固定架2-5，第二回转轴2-4内沿轴向形成有拉杆伸缩腔室2-9，拉杆2-6的內端内置于拉杆伸缩腔室2-9内并拉杆2-6整体可沿第二回转轴2-4轴向做前后伸缩运动，且拉杆內端上设置有活塞体2-12，且拉杆2-6的外端在做伸缩运动时可带动第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8相对固定架2-5转动以用于对工件4形成夹持或松开。如图所示，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8与固定架2-5的枢接点分别对应位于固定架2-5的相对两侧，通过拉杆2-6的伸缩运动，带动第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8分别绕各自的枢接点转动，实现夹持或松开，结构简单，实现方便，制造和安装均方便；且由于拉杆2-6的伸缩腔室形成于第二回转轴2-4的内部，不仅保证了拉杆2-6的导向性和工作稳定性，且无需在外部单独设置拉杆2-6的驱动机构，使得末端执行器的整体结构紧凑性大大提高，在较小的活动空间内即可完成对工件4的夹持，同样提高了精度控制。

本实施例中，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8结构相同，均包括与固定架2-5枢接连接并绕枢接点转动的枢接部2-7-1、位于外侧的夹持爪部2-7-2和位于内侧的驱动杆部2-7-3，且驱动杆部2-7-3上均设置由条形孔2-7-4，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8的驱动杆部2-7-3成交叉设置，且拉杆2-6的外末端上设置的销轴2-24同时两条形孔2-7-4穿过形成连接，并在拉杆2-6做伸缩运动时，销轴2-24可沿两驱动杆部2-7-3的条形孔2-7-4同时滑动。如图所示，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8的枢接部2-7-1通过一转动轴与固定架2-5实现转动配合，即第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8以各自枢接点为支点分别形成杠杆结构，并在拉杆2-6的同时取得下实现相向夹持运动或相反松开运动。另外，通过销轴2-24同时穿过交叉设置的驱动杆部2-7-3的条形孔2-7-4内形成连接的结构，不仅方便同时驱动两夹持杆，且驱动结构稳定，两夹持杆的同步性胶好，不易造成任一夹持杆的不同步运动，具体工作过程为，当拉杆2-6在拉杆伸缩腔室2-9内向内运动时，拉杆2-6末端的销轴2-24在两夹持杆的条形孔2-7-4内向后运动，从而使得两夹持杆的夹持爪部2-7-2相互靠近，对工件4进行夹持，而当拉杆2-6在拉杆伸缩腔室2-9内向外运动时，两夹持杆的夹持爪部2-7-2则相互远离。

本实施例中，固定架2-5上设置有用于对销轴2-24前后移动导向的导向条孔2-10；销轴2-24随拉杆2-6做前后运动时，销轴2-24在导向条孔内运动，具有较好的稳定性。

本实施例中，拉杆2-6通过液压驱动的方式实现在拉杆2-6活动腔室内的伸缩运动，且拉杆2-6活动腔室内设置有压缩弹,2-13，压缩弹簧2-13一端抵止于拉杆2-6活动腔室底壁，一端抵止于拉杆2-6的內端上；可通过往拉杆伸缩腔室2-9内注入液压油的方式驱动拉杆2-6伸缩运动，当拉杆2-6向内运动时，对压缩弹簧形成压迫，增加拉杆2-6运动的平顺性，不会过急或过缓，且当拉杆2-6向外运动时，压缩弹簧回位，方便拉杆2-6的快速回位，以节省液压油。

本实施例中，第二回转轴2-4靠近第一回转轴2-2一端嵌入第一回转轴2-2设置；不但使得结构更加紧凑，并使得第二回转轴2-4与第一回转轴2-2的配合更加紧密，提高了第二回转轴2-4所承受末端工件4的承载力，整体结构的稳定性大大提高。

本实施例中，回转缸体1-3与支撑柱1-2间设置有第一动块1-4和第一定块1-5，第一动块1-4与支撑柱1-2固定连接，第一定块1-5与回转缸体1-3连接，且第一动块1-4和第一定块1-5内将回转缸体1-3与支撑柱1-2间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动回转缸体1-3相对支撑柱1-2转动的第一液腔1-8；如图所示，第一动块1-4和第一定块1-5均为扇形结构，并径向两侧分别与回转缸体1-3和支撑柱1-2形成密封保护，即形成两个相互独立的第一液腔1-8，而往其中一个第一液腔1-8内注入液压油时，由于第一动块1-4与支撑柱1-2固定连接，第一定块1-5与回转缸体1-3连接，在液压力的驱动下，回转缸体1-3相对支撑柱1-2形成转动，回转缸体1-3与支撑柱1-2的转动配合通过轴承实现，第一动块1-4与支撑柱1-2固定连接，第一定块1-5与回转缸体1-3连接均通过螺钉实现；另外，第一动块1-4与支撑柱1-2间先通过键1-7连接，然后再通过螺钉连接。

本实施例中，固定缸体2-3与第二回转轴2-4之间设置有第二动块2-14和第二定块2-15，第二动块2-14与第二回转轴2-4固定连接，第二定块2-15与固定缸体2-3固定连接，且第二动块2-14和第二定块2-15内将固定缸体2-3与第二回转轴2-4间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第二回转轴2-4相对固定缸体2-3转动的第二液腔2-16；如图所示，第二动块2-14和第二定块2-15均为扇形结构，并径向两侧分别与固定缸体2-3和第二回转轴2-4形成密封保护，即形成两个相互独立的第二液腔2-16，而往其中一个第二液腔2-16内注入液压油时，由于第二动块2-14与第二回转轴2-4固定连接，第二定块2-15与固定缸体2-3固定连接，在液压力的驱动下，第二回转轴2-4相对固定缸体2-3形成转动，固定缸体2-3与第二回转轴2-4的转动配合通过轴承实现，第二动块2-14与第二回转轴2-4固定连接，第二定块2-15与固定缸体2-3固定连接均通过螺钉实现；另外，第二动块2-14与第二回转轴2-4间先通过键2-17连接，然后再通过螺钉连接。

本实施例中，第一回转轴2-2包括轴体和形成于轴体上的环形轴肩部2-2-1，臂体2-1的末端形成用于支撑安装环形轴肩部2-2-1的轴腔2-1-1，环形轴肩部2-2-1支撑于轴腔2-1-1内并端面通过深沟球轴承2-18与轴腔2-1-1转动配合。臂体2-1的末端对应第一回转轴2-2的端部设置有用于驱动第一回转轴2-2绕自身轴线转动的液压驱动装置，液压驱动装置包括外套第一回转轴2-2的端部设置的液压驱动缸体2-20、设置在液压驱动缸体2-20与第一回转轴2-2间的第三动块2-21和第三定块2-22，第三动块2-21与第一回转轴2-2通过键2-19连接，并通过螺钉连接，第三定块2-22与液压驱动缸体2-20固定连接，且第三动块2-21和第三定块2-22将液压驱动缸体2-20与第一回转轴2-2间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第一回转轴2-2相对液压驱动缸体2-20转动的第三液腔2-23。

本实施例中，第一夹持杆2-7和第二夹持杆2-8的夹持爪部2-7-2上分别设置有一V形手指块2-11；另外，第一夹持杆和第二夹持杆为上下设置的两组，每一组包括一第一夹持杆和第一第二夹持杆。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种四自由度上下料机械手，其特征在于：包括基座和与基座配合设置的机械臂；

所述基座包括底座、竖直设置的支撑柱和以在液压驱动下绕支撑柱转动的方式外套支撑柱设置的回转缸体，所述机械臂以可在竖直平面内做俯仰摆动运动的方式铰接设置于所述回转缸体上部；

所述机械臂包括臂体和以可在横向平面内做左右往复摆动的方式设置于臂体末端并用于对工件进行夹持的末端执行器；

所述末端执行器包括沿竖向设置于臂体末端并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第一回转轴、沿垂直方向与第一回转轴外侧固定连接的固定缸体和设置于固定缸体内并可在液压驱动下绕自身轴线转动的第二回转轴，且所述第二回转轴以轴线垂直相交的方式相对第一回转轴设置，且所述第二回转轴靠近第一回转轴一端嵌入所述第一回转轴设置；

所述第一回转轴包括轴体和形成于轴体上的环形轴肩部，所述臂体的末端形成用于支撑安装环形轴肩部的轴腔，所述环形轴肩部支撑于所述轴腔内并端面通过深沟球轴承与轴腔转动配合；

所述臂体的末端对应第一回转轴的端部设置有用于驱动第一回转轴绕自身轴线转动的液压驱动装置，所述液压驱动装置包括外套第一回转轴的端部设置的液压驱动缸体、设置在液压驱动缸体与第一回转轴间的第三动块和第三定块，所述第三动块与第一回转轴固定连接，所述第三定块与液压驱动缸体固定连接，且所述第三动块和所述第三定块将所述液压驱动缸体与第一回转轴间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第一回转轴相对液压驱动缸体转动的第三液腔；

所述末端执行器还包括用于对工件夹持的夹持爪，所述夹持爪包括固定架、拉杆、第一夹持杆和第二夹持杆，所述第一夹持杆和所述第二夹持杆相对成夹持状态设置并均枢接于所述固定架，所述第二回转轴内沿轴向形成有拉杆伸缩腔室，所述拉杆的內端内置于拉杆伸缩腔室内并拉杆整体可沿第二回转轴轴向做前后伸缩运动，且拉杆的外端在做伸缩运动时可带动第一夹持杆和第二夹持杆相对固定架转动以用于对工件形成夹持或松开。

2.根据权利要求1所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：所述第一夹持杆和所述第二夹持杆结构相同，均包括与固定架枢接连接并绕枢接点转动的枢接部、位于外侧的夹持爪部和位于内侧的驱动杆部，且驱动杆部上均设置由条形孔，所述第一夹持杆和所述第二夹持杆的驱动杆部成交叉设置，且拉杆的外末端上设置的销轴同时穿过两条形孔形成连接，并在拉杆做伸缩运动时，所述销轴可沿两驱动杆部的条形孔同时滑动。

3.根据权利要求2所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：所述固定架上设置有用于对销轴前后移动导向的导向条孔。

4.根据权利要求3所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：所述拉杆通过液压驱动的方式实现在拉杆活动腔室内的伸缩运动，且拉杆活动腔室内设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧一端抵止于拉杆活动腔室底壁，一端抵止于所述拉杆的內端上。

5.根据权利要求4所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：所述回转缸体与所述支撑柱间设置有第一动块和第一定块，所述第一动块与所述支撑柱固定连接，所述第一定块与所述回转缸体连接，且所述第一动块和所述第一定块将所述回转缸体与支撑柱间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动回转缸体相对支撑柱转动的第一液腔。

6.根据权利要求5所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：所述固定缸体与所述第二回转轴之间设置有第二动块和第二定块，所述第二动块与所述第二回转轴固定连接，所述第二定块与所述固定缸体固定连接，且所述第二动块和所述第二定块将所述固定缸体与第二回转轴间的环形间隙分隔成两个彼此独立并用于注液驱动第二回转轴相对固定缸体转动的第二液腔。

7.根据权利要求1所述的四自由度上下料机械手，其特征在于：第一夹持杆和第二夹持杆的夹持爪部上分别设置有一V形手指块。

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