一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人的制作方法

本发明涉及装载机领域，特别是一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人。

背景技术：

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。

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和铲斗控制支链均采用主动杆—连杆—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或者同时控制铲斗铲装作业时，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和铲斗两并联控制支链受力不均，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。

技术实现要素：

本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人，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，动臂升降机构和铲斗控制机构稳定性差，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，同时具有较强的承载能力、抗振能力和过载保护性能。

本发明通过以下技术方案来达到上述目的：一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人，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。

所述多单元连杆驱动机构包括动臂多单元连杆驱动机构和铲斗多单元连杆驱动机构，所述动臂多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、机架、第一曲轴，所述第一驱动支链包括第一主动杆、第一连杆，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第一曲轴连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆、第二连杆，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第一曲轴连接，所述第一曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接。所述铲斗多单元连杆驱动机构包括第三驱动支链、第四驱动支链、第二曲轴，所述第三驱动支链包括第三主动杆、第三连杆，所述第三主动杆一端通过第九转动副与机架连接，另一端通过第十转转动副与第三连杆一端连接，所述第三连杆另一端通过第十一转动副与第二曲轴连接，所述第四驱动支链包括第四主动杆、第四连杆，所述第四主动杆一端通过第十二转动副与机架连接，另一端通过第十三转动副与第四连杆一端连接，所述第四连杆另一端通过第十四转动副与第二曲轴连接，所述第二曲轴通过第十五转动副、第十七转动副与机架连接。

所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第四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第一曲轴、第二曲轴输出，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，通过该设计有效提高了该装载机器人的承载能力，另外，根据不同的动力需要，可以方便选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链进行驱动，使该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可满足大、中、小型装载机器人动力要求。

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，所述动臂通过第十七转动副、第十八转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第五连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第五连杆一端通过键或者其它连接方式与第一曲轴固定连接，另一端通过第十九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，所述第一活塞杆另一端通过第二十转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第六连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第六连杆一端通过健或者其它连接方式与第一曲轴固定连接，另一端通过第二十一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二十二转动副与动臂连接。

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，在装载机器人作业过程中，动臂多单元连杆驱动机构通过第一曲轴为动臂升降机构提供动力。由于可控装载机构由于动臂升降机构为平面并联机构，因为制造、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，影响执行机构的使用寿命。所述多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人通过引入第一移动副、第二移动副，保证了动臂升降机构第一、第二动臂升降支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第一缸体与第二缸体并联，通过第一移动副、第二移动副的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两动臂升降支链的受力平衡，改善了动臂两升降支链受力不均的问题，提高动臂24举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高动臂升降机构的抗振能力，并且通过在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。

所述铲斗控制机构包括铲斗、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗通过第二十三转动副、第二十四转动副与动臂连接，所述第一控制支链包括第七连杆、第三缸体、第三活塞杆、第一摇臂、第一拉杆，所述第七连杆一端通过键或者其它连接方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第二十五转动副与第三缸体连接，所述第三缸体通过第三移动副与第三活塞杆连接，所述第三活塞杆通过第二十六转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第二十七转动副与动臂24连接，所述第一拉杆一端通过第二十八转动副与第一摇臂连接，另一端通过第二十九转动副与铲斗连接，所述第二控制支链包括第八连杆、第四缸体、第四活塞杆、第二摇臂、第二拉杆，所述第八连杆一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴固定连接，另一端通过第三十转动副与第四缸体连接，所述第四缸体通过第四移动副与第四活塞杆连接，所述第四活塞杆通过第三十一转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第三十二转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第三十三转动副与第二摇臂连接，另一端通过第三十四转动副与铲斗连接。

在实际工程应用中，所述第三缸体、第三移动副、第三活塞杆可用一液压缸取代，所述第四缸体、第四移动副与第四活塞杆可用另一液压缸取代，在装载机器人作业过程中，铲斗多单元连杆驱动机构通过第二曲轴为动臂升降机构提供动力。一方面为了提高铲装稳定性，改善动态性能，另一方面为了提高该装载机器人的负载能力，所述铲斗控制机构采用平面并联机构设计形式，并由动臂多单元连杆驱动机构提供动力，大幅提升了该装载机器人铲斗的铲掘能力和承载能力。为了避免因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成两铲斗控制支链受力不均的问题，通过引入第三移动副、第四移动副，保证了铲斗控制机构第一、第二控制支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第三缸体与第四缸体并联，通过第三移动副、第四移动副的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两控制支链的受力平衡，改善了铲斗控制机构两控制支链受力不均的问题，提高装载机器人作业稳定性，延长了铲斗控制机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高铲斗控制机构的抗振能力，并且通过在第三缸体或第四缸体中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现铲斗控制机构的过载保护功能。

所述一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人在各电传动系统可控电机的编程控制下，完成装载作业。在装载机器人铲装作业过程中，当执行机构承受的载荷在许用范围时，动臂升降机构和铲斗控制机构中的移动副仅通过微调的方式平衡第一、第二升降支链或第一、第二控制支链的受力，由各支链中缸体、移动副、活塞杆构成的杆组可视为一个不可伸缩的传力构件，若该装载机器人承受的载荷超过许用范围时，通过打开缸体上的泄压阀，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动四活动度重型高负载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、可靠性，以及更高的负载能力和抗振能力，本发明所述的技术方案特别适用于设计制造大吨位高负载的重型装载机器人。

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，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，大幅降低了能耗。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，不仅噪音低、无尾气排放，而且自动化和智能化程度高。

2、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。铲斗控制机构和动臂升降机构通过引入多单元连杆驱动机构，大幅提高了该装载机器人的承载能力，特别适用于制造重型工程施工机器人；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，满足大、中、小型装载机器人动力要求。

3、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。通过在动臂升降机构和铲斗控制机构引入液压元件，使装载机器人获得了较佳的抗振性能和承载稳定性。动臂升降机构和铲斗控制机构通过缸体并联，实现了偏载作用下动臂两升降支链和铲斗两控制支链的受力平衡，改善了各构件受力不均的问题，提高了动臂的举升稳定性和铲斗的铲掘稳定性，延长了各构件的使用寿命，提高了装载机器人的可靠性。另外，动臂升降机构和铲斗控制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。

4、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、铲斗控制机构中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能。

附图说明

图1为本发明所述的一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人执行机构示意图。

图2为本发明所述的一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人机架示意图。

图3为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构示意图之一。

图4为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构示意图之二。

图5为本发明所述的动臂多单元连杆驱动机构曲轴示意图。

图6为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构示意图之一。

图7为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构示意图之二。

图8为本发明所述的铲斗多单元连杆驱动机构曲轴示意图。

图9为本发明所述的动臂升降机构示意图。

图10为本发明所述的铲斗控制机构示意图。

图11为本发明所述的一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人平面视图。

图12为本发明所述的多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人工作示意图。

具体实施方式

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。

对照图1，本发明所述的一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人，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1。

对照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，所述多单元连杆驱动机构包括动臂多单元连杆驱动机构和铲斗多单元连杆驱动机构，所述动臂多单元连杆驱动机构包括第一驱动支链、第二驱动支链、机架1、第一曲轴55，所述第一驱动支链包括第一主动杆2、第一连杆4，所述第一主动杆2一端通过第一转动副10与机架1连接，另一端通过第二转动副3与第一连杆4一端连接，所述第一连杆4另一端通过第三转动副5与第一曲轴55连接，所述第二驱动支链包括第二主动杆8、第二连杆7，所述第二主动杆8一端通过第四转动副9与机架1连接，另一端通过第五转动副13与第二连杆7一端连接，所述第二连杆7另一端通过第六转动副6与第一曲轴55连接，所述第一曲轴55通过第七转动副11、第八转动副12与机架1连接。所述铲斗多单元连杆驱动机构包括第三驱动支链、第四驱动支链、第二曲轴60，所述第三驱动支链包括第三主动杆67、第三连杆58，所述第三主动杆67一端通过第九转动副66与机架1连接，另一端通过第十转转动副57与第三连杆58一端连接，所述第三连杆58另一端通过第十一转动副59与第二曲轴60连接，所述第四驱动支链包括第四主动杆64、第四连杆62，所述第四主动杆64一端通过第十二转动副65与机架1连接，另一端通过第十三转动副63与第四连杆62一端连接，所述第四连杆62另一端通过第十四转动副61与第二曲轴60连接，所述第二曲轴60通过第十五转动副16、第十六转动副17与机架1连接。

所述第一主动杆2、第二主动杆8、第三主动杆67、第四主动杆64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第一曲轴55、第二曲轴60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，通过该设计有效提高了该装载机器人的承载能力，另外，根据不同的动力需要，可以方便选用四单元、六单元等不同数量的驱动支链进行驱动，使该多单元连杆驱动机构具有较强的动力适应性，可满足大、中、小型装载机器人动力要求。

对照图1、图2、图9，所述动臂升降机构包括动臂24、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂24通过第十七转动副14、第十八转动副15与机架1连接，所述第一升降支链包括第五连杆18、第一缸体20、第一活塞杆22，所述第五连杆18一端通过键或者其它连接方式与第一曲轴55固定连接，另一端通过第十九转动副19与第一缸体20连接，所述第一缸体20通过第一移动副21与第一活塞杆22一端连接，所述第一活塞杆22另一端通过第二十转动副56与动臂24连接，所述第二升降支链包括第六连杆32、第二缸体31、第二活塞杆29，所述第六连杆32一端通过健或者其它连接方式与第一曲轴55固定连接，另一端通过第二十一转动副33与第二缸体31连接，所述第二缸体31通过第二移动副30与第二活塞杆29一端连接，第二活塞杆29另一端通过第二十二转动副28与动臂24连接。

在实际工程应用中，所述第一缸体20、第一移动副21、第一活塞杆22可用一液压缸取代，所述第二缸体31、第二移动副30与第二活塞杆29可用另一液压缸取代，在装载机器人作业过程中，动臂多单元连杆驱动机构通过第一曲轴55为动臂升降机构提供动力。由于可控装载机构由于动臂升降机构为平面并联机构，因为制造、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，影响执行机构的使用寿命。所述多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人通过引入第一移动副21、第二移动副30，保证了动臂升降机构第一、第二动臂升降支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第一缸体20与第二缸体31并联，通过第一移动副21、第二移动副30的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两动臂升降支链的受力平衡，改善了动臂24两升降支链受力不均的问题，提高动臂24举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高动臂升降机构的抗振能力，并且通过在第一缸体20或第二缸体31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。

对照图1、图2、图10，所述铲斗控制机构包括铲斗39、第一控制支链和第二控制支链，所述铲斗39通过第二十三转动副25、第二十四转动副26与动臂24连接，所述第一控制支链包括第七连杆47、第三缸体45、第三活塞杆43、第一摇臂36、第一拉杆38，所述第七连杆47一端通过键或者其它连接方式与第二曲轴60固定连接，另一端通过第二十五转动副46与第三缸体45连接，所述第三缸体45通过第三移动副44与第三活塞杆43连接，所述第三活塞杆43通过第二十六转动副54与第一摇臂36连接，所述第一摇臂36通过第二十七转动副23与动臂24连接，所述第一拉杆38一端通过第二十八转动副37与第一摇臂36连接，另一端通过第二十九转动副40与铲斗39连接，所述第二控制支链包括第八连杆48、第四缸体50、第四活塞杆52、第二摇臂34、第二拉杆42，所述第八连杆48一端通过健或者其它连接方式与第二曲轴60固定连接，另一端通过第三十转动副49与第四缸体50连接，所述第四缸体50通过第四移动副51与第四活塞杆52连接，所述第四活塞杆52通过第三十一转动副53与第二摇臂34连接，所述第二摇臂34通过第三十二转动副27与动臂24连接，所述第二拉杆42一端通过第三十三转动副35与第二摇臂34连接，另一端通过第三十四转动副41与铲斗39连接。

在实际工程应用中，所述第三缸体45、第三移动副44、第三活塞杆43可用一液压缸取代，所述第四缸体50、第四移动副51与第四活塞杆52可用另一液压缸取代，在装载机器人作业过程中，铲斗多单元连杆驱动机构通过第二曲轴60为动臂升降机构提供动力。一方面为了提高铲装稳定性，改善动态性能，另一方面为了提高该装载机器人的负载能力，所述铲斗控制机构采用平面并联机构设计形式，并由动臂多单元连杆驱动机构提供动力，大幅提升了该装载机器人铲斗的铲掘能力和承载能力。为了避免因为制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成两铲斗控制支链受力不均的问题，通过引入第三移动副44、第四移动副51，保证了铲斗控制机构第一、第二控制支链具有可调节的活动度，根据帕斯卡原理，利用液压管线将第三缸体45与第四缸体50并联，通过第三移动副44、第四移动副51的自动调节，可实现两缸体内液体压力相同，进而实现偏载作用下两控制支链的受力平衡，改善了铲斗控制机构两控制支链受力不均的问题，提高装载机器人作业稳定性，延长了铲斗控制机构各构件的使用寿命。另外，液压元件的引入有效提高铲斗控制机构的抗振能力，并且通过在第三缸体45或第四缸体50中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现铲斗控制机构的过载保护功能。

对照图1、图11、图12，所述一种多单元连杆驱动四活动度重型高负载装载机器人在各电传动系统可控电机的编程控制下，完成装载作业。在装载机器人铲装作业过程中，当执行机构承受的载荷在许用范围时，动臂升降机构和铲斗控制机构中的移动副仅通过微调的方式平衡第一、第二升降支链或第一、第二控制支链的受力，由各支链中缸体、移动副、活塞杆构成的杆组可视为一个不可伸缩的传力构件，若该装载机器人承受的载荷超过许用范围时，通过打开缸体上的泄压阀，起到过载保护作用。基于上述特点，所述的多单元连杆驱动四活动度重型高负载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、可靠性，以及更高的负载能力和抗振能力，本发明所述的技术方案特别适用于设计制造大吨位高负载的重型装载机器人。