专利名称：一种自动化机械臂的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机械结构，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板 (指上层楼板的下底面)和地面进行垂直立柱固定，能够在系统控制下自由转 动伸縮升降的自动化机械臂。
背景技术：
机械臂系统在现代工业中得到广泛应用，大到吊塔、吊车、挖掘机等大型 机械，小到车间的零件装配生产线等都可以看到机械臂的英姿。机械臂系统一 般包括机械臂、机械臂运转平台、动力装置、控制系统等，在人工或自动控制 下，实现空间上的转动、平移、升降，完成夹取、推送、释放等动作，能够代 替人手完成单调、繁重、重复性的劳动或者危险性的工作，以减轻劳动强度， 减少意外伤害，提高工作效率。
大型机械臂一般用于重型机械设备，如塔式起重机、汽车起重机、车载式 输浆泵等，由于要吊起或转移的材料质量巨大，因此其机械臂动作缓慢，而且 要求设备自重大，底盘面积大。 一般底部需要固定在预制的桩基上或者用多条 支撑腿支撑以增大底盘面积。这类应用主要是室外大型工地作业。
小型自动化机械臂主要应用于自动化生产线，通过研究运动机构与控制信 号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。它采用复杂 的算法，由电脑指挥机械臂的动作和路径，完成规定的工作，比人手速度更快， 更准确。这些设备一般是专用设备，根据生产线的规格、需求和工作内容度身 定做，价格昂贵，不具备通用性。
上述大型或小型机械臂产品，要求其底盘重量巨大以增加稳定性和机械臂
工作范围；或者底盘固定在底面预制的桩基上，底盘减小但不方便搬运移动。对于在空间环境受限，工位经常变动的室内作业的情况，要实现系统控制下的 自动化作业，以上机械臂产品和技术均难以满足需求，因此开发一种小型、轻 便、耐用、方便移动的自动化机械臂产品不仅是必要的，也是必须的。
发明内容
本实用新型的目的在于，提供一种小型、轻便、耐用、方便移动的自动化 机械臂，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板(指上层楼板的下底面)和 地面进行垂直立柱固定，能够在系统控制下自由转动伸縮升降的自动化机械臂。
为了达到上述目的，本实用新型技术方案是这样实现的 一种自动化机械 臂，包括底盘系统l、牵引系统2、底部稳定盘系统3、立柱支撑系统4、立柱 系统5、顶部稳定盘系统6、升降套管7、转动套环8、防滑落装置IO、控制电机 系统(11， 12， 13)、机械臂系统(17， 18， 19)、传动系统(9， 14， 15， 16， 20， 21， 22)，其特征在于立柱系统5底部固定在立柱支撑系统4上，并通过底 部稳定盘系统3稳定地压在地面上，立柱顶部通过顶部固定盘系统6顶到上层楼 板的下表面，借助底部稳定盘系统3和顶部稳定盘系统6，在底部稳定盘3和天花 板之间垂直固定立柱系统5;升降电机11固定在升降套管7上，转动套环8连接在 升降套管7的两端；机械臂(17、 18、 19)由平行的双连杆构成，起始端固定在 两个转动套环8上；多级机械臂19通过连接转轴20连接；防滑落装置10固定在升 降套管7上。
所述的一种自动化机械臂，底部稳定盘系统3包括底部稳定盘3-l，楔形调 整滑块3-2、滑块调整丝杆3-3、悬挂油缸3-4、油缸固定绞链3-5，底部稳定盘 3-l下部呈倒置的圆锥体，上表面通过悬挂油缸3-4连接到底盘系统l的下面，油 缸两端连接处采用油缸固定绞链3-5连接；楔形调整滑块3-2用燕尾槽轨道连接到底部稳定盘3-l上，滑动轨道沿圆锥体半径方向；三个楔形调整滑块3-2围绕
底部稳定盘3-l中心均匀分布，外侧高里侧低，其上表面与底部稳定盘3-l下表
面吻合。
所述的一种自动化机械臂，立柱支撑系统4包括液压油缸4-l、伸縮柱塞4-2、 立柱底部固定盘4-3、支撑模块油缸开关触发盘4-4、自吸式液压支撑模块4-5， 液压油缸4-l固定在底部稳定盘3-l上面，伸縮柱塞4-2能够在液压油缸4-l中上 下运动；立柱底部固定盘4-3固定在伸縮柱塞4-2的顶部；自吸式液压支撑模块
4- 5底部固定在底部稳定盘3-l上表面，顶部固定在立柱底部固定盘4-3的下表 面。
所述的一种自动化机械臂，立柱系统5由多根升降立柱5-l通过立柱连接件
5- 3连接组合；升降齿条5-2平行固定在升降立柱5-l的表面；立柱连接件5-3两 端外径与升降立柱5-l两端内径相同，可以插入升降立柱5-l端部，并使升降齿 条5-2进入连接件齿条限位槽5-4 。
所述的一种自动化机械臂，顶部稳定盘系统6包括顶部稳定盘6-1，调整丝 杠6-2，丝帽6-3，电机上行程挡板6-4，限位螺栓6-5，丝帽6-3下端嵌入到顶部 立柱上端的内部，顶部稳定盘6-l固定在调整丝杠6-2顶部，调整丝杠6-2下端旋 入丝帽6-3内部；限位螺栓6-5在丝帽6-3上。
所述的一种自动化机械臂，升降套管7套装在升降立柱5-l外部，管壁开有 齿条槽使升降齿条5-2从套管壁中伸出，升降套管7内径与升降立柱5-l外径滑配 合；升降电机11固定在升降套管7外壳上，电机轴上安装有齿轮，与升降齿条5-2 紧密啮合；转动套环8套接在升降套管7的两端。
所述的一种自动化机械臂，防滑落装置10由防滑落齿轮10-1，齿轮偏心转 轴10-2,齿轮固定架10-3，压合分离操作装置10-4组成，防滑落齿轮10-l设计有齿轮偏心转轴10-2，齿轮偏心转轴10-2通过齿轮固定架10-3固定在升降套管7 上；防滑落齿轮10-l模数和升降齿条5-2模数相同；压合分离操作装置10-4安装 在防滑落齿轮10-l上。
防滑落装置10用来在升降电机11出现故障或失效的情况下保证安全。当需 要升降工作臂时，分离操作装置10-4向上动作，使防滑落齿轮10-1与齿条5分离， 即可实现正常的升降运动；分离操作装置10-4在重力或弹簧作用下向下动作， 防滑落齿轮10-l就与升降齿条5-2接触在一起。结合升降电机ll的控制，可实现 防滑落装置10的自动控制。当升降电机ll故障或失效时，机械臂有向下坠落的 趋势，因为升降齿条5-2是固定不动的，所以防滑落齿轮10-l有顺时针转动的趋 势，由于齿轮偏心转轴10-2的作用，齿轮IO-l接触升降齿条5-2处的半径变大， 使得齿轮与齿条啮合更加紧密，因而防滑落齿轮10-l不会持续转动，而是微动 后达到平衡，从而防止了机械臂系统的意外坠落。
所述的一种自动化机械臂，第一级机械臂17和后向机械臂18的上下连杆分 别与上下转动套环8固定在一起；第一级机械臂17双连杆后端通过轴承连接到连 接转轴20两端，作为连接转轴20转动的固定支点；下一级机械臂双连杆前端固 定在前一级机械臂的连接转轴20上；多级机械臂19之间都同样采用连接转轴20 连接固定。
所述的一种自动化机械臂，整体转动控制电机12固定在后向机械臂18上， 电机上安装有电机齿轮14，与整体转动齿轮9啮合；整体转动齿轮9同轴安装固 定在升降套管7上，整体转动控制电机12驱动电机齿轮14转动时，带动机械臂围 绕整体转动齿轮9转动，从而实现机械臂整体转动控制；伸縮传动齿轮16固定在 第一级机械臂与第二级机械臂的连接转轴20上，伸縮控制电机13的电机齿轮15 可以带动伸縮传动齿轮16转动从而带动连接转轴20转动；连接转轴20上固定有传动齿轮盒22，传动转轴21—端接上一级传动齿轮盒22内部的齿轮，另一端接 下一级传动齿轮盒22内部的齿轮，将动力传递到下一级连接转轴20;伸縮控制 电机14的转动能够带动各个连接转轴20的转动，并带动多级机械臂19围绕连接 转轴20转动，从而实现机械臂总体的伸縮控制。
所述的一种自动化机械臂，自吸式液压支撑模块4-5包括下缸体4-5-l、上 缸体4-5-2、截止阀4-5-3、截止阀顶杆4-5-4、截止阀复位弹簧4-5-7、弹簧压 板4-5-8，下缸体4-5-1与下固板4-5-5连接，下固定板4-5-5通过螺栓固定到底 部稳定盘3-l上；上缸体4-5-2能够在下缸体4-5-l中上下行运动；上缸体4-5-2 的底部设计有截止阀4-5-3，截止阀4-5-3连接有截止阀顶杆4-5-4，截止阀顶杆 4-5-4另 一端通过截止阀复位弹簧4-5-7和弹簧压板4-5-8固定在立柱底部固定 盘4-3上方。
自吸式液压支撑模块4-5用来防止立柱支撑系统4失效时造成的安全隐患。 机械臂停留在立柱底部时，升降套管7底部向下压下弹簧压板4-5-8，截止阀复 位弹簧4-5-7被压縮，截止阀顶杆4-5-4向下移动，截止阀4-5-3处于打开状态。 对立柱进行支撑固定时，立柱支撑系统4的伸縮柱塞4-2向上运动，带动立柱底 部固定盘4-3向上运动，上缸体4-5-2随立柱底部固定盘4-3向上运动；液压油从 上缸体4-5-2中进入下缸体4-5-l中，液压支撑模块4-5被拉高，并且支撑在底部 稳定盘3-l和立柱底部固定盘4-3之间。当机械臂系统升起时，截止阀4-5-3在截 止阀复位弹簧4-5-7作用下处于截止状态。如果此时立柱支撑系统4的油缸系统 故障或失效，则机械臂和立柱有下坠的趋势，但因为截止阀4-5-3处于截止状态， 下缸体4-5-l中充满了液压油，上缸体4-5-2无法向下运动，从而保证立柱底部 固定盘4-3不会下坠，避免了液压油缸4-l和伸縮柱塞4-2失效带来的安全隐患。 机械臂被降落到立柱底部时，支撑模块油缸开关触发盘4-4会向下压縮截止阀弹簧4-5-7，使截止阀4-5-3处于打开状态，此时立柱支撑系统4的伸縮柱塞4-2向 下运动，立柱底部固定盘4-3随着向下运动，下缸体4-5-l中的液压油通过截止 阀4-5-3进入上缸体4-5-2，上缸体4-5-2向下运动进入下缸体4-5-1。自吸式液 压支撑模块4-5也可以用在其他需要任意高度支撑的场合。
有益效果
本实用新型的有益效果是本实用新型实现了一种借助天花板(指上层楼 板的下底面)和地面进行固定，能够自由转动伸縮升降的自动化机械臂。借助 工作环境的天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行固定，减少了对系统底 盘面积和系统自身重量的要求，使设备小型化方便化得到实现。工作头安装在 机械臂末节端部，机械臂的自由转动升降伸縮，能够使工作头处于不同的空间 位置和自由移动，对不同工作面能够轻松处理，为工作头自动化作业提供了良 好的工作平台。对各个控制电机进行数字化控制，即可实现机械臂的全自动化 工作。各节机械臂能够折叠在一起，立柱拆卸后固定在底盘上，底盘安装有轮 子和牵引系统，在不工作时能够方便存放和转移。本实用新型同时设计实现了 防止机械臂坠落方案、防立柱支撑系统失效的安全方案避免了安全隐患，使工 作安全性得到大大提高，提高了产品的实用性。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明 图l是本实用新型的整体结构示意图，也可作为摘要附图 图2是本实用新型底部稳定盘系统结构示意图 图3是本实用新型底部稳定盘系统俯视示意图图4是本实用新型立柱支撑系统结构原理示意图
图5是本实用新型自吸式液压支撑模块结构原理示意图
图6是本实用新型立柱系统结构示意图
图7是本实用新型升降套管及相关附件结构放大图
图8是本实用新型顶部稳定盘系统结构示意图
图9是本实用新型防滑落装置结构原理示意图
图10是本实用新型防滑落装置A-A'示意图
其中
1、 底盘系统
2、 牵引系统
3、 底部稳定盘系统
3-1、底部稳定盘 3-2、楔形调整滑块 3-3、滑块调整丝杆 3-4、悬挂油缸
3- 5、油缸固定绞链
4、 立柱支撑系统
4- 1、液压油缸 4-2、伸縮柱塞
4-3、立柱底部固定盘 4-4、支撑模块油缸开关触发盘 4-5、自吸式液压支撑模块 4-5-1、下缸体4-5-2、上缸体 4-5-3、截止阀 4-5-4、截止阀顶杆 4-5-5、下固定板 4-5-6、上固定板 4-5-7、截止阀复位弹簧 4-5-8、弹簧压板
5、 立柱系统
5-1、升降立柱 5-2、升降齿条 5-3、立柱连接件
5- 4、连接件齿条限位槽
6、 顶部稳定盘系统
6- 1、顶部稳定盘 6-2、调整丝杠 6-3、丝帽
6-4、电机上行程挡板 6-5、限位螺栓
7、 升降套管
8、 转动套环
9、 整体转动齿轮
10、 防滑落装置 10-1、防滑落齿轮10-2、齿轮偏心转轴 10-3、齿轮轴固定架 10-4、压合分离操作装置
11、 升降电机
12、 整体转动控制电机
13、 伸縮控制电机
14、 整体转动控制电机齿轮
15、 伸縮控制电机齿轮
16、 伸縮传动齿轮
17、 第一级机械臂
18、 后向机械臂
19、 多级机械臂
20、 连接转轴
21、 传动转轴
22、 传动齿轮盒
23、 立柱固定架具体实施方式
在实际制造中，升降立柱5-l采用厚壁圆钢管制作。升降电机ll采用能够正 反转，且具有自刹车功能的电机，保证在断电情况下不会滑落出现危险。整体 转动控制电机12和伸縮控制电机13选用能够进行转动角度控制的步进电机，以 实现精确的转动角度控制。
在实际使用中，首先选择机械臂展开后能够达到工作面的位置安放设备， 测量房子天花板(指上层楼板的下底面)高度。打开底部稳定盘系统3的悬挂油缸3-4的油路开关，则底部稳定盘3-l和楔形调整滑块3-2在重力作用下下降到达 地面。调整滑块调整丝杆3-3使滑块向内推进或向外拉出，使底部稳定盘3-l最 终处于水平状态。
选择合适长度的立柱进行组合安装和连接，并调节调整顶部稳定盘系统6的 调整丝杠6-2使顶部稳定盘6-l靠近上层楼板的下底面。然后驱动立柱支撑系统4 的液压油缸4-l使伸縮柱塞4-2上升。当顶部稳定盘6-l上行接触到上层楼板的下 底面之后，升降系统的持续作用，产生的作用力会使立柱系统5垂直牢固固定。 此时自吸式液压支撑模块4-5上缸体4-5-2从下缸体4-5-l中拉出，并处于值守状 态，在立柱支撑系统4的液压油缸4-l失效时能够及时保持支撑状态，避免安全 隐患。需要合理设计立柱支撑系统4的伸縮压力，以免破坏房屋的结构。立柱系 统安装完毕以后，就可以展开机械臂进行工作。控制升降电机ll，可以实现机 械臂的整体升降；控制整体转动控制电机12，可以实现机械臂整体转动方向； 控制机械臂伸縮控制电机13，可以实现机械臂的伸縮。根据工作需要，用控制 系统来编制程序，控制机械臂自动进行升降、伸縮和转动，即实现了机械臂多 个自由度的自动化工作。
工作完毕以后，把升降电机ll降落到立柱的最低位置。松开立柱支撑系统4 液压油缸4-l的开关，伸縮柱塞4-2下降，顶部稳定盘6-l离开天花板。同时，自 吸式液压支撑模块4-5的上缸体4-5-2进入下缸体4-5-l中，解除值守状态。卸下 上部立柱，并把它们安放在底盘上的立柱固定架23上。关闭底部稳定盘系统3的 悬挂油缸3-4的油路开关，驱动油缸柱塞縮进，底部固定盘3-l和楔形调整滑块 3-2在悬挂油缸3-4牵引下，逐渐离开地面上升到合适高度。此时机械臂系统可 以在牵引系统2的牵引下搬运转移。
权利要求1、一种自动化机械臂，包括底盘系统(1)、牵引系统(2)、底部稳定盘系统(3)、立柱支撑系统(4)、立柱系统(5)、顶部稳定盘系统(6)、升降套管(7)、转动套环(8)、防滑落装置(10)、控制电机系统(11，12，13)、机械臂系统(17，18，19)、传动系统(9，14，15，16，20，21，22)，其特征在于立柱系统(5)底部固定在立柱支撑系统(4)上，并通过底部稳定盘系统(3)稳定地压在地面上，立柱顶部通过顶部固定盘系统(6)顶到上层楼板的下表面，借助底部稳定盘系统(3)和顶部稳定盘系统(6)，在底部稳定盘(3)和天花板之间垂直固定立柱系统(5)；升降电机(11)固定在升降套管(7)上，转动套环(8)连接在升降套管(7)的两端；机械臂(17、18、19)由平行的双连杆构成，起始端固定在两个转动套环(8)上；多级机械臂(19)通过连接转轴(20)连接；防滑落装置(10)固定在升降套管(7)上。
2、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于底部稳定盘系统(3) 包括底部稳定盘(3-1)，楔形调整滑块(3-2)、滑块调整丝杆(3-3)、悬挂油 缸(3-4)、油缸固定绞链(3-5)，底部稳定盘(3-1)下部呈倒置的圆锥体，上 表面通过悬挂油缸(3-4)连接到底盘系统(1)的下面，油缸两端连接处采用 油缸固定绞链(3-5)连接；楔形调整滑块(3-2)用燕尾槽轨道连接到底部稳 定盘(3-1)上，滑动轨道沿圆锥体半径方向；三个楔形调整滑块(3-2)围绕 底部稳定盘(3-1)中心均匀分布，外侧高里侧低，其上表面与底部稳定盘(3-1) 下表面吻合。
3、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于立柱支撑系统(4) 包括液压油缸(4-1)、伸縮柱塞(4-2)、立柱底部固定盘(4-3)、支撑模块油 缸开关触发盘(4-4)、自吸式液压支撑模块(4-5)，液压油缸(4-1)固定在底 部稳定盘(3-1)上面，伸縮柱塞(4-2)能够在液压油缸(4-1)中上下运动；立柱底部固定盘(4-3)固定在伸縮柱塞(4-2)的顶部；自吸式液压支撑模块 (4-5)底部固定在底部稳定盘(3-1)上表面，顶部固定在立柱底部固定盘(4-3) 的下表面。
4、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于立柱系统(5)由多 根升降立柱(5-1)通过立柱连接件(5-3)连接组合；升降齿条(5-2)平行固 定在升降立柱(5-1)的表面；立柱连接件(5-3)两端外径与升降立柱(5-1) 两端内径相同，可以插入升降立柱(5-1)端部，并使升降齿条(5-2)进入连 接件齿条限位槽(5-4)。
5、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于顶部稳定盘系统(6) 包括顶部稳定盘(6-1)，调整丝杠(6-2)，丝帽(6-3)，电机上行程挡板(6-4)， 限位螺栓(6-5)，丝帽(6-3)下端嵌入到顶部立柱上端的内部，顶部稳定盘(6-1) 固定在调整丝杠(6-2)顶部，调整丝杠(6-2)下端旋入丝帽(6-3)内部；限 位螺栓(6-5)在丝帽(6-3)上。
6、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于升降套管(7)套装 在升降立柱(5-1)外部，管壁开有齿条槽使升降齿条(5-2)从套管壁中伸出， 升降套管(7)内径与升降立柱(5-1)外径滑配合；升降电机(11)固定在升 降套管(7)外壳上，电机轴上安装有齿轮，与升降齿条(5-2)紧密啮合；转 动套环(8)套接在升降套管(7)的两端。
7、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于防滑落装置(10) 由防滑落齿轮(10-1)，齿轮偏心转轴(10-2)，齿轮固定架(10-3)，压合分离 操作装置(10-4)组成，防滑落齿轮(10-1)设计有齿轮偏心转轴(10-2)，齿 轮偏心转轴(10-2)通过齿轮固定架(10-3)固定在升降套管(7)上；防滑落 齿轮(10-1)模数和升降齿条(5-2)模数相同；压合分离操作装置(10-4)安装在防滑落齿轮(10-1)上。
8、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于第一级机械臂(17)和后向机械臂(18)的上下连杆分别与上下转动套环(8)固定在一起；第一级 机械臂(17)双连杆后端通过轴承连接到连接转轴(20)两端，作为连接转轴 (20)转动的固定支点；下一级机械臂双连杆前端固定在前一级机械臂的连接 转轴(20)上；多级机械臂(19)之间都同样采用连接转轴(20)连接固定。
9、 根据权利要求l所述的自动化机械臂，其特征在于整体转动控制电机 (12)固定在后向机械臂(18)上，电机上安装有电机齿轮(14)，与整体转动齿轮(9)啮合；整体转动齿轮(9)同轴安装固定在升降套管(7)上；伸縮传 动齿轮(16)固定在第一级机械臂与第二级机械臂的连接转轴(20)上；连接 转轴(20)上固定有传动齿轮盒(22)，传动转轴(21) —端接上一级传动齿轮 盒(22)内部的齿轮，另一端接下一级传动齿轮盒(22)内部的齿轮。
10、 根据权利要求1所述的自动化机械臂，其特征在于自吸式液压支撑 模块(4-5)包括下缸体(4-5-1)、上缸体(4-5-2)、截止阀(4-5-3)、截止阀 顶杆(4-5-4)、截止阀复位弹簧(4-5-7)、弹簧压板(4-5-8)，下缸体(4-5-1) 与下固板(4-5-5)连接，下固定板(4-5-5)通过螺栓固定到底部稳定盘(3-1) 上；上缸体(4-5-2)能够在下缸体(4-5-1)中上下行运动；上缸体(4-5-2) 的底部设计有截止阀(4-5-3)，截止阀(4-5-3)连接有截止阀顶杆(4-5-4)， 截止阀顶杆(4-5-4)另一端通过截止阀复位弹簧(4-5-7)和弹簧压板(4-5-8) 固定在立柱底部固定盘(4-3)上方。
专利摘要本实用新型涉及一种自动化机械臂，特别是一种具有自行走底盘，借助天花板(指上层楼板的下底面)和地面进行垂直立柱固定，能够自由转动伸缩升降的自动化机械臂，包括底盘系统1、牵引系统2、底部稳定盘系统3、立柱支撑系统4、立柱系统5、顶部稳定盘系统6、升降套管7、转动套环8、防滑落装置10、控制电机系统(11，12，13)、机械臂系统(17，18，19)、传动系统(9，14，15，16，20，21，22)。借助天花板和地面固定立柱，减少对底盘面积和自身重量的要求，实现了设备的小型化。本实用新型能够实现系统自动控制机械臂的转动伸缩升降，为工作头自动化作业提供良好的工作平台。
文档编号B25J5/00GK201224100SQ20082006948
公开日2009年4月22日 申请日期2008年3月4日 优先权日2008年3月4日
发明者朱建彬 申请人:朱建彬