[发明专利]一种基于电动静液作动器驱动单元的四自由度抓取机器人

摘要

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种基于电动静液作动器驱动单元的四自由度抓取机器人，解决了基于电机传动的机器人传动链长、结构复杂且不紧凑、功率密度小、集成度低以及基于传统的液压传动系统的管路复杂且冗长以及搬运不方便灵活性差等问题，发明机器人的自转运动、大臂的伸缩运动、小臂的仰俯运动和手腕单元的仰俯运动分别是由一个EHA作动单元实现，各个EHA作动单元自成系统，不再需要中央能源系统，大大减少液压管路，搬运方便灵活性高，在很大程度上降低了对应用场合的要求；同时结构紧凑，功率密度大。本发明机器人爪的开合是由一个液压缸驱动，具有结构紧凑、集成度高、造型小及功率密度大等优点。

主权项

1.一种基于电动静液作动器驱动单元的四自由度抓取机器人，其特征在于：包括第一EHA驱动单元（14）、第二EHA驱动单元（3）、第三EHA驱动单元（8）、第四EHA驱动单元（10）、供油单元、底座（2）、托盘（1）、法兰盘（4）、机架（5）、直线轴承（6）、大臂（7）、滚动轴承（18）、小臂（9）、腕部单元（11）、机械爪（12）、爪驱动油缸（13）、第五位移传感器（19），其中第一EHA驱动单元（14）包括第一电机（14‑1）、第一双向定量泵（14‑2）、第一蓄能器（14‑4）、第一作动液压马达（14‑3）和第一角度传感器（14‑5）；第二EHA驱动单元（3）包括第二电机（3‑1）、第二双向定量泵（3‑2）、第二蓄能器（3‑4）、第一作动液压油缸（3‑3）和第二位移传感器（3‑5）；第三EHA驱动单元（8）包括第三电机（8‑1）、第三双向定量泵（8‑2）、第三蓄能器（8‑4）、第三作动液压马达（8‑3）和第三角度传感器（8‑5）；第四EHA驱动单元（10）包括第四电机（10‑1）、第四双向定量泵（10‑2）、第四蓄能器（10‑4）、第四作动液压马达（10‑3）和第四角度传感器（10‑5）；供油单元包括油箱（15）、第五电机（16）和第五双向定量泵（17）；其中底座（2）底部与四个托盘（1）通过螺纹副进行固接，底座（2）底部开设有安放第一EHA驱动单元（14）及供油单元的柱形槽以及供第一液压马达（14‑3）轴伸出的圆孔，底座（2）顶部加设有一个长方体凸台，且底座（2）右侧开设有一个柱形槽用作油箱（15）；第一EHA驱动单元（14）的液压马达（14‑3）的壳体通过螺钉固接在底座（2）底部的柱形槽内，第一液压马达（14‑3）的输出轴与底座（2）转动连接，供油单元的壳体通过螺钉固接在底座（2）底部的柱形槽内，在机架（5）底部设有与法兰盘（4）连接的辅助肋板，机架（5）中部开设有安放第二EHA驱动单元（3）的柱形槽以及供大臂（7）伸缩的圆孔，机架（5）顶部开设有安放直线轴承（6）的圆柱形槽，直线轴承（6）用作配合大臂（7）完成直线方向的伸缩运动，直线轴承（6）的外圈与机架（5）固接；机架（5）通过螺钉与法兰盘（4）完成固接，法兰盘（4）与第一EHA作动单元（14）的输出轴固接；第二EHA驱动单元（3）的液压油缸（3‑3）的缸体与机架（5）固接，油缸（3‑3）的输出轴与大臂（7）的底部固接；小臂（9）在与大臂（7）的转动连接处设置有安放轴承（18）的圆环形凸台以及供第三EHA驱动单元（8）输出轴伸出的圆孔，第三EHA驱动单元（8）的液压马达（8‑3）的缸体通过螺钉与小臂（9）的一侧固接，液压马达（8‑3）的输出轴通过两个滚动轴承（18）与小臂（9）转动连接，同时，液压马达（8‑3）的输出轴与大臂（7）固定连接；在小臂（9）与腕部单元（11）的转动连接处，第四EHA驱动单元（10）的液压马达（10‑3）的缸体通过螺钉与小臂（9）的一侧固接，液压马达（10‑3）的输出轴与小臂（9）转动连接，同时输出轴与腕部单元（11）固定连接；腕部单元（11）与机械爪（12）固接，机械爪（12）为对称机构，包括六组杆组和两个基座通过转动连接而成，爪驱动油缸（13）的缸体与第一基座（12‑1）固接，爪驱动油缸（13）的输出轴与第二基座（12‑5）固接，爪驱动油缸（13）上装有第五位移传感器（19）；抓取机器人的抓取液压系统是由四个EHA驱动系统和一个爪开合系统构成，其中爪开合系统包括第五电机（16）、第五双向定量泵（17）、油箱（15）、三位四通电磁换向阀（20）及爪驱动油缸（13）；第一EHA驱动系统包括第一电机（14‑1）、第一双向定量泵（14‑2）、第一液控单向阀（22‑1）、第一溢流阀（23‑1）、第一蓄能器（14‑4）、第一补油单向阀组（24‑1）、第一过滤器组（25‑1）、第一安全阀组（27‑1）、第一旁通阀（26‑1）及第一作动液压马达（14‑3）； 第二EHA驱动系统包括第二电机（3‑1）、第二双向定量泵（3‑2）、第二液控单向阀（22‑2）、第二溢流阀（23‑2）、第二蓄能器（3‑4）、第二补油单向阀组（24‑2）、第二过滤器组（25‑2）、第二安全阀组（27‑2）、第二旁通阀（26‑2）及第一作动液压油缸（3‑3）；第三EHA驱动系统包括第三电机（8‑1）、第三双向定量泵（8‑2）、第三液控单向阀（22‑3）、第三溢流阀（23‑3）、第三蓄能器（8‑4）、第三补油单向阀组（24‑3）、第三过滤器组（25‑3）、第三安全阀组（27‑3）、第三旁通阀（26‑3）及第三作动液压马达（8‑3）；第四EHA驱动系统包括第四电机（10‑1）、第四双向定量泵（10‑2）、第四液控单向阀（22‑4）、第四溢流阀（23‑4）、第四蓄能器（10‑4）、第四补油单向阀组（24‑4）、第四过滤器组（25‑4）、第四安全阀组（27‑4）、第四旁通阀（26‑4）及第四作动液压马达（10‑3），二位二通换向阀（21）的两个阀口分别和EHA驱动系统与爪开合系统连接使其构成一个完整的液压回路系统；在初始工位，三位四通电磁换向阀（20）切换至中位，二位二通换向阀（21）切换至接通状态，开始对EHA驱动系统的蓄能器进行充能并为容积闭式液压回路提供工作所需的液体介质，当四个EHA驱动系统的蓄能器都充满时即可将二位二通换向阀（21）切换至断开状态，考虑到EHA系统也存在泄漏问题，因此直到有一个EHA系统的蓄能器的液压油全部用完时才需要再进行一次新的充能；当需要爪（12）的收合运动时，只需将三位四通电磁换向阀（20）切换至左位，爪驱动油缸（13）作伸出运动，驱动机械爪（12）作收合运动；相反，当需要爪（12）的张开运动时，只需将三位四通电磁换向阀（20）切换至右位，爪驱动油缸（13）作收缩运动，驱动机械爪（12）作张开运动；第一EHA驱动单元（14）动作时将驱动第一作动液压马达（14‑3）带动法兰盘（4）转动，法兰盘（4）转动时将带动抓取机器人绕着轴向A—A做自转运动；第二EHA驱动单元（3）动作时将驱动第一作动液压油缸（3‑3）带动大臂（7）沿着轴向A—A做直线伸缩运动；第三EHA驱动单元（8）动作时将驱动第三作动液压马达（8‑3）带动小臂（9）绕着轴向B—B作一定角度的转动，从而实现小臂（9）的仰俯运动；第四EHA驱动单元（10）动作时将驱动第四作动液压马达（10‑3）带动腕部单元（11）绕着轴向C—C作一定角度的转动，从而实现腕部单元（11）的仰俯运动；当爪驱动油缸（13）处于完全缩回状态时，机械爪（12）处于完全张开姿态，爪驱动油缸（13）动作时将驱动第二基座（12‑5）作上下直线运动，从而实现了机械爪（12）的开合运动，从而实现本发明抓取机器人的抓取运动；通过第一角度传感器（14‑5）可采集到液压油缸（14‑3）动作的角度信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出抓取机器人绕着轴向A—A作了多少角度的转动，即可转化为机器人的自转角度信号；通过第二位移传感器（3‑5）可采集到液压油缸（3‑3）动作的位移信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出大臂（7）沿着轴向A—A作了多少距离的位移，即可转化为大臂（7）的伸缩位移信号；通过第三角度传感器（8‑5）可采集到液压马达（8‑3）动作的转角信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出小臂（9）绕着轴向B—B作了多少角度的转动，即可转化为小臂（9）的仰俯角度信号；通过第四角度传感器（10‑5）可采集到液压马达（10‑3）动作的转角信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出腕部单元（11）绕着轴向C—C作了多少角度的转动，即可转化为手腕（11）的仰俯角度信号；通过第五位移传感器（19）可采集到爪驱动油缸（13）动作的位移信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出爪（12）作了多少角度的开合运动，即可转化为爪（12）的开合角度信号；最后通过机器人的自转角度信号、大臂（7）的伸缩位移信号、小臂（9）的仰俯角度信号、手腕（11）的仰俯角度信号和爪（12）的开合角度信号的反馈，对液压油缸（14‑3）、液压油缸（3‑3）、液压马达（8‑3）、液压马达（10‑3）和爪驱动油缸（13）进行调节与控制，即可实现对基于EHA驱动单元的四自由度抓取机器人的爪姿态的精确控制。