CN216180665U - 一种基于冗余驱动的并联安装机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于冗余驱动的并联安装机器人，包括底座、工作机械臂、末端执行器和末端工具；底座上安装有两个工作机械臂，每个工作机械臂的末端均安装有一个末端执行器；一个末端工具安装于两个末端执行器的末端上；工作机械臂包括底座连接机构和若干组依次铰接的臂杆模块；底座连接机构能够实现水平面内的360°转动。本实用新型采用大小规格相同的两个机械臂，在进行安装作业时双臂协作模式下构成并联机构，机器人承载能力较大。机器人驱动冗余，利用多余的驱动关节用来满足期望的运动特性，避免奇异位形，实现姿态控制，避免碰撞以及在关节角约束下运动，并且在不同的工作模式下选择不同的驱动，减少能耗，提高工作效率。

Description

一种基于冗余驱动的并联安装机器人

技术领域

本发明属于建筑板材安装设备，具体是一种基于冗余驱动的并联安装机器人。

背景技术

目前，传统的玻璃、幕墙、天花板等室内板材安装主要是由人工完成，在工作空间有限的室内，需要搭建脚手架，大部分作业主要由人工完成，有些甚至不可以借助机械装置只能依靠人工劳动力安装。在进行大重量板材安装时，由于安装过程的复杂性，对安装工人的数量以及安装经验有较高的要求，并且安装作业大多劳动强度和危险系数较高，若想要保证安装质量和施工安全，应尽可能地使用自动化机械装置。

为提高建筑自动化水平，国内外均致力于建筑机器人在板材的自动化安装方面的研究并取得了一系列的成就，例如，申请号为201811359668.X文献公开了一种室内建筑型材安装机器人机械结构，该机械结构包括底座、机械臂和安装末端，但是其安装末端的结构复杂，增加了整个机械臂的负载，容易造成机械臂头重脚轻的现象，导致整个机械结构的重心不稳。申请号为201811445832.9的中国专利公开了一种幕墙玻璃搬运用建筑机器人，该机械结构包括底座、气缸、夹持板等，该结构为串联形式机械臂，末端工具可以承受的负载较小，且应用范围窄。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于冗余驱动的并联安装机器人。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，该机器人包括底座、工作机械臂、末端执行器和末端工具；底座上安装有两个工作机械臂，每个工作机械臂的末端均安装有一个末端执行器；一个末端工具安装于两个末端执行器的末端上；

所述工作机械臂包括底座连接机构和若干组依次铰接的臂杆模块；底座连接机构能够实现水平面内的360°转动；

每组臂杆模块均包括伸缩执行元件安装件一、臂杆模块伸缩执行元件、连杆一、臂杆模块连接件、连杆二和伸缩执行元件安装件二；每组臂杆模块中，臂杆模块伸缩执行元件的两端分别通过伸缩执行元件安装件一和伸缩执行元件安装件二铰接于连杆一和连杆二上；

第一组臂杆模块中，连杆一和连杆二的两端均分别铰接于底座连接机构和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件上；连杆一、连杆二、底座连接机构和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件构成四连杆机构；

其余组臂杆模块中，连杆一和连杆二的两端均分别铰接于上一组臂杆模块的臂杆模块连接件和本组臂杆模块的臂杆模块连接件上；连杆一、连杆二、上一组臂杆模块的臂杆模块连接件和本组臂杆模块的臂杆模块连接件构成四连杆机构。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)本实用新型采用大小规格相同的两个机械臂，在进行安装作业时双臂协作模式下构成并联机构，机器人承载能力较大。机器人驱动冗余，利用多余的驱动关节用来满足期望的运动特性，避免奇异位形，实现姿态控制，避免碰撞以及在关节角约束下运动，并且在不同的工作模式下选择不同的驱动，减少能耗，提高工作效率。

(2)伸缩执行元件不直接与机械臂连接，而是通过安装件连接，力的输出性能更好。

(3)所有动作均采用液压驱动实现，提高了机械臂的承载能力，可适用于多种环境下的板材安装，安全性能好，承载能力大。

(4)该机器人与现有机器人相比，空间占用更小，工作范围更广，安装效率更高。机械臂与末端执行器做了结构轻量化的设计，在降低自身重量的同时保证了负载能力。

(5)在面向不同的安装对象时，尤其是重量较大普通机械臂无法承受其载荷时，可以通过更换末端工具完成安装作业。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构立体图；

图2为本实用新型的工作机械臂的结构示意图；

图3为本实用新型的末端执行器的结构示意图；

图4为本实用新型的施工作业示意图。

图中，底座1、工作机械臂2、末端执行器3、末端工具4、支撑机械臂5、控制柜6、液压站7；

回转轴承201、底座连接件202、伸缩执行元件安装件一203、臂杆模块伸缩执行元件204、连杆一205、臂杆模块连接件206、连杆二207、伸缩执行元件安装件二208；

安装末端伸缩执行元件31、安装末端伸缩执行元件安装件32、摆动机构33、摆动机构连接件34、摆动执行元件一35、摆动执行元件一安装件36、摆动执行元件二安装件37、法兰38、摆动执行元件二39。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种基于冗余驱动的并联安装机器人(简称机器人)，其特征在于，该机器人包括底座1、工作机械臂2、末端执行器3和末端工具4；底座1上安装有两个工作机械臂2，每个工作机械臂2的末端均安装有一个末端执行器3；一个末端工具4安装于两个末端执行器3的末端上；

所述工作机械臂2包括底座连接机构和若干组依次铰接的臂杆模块；底座连接机构能够实现水平面内的360°转动；

每组臂杆模块均包括伸缩执行元件安装件一203、臂杆模块伸缩执行元件204、连杆一205、臂杆模块连接件206、连杆二207和伸缩执行元件安装件二208；

臂杆模块伸缩执行元件204的两端分别通过伸缩执行元件安装件一203和伸缩执行元件安装件二208铰接于连杆一205和连杆二207上(具体是：臂杆模块伸缩执行元件204的壳体尾端铰接于伸缩执行元件安装件一203的一端，伸缩执行元件安装件一203的另一端固定于连杆一205上；臂杆模块伸缩执行元件204的输出端铰接于伸缩执行元件安装件二208的一端，伸缩执行元件安装件二208的另一端固定于连杆二207上)；

第一组臂杆模块中，连杆一205和连杆二207的两端均通过销轴分别铰接于底座连接机构的底座连接件202和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件206上；连杆一205、连杆二207、底座连接件202和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件206构成四连杆机构；

其余组臂杆模块中，连杆一205和连杆二207的两端均通过销轴分别铰接于上一组臂杆模块的臂杆模块连接件206和本组臂杆模块的臂杆模块连接件206上；连杆一205、连杆二207、上一组臂杆模块的臂杆模块连接件206和本组臂杆模块的臂杆模块连接件206构成四连杆机构；

优选地，四连杆机构为平行四边形机构。同一组平行四边形中的杆件之间在空间中总是平行的，由于使用了平行四边形机构，同一组平行四边形的杆件的角位移、角速度和角加速度可以保持始终相等，增加了机器人机械臂刚度的同时也增加了机械臂的稳定性。

优选地，底座连接件202为U形结构；臂杆模块连接件206由两个不规则梯形板和四根圆柱轴组成；四根圆柱轴的两端分别与两个不规则梯形板固连；四根圆柱轴分别位于梯形板的四个端角处。

所述末端执行器3包括安装末端伸缩执行元件31、安装末端伸缩执行元件安装件32、摆动机构33、摆动机构连接件34、摆动执行元件一35、摆动执行元件一安装件36、摆动执行元件二安装件37和摆动执行元件二39；

摆动机构33铰接于最后一组臂杆模块的臂杆模块连接件206的另一侧；安装末端伸缩执行元件安装件32固定在摆动机构33内；安装末端伸缩执行元件31的壳体通过法兰38固定在安装末端伸缩执行元件安装件32上，输出端与摆动机构连接件34的一端铰接；摆动机构连接件34的另一端的两侧固定于摆动机构33内部；安装末端伸缩执行元件31实现末端工具4的上下摆动；摆动执行元件一安装件36固定在摆动机构33内；摆动执行元件一35的壳体固定在摆动执行元件一安装件36上，输出端与摆动执行元件二安装件37固定连接，实现末端工具4的左右摆动；摆动执行元件二39的壳体固定在摆动执行元件二安装件37内部，输出端与末端工具4固定连接，实现末端工具4的回转运动。

优选地，安装末端伸缩执行元件安装件32和摆动机构33均为对称结构，均采用结构轻量化的设计。

优选地，末端工具4为安装有吸盘的吸盘架或其他执行安装的工具，用于抓取板材。

优选地，该机器人还包括支撑机械臂5；四个支撑机械臂5分布于底座1的四角，用于增加机器人的稳定性，使机器人在完成各种安装作业时不会发生倾覆。

优选地，该机器人还包括控制柜6；控制柜6安装在底座1上，控制柜6分别与工作机械臂2、末端执行器3、末端工具4和支撑机械臂5通讯连接，进行相应动作的控制；同时控制柜6的自重可以使工作机械臂2高空作业时降低机器人的重心。

优选地，所述底座连接机构包括回转轴承201、底座连接件202和回转执行元件(图中未画出)；底座连接件202通过回转轴承201转动安装于底座1上；回转执行元件的输出端与底座连接件202的轴心固定连接；第一组臂杆模块的连杆一205和连杆二207的一端均与底座连接件202铰接。

优选地，所述底座1可安装于移动装置上或在底座2上加装车轮或履带；本实施例中，移动装置采用履带车，带动机器人整体移动。

优选地，执行元件采用电缸、液压缸或气缸，优选液压缸。当采用液压缸时，该机器人还包括液压站7；液压站7包括液压泵、驱动用电机、油箱、方向阀、节流阀、溢流阀等部件；液压站7作为工作机械臂2、支撑机械臂5和末端执行器3所有驱动的动力来源。液压站7的自重可以使机械臂高空作业时降低机器人的重心。

在并联模式下，机器人共有14个驱动，经机器人自由度公式

(其中，d为机构阶数，n为组成机构杆件数，g为组成机构的运动副数，f_i为第i个运动副的相对自由度数)，得到机器人的自由度为8，所以机器人驱动冗余。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

在室内安装大重量的建筑板材时，控制柜6先控制机器人到达指定工作位置，然后支撑机械臂5依次伸展出来以地面为支撑，对机器人进行稳定。控制柜6控制两个工作机械臂2的臂杆模块依次伸展，臂杆模块的展开顺序由靠近末端工具4到远离末端工具4，这样可以避免头重脚轻从而对机械臂产生的磨损。针对本实施例，采用三组臂杆模块，首先靠近末端工具4的第三组臂杆模块的臂杆模块伸缩执行元件204伸出，带动本组的平行四边形机构在第二组臂杆模块的臂杆模块连接件206处转动。第二组臂杆模块的臂杆模块伸缩执行元件204伸出，带动本组的平行四边形机构在第一组臂杆模块的臂杆模块连接件206处转动。

然后通过安装末端伸缩执行元件31的伸缩，带动摆动机构33转动，实现末端工具4的俯仰运动；通过摆动执行元件一35的回转，使摆动执行元件二安装件37回转，实现末端工具4的左右摆动；通过摆动执行元件二39回转，使末端工具4回转，实现末端工具4的360°转动，实现末端工具4的三维空间任意位置的调整，使末端工具4抓取板材。通过在水平面和竖直方向上的运动使末端执行器3达到靠近板材的目标位置，最后控制两个机械臂上的末端执行器3同时抓取板材，两个机械臂加一个末端工具4共同形成并联机构(如图4所示)，并联机构相对于串联机构可以承受更大的载荷。

末端工具4稳定板材抓取板材后，将板材搬运至安装位置，再通过传感器或者测量仪器观测板材与安装位置的相对位置，然后再次通过上述调整方式来弥补误差，将板材调整至与待安装位置完全重合，工人即可通过焊接、粘接等方式完成板材的安装工作。板材安装过程中，通过六维力传感器可以实时传递手臂末端的力反馈信息以保证板材的可靠安装，达到安装精度。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，该机器人包括底座、工作机械臂、末端执行器和末端工具；底座上安装有两个工作机械臂，每个工作机械臂的末端均安装有一个末端执行器；一个末端工具安装于两个末端执行器的末端上；

所述工作机械臂包括底座连接机构和若干组依次铰接的臂杆模块；底座连接机构能够实现水平面内的360°转动；

每组臂杆模块均包括伸缩执行元件安装件一、臂杆模块伸缩执行元件、连杆一、臂杆模块连接件、连杆二和伸缩执行元件安装件二；每组臂杆模块中，臂杆模块伸缩执行元件的两端分别通过伸缩执行元件安装件一和伸缩执行元件安装件二铰接于连杆一和连杆二上；

第一组臂杆模块中，连杆一和连杆二的两端均分别铰接于底座连接机构和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件上；连杆一、连杆二、底座连接机构和第一组臂杆模块的臂杆模块连接件构成四连杆机构；

其余组臂杆模块中，连杆一和连杆二的两端均分别铰接于上一组臂杆模块的臂杆模块连接件和本组臂杆模块的臂杆模块连接件上；连杆一、连杆二、上一组臂杆模块的臂杆模块连接件和本组臂杆模块的臂杆模块连接件构成四连杆机构。

2.根据权利要求1所述的基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，所述末端执行器包括安装末端伸缩执行元件、安装末端伸缩执行元件安装件、摆动机构、摆动机构连接件、摆动执行元件一、摆动执行元件一安装件、摆动执行元件二安装件和摆动执行元件二；

摆动机构铰接于最后一组臂杆模块的臂杆模块连接件上；安装末端伸缩执行元件安装件固定在摆动机构内；安装末端伸缩执行元件的壳体固定在安装末端伸缩执行元件安装件上，输出端与摆动机构连接件的一端铰接；摆动机构连接件的另一端的两侧固定于摆动机构内部；摆动执行元件一安装件固定在摆动机构内；摆动执行元件一的壳体固定在摆动执行元件一安装件上，输出端与摆动执行元件二安装件固定连接；摆动执行元件二的壳体固定在摆动执行元件二安装件内部，输出端与末端工具固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，臂杆模块伸缩执行元件的壳体铰接于伸缩执行元件安装件一的一端，伸缩执行元件安装件一的另一端固定于连杆一上；臂杆模块伸缩执行元件的输出端铰接于伸缩执行元件安装件二的一端，伸缩执行元件安装件二的另一端固定于连杆二上。

4.根据权利要求1所述的基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，该机器人还包括支撑机械臂；四个支撑机械臂分布于底座的四角。

5.根据权利要求3所述的基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，该机器人还包括控制柜；控制柜分别与工作机械臂、末端执行器、末端工具和支撑机械臂通讯连接。

6.根据权利要求1所述的基于冗余驱动的并联安装机器人，其特征在于，所述底座连接机构包括回转轴承、底座连接件和回转执行元件；底座连接件通过回转轴承转动安装于底座上；回转执行元件的输出端与底座连接件的轴心固定连接；第一组臂杆模块的连杆一和连杆二的一端均与底座连接件铰接。

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