一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人的制作方法
【专利摘要】一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，包括动臂升降机构、铲斗控制机构、多单元直线驱动机构等。通过在动臂升降机构中引入液压元件，实现两缸压力相等，有效改善以往可控装载机构抬升动臂的两驱动链受力不均衡的问题，提高动臂承载稳定性。多单元直线驱动机构由多组直线驱动器驱动，通过曲轴实现大功率、高扭矩的动力输出，满足执行机构动力需求。该装载机器人不仅具有以往可控装载机构机械效率高、响应速度快、运动精度高、可控性好等特点，而且多单元直线驱动机构和液压元件的引入使该装载机器人具有更高的承载和抗振性能，并易实现过载保护功能，非常适用于制造大、中、小型装载机器人。
【专利说明】
一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人
技术领域
[0001]本发明涉及装载机领域，特别是一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人。
【背景技术】
[0002]装载机是一种广泛应用于农田、水利、能源、市政等施工领域，进行散装物料装卸的关键设备，对基础设施建设起到了重要的作用，但是传统液压式装载机存在着能耗高、噪音大、尾气排放严重、智能化水平低等缺点。可控机构是传统机构与电子技术结合的产物，近年来开展的“数控一代”装备创新工程，给传统工程机械技术升级带来了机遇，针对液压式装载机的缺点，将可控机构及机器人相关技术应用到装载机工作装置设计中，提出了一类可控机构式装载机，该类可控装载机构避免了液压系统的使用，它由多自由度连杆机构和多个可控电机组成，其输出运动由多台计算机编程控制的可控电机共同决定，铲斗的输出轨迹是一个多自变量的函数，可以轻易实现复杂柔性轨迹输出，因此可控装载机构属于施工机器人范畴。相比液压式装载机，可控装载机构具有智能化程度高、灵活度好、高传动效率等优点，对于推动装载机绿色化、智能化具有重要的意义。
[0003]但是，在对可控装载机构进行工程应用研究的过程中，发现了一系列未曾涉及的工程问题。首先，现有可控装载机构动臂升降支链均采用主动杆一连杆一动臂的构型设计形式，因主动杆由可控电传动系统驱动，受制于可控电机成本高、输出功率小、扭矩低等问题，造成现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱等问题，难以满足装载机的动力要求，所以现有可控装载机构的构型设计形式仅适用于微小型装载机;其次，现有可控装载机构为平面并联机构，两主动杆在同时抬升动臂时，由于制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成动臂两并联驱动支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响可控装载机构的使用寿命;另外，现有可控装载机构各构件一般采用转动副的连接形式，相比含移动副的液压式装载机的工作装置，缺少有效的过载保护及吸振手段。上述原因严重影响了可控装载机构的工程应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，既具有现有可控装载机构智能化程度高、灵活度好、传动效率高等优点，同时解决现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱、动臂升降机构稳定性差、缺乏有效的过载保护及吸振手段等工程问题，使该装载机器人既具有较好的动力学性能及承载稳定性，同时具有较强的抗振能力和过载保护性能。
[0005]本发明通过以下技术方案来达到上述目的:本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，包括动臂升降机构、铲斗控制机构、多单元直线驱动机构以及机架。
[0006]所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第一转动副、第二转动副与机架连接，所述第一升降支链包括连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第一连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第三转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，第一活塞杆另一端通过第四转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第二连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第二连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第五转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第六转动副与动臂连接。在实际工程应用中，所述第一缸体、第一移动副、第一活塞杆可用一液压缸取代，所述第二缸体、第二移动副与第二活塞杆可用另一液压缸取代，在该装载机器人作业过程中，多单元直线驱动机构通过曲轴为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，第一缸体与第二缸体通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构第一缸体或第二缸体中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。
[0007]所述铲斗控制机构包括主动杆、第三连杆、摇臂、拉杆、铲斗，所述主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第九转动副与摇臂连接，所述摇臂通过第十转动副与动臂连接，所述拉杆一端通过第十一转动副与摇臂连接，另一端通过第十二转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第十三转动副、第十四转动副与动臂连接。所述主动杆由可控电机进行驱动控制，铲斗控制支链在主动杆的带动下实现铲斗的翻转运动。
[0008]所述多单元直线驱动机构由第一直线驱动器、第二直线驱动器、曲轴组成，所述曲轴通过第十五转动副、第十六转动副与机架连接，所述第一直线驱动器一端通过第十七转动副与机架连接，另一端通过二十转动副与曲轴连接，所述第二直线驱动器一端通过第十八转动副与机架连接，另一端通过第十九转动副与曲轴连接。根据装载机动力要求，所述曲轴可由两组及以上直线驱动器进行驱动，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元直线驱动机构动力适应性。
[0009]所述第一直线驱动器、第二直线驱动器通过相互配合共同驱动曲轴运动，所述多单元直线驱动机构可以将多个直线驱动器的动力合成后通过曲轴输出，从而使该多单元直线驱动机构实现了由多台小功率动力源输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机等动力源功率输出小、驱动扭矩低等问题。
[0010]所述一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人的铲斗输出运动由主动杆、第一直线驱动器、第二直线驱动器共同决定，在计算机系统的协调控制下，完成装载作业。该多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人不仅具有智能化程度高、能耗低、维护保养简单等特点，而且相比现有可控装载机构，不仅较易实现过载保护功能，而且具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及带来的更长使用寿命，适用于制造大、中、小型各类装载机器人。
[0011]本发明突出优点在于:
1、在保证满足装载作业要求的前提下，该装载机器人采用由电传动系统驱动的连杆传动取代了传统装载机工作装置的液压传动系统，避免了液压系统机械效率低、可靠性差等问题，相比液压式装载机，该装载机器人具有低能耗、低噪音、无尾气排放等特点。另外，该装载机器人的动力系统采用了计算机编程控制的可控电传动系统，相比现有液压式工程机械，具有自动化和智能化程度高等优点，执行机构操纵控制简单，实现了数控化作业。
[0012]2、相比现有可控装载机构，该种装载机器人的构型设计具有更好的动力性能和更强的适应性，同时大幅降低电传动系统的成本。由于动臂升降机构的动力系统采用多单元直线驱动机构，因而具有更高的输出功率和扭矩，该多单元直线驱动机构通过将多台小功率直线驱动器的动力进行合成，实现了高功率、大扭矩动力输出，进而避免了大功率直线驱动器的使用，有效降低了成本，同时大幅提高了动臂升降机构的负载能力，使该装载机器人不仅适用于制造微小型装载机器人，而且适用于中、大型装载机器人。
[0013]3、相比现有可控装载机构，该装载机器人具有更好的承载稳定性、更佳的抗振性能以及更长的使用寿命。该装载机器人的动臂升降机构引入了液压元件，通过液压管线使两缸体并联，进而实现两缸体内液体压力平衡，有效解决了平面并联可控装载机构动臂的两升降支链受力不均的问题，提高了承载稳定性和抗振性能，改善了各构件的受力情况，延长了使用寿命。
[0014]4、相比现有可控装载机构，该装载机器人具有更多的过载保护手段，由于动臂升降机构引入了液压元件，可通过在动臂升降机构中引入泄压阀等附属装置，较易实现该装载机器人的过载保护性能。
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人示意图。
[0016]图2为本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人机架示意图。
[0017]图3为本发明所述的动臂升降机构示意图。
[0018]图4为本发明所述的铲斗控制机构示意图。
[0019]图5为本发明所述的多单元直线驱动机构示意图之一。
[0020]图6为本发明所述的多单元直线驱动机构示意图之二。
[0021]图7为本发明所述的多单元直线驱动机构曲轴示意图。
[0022]图8为本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人平面视图。
[0023]图9为本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人工作示意图。
【具体实施方式】
[0024]以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0025]对照图1，本发明所述的一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，包括动臂升降机构、铲斗控制机构、多单元直线驱动机构以及机架I。
[0026]对照图1、图2、图3，所述动臂升降机构包括动臂19、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂19通过第一转动副35、第二转动副37与机架I连接，所述第一升降支链包括连杆15、第一缸体16、第一活塞杆18，所述第一连杆15—端通过键或者其它方式与曲轴13固定连接，另一端通过第三转动副27与第一缸体16连接，所述第一缸体16通过第一移动副28与第一活塞杆18—端连接，第一活塞杆18另一端通过第四转动副29与动臂19连接，所述第二升降支链包括第二连杆26、第二缸体17、第二活塞杆25，所述第二连杆26—端通过键或者其它方式与曲轴13固定连接，另一端通过第五转动副36与第二缸体17连接，所述第二缸体17通过第二移动副34与第二活塞杆25—端连接，第二活塞杆25另一端通过第六转动副33与动臂19连接。在实际工程应用中，所述第一缸体16、第一移动副28、第一活塞杆18可用一液压缸取代，所述第二缸体17、第二移动副34与第二活塞杆25可用另一液压缸取代，在该装载机器人作业过程中，多单元直线驱动机构通过曲轴13为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，第一缸体16与第二缸体17通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构第一缸体16或第二缸体17中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。
[0027]对照图1、图2、图4，所述铲斗控制机构包括主动杆24、第三连杆23、摇臂22、拉杆21、铲斗20，所述主动杆24—端通过第七转动副2与机架I连接，另一端通过第八转动副3与第三连杆23—端连接，所述第三连杆23另一端通过第九转动副38与摇臂22连接，所述摇臂22通过第十转动副32与动臂19连接，所述拉杆21—端通过第十一转动副14与摇臂22连接，另一端通过第十二转动副7与铲斗20连接，所述铲斗20通过第十三转动副30、第十四转动副31与动臂19连接。所述主动杆24由可控电机进行驱动控制，铲斗控制支链在主动杆24的带动下实现铲斗20的翻转运动。
[0028]对照图1、图2、图5、图6、图7，所述多单元直线驱动机构由第一直线驱动器4、第二直线驱动器6、曲轴13组成，所述曲轴13通过第十五转动副11、第十六转动副12与机架I连接，所述第一直线驱动器4 一端通过第十七转动副9与机架I连接，另一端通过二十转动副5与曲轴13连接，所述第二直线驱动器6—端通过第十八转动副10与机架I连接，另一端通过第十九转动副8与曲轴13连接。根据装载机动力要求，所述曲轴13可由两组及以上直线驱动器进行驱动，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元直线驱动机构动力适应性。
[0029 ] 对照图1、图2、图5、图6、图7，所述第一直线驱动器4、第二直线驱动器6通过相互配合共同驱动曲轴13运动，所述多单元直线驱动机构可以将多个直线驱动器的动力合成后通过曲轴13输出，从而使该多单元直线驱动机构实现了由多台小功率动力源输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机等动力源功率输出小、驱动扭矩低等问题。
[0030]对照图1、图5、图8、图9，所述一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人的铲斗20输出运动由主动杆24、第一直线驱动器4、第二直线驱动器6共同决定，在计算机系统的协调控制下，完成装载作业。该多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人不仅具有智能化程度高、能耗低、维护保养简单等特点，而且相比现有可控装载机构，不仅较易实现过载保护功能，而且具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及带来的更长使用寿命，适用于制造大、中、小型各类装载机器人。
【主权项】
1.一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，包括动臂升降机构、铲斗控制机构、多单元直线驱动机构以及机架，其特征在于: 所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第一转动副、第二转动副与机架连接，所述第一升降支链包括连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第一连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第三转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，第一活塞杆另一端通过第四转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第二连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第二连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第五转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第六转动副与动臂连接， 所述铲斗控制机构包括主动杆、第三连杆、摇臂、拉杆、铲斗，所述主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第九转动副与摇臂连接，所述摇臂通过第十转动副与动臂连接，所述拉杆一端通过第十一转动副与摇臂连接，另一端通过第十二转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第十三转动副、第十四转动副与动臂连接， 所述多单元直线驱动机构由第一直线驱动器、第二直线驱动器、曲轴组成，所述曲轴通过第十五转动副、第十六转动副与机架连接，所述第一直线驱动器一端通过第十七转动副与机架连接，另一端通过二十转动副与曲轴连接，所述第二直线驱动器一端通过第十八转动副与机架连接，另一端通过第十九转动副与曲轴连接。2.根据权利要求1，所述一种多单元直线驱动十五杆三活动度装载机器人，其特征在于:所述第一缸体与第二缸体并联，所述主动杆由可控电机进行驱动控制，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器均为伺服电动缸。
【文档编号】E02F3/42GK105951906SQ201610463397
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】吴承格, 单绍福, 张 林
【申请人】山东交通学院