CN116330314B - 一种摘钩机器人专用机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种摘钩机器人专用机械臂，包括三轴移动机械臂、旋转机械臂、刚柔切换组件和夹持式机械爪，三轴移动机械臂包括沿轴方向移动的第一机械臂、沿轴方向移动的第二机械臂以及沿轴方向移动的第三机械臂，旋转机械臂包括型刚性旋转臂、驱动型刚性旋转臂一端旋转且固定在第三机械臂的滑块上的旋转驱动组件以及与刚性旋转臂的另一端同轴连接的柔性延展机械臂，刚柔切换组件安装在旋转机械臂内，实现柔性延展机械臂的刚性和柔性切换，夹持式机械爪安装在柔性延展机械臂的自由端部位置，该种摘钩机器人专用机械臂，通过刚柔切换组件对旋转机械臂巧妙的刚/柔切换，实现定位过程中的刚性精准定位和旋转摘钩中的非同轴等半径旋转轨迹补偿。

Description

一种摘钩机器人专用机械臂

技术领域

本发明涉及摘钩机器人技术领域，具体为一种摘钩机器人专用机械臂。

背景技术

铁路运煤及翻车机卸车是大部分陆地火力发电厂采用的供煤方式。翻车作业的顺利运行在火力发电厂的生产过程中起着非常重要的作用。翻车机是一种大型、高效的机械化卸车设备，其卸车作业的机械化程度较高、生产能力大，得到广泛应用。

目前翻车机卸煤系统已基本实现自动化，但上述所述的敞车在卸煤前后的摘钩绝大部分仍然由人工完成。人工复钩设备的研制可以降低工人现场操作风险，实现复钩的无人作业，对于实现卸煤无人值守有着重要的辅助意义。

采用传统机械臂实现摘钩存在以下弊端，其一是机械臂体积过于庞大，在车厢连接处作业时存在一定的安全风险，且不易实现现场布置。其二是机械臂为全刚性结构，牵引机与机械臂的状态配合一旦出现误动或误操作，设备损毁的可能性较大。其三是机械臂从操作定位、到摘钩、到复位的时限较长，较大影响整个卸煤段的生产效率。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的摘钩机械臂存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种摘钩机器人专用机械臂，通过刚柔切换组件对旋转机械臂巧妙的刚/柔切换，实现定位过程中的刚性精准定位和旋转摘钩中的非同轴等半径旋转轨迹补偿。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种摘钩机器人专用机械臂，其包括：

三轴移动机械臂，包括沿轴方向移动的第一机械臂、沿轴方向移动的第二机械臂以及沿轴方向移动的第三机械臂；

旋转机械臂，包括型刚性旋转臂、驱动所述型刚性旋转臂一端旋转且固定在第三机械臂的滑块上的旋转驱动组件以及与所述刚性旋转臂的另一端同轴连接的柔性延展机械臂；

刚柔切换组件，安装在所述旋转机械臂内，实现所述柔性延展机械臂的刚性和柔性切换；

夹持式机械爪，安装在所述柔性延展机械臂的自由端部位置。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述型刚性旋转臂包括呈型折弯的第一机械臂筒和设置在所述第一机械臂筒端部的轴连接器以及安装在所述轴连接器侧边位置的连接轴。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述旋转驱动组件包括旋转轴壳、安装在所述旋转轴壳头端的联轴器、与所述联轴器的连接的步进电机、穿过所述旋转轴壳且一端与所述联轴器连接，另一端与所述连接轴连接的转轴。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述柔性延展机械臂包括一端部通过法兰与所述第一机械臂筒的折弯部同轴设置的第二机械臂筒、与所述第二机械臂筒同轴设置的第三机械臂筒以及设置在所述第二机械臂筒和所述第三机械臂筒之间的第一压缩弹簧。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述刚柔切换组件包括固定在所述第二机械臂筒内壁的定位块、设置在所述第三机械臂筒内壁的压缩滑块、等距布置在所述定位块和所述压缩滑块之间的多个圆柱分块、设置在相邻两个圆柱分块之间的第二压缩弹簧、一端依次穿过所述定位块、圆柱分块、第二压缩弹簧并与压缩滑块固定的钢丝绳、设置在所述轴连接器内部的绕线器以及驱动所述绕线器旋转动作的绕线驱动电机；

其中，所述圆柱分块上的一端部具有环绕包围所述第二压缩弹簧的刚性柱，所述钢丝绳的另一端饶设在所述绕线器的绕线轮上。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述第一机械臂筒的折弯位置的内壁设置有对所述钢丝绳导向支撑的导向轮。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述绕线器包括支架、与所述支架的顶部连接且固定在所述轴连接器空腔顶部的固定块、设置在所述支架下部位置的定位轮和设置在所述支架中部的绕线轮；

其中，所述钢丝绳搭载在所述定位轮并绕设在所述绕线轮上。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述第三机械臂筒的端部具有与第三机械臂筒呈夹角布置的连接柱；

所述夹持式机械爪包括通过法兰与所述连接柱固定的安装座、与所述安装座垂直设置的支撑柱、与所述支撑柱的端部固定的夹爪。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述第一机械臂筒的外壁上设置有监视所述夹持式机械爪的微型摄像头。

作为本发明所述的一种摘钩机器人专用机械臂的一种优选方案，其中，所述夹持式机械爪还包括设置在所述安装座上的激光测距仪以及设置在夹爪上的压力传感器。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明机械臂配合牵引车运动，采用柔性/刚性转换的型式设计机械臂，将摘钩动作分解为X维度寻找摘钩部位和电机旋转摘钩两个技术动作，机械臂柔性可调情形下，机械臂具有一定的柔性延展性能，可以满足机械臂旋转轴、摘钩机械旋转轴偏差不一致情形下的非同轴旋转运动需要，同时也可以满足摘钩机械非垂线旋转的行程误差需要，从而使得整个装置的核心运动由传统机械臂的复杂轨迹运动变成了旋转运动，从而极大缩减了机械臂的动作时间，本发明通过巧妙设计，将机车摘钩运动分解为直行程定位运动和摘钩旋转运动，机械动作路径简单，动作原理可靠。

2、本发明装置可将传统的摘钩时间40-60S缩短至20S以内，从而保障了卸煤生产线的生产效率与人工操作相当。同时机械臂即便是超过额定扭矩，相对于通用机械臂，受损部分为钢丝绳，修复与维护小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种摘钩机器人专用机械臂的整体结构示意图；

图2为本发明一种摘钩机器人专用机械臂的部分结构组装图；

图3为本发明一种摘钩机器人专用机械臂的旋转机械臂和刚柔切换组件装配剖面图；

图4为本发明一种摘钩机器人专用机械臂的旋转机械臂的结构示意图；

图5为本发明一种摘钩机器人专用机械臂的刚柔切换组件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种摘钩机器人专用机械臂，通过刚柔切换组件对旋转机械臂巧妙的刚/柔切换，实现定位过程中的刚性精准定位和旋转摘钩中的非同轴等半径旋转轨迹补偿。

图1-图5示出的是本发明一种摘钩机器人专用机械臂一实施方式的结构示意图，请参阅图1-图5，本实施方式的一种摘钩机器人专用机械臂，其主体部分包括三轴移动机械臂100、旋转机械臂200、刚柔切换组件300和夹持式机械爪400。

三轴移动机械臂100用于提供X、Y和Z三方向的移动，具体的，三轴移动机械臂100包括沿X轴方向移动的第一机械臂110、沿Y轴方向移动的第二机械臂120以及沿Z轴方向移动的第三机械臂130，使得旋转机械臂200可以在三个方向上任意移动。

旋转机械臂200用于提供旋转驱动，驱动刚柔切换组件300和夹持式机械爪400旋转动作，具体的，旋转机械臂200包括Z型刚性旋转臂210、驱动Z型刚性旋转臂210一端旋转且固定在第三机械臂130的滑块上的旋转驱动组件230以及与刚性旋转臂210的另一端同轴连接的柔性延展机械臂220；

在本实施方式中，Z型刚性旋转臂210包括呈L型折弯的第一机械臂筒210a和设置在第一机械臂筒210a端部的轴连接器210b以及安装在轴连接器210b侧边位置的连接轴210c；

柔性延展机械臂220包括一端部通过法兰与第一机械臂筒210a的折弯部同轴设置的第二机械臂筒220a、与第二机械臂筒220a同轴设置的第三机械臂筒220b以及设置在第二机械臂筒220a和第三机械臂筒220b之间的第一压缩弹簧220c，由于第二机械臂筒220a和第三机械臂筒220b之间为第一压缩弹簧220c，可以实现第二机械臂筒220a和第三机械臂筒220b相对的伸缩以及弯折，进而实现柔性延展机械臂220的柔性延展；

旋转驱动组件230包括旋转轴壳230a、安装在旋转轴壳230a头端的联轴器230b、与联轴器230b的连接的步进电机230c、穿过旋转轴壳230a且一端与联轴器230b连接，另一端与连接轴210c连接的转轴230d，通过步进电机230c带动转轴230d旋转，进而使得连接轴210c跟随转轴230d一同旋转，实现Z型刚性旋转臂210整体跟随旋转。

刚柔切换组件300安装在旋转机械臂200内，实现柔性延展机械臂220的刚性和柔性切换，具体的，在本实施方式中，刚柔切换组件300包括固定在第二机械臂筒220a内壁的定位块310、设置在第三机械臂筒220b内壁的压缩滑块320、等距布置在定位块310和压缩滑块320之间的多个圆柱分块330、设置在相邻两个圆柱分块330之间的第二压缩弹簧340、一端依次穿过定位块310、圆柱分块330、第二压缩弹簧340并与压缩滑块320固定的钢丝绳350、设置在轴连接器210b内部的绕线器360以及驱动绕线器360旋转动作的绕线驱动电机370，其中，圆柱分块330上的一端部具有环绕包围第二压缩弹簧340的刚性柱330a，钢丝绳350的另一端饶设在绕线器360的绕线轮上，在柔性延展机械臂220处于柔性状态时，此时多个圆柱分块330相互分离，并且第二压缩弹簧340处于自由的状态，当需要将柔性延展机械臂220切换成刚性状态时，只需使绕线驱动电机370正向旋转带动绕线器360工作，对钢丝绳350进行牵拉，使得钢丝绳350带动压缩滑块320在第三机械臂筒220b内向定位块310的方向移动，在压缩滑块320移动的过程中，相邻两个圆柱分块330之间的第二压缩弹簧340逐渐压缩，直到后一个圆柱分块330上的刚性柱330a与前一个圆柱分块330的尾部接触，此时定位块310、圆柱分块330、第二压缩弹簧340和压缩滑块320组成一个刚性结构，在柔性延展机械臂220内支撑，使得第一压缩弹簧220c无法继续压缩、延伸或者翻转，进而使得柔性延展机械臂220转变为刚性械臂，作为优选，在本实施方式中，第一机械臂筒210a的折弯位置的内壁设置有对钢丝绳350导向支撑的导向轮210a-1；

其中，绕线器360包括支架360a、与支架360a的顶部连接且固定在轴连接器210b空腔顶部的固定块360b、设置在支架360a下部位置的定位轮360c和设置在支架360a中部的绕线轮360d；其中，钢丝绳350搭载在定位轮360c并绕设在绕线轮360d上。

夹持式机械爪400安装在柔性延展机械臂220的自由端部位置，具体的，第三机械臂筒220b的端部具有与第三机械臂筒220b呈夹角布置的连接柱220b-1，夹持式机械爪400包括通过法兰与连接柱220b-1固定的安装座410、与安装座410垂直设置的支撑柱420、与支撑柱420的端部固定的夹爪430，作为优选，在本实施方式中，第一机械臂筒210a的外壁上设置有监视夹持式机械爪400的微型摄像头210a-2，夹持式机械爪400还包括设置在安装座410上的激光测距仪440以及设置在夹爪430上的压力传感器450。

结合图1-图5，本实施方式的一种摘钩机器人专用机械臂，通过巧妙的刚柔切换组件300设计使得机械臂旋转与摘钩机械旋转无需严格同轴等距，从而使得整个装置的核心运动由传统机械臂的复杂轨迹运动变成了旋转运动，从而极大缩减了机械臂的动作时间。同时也使得机械臂靠近摘钩部位的行程变成了寻找摘钩机械行程，增强了摘钩动作的可靠性。本发明装置可将传统的摘钩时间40-60S缩短至20S以内，从而保障了卸煤生产线的生产效率与人工操作相当。同时机械臂即便是超过额定扭矩，相对于通用机械臂，受损部分为钢丝绳350，修复与维护小。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，包括：

三轴移动机械臂（100），包括沿X轴方向移动的第一机械臂（110）、沿Y轴方向移动的第二机械臂（120）以及沿Z轴方向移动的第三机械臂（130）；

旋转机械臂（200），包括Z型刚性旋转臂（210）、驱动所述Z型刚性旋转臂（210）一端旋转且固定在第三机械臂（130）的滑块上的旋转驱动组件（230）以及与所述刚性旋转臂（210）的另一端同轴连接的柔性延展机械臂（220）；

刚柔切换组件（300），安装在所述旋转机械臂（200）内，实现所述柔性延展机械臂（220）的刚性和柔性切换；

夹持式机械爪（400），安装在所述柔性延展机械臂（220）的自由端部位置；

所述Z型刚性旋转臂（210）包括呈L型折弯的第一机械臂筒（210a）和设置在所述第一机械臂筒（210a）端部的轴连接器（210b）以及安装在所述轴连接器（210b）侧边位置的连接轴（210c）；

所述柔性延展机械臂（220）包括一端部通过法兰与所述第一机械臂筒（210a）的折弯部同轴设置的第二机械臂筒（220a）、与所述第二机械臂筒（220a）同轴设置的第三机械臂筒（220b）以及设置在所述第二机械臂筒（220a）和所述第三机械臂筒（220b）之间的第一压缩弹簧（220c）；

所述刚柔切换组件（300）包括固定在所述第二机械臂筒（220a）内壁的定位块（310）、设置在所述第三机械臂筒（220b）内壁的压缩滑块（320）、等距布置在所述定位块（310）和所述压缩滑块（320）之间的多个圆柱分块（330）、设置在相邻两个圆柱分块（330）之间的第二压缩弹簧（340）、一端依次穿过所述定位块（310）、圆柱分块（330）、第二压缩弹簧（340）并与压缩滑块（320）固定的钢丝绳（350）、设置在所述轴连接器（210b）内部的绕线器（360）以及驱动所述绕线器（360）旋转动作的绕线驱动电机（370）；

其中，所述圆柱分块（330）上的一端部具有环绕包围所述第二压缩弹簧（340）的刚性柱（330a），所述钢丝绳（350）的另一端绕设在所述绕线器（360）的绕线轮上。

2.根据权利要求1所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述旋转驱动组件（230）包括旋转轴壳（230a）、安装在所述旋转轴壳（230a）头端的联轴器（230b）、与所述联轴器（230b）的连接的步进电机（230c）、穿过所述旋转轴壳（230a）且一端与所述联轴器（230b）连接，另一端与所述连接轴（210c）连接的转轴（230d）。

3.根据权利要求1所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述第一机械臂筒（210a）的折弯位置的内壁设置有对所述钢丝绳（350）导向支撑的导向轮（210a-1）。

4.根据权利要求1所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述绕线器（360）包括支架（360a）、与所述支架（360a）的顶部连接且固定在所述轴连接器（210b）空腔顶部的固定块（360b）、设置在所述支架（360a）下部位置的定位轮（360c）和设置在所述支架（360a）中部的绕线轮（360d）；

其中，所述钢丝绳（350）搭载在所述定位轮（360c）并绕设在所述绕线轮（360d）上。

5.根据权利要求1所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述第三机械臂筒（220b）的端部具有与第三机械臂筒（220b）呈夹角布置的连接柱（220b-1）；

所述夹持式机械爪（400）包括通过法兰与所述连接柱（220b-1）固定的安装座（410）、与所述安装座（410）垂直设置的支撑柱（420）、与所述支撑柱（420）的端部固定的夹爪（430）。

6.根据权利要求5所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述第一机械臂筒（210a）的外壁上设置有监视所述夹持式机械爪（400）的微型摄像头（210a-2）。

7.根据权利要求5所述的一种摘钩机器人专用机械臂，其特征在于，所述夹持式机械爪（400）还包括设置在所述安装座（410）上的激光测距仪（440）以及设置在夹爪（430）上的压力传感器（450）。