CN201224100Y - 一种自动化机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动化机械臂，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行垂直立柱固定，能够自由转动伸缩升降的自动化机械臂，包括：底盘系统1、牵引系统2、底部稳定盘系统3、立柱支撑系统4、立柱系统5、顶部稳定盘系统6、升降套管7、转动套环8、防滑落装置10、控制电机系统(11，12，13)、机械臂系统(17，18，19)、传动系统(9，14，15，16，20，21，22)。借助天花板和地面固定立柱，减少对底盘面积和自身重量的要求，实现了设备的小型化。本实用新型能够实现系统自动控制机械臂的转动伸缩升降，为工作头自动化作业提供良好的工作平台。

Description

一种自动化机械臂

所属技术领域

本实用新型涉及一种机械结构，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行垂直立柱固定，能够在系统控制下自由转动伸缩升降的自动化机械臂。

背景技术

机械臂系统在现代工业中得到广泛应用，大到吊塔、吊车、挖掘机等大型机械，小到车间的零件装配生产线等都可以看到机械臂的英姿。机械臂系统一般包括机械臂、机械臂运转平台、动力装置、控制系统等，在人工或自动控制下，实现空间上的转动、平移、升降，完成夹取、推送、释放等动作，能够代替人手完成单调、繁重、重复性的劳动或者危险性的工作，以减轻劳动强度，减少意外伤害，提高工作效率。

大型机械臂一般用于重型机械设备，如塔式起重机、汽车起重机、车载式输浆泵等，由于要吊起或转移的材料质量巨大，因此其机械臂动作缓慢，而且要求设备自重大，底盘面积大。一般底部需要固定在预制的桩基上或者用多条支撑腿支撑以增大底盘面积。这类应用主要是室外大型工地作业。

小型自动化机械臂主要应用于自动化生产线，通过研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。它采用复杂的算法，由电脑指挥机械臂的动作和路径，完成规定的工作，比人手速度更快，更准确。这些设备一般是专用设备，根据生产线的规格、需求和工作内容度身定做，价格昂贵，不具备通用性。

上述大型或小型机械臂产品，要求其底盘重量巨大以增加稳定性和机械臂工作范围；或者底盘固定在底面预制的桩基上，底盘减小但不方便搬运移动。对于在空间环境受限，工位经常变动的室内作业的情况，要实现系统控制下的自动化作业，以上机械臂产品和技术均难以满足需求，因此开发一种小型、轻便、耐用、方便移动的自动化机械臂产品不仅是必要的，也是必须的。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种小型、轻便、耐用、方便移动的自动化机械臂，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行垂直立柱固定，能够在系统控制下自由转动伸缩升降的自动化机械臂。

为了达到上述目的，本实用新型技术方案是这样实现的：一种自动化机械臂，包括：底盘系统1、牵引系统2、底部稳定盘系统3、立柱支撑系统4、立柱系统5、顶部稳定盘系统6、升降套管7、转动套环8、防滑落装置10、控制电机系统(11，12，13)、机械臂系统(17，18，19)、传动系统(9，14，15，16，20，21，22)，其特征在于：立柱系统5底部固定在立柱支撑系统4上，并通过底部稳定盘系统3稳定地压在地面上，立柱顶部通过顶部固定盘系统6顶到上层楼板的下表面，借助底部稳定盘系统3和顶部稳定盘系统6，在底部稳定盘3和天花板之间垂直固定立柱系统5；升降电机11固定在升降套管7上，转动套环8连接在升降套管7的两端；机械臂(17、18、19)由平行的双连杆构成，起始端固定在两个转动套环8上；多级机械臂19通过连接转轴20连接；防滑落装置10固定在升降套管7上。

所述的一种自动化机械臂，底部稳定盘系统3包括底部稳定盘3-1，楔形调整滑块3-2、滑块调整丝杆3-3、悬挂油缸3-4、油缸固定绞链3-5，底部稳定盘3-1下部呈倒置的圆锥体，上表面通过悬挂油缸3-4连接到底盘系统1的下面，油缸两端连接处采用油缸固定绞链3-5连接；楔形调整滑块3-2用燕尾槽轨道连接到底部稳定盘3-1上，滑动轨道沿圆锥体半径方向；三个楔形调整滑块3-2围绕底部稳定盘3-1中心均匀分布，外侧高里侧低，其上表面与底部稳定盘3-1下表面吻合。

所述的一种自动化机械臂，立柱支撑系统4包括液压油缸4-1、伸缩柱塞4-2、立柱底部固定盘4-3、支撑模块油缸开关触发盘4-4、自吸式液压支撑模块4-5，液压油缸4-1固定在底部稳定盘3-1上面，伸缩柱塞4-2能够在液压油缸4-1中上下运动；立柱底部固定盘4-3固定在伸缩柱塞4-2的顶部；自吸式液压支撑模块4-5底部固定在底部稳定盘3-1上表面，顶部固定在立柱底部固定盘4-3的下表面。

所述的一种自动化机械臂，立柱系统5由多根升降立柱5-1通过立柱连接件5-3连接组合；升降齿条5-2平行固定在升降立柱5-1的表面；立柱连接件5-3两端外径与升降立柱5-1两端内径相同，可以插入升降立柱5-1端部，并使升降齿条5-2进入连接件齿条限位槽5-4。

所述的一种自动化机械臂，顶部稳定盘系统6包括顶部稳定盘6-1，调整丝杠6-2，丝帽6-3，电机上行程挡板6-4，限位螺栓6-5，丝帽6-3下端嵌入到顶部立柱上端的内部，顶部稳定盘6-1固定在调整丝杠6-2顶部，调整丝杠6-2下端旋入丝帽6-3内部；限位螺栓6-5在丝帽6-3上。

所述的一种自动化机械臂，升降套管7套装在升降立柱5-1外部，管壁开有齿条槽使升降齿条5-2从套管壁中伸出，升降套管7内径与升降立柱5-1外径滑配合；升降电机11固定在升降套管7外壳上，电机轴上安装有齿轮，与升降齿条5-2紧密啮合；转动套环8套接在升降套管7的两端。

所述的一种自动化机械臂，防滑落装置10由防滑落齿轮10-1，齿轮偏心转轴10-2，齿轮固定架10-3，压合分离操作装置10-4组成，防滑落齿轮10-1设计有齿轮偏心转轴10-2，齿轮偏心转轴10-2通过齿轮固定架10-3固定在升降套管7上；防滑落齿轮10-1模数和升降齿条5-2模数相同；压合分离操作装置10-4安装在防滑落齿轮10-1上。

防滑落装置10用来在升降电机11出现故障或失效的情况下保证安全。当需要升降工作臂时，分离操作装置10-4向上动作，使防滑落齿轮10-1与齿条5分离，即可实现正常的升降运动；分离操作装置10-4在重力或弹簧作用下向下动作，防滑落齿轮10-1就与升降齿条5-2接触在一起。结合升降电机11的控制，可实现防滑落装置10的自动控制。当升降电机11故障或失效时，机械臂有向下坠落的趋势，因为升降齿条5-2是固定不动的，所以防滑落齿轮10-1有顺时针转动的趋势，由于齿轮偏心转轴10-2的作用，齿轮10-1接触升降齿条5-2处的半径变大，使得齿轮与齿条啮合更加紧密，因而防滑落齿轮10-1不会持续转动，而是微动后达到平衡，从而防止了机械臂系统的意外坠落。

所述的一种自动化机械臂，第一级机械臂17和后向机械臂18的上下连杆分别与上下转动套环8固定在一起；第一级机械臂17双连杆后端通过轴承连接到连接转轴20两端，作为连接转轴20转动的固定支点；下一级机械臂双连杆前端固定在前一级机械臂的连接转轴20上；多级机械臂19之间都同样采用连接转轴20连接固定。

所述的一种自动化机械臂，整体转动控制电机12固定在后向机械臂18上，电机上安装有电机齿轮14，与整体转动齿轮9啮合；整体转动齿轮9同轴安装固定在升降套管7上，整体转动控制电机12驱动电机齿轮14转动时，带动机械臂围绕整体转动齿轮9转动，从而实现机械臂整体转动控制；伸缩传动齿轮16固定在第一级机械臂与第二级机械臂的连接转轴20上，伸缩控制电机13的电机齿轮15可以带动伸缩传动齿轮16转动从而带动连接转轴20转动；连接转轴20上固定有传动齿轮盒22，传动转轴21一端接上一级传动齿轮盒22内部的齿轮，另一端接下一级传动齿轮盒22内部的齿轮，将动力传递到下一级连接转轴20；伸缩控制电机14的转动能够带动各个连接转轴20的转动，并带动多级机械臂19围绕连接转轴20转动，从而实现机械臂总体的伸缩控制。

所述的一种自动化机械臂，自吸式液压支撑模块4-5包括下缸体4-5-1、上缸体4-5-2、截止阀4-5-3、截止阀顶杆4-5-4、截止阀复位弹簧4-5-7、弹簧压板4-5-8，下缸体4-5-1与下固板4-5-5连接，下固定板4-5-5通过螺栓固定到底部稳定盘3-1上；上缸体4-5-2能够在下缸体4-5-1中上下行运动；上缸体4-5-2的底部设计有截止阀4-5-3，截止阀4-5-3连接有截止阀顶杆4-5-4，截止阀顶杆4-5-4另一端通过截止阀复位弹簧4-5-7和弹簧压板4-5-8固定在立柱底部固定盘4-3上方。

自吸式液压支撑模块4-5用来防止立柱支撑系统4失效时造成的安全隐患。机械臂停留在立柱底部时，升降套管7底部向下压下弹簧压板4-5-8，截止阀复位弹簧4-5-7被压缩，截止阀顶杆4-5-4向下移动，截止阀4-5-3处于打开状态。对立柱进行支撑固定时，立柱支撑系统4的伸缩柱塞4-2向上运动，带动立柱底部固定盘4-3向上运动，上缸体4-5-2随立柱底部固定盘4-3向上运动；液压油从上缸体4-5-2中进入下缸体4-5-1中，液压支撑模块4-5被拉高，并且支撑在底部稳定盘3-1和立柱底部固定盘4-3之间。当机械臂系统升起时，截止阀4-5-3在截止阀复位弹簧4-5-7作用下处于截止状态。如果此时立柱支撑系统4的油缸系统故障或失效，则机械臂和立柱有下坠的趋势，但因为截止阀4-5-3处于截止状态，下缸体4-5-1中充满了液压油，上缸体4-5-2无法向下运动，从而保证立柱底部固定盘4-3不会下坠，避免了液压油缸4-1和伸缩柱塞4-2失效带来的安全隐患。机械臂被降落到立柱底部时，支撑模块油缸开关触发盘4-4会向下压缩截止阀弹簧4-5-7，使截止阀4-5-3处于打开状态，此时立柱支撑系统4的伸缩柱塞4-2向下运动，立柱底部固定盘4-3随着向下运动，下缸体4-5-1中的液压油通过截止阀4-5-3进入上缸体4-5-2，上缸体4-5-2向下运动进入下缸体4-5-1。自吸式液压支撑模块4-5也可以用在其他需要任意高度支撑的场合。

有益效果

本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了一种借助天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行固定，能够自由转动伸缩升降的自动化机械臂。借助工作环境的天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行固定，减少了对系统底盘面积和系统自身重量的要求，使设备小型化方便化得到实现。工作头安装在机械臂末节端部，机械臂的自由转动升降伸缩，能够使工作头处于不同的空间位置和自由移动，对不同工作面能够轻松处理，为工作头自动化作业提供了良好的工作平台。对各个控制电机进行数字化控制，即可实现机械臂的全自动化工作。各节机械臂能够折叠在一起，立柱拆卸后固定在底盘上，底盘安装有轮子和牵引系统，在不工作时能够方便存放和转移。本实用新型同时设计实现了防止机械臂坠落方案、防立柱支撑系统失效的安全方案避免了安全隐患，使工作安全性得到大大提高，提高了产品的实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明

图1是本实用新型的整体结构示意图，也可作为摘要附图

图2是本实用新型底部稳定盘系统结构示意图

图3是本实用新型底部稳定盘系统俯视示意图

图4是本实用新型立柱支撑系统结构原理示意图

图5是本实用新型自吸式液压支撑模块结构原理示意图

图6是本实用新型立柱系统结构示意图

图7是本实用新型升降套管及相关附件结构放大图

图8是本实用新型顶部稳定盘系统结构示意图

图9是本实用新型防滑落装置结构原理示意图

图10是本实用新型防滑落装置A-A’示意图

其中

  1、底盘系统

  2、牵引系统

  3、底部稳定盘系统

     3-1、底部稳定盘

     3-2、楔形调整滑块

     3-3、滑块调整丝杆

     3-4、悬挂油缸

     3-5、油缸固定绞链

4、立柱支撑系统

    4-1、液压油缸

    4-2、伸缩柱塞

    4-3、立柱底部固定盘

    4-4、支撑模块油缸开关触发盘

    4-5、自吸式液压支撑模块

       4-5-1、下缸体

    4-5-2、上缸体

    4-5-3、截止阀

    4-5-4、截止阀顶杆

    4-5-5、下固定板

    4-5-6、上固定板

    4-5-7、截止阀复位弹簧

    4-5-8、弹簧压板

5、立柱系统

    5-1、升降立柱

    5-2、升降齿条

    5-3、立柱连接件

    5-4、连接件齿条限位槽

6、顶部稳定盘系统

    6-1、顶部稳定盘

    6-2、调整丝杠

    6-3、丝帽

    6-4、电机上行程挡板

    6-5、限位螺栓

7、升降套管

8、转动套环

9、整体转动齿轮

10、防滑落装置

    10-1、防滑落齿轮

      10-2、齿轮偏心转轴

      10-3、齿轮轴固定架

      10-4、压合分离操作装置

11、升降电机

12、整体转动控制电机

13、伸缩控制电机

14、整体转动控制电机齿轮

15、伸缩控制电机齿轮

16、伸缩传动齿轮

17、第一级机械臂

18、后向机械臂

19、多级机械臂

20、连接转轴

21、传动转轴

22、传动齿轮盒

23、立柱固定架

具体实施方式

在实际制造中，升降立柱5-1采用厚壁圆钢管制作。升降电机11采用能够正反转，且具有自刹车功能的电机，保证在断电情况下不会滑落出现危险。整体转动控制电机12和伸缩控制电机13选用能够进行转动角度控制的步进电机，以实现精确的转动角度控制。

在实际使用中，首先选择机械臂展开后能够达到工作面的位置安放设备，测量房子天花板(指上层楼板的下底面)高度。打开底部稳定盘系统3的悬挂油缸3-4的油路开关，则底部稳定盘3-1和楔形调整滑块3-2在重力作用下下降到达地面。调整滑块调整丝杆3-3使滑块向内推进或向外拉出，使底部稳定盘3-1最终处于水平状态。

选择合适长度的立柱进行组合安装和连接，并调节调整顶部稳定盘系统6的调整丝杠6-2使顶部稳定盘6-1靠近上层楼板的下底面。然后驱动立柱支撑系统4的液压油缸4-1使伸缩柱塞4-2上升。当顶部稳定盘6-1上行接触到上层楼板的下底面之后，升降系统的持续作用，产生的作用力会使立柱系统5垂直牢固固定。此时自吸式液压支撑模块4-5上缸体4-5-2从下缸体4-5-1中拉出，并处于值守状态，在立柱支撑系统4的液压油缸4-1失效时能够及时保持支撑状态，避免安全隐患。需要合理设计立柱支撑系统4的伸缩压力，以免破坏房屋的结构。立柱系统安装完毕以后，就可以展开机械臂进行工作。控制升降电机11，可以实现机械臂的整体升降；控制整体转动控制电机12，可以实现机械臂整体转动方向；控制机械臂伸缩控制电机13，可以实现机械臂的伸缩。根据工作需要，用控制系统来编制程序，控制机械臂自动进行升降、伸缩和转动，即实现了机械臂多个自由度的自动化工作。

工作完毕以后，把升降电机11降落到立柱的最低位置。松开立柱支撑系统4液压油缸4-1的开关，伸缩柱塞4-2下降，顶部稳定盘6-1离开天花板。同时，自吸式液压支撑模块4-5的上缸体4-5-2进入下缸体4-5-1中，解除值守状态。卸下上部立柱，并把它们安放在底盘上的立柱固定架23上。关闭底部稳定盘系统3的悬挂油缸3-4的油路开关，驱动油缸柱塞缩进，底部固定盘3-1和楔形调整滑块3-2在悬挂油缸3-4牵引下，逐渐离开地面上升到合适高度。此时机械臂系统可以在牵引系统2的牵引下搬运转移。

Claims (10)

1、一种自动化机械臂，包括：底盘系统(1)、牵引系统(2)、底部稳定盘系统(3)、立柱支撑系统(4)、立柱系统(5)、顶部稳定盘系统(6)、升降套管(7)、转动套环(8)、防滑落装置(10)、控制电机系统(11，12，13)、机械臂系统(17，18，19)、传动系统(9，14，15，16，20，21，22)，其特征在于：立柱系统(5)底部固定在立柱支撑系统(4)上，并通过底部稳定盘系统(3)稳定地压在地面上，立柱顶部通过顶部固定盘系统(6)顶到上层楼板的下表面，借助底部稳定盘系统(3)和顶部稳定盘系统(6)，在底部稳定盘(3)和天花板之间垂直固定立柱系统(5)；升降电机(11)固定在升降套管(7)上，转动套环(8)连接在升降套管(7)的两端；机械臂(17、18、19)由平行的双连杆构成，起始端固定在两个转动套环(8)上；多级机械臂(19)通过连接转轴(20)连接；防滑落装置(10)固定在升降套管(7)上。

2、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：底部稳定盘系统(3)包括底部稳定盘(3-1)，楔形调整滑块(3-2)、滑块调整丝杆(3-3)、悬挂油缸(3-4)、油缸固定绞链(3-5)，底部稳定盘(3-1)下部呈倒置的圆锥体，上表面通过悬挂油缸(3-4)连接到底盘系统(1)的下面，油缸两端连接处采用油缸固定绞链(3-5)连接；楔形调整滑块(3-2)用燕尾槽轨道连接到底部稳定盘(3-1)上，滑动轨道沿圆锥体半径方向；三个楔形调整滑块(3-2)围绕底部稳定盘(3-1)中心均匀分布，外侧高里侧低，其上表面与底部稳定盘(3-1)下表面吻合。

3、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：立柱支撑系统(4)包括液压油缸(4-1)、伸缩柱塞(4-2)、立柱底部固定盘(4-3)、支撑模块油缸开关触发盘(4-4)、自吸式液压支撑模块(4-5)，液压油缸(4-1)固定在底部稳定盘(3-1)上面，伸缩柱塞(4-2)能够在液压油缸(4-1)中上下运动；立柱底部固定盘(4-3)固定在伸缩柱塞(4-2)的顶部；自吸式液压支撑模块(4-5)底部固定在底部稳定盘(3-1)上表面，顶部固定在立柱底部固定盘(4-3)的下表面。

4、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：立柱系统(5)由多根升降立柱(5-1)通过立柱连接件(5-3)连接组合；升降齿条(5-2)平行固定在升降立柱(5-1)的表面；立柱连接件(5-3)两端外径与升降立柱(5-1)两端内径相同，可以插入升降立柱(5-1)端部，并使升降齿条(5-2)进入连接件齿条限位槽(5-4)。

5、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：顶部稳定盘系统(6)包括顶部稳定盘(6-1)，调整丝杠(6-2)，丝帽(6-3)，电机上行程挡板(6-4)，限位螺栓(6-5)，丝帽(6-3)下端嵌入到顶部立柱上端的内部，顶部稳定盘(6-1)固定在调整丝杠(6-2)顶部，调整丝杠(6-2)下端旋入丝帽(6-3)内部；限位螺栓(6-5)在丝帽(6-3)上。

6、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：升降套管(7)套装在升降立柱(5-1)外部，管壁开有齿条槽使升降齿条(5-2)从套管壁中伸出，升降套管(7)内径与升降立柱(5-1)外径滑配合；升降电机(11)固定在升降套管(7)外壳上，电机轴上安装有齿轮，与升降齿条(5-2)紧密啮合；转动套环(8)套接在升降套管(7)的两端。

7、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：防滑落装置(10)由防滑落齿轮(10-1)，齿轮偏心转轴(10-2)，齿轮固定架(10-3)，压合分离操作装置(10-4)组成，防滑落齿轮(10-1)设计有齿轮偏心转轴(10-2)，齿轮偏心转轴(10-2)通过齿轮固定架(10-3)固定在升降套管(7)上；防滑落齿轮(10-1)模数和升降齿条(5-2)模数相同；压合分离操作装置(10-4)安装在防滑落齿轮(10-1)上。

8、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：第一级机械臂(17)和后向机械臂(18)的上下连杆分别与上下转动套环(8)固定在一起；第一级机械臂(17)双连杆后端通过轴承连接到连接转轴(20)两端，作为连接转轴(20)转动的固定支点；下一级机械臂双连杆前端固定在前一级机械臂的连接转轴(20)上；多级机械臂(19)之间都同样采用连接转轴(20)连接固定。

9、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：整体转动控制电机(12)固定在后向机械臂(18)上，电机上安装有电机齿轮(14)，与整体转动齿轮(9)啮合；整体转动齿轮(9)同轴安装固定在升降套管(7)上；伸缩传动齿轮(16)固定在第一级机械臂与第二级机械臂的连接转轴(20)上；连接转轴(20)上固定有传动齿轮盒(22)，传动转轴(21)一端接上一级传动齿轮盒(22)内部的齿轮，另一端接下一级传动齿轮盒(22)内部的齿轮。

10、根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于：自吸式液压支撑模块(4-5)包括下缸体(4-5-1)、上缸体(4-5-2)、截止阀(4-5-3)、截止阀顶杆(4-5-4)、截止阀复位弹簧(4-5-7)、弹簧压板(4-5-8)，下缸体(4-5-1)与下固板(4-5-5)连接，下固定板(4-5-5)通过螺栓固定到底部稳定盘(3-1)上；上缸体(4-5-2)能够在下缸体(4-5-1)中上下行运动；上缸体(4-5-2)的底部设计有截止阀(4-5-3)，截止阀(4-5-3)连接有截止阀顶杆(4-5-4)，截止阀顶杆(4-5-4)另一端通过截止阀复位弹簧(4-5-7)和弹簧压板(4-5-8)固定在立柱底部固定盘(4-3)上方。

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