CN207344570U - 一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，为空间三自由度连杆机构，包含底座、回转台、大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链、末端执行件。所述回转台通过转动副与底座连接，并由安装在底座上的伺服电机驱动，大臂升级支链由安装在回转台上的伺服电机驱动，小臂摆动支链由直线驱动器驱动，通过回转台回转、大臂升降以及小臂摆动的运动耦合，实现该种洗扫机器人机构的末端执行件的三自由度运动，在姿态维持支链的作用下，末端执行件的姿态角始终维持不变，该种吸扫机器人机构相比现有吸扫车，具有工作空间大、灵活性好、能耗低的作业特点，在计算机控制下，可不变道完成多车道、不平地面、绿化苗圃及复杂林荫道的自动化吸扫作业。

Description

一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构

技术领域

本实用新型涉及吸尘清扫车，特别是一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构。

背景技术

随着公路建设的不断发展以及城市路面、广场环卫管理的现代化需要，环卫车辆的需求也越来越大，吸尘清扫车是城市环卫作业最常使用的车辆之一，其作用是通过安装在车体下方或前端的清扫结构以及除尘结构，将道路及广场地面的轻质垃圾、灰尘扫除并吸取，储存到车辆积尘箱里，便于集中倾泻到垃圾集中点，达到清洁地面的效果。虽然吸尘清扫车在路面清洁中得到了广泛使用，但是也存在诸多有待解决的工程技术问题。首先，现有洗尘清扫车，其吸尘清扫装置多安装在车体下部，吸尘清扫车的清扫结构和除尘结构工作范围小、灵活度差、作业效率低，由于受吸尘清扫装置结构设计影响，现有吸尘清扫车车身庞大，却无法对有绿化树木等障碍的非机动车车道进行有效的吸尘清扫作业，也无法对广场等不平路面、台阶路面及绿化苗圃进行有效的吸尘清扫作业；其次，现有吸尘清扫车采用无差别洗扫作业模式，单程只能完成一条机动车车道的清洁作业，受吸尘及清扫结构灵活性差、覆盖面积小等因素影响，无法根据道路洁净程度进行多车道清洁作业，不仅存在过度清洁，而且风机及液压系统的持续运行进一步增加了能耗；另外，现有吸尘清扫车其作业装置多采用液压系统操作收放，不仅需要设泵源，维护成本高、能耗大、智能化水平低，而且在使用过程中容易造成液压油泄露，污染环境。

如何基于机器人等机电一体化技术，结合机构学相关原理提出并设计一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，在具有机械结构简单、低能耗、高可靠性、低维护保养成本等特点的同时，末端执行件具备作业空间大、灵活度好等特点，不仅吸尘、清扫面积广，能够轻易满足单程多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业，而且末端执行件在竖直方向有较大的作业行程，可满足不平路面及台阶路面的吸扫作业要求，克服液压系统存在的机械效率低、易发生漏油事故等不足，解决现有吸尘清扫装置可控性差、操纵装置智能化程度低等问题，已成为吸尘清扫车领域一个亟需解决的工程问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，在具有机械结构简单、低能耗、高可靠性、低维护保养成本等特点的同时，末端执行件具备作业空间大、灵活度好等特点，不仅吸尘清扫面积广，能够轻易满足单程多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业，而且末端执行件在竖直方向有较大的作业行程，能满足不平路面、台阶路面及路边绿化苗圃的吸扫作业要求，克服液压系统存在的机械效率低、易发生漏油事故等不足，解决现有吸尘清扫装置可控性差、操纵装置智能化程度低等问题，能更好的满足机动车道、非机动车道及广场地面、绿化苗圃的轻质垃圾、灰尘扫除作业要求。

本实用新型通过以下技术方案达到上述目的：

一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，为空间三自由度连杆机构，包含底座、回转台、大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链、末端执行件。

所述回转台与底座之间通过第一转动副连接，所述第一转动副为第一主动副，由安装在底座上的伺服电机驱动控制，在计算机编程控制下，回转台可绕底座进行大角度受控转动。

所述大臂升降支链与回转台构成平面四杆机构，所述大臂升降支链包含主动杆、连杆、大臂，所述主动杆一端通过第二转动副与回转台连接，另一端通过第三转动副与连杆一端连接，所述连杆另一端通过第四转动副与大臂连接，所述大臂通过第五转动副与回转台连接，所述第二转动副为第二主动副，由安装在回转台上的伺服电机驱动控制，通过计算机编程控制，大臂可相对回转台作大角度受控升降运动。

所述小臂摆动支链包含直线驱动器、小臂，所述小臂与大臂之间通过第六转动副连接，所述直线驱动器一端通过第七转动副与大臂连接，另一端通过第八转动副与小臂连接，所述直线驱动器为伺服电动缸，通过计算机编程控制，小臂可相对大臂作大角度摆动运动。

所述姿态维持支链包含上维持臂、连接架、下维持臂，所述上维持臂一端通过第九转动副与回转台连接，另一端通过第十转动副与连接架连接，所述连接架通过第十一转动副与大臂连接，所述下维持臂一端通过第十二转动副与连接架连接，另一端通过第十三转动副与末端执行件连接，所述末端执行件通过第十四转动副与小臂连接，在姿态维持支链的作用下，所述末端执行件可始终维持相同的姿态角可，随吸尘机器人机构平动。

通过计算机编程，对第一主动副、第二主动副、直线驱动器进行联动控制，实现回转台的回转运动、大臂的升降运动、小臂的摆动运动相互耦合，再配合姿态维持支链对末端执行件的姿态维持功能，最终实现末端执行件的一转动、两移动的三自由度平动，满足吸尘、清扫自由度及灵活性要求。

通过在该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构的末端执行件上安装吸尘装置及清扫装置，进而使吸尘装置及清扫装置实现空间三自由度大空间平动作业。

在实际吸尘清扫作业过程中，在驱动第一主动副的伺服电机控制下，回转台可绕第一转动副大范围转动，在大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态调整支链的协调配合下，末端执行件相对回转台拥有较大的可调距离，进而使该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构在水平面上具有比较大的作业覆盖面积和可达作业范围。

该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构在大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链的配合下，末端执行件在水平及竖直方向可实现较大距离的平面两自由度平动，进而使末端执行件具备较大的作业空间，较好的灵活性以及较强的越障吸尘清扫能力。

所述第一主动副、第二主动副均由伺服电机控制，所述直线驱动器为伺服电动缸，在计算机编程控制下，通过第一主动副、第二主动副、直线驱动器的耦合运动，实现末端执行件的空间三自由度运动，在姿态维持支链的配合下，该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构能够轻易满足行车方向左、右多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业。另外，由于该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构的末端执行件在竖直方向有较大的作业行程，还能满足不平路面、台阶路面及路边绿化苗圃的吸扫作业要求。

该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构技术优势明显，不仅能够轻易满足单程多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业，而且末端执行件在竖直方向有较大的作业行程，能满足不平路面、台阶路面及路边绿化苗圃的吸扫作业要求，克服液压系统存在的机械效率低、易发生漏油事故等不足，解决现有吸尘清扫装置可控性差、操纵装置智能化程度低等问题，能更好的满足机动车道、非机动车道及广场地面的轻质垃圾、灰尘扫除作业要求，市场前景广阔。

与现有技术相比，本实用新型的突出优点在于：

1.相比现有吸尘清扫车的清扫结构和除尘结构自由度少、灵活性差，吸尘清扫覆盖面积小，无法实现柔性可控化作业，该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构为空间三自由度连杆机构，在具有机械结构简单、低能耗、高可靠性、低维护保养成本等特点的同时，末端执行件具备作业空间大、灵活度好、越障吸扫能力强等特点，不仅能满足行进车道吸尘清洁作业，而且通过回转台、大臂、小臂的三自由度耦合运动，能够轻易满足行车方向左、右多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业。另外，由于该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构末端执行件在竖直方向有较大的作业行程，还能满足不平路面、台阶路面及路边绿化苗圃的吸扫作业要求。

2.该种三自由度吸扫机器人机构采用全新构型设计，小臂由安装在大臂上的直线驱动器驱动，不仅结构简单紧凑，减少了传动杆件的数量，降低了机构耦合度及编程控制难度，而且降低了机构运动惯量，提高了动力学性能，降低了成本和装配工作量。

3.相比现有吸尘清扫车的工作装置多采用液压传动系统操纵控制，三自由度吸扫机器人机构采用连杆传动替代了液压传动，通过计算机编程控制，由伺服电机和直线驱动器驱动，不仅克服了液压系统存在的机械效率低、易发生漏油事故等不足，而且该种三自由度吸扫机器人机构因采用电传动，更容易实现智能控制，具有传动效率高、可靠性好、可控性佳等特点。

附图说明

图1为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构示意图。

图2为本实用新型所述大臂升降支链示意图。

图3为本实用新型所述小臂摆动支链示意图。

图4为本实用新型所述姿态维持支链示意图。

图5为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构的底座示意图。

图6为本实用新型所述吸扫机器人机构水平及竖直方向可实现大空间平面两自由度平动作业示意图。

图7为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构水平面可达空间示意图。

图8为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构三维姿态视图之一。

图9为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构三维姿态视图之二。

图10为本实用新型所述含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构三维姿态视图之三。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

对照图1、图2、图3、图4、图5，一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，为空间三自由度连杆机构，包含底座1、回转台3、大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链、末端执行件24。

对照图1、图2、图5、图7，所述回转台3与底座1之间通过第一转动副2连接，所述第一转动副2为第一主动副，由安装在底座1上的伺服电机驱动控制，在计算机编程控制下，回转台3可绕底座1进行大角度受控转动。

对照图1、图2，所述大臂升降支链与回转台3构成平面四杆机构，所述大臂升降支链包含主动杆5、连杆7、大臂9，所述主动杆5一端通过第二转动副4与回转台3连接，另一端通过第三转动副6与连杆7一端连接，所述连杆7另一端通过第四转动副8与大臂9连接，所述大臂9通过第五转动副10与回转台3连接，所述第二转动副4为第二主动副，由安装在回转台3上的伺服电机驱动控制，通过计算机编程控制，大臂9可相对回转台3作大角度受控升降运动。

对照图1、图3，所述小臂摆动支链包含直线驱动器12、小臂15，所述小臂15与大臂9之间通过第六转动副14连接，所述直线驱动器12一端通过第七转动副11与大臂9连接，另一端通过第八转动副13与小臂15连接，所述直线驱动器12为伺服电动缸，通过计算机编程控制，小臂15可相对大臂9作大角度摆动运动。

对照图1、图4，所述姿态维持支链包含上维持臂18、连接架20、下维持臂23，所述上维持臂18一端通过第九转动副17与回转台3连接，另一端通过第十转动副19与连接架20连接，所述连接架20通过第十一转动副21与大臂9连接，所述下维持臂23一端通过第十二转动副22与连接架20连接，另一端通过第十三转动副25与末端执行件24连接，所述末端执行件24通过第十四转动副16与小臂15连接，在姿态维持支链的作用下，所述末端执行件24可始终维持相同的姿态角可，随吸尘机器人机构平动。

对照图6、图7，通过计算机编程，对第一主动副、第二主动副、直线驱动器12进行联动控制，实现回转台3的回转运动、大臂9的升降运动、小臂15的摆动运动相互耦合，再配合姿态维持支链对末端执行件24的姿态维持功能，最终实现末端执行件24的一转动、两移动的三自由度平动，满足吸尘、清扫自由度及灵活性要求。

对照图8、图9、图10，通过在该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构的末端执行件24上安装吸尘装置及清扫装置，进而使吸尘装置及清扫装置实现空间三自由度大空间平动作业。

对照图7，在实际吸尘清扫作业过程中，在驱动第一主动副的伺服电机控制下，回转台3可绕第一转动副2大范围转动，在大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态调整支链的协调配合下，末端执行件24相对回转台拥有较大的可调距离，进而使该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构在水平面上具有比较大的作业覆盖面积和可达作业范围。

对照图6，该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构在大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链的配合下，末端执行件24在水平及竖直方向可实现较大距离的平面两自由度平动，进而使末端执行件24具备较大的作业空间，较好的灵活性以及较强的越障吸尘清扫能力。

对照图6、图7、图8、图9、图10，所述第一主动副、第二主动副均由伺服电机控制，所述直线驱动器12为伺服电动缸，在计算机编程控制下，通过第一主动副、第二主动副、直线驱动器12的耦合运动，实现末端执行件的空间三自由度运动，在姿态维持支链的配合下，该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构能够轻易满足行车方向左、右多车道清洁作业，以及有绿化树木等障碍的非机动车车道清洁作业。另外，由于该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构的末端执行件24在竖直方向有较大的作业行程，还能满足不平路面、台阶路面及路边绿化苗圃的吸扫作业要求。

该种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构技术优势明显，市场前景广阔。

Claims (2)

1.一种含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，其特征在于：为空间三自由度连杆机构，包含底座、回转台、大臂升降支链、小臂摆动支链、姿态维持支链、末端执行件，

所述回转台与底座之间通过第一转动副连接，所述第一转动副为第一主动副，

所述大臂升降支链与回转台构成平面四杆机构，所述大臂升降支链包含主动杆、连杆、大臂，所述主动杆一端通过第二转动副与回转台连接，另一端通过第三转动副与连杆一端连接，所述连杆另一端通过第四转动副与大臂连接，所述大臂通过第五转动副与回转台连接，所述第二转动副为第二主动副，

所述小臂摆动支链包含直线驱动器、小臂，所述小臂与大臂之间通过第六转动副连接，所述直线驱动器一端通过第七转动副与大臂连接，另一端通过第八转动副与小臂连接，

所述姿态维持支链包含上维持臂、连接架、下维持臂，所述上维持臂一端通过第九转动副与回转台连接，另一端通过第十转动副与连接架连接，所述连接架通过第十一转动副与大臂连接，所述下维持臂一端通过第十二转动副与连接架连接，另一端通过第十三转动副与末端执行件连接，所述末端执行件通过第十四转动副与小臂连接。

2.根据权利要求1所述的含直线驱动器的三自由度吸扫机器人机构，其特征在于：所述第一主动副、第二主动副均由伺服电机控制，所述直线驱动器为伺服电动缸，由计算机编程控制，通过第一主动副、第二主动副、直线驱动器的耦合运动，实现末端执行件的空间三自由度运动作业。