CN203697009U - 五自由度液压伺服机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种五自由度液压伺服机械手，目前现有的机械手因其驱动方式及控制系统的限制，难以实现在高温重载工况下，实现准确抓取。本实用新型是一种具有五自由度姿态调整的机械手；是一种具有双缸电液伺服同步驱动的机械手；具有双马达电液伺服同步驱动的机械手；是一种具有电液伺服驱动旋转抓手的机械手；是一种应用PLC实现运动轨迹规划的电液伺服驱动机械手。本实用新型的五自由度液压伺服机械手能实现五个自由度姿态调整，定位准确，抓取灵活；双缸电液伺服同步驱动，保证运动的平稳与同步性；双马达电液伺服驱动可减小结构尺寸，提高系统整体性能；电液伺服驱动旋转抓手能实现多角度夹取，适用于高温重载工作环境。

Description

五自由度液压伺服机械手

技术领域

本实用新型涉及一种大功率五自由度液压伺服机械手，特别是涉及一种适用于重载和高温生产工况下物料搬运的五自由度液压伺服驱动机械手。 

背景技术

多自由度机械手是一种模仿人手臂形状与功能，按照给定的程序或要求自动地完成物体（材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能在一定程度上代替人进行繁重、危险等手工作业。以其可实现对不同尺寸、形状的高温工件的夹取，灵活度高和耐久力强的特点，广泛运用于机械、冶金、电子等行业，并且能在恶劣的工作环境下进行工作。因为机械手本身驱动方式及材料的影响，一般的机械手很难完成在高温重载环境下的工作，所以需要改善机械手的驱动方式和材料及热处理工艺使得机械手能完成高温重载下的任务，实现最快速度的有效抓取，同时也一定程度上提高工件生产的效率。 

  现有的多自由度机械手，如200620084565专利是一种运用了同步带轮的机械手，通过控制同步带轮的转向和转动圈数，来较为精确地控制同步带轮沿同步带移动的距离，从而控制机械手悬臂前后移动距离。201080035328是一种具有能够弯曲的弯曲部的医疗用机械手，其包括臂、插入部、操作部以及传递构件，能够灵活应用于医领域。如专利号为201120338279专利所涉及的一种多自由度自适应柔度机械手，能够简单精确的保证多自由度自适应柔性机械手指夹持工件等危险物的力度，避免操纵不慎产生的危险。201220280897专利所涉及的多自由度机械手夹具，抓手可以做Y轴向的直线运动，满足工件夹取和放置时微调的要求，能实现对工件的180度翻转，还可以对抓手的家区里进行调节，满足不同工件夹取时对不同夹取力的要求。201210269579专利是一种由支撑杆、左收拢气缸、右收拢气缸、左机械手、右机械手组成的机械手，利用机械手抓持焊条，使得对焊条的装包更加方便，结构简单，操作方便，自动化程度高，生产效率高等优点。如专利号为但是没有一种类型的机械手能够同时适应高温重载的环境。本专利针对以上技术不足，提供了一种由全液压装置同步控制的，能适应在高温重载环境下工作的多自由度机械手抓取装置。 

发明内容

  本实用新型针对现有技术的不足，提供一种五自由度液压伺服机械手。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种五自由度液压伺服机械手包括夹取机构、第一液压缸、第一液压马达、摆动机构、第一连杆、连接板、夹板、第二连杆、举升机构、第二液压缸、悬臂、机身、第三液压缸、第二液压马达、回转机构、底座、第三液压马达和第四液压缸；

所述的夹取机构为一个钳形抓手，由第一液压缸带动活塞杆的伸缩控制钳形抓手的开合；夹取机构的末端通过联轴器与旋转机构中的第一液压马达的输出轴相连，第一液压马达通过输出轴能带动夹取机构以联轴器为轴线旋转。 

所述的摆动机构为四根首尾相接的连杆组成的平行四边形机构，摆动机构第一铰接端的两侧分别依次与一块三角形连接板的一个顶角、一块夹板沿长度方向上的一端铰链连接，摆动机构与第一铰接端相邻的短边上的一个铰接端的两侧分别与一块连接板的另一个顶角铰链连接，摆动机构平行四边形机构中远离机身侧的长边中上部与第一连杆一端铰链连接，第一连杆另一端与第二液压缸的活塞杆相连，第二液压缸 末端通过铰链固定于机身上，液压缸通过连杆带动摆动机构做伸缩运动。第一液压马达与支架固连，支架两个铰接点与摆动机构下端铰接端点铰链联接； 

所述的举升机构为由夹板、第二连杆及连接板与机身上一固定点组成的平行四边形机构，第二连杆一端与三角形连接板的最后一个顶角连接，第二连杆的另一端与机身顶部一点铰链连接，夹板沿长度方向上的另一端与机身上另一点铰链连接，举升机构由第三液压缸驱动，靠近夹板沿长度方向上的另一端的五等分点处通过连杆与第三液压缸、第四液压缸的活塞杆铰链连接，液压缸 带动举升机构做升降运动，第三液压缸底部通过铰链固定于机身。悬臂的一端固定在机身上，举升机构的夹板外侧设有限位块，当举升机构下降到最低位置时，悬臂顶住限位块，起到限位作用；机身安置于回转机构上，回转机构由第二液压马达和第三液压马达带动做回转运动。第二液压缸马达和第三液压马达固定于回转机构上，带动回转机构相对于底座做回转运动。底座通过地脚螺钉固定于水平地面。

液压驱动系统包括第一回转液压马达、第二回转液压马达、第三回转液压马达、第一伸缩液压缸、第二伸缩液压缸、第三伸缩液压缸、第四伸缩液压缸、第一夹紧阀、第二夹紧阀、第三夹紧阀、第四夹紧阀、第一多路换向阀组、第二多路换向阀组、第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀、第五伺服阀、第六伺服阀和第七伺服阀； 

 第二液压马达、第三液压马达、第一伺服阀 和第二伺服阀组成驱动回转机构的液压系统；第二液压缸、第一夹紧阀和第三伺服阀组成驱动摆动机构４的液压系统；第三液压缸、第四液压缸、第二夹紧阀、第三夹紧阀、第四伺服阀 和第五伺服阀组成举升机构中的双缸电液伺服同步驱动系统；第一液压缸，第四夹紧阀和第六伺服阀组成驱动抓手的夹取机构中的液压系统；第一液压马达和第七伺服阀组成抓手的旋转机构的液压系统。

回转机构及旋转机构的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压马达一端，液压马达另一端接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路。摆动机构、举升机构及夹取机构的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压缸有杆腔，液压马达无杆腔接夹紧阀的入口，夹紧阀的出口接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路。 

本实用新型具有以下增益效果：本实用新型的五自由度液压伺服机械手能实现五个自由度姿态调整，定位准确，抓取灵活；双缸电液伺服同步驱动，保证运动的平稳与同步性；双马达电液伺服驱动可减小结构尺寸，提高系统整体性能；电液伺服驱动旋转抓手能实现多角度夹取，适用于高温重载工作环境。 

附图说明

图1-液压机械手原理图； 

图2-液压机械手机构简图；

图3-机械手液压系统图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种五自由度液压伺服机械手包括夹取机构1、第一液压缸2、第一液压马达3、摆动机构4、第一连杆5、连接板6、夹板7、第二连杆8、举升机构9、第二液压缸10、悬臂11、机身12、第三液压缸13、第二液压马达14、回转机构15、底座16、第三液压马达17和第四液压缸18； 

所述的夹取机构1为一个钳形抓手，由第一液压缸2带动活塞杆的伸缩控制钳形抓手的开合；夹取机构1的末端通过联轴器与旋转机构中的第一液压马达3的输出轴相连，第一液压马达通过输出轴能带动夹取机构以联轴器为轴线旋转， 

所述的摆动机构4为四根首尾相接的连杆组成的平行四边形机构，摆动机构4第一铰接端的两侧分别依次与一块三角形连接板6的一个顶角、一块夹板7沿长度方向上的一端铰链连接，摆动机构4与第一铰接端相邻的短边上的一个铰接端的两侧分别与一块连接板6的另一个顶角铰链连接，摆动机构4平行四边形机构中远离机身侧的长边中上部与第一连杆5一端铰链连接，第一连杆5另一端与第二液压缸10的活塞杆相连，第二液压缸 10末端通过铰链固定于机身12上，液压缸10通过连杆带动摆动机构做伸缩运动。第一液压马达3与支架固连，支架两个铰接点与摆动机构下端铰接端点铰链联接；

所述的举升机构9为由夹板7、第二连杆8及连接板6与机身上一固定点组成的平行四边形机构，第二连杆8一端与三角形连接板6的最后一个顶角连接，第二连杆8的另一端与机身12顶部一点铰链连接，夹板7沿长度方向上的另一端与机身12上另一点铰链连接，举升机构9由第三液压缸13驱动，靠近夹板7沿长度方向上的另一端的五等分点处通过连杆与第三液压缸13、第四液压缸18的活塞杆铰链连接，液压缸13 带动举升机构做升降运动，第三液压缸13底部通过铰链固定于机身12。悬臂11的一端固定在机身上，举升机构的夹板外侧设有限位块，当举升机构下降到最低位置时，悬臂11顶住限位块，起到限位作用；

机身12安置于回转机构15上，回转机构15由第二液压马达14和第三液压马达17带动做回转运动。第二液压缸马达14和第三液压马达17固定于回转机构上，带动回转机构相对于底座做回转运动。底座16通过地脚螺钉固定于水平地面。

如图3所示，液压驱动系统包括第一回转液压马达3、第二回转液压马达14、第三回转液压马达17、第一伸缩液压缸2、第二伸缩液压缸10、第三伸缩液压缸13、第四伸缩液压缸18、第一夹紧阀21、第二夹紧阀22、第三夹紧阀23、第四夹紧阀24、第一多路换向阀组19、第二多路换向阀组20、第一伺服阀25、第二伺服阀26、第三伺服阀27、第四伺服阀28、第五伺服阀29、第六伺服阀30和第七伺服阀31； 

 第二液压马达14、第三液压马达17、第一伺服阀 25和第二伺

服阀26组成驱动回转机构15的液压系统；第二液压缸10、第一夹紧阀21和第三伺服阀27组成驱动摆动机构4的液压系统；第三液压缸13、第四液压缸18、第二夹紧阀22、第三夹紧阀23、第四伺服阀 28和第五伺服阀29组成举升机构9中的双缸电液伺服同步驱动系统；第一液压缸2，第四夹紧阀24和第六伺服阀30组成驱动抓手的夹取机构1中的液压系统；第一液压马达3和第七伺服阀31组成抓手的旋转机构的液压系统。

回转机构15及旋转机构(第一液压马达3）的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压马达一端，液压马达另一端接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路。摆动机构4、举升机构9及夹取机构1的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压缸有杆腔，液压马达无杆腔接夹紧阀的入口，夹紧阀的出口接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路。 

回转机构15及旋转机构（液压马达3）的液压系统工作情况为：初始时，伺服阀P口T口流量相等，系统保持平衡。当输入指令信号推动伺服阀阀芯朝一边移动。阀芯的位移打开了进油口(P)与一个负载口之间的油路，沟通了回油口（T）与另一负载口之间的通道。油经过伺服阀，进入液压马达的一端，带动液压马达旋转，液压马达带动旋转机构或回转机构做一个方向的回转运动。当输入指令推到伺服阀向另一边移动时，液压马达向另一方向旋转。 

摆动机构4、举升机构9及夹取机构1液压系统工作情况为： 初始时，伺服阀P口T口流量相等，系统保持平衡。当输入指令信号推动伺服阀阀芯朝一边移动。阀芯的位移打开了进油口(P)与一个负载口之间的油路，沟通了回油口（T）与另一负载口之间的通道。油经过伺服阀，进入液压缸有杆腔的一端，带动液压缸的活塞杆收缩，分别对应各个机构中的反应为摆动机构的后退，举升机构的下降，夹取机构的夹紧。当输入指令推到伺服阀向另一边移动时，对应各个机构的运动是摆动机构的前进，举升机构的上升，夹取机构的放松。 

一种适用于重载和高温生产工况下物料搬运的五自由度液压伺服驱动机械手，其中五自由度机构由三自由度的姿态调整机构和两自由度的旋转抓手组成。三自由度姿态调整机构由双缸电液伺服同步驱动举升机构、单缸电液伺服驱动摆动机构及双马达电液伺服同步驱动机构组成。两自由度的旋转抓手由单缸电液伺服驱动夹取机构和单马达电液伺服驱动旋转机构组成。液压机械手采用PLP控制系统，运用SETP7编写控制程序。 

所述的五个自由度分别是所述的夹取机构的夹取自由度以及旋转自由度；所述的举升机构的升降自由度；所述的摆动机构的伸缩自由度及所述的回转机构的回转自由度。 

所述双缸电液伺服同步驱动举升机构主要由两个液压缸、连杆、连接板、位移传感器、压力传感器、伺服阀及油源等组成。所述举升机构由电液驱动，通过伺服阀控制液压缸有杆腔和无杆腔的油量来改变液压杆的位置。两个液压缸的控制油路相同，并输入相同的控制量，保证双缸电液驱动的同步性。所述的位移传感器用于监测液压缸的工作位置同步误差，所述的压力传感器用于监测液压缸的运行位置。 

所述单缸电液伺服驱动摆动机构主要由液压缸、连杆、连接板、位移传感器、压力传感器、伺服阀及油源等组成。所述摆动机构由电液驱动，通过伺服阀控制液压缸有杆腔和无杆腔的油量来改变液压杆的位置。所述的压力传感器用于监测液压缸的运行位置。 

所述双马达电液伺服同步驱动回转机构主要由两个液压马达、油源、伺服阀及底板等组成。双马达电液伺服同步驱动回转机构由电液驱动，通过伺服阀控制液压马达，带动液压马达转动，经多级传递将转动传递给转盘轴，实现机械手整体的转动。当抓取成功时，利用电液压控制其旋转，转移所夹取高温工件。 

所述电液伺服驱动夹取机构由液压缸、连杆、伺服阀及油源等组成。夹取机构中的主要结构为一平行四边形机构，通过电液驱动，由伺服阀控制液压缸中伸缩杆的运动，改变平行四边形机构的形状，从而实现抓手的夹紧和放松。 

所述单马达电液伺服驱动旋转机构主要由液压马达、连杆、伺服阀及油源等组成。旋转部分由电液驱动带动液压马达运动，由于马达与夹取机构同轴，可将这种运动传递给夹取机构，从而实现多角度夹取工件或夹取后工件圆周位置的调整。夹取机构中心轴与旋转机构的液压马达通过联轴器相连，液压马达固定于平板上。 

所述的PLP控制系统部分主要由PPU、信号、功能、接口等模块和通信处理器、编程设备组成，是一类可编程的控制器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制五自由度液压伺服机械手及其运动过程。机械手的摆动控制及举升控制通过应用PLP实现运动轨迹规划，带动摆动机构和举升机构的运动，驱动整个机械手，为使传动实现运动平稳，所述的两个液压缸应有两个置于机械臂的中部，而且同步运动，一横一纵控制机械手的上下前后运动，从而实现机械手的有效抓取。 

Claims (1)

1. 五自由度液压伺服机械手包括夹取机构、第一液压缸、第一液压马达、摆动机构、第一连杆、连接板、夹板、第二连杆、举升机构、第二液压缸、悬臂、机身、第三液压缸、第二液压马达、回转机构、底座、第三液压马达和第四液压缸；

其特征在于：所述的夹取机构为一个钳形抓手，由第一液压缸带动活塞杆的伸缩控制钳形抓手的开合；夹取机构的末端通过联轴器与旋转机构中的第一液压马达的输出轴相连，第一液压马达通过输出轴能带动夹取机构以联轴器为轴线旋转； 

所述的摆动机构为四根首尾相接的连杆组成的平行四边形机构，摆动机构第一铰接端的两侧分别依次与一块三角形连接板的一个顶角、一块夹板沿长度方向上的一端铰链连接，摆动机构与第一铰接端相邻的短边上的一个铰接端的两侧分别与一块连接板的另一个顶角铰链连接，摆动机构平行四边形机构中远离机身侧的长边中上部与第一连杆一端铰链连接，第一连杆另一端与第二液压缸的活塞杆相连，第二液压缸 末端通过铰链固定于机身上，液压缸通过连杆带动摆动机构做伸缩运动；第一液压马达与支架固连，支架两个铰接点与摆动机构下端铰接端点铰链联接；

所述的举升机构为由夹板、第二连杆及连接板与机身上一固定点组成的平行四边形机构，第二连杆一端与三角形连接板的最后一个顶角连接，第二连杆的另一端与机身顶部一点铰链连接，夹板沿长度方向上的另一端与机身上另一点铰链连接，举升机构由第三液压缸驱动，靠近夹板沿长度方向上的另一端的五等分点处通过连杆与第三液压缸、第四液压缸的活塞杆铰链连接，液压缸 带动举升机构做升降运动，第三液压缸底部通过铰链固定于机身；悬臂的一端固定在机身上，举升机构的夹板外侧设有限位块，当举升机构下降到最低位置时，悬臂顶住限位块，起到限位作用；机身安置于回转机构上，回转机构由第二液压马达和第三液压马达带动做回转运动；第二液压缸马达和第三液压马达固定于回转机构上，带动回转机构相对于底座做回转运动；底座通过地脚螺钉固定于水平地面；

液压驱动系统包括第一回转液压马达、第二回转液压马达、第三回转液压马达、第一伸缩液压缸、第二伸缩液压缸、第三伸缩液压缸、第四伸缩液压缸、第一夹紧阀、第二夹紧阀、第三夹紧阀、第四夹紧阀、第一多路换向阀组、第二多路换向阀组、第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀、第五伺服阀、第六伺服阀和第七伺服阀；

 第二液压马达、第三液压马达、第一伺服阀 和第二伺服阀组成驱动回转机构的液压系统；第二液压缸、第一夹紧阀和第三伺服阀组成驱动摆动机构的液压系统；第三液压缸、第四液压缸、第二夹紧阀、第三夹紧阀、第四伺服阀 和第五伺服阀组成举升机构中的双缸电液伺服同步驱动系统；第一液压缸，第四夹紧阀和第六伺服阀组成驱动抓手的夹取机构中的液压系统；第一液压马达和第七伺服阀组成抓手的旋转机构的液压系统；

回转机构及旋转机构的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压马达一端，液压马达另一端接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路；摆动机构、举升机构及夹取机构的液压系统油路为：一条油路从伺服阀P口接入，伺服阀A口接液压缸有杆腔，液压马达无杆腔接夹紧阀的入口，夹紧阀的出口接伺服阀B口，伺服阀T口接另一条油路。