CN105538303B - 三自由度大型板材高空安装机械手 - Google Patents

三自由度大型板材高空安装机械手 Download PDF

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Abstract

三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是包括四个真空吸盘、吸盘架、主电动推杆、主电动推杆架、主支撑臂、旋转丝杠推杆、摆动丝杆推杆、俯仰支撑板、摆动支撑板、主轴、平面连杆和与真空吸盘匹配的真空泵；所述吸盘架底边相对于水平面的旋转角度范围为±20°；当旋转丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动摆动支撑板以枢轴连接机构的枢轴为转动轴相对俯仰支撑板摆动，摆动时摆动支撑板与俯仰支撑板左右两端的最大夹角为20°；通过主电动推杆的推杆伸出及收回可以带动俯仰支撑板实现80°的俯仰运动范围。

Description

三自由度大型板材高空安装机械手
技术领域
本发明涉及一种机械手，具体涉及一种三自由度大型板材高空安装机械手。
背景技术
大型建筑的幕墙装修工程，主要采用大型玻璃板材等材料。这些板材具有质量大、尺寸大，易损坏安装精度要求高等特点，人工安装施工效率低下，安全性差。因此，设计一种操作方便，工作稳定，抗干扰能力强适合于高空作业的大型板材机械手具有重要的现实意义。现存的高空板材安装机械手只能经板材吸附在机械手末端，只在高空搬运过程中提供了助力在安装过程中还需要高空作业人员手动调节板材的位置，无法从根本上实现自动安装，克服人工安装带来的问题。因此提供一种能够对大致对准安装位置的板材进行精确位置调节的机械手，成为实现大型板材高空安装自动化时的一个主要技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种三自由度大型板材高空安装机械手。该机械手安装于吊车等重载机械末端，能够对待安装的大型板材进行俯仰、旋转和摆动三个自由度的调节，满足大型板材的高空安装作业的需要，从而实现大型板材的高空自动安装。
为解决现有技术中的问题本发明采用的技术方案为：
提供一种三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是包括四个真空吸盘1、吸盘架2、主电动推杆3、主电动推杆架4、主支撑臂6、旋转丝杠推杆7、摆动丝杆推杆8、俯仰支撑板9、摆动支撑板10、主轴11、平面连杆12和与真空吸盘匹配的真空泵；
所述真空吸盘矩形分布固定在吸盘架上，四个真空吸盘的吸盘末端位于同一平面，以该平面为吸附平面，以四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形为吸盘平面矩形；
主轴两端分别与吸盘架和摆动支撑板垂直连接，主轴垂直于吸附平面，主轴轴线与吸附平面的交点位于四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形的中心，所述旋转丝杠推杆的推杆座与摆动支撑板固定连接，旋转丝杠推杆的推杆平行于摆动支撑板且推杆端部与吸盘架铰接，当旋转丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动吸盘架旋转，所述吸盘架底边相对于水平面的旋转角度范围为±20°；
所述摆动支撑板以贴近吸盘架一面为正面，摆动支撑板的背面与俯仰支撑板的枢轴安装面通过枢轴连接机构13连接，所述枢轴连接机构的枢轴轴线平行于摆动支撑板，枢轴轴线吸附平面上的投影与吸盘平面矩形通过上下底边的对称轴线重合，所述摆动丝杠推杆的推杆座与俯仰支撑板固定连接，摆动丝杠推杆的推杆端部与摆动支撑板铰接，当摆动丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动摆动支撑板以枢轴连接机构的枢轴为转动轴相对俯仰支撑板摆动，摆动时摆动支撑板与俯仰支撑板左右两端的最大夹角为20°；
所述俯仰支撑板的枢轴安装面的背面为俯仰机构安装面，所述俯仰机构安装面中部具有主铰接座，主支撑臂末端通过主铰接座铰接在俯仰机构安装面上，所述主铰接座的转动轴线平行于俯仰机构安装面且与枢轴轴线垂直，所述俯仰机构安装面接近端部具有连杆铰接座，连杆铰接座的轴线与主铰接座的轴线平行，所述平面连杆由铰接的第三连杆1201、第四连杆1202和第五连杆1203组成。第四连杆两端分别与第三连杆和第五连杆的一端铰接，第三连杆和第五连杆的另一端作为平面连杆的两端分别铰接在连杆铰接座和主支撑臂中部，第四连杆和第五连杆夹角角度固定在135～145°之间，形成L形连杆，平面连杆、主支撑臂与俯仰支撑板构成的平面四连杆机构，所述主电动推杆的的推杆座铰接在与主支撑臂根部固定连接的主电动推杆架上，主电动推杆的推杆与所述平面四连杆机构的运动平面平行且推杆末端铰接在第四连杆和第五连杆形成的夹角上。通过主电动推杆的推杆伸出及收回可以带动俯仰支撑板即吸盘吸附平面实现80°的俯仰运动范围。
所述的三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是所述构成平面四连杆机构的第三连杆长度l3，第四连杆长度l4，第五连杆长度l5，连杆铰接座与主铰接座之间的距离l2，主铰接座距到主支撑臂与第五连杆铰接位置的距离l1的关系为，l1：l2：l3：l4：l5＝100:170～175:65～130：40～70:90～210。
所述的三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是主电动推杆与主支撑臂的夹角范围为3.5-6度。
本发明技术方案的的有益效果为：
1)本发明机械手提供的三自由度大型板材高空安装机械手能够实现80°的俯仰运动和±20°的旋转与摆动运行，满足了高空抓取和安装板材的需要。
2)优化了旋转运动机构的结构，吸盘架通过可旋转的主轴连接在旋转支撑板上，采用固定在摆动支撑板上的旋转丝杠推杆带动吸盘架旋转，结构紧凑且作为机械手末端的吸盘架的旋转不受其他机构运动的影响，由于在进行板材安装作业时，吸盘架旋转调节一般为最后调节步骤，因此本发明机械手的旋转运动机构易于实现最后的精确定位微调，能够提高板材安装质量。
3)优化了摆动运动机构的结构及其与旋转连接机构的连接，摆动支撑板通过分段布置的枢轴连接机构与俯仰支撑板连接，并将摆动丝杠推杆固定在俯仰支撑板上，通过摆动丝杠推杆公知摆动支撑板摆动时利用支撑板的宽度实现对摆动范围的限位，同时由于枢轴的轴线与主轴的轴线正交，使摆动支撑板的运动易于控制，且摆动丝杠推杆可以用较小的推力和较大的行程实现机械手的摆动控制。
4)优化了俯仰运动机构的结构，由于俯仰运动机构为进行板材抓取与输送时的主要运动机构，相对于摆动与旋转运动机构其运动幅度和机构承载能力要求都更大。因此采用了等效的平面四连杆机构与主电动推杆的结合，通过平面四连杆机构与主电动推杆的结构，满足了主电动推杆尽量小行程下大幅度的仰俯运动需要，且在此过程中主电动推杆的推拉力变化范围小，载荷利用重复，便于进行手动与自动控制。
综上，本发明提供的三自由度大型板材高空安装机械手，通过优化运动机构的结构设计，能够适用于幕墙安装等大型板材高空自动安装作业，结构紧凑简单，空间利用合理，作为主要板材主调整机构的俯仰运动机构和作为微调机构的俯仰与摆动运动机构既各自独立互不影响，又相互配合形成有机整体，运行可靠，减轻了机械手末端的整体质量，运行便于进行自动与人工控制能够满足各类高空板材安装需求。
附图说明
图1为本发明提供的三自由度大型板材高空安装机械手的一种实施例的整体结构示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的三自由度大型板材高空安装机械手的平面四连杆机构的结构简图。
图3为本发明提供的三自由度大型板材高空安装机械手的一种实施例的枢轴连接机构结构示意图。
图中：
1、吸盘，2、吸盘架，3、主电动推杆，4、主电动推杆架，5、真空泵，6、主支撑臂，7、旋转丝杠推杆，8、摆动丝杠推杆，9、俯仰支撑板，10摆动支撑板，11、主轴，12、平面连杆，1201、第三连杆，1202、第四连杆，1203、第五连杆；13、枢轴轴杆、14、轴筒
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明提供的三自由度大型板材高空安装机械手(简称机械手)包括四个真空吸盘1、吸盘架2、主电动推杆3、主电动推杆架4、主支撑臂6、旋转丝杠推杆7、摆动丝杆推杆8、俯仰支撑板9、摆动支撑板10、主轴11、平面连杆12和与真空吸盘匹配的真空泵
所述真空吸盘矩形分布固定在吸盘架上，四个真空吸盘的吸盘末端位于同一平面，以该平面为吸附平面，以四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形为吸盘平面矩形；
主轴两端分别与吸盘架和摆动支撑板垂直连接，主轴垂直于吸附平面，主轴轴线与吸附平面的交点位于四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形的中心，所述旋转丝杠推杆的推杆座与摆动支撑板固定连接，旋转丝杠推杆的推杆平行于摆动支撑板且推杆端部与吸盘架铰接，当旋转丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动吸盘架旋转，所述吸盘架底边相对于水平面的旋转角度范围为±20°
所述摆动支撑板以贴近吸盘架一面为正面，摆动支撑板的背面与俯仰支撑板的枢轴安装面通过枢轴连接机构13连接，所述枢轴连接机构的枢轴轴线平行于摆动支撑板，枢轴轴线吸附平面上的投影与吸盘平面矩形通过上下底边的对称轴线重合，所述摆动丝杠推杆的推杆座与俯仰支撑板固定连接，摆动丝杠推杆的推杆端部与摆动支撑板铰接，当摆动丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动摆动支撑板以枢轴连接机构的枢轴为转动轴相对俯仰支撑板摆动，摆动时摆动支撑板与俯仰支撑板左右两端的最大夹角为20°，
所述俯仰支撑板的枢轴安装面的背面为俯仰机构安装面，所述俯仰机构安装面中部具有主铰接座，主支撑臂末端通过主铰接座铰接在俯仰机构安装面上，所述主铰接座的转动轴线平行于俯仰机构安装面且与枢轴轴线垂直，所述俯仰机构安装面接近端部具有连杆铰接座，连杆铰接座的轴线与主铰接座的轴线平行，所述平面连杆由铰接的第三连杆1201、第四连杆1202和第五连杆1203组成。第四连杆两端分别与第三连杆和第五连杆的一端铰接，第三连杆和第五连杆的另一端作为平面连杆的两端分别铰接在连杆铰接座和主支撑臂中部，第四连杆和第五连杆夹角角度固定在135～145°之间，形成L形连杆，平面连杆、主支撑臂与俯仰支撑板构成的平面四连杆机构，所述主电动推杆的的推杆座铰接在与主支撑臂根部固定连接的主电动推杆架上，主电动推杆的推杆与所述平面四连杆机构的运动平面平行且推杆末端铰接在第四连杆和第五连杆形成的夹角上。通过主电动推杆的推杆伸出及收回可以带动俯仰支撑板实现80°的俯仰运动范围。
所述平面四连杆机构的连接结构简图如图3所示，第三连杆长度l3，第四连杆长度l4，第五连杆长度l5，第四连杆和第五连杆形成的夹角固定的L形连杆的等效长度l6，连杆铰接座与主铰接座之间的距离为l2，主铰接座距到主支撑臂与第五连杆铰接位置的距离为l1，图3中，AB＝l1，AD＝l2，CD＝l3，CE＝l4，BE＝l5，BC＝l6，主电动推杆与主支撑臂的夹角范围为3.5-6度，l1：l2：l3：l4：l5＝100:170～175:65～130：40～70:90～210，板材安装平面垂直于水平面，图3中x轴为垂直于板材安装平面的水平坐标轴，y轴为平行于板材安装平面的垂直坐标轴。
本发明提供的所述平面四连杆机构具有以下运动特性：
第四连杆和第五连杆形成夹角固定的L形连杆，可以使平面四连杆机构运动过程中∠DCE快速变大，D点相对y轴移动时E点移动量明显小于D点移动量，这样就实现了以主电动推杆的小移动行程实现机械手末端俯仰角度的大幅度调节，且在主电动推杆动作过程中，实际载荷变化较小，在充分利用主电动推杆的额定载荷的条件下，大大减小了电动推杆的移动行程，节省了机械手末端的空间。此外，通过该机构使主电动推杆相对于主支撑臂的转动角度范围较小，避免主动电动推杆纵向大幅度摆动对机构稳定性的不利影响。提高了机械手的运动稳定性。
实施例
吸盘架为横梁与纵梁组成的工字型结构，四个真空吸盘分别位于两条纵梁的端部，横梁两端分别连接两条纵梁的中部，主轴与吸盘架的连接处位于横梁中部。所述真空泵为防泄漏式真空泵.
枢轴连接机构包括枢轴轴杆与分别固定在摆动支撑板背面和俯仰支撑板的枢轴安装面上的轴筒，枢轴轴杆两端分别伸入不同的轴筒，枢轴轴杆的一端固定在轴筒中，另一端可以与轴筒相对转动。为了使俯仰支撑板与摆动支撑板结构更紧凑，所述枢轴连接机构有两组，分别位于主轴端部上方和下方。
平面四连杆机构的各连杆的参数如下：AB＝l1＝122mm，AD＝l2＝210.34mm，CD＝l3＝134mm，CE＝l4＝72.5mm，BE＝l5＝201.4mm，l4和l5之间的夹角∠BEC＝140°其中主电动推杆的行程为200mm，额定载荷为9000N。
所述机械手的整体结构如图1所示。枢轴连接机构结构如图2所示。
本发明提供的三自由度大型板材高空安装机械手(以下简称机械手)在垂直于水平面的框架上进行板材安装时的操作方法如下：
1)将所述机械手安装与板材吊装设备的末端，使用真空吸盘抓取板材后移至接近安装位置后开始安装作业；
2)启动主电动推杆，调节俯仰支撑板的俯仰角度，使板材基本处于直立状态，并接近安装位置；
3)启动摆动丝杠推杆，调节摆动支撑板的摆动角度，使板材与安装平面基本平行；
4)启动旋转丝杠推杆，调节吸盘架的旋转角度，使板材对准安装位置，为下一步安装步骤做好准备。
因机械手的工作环境为高空，从抓取板材到板材的安装完成全过程均通过地面遥控操作。实现了全自动化，为操作工人的安全性提供了保障。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员需要了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或简单修改、修饰的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是包括四个真空吸盘、吸盘架、主电动推杆、主电动推杆架、主支撑臂、旋转丝杠推杆、摆动丝杆推杆、俯仰支撑板、摆动支撑板、主轴、平面连杆和与真空吸盘匹配的真空泵；
所述真空吸盘矩形分布固定在吸盘架上，四个真空吸盘的吸盘末端位于同一平面，以该平面为吸附平面，以四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形为吸盘平面矩形；
主轴两端分别与吸盘架和摆动支撑板垂直连接，主轴垂直于吸附平面，主轴轴线与吸附平面的交点位于四个吸盘轴线与吸附平面交点组成的矩形的中心，所述旋转丝杠推杆的推杆座与摆动支撑板固定连接，旋转丝杠推杆的推杆平行于摆动支撑板且推杆端部与吸盘架铰接，当旋转丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动吸盘架旋转，所述吸盘架底边相对于水平面的旋转角度范围为±20°；
所述摆动支撑板以贴近吸盘架一面为正面，摆动支撑板的背面与俯仰支撑板的枢轴安装面通过枢轴连接机构连接，所述枢轴连接机构的枢轴轴线平行于摆动支撑板，枢轴轴线吸附平面上的投影与吸盘平面矩形通过上下底边的对称轴线重合，所述摆动丝杠推杆的推杆座与俯仰支撑板固定连接，摆动丝杠推杆的推杆端部与摆动支撑板铰接，当摆动丝杠推杆的推杆伸出和收回时可以带动摆动支撑板以枢轴连接机构的枢轴为转动轴相对俯仰支撑板摆动，摆动时摆动支撑板与俯仰支撑板左右两端的最大夹角为20°；
所述俯仰支撑板的枢轴安装面的背面为俯仰机构安装面，所述俯仰机构安装面中部具有主铰接座，主支撑臂末端通过主铰接座铰接在俯仰机构安装面上，所述主铰接座的转动轴线平行于俯仰机构安装面且与枢轴轴线垂直，所述俯仰机构安装面接近端部具有连杆铰接座，连杆铰接座的轴线与主铰接座的轴线平行，所述平面连杆由铰接的第三连杆、第四连杆和第五连杆组成，第四连杆两端分别与第三连杆和第五连杆的一端铰接，第三连杆和第五连杆的另一端作为平面连杆的两端分别铰接在连杆铰接座和主支撑臂中部，第四连杆和第五连杆夹角角度固定在135°～145°之间，形成L形连杆，平面连杆、主支撑臂与俯仰支撑板构成的平面四连杆机构，所述主电动推杆的推杆座铰接在与主支撑臂根部固定连接的主电动推杆架上，主电动推杆的推杆与所述平面四连杆机构的运动平面平行且推杆末端铰接在第四连杆和第五连杆形成的夹角上，通过主电动推杆的推杆伸出及收回可以带动俯仰支撑板实现80°的俯仰运动范围。
2.如权利要求1所述的三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是所述构成平面四连杆机构的第三连杆长度l3，第四连杆长度l4，第五连杆长度l5，连杆铰接座与主铰接座之间的距离l2，主铰接座距到主支撑臂与第五连杆铰接位置的距离l1的关系为，l1：l2：l3：l4：l5＝100:170～175:65～130：40～70:90～210。
3.如权利要求2所述的三自由度大型板材高空安装机械手，其特征是主电动推杆与主支撑臂的夹角范围为3.5°-6°。
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