CN204076281U - 基于行车的重载精密冗余三臂机械手 - Google Patents

基于行车的重载精密冗余三臂机械手 Download PDF

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潘雪娇
郭园
刘浪
陈才
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蒋海义
王晴
申旌辉
刘淼
马翔宇
黄世福
张剑
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Abstract

本实用新型公开了一种基于行车的重载精密冗余三臂机械手,包括基座、夹具总成和自动控制系统,夹具总成包括用于安装机械臂的安装座、用于抓取工件的抓取机械手和用于搬运所抓取工件的搬运机械手,所述抓取机械手包括用于抓取重型工件的重载机械手和用于抓取轻型精密工件的轻载机械手;本实用新型的抓取机械手采用冗余机械臂结构,其中,重载机械手用于负载重物,轻载机械手用于精密器件的搬运,两抓取机械手可以在空间中协同搬运和安装工件,解决了机械手领域存在的重载与精密相矛盾的问题;另外,搬运机械手解决了目前行车搬运一件零件需要跑一个来回的弊端,大大降低了工人的劳动强度,提高了车间生产效率,减少了很大部分能耗。

Description

基于行车的重载精密冗余三臂机械手
技术领域
本实用新型涉及自动化机械夹具领域,特别涉及一种基于行车的重载精密冗余三臂机械手。
背景技术
现有基于行车的机械手还没有普及,车间行车搬运工件的吊装和卸荷都是由工人操作,一些大型工件的的吊装和卸荷需要多名工人耗费大量体力才能完成,工人疲劳作业,零件加工周期长,人身安全得不到保障,一些小型精密器件的吊装和卸荷也需要耗费很大一部分时间,减少工人加工时间,降低生产效率,同时工件在机床上的安装也达不到理想精度,不利于现代化车间大规模生产模式,因此需要引入行车机械手来搬运和定位安装工件,提高车间生产效率,同时减少车间安全事故的发生。
并且,现有技术中,机械手的重载和精密性能是一对矛盾体,大负载机械手必要失去精度,而通过伺服电机驱动能提高机械手精度,却又减弱了其负载能力,而车间的工件各种各样,有大型重型零件,也有小型精密零件,在机床加工时对零件的定位精度也有很高的要求,现有单臂机械手远远达不到负载和精密的双重要求,同时为了满足现代化工业生产对生产效率的要求,如果一次只是搬运一个工件,则行车机械手就达不到预想的成效。
因此,需要设计一种基于行车的重载精密机械手,机械手的手臂可分别适用于不同类型和要求的工件,并可在空间内同时协同工作,在保证大负载能力的同时也能满足不同位置不同形状工件的夹持、高精度、高效率和安全性能要求,而且该机械手的手臂还具有搬运超重工件的能力。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型提供一种基于行车的重载精密冗余三臂机械手,机械手的手臂可分别适用于不同类型和要求的工件,并可在空间内同时协同工作,在保证大负载能力的同时也能满足不同位置不同形状工件的夹持、高精度、高效率和安全性能要求,而且该机械手的手臂还具有搬运超重工件的能力。
本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,包括基座、夹具总成和自动控制系统,夹具总成包括用于安装机械臂的安装座、用于抓取工件的抓取机械手和用于搬运所抓取工件的搬运机械手,抓取机械手包括用于抓取重型工件的重载机械手和用于抓取轻型精密工件的轻载机械手;
重载机械手包括上臂Ⅰ、中臂Ⅰ、下臂Ⅰ和手爪总成Ⅰ,上臂Ⅰ上端与安装座单自由度铰接形成肩关节Ⅰ,中臂Ⅰ两端分别与上臂Ⅰ和下臂Ⅰ单自由度铰接形成肘关节Ⅰ,下臂Ⅰ与手爪总成Ⅰ连接并在连接处形成腕关节Ⅰ;重载机械手还包括分别驱动上臂Ⅰ和中臂上臂Ⅰ沿竖直平面转动的伸缩液压缸Ⅰ和伸缩液压缸Ⅱ;
轻载机械手包括上臂Ⅱ、中臂Ⅱ、下臂Ⅱ和手爪总成Ⅱ,上臂Ⅱ上端与安装座单自由度铰接形成肩关节Ⅱ,中臂Ⅱ两端分别与上臂Ⅱ和下臂Ⅱ单自由度铰接形成肘关节Ⅱ,下臂Ⅱ与手爪总成Ⅱ连接处设置有腕关节Ⅱ;
肩关节Ⅱ和两肘关节Ⅱ处,以及重载机械手的中臂Ⅰ与下臂Ⅰ铰接形成的肘关节Ⅰ处均设置有用于驱动下一手臂绕铰接轴线转动的臂驱动装置,每一臂驱动装置均包括臂驱动伺服电机和与臂驱动伺服电机传动配合的齿轮传动副Ⅰ;
搬运机械手包括上臂Ⅲ、下臂Ⅲ和搬运斗,上臂Ⅲ与安装座铰接配合,下臂Ⅲ与上臂Ⅲ铰接配合,搬运斗以始终与水平面垂直的方式与下臂Ⅲ下端配合设置,上臂Ⅲ和下臂Ⅲ均通过液压驱动方式绕铰接轴轴线转动。
进一步,腕关节Ⅰ与腕关节Ⅱ均为机电液一体化三自由度集成结构,两者均包括外壳体、内壳体、关节输出组件和驱动总成,驱动总成包括用于驱动关节输出组件做直线或/和旋转运动的驱动组件Ⅰ和用于驱动关节输出组件做俯仰运动的驱动组件Ⅱ;
驱动组件Ⅰ包括内螺纹套、用于对内螺纹套旋转限位的螺纹套卡紧装置和与关节输出组件连接配合的驱动输出轴,以及可分别驱动驱动输出轴的液压驱动部分Ⅰ和电动驱动部分Ⅰ,液压驱动部分Ⅰ和所述螺纹套卡紧装置均固定设置在外壳体内,内螺纹套设置在外壳体内,电动驱动部分Ⅰ设置在内壳体内,驱动输出轴依次穿出内壳体和外壳体,驱动输出轴与内壳体固定连接并以可绕自身轴线转动的方式与外壳体配合;液压驱动部分Ⅰ为回转液压缸,回转液压缸的动片轴轴端设有与内螺纹套一端螺纹配合的螺纹段Ⅰ,电动驱动部分Ⅰ包括旋转电机和齿轮传动副Ⅱ,齿轮传动副Ⅱ的从动齿轮与所述驱动输出轴通过键配合连接,驱动输出轴内端设有与内螺纹套螺纹配合的螺纹段Ⅱ;驱动组件Ⅰ还包括用于将回转液压缸的动片轴与内螺纹套固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅰ和用于将驱动输出轴与内螺纹套固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅱ;
驱动组件Ⅱ包括驱动连杆和可分别驱动驱动连杆的直线液压缸、直线电机,直线液压缸和直线电机固接于内壳体内部,直线液压缸的活塞杆与直线电机的动片固定配合连接,驱动连杆内端部与直线液压缸的活塞杆活动配合连接,外端部与关节输出组件活动配合连接。
进一步,关节输出组件包括关节销轴和与关节销轴固定连接的手爪座安装座,关节销轴穿过驱动输出轴端部设置并与驱动输出轴活动配合连接,关节销轴上固定安装有用于与驱动连杆连接的耳座;
驱动连杆包括相互铰接的第一连杆和第二连杆,第一连杆与直线液压缸的活塞杆端部铰接,第二连杆通过连杆连接销轴与耳座活动配合连接。
进一步,螺纹副卡紧装置Ⅰ和螺纹副卡紧装置Ⅱ结构相同,均包括伸缩液压缸Ⅴ和卡紧组件,卡紧组件包括两驱动杆和两卡爪,每一卡爪均包括连杆部和卡爪部,每一卡爪部与对应驱动杆铰接,每一驱动杆上端均与一固定设置在伸缩液压缸Ⅴ活塞杆上的安装块铰接,伸缩液压缸Ⅴ的缸体固定设置在内螺纹套的轴向端侧,每一卡爪的连杆部与卡爪部的连接处与固定设置在内螺纹套轴向端侧的铰接座铰接;
螺纹套卡紧装置为伸缩液压缸Ⅵ,伸缩液压缸Ⅵ缸体固定设置在外壳体内侧,内螺纹套外侧设置有用于伸缩液压缸Ⅵ的活塞杆插入对内螺纹套旋转限位并可沿轴向相对滑动的轴向滑槽。
进一步,手爪总成Ⅰ和手爪总成Ⅱ均包括手爪座和四个成夹持状态设置并均与手爪座固接的手爪,每个手爪均包括指节,相邻指节间铰接形成指关节,每个指关节均设置有用于驱动下一指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构,指节驱动机构包括动力装置、锥齿轮传动副Ⅰ和直齿轮传动副,锥齿轮传动副Ⅰ与动力装置动力输出端传动配合,锥齿轮传动副Ⅰ的从动锥齿轮和直齿轮传动副的主动齿轮均与指节铰接处的铰接轴在圆周方向固定,直齿轮传动副的从动齿轮轴与下一指节固定连接;
其中,手爪总成Ⅰ的指节驱动机构的动力装置为指节驱动回转液压缸,对应锥齿轮传动副Ⅰ设置有与指节驱动回转液压缸的回转片中心固定的锥齿轮动力输入轴,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮与锥齿轮动力输入轴在圆周方向固定;
手爪总成Ⅱ的指节驱动机构的动力装置为指节驱动伺服电机,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮与指节驱动伺服电机的动力输出轴在圆周方向固定配合。
进一步,还包括用于驱动基座沿直线移动的滚珠丝杠总成,滚珠丝杠总成包括滚珠丝杠、螺母套管和驱动电机Ⅰ,基座为箱式结构,螺母套管设置在基座内部并固定,滚珠丝杆内套螺母套管并穿出基座设置;
还包括用于驱动基座绕滚珠丝杠轴线转动的驱动组件,驱动组件包括驱动电机Ⅱ和与驱动电机Ⅱ传动配合的锥齿轮传动副Ⅱ,锥齿轮传动副Ⅱ的从动锥齿轮与螺母套管在圆周方向上固定配合。
进一步,还包括安装座回转组件,安装座回转组件包括驱动电机Ⅲ和锥齿轮传动副Ⅲ,驱动电机Ⅲ的动力输出轴与锥齿轮传动副Ⅲ的主动锥齿轮在圆周方向固定配合,锥齿轮传动副Ⅲ的从动齿轮轴穿出基座与手臂安装座固定配合。
进一步,伸缩液压缸Ⅰ的缸体与安装座连接,活塞杆与重载机械手的上臂Ⅰ连接,伸缩液压缸Ⅱ的缸体与上臂Ⅰ连接,活塞杆与中臂Ⅰ连接;
臂驱动装置的臂驱动伺服电机固接于上一机械臂,臂驱动伺服电机的动力输出轴与齿轮传动副Ⅰ的主动直齿轮在圆周方向固定配合,齿轮传动副Ⅰ的从动直齿轮与关节铰接轴在圆周方向固定配合,每一对应关节处的关节铰接轴与下一机械臂固定连接。
搬运机械手的上臂Ⅲ与安装座之间连接设置有伸缩液压缸Ⅴ,上臂Ⅲ与下臂Ⅲ之间连接设置有伸缩液压缸Ⅵ。
进一步,自动控制系统包括:
角度传感器Ⅰ,设置于三机械手的各手臂内部,用于检测各个手臂的俯仰角度;
摄像头传感器,设置于手臂安装座下方,用于检测物体的空间位置、姿态,并监视机械手的工作状态,同时传送图像到显示装置;
触觉传感器,设置于重载机械手、轻载机械手的手爪以及搬运机械手的搬运斗内表面,用于主动获取物体的完整信息,并监视各机械手工作状态;
压力传感器,设置于手爪指节的夹持面内部和搬运斗内层,用于检测每个指节的夹持压力和搬运工件的压力,并监视机械手的工作状态;
原点检测传感器,设置于抓取机械后手爪座底面,用于检测车床上的标定点,并定位工件;
位置传感器,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的位置;
角度传感器Ⅱ,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的俯仰和旋转角度;
力矩传感器,设置于关节输出组件,用于检测腕关节所需要输出的力矩;
中央控制器,接收并综合处理各传感器反馈的信息,并向各电机和各液压缸发出命令信号。
进一步,下臂Ⅰ通过固定设置在中臂Ⅰ下端的铰接座Ⅰ与中臂Ⅰ铰接配合;下臂Ⅱ通过固定设置在中臂Ⅱ下端的铰接座Ⅱ与中臂Ⅱ铰接配合;下臂Ⅲ下端设有铰接座Ⅲ,铰接座Ⅲ包括座体、两个并列设置的铰接臂和与两铰接臂固定配合铰接轴,搬运斗的固定杆上端以可绕铰接轴线转动的方式与铰接轴间隙外套配合;
直线液压缸的缸体内、伸缩液压缸Ⅲ的缸体内和伸缩液压缸Ⅳ的缸体内均设置有外套于活塞杆的弹簧。
本实用新型的有益效果:本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,抓取机械手采用冗余机械臂结构,其中,重载机械手用于负载重物,采用液压缸作为驱动力,为搬运重物提供强大的动力,轻载机械手用于精密器件的搬运,采用电机驱动,保证搬运和安装工件的精密性,两个抓取机械手配合自适应柔性机械手爪,能够保证对空间不同位置不同形状工件的夹持,而且,两抓取机械手可以在空间中协同搬运和安装工件,并根据自动控制系统精确调节,在保证机械手大负载性能的同时也保证了精密性要求,具有较高的定位精度,解决了机械手领域存在的重载与精密相矛盾的问题;另外,搬运机械手采取液压驱动,末端执行器采用搬运斗,具有搬运载荷大、容量大的特点,抓取机械手可以将多件零件抓取后放入搬运斗中,运往目的地后可依次取出工件进行定位安装加工,解决了目前行车搬运一件零件需要跑一个来回的弊端,解决了现目前车间行车吊装、卸荷需要人工操作的问题,大大降低了工人的劳动强度,提高了车间生产效率,减少了很大部分能耗,降低了企业生产成本和安全事故发生率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
图1为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手结构示意图;
图2为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手的各腕关节结构示意图;
图3为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手两抓取机械手腕关节的螺纹套卡紧装置结构示意图;
图4为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手的两抓取机械手的手爪总成结构示意图;
图5为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手的腕关节的驱动连杆结构示意图;
图6为图3侧视图;
图7为为本实用新型的基于行车的重载精密冗余三臂机械手的关节输出组件与手爪座连接结构示意图。
具体实施方式
如图所示:本实施例的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,包括基座1、夹具总成和自动控制系统,夹具总成包括用于安装机械臂的安装座2、用于抓取工件的抓取机械手和用于搬运所抓取工件的搬运机械手C,抓取机械手包括用于抓取重型工件的重载机械手A和用于抓取轻型精密工件的轻载机械手B;
重载机械手A包括上臂Ⅰ3、中臂Ⅰ4、下臂Ⅰ5和手爪总成Ⅰ6,上臂Ⅰ3上端与安装座2单自由度铰接形成肩关节Ⅰ7,中臂Ⅰ4两端分别与上臂Ⅰ3和下臂Ⅰ5单自由度铰接形成肘关节Ⅰ8,下臂Ⅰ5与手爪总成Ⅰ6连接并在连接处形成腕关节Ⅰ9;重载机械手A还包括分别驱动上臂Ⅰ3和中臂上臂Ⅰ3沿竖直平面转动的伸缩液压缸Ⅰ10和伸缩液压缸Ⅱ11;即重载机械手A采取液压驱动方式,能够适应重载的工作环境;
轻载机械手B包括上臂Ⅱ12、中臂Ⅱ13、下臂Ⅱ14和手爪总成Ⅱ15,上臂Ⅱ12上端与安装座2单自由度铰接形成肩关节Ⅱ16,中臂Ⅱ13两端分别与上臂Ⅱ12和下臂Ⅱ14单自由度铰接形成肘关节Ⅱ17,下臂Ⅱ14与手爪总成Ⅱ15连接处设置有腕关节Ⅱ18;
肩关节Ⅱ16和两肘关节Ⅱ17处,以及重载机械手A的中臂Ⅰ4与下臂Ⅰ5铰接形成的肘关节Ⅰ8处均设置有用于驱动下一手臂绕铰接轴线转动的臂驱动装置,每一臂驱动装置均包括臂驱动伺服电机和与臂驱动伺服电机传动配合的齿轮传动副Ⅰ;
搬运机械手C包括上臂Ⅲ19、下臂Ⅲ20和搬运斗21,上臂Ⅲ19与安装座2铰接配合,下臂Ⅲ20与上臂Ⅲ19铰接配合,搬运斗21以始终与水平面垂直的方式与下臂Ⅲ20下端配合设置,上臂Ⅲ19和下臂Ⅲ20均通过液压驱动方式绕铰接轴轴线转动。
本实施例中,腕关节Ⅰ9与腕关节Ⅱ18均为机电液一体化三自由度集成结构,两者均包括外壳体22、内壳体23、关节输出组件和驱动总成,驱动总成包括用于驱动关节输出组件做直线或/和旋转运动的驱动组件Ⅰ和用于驱动关节输出组件做俯仰运动的驱动组件Ⅱ;
驱动组件Ⅰ包括内螺纹套24、用于对内螺纹套24旋转限位的螺纹套卡紧装置25和与关节输出组件连接配合的驱动输出轴26,以及可分别驱动驱动输出轴26的液压驱动部分Ⅰ和电动驱动部分Ⅰ,液压驱动部分Ⅰ和所述螺纹套卡紧装置25均固定设置在外壳体22内,内螺纹套24设置在外壳体22内,电动驱动部分Ⅰ设置在内壳体23内,驱动输出轴26依次穿出内壳体23和外壳体22,驱动输出轴26与内壳体23固定连接并以可绕自身轴线转动的方式与外壳体22配合;液压驱动部分Ⅰ为回转液压缸27,回转液压缸27的动片轴28轴端设有与内螺纹套24一端螺纹配合的螺纹段Ⅰ,电动驱动部分Ⅰ包括旋转电机29和齿轮传动副Ⅱ,齿轮传动副Ⅱ包括主动齿轮38、从动齿轮30和主动轴39,齿轮传动副Ⅱ的从动齿轮30与驱动输出轴26通过键37配合连接,主动轴39与旋转电机29的电机轴通过联轴器40连接,驱动输出轴26内端设有与内螺纹套24螺纹配合的螺纹段Ⅱ;驱动组件Ⅰ还包括用于将回转液压缸27的动片轴与内螺纹套24固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅰ31和用于将驱动输出轴26与内螺纹套24固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅱ32;
驱动组件Ⅱ包括驱动连杆和可分别驱动驱动连杆的直线液压缸33、直线电机34,直线液压缸33和直线电机34固接于内壳体23内部,直线液压缸33的活塞杆36与直线电机34的动片35固定配合连接,直线液压缸33的活塞杆36与直线电机34的动片35通过螺栓或其它现有连接方式连接。驱动连杆内端部与直线液压缸33的活塞杆活动配合连接,外端部与关节输出组件活动配合连接;直线电机34、直线液压缸33可以分别驱动控制关节销轴绕驱动输出轴26摆动;
本实用新型在使用时,可通过自动控制系统控制螺纹副卡紧装置Ⅰ31和螺纹副卡紧装置Ⅱ32的工作状态,当螺纹副卡紧装置Ⅰ31工作时,可将回转液压缸27的动片轴与内螺纹套24紧紧固定在一起,此时,内螺纹套24会随同回转液压缸27的动片轴的旋转而一同旋转,内螺纹套24与回转液压缸27的动片轴之间无相对运动,当螺纹副卡紧装置Ⅱ32工作时,内螺纹套24与驱动输出轴26的运动情况与上相同;
使用者可通过控制螺纹副卡紧装置Ⅰ31和螺纹副卡紧装置Ⅱ32的工作,达到选取液压驱动方式或电机驱动方式的目的,当选取液压驱动方式时,可将两螺纹副卡紧装置同时卡死,使得内螺纹套24、驱动输出轴26均随同回转液压缸27的动片轴一通旋转,输出关节输出组件的旋转运动,或者,将螺纹副卡紧装置Ⅱ32卡死,螺纹副卡紧装置Ⅰ31不卡死,并且,螺纹套卡紧装置25工作,防止内螺纹套24旋转,驱动输出轴26随同内螺纹套24在回转液压缸27的动片轴的螺纹段上做直线运动,输出关节输出组件的前后直线运动;当选取电机驱动方式时,可将螺纹副卡紧装置Ⅰ31卡死,螺纹副卡紧装置Ⅱ32不卡死,且螺纹套卡紧装置25工作,防止内螺纹套24旋转,驱动输出轴26在旋转电机29和齿轮副的作用下做旋转和直线运动;
根据具体情况,选择采用电机驱动与液压驱动驱动一种运动,结合电气控制,可以根据不同的工作环境选择合适的驱动方式,集大负载、高精度性能于一身,同时机电液一体化三自由度集成关节结构紧凑,具有多个自由度,可以增加机械手的避障、克服奇异性等能力,同时,随着对机械手的重载和精密性能要求越来越高,机械手的种类和复杂性日益增加,机电液一体化三自由度集成关节提高了机械手结构的通用性、可重用性、可靠性,有利于机械手作业系统设计的模块化、标准化,具有较高的使用价值和应用前景。
本实施例中,关节输出组件包括关节销轴41和与关节销轴41固定连接的手爪座安装座42,关节销轴41穿过驱动输出轴26端部设置并与驱动输出轴26活动配合连接,关节销轴41上固定安装有用于与驱动连杆连接的耳座43;手爪座安装座42上设置有螺纹孔,可以将集成关节集成到所需要驱动的机械结构上;
驱动连杆包括相互铰接的第一连杆44和第二连杆45,第一连杆44与直线液压缸33的活塞杆端部铰接,第二连杆45通过连杆连接销轴46与耳座43活动配合连接。
本实施例中,螺纹副卡紧装置Ⅰ31和螺纹副卡紧装置Ⅱ32结构相同,均包括伸缩液压缸Ⅴ47和卡紧组件,卡紧组件包括两驱动杆(图中为驱动杆48和驱动杆48a)和两卡爪(图中为卡爪49和卡爪49a),每一卡爪均包括连杆部50和卡爪部51,每一卡爪部与对应驱动杆铰接,每一驱动杆上端均与一固定设置在伸缩液压缸Ⅴ47活塞杆上的安装块52铰接,伸缩液压缸Ⅴ47的缸体固定设置在内螺纹套24的轴向端侧,每一卡爪的连杆部与卡爪部的连接处与固定设置在内螺纹套24轴向端侧的铰接座53铰接;其中,内螺纹套两端部分别设置螺纹副卡紧装置Ⅰ和螺纹副卡紧装置Ⅱ,螺纹副卡紧装置Ⅰ的两卡爪分别设置在回转液压缸的动片轴两侧并可在工作时对动片轴成夹紧状态,螺纹副卡紧装置Ⅱ的两卡爪设置在驱动输出轴两侧并可在工作时对驱动输出轴成夹紧状态,由于每一螺纹副卡紧装置的伸缩液压缸Ⅰ均与内螺纹套固定,当在夹紧时,内螺纹套与动片轴或/和驱动输出轴无相对运动,本螺纹副卡紧装置结构简单,实现操作均较容易,可通过电气控制灵活的控制内螺纹套与动片轴或/和驱动输出轴的相对状态;
螺纹套卡紧装置25为伸缩液压缸Ⅵ25,伸缩液压缸Ⅵ的缸体固定设置在外壳体22内侧,内螺纹套24外侧设置有用于伸缩液压缸Ⅵ的活塞杆插入对内螺纹套24旋转限位并可沿轴向相对滑动的轴向滑槽;轴向滑槽在伸缩液压缸Ⅵ的活塞杆伸出并插入到槽内时可相对轴向滑动,实现方式简单,可较容易的对内螺纹套24的旋转运动进行限制。
另外,腕关节的外壳体22为中空式长方体结构,外壳体22关于回转液压缸27动片轴对称,外壳体22左端面设置有螺纹孔54,螺纹孔可将集成腕关节集成到需要固接的机械结构上,回转液压缸27通过动片轴旋转带动内螺纹套24左右移动或转动;内壳体23箱体为中空式长方体结构,内壳体23箱体与从动齿轮轴(即驱动输出轴26)固定配合连接,内壳体23箱体关于驱动输出轴26对称,内壳体23内固接的直线液压缸33与直线电机34位于同一直线,所述直线位于驱动连杆所在平面,所述平面垂直于关节输出组件上的关节销轴41。
本实施例中,手爪总成Ⅰ6和手爪总成Ⅱ15均包括手爪座55和四个成夹持状态设置并均与手爪座55固接的手爪56,每个手爪56均包括指节,相邻指节间铰接形成指关节,每个指关节均设置有用于驱动下一指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构,指节驱动机构包括动力装置57、锥齿轮传动副Ⅰ和直齿轮传动副,锥齿轮传动副Ⅰ与动力装置57动力输出端传动配合,锥齿轮传动副Ⅰ的从动锥齿轮59和直齿轮传动副的主动齿轮60均与指节铰接处的铰接轴61在圆周方向固定,直齿轮传动副的从动齿轮轴63与下一指节固定连接,直齿轮传动副的从动齿轮62与从动齿轮轴63在圆周方向固定配合;如图所示,指节包括第一指节64、第二指节65、第三指节66和第四指节67,其中第一指节与手爪座安装座固定连接,其余依次铰接;
其中,手爪总成Ⅰ6的指节驱动机构的动力装置57为指节驱动回转液压缸,对应锥齿轮传动副Ⅰ设置有与指节驱动回转液压缸的回转片中心固定的锥齿轮动力输入轴,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮58与锥齿轮动力输入轴在圆周方向固定;
手爪总成Ⅱ15的指节驱动机构的动力装置57为指节驱动伺服电机,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮58与指节驱动伺服电机的动力输出轴在圆周方向固定配合;
通过上述结构,手爪总成Ⅰ6和手爪总成Ⅱ15均形成柔性机械手爪结构,可通过自适应对不同形状的工件进行夹持,且夹持稳定,不易松脱。
本实施例中,还包括用于驱动基座1沿直线移动的滚珠丝杠总成,滚珠丝杠总成包括滚珠丝杠68、螺母套管69和驱动电机Ⅰ70,基座1为箱式结构,螺母套管69设置在基座1内部并固定,滚珠丝杆68内套螺母套管69并穿出基座1设置;
还包括用于驱动基座1绕滚珠丝杠轴线转动的驱动组件,驱动组件包括驱动电机Ⅱ71和与驱动电机Ⅱ71传动配合的锥齿轮传动副Ⅱ,锥齿轮传动副Ⅱ的从动锥齿轮72与螺母套管69在圆周方向上固定配合,锥齿轮传动副Ⅱ的主动锥齿轮74与驱动电机Ⅱ71的电机轴传动配合;
其中,驱动电机Ⅱ71通过电机支座73固定于基座1上,螺母套管69与滚轴丝杠传动配合,螺母套管69两端分别与基座1内侧固定,滚珠丝杠自基座1一侧穿入,穿过螺母套管69后自基座1另一侧穿出,在滚珠丝杆68工作时,基座1随同螺母套管69一同做直线运动,当驱动组件的驱动电机Ⅱ71工作时,基座1随同螺母套管69做绕滚珠丝杠轴线的旋转运动。
本实施例中,还包括安装座2回转组件,安装座2回转组件包括驱动电机Ⅲ75和锥齿轮传动副Ⅲ,驱动电机Ⅲ75的动力输出轴与锥齿轮传动副Ⅲ的主动锥齿轮76在圆周方向固定配合,锥齿轮传动副Ⅲ的从动齿轮轴78穿出基座1与手臂安装座2固定配合,锥齿轮传动副Ⅲ的从动锥齿轮77与从动齿轮轴78在圆周方向上固定配合。
通过滚珠丝杆68总成、驱动组件和安装座2回转组件,再结合各机械手自身的绕关节运动,抓取机械手和搬运机械手C的自由度均可达到7个,再配合各自手爪总成,抓取机械手能保证对空间不同位置不同形状工件的夹持。
本实施例中,伸缩液压缸Ⅰ10的缸体与安装座2连接,活塞杆与重载机械手A的上臂Ⅰ3连接,伸缩液压缸Ⅱ11的缸体与上臂Ⅰ3连接,活塞杆与中臂Ⅰ4连接;伸缩液压缸Ⅰ10工作时驱动重载机械手A的上臂Ⅰ3在竖直平面内绕与安装座2的铰接轴线转动,伸缩液压缸Ⅱ11工作时驱动重载机械手A的中臂Ⅰ4在竖直平面内绕与上臂Ⅰ3的铰接轴线转动;
臂驱动装置的臂驱动伺服电机固接于上一机械臂,臂驱动伺服电机的动力输出轴与齿轮传动副Ⅰ的主动直齿轮在圆周方向固定配合,齿轮传动副Ⅰ的从动直齿轮与关节铰接轴在圆周方向固定配合,每一对应关节处的关节铰接轴与下一机械臂固定连接;即轻载机械手B的上臂Ⅱ12上端与安装座2铰接处设置有臂驱动伺服电机,臂驱动伺服电机的机体固定设置在安装座2上设置的铰接耳处,齿轮传动副Ⅰ的从动直齿轮与关节铰接轴在圆周方向固定配合,且肩关节Ⅱ16和两肘关节Ⅱ17处,以及重载机械手A的中臂Ⅰ4与下臂Ⅰ5铰接形成的肘关节Ⅰ8处的关节铰接轴均与下一机械臂体固定,即肩关节Ⅱ16的关节铰接轴与上臂Ⅱ12固定配合,上臂Ⅱ12与中臂Ⅱ13形成的肘关节Ⅱ17处的关节铰接轴与中臂Ⅱ13固定配合,其它设置臂驱动装置的关节以此为例。
搬运机械手C的上臂Ⅲ19与安装座2之间连接设置有伸缩液压缸Ⅴ47,上臂Ⅲ19与下臂Ⅲ20之间连接设置有伸缩液压缸Ⅵ;伸缩液压缸Ⅴ47的缸体与安装座2固定,活塞杆与上臂Ⅲ19固定,伸缩液压缸Ⅵ的缸体与上臂Ⅲ19固定,活塞杆与下臂Ⅲ20固定,分别用于驱动上臂Ⅲ19和下臂Ⅲ20转动。
本实施例中,自动控制系统包括:
角度传感器Ⅰ,设置于三机械手的各手臂内部,用于检测各个手臂的俯仰角度;
摄像头传感器,设置于手臂安装座2下方,用于检测物体的空间位置、姿态,并监视机械手的工作状态,同时传送图像到显示装置;
触觉传感器,设置于重载机械手A、轻载机械手B的手爪56以及搬运机械手C的搬运斗21内表面,用于主动获取物体的完整信息,并监视各机械手工作状态;
压力传感器,设置于手爪56指节的夹持面内部和搬运斗21内层,用于检测每个指节的夹持压力和搬运工件的压力,并监视机械手的工作状态;
原点检测传感器,设置于抓取机械后手爪56座55底面,用于检测车床上的标定点,并定位工件;
位置传感器,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的位置;
角度传感器Ⅱ,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的俯仰和旋转角度;
力矩传感器,设置于关节输出组件,用于检测腕关节所需要输出的力矩;
中央控制器,接收并综合处理各传感器反馈的信息,并向各电机和各液压缸发出命令信号。
本实用新型在使用时配以传感器和技术机控制技术对搬运过程中的机械手的位置进行精确定位,可保证机械手搬运工件过程的精确化,在此基础上,原点检测器可检测机床上的标记点,可以精确定位工件的安装位置,通过控制系统反馈信息,保证机械手定位安装工件过程的精确化,同时配合摄像头传感器进行影像监测,使操纵人员可以实时监控整个过程,提高机械手工作过程安全性。
本实施例中,下臂Ⅰ5通过固定设置在中臂Ⅰ4下端的铰接座Ⅰ79与中臂Ⅰ4铰接配合;下臂Ⅱ14通过固定设置在中臂Ⅱ13下端的铰接座Ⅱ80与中臂Ⅱ13铰接配合;下臂Ⅲ20下端设有铰接座Ⅲ,铰接座Ⅲ包括座体81、两个并列设置的铰接臂82和与两铰接臂固定配合铰接轴,搬运斗21的固定杆上端以可绕铰接轴线转动的方式与铰接轴间隙外套配合;
直线液压缸33的缸体内、伸缩液压缸Ⅲ的缸体内和伸缩液压缸Ⅳ的缸体内均设置有外套于活塞杆的弹簧83;弹簧的设置用于液压缸的活塞杆的回位。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:包括基座、夹具总成和自动控制系统,所述夹具总成包括用于安装机械臂的安装座、用于抓取工件的抓取机械手和用于搬运所抓取工件的搬运机械手,所述抓取机械手包括用于抓取重型工件的重载机械手和用于抓取轻型精密工件的轻载机械手;
所述重载机械手包括上臂Ⅰ、中臂Ⅰ、下臂Ⅰ和手爪总成Ⅰ,所述上臂Ⅰ上端与安装座单自由度铰接形成肩关节Ⅰ,中臂Ⅰ两端分别与上臂Ⅰ和下臂Ⅰ单自由度铰接形成肘关节Ⅰ,下臂Ⅰ与手爪总成Ⅰ连接并在连接处形成腕关节Ⅰ;所述重载机械手还包括分别驱动上臂Ⅰ和中臂Ⅰ沿竖直平面转动的伸缩液压缸Ⅰ和伸缩液压缸Ⅱ;
所述轻载机械手包括上臂Ⅱ、中臂Ⅱ、下臂Ⅱ和手爪总成Ⅱ,上臂Ⅱ上端与安装座单自由度铰接形成肩关节Ⅱ,中臂Ⅱ两端分别与上臂Ⅱ和下臂Ⅱ单自由度铰接形成肘关节Ⅱ,下臂Ⅱ与手爪总成Ⅱ连接处设置有腕关节Ⅱ;
所述肩关节Ⅱ和两肘关节Ⅱ处,以及重载机械手的中臂Ⅰ与下臂Ⅰ铰接形成的肘关节Ⅰ处均设置有用于驱动下一手臂绕铰接轴线转动的臂驱动装置,每一所述臂驱动装置均包括臂驱动伺服电机和与臂驱动伺服电机传动配合的齿轮传动副Ⅰ;
所述搬运机械手包括上臂Ⅲ、下臂Ⅲ和搬运斗,所述上臂Ⅲ与安装座铰接配合,所述下臂Ⅲ与上臂Ⅲ铰接配合,所述搬运斗以始终与水平面垂直的方式与所述下臂Ⅲ下端配合设置,上臂Ⅲ和下臂Ⅲ均通过液压驱动方式绕铰接轴轴线转动。
2.根据权利要求1所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述腕关节Ⅰ与所述腕关节Ⅱ均为机电液一体化三自由度集成结构,两者均包括外壳体、内壳体、关节输出组件和驱动总成,所述驱动总成包括用于驱动关节输出组件做直线或/和旋转运动的驱动组件Ⅰ和用于驱动关节输出组件做俯仰运动的驱动组件Ⅱ;
所述驱动组件Ⅰ包括内螺纹套、用于对内螺纹套旋转限位的螺纹套卡紧装置和与关节输出组件连接配合的驱动输出轴,以及可分别驱动驱动输出轴的液压驱动部分Ⅰ和电动驱动部分Ⅰ,所述液压驱动部分Ⅰ和所述螺纹套卡紧装置均固定设置在外壳体内,所述内螺纹套设置在外壳体内,所述电动驱动部分Ⅰ设置在内壳体内,所述驱动输出轴依次穿出内壳体和外壳体,驱动输出轴与内壳体固定连接并以可绕自身轴线转动的方式与外壳体配合;所述液压驱动部分Ⅰ为回转液压缸,所述回转液压缸的动片轴轴端设有与内螺纹套一端螺纹配合的螺纹段Ⅰ,所述电动驱动部分Ⅰ包括旋转电机和齿轮传动副Ⅱ,所述齿轮传动副Ⅱ的从动齿轮与所述驱动输出轴通过键配合连接,所述驱动输出轴内端设有与内螺纹套螺纹配合的螺纹段Ⅱ;所述驱动组件Ⅰ还包括用于将回转液压缸的动片轴与内螺纹套固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅰ和用于将驱动输出轴与内螺纹套固定防止两者相对运动的螺纹副卡紧装置Ⅱ;
所述驱动组件Ⅱ包括驱动连杆和可分别驱动驱动连杆的直线液压缸、直线电机,所述直线液压缸和所述直线电机固接于内壳体内部,所述直线液压缸的活塞杆与直线电机的动片固定配合连接,所述驱动连杆内端部与直线液压缸的活塞杆活动配合连接,外端部与关节输出组件活动配合连接。
3.根据权利要求2所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述关节输出组件包括关节销轴和与所述关节销轴固定连接的手爪座安装座,所述关节销轴穿过所述驱动输出轴端部设置并与驱动输出轴活动配合连接,所述关节销轴上固定安装有用于与驱动连杆连接的耳座;
所述驱动连杆包括相互铰接的第一连杆和第二连杆,所述第一连杆与所述直线液压缸的活塞杆端部铰接,所述第二连杆通过连杆连接销轴与所述耳座活动配合连接。
4.根据权利要求3所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述螺纹副卡紧装置Ⅰ和所述螺纹副卡紧装置Ⅱ结构相同,均包括伸缩液压缸Ⅴ和卡紧组件,所述卡紧组件包括两驱动杆和两卡爪,每一所述卡爪均包括连杆部和卡爪部,每一卡爪部与对应驱动杆铰接,每一驱动杆上端均与一固定设置在伸缩液压缸Ⅴ活塞杆上的安装块铰接,伸缩液压缸Ⅴ的缸体固定设置在内螺纹套的轴向端侧,每一卡爪的连杆部与卡爪部的连接处与固定设置在内螺纹套轴向端侧的铰接座铰接;
所述螺纹套卡紧装置为伸缩液压缸Ⅵ,所述伸缩液压缸Ⅵ的缸体固定设置在外壳体内侧,所述内螺纹套外侧设置有用于伸缩液压缸Ⅵ的活塞杆插入对内螺纹套旋转限位并可沿轴向相对滑动的轴向滑槽。
5.根据权利要求4所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述手爪总成Ⅰ和所述手爪总成Ⅱ均包括手爪座和四个成夹持状态设置并均与手爪座固接的手爪,每个手爪均包括指节,相邻指节间铰接形成指关节,每个指关节均设置有用于驱动下一指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构,所述指节驱动机构包括动力装置、锥齿轮传动副Ⅰ和直齿轮传动副,所述锥齿轮传动副Ⅰ与动力装置动力输出端传动配合,所述锥齿轮传动副Ⅰ的从动锥齿轮和所述直齿轮传动副的主动齿轮均与指节铰接处的铰接轴在圆周方向固定,所述直齿轮传动副的从动齿轮轴与下一指节固定连接;
其中,所述手爪总成Ⅰ的指节驱动机构的动力装置为指节驱动回转液压缸,对应锥齿轮传动副Ⅰ设置有与指节驱动回转液压缸的回转片中心固定的锥齿轮动力输入轴,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮与锥齿轮动力输入轴在圆周方向固定;
所述手爪总成Ⅱ的指节驱动机构的动力装置为指节驱动伺服电机,对应锥齿轮传动副Ⅰ的主动锥齿轮与指节驱动伺服电机的动力输出轴在圆周方向固定配合。
6.根据权利要求5所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:还包括用于驱动基座沿直线移动的滚珠丝杠总成,所述滚珠丝杠总成包括滚珠丝杠、螺母套管和驱动电机Ⅰ,所述基座为箱式结构,所述螺母套管设置在基座内部并固定,所述滚珠丝杆内套螺母套管并穿出基座设置;
还包括用于驱动基座绕滚珠丝杠轴线转动的驱动组件,所述驱动组件包括驱动电机Ⅱ和与驱动电机Ⅱ传动配合的锥齿轮传动副Ⅱ,所述锥齿轮传动副Ⅱ的从动锥齿轮与螺母套管在圆周方向上固定配合。
7.根据权利要求6所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:还包括安装座回转组件,所述安装座回转组件包括驱动电机Ⅲ和锥齿轮传动副Ⅲ,所述驱动电机Ⅲ的动力输出轴与所述锥齿轮传动副Ⅲ的主动锥齿轮在圆周方向固定配合,所述锥齿轮传动副Ⅲ的从动齿轮轴穿出基座与手臂安装座固定配合。
8.根据权利要求7所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述伸缩液压缸Ⅰ的缸体与安装座连接,活塞杆与重载机械手的上臂Ⅰ连接,所述伸缩液压缸Ⅱ的缸体与上臂Ⅰ连接,活塞杆与中臂Ⅰ连接;
所述臂驱动装置的臂驱动伺服电机固接于上一机械臂,臂驱动伺服电机的动力输出轴与齿轮传动副Ⅰ的主动直齿轮在圆周方向固定配合,齿轮传动副Ⅰ的从动直齿轮与关节铰接轴在圆周方向固定配合,每一对应关节处的关节铰接轴与下一机械臂固定连接;
所述搬运机械手的上臂Ⅲ与安装座之间连接设置有伸缩液压缸Ⅴ,上臂Ⅲ与下臂Ⅲ之间连接设置有伸缩液压缸Ⅵ。
9.根据权利要求8所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述自动控制系统包括:
角度传感器Ⅰ,设置于三机械手的各手臂内部,用于检测各个手臂的俯仰角度;
摄像头传感器,设置于手臂安装座下方,用于检测物体的空间位置、姿态,并监视机械手的工作状态,同时传送图像到显示装置;
触觉传感器,设置于重载机械手、轻载机械手的手爪以及搬运机械手的搬运斗内表面,用于主动获取物体的完整信息,并监视各机械手工作状态;
压力传感器,设置于手爪指节的夹持面内部和搬运斗内层,用于检测每个指节的夹持压力和搬运工件的压力,并监视机械手的工作状态;
原点检测传感器,设置于抓取机械后手爪座底面,用于检测车床上的标定点,并定位工件;
位置传感器,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的位置;
角度传感器Ⅱ,设置于关节输出组件,用于检测关节输出组件的俯仰和旋转角度;
力矩传感器,设置于关节输出组件,用于检测腕关节所需要输出的力矩;
中央控制器,接收并综合处理各传感器反馈的信息,并向各电机和各液压缸发出命令信号。
10.根据权利要求9所述的基于行车的重载精密冗余三臂机械手,其特征在于:所述下臂Ⅰ通过固定设置在中臂Ⅰ下端的铰接座Ⅰ与中臂Ⅰ铰接配合;所述下臂Ⅱ通过固定设置在中臂Ⅱ下端的铰接座Ⅱ与中臂Ⅱ铰接配合;所述下臂Ⅲ下端设有铰接座Ⅲ,铰接座Ⅲ包括座体、两个并列设置的铰接臂和与两铰接臂固定配合铰接轴,所述搬运斗的固定杆上端以可绕铰接轴线转动的方式与铰接轴间隙外套配合;
所述直线液压缸的缸体内、所述伸缩液压缸Ⅲ的缸体内和所述伸缩液压缸Ⅳ的缸体内均设置有外套于活塞杆的弹簧。
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