CN109848971A - 一种用于码垛的工业并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于码垛的工业并联机器人，连接于移动导轨下方，包括定平台、载荷平台和末端执行器，所述的定平台上方设有T形移动夹头；所述的末端执行器连接于载荷平台下方；所述的定平台与载荷平台之间设有4条连杆机构，所述的连杆机构包括第一虎克铰链、驱动连杆、圆柱销、被动连杆和第二虎克铰链，所述的驱动连杆通过第一虎克铰链铰接于定平台上，所述的驱动连杆通过圆柱销与被动连杆铰接，所述的被动连杆通过第二虎克铰链铰接于载荷平台上；所述的第一虎克铰链上连接有驱动电机。与现有技术相比，本发明具有工作精度高、承载能力强、自动化程度高、稳定性强和成本低等优点。

Description

一种用于码垛的工业并联机器人

技术领域

本发明涉及一种属于并联机器人结构及运输物流、饮料产业等应用领域，尤其是涉及一种用于码垛的工业并联机器人。

背景技术

随着工业生产中“新自动化，新无人化”的发展，机器人因其环境适应性强、操作精度高、重复作业效率高等优点，愈发占据着工业生产的重要位置。工业机器人根据结构不同可分为串联机器人、并联机器人和混联机器人，其中并联机器人因承载能力强、精度高等优点，成为21世纪机器人行业研究和发展的重点。根据工业作业任务对机器人的自由度需求不同，近年来少自由度(自由度小于6)并联机器人成为众多学者研究的热点。

工业上，机器人不仅可以提高生产效率，降低成本，还可以减轻劳动强度，改善劳动环境，保证人身安全。其中用于码垛行业的机器人实现了从人工码垛、码垛机码垛向自动化码垛的转变。

用于工业码垛的机器人中，由于串联机器人承载能力较小、精度低、作业效率较低，因此大承载能力的并联机器人越来越受到关注，因此亟需研发一种具有较好性能的并联机器人，以此应用在化工、建材、饮料、自动化物流等行业。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于码垛的工业并联机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于码垛的工业并联机器人，连接于移动导轨下方，包括定平台、载荷平台和末端执行器，所述的定平台上方设有T形移动夹头，所述的T形移动夹头连接于移动导轨下方；所述的末端执行器连接于载荷平台下方；所述的定平台与载荷平台之间设有4条连杆机构，所述的连杆机构包括第一虎克铰链、驱动连杆、圆柱销、被动连杆和第二虎克铰链，所述的驱动连杆通过第一虎克铰链铰接于定平台上，所述的驱动连杆通过圆柱销与被动连杆铰接，所述的被动连杆通过第二虎克铰链铰接于载荷平台上；所述的第一虎克铰链上连接有驱动电机。

进一步地，所述的第一虎克铰链包括第一垂直轴、第一水平轴和第一横轴支架，所述的第一垂直轴的一端连接于定平台上，另一端连接于第一水平轴上，所述的第一水平轴的两端活动穿套于第一横轴支架上，所述的驱动连杆的一端连接于第一横轴支架上，另一端连接于圆柱销上，所述的第一水平轴与所述的驱动电机的输出轴连接。通过电机驱动实现驱动连杆4和被动连杆6的角度变化，从而使载荷平台实现所需的自由度。连杆机构具体的相对于并联机器人的支链，该并联机器人的每条支链均为5自由度URU(U—虎克铰链；R—转动副)结构，每条支链均通过等效U副与载荷平台和定平台相连，支链中的连杆通过R副相连。

进一步地，所述的第二虎克铰链包括第二垂直轴、第二水平轴和第二横轴支架，所述的第二垂直轴的一端连接于载荷平台上，另一端连接于第二水平轴上，所述的第二水平轴的两端活动穿套于第二横轴支架上。

进一步地，所述的被动连杆一端设有圆柱销支架，另一端连接于所述的第二横轴支架上，所述的圆柱销的两端活动穿套于圆柱销支架上。

进一步地，所述的末端执行器通过转轴连接于载荷平台下方。

进一步地，所述的末端执行器为机械手爪。

进一步地，所述的机械手爪为吸附式、夹板式、抓取式手爪中的一种或多种的组合。

进一步地，所述的定平台和载荷平台均为矩形板状结构，第一垂直轴和第二垂直轴分别连接于定平台和载荷平台的四角处位置。

进一步地，所述的机械手爪为夹板式，所述机械手爪的夹持部位上设有凸起的爪钩。手爪的加持力度较大，可一次码多箱/盒，并且两侧板光滑，不会损伤物品的外观质量，手爪末端设有爪钩，起到支撑物品，防止运动过程中物品脱落的作用，手爪可根据需要更换为吸附式、抓取式或组合式。

进一步地，所述的载荷平台的面积为定平台的0.65倍。载荷平台面积相对于定平台面积过大，机构垂直方向位移变小，过小导致承载能力降低。该机器人奇异位姿较少，运动灵活可靠，工作空间成半椭球形，各向同性度较好。该机构为结构完全对称，可有效提高承载能力。

进一步地，机器人通过定平台2的T形移动夹头1与外部移动导轨连接，实现机器人的整体移动，此时拥有一个驱动副，定平台上方为T形移动夹头，可与移动导轨形成间隙配合，实现机器人在空间中的整体移动。

进一步地，在抓放模式下，机器人本体的自由度为4，拥有4个驱动副，载荷平台上的转轴和末端执行器各有1个局部自由度，拥有两个驱动副，因此在抓放模式下机器人共需要6台电机驱动。载荷平台通过能实现整周回转的转子与夹板式手爪相连，有利于机器人在码垛过程中的正确调姿。由于自由度的限制，在执行操作任务过程中，定平台与载荷平台始终保持平行，以防止码垛时物品的倾倒。

进一步地，第一虎克铰链是通过一个与定平台平行的横向轴与一个与定平台垂直的纵向轴相交组成，并且与定平台平行的横向轴为驱动轴；第二虎克铰链是通过一个与载荷平台平行的横向轴与一个与载荷平台垂直的纵向轴相交组成，在机器人执行操作任务过程中，轴线位置始终保持不变。

本发明提出的用于码垛的并联机器人可以完成两种运动模式，包括整体运动模式和抓放模式。其运动特征在于，整体运动时，该并联机器人所有结构相对于定平台静止，定平台上方的T形移动夹头与外部导轨间隙配合实现机器人整体的直线运动，以适应码垛时较长距离的搬运，外部采用“油封”以避免移动时的过度摩擦影响机器人使用寿命。虎克铰链中的垂直轴与定平台直接连接，该轴的转动为被动运动，能实现支链在定平台和载荷平台之间的转动，以适应载荷平台的自由度，避免约束。第一虎克铰链中的水平轴为驱动轴，该机器人4条支链完全相同，因此共4个驱动轴，由四个电机带动，电机带动驱动连杆，使驱动连杆相对于定平台产生绝对运动。支链中的圆柱销是连接定平台和载荷平台以及传递运动的媒介，圆柱销与驱动连杆和被动连杆直接相连，使被动连杆绕驱动连杆的一端转动，转动角度的变化直接决定载荷平台在垂直方向上的运动距离。第二虎克铰链中的水平轴与圆柱销、第一虎克铰链中的水平轴轴线平行，决定了载荷平台在空间的三维移动自由度，第二虎克铰链中的垂直轴与第一虎克铰链中的垂直轴轴线平行，决定了载荷平台的一维转动。由于该并联机器人的结构限制，载荷平台的一维转动角度较小，不能满足码垛任务的要求，为此在载荷平台上安装能实现整周回转的转子，该转子的转动轴线垂直于载荷平台，用于码垛时对所抓取的物体的旋转调姿。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提出的用于码垛的并联机器人的4条支链在定平台和载荷平台之间均匀布置，能提高机器人的承载能力和各向同性度，从而提高机器人作业时的稳定性和效率。

2)本发明中的并联机器人适用于质量较大型或轻型物品的码垛领域，使用范围广泛，例如金属板材、饮料制品等密度较大的物品或一些较小的物品。该并联机器人在抓放模式下，由4台电机同时驱动4条支链作业，共同承担载荷平台上的负载，并可承受较大的冲击，具有较大的刚度和强度。

3)本方案中的驱动连杆和被动连杆长度接近相同，既有效增大了机器人的工作空间体积，又避免被动连杆过长惯性力过大，防止对机构整体运动产生扰动。

4)本技术方案中支链末端与定平台和载荷平台均采用虎克铰链连接，结构紧凑，所占空间较小，可承受较大的载荷。

5)机器人本体为自由度为4并联机构，并配有局部自由度，操作控制简单，动作灵活可靠，具有高精度和高效性的特点。

6)本技术方案通过替换末端执行器的类型，可完成多种码垛的操作任务，从而能更好的应用于自动化工业领域。

附图说明

图1为本发明中工业并联机器人的整体结构示意图；

图2为本发明中第一虎克铰链的具体结构示意图；

图3为本发明中圆柱销的具体结构示意图；

图4为本发明中第二虎克铰链的具体结构示意图；

图5为本发明中末端执行器的具体结构示意图。

图中：1、T形移动夹头，2、定平台，3、第一虎克铰链，4、驱动连杆，5、圆柱销，6、被动连杆，7、第二虎克铰链，8、载荷平台，9、转轴，10、末端执行器，31、第一垂直轴，32、第一水平轴，33、第一横轴支架，61、圆柱销支架，71、第二垂直轴，72、第二水平轴，73、第二横轴支架，101、爪钩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

用于码垛的工业并联机器人，连接于移动导轨下方，包括定平台2、载荷平台8和末端执行器10，参见图1。

定平台2部分：参见图1，其上方设有T形移动夹头1，所述的T形移动夹头1连接于移动导轨下方。机器人通过定平台2的T形移动夹头1与外部移动导轨连接，实现机器人的整体移动，此时拥有一个驱动副，定平台上方为T形移动夹头，可与移动导轨形成间隙配合，实现机器人在空间中的整体移动。定平台2和载荷平台8均为矩形板状结构，第一垂直轴31和第二垂直轴71分别连接于定平台2和载荷平台8的四角处位置。

末端执行器10部分：其连接于载荷平台8下方，参见图1与图5。所述的末端执行器10通过转轴9连接于载荷平台8下方。所述的末端执行器10为机械手爪。所述的机械手爪为吸附式、夹板式、抓取式手爪中的一种或多种的组合。所述的机械手爪为夹板式，所述机械手爪的夹持部位上设有凸起的爪钩101。手爪的加持力度较大，可一次码多箱/盒，并且两侧板光滑，不会损伤物品的外观质量，手爪末端设有爪钩，起到支撑物品，防止运动过程中物品脱落的作用，手爪可根据需要更换为吸附式、抓取式或组合式。

连杆机构部分：定平台2与载荷平台8之间设有4条连杆机构，参见图1，所述的连杆机构包括第一虎克铰链3、驱动连杆4、圆柱销5、被动连杆6和第二虎克铰链7，所述的驱动连杆4通过第一虎克铰链3铰接于定平台2上，所述的驱动连杆4通过圆柱销5与被动连杆6铰接，所述的被动连杆6通过第二虎克铰链7铰接于载荷平台8上；所述的第一虎克铰链3上连接有驱动电机。

具体实施时，第一虎克铰链3包括第一垂直轴31、第一水平轴32和第一横轴支架33，参见图2，所述的第一垂直轴31的一端连接于定平台2上，另一端连接于第一水平轴32上，所述的第一水平轴32的两端活动穿套于第一横轴支架33上，所述的驱动连杆4的一端连接于第一横轴支架33上，另一端连接于圆柱销5上，所述的第一水平轴32与所述的驱动电机的输出轴连接。通过电机驱动实现驱动连杆4和被动连杆6的角度变化，从而使载荷平台实现所需的自由度。连杆机构具体的相对于并联机器人的支链，该并联机器人的每条支链均为5自由度URU(U—虎克铰链；R—转动副结构)，每条支链均通过等效U副与载荷平台和定平台相连，支链中的连杆通过R副相连。

具体实施时，第二虎克铰链7包括第二垂直轴71、第二水平轴72和第二横轴支架73，参见图4，所述的第二垂直轴71的一端连接于载荷平台8上，另一端连接于第二水平轴72上，所述的第二水平轴72的两端活动穿套于第二横轴支架73上。参见图3，所述的被动连杆6一端设有圆柱销支架61，另一端连接于所述的第二横轴支架73上，所述的圆柱销5的两端活动穿套于圆柱销支架61上。

运行原理及过程：虎克铰链中的垂直轴与定平台直接连接，该轴的转动为被动运动，能实现支链在定平台和载荷平台之间的转动，以适应载荷平台的自由度，避免约束。第一虎克铰链中的水平轴为驱动轴，该机器人4条支链完全相同，因此共4个驱动轴，由四个电机带动，电机带动驱动连杆，使驱动连杆相对于定平台产生绝对运动。支链中的圆柱销是连接定平台和载荷平台以及传递运动的媒介，圆柱销与驱动连杆和被动连杆直接相连，使被动连杆绕驱动连杆的一端转动，转动角度的变化直接决定载荷平台在垂直方向上的运动距离。第二虎克铰链7中的水平轴与圆柱销5、第一虎克铰链中的水平轴轴线平行，决定了载荷平台在空间的三维移动自由度，第二虎克铰链7中的垂直轴与第一虎克铰链3中的垂直轴轴线平行，决定了载荷平台的一维转动。由于该并联机器人的结构限制，载荷平台的一维转动角度较小，不能满足码垛任务的要求，为此在载荷平台上安装能实现整周回转的转子，该转子的转动轴线垂直于载荷平台，用于码垛时对所抓取的物体的旋转调姿。

载荷平台8部分：其面积为定平台2的0.65倍。载荷平台面积相对于定平台面积过大，机构垂直方向位移变小，过小导致承载能力降低。该机器人奇异位姿较少，运动灵活可靠，工作空间成半椭球形，各向同性度较好。该机构为结构完全对称，可有效提高承载能力。

本发明提出的用于码垛的并联机器人可以完成两种运动模式，包括整体运动模式和抓放模式。整体运动时，该并联机器人所有结构相对于定平台静止，定平台上方的T形移动夹头与外部导轨间隙配合实现机器人整体的直线运动，以适应码垛时较长距离的搬运，外部采用“油封”以避免移动时的过度摩擦影响机器人使用寿命。

在抓放模式下，机器人本体的自由度为4，拥有4个驱动副，载荷平台上的转轴9和末端执行器10各有1个局部自由度，拥有两个驱动副，因此在抓放模式下机器人共需要6台电机驱动。载荷平台通过能实现整周回转的转子与夹板式手爪相连，有利于机器人在码垛过程中的正确调姿。由于自由度的限制，在执行操作任务过程中，定平台与载荷平台始终保持平行，以防止码垛时物品的倾倒。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于码垛的工业并联机器人，连接于移动导轨下方，其特征在于，包括定平台(2)、载荷平台(8)和末端执行器(10)，

所述的定平台(2)上方设有T形移动夹头(1)，所述的T形移动夹头(1)连接于移动导轨下方；

所述的末端执行器(10)连接于载荷平台(8)下方；

所述的定平台(2)与载荷平台(8)之间设有4条连杆机构，所述的连杆机构包括第一虎克铰链(3)、驱动连杆(4)、圆柱销(5)、被动连杆(6)和第二虎克铰链(7)，所述的驱动连杆(4)通过第一虎克铰链(3)铰接于定平台(2)上，所述的驱动连杆(4)通过圆柱销(5)与被动连杆(6)铰接，所述的被动连杆(6)通过第二虎克铰链(7)铰接于载荷平台(8)上；

所述的第一虎克铰链(3)上连接有驱动电机。

2.根据权利要求1所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的第一虎克铰链(3)包括第一垂直轴(31)、第一水平轴(32)和第一横轴支架(33)，所述的第一垂直轴(31)的一端连接于定平台(2)上，另一端连接于第一水平轴(32)上，所述的第一水平轴(32)的两端活动穿套于第一横轴支架(33)上，所述的驱动连杆(4)的一端连接于第一横轴支架(33)上，另一端连接于圆柱销(5)上，所述的第一水平轴(32)与所述的驱动电机的输出轴连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的第二虎克铰链(7)包括第二垂直轴(71)、第二水平轴(72)和第二横轴支架(73)，所述的第二垂直轴(71)的一端连接于载荷平台(8)上，另一端连接于第二水平轴(72)上，所述的第二水平轴(72)的两端活动穿套于第二横轴支架(73)上。

4.根据权利要求3所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的被动连杆(6)一端设有圆柱销支架(61)，另一端连接于所述的第二横轴支架(73)上，所述的圆柱销(5)的两端活动穿套于圆柱销支架(61)上。

5.根据权利要求1所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的末端执行器(10)通过转轴(9)连接于载荷平台(8)下方。

6.根据权利要求5所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的末端执行器(10)为机械手爪。

7.根据权利要求6所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的机械手爪为吸附式、夹板式、抓取式手爪中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求7所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的机械手爪为夹板式，所述机械手爪的夹持部位上设有凸起的爪钩(101)。

9.根据权利要求1所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的载荷平台(8)的面积为定平台(2)的0.65倍。

10.根据权利要求3所述的一种用于码垛的工业并联机器人，其特征在于，所述的定平台(2)和载荷平台(8)均为矩形板状结构，第一垂直轴(31)和第二垂直轴(71)分别连接于定平台(2)和载荷平台(8)的四角处位置。