一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人的制作方法
【专利摘要】一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构等。多单元连杆驱动机构在计算机控制下，实现了多台小功率电机驱动，大功率、高扭矩的动力输出，满足了装载机器人高负载作业动力要求。基于帕斯卡原理通过在动臂升降机构中引入液压元件，实现缸内压力相等，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，提高承载稳定性。该装载机器人不仅具有以往可控装载机构传动效率高、响应速度快、运动精度高、可控性好等特点，而且多单元连杆驱动机构和液压元件的引入使该装载机器人具有更好的承载和抗振性能，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】
一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人
技术领域
[0001]本发明涉及装载机领域，特别是一种含三副摇臂的多单元连杆驱动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含三副摇臂的多单元连杆驱动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:一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架。
[0006]所述多单元连杆驱动机构包括机架、第一主动杆、第二主动杆、第一连杆、第二连杆、曲轴，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三转动副与曲轴连接，所述第二主动杆一端通过第四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接。
[0007]所述第一主动杆、第二主动杆均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据装载机器人的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。
[0008]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，所述动臂通过第九转动副、第十转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸，所述第三连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二液压缸，所述第四连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第十三转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十四转动副与动臂连接。
[0009]在装载机器人作业过程中，多单元连杆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，第一液压缸与第二液压缸通过液压管线连接，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液压缸或第二液压缸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。
[0010]所述铲斗控制机构包括第三主动杆、第五连杆、摇臂、拉杆、铲斗。所述第三主动杆一端通过第十五转动副与机架连接，另一端通过第十六转动副与第五连杆一端连接，所述第五连杆另一端通过第十九转动副与拉杆连接，所述拉杆通过第二十转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第二十一转动副、第二十二转动副与动臂连接，所述摇臂一端通过第十八转动副与动臂连接，另一端通过第十七转动副与拉杆连接。所述第三主动杆由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，铲斗在第三主动杆的带动下实现翻转运动。
[0011]所述一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该含三副摇臂的多单元连杆驱动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、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在:(I)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一液压缸与第二液压缸可通过液压管线连接实现并联，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；(2)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高装载机器人的抗振性能；(3)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在装载机器人铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，适用于大、中、小型各类装载机使用。
[0012]本发明突出优点在于:
1、该装载机器人采用全新的构型设计，在满足装载作业所需自由度和工作空间要求下，具有较好的运动学和动力学性能，动臂升降机构通过采用平面并联设计，大幅提升了装载机器人的刚性。该装载机器人既具有可控机构式装载机能耗低、传动效率高、智能化程度高、可靠性好等特点，同时具备液压式装载机工作装置抗冲击性能好、过载保护性能强、举升稳定性好等特点。
[0013]2、该装载机器人采用计算机编程控制的电传动系统进行驱动，不仅具有较高的智能化水平，实现了作业数控化，而且提高了传动效率，降低了能耗，并无尾气排放。在该机器人的设计中，液压缸主要用途并非像现有液压式工程机械，用来驱动工作装置做功，而是通过微小移动调节偏载，并作为连杆传递动力，因而避免了液压系统传动效率低等问题，减少了液压元件的磨损问题，相比液压式工程机械具有更长的使用寿命以及更高的可靠性。
[0014]3、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更强的承载能力和适应性。多单元连杆驱动机构的引入，大幅提高了该装载机器人的承载能力，特别适用于制造大、中型工程施工机器人;该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可根据不同的动力要求，选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链驱动，满足各类装载机器人动力要求。
[0015]4、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更好的动态性能和可靠性。液压缸等液压元件的引入不仅使该机器人具有了良好的抗振和缓冲性能，而且具有较好的过载保护功能。动臂升降机构通过缸体并联，实现了偏载作用下动臂两升降支链的受力平衡，改善了各构件受力不均的问题，提高了动臂的举升稳定性，延长了各构件的使用寿命，提高了装载机器人的可靠性。
[0016]5、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机器人具有更多的过载保护手段，通过在动臂升降机构液压缸上引入泄压阀等附属装置，较易实现装载机器人的过载保护性會K。
【附图说明】
[0017]图1为本发明所述的一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人示意图。
[0018]图2为本发明所述的一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人机架示意图。
[0019]图3为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之一。
[0020]图4为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之二。
[0021]图5为本发明所述的多单元连杆驱动机构曲轴示意图。
[0022]图6为本发明所述的动臂升降机构示意图。
[0023]图7为本发明所述的铲斗控制机构示意图。
[0024]图8为本发明所述的一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人平面视图。
[0025]图9为本发明所述的一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人工作示意图。
【具体实施方式】
[0026]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。
[0027]对照图1，本发明所述的一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架I。
[0028]对照图1、图2、图3、图4、图5，所述多单元连杆驱动机构包括机架1、第一主动杆32、第二主动杆38、第一连杆34、第二连杆37、曲轴11，所述第一主动杆32—端通过第一转动副31与机架I连接，另一端通过第二转动副33与第一连杆34—端连接，所述第一连杆34另一端通过第三转动副35与曲轴11连接，所述第二主动杆38—端通过第四转动副15与机架I连接，另一端通过第五转动副20与第二连杆37—端连接，所述第二连杆37另一端通过第六转动副36与曲轴11连接，所述曲轴11通过第七转动副13、第八转动副25与机架I连接。
[0029]所述第一主动杆32、第二主动杆38均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴11输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率可控电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构伺服电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据装载机器人的动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。
[0030]对照图1、图2、图6，所述动臂升降机构包括动臂2、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂2通过第九转动副21、第十转动副22与机架I连接，所述第一升降支链包括第三连杆8、第一液压缸9，所述第三连杆8—端通过键或者其它方式与曲轴11固定连接，另一端通过第十一转动副14与第一液压缸9 一端连接，所述第一液压缸9另一端通过第十二转动副19与动臂2连接，所述第二升降支链包括第四连杆24、第二液压缸10，所述第四连杆24—端通过键或者其它方式与曲轴11固定连接，另一端通过第十三转动副23与第二液压缸10—端连接，所述第二液压缸10另一端通过第十四转动副18与动臂2连接。
[0031]在装载机器人作业过程中，多单元连杆驱动机构通过曲轴11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，第一液压缸9与第二液压缸10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2两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液压缸9或第二液压缸10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會K。
[0032]对照图1、图2、图7，所述铲斗控制机构包括第三主动杆7、第五连杆6、摇臂5、拉杆
4、铲斗3。所述第三主动杆7—端通过第十五转动副26与机架I连接，另一端通过第十六转动副27与第五连杆6—端连接，所述第五连杆6另一端通过第十九转动副29与拉杆4连接，所述拉杆4通过第二十转动副30与铲斗3连接，所述铲斗3通过第二 ^^一转动副12、第二十二转动副17与动臂2连接，所述摇臂5—端通过第十八转动副16与动臂2连接，另一端通过第十七转动副28与拉杆4连接。所述第三主动杆7由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，铲斗3在第三主动杆7的带动下实现翻转运动。
[0033]对照图1、图8、图9，所述一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人在各电传动系统的编程控制下，完成装载作业。该含三副摇臂的多单元连杆驱动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、能耗低、动态性能好、可靠性好等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在:(I)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一液压缸9与第二液压缸10可通过液压管线连接实现并联，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2两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;(2)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，可以有效提高装载机器人的抗振性能；(3)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压缸后，在装载机器人铲装作业过程中，当承受的载荷在许用范围时，液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及随之带来的更长使用寿命，并且较易实现过载保护功能，适用于大、中、小型各类装载机使用。
【主权项】
1.一种含三副摇臂的多单元连杆驱动三活动度装载机器人，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架，其特征在于: 所述多单元连杆驱动机构包括机架、第一主动杆、第二主动杆、第一连杆、第二连杆、曲轴，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三转动副与曲轴连接，所述第二主动杆一端通过第四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接， 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，所述动臂通过第九转动副、第十转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第三连杆、第一液压缸，所述第三连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第一液压缸一端连接，所述第一液压缸另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二液压缸，所述第四连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第十三转动副与第二液压缸一端连接，所述第二液压缸另一端通过第十四转动副与动臂连接， 所述铲斗控制机构包括第三主动杆、第五连杆、摇臂、拉杆、铲斗，所述第三主动杆一端通过第十五转动副与机架连接，另一端通过第十六转动副与第五连杆一端连接，所述第五连杆另一端通过第十九转动副与拉杆连接，所述拉杆通过第二十转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第二十一转动副、第二十二转动副与动臂连接，所述摇臂一端通过第十八转动副与动臂连接，另一端通过第十七转动副与拉杆连接。2.根据权利要求1所述的含三副摇臂的多单元连杆驱动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，所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆均由可控电机进行驱动。
【文档编号】E02F3/34GK106088183SQ201610463400
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】吴承格, 单绍福, 张 林, 苏娜, 武照玉
【申请人】山东交通学院