CN1923468A - 一种搬运码垛机器人 - Google Patents
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Abstract
一种搬运码垛机器人，属于机器人领域。为降低现有机器人对电机等驱动元件的力矩要求，去掉配重等来减小重量，本发明公开了一种搬运码垛机器人，包括底座，旋转机架，由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一平行四连杆机构，以及安装有末端执行器的末端执行器姿态保持器；下方大臂和下方小臂连接处为机器人肩关节；下方大臂和上方下臂连接处为机器人肘关节；机器人大臂和小臂的运动由曲柄摇块机构来驱动；所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。本发明降低了对驱动元件的要求，无需配重及弹簧减力平衡装置，降低了机器人的本体重量及成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种搬运码垛机器人，具体的说一种用于工业自动化生产线，能够完成装货、卸货、货物输运、码垛、解垛等多种工作的机器人，属于机器人领域。
背景技术
自20世纪70年代末，日本将机器人技术用于码垛工艺以来，码垛机器人的研究获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，同时，码垛机器人占地面积小，能够同时处理多种物料和码垛多个料垛，越来越受到广大用户的青睐并迅速占领市场。码垛机器人的使用大大降低了人工劳动强度，提高了生产效率，现代的码垛机器人可以完成袋类、箱类等多种包装的输运、码垛以及解垛等工作。
瑞典的ABB Robotics、德国的KUKA Roboter、日本的Fuji Yusoki Kogyo、Okura Yusoki等公司都生产***垛机器人，并且占领了全球市场。以ABB Robotics的码垛机器人IRB 660为例，它有五个旋转关节，从底座开始依次是可绕竖直方向转动的腰关节，旋转方向垂直于纸面的肩关节、肘关节、腕俯仰关节，以及可绕竖直方向旋转的末端执行器旋转关节，它是一种典型的传统工业机器人。图1为ABB IRB 660的整体结构示意图，图2为以ABBIRB 660为代表的传统码垛机器人旋转机架以上部分的结构简图。如图1和图2所示，旋转机架3通过旋转轴组件2安装在设置在地面上的底座1上并可绕竖直方向旋转，这便是机器人的腰关节Axis 1；下方大臂5、下方小臂7、上方大臂6和上方小臂8通过连接轴H、V、B、C相连组成第一平行四连杆机构，所述第一平行四连杆机构依靠连接轴H安装在所述旋转机架3上，所述连接轴H处即为机器人的肩关节Axis 2，下方大臂5的运动是依靠肩关节驱动电机16通过减速器来驱动；所述连接轴C处即为机器人的肘关节Axis 3，上方小臂8依靠设定在所述旋转机架3上的肘关节驱动电机4通过减速器及所述第一平行四连杆机构来控制其运动；肩关节驱动电机16与肘关节驱动电机4同轴布置。
所述下方大臂5和上方小臂8的中心线交汇点的连接轴C处安装有一个“L”型连接件10，所述“L”型连接件10、第一连杆9、所述下方大臂5与所述旋转机架3通过连接轴G、O、H、C相连组成第二平行四连杆机构；所述“L”型连接件10、第二连杆11、所述上方小臂8与末端执行器姿态保持器12通过连接轴D、E、P、C相连组成第三平行四连杆机构，利用所述第二平行四连杆机构和所述第三平行四连杆机构能够保证所述末端执行器姿态保持器12的下表面在机器人工作过程中始终保持水平，这种设计在待处理或搬运的货物较重时有着明显的优势，其中所述连接轴P处即为机器人的腕俯仰关节Axis 4。机器人末端执行器13在安装在所述末端执行器姿态保持器12上的末端执行器旋转电机14的作用下可以绕竖直方向旋转，形成机器人的末端执行器旋转关节Axis 5。
这种配置方式为现有大多数关节式码垛机器人所采用，但是这种配置方式存在如下问题，为了降低对于驱动电机的要求，常采用在码垛机器人上加配重，或者弹簧减力平衡装置或者液压气动减力平衡装置来降低机器人工作过程中所需的驱动力矩要求，例如：ABBRobotics的IRB 660采用了弹簧减力平衡装置15，图2中K为弹簧；ABB Robotics的IRB 6400同时采用了配重(Counter Weight)和弹簧减力平衡装置，不过，这种机械结构对于驱动元件的要求仍然较高，所用的驱动元件通常是电机，另外，加配重或者弹簧减力平衡装置加重了机器人的本体重量，加大了能源的消耗以及机器的磨损。
因而，需要对这种配置方式的码垛机器人进行机械结构方面的改造和创新，既能够降低机器人对于驱动元件(通常是电机)的要求，又能够去掉配重等以降低机器人本体重量，降低对于能源的消耗以及工作过程中机器的磨损，保持较低成本的同时能够有较好的稳定性及耐用性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种搬运码垛机器人，它能够降低机器人对于电机等驱动元件的驱动力矩要求，从而能降低机器人的成本，并且能够去掉配重以及弹簧减力平衡装置，以减小机器人的本体重量和磨损，提高机器人的稳定性及耐用性。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种搬运码垛机器人，包括底座，安装在所述底座上并可绕竖直方向旋转的旋转机架，由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器；所述第一四连杆机构通过处于下方大臂和下方小臂中心线交汇处的连接轴安装在所述旋转机架上，形成机器人的肩关节；所述下方大臂通过连接轴与所述上方小臂相连接，形成机器人的肘关节；所述上方小臂向外伸出的一侧末端通过连接轴与所述末端执行器姿态保持器相连接，形成机器人的腕俯仰关节，所述末端执行器姿态保持器上还安装有可绕竖直方向旋转的末端执行器；其特征在于：
所述第一四连杆机构为一个平行四连杆机构；
所述搬运码垛机器人还包括肩关节驱动元件，所述肩关节驱动元件通过设置在所述旋转机架上的第一曲柄摇块机构驱动所述下方大臂绕肩关节运动；
所述搬运码垛机器人还包括肘关节驱动元件，所述肘关节驱动元件通过设置在所述旋转机架上的第二曲柄摇块机构和第一四连杆机构驱动所述上方小臂绕肘关节运动；
所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
作为本发明的一种实施方式，所述姿态保持机构由设置在所述腕俯仰关节处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器与所述上方小臂之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
作为本发明的另一种实施方式，还可以在所述第一四连杆机构上安装一个“L”型连接件，所述“L”型连接件的一端通过第一连杆与所述旋转机架相连，与所述下方大臂一起组成第二四连杆机构；所述“L”型连接件的另一端通过第二连杆与所述末端执行器姿态保持器相连，与所述上方小臂一起组成第三四连杆机构，所述第二四连杆机构和所述第三四连杆机构均为平行四连杆机构，两者组成所述姿态保持机构。此种设计方式在待处理或搬运的货物较重时有着明显的优势。
本发明结构简单紧凑，通过电机——丝杠螺母组件等组成的曲柄摇块机构来驱动机器人的手臂进行运动，大大降低了码垛机器人工作过程中对于驱动电机的要求，因而无需配重及弹簧减力平衡装置，有效降低了机器人的本体重量，它成本及能源消耗低，重量轻而磨损小，稳定性及耐用性好。
附图说明
图1为ABB IRB 660的整体结构示意图。
图2为以ABB IRB 660为代表的传统码垛机器人旋转机架以上部分的结构简图。
图3为本发明中旋转机架以上部分的结构简图。
图4为本发明典型实施例的整体结构的三维示意图。
图5为本发明典型实施例的整体结构的正面示意图。
图6为本发明典型实施例的曲柄摇块机构示意图。
图7为本发明典型实施例在工业生产线中的一种布置方式的示意图。
其中1：底座。2：旋转轴组件。3：旋转机架。4：肘关节驱动电机。5：下方大臂。6：上方大臂。7：下方小臂。8：上方小臂。9：第一连杆。10：“L”型连接件。11：第二连杆。12：末端执行器姿态保持器。13：末端执行器。14：末端执行器旋转电机。15：弹簧减力平衡装置。16：肩关节驱动电机。
H：连接轴。V：连接轴。B：连接轴。C：连接轴。D：连接轴。G：连接轴。E：连接轴。P：连接轴。O：连接轴。U：连接轴。M：连接轴。N：连接轴。
201：底座。202：旋转轴组件。203：旋转机架。204：下方大臂连接件。205：下方大臂。206：上方大臂。207：下方小臂。208：上方小臂。209：第一连杆。210：“L”型连接件。211：第二连杆。212：末端执行器姿态保持器。213：末端执行器。214：连杆连接件。301：旋转机架驱动电机。302：肩关节驱动电机。241：第一电机支撑件。251：第一螺帽。261：第一螺母。271：第一丝杠。303：肘关节驱动电机。242：第二电机支撑件。252：第二螺帽。262：第二螺母。272：第二丝杠。304：末端执行器旋转电机。231：第一伸缩机构。232：第二伸缩机构。20：搬运码垛机器人。21：待搬运物品输送线。22：待搬运物品。23：托盘输运线。24：物品托盘。
具体实施方式
下面结合附图和典型实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明是在现有关节式码垛机器人(类似于ABB Robotics的IRB 660)的基础上进行改造而形成的。本发明所公开的码垛机器人并不是像IRB 660那样通过电机——减速器驱动机器人手臂，而是采用了曲柄摇块机构来驱动。如图3所示，随着第一伸缩机构231(采用电机——丝杠螺母组件或采用能够实现相应功能的液压驱动机构等)的伸缩，机器人的下方大臂205会绕着旋转机架203上的连接轴H，也就是机器人的肩关节转动，同理，随着第二伸缩机构232(采用电机——丝杠螺母组件或采用能够实现相应功能的液压驱动机构等)的伸缩，机器人的下方小臂207会绕着连接轴H转动，通过第一平行四连杆机构带动机器人的上方小臂208绕连接轴C处的肘关节转动。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，所以本发明优选采用电机——丝杠螺母组件这种增力的驱动机构，并结合前面叙述的曲柄摇块机构一起使用，用来驱动机器人手臂，采用此种方案，可以大大码垛机器人工作过程中对于驱动电机的要求，因而无需配重及弹簧减力平衡装置，有效降低了机器人的本体重量，它成本及能源消耗低，重量轻而磨损小，稳定性及耐用性好。
下面结合图3～图6公开本发明的一个典型实施例。
一种搬运码垛机器人，包括底座201，旋转机架203，由下方大臂205、下方小臂207、上方大臂206和上方小臂208组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器212；旋转机架203通过旋转轴组件202安装在设置在地面上的底座201上并可绕竖直方向旋转，这便是机器人的腰关节，腰关节的转动是依靠旋转机架驱动电机301来驱动的；下方大臂205、下方小臂207、上方大臂206和上方小臂208通过连接轴H、V、B、C相连组成第一平行四连杆机构，其中，VH//BC，VB//HC，并且VH＝BC，VB＝HC；所述第一平行四连杆机构依靠连接轴H安装在所述旋转机架203上，所述连接轴H处即为机器人的肩关节；
所述下方大臂205与下方大臂连接件204相固连，成为可绕H轴转动的“L”型杆件；
肩关节驱动电机302安装在所述旋转机架203之上的可绕连接轴M旋转的第一电机支撑件241上，第一螺帽251通过连接轴N安装在所述下方大臂连接件204上，并可绕连接轴N转动，第一螺母261固定安装在所述第一螺帽251上，第一丝杠271通过联轴节与所述肩关节驱动电机302固连，以上部件便组成第一曲柄摇块机构，所述“L”型杆件便可作为第一曲柄摇块机构中的摇块在第一伸缩机构231(由电机——丝杠螺母组件即肩关节驱动电机302、第一丝杠271和第一螺母261组成)的作用下绕连接轴H转动，也就是实现了关节式机器人大臂绕肩关节的转动。
同理，肘关节驱动电机303安装在所述旋转机架203之上的可绕连接轴U旋转的第二电机支撑件242上，第二螺帽252通过连接轴V安装在所述下方小臂207上，并可绕连接轴V转动，第二螺母262固定安装在所述第二螺帽252上，第二丝杠272通过联轴节与所述肘关节驱动电机303固连，以上部件便组成第二曲柄摇块机构，这样，所述下方小臂207便可作为第二曲柄摇块机构中的摇块在第二伸缩机构232(由电机——丝杠螺母组件即肘关节驱动电机303、第二丝杠272和第二螺母262组成)的作用下绕连接轴H转动，所述上方小臂208便可通过所述第一平行四连杆机构实现绕连接轴C的转动，所述连接轴C处即可看成是为机器人的肘关节，这样便实现了机器人小臂绕肘关节的转动。
本发明由于使用了曲柄摇块机构，再加上丝杠螺母这种增力装置，因而大大降低了对于驱动电机的力矩要求，有利于降低机器人的成本。
如需进一步将低对于肩关节驱动电机302和肘关节驱动电机303的要求，可分别在肩关节驱动电机302和肘关节驱动电机303与丝杠连接处设置减速器或者其余能够实现类似功能的组件。
所述上方小臂208向外伸出的一侧末端通过连接轴P与所述末端执行器姿态保持器212相连接，连接轴P处即为机器人的腕俯仰关节，所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器212的下表面在工作过程中始终保持水平。
在一种实施例中，所述姿态保持机构由设置在所述腕俯仰关节处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器与所述上方小臂之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器212的下表面在工作过程中始终保持水平。
在另一种实施例中，所述姿态保持机构由两个平行四连杆机构组成，具体形式如图3和图4所示，在下方大臂205和上方小臂208的中心线交汇点的连接轴C处安装有一个“L”型连接件210，所述“L”型连接件210、第一连杆209、所述下方大臂205与安装在所述旋转机架203上的连杆连接件214通过连接轴G、O、H、C相连组成第二平行四连杆机构，其中，HO//CG，HC//OG，并且，HO＝CG，HC＝OG，也就是四边形HCGO是一个平行四边形；所述“L”型连接件210、第二连杆211、所述上方小臂208与末端执行器姿态保持器212通过连接轴D、E、P、C相连组成第三平行四连杆机构，其中，DC//EP，DE//CP，并且，DC＝EP，DE＝CP，也就是四边形CDEP是一个平行四边形。
下面将证明按照上述的设置方式，也就是利用所述第二平行四连杆机构和所述第三平行四连杆机构组成的姿态保持机构能够保证所述末端执行器姿态保持器212的下表面在机器人工作过程中始终保持水平。如图3所示，首先，连接轴H及连接轴O的中心线HO相对于旋转机架203保持静止，根据几何位置关系CG//HO，CD//PE，而CG与CD则是“L”型连接件两边的中心线，因而CG相对于CD静止，所以相对于旋转机架203，PE将保持平动，因而在机器人运行过程中，末端执行器位置保持器212的下端面将保持水平。这种设计在待处理或搬运的货物较重时有着明显的优势。
机器人末端执行器213在安装在所述末端执行器姿态保持器212上的末端执行器旋转电机304的作用下可以绕竖直方向旋转，形成机器人的末端执行器旋转关节。
图7是此发明中公开的一种搬运码垛机器人20在工业生产线中的一种布置方式。搬运码垛机器人20将待搬运物品22沿图7中箭头所指方向从待搬运物品输送线21上的源点搬运到托盘输运线23上的物品托盘24之上的目标点，并在托盘24上将待搬运物品22码放整齐，装运完毕之后，沿图7中的箭头方向下生产线。
结合不同的机器人末端执行器，本发明中公开的搬运码垛机器人便可将待处理的货物从源点转移到目标点，完成相应的装货、卸货、货物输运、码垛、解垛等多种工作。
Claims (7)
1.一种搬运码垛机器人，包括底座，安装在所述底座上并可绕竖直方向旋转的旋转机架，由下方大臂、下方小臂、上方大臂和上方小臂组成的第一四连杆机构，以及末端执行器姿态保持器；
所述第一四连杆机构通过处于下方大臂和下方小臂中心线交汇处的连接轴安装在所述旋转机架上，形成机器人的肩关节；所述下方大臂通过连接轴与所述上方小臂相连接，形成机器人的肘关节；所述上方小臂向外伸出的一侧末端通过连接轴与所述末端执行器姿态保持器相连接，形成机器人的腕俯仰关节，所述末端执行器姿态保持器上还安装有可绕竖直方向旋转的末端执行器；其特征在于：
所述第一四连杆机构为一个平行四连杆机构；
所述搬运码垛机器人还包括肩关节驱动元件，所述肩关节驱动元件通过设置在所述旋转机架上的第一曲柄摇块机构驱动所述下方大臂绕肩关节运动；
所述搬运码垛机器人还包括肘关节驱动元件，所述肘关节驱动元件通过设置在所述旋转机架上的第二曲柄摇块机构和第一四连杆机构驱动所述上方小臂绕肘关节运动；
所述搬运码垛机器人还包括一个姿态保持机构，通过所述姿态保持机构使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
2.根据权利要求1所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述姿态保持机构由设置在所述腕俯仰关节处的电机组件组成，所述姿态保持机构根据所述第一四连杆机构的姿态实时调整所述末端执行器姿态保持器与所述上方小臂之间的夹角，使得所述末端执行器姿态保持器的下表面在工作过程中始终保持水平。
3.根据权利要求1所述的搬运码垛机器人，其特征在于：在所述第一四连杆机构上安装有一个“L”型连接件，所述“L”型连接件的一端通过第一连杆与所述旋转机架相连，与所述下方大臂一起组成第二四连杆机构；所述“L”型连接件的另一端通过第二连杆与所述末端执行器姿态保持器相连，与所述上方小臂一起组成第三四连杆机构；所述第二四连杆机构和所述第三四连杆机构均为平行四连杆机构，两者组成所述姿态保持机构。
4.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述肩关节驱动元件为电机——丝杠螺母组件。
5.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述肩关节驱动元件为液压驱动机构。
6.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述肘关节驱动元件为电机——丝杠螺母组件。
7.根据权利要求1、2或3所述的搬运码垛机器人，其特征在于：所述肘关节驱动元件为液压驱动机构。
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