CN1919545A - 搬运码垛机器人 - Google Patents
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Abstract
搬运码垛机器人，属于机器人领域。为解决现有机器人中稳定性与机器人结构及控制复杂度之间的矛盾，本发明公开了一种搬运码垛机器人，包括底座，旋转机架；由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一四连杆机构通过肩关节支撑轴安装在旋转机架上；末端执行器姿态保持器与上方小臂通过末端连接轴相连，并通过一个姿态保持机构使其下表面在工作过程中始终保持水平，末端执行器安装在所述姿态保持器上并可绕竖直方向旋转；一个平面直角坐标系二自由度驱动机构通过驱动连接轴与上方大臂相连；所述驱动连接轴、肩关节支撑轴和末端连接轴的中心线在机器人工作过程中始终处于同一平面上。本发明结构及控制简单，具有较高的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种搬运码垛机器人，具体的说一种用于工业自动化生产线，能够完成货物搬运、码垛、解垛等多种工作的机器人，属于机器人领域。
背景技术
自20世纪70年代末，日本将机器人技术用于码垛工艺以来，码垛机器人的研究获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，同时，码垛机器人占地面积小，能够同时处理多种物料和码垛多个料垛，越来越受到广大用户的青睐并迅速占领市场。码垛机器人的使用大大降低了人工劳动强度，提高了生产效率，现代的码垛机器人可以完成袋类、箱类等多种包装的搬运、码垛以及解垛等工作，相比较传统的机械式码垛机有着很强的优势。
瑞典的ABB Robotics、德国的KUKA Roboter、日本的Fuji Yusoki Kogyo、Okura Yusoki等公司都生产有码垛机器人，并且占领了全球市场。在现有产品中，比较常用的码垛机器人主要有两种类型。
一种是以ABB Robotics的码垛机器人IRB 660为代表，属于传统的关节式机器人，它有五个旋转关节，从底座开始依次是可绕竖直方向转动的腰关节，旋转方向垂直于纸面的肩关节、肘关节、腕俯仰关节，以及可绕竖直方向旋转的末端执行器旋转关节。其中，IRB660的大臂依靠电机通过减速器来驱动，小臂是依靠设定在旋转机架上的电机通过减速器及一个平行四杆机构来控制其运动，大臂及小臂的驱动电机同轴布置，这种机械机构设置对于驱动电机的要求较高，通常采用加配重或者弹簧或液压气动减力平衡装置来降低对于驱动电机的要求，但是这又加重了机器人的本体重量，加大了能源的消耗以及机器的磨损。
另一种是以日本的Fuji-Ace系列为代表的码垛机器人，它与传统关节式机器人最大的不同在于它采用了一种独特的末端执行器线性跟踪设计(Linear Track Design)，其主体结构为一平行四边形机构，其肩关节支点可在线性驱动元件的作用下沿水平方向移动，从而带动机器人的末端执行器沿水平方向移动，竖直方向的线性驱动元件通过中间的传动机构带动机器人末端执行器沿竖直方向移动，这种设计由于采用了特殊的设计，末端执行器的运动为水平方向和竖直方向两个独立运动的叠加，因而其控制简单，机器人工作空间以及机械结构具体参数的计算相对也比较简单，另外，此种设计方式也十分节省能量。Fuji-Ace系列码垛机器人不属于传统的关节式机器人，其肩关节支点在工作过程中并不固定，而是沿水平方向移动，机器人主体及货物的重量在工作过程中大都依靠水平方向驱动机构中的导轨及丝杠来支撑，不似肩关节固定在旋转机架上的传统机器人那样具有较高的稳定性。
因而，实际的生产过程中需要解决现有搬运码垛机器人中稳定性与机器人结构及控制复杂度之间的矛盾，也就是需要提供一种能够很好结合上述两种机械结构优点的码垛机器人。这种码垛机器人不仅要求成本低，重量轻，稳定性及耐用性好，而且要求控制简单，节省能量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有搬运码垛机器人中稳定性与机器人结构及控制复杂度之间的矛盾，提供一种搬运码垛机器人，它在具有机构及控制简单的同时，能够保持较高的稳定性，能够高效的完成多种搬运码垛任务。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种搬运码垛机器人，包括底座，安装在所述底座上并可绕竖直方向旋转的旋转机架，由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器；
所述第一四连杆机构通过肩关节支撑轴安装在所述旋转机架上；所述下方大臂和上方小臂中心线交汇处为机器人的肘关节；所述上方小臂向外伸出的一侧末端通过末端连接轴与末端执行器姿态保持器相连接，所述末端执行器姿态保持器上还安装有可绕竖直方向旋转的末端执行器；其特征在于：
所述第一四连杆机构为一个平行四连杆机构，并且所述肩关节支撑轴相对所述旋转机架静止；
所述搬运码垛机器人还包括一个安装在所述旋转机架上的平面直角坐标系二自由度驱动机构，所述上方大臂的一侧末端通过驱动连接轴与所述平面直角坐标系二自由度驱动机构相连，所述驱动连接轴、肩关节支撑轴和末端连接轴的中心线在机器人工作过程中始终处于同一平面上；
所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
作为本发明的一种实施方式，所述姿态保持机构是由设置在所述末端连接轴处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器与所述上方小臂之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
作为本发明的另一种实施方式，还可以在所述第一四连杆机构上安装有一个“L”型连接件，所述“L”型连接件的一端通过第一连杆与所述旋转机架相连，与所述下方大臂一起组成第二四连杆机构；所述“L”型连接件的另一端通过第二连杆与所述末端执行器姿态保持器相连，与所述上方小臂一起组成第三四连杆机构，所述第二四连杆机构和所述第三四连杆机构均为平行四连杆机构，两者组成所述姿态保持机构。此种设计方式在待处理或搬运的货物较重时有着明显的优势。
本发明结构简单紧凑，类似于传统的关节式机器人，其肩关节固定，支撑码垛机器人手臂及货物的重量，稳定性及耐用性好；相比较传统的关节式机器人，其驱动并不采用传统的电机通过减速器驱动机器人手臂的方式，而是采用了特殊设计的平行四杆机构将电机——丝杠螺母等组成的直线驱动元件的运动进行放大，机器人末端执行器的运动轨迹为水平方向和竖直方向两个独立运动的叠加，因而机器人工作空间以及机械结构具体参数的计算也相对比较简单，控制十分容易，并且节省能源；另外，采用丝杠螺母这种增力传动方式，大大降低了对于驱动电机的要求，降低了成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构的示意图。
图2为本发明的机器人手臂动作原理的示意图。
图3为本发明的机器人手臂水平方向动作原理的示意图。
图4为本发明的机器人手臂竖直方向动作原理的示意图。
图5为本发明中的一种二自由度驱动机构实例的示意图。
图6为本发明的另一种实施例的示意图。
图7为本发明在工业生产线中的一种典型布置方式示意图。
其中1：底座。2：旋转轴组件。3：旋转机架。4：肩关节支撑部件。5：下方大臂。6：上方大臂。7：下方小臂。8：上方小臂。9：第一连杆。10：“L”型连接件。11：第二连杆。12：末端执行器姿态保持器。13：末端执行器。14：货物。15：货物支座。16：水平方向直线驱动单元。A：连接轴。B：连接轴。C：连接轴。D：连接轴。E：连接轴。F：连接轴。G：连接轴。P：末端连接轴。H：肩关节支撑轴。V：驱动连接轴。20：搬运码垛机器人。21：待搬运物品输送线。22：待搬运物品。23：托盘输运线。24：物品托盘。25：丝杠。26：螺母。27：滑块。28：导轨。29：联轴节。30：轴承。31：竖直方向直线驱动单元。32：第一水平方向直线驱动单元。33：第二水平方向直线驱动单元。301：竖直方向驱动电机。302：第一水平方向驱动电机。303：第二水平方向驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图和典型实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种搬运码垛机器人，包括设置在地面上的底座1，旋转机架3，由下方大臂5、下方小臂7、上方大臂6和上方小臂8组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器12；旋转机架3通过旋转轴组件2安装在上述底座1上并可绕竖直方向旋转；下方大臂5和下方小臂7通过肩关节支撑轴H安装在固定于旋转机架3上的肩关节支撑部件4上，并可绕轴H旋转；上方大臂6和上方小臂8通过连接轴A、B、C与下方大臂5和下方小臂7相连，组成第一四连杆机构，其中AH//BC，AB//HC，并且AH＝BC，AB＝HC，也就是四边形ABCH是一个平行四边形，即第一平行四连杆机构；所述下方大臂5和上方小臂8中心线交汇处为机器人的肘关节，在图1中，肘关节为上述连接轴C；所述上方小臂8的一侧末端通过末端连接轴P与所述末端执行器姿态保持器12相连接；所述上方大臂6的一侧末端通过驱动连接轴V连接驱动元件，本发明中的驱动元件为平面直角坐标系二自由度驱动元件，可由一个水平方向直线驱动单元和一个安装在所述水平方向直线驱动单元滑块上的竖直方向直线驱动单元组合而成。水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均可采用电机——丝杠螺母机构或者液压驱动机构等线性驱动部件。在图1中，水平方向直线驱动单元16安装在旋转机架3上，安装在所述水平方向直线驱动单元16上的竖直方向直线驱动单元31通过驱动连接轴V与上方大臂6相连。
所述驱动连接轴V、肩关节支撑轴H和末端连接轴P的中心线在机器人工作过程中始终处于同一平面上。
所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器12的下表面在工作过程中始终保持水平。
在一种实施例中，所述姿态保持机构是由设置在所述末端连接轴P处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器12与所述上方小臂8之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器12的下表面在工作过程中始终保持水平。
在另一种实施例中，如图1所示，在机器人肘关节处安装有“L”型连接件10，它可绕肘关节旋转。“L”型连接件10的一侧通过连接轴G、第一连杆9和连接轴F与旋转机架3相连，其中FG//HC，FH//GC，并且FG＝HC，FH＝GC，也就是四边形FGCH是一个平行四边形，即第二平行四连杆机构；“L”型连接件10的另一侧则通过连接轴D、第二连杆11和连接轴E与末端执行器姿态保持器12相连接，其中CD//PE，CP//DE，并且CD＝PE，CP＝DE，也就是四边形CDEP是一个平行四边形，即第三平行四连杆机构；所述第二平行四连杆机构和所述第三平行四连杆机构一起组成所述姿态保持机构。此种设计方式在待处理或搬运的货物较重时有着明显的优势。
下面将证明按照上述的设置方式，末端执行器位置保持器12的下端面将保持水平，而不会绕垂直纸面方向旋转。如图1所示，连接轴F及肩关节支撑轴H的中心线相对于旋转机架3保持静止，根据几何位置关系GC//FH，CD//PE，而GC与CD则是“L”型连接件两边的中心线，因而GC相对于CD静止，所以PE将在纸面内保持平动，因而在机器人运行过程中，末端执行器位置保持器12的下端面将保持水平，为了下文叙述方便，下文中的某些地方将会使用末端连接轴P的位置来代替末端执行器位置保持器12的位置。
为了方便机器人的控制，本发明中采用了上述下方大臂5、上方大臂6、下方小臂7、上方小臂8组成的第一平行四连杆机构，它可以将驱动连接轴V的运动进行线性放大，也就是末端连接轴P的运动是驱动连接轴V运动的线性放大。为了保证末端连接轴P与驱动连接轴V的这种相互运动关系，必须要求上述第一平行四连杆机构满足以下几何关系，末端连接轴P、驱动连接轴V和肩关节支撑轴H的中心线在同一平面上，具体到图1，上述三个连接轴中心线的投影保持在同一直线上，具体到结构尺寸上，也就是要保证AH/AV＝BP/BV。
下面将结合附图对这种第一平行四连杆机构的线性运动放大原理进行说明。如图2所示，上述第一平行四连杆机构的初始位置为图中的实线位置，其上各连接轴的下标为(0，0)；在驱动连接轴V由初始位置V0，0沿水平方向运动一定距离达到V1，0后，上述第一平行四连杆机构的位置如图中虚线位置所示，其上各连接轴的下标为(1，0)；在驱动连接轴V由初始位置V0，0沿竖直方向运动一定距离达到V0，1后，上述第一平行四连杆机构的位置如图中点划线位置所示，其上各连接轴的下标为(0，1)。
水平方向的移动原理如图2和图3所示，驱动连接轴V由初始位置V0，0沿竖直方向运动一定距离达到V1，0后，由于第一平行四连杆机构存在尺寸关系AH/AV＝BP/BV，因而在运动过程中，末端连接轴P、驱动连接轴V和肩关节支撑轴H的位置将保持在同一直线上，ΔA0，0HV0，0∽ΔC0，0P0，0H，并且HV0，0/P0，0H＝A0，0H/C0，0P0，0＝AH/CP，同理，ΔA1，0HV1，0∽ΔC1，0P1，0H，并且HV1，0/P1，0H＝A1，0H/C1，0P1，0＝AH/CP，于是不难得到ΔV0，0HV1，0∽ΔP0，0HP1，0，所以V0，0V1，0//P0，0P1，0，也就是说末端连接轴P沿水平方向由P0，0运动到P1，0，且P0，0P1，0/V0，0V1，0＝AH/CP，这样便可以通过改变第一平行四连杆机构中的相关尺寸来改变末端连接轴P的移动距离。
竖直方向的移动原理如图2和图4所示，其证明过程与水平方向相似，在此便不再赘述。
采用了上述第一平行四连杆机构，在运动过程中，末端连接轴P、驱动连接轴V和肩关节支撑轴H的位置将保持在同一直线上，末端连接轴P的运动是驱动连接轴V运动的线性放大。
在末端执行器姿态保持器12上还安装有可绕竖直方向旋转的末端执行器13，它能将货物支座15上的货物14抓取到目标点。
相比较于以往所广泛采用的电机通过减速器驱动机器人手臂驱动方式，采用上述第一平行四连杆机构之后，便可以将电机——丝杠螺母等线性驱动元件的运动进行放大，机器人末端执行器为线性轨迹，其控制十分简单，机器人工作空间的计算以及本体设计过程也将大大简化，另外一个优点是节省能源。由于采用了电机——丝杠螺母这种增力装置，对于驱动电机的要求也大大降低，因而可以降低成本。
当货物负载较大时，若平面直角坐标系二自由度驱动机构仍采用图1中的方案，其水平方向驱动机构和竖直方向驱动机构之间会产生较大的弯矩，因而，此种情况下，最好采用图5中所示的方案。如图5所示，平面直角坐标系二自由度驱动机构由上下两个水平方向直线驱动单元和一个安装在上述两个水平方向直线驱动单元滑块上的竖直方向直线驱动单元组合而成。水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均为电机——丝杠螺母机构，即由丝杠25、螺母26、滑块27、导轨28、联轴节29、轴承30和驱动电机等组成。竖直方向直线驱动单元31的上下两端分别安装在第一水平方向直线驱动单元32和第二水平方向直线驱动单元33的滑块上，301为竖直方向驱动电机，302为第一水平方向驱动电机，303为第二水平方向驱动电机。这种布置方式可以较好的减小弯矩的影响。为了进一步降低对于驱动电机的要求，可在机器人增加弹簧减力平衡装置，也可在电机与丝杠之间增加减速器。另外，水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元也可由液压驱动机构实现，
本发明的另一种实施例如图6所示，图中只画出旋转机架以上部分，其基本原理与上述实施例相似，其中，AV//CB，AC//VB，并且AV＝CB，AC＝VB，即四边形AVBC为平行四边形，四连杆机构通过肩关节支撑轴H安装在所述旋转机架上，驱动连接轴V处连接平面直角坐标系二自由度驱动元件，末端连接轴P、驱动连接轴V和肩关节支撑轴H的位置将保持在同一直线上，AH/AV＝CH/CP，即ΔHAV∽ΔHCP，末端连接轴P的运动是驱动连接轴V运动的线性放大。
图7是此发明中公开的一种搬运码垛机器人20在工业生产线中的一种布置方式。搬运码垛机器人20将待搬运物品22沿图7中箭头所指方向从待搬运物品输送线21上搬运到托盘输运线23上的物品托盘24之上，并在托盘24上将待搬运物品22码放整齐，装运完毕之后，沿图7中的箭头方向下生产线。
结合不同的机器人末端执行器，本发明中公开的搬运码垛机器人便可将待处理的货物从源点转移到目标点，完成相应的装货、卸货、货物输运、码垛、解垛等工作。
Claims (9)
1.搬运码垛机器人，包括底座，安装在所述底座上并可绕竖直方向旋转的旋转机架，由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器；
所述第一四连杆机构通过肩关节支撑轴安装在所述旋转机架上；所述下方大臂和上方小臂中心线交汇处为机器人的肘关节；所述上方小臂向外伸出的一侧末端通过末端连接轴与末端执行器姿态保持器相连接，所述末端执行器姿态保持器上还安装有可绕竖直方向旋转的末端执行器；其特征在于：
所述第一四连杆机构为一个平行四连杆机构，并且所述肩关节支撑轴相对所述旋转机架静止；
所述搬运码垛机器人还包括一个安装在所述旋转机架上的平面直角坐标系二自由度驱动机构，所述上方大臂的一侧末端通过驱动连接轴与所述平面直角坐标系二自由度驱动机构相连，所述驱动连接轴、肩关节支撑轴和末端连接轴的中心线在机器人工作过程中始终处于同一平面上；
所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
2.根据权利要求1所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述姿态保持机构由设置在所述末端连接轴处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器与所述上方小臂之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
3.根据权利要求1所述的搬运码垛机器人，其特征在于：在所述第一四连杆机构上安装有一个“L”型连接件，所述“L”型连接件的一端通过第一连杆与所述旋转机架相连，与所述下方大臂一起组成第二四连杆机构；所述“L”型连接件的另一端通过第二连杆与所述末端执行器姿态保持器相连，与所述上方小臂一起组成第三四连杆机构，所述第二四连杆机构和所述第三四连杆机构均为平行四连杆机构，两者组成所述姿态保持机构。
4.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述平面直角坐标系二自由度驱动机构由一个水平方向直线驱动单元和一个安装在所述水平方向直线驱动单元滑块上的竖直方向直线驱动单元组合而成。
5.根据权利要求4所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均为电机——丝杠螺母机构。
6.根据权利要求4所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均为液压驱动机构。
7.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述平面直角坐标系二自由度驱动机构由上下两个水平方向直线驱动单元和一个安装在上述两个水平方向直线驱动单元滑块上的竖直方向直线驱动单元组合而成。
8.根据权利要求7所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均为电机——丝杠螺母机构。
9.根据权利要求7所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述水平方向直线驱动单元和竖直方向直线驱动单元均为液压驱动机构。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |