[發明專利]一種電液混合驅動工業機械臂結構及控制系統

有效

• 申請號: 201711221156.2
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN107856029B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 唐新星;遲瑞豐;王金武;張邦成;柳虹亮;何麗鵬;程廷海;楊麗梅;范大川
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J9/16;B25J15/02;B25J17/02;B25J15/08
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1.一種電液混合驅動的工業機械臂，包括腰部回轉關節（1）、大臂回轉關節（2）、前臂回轉關節（3）、小臂回轉關節（4）、手爪（5）、液壓油箱（6）、控制系統（7），其特征在于：所述的腰部回轉關節（1）包括底座（101）、腰部外殼I、II（102、107）、螺栓螺母套件I（103）、彈簧墊圈I（104）、地腳螺栓定位孔（105）、連接螺釘（106）、圓錐滾子軸承I、II（108、109）、驅動電機（110）、小齒輪（111）、雙片薄齒輪（112）、鎖緊螺母（113）、腰部主軸（114）、軸套（116）和電機固定螺栓（118）；所述的大臂回轉關節（2）包括臂部底座（201）、彈簧墊圈II（202）、螺栓螺母套件II（203）、大臂（204）、大臂舉升液壓缸I、II（205、206）、螺栓螺母套件III（207）、前臂舉升液壓缸大臂定位孔I（208）、回轉關節大臂定位孔（210）和大臂舉升液壓缸固定螺栓I、II、III、IV（212、213、214、215）；所述的前臂回轉關節（3）包括前臂（301）、前臂舉升液壓缸（302）、螺栓螺母套件IV（303）、前臂舉升液壓缸前臂定位孔（307）、前臂舉升液壓缸固定螺栓I、II（304、311）和前臂舉升液壓缸位移傳感器（312）；所述的小臂回轉關節（4）包括小臂（401）、小臂回擺液壓缸（402）、小臂回擺液壓缸固定螺栓I、II（403、406）、安有軸承的螺栓螺母套件VI（409）、小臂法蘭定位孔（410）和小臂法蘭緊固螺栓（411），所述的手爪（5）包括爪部液壓缸（503）、爪部連桿（505）、爪尖彈墊（506）、緊定螺母（508）、緊定螺栓螺母套件I、II（509、512）、爪部臂（511）、爪部底座法蘭定位孔（514）、爪部連桿緊定片（515）和爪部臂定位孔I、II（516、517）；所述的腰部回轉關節（1）的腰部外殼II（107）通過臂部底座（201）固連在一起，所述的大臂舉升液壓缸I、II（205、206）的一端分別通過大臂舉升液壓缸固定螺栓III、I （214、212）與臂部底座（201）固接在一起，所述的大臂舉升液壓缸I、II（205、206）的另一端分別通過大臂舉升液壓缸固定螺栓IV、II（215、213）與大臂（204）固連在一起，所述的大臂（204）通過螺栓螺母套件III（207）與臂部底座（201）連接起來，大臂（204）與前臂（301）通過螺栓螺母套件IV（303）固連在一起；所述的前臂舉升液壓缸固定螺栓I（304）依次穿過前臂舉升液壓缸（302）的液壓缸圓形定位孔I（309）、前臂舉升液壓缸前臂定位孔（307），將前臂舉升液壓缸（302）一端固定在前臂（301）上，所述的前臂舉升液壓缸固定螺栓II（311）依次穿過前臂舉升液壓缸（302）的液壓缸圓形定位孔II（310）、前臂舉升液壓缸大臂定位孔I（208），將前臂舉升液壓缸（302）另一端固定在大臂（204）上；所述小臂（401）通過安有軸承的螺栓螺母套件VI（409）將與前臂（301）固連在一起，所述的小臂回擺液壓缸分別通過小臂回擺液壓缸固定螺栓I、II（403、406）固定在前臂（301）及小臂（401）上，所述的手爪（5）通過小臂法蘭緊固螺栓（411）與小臂（401）聯結在一起，小臂回擺液壓缸（402）伸長或縮短時，可使得小臂（401）及其連接的手爪（5）前后擺動；所述的爪部液壓缸（503）的液壓桿端部安有緊定螺母（508），緊定螺母(508)、爪部連桿緊定片(515)共同將爪部連桿(505)固定在爪部液壓缸(503)的液壓桿上；所述的緊定螺栓螺母套件I(509)穿過爪部臂定位孔II(517)內的軸承內孔、爪部連桿(505)的定位孔，將爪部臂(511)、爪部連桿(505)聯結在一起；所述的爪尖彈墊(506)安裝于爪部臂(511)的爪尖的端部，用于緩沖抓取物體時的壓力；所述的爪部液壓缸(503)上安裝位移傳感器(519)，用于檢測爪部液壓缸(503)液壓桿伸長變化量；所述的液壓油箱（6）內存儲了電液混合驅動工業機械臂所需要的足夠的液壓油，所述的液壓油箱（6）上安裝有冷卻器（602），回油管路穿過冷卻器（602），用于控制回到油箱液壓油的溫度，冷卻器（602）采用風冷；所述的控制系統采用stm32為核心處理器，腰部回轉關節光電編碼器處理電路（701）獲得電機的旋轉角度，根據給定的目標回轉關節角度進行PID調節后，得到回轉關節電機的驅動信號，通過stm32核心控制板發出，大臂舉升液壓缸I、II（205、206）、小臂回擺液壓缸（402）上均安裝有位移傳感器，stm32核心控制板的AD端口采集各液壓缸的位移信號，進行PID調節后得出電液伺服閥閥控DA信號，顫振信號的頻率為200Hz的正弦波，對電液伺服閥進行死區非線性補償，閥控DA信號與顫振信號、基準電壓進行疊加來驅動電液伺服閥進而改變各液壓缸的動作的方向；所述的螺栓螺母套件I（103）、彈簧墊圈I（104）與連接螺釘（106）將腰部外殼I、II（102、107）與底座（101）固連成了一個整體，用于支撐所安裝的驅動電機（110），保護安裝在驅動電機（110）輸出軸上的小齒輪（111）、以及腰部主軸（114）上的圓錐滾子軸承I、II（108、109）、雙片薄齒輪（112），腰部外殼II（107）將圓錐滾子軸承I、II（108、109）分開，并與軸套（116）、腰部主軸（114）配合將圓錐滾子軸承I、II（108、109）進行定位，底座（101）的8個地腳螺栓定位孔(105)穿過預埋的8個地腳螺栓并通過鎖緊螺母鎖緊；在裝配腰部回轉關節（1）時，首先將驅動電機（110）通過4個電機固定螺栓（118）固定在腰部外殼I（102）上，通過平鍵將小齒輪（111）安裝在電機輸出軸上，將驅動電機（110）、腰部外殼I（102）、小齒輪（111）構成第一個裝配體，然后安裝圓錐滾子軸承I（108）到腰部主軸（114）上，將腰部主軸（114）穿過腰部外殼II（107），并使得圓錐滾子軸承I（108）緊靠在腰部外殼II（107）上，而后將圓錐滾子軸承II（109）、軸套（116）、鎖緊螺母（113）安裝到腰部主軸（114）上構成第二個裝配體，將兩個裝配體進行小齒輪（111）、雙片薄齒輪（112）嚙合裝配后，用連接螺釘（106）將兩個裝配體聯結在一起，而后利用螺栓螺母套件I（103）、彈簧墊圈I（104）將兩個裝配體組合體與底座（101）聯結在一起，進一步將臂部底座（201）通過彈簧墊圈II（202）、螺栓螺母套件II（203）與兩個裝配體組合體聯結在一起；驅動電機（110）的動力經小齒輪（111）與雙片薄齒輪（112）對嚙、圓錐滾子軸承I、II（108、109）帶動腰部主軸（114）及臂部底座（201）一起回轉，進而帶動與臂部底座（201）固接的機械臂一起回轉；所述驅動電機（110）采用交流伺服電機，大臂舉升液壓缸I、II（205、206）、前臂舉升液壓缸（302）、小臂回擺液壓缸（402）、爪部液壓缸（503）均采用液壓油驅動；所述的大臂（204）有2個大臂舉升液壓缸I、II（205、206）同時驅動，大臂舉升液壓缸I、 II（205、206）的運動過程是相反的，大臂舉升液壓缸I、II（205、206）的產生的力形成了一對力偶，提高大臂的負載能力，當大臂舉升液壓缸I（205）伸長、大臂舉升液壓缸II（206）縮短時，則大臂（204）及其連接的機械手臂做抬起運動，當大臂舉升液壓缸I（205）縮短、大臂舉升液壓缸II（206）伸長時，則大臂（204）及其連接的機械手臂做下降運動；所述的前臂舉升液壓缸（302）上安裝前臂舉升液壓缸位移傳感器（312），用于檢測前臂舉升液壓缸（302）液壓桿伸長變化量，所述的前臂舉升液壓缸（302）伸長時，帶動前臂（301）及其連接的機械手臂做抬起運動，當前臂舉升液壓缸（302）縮短時，帶動前臂（301）及其連接的機械手臂做下降運動；所述的小臂（401）前端有法蘭，小臂法蘭緊固螺栓（411）穿過小臂法蘭定位孔（410）、爪部底座法蘭定位孔（514）將手爪（5）與小臂（401）聯結在一起，小臂回擺液壓缸（402）液壓桿伸長或縮短時，可使得小臂（401）及其連接的手爪（5）前后擺動；所述的爪部液壓缸（503）的液壓桿伸長或縮短時，在爪部臂定位孔I、II（516、517）內安裝的軸承、爪部連桿（505）的配合下，即可實現爪部臂（511）的張開與收回。