CN110712219A - 一种全液压驱动五自由度搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人技术领域，具体是一种全液压驱动五自由度搬运机器人，旨在解决现有搬运机器人自重大、空间利用率低、加工难度大、成本高的技术问题。采用如下技术方案：大臂通过第一液压马达实现相对底座的转动，小臂通过第二液压马达实现相对大臂的转动，腕部通过第三液压马达实现相对小臂的转动，腕部还设有俯仰液压缸和侧摆液压缸以实现俯仰动作和侧摆动作；底座上设有油腔，油腔通过液压泵、伺服阀与上述各个执行部件连接，通过液压控制管路对各个执行部件独立控制，共同配合以完成机器人的动作。

Description

一种全液压驱动五自由度搬运机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体是一种全液压驱动五自由度搬运机器人。

背景技术

搬运机器人是代替人类完成搬运工作的一种工业机器人，广泛应用于工业制造、仓储物流、港口码头等行业领域，是当今应用率最高的工业机器人之一。搬运机器人一般由大臂、小臂、腕部与末端执行器等基础部件构成。目前，主流的搬运机器人普遍采用电机驱动，并通过高精密减速器传动、带传动等完成机器人的运动，这类搬运机器人存在如下问题：1）因其传动系统通常使用齿轮传动、带传动，导致机器人的传动链长、自重大、空间利用率低，且结构复杂不紧凑，集成度低；2）使用齿轮传动、带传动等对机器人各构件的加工精度要求高，导致机器人各构件的加工难度大，成本高。另外，现有搬运机器人所使用的高精密减速器设计制造技术长期被外国垄断，这严重制约了我国搬运机器人的发展。

发明内容

本发明旨在解决现有搬运机器人自重大、空间利用率低、加工难度大、成本高的技术问题。为此，本发明提出一种全液压驱动五自由度搬运机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全液压驱动五自由度搬运机器人，包括大臂、小臂、腕部、末端执行器，这是现有搬运机器人都具备的几大组成部分；还包括底座和第一液压马达，底座用以为整个机器人提供一个支撑，所述底座内设有用以储油的油腔，油腔主要用以为后续的液压马达及液压缸供油，所述第一液压马达的壳体固定在底座上，第一液压马达的转轴竖直向上贯穿底座后与所述大臂的底端固连，第一液压马达用以连接底座和大臂以实现大臂相对底座的旋转；还包括第二液压马达，所述第二液压马达的壳体固定在所述小臂的一端，第二液压马达的转轴水平布置且与大臂的顶端固连，第二液压马达用以连接大臂和小臂以实现小臂相对大臂的旋转；所述腕部包括筒体、第三液压马达、球叉式万向节、俯仰圆环、两个连接肋板、俯仰液压缸、侧摆液压缸及侧摆圆环，所述筒体、俯仰圆环和侧摆圆环皆同轴布置且沿轴向从内向外依次分布，这里的内外之分主要是根据部件在整个机器人上的位置确定的，越靠近执行部件越靠外，越靠近小臂越靠内，筒体的内端面与小臂的另一端固连，筒体的外端面外凸形成有两个中心对称的连接耳，筒体内壁的轴向中间位置内凸形成有与筒体同轴的环状的横隔板，所述第三液压马达的壳体固定在横隔板的内端面，第三液压马达的转轴向外贯穿横隔板后与球叉式万向节的主动叉固连，所述俯仰圆环与筒体同轴，且俯仰圆环的0°和180°两个位置分别与两个连接耳铰连，所述俯仰液压缸的活塞杆铰接在俯仰圆环的90°位置且缸体铰接在横隔板的外端面，两个连接肋板的下端分别铰接在俯仰圆环的90°和270°位置且上端固连侧摆圆环，所述侧摆液压缸的缸体铰接在俯仰圆环的0°位置且活塞杆与侧摆圆环铰接，所述球叉式万向节的从动叉向外贯穿侧摆圆环后与所述末端执行器固连，这里的0°、90°、180°、270°主要是为了更清楚的描述不同部件在俯仰圆环上的相对位置关系，至于0°从哪个位置算皆可，因为在圆上随便找一点作为0°点，其他度数的位置都确定，当找不同0°点时，不同部件的相对位置都是相同的；所述末端执行器为液压夹爪，所述液压夹爪包括夹爪本体和驱动其动作的夹爪液压缸，夹爪结构采用本领域公知结构即可；还包括液压控制管路，所述液压控制管路包括与油腔连通的液压泵、驱动液压泵动作的电机、控制器、伺服阀及传感器，所述传感器包括用以检测第一液压马达旋转角度的第一传感器、用以检测第二液压马达的旋转角度的第二传感器、用以检测第三液压马达的旋转角度的第三传感器、用以检测俯仰液压缸的俯仰角度的第四传感器、用以检测侧摆液压缸的侧摆角度的第五传感器、用以检测夹爪本体夹爪力度的第六传感器，这里根据各个传感器的作用本领域人员应该清楚采用相应的传感器进行监测，即第一传感器、第二传感器及第三传感器应采用角度传感器，第四传感器、第五传感器应采用位移传感器，第六传感器应采用压力传感器，每个传感器皆对应设置有一个伺服阀，控制器接收传感器信号通过对应伺服阀控制每个执行元件的动作。

本发明的有益效果是：

1）本发明搬运机器人为全液压驱动，其中大臂自转运动由一个液压马达实现，小臂的转动由一个液压马达实现，手腕的自转运动由一个液压马达实现，手腕的俯仰、侧摆运动以及手部的开合运动分别由一个液压缸实现，具有传动链短、结构紧凑、空间利用率大、集成度高、功率密度大及负载/自重比高的优点；

2）本发明搬运机器人采用全液压驱动，省去了现有繁重精密的传动部件，自重小，降低了加工难度及加工成本；

3）本发明搬运机器人中各关节可长时间锁死，因此能够在抓住物体的情况下长时间保持固定的位置和姿态；

4）本发明搬运机器人中各关节能够独立运动，可分别独立控制，位置姿态定位准确，控制精度高；

5）本发明搬运机器人中手腕的自转运动是由自转液压马达驱动万向节装置转动形成的，可实现大角度自转；

6）本发明搬运机器人适用场合广泛，在重载及一些特殊工况如强电磁干扰、水下等环境下有明显优势。

附图说明

图1是本发明搬运机器人的结构示意图；

图2是本发明搬运机器人的剖视图；

图3是本发明搬运机器人手腕的结构示意图；

图4是本发明搬运机器人手腕自转与俯仰传动机构主剖视图。

图5是本发明搬运机器人手腕自转与侧摆传动机构主剖视图。

图6是本发明搬运机器人液压夹爪的主剖视图；

图7是本发明搬运机器人大臂和小臂的液压控制原理图；

图8是本发明搬运机器人腕部的液压控制原理图；

图9是本发明搬运机器人液压夹爪的液压控制原理图。

图中：

1~大臂；1-1~第一法兰盘；1-2~平面；2~小臂；2-1~平板；2-2~连接板；2-2-1减重孔；3~腕部；3-1~筒体；3-1-1~连接耳；3-1-2~横隔板；3-2~第三液压马达；3-3~球叉式万向节；3-4~俯仰圆环；3-5~连接肋板；3-6~俯仰液压缸；3-7~侧摆液压缸；3-8~侧摆圆环；4~末端执行器；4-1~夹爪液压缸；4-2~固定条；4-3~肘形连接条；4-4~平板连接条；4-5~弧形连接条；4-6~V形指；4-7~移动条；4-8~传动条；5~底座；5-1~油腔；5-2~柱状槽；6~第一液压马达；7~第二液压马达；8~液压泵；9~电机；10~吸盘；11~旋转平台。

具体实施方式

参照图1至图9，本发明的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，包括大臂1、小臂2、腕部3、末端执行器4；还包括底座5和第一液压马达6，所述底座5内设有用以储油的油腔5-1，所述第一液压马达6的壳体固定在底座5上，第一液压马达6的转轴竖直向上贯穿底座5后与所述大臂1的底端固连；还包括第二液压马达7，所述第二液压马达7的壳体固定在所述小臂2的一端，第二液压马达7的转轴水平布置且与大臂1的顶端固连；所述腕部3包括筒体3-1、第三液压马达3-2、球叉式万向节3-3、俯仰圆环3-4、两个连接肋板3-5、俯仰液压缸3-6、侧摆液压缸3-7及侧摆圆环3-8，所述筒体3-1、俯仰圆环3-4和侧摆圆环3-8皆同轴布置且沿轴向从内向外依次分布，筒体3-1的内端面与小臂2的另一端固连，筒体3-1的外端面外凸形成有两个中心对称的连接耳3-1-1，筒体3-1内壁的轴向中间位置内凸形成有与筒体3-1同轴的环状的横隔板3-1-2，所述第三液压马达3-2的壳体固定在横隔板3-1-2的内端面，第三液压马达3-2的转轴向外贯穿横隔板3-1-2后与球叉式万向节3-3的主动叉固连，所述俯仰圆环3-4与筒体3-1同轴，且俯仰圆环3-4的0°和180°两个位置分别与两个连接耳3-1-1铰连，所述俯仰液压缸3-6的活塞杆铰接在俯仰圆环3-4的90°位置且缸体铰接在横隔板3-1-2的外端面，两个连接肋板3-5的下端分别铰接在俯仰圆环3-4的90°和270°位置且上端固连侧摆圆环3-8，所述侧摆液压缸3-7的缸体铰接在俯仰圆环3-4的0°位置且活塞杆与侧摆圆环3-8铰接，所述球叉式万向节3-3的从动叉向外贯穿侧摆圆环3-8后与所述末端执行器4固连；所述末端执行器4为液压夹爪，所述液压夹爪包括夹爪本体和驱动其动作的夹爪液压缸4-1；还包括液压控制管路，所述液压控制管路包括与油腔5-1连通的液压泵8、驱动液压泵8动作的电机9、控制器、伺服阀及传感器，所述传感器包括用以检测第一液压马达6旋转角度的第一传感器、用以检测第二液压马达7的旋转角度的第二传感器、用以检测第三液压马达3-2的旋转角度的第三传感器、用以检测俯仰液压缸3-6的俯仰角度的第四传感器、用以检测侧摆液压缸3-7的侧摆角度的第五传感器、用以检测夹爪本体夹爪力度的第六传感器，每个传感器皆对应设置有一个伺服阀，控制器接收传感器信号控制通过对应伺服阀控制每个执行元件的动作。

工作时，当输入一个动作指令时，控制器分析该动作指令，计算出要完成该动作，大臂1、小臂2、手腕及液压夹爪分别该如何动作，然后进行如下控制：控制器根据第一传感器的检测信号判断大臂1相对底座5的旋转是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对第一液压马达6的控制；控制器根据第二传感器的检测信号判断小臂2相对大臂1的旋转是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对第二液压马达7的控制；控制器根据第三传感器的检测信号判断手腕相对小臂2的旋转是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对第三液压马达3-2的控制；控制器根据第四传感器的检测信号判断俯仰圆环3-4的俯仰角度是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对俯仰液压缸3-6的控制；控制器根据第五传感器的检测信号判断侧摆圆环3-8的侧摆角度是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对侧摆液压缸3-7的控制；控制器根据第六传感器的检测信号判断液压夹爪的力度是否达到了动作要求，没有的话控制对应电机9及伺服阀动作完成对夹爪液压缸4-1的控制。

参照图6，作为上述方案中的液压夹爪结构的进一步限定，所述夹爪本体包括固定在夹爪液压缸4-1的缸体上的固定条4-2，所述固定条4-2垂直于夹爪液压缸4-1的轴线布置，且固定条4-2的两端对称外露于夹爪液压缸4-1的两侧，固定条4-2的两端分别连接有两个相对设置的爪瓣，所述爪瓣包括肘形连接条4-3、平板连接条4-4、弧形连接条4-5及V形指4-6，所述肘形连接条4-3的一端与固定条4-2的端部铰接、另一端与平板连接条4-4的一端铰接，所述平板连接条4-4的另一端与弧形连接条4-5的一端铰接，所述弧形连接条4-5的另一端与V形指4-6铰接；还包括固定在夹爪液压缸4-1的活塞杆上的移动条4-7，所述移动条4-7垂直于夹爪液压缸4-1的轴线布置，且移动条4-7的两端对称外露于夹爪液压缸4-1的两侧，移动条4-7的两端分别铰接有两个传动条4-8，两个传动条4-8的未与移动条4-7连接的一端分别铰接在两个爪瓣的平板连接条4-4的中部；所述夹爪液压缸4-1的缸体与球叉式万向节3-3的从动叉固连。当收到控制器的夹取动作指令时，夹取液压缸的活塞杆伸出，通过各部件的联动最终使V形指4-6靠拢，做出夹取动作；当收到控制器的松开动作指令时，夹取液压缸的活塞杆缩回，通过各部件的联动最终使V形指4-6远离，做出松开动作。

参照图1，所述底座5为长方体形状，所述油腔5-1为方环形状，方环的中心形成用以安放第一液压马达6且开口朝下的柱状槽5-2。这样的结构更加紧凑，空间利用率更大。进一步的，所述液压泵8设置有四个且分别固定在底座5的四个侧面上，所述第一液压马达6、第二液压马达7及夹爪液压缸4-1分别由一个液压泵8单独控制，所述第三液压马达3-2、俯仰液压缸3-6及侧摆液压缸3-7共同由一个液压泵8控制，在保证成本的基础上使控制更加的方便，电机9和液压泵8做成的驱动单元与油箱一起集成在手臂的底座5上，不需独立的供油系统，手臂的空间利用率高。更近一步的，所述底座5的下表面固定有四个吸盘10，使用时通过吸盘10固定，更加牢固。

参照图1和图2，作为大臂1与底座5的一种优选连接结构，所述大臂1的下端一体成型有第一法兰盘1-1，所述第一法兰盘1-1通过螺栓固连有旋转平台11，所述旋转平台11与第一液压马达6的转轴固连，所述底座5上固定有用以支撑第一液压马达6的转轴的第一轴承，连接更加可靠，且保障了旋转的精度。

参照图1，作为大臂1和小臂2的一种优选连接结构，所述小臂2包括两块正对的平板2-1，所述大臂1的上端形成有两个皆与大臂1轴向平行的平面1-2，大臂1的上端置于两块平板2-1的端部之间，所述第二液压马达7的壳体固定在其中一块平板2-1的外侧表面且转轴固定在大臂1上端，连接可靠，结构更加紧凑。进一步的，两块平板2-1之间通过多个间隔设置的连接板2-2固连，所述连接板2-2的中部开设有减重孔2-2-1，连接孔增强了小臂2结构的稳定性，减重孔2-2-1进一步降低了机器人的自重。

参照图1，作为小臂2与腕部3连接的一种优选结构，所述筒体3-1的内端一体成型有第二法兰盘，所述第二法兰盘通过螺栓固定在小臂2的另一端，连接可靠，结构紧凑。

参照图4，为保证第三液压马达3-2传动的旋转的精度，所述横隔板3-1-2上固定有用以支撑第三液压马达3-2的转轴的第二轴承。

图7-9是执行元件的液压控制原理图，液压泵依次通过单向阀、三位四通电磁阀（即前述液压控制管路中的伺服阀）后与执行元件连接，并且在三位四通电磁阀的输入口设置溢流阀。这应该是本领域人员清处设计的。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种全液压驱动五自由度搬运机器人，包括大臂（1）、小臂（2）、腕部（3）、末端执行器（4），其特征在于：还包括底座（5）和第一液压马达（6），所述底座（5）内设有用以储油的油腔（5-1），所述第一液压马达（6）的壳体固定在底座（5）上，第一液压马达（6）的转轴竖直向上贯穿底座（5）后与所述大臂（1）的底端固连；还包括第二液压马达（7），所述第二液压马达（7）的壳体固定在所述小臂（2）的一端，第二液压马达（7）的转轴水平布置且与大臂（1）的顶端固连；所述腕部（3）包括筒体（3-1）、第三液压马达（3-2）、球叉式万向节（3-3）、俯仰圆环（3-4）、两个连接肋板（3-5）、俯仰液压缸（3-6）、侧摆液压缸（3-7）及侧摆圆环（3-8），所述筒体（3-1）、俯仰圆环（3-4）和侧摆圆环（3-8）皆同轴布置且沿轴向从内向外依次分布，筒体（3-1）的内端面与小臂（2）的另一端固连，筒体（3-1）的外端面外凸形成有两个中心对称的连接耳（3-1-1），筒体（3-1）内壁的轴向中间位置内凸形成有与筒体（3-1）同轴的环状的横隔板（3-1-2），所述第三液压马达（3-2）的壳体固定在横隔板（3-1-2）的内端面，第三液压马达（3-2）的转轴向外贯穿横隔板（3-1-2）后与球叉式万向节（3-3）的主动叉固连，所述俯仰圆环（3-4）与筒体（3-1）同轴，且俯仰圆环（3-4）的0°和180°两个位置分别与两个连接耳（3-1-1）铰连，所述俯仰液压缸（3-6）的活塞杆铰接在俯仰圆环（3-4）的90°位置且缸体铰接在横隔板（3-1-2）的外端面，两个连接肋板（3-5）的下端分别铰接在俯仰圆环（3-4）的90°和270°位置且上端固连侧摆圆环（3-8），所述侧摆液压缸（3-7）的缸体铰接在俯仰圆环（3-4）的0°位置且活塞杆与侧摆圆环（3-8）铰接，所述球叉式万向节（3-3）的从动叉向外贯穿侧摆圆环（3-8）后与所述末端执行器（4）固连；所述末端执行器（4）为液压夹爪，所述液压夹爪包括夹爪本体和驱动其动作的夹爪液压缸（4-1）；还包括液压控制管路，所述液压控制管路包括与油腔（5-1）连通的液压泵（8）、驱动液压泵（8）动作的电机（9）、控制器、伺服阀及传感器，所述传感器包括用以检测第一液压马达（6）旋转角度的第一传感器、用以检测第二液压马达（7）的旋转角度的第二传感器、用以检测第三液压马达（3-2）的旋转角度的第三传感器、用以检测俯仰液压缸（3-6）的俯仰角度的第四传感器、用以检测侧摆液压缸（3-7）的侧摆角度的第五传感器、用以检测夹爪本体夹爪力度的第六传感器，每个传感器皆对应设置有一个伺服阀，控制器接收传感器信号通过对应伺服阀控制每个执行元件的动作。

2.根据权利要求1所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述夹爪本体包括固定在夹爪液压缸（4-1）的缸体上的固定条（4-2），所述固定条（4-2）垂直于夹爪液压缸（4-1）的轴线布置，且固定条（4-2）的两端对称外露于夹爪液压缸（4-1）的两侧，固定条（4-2）的两端分别连接有两个相对设置的爪瓣，所述爪瓣包括肘形连接条（4-3）、平板连接条（4-4）、弧形连接条（4-5）及V形指（4-6），所述肘形连接条（4-3）的一端与固定条（4-2）的端部铰接、另一端与平板连接条（4-4）的一端铰接，所述平板连接条（4-4）的另一端与弧形连接条（4-5）的一端铰接，所述弧形连接条（4-5）的另一端与V形指（4-6）铰接；还包括固定在夹爪液压缸（4-1）的活塞杆上的移动条（4-7），所述移动条（4-7）垂直于夹爪液压缸（4-1）的轴线布置，且移动条（4-7）的两端对称外露于夹爪液压缸（4-1）的两侧，移动条（4-7）的两端分别铰接有两个传动条（4-8），两个传动条（4-8）的未与移动条（4-7）连接的一端分别铰接在两个爪瓣的平板连接条（4-4）的中部；所述夹爪液压缸（4-1）的缸体与球叉式万向节（3-3）的从动叉固连。

3.根据权利要求1或2所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述底座（5）为长方体形状，所述油腔（5-1）为方环形状，方环的中心形成用以安放第一液压马达（6）且开口朝下的柱状槽（5-2）。

4.根据权利要求3所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述液压泵（8）设置有四个且分别固定在底座（5）的四个侧面上，所述第一液压马达（6）、第二液压马达（7）及夹爪液压缸（4-1）分别由一个液压泵（8）单独控制，所述第三液压马达（3-2）、俯仰液压缸（3-6）及侧摆液压缸（3-7）共同由一个液压泵（8）控制。

5.根据权利要求4所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述底座（5）的下表面固定有四个吸盘（10）。

6.根据权利要求1或2所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述大臂（1）的下端一体成型有第一法兰盘（1-1），所述第一法兰盘（1-1）通过螺栓固连有旋转平台（11），所述旋转平台（11）与第一液压马达（6）的转轴固连，所述底座（5）上固定有用以支撑第一液压马达（6）的转轴的第一轴承。

7.根据权利要求1或2所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述小臂（2）包括两块正对的平板（2-1），所述大臂（1）的上端形成有两个皆与大臂（1）轴向平行的平面（1-2），大臂（1）的上端置于两块平板（2-1）的端部之间，所述第二液压马达（7）的壳体固定在其中一块平板（2-1）的外侧表面且转轴固定在大臂（1）上端。

8.根据权利要求7所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：两块平板（2-1）之间通过多个间隔设置的连接板（2-2）固连，所述连接板（2-2）的中部开设有减重孔（2-2-1）。

9.根据权利要求1或2所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述筒体（3-1）的内端一体成型有第二法兰盘，所述第二法兰盘通过螺栓固定在小臂（2）的另一端。

10.根据权利要求1或2所述的一种全液压驱动五自由度搬运机器人，其特征在于：所述横隔板（3-1-2）上固定有用以支撑第三液压马达（3-2）的转轴的第二轴承。

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