本發明涉及裝載機領域，特別是一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人。

背景技術：

裝載機是一種廣泛應用于農田、水利、能源、市政等施工領域，進行散裝物料裝卸的關鍵設備，對基礎設施建設起到了重要的作用，但是傳統液壓式裝載機存在著能耗高、噪音大、尾氣排放嚴重、智能化水平低等缺點。可控機構是傳統機構與電子技術結合的產物，近年來開展的“數控一代”裝備創新工程，給傳統工程機械技術升級帶來了機遇，針對液壓式裝載機的缺點，將可控機構及機器人相關技術應用到裝載機工作裝置設計中，提出了一類可控機構式裝載機，該類裝載機構避免了液壓系統的使用，它由多自由度連桿機構和多個可控電機組成，其輸出運動由多臺計算機編程控制的可控電機共同決定，鏟斗的輸出軌跡是一個多自變量的函數，可以輕易實現復雜柔性軌跡輸出，因此可控裝載機構屬于施工機器人范疇。相比液壓式裝載機，可控裝載機構具有智能化程度高、靈活度好、高傳動效率等優點，對于推動裝載機綠色化、智能化具有重要的意義。

但是，在對可控裝載機構進行工程應用研究的過程中，發現了一系列未曾涉及的工程問題。首先，現有可控裝載機構動臂升降支鏈和鏟斗控制支鏈均采用主動桿—連桿—動臂的構型設計形式，因主動桿由可控電傳動系統驅動，受制于可控電機成本高、輸出功率小、扭矩低等問題，造成現有可控裝載機構動力性能差、負載能力弱等問題，難以滿足裝載機的動力要求，所以現有可控裝載機構的構型設計形式僅適用于微小型裝載機；其次，現有可控裝載機構為平面并聯機構，兩主動桿在同時抬升動臂或者同時控制鏟斗鏟裝作業時，由于制造、加工、裝配等誤差，特別是在裝載機偏載的情形下，造成動臂兩并聯驅動支鏈和鏟斗兩并聯控制支鏈受力不均，影響了舉升穩定性，很容易造成部分構件的過載損毀，影響可控裝載機構的使用壽命；另外，現有可控裝載機構各構件一般采用轉動副的連接形式，相比含移動副的液壓式裝載機的工作裝置，缺少有效的過載保護及吸振手段。上述原因嚴重影響了可控裝載機構的工程應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于已有技術存在的問題提供一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人，既具有現有可控裝載機構智能化程度高、靈活度好、傳動效率高等優點，同時解決現有可控裝載機構動力性能差、負載能力弱，動臂升降機構和鏟斗控制機構穩定性差，缺乏有效的過載保護及吸振手段等工程問題，使該裝載機器人具有較好的動力學性能及承載穩定性，同時具有較強的承載能力、抗振能力和過載保護性能。

本發明通過以下技術方案來達到上述目的：一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人，包括多單元連桿驅動機構、動臂升降機構、鏟斗控制機構以及機架。

所述多單元連桿驅動機構包括動臂多單元連桿驅動機構和鏟斗多單元連桿驅動機構，所述動臂多單元連桿驅動機構包括第一驅動支鏈、第二驅動支鏈、機架、第一曲軸，所述第一驅動支鏈包括第一主動桿、第一連桿，所述第一主動桿一端通過第一轉動副與機架連接，另一端通過第三十一轉動副與第一連桿一端連接，所述第一連桿另一端通過第二轉動副與第一曲軸連接，所述第二驅動支鏈包括第二主動桿、第二連桿，所述第二主動桿一端通過第三轉動副與機架連接，另一端通過第三十二轉動副與第二連桿一端連接，所述第二連桿另一端通過第四轉動副與第一曲軸連接，所述第一曲軸通過第五轉動副、第六轉動副與機架連接。所述鏟斗多單元連桿驅動機構包括第三驅動支鏈、第四驅動支鏈、第二曲軸，所述第三驅動支鏈包括第三主動桿、第三連桿，所述第三主動桿一端通過第七轉動副與機架連接，另一端通過第三十三轉動副與第三連桿一端連接，所述第三連桿另一端通過第八轉動副與第二曲軸連接，所述第四驅動支鏈包括第四主動桿、第四連桿，所述第四主動桿一端通過第九轉動副與機架連接，另一端通過第三十四轉動副與第四連桿一端連接，所述第四連桿另一端通過第十轉動副與第二曲軸連接，所述第二曲軸通過第十一轉動副、第十二轉動副與機架連接。

所述第一主動桿、第二主動桿、第三主動桿、第四主動桿均由可控電機通過電傳動系統進行驅動控制，所述多單元連桿驅動機構在計算機系統的控制下，可以將多個動力單元的動力合成后通過第一曲軸、第二曲軸輸出，從而使該多單元連桿驅動機構實現了由多臺小功率可控電機輸入，大功率、高扭矩動力輸出的目的，解決了傳統可控裝載機構伺服電機功率輸出小、驅動扭矩低等問題，通過該設計有效提高了該裝載機器人的承載能力，另外，根據不同的動力需要，可以方便選用四單元、六單元等不同數量的驅動支鏈進行驅動，使該多單元連桿驅動機構具有較強的動力適應性，可滿足大、中、小型裝載機器人動力要求，特別適用于制造重型高負載裝載機器人。

所述動臂升降機構包括動臂、第一升降支鏈和第二升降支鏈，所述動臂通過第十三轉動副、第十四轉動副與機架連接，所述第一升降支鏈包括第五連桿、第一液壓缸，所述第五連桿一端通過鍵或者其它連接方式與第一曲軸固定連接，另一端通過第十五轉動副與第一液壓缸一端連接，所述第一液壓缸另一端通過第十六轉動副與動臂連接，所述第二升降支鏈包括第六連桿、第二液壓缸，所述第六連桿一端通過健或者其它連接方式與第一曲軸固定連接，另一端通過第十七轉動副與第二液壓缸一端連接，所述第二液壓缸另一端通過第十八轉動副與動臂連接。

當該裝載機器人實際作業時，動臂多單元連桿驅動機構通過曲軸為動臂升降機構提供動力，由于動臂升降機構為平面并聯機構，所述第一液壓缸與第二液壓缸的缸體通過液壓管線連接，進而實現并聯，根據帕斯卡原理，兩缸體內液體壓力相同，可以有效改善動臂兩升降支鏈受力不均的問題，提高動臂舉升穩定性，延長動臂升降機構各構件的使用壽命。并且通過液壓元件的引入可以有效提高動臂升降機構的抗振能力，另外，通過在動臂升降機構兩液壓缸上引入泄壓閥等附屬裝置，可以輕易實現動臂升降機構的過載保護功能。

所述鏟斗控制機構包括鏟斗、第一控制支鏈和第二控制支鏈，所述鏟斗通過第十九轉動副、第二十轉動副與動臂連接，所述第一控制支鏈包括第七連桿、第三液壓缸、第一搖臂、第一拉桿，所述第七連桿一端通過健或者其它連接方式與第二曲軸固定連接，另一端通過第二十一轉動副與第三液壓缸一端連接，所述第三液壓缸另一端通過第二十四轉動副與第一拉桿連接，所述第一拉桿通過第二十五轉動副與鏟斗連接，所述第一搖臂一端通過第二十二轉動副與第一拉桿連接，另一端通過第二十三轉動副與動臂連接。所述第二控制支鏈包括第八連桿、第四液壓缸、第二搖臂、第二拉桿，所述第八連桿一端通過健或者其它連接方式與第二曲軸固定連接，另一端通過第二十六轉動副與第四液壓缸一端連接，所述第四液壓缸另一端通過第二十九轉動副與第二拉桿連接，所述第二拉桿通過第三十轉動副與鏟斗連接，所述第二搖臂一端通過第二十七轉動副與第二拉桿連接，另一端通過第二十八轉動副與動臂連接。

鏟斗控制機構由鏟斗多單元連桿驅動機構通過第二曲軸實現動力輸入，并實現鏟斗的翻轉運動，鏟斗多單元連桿驅動機構的引入提高了鏟斗的崛起力及負載能力。該鏟斗控制機構采用含三個轉動副的搖臂，在滿足裝載機器人拓撲結構要求的前提下，方便拆卸安裝，相比復合鉸，大幅提高了可靠性和維護便利性。為了提高鏟裝穩定性，改善動態性能，所述鏟斗控制機構采用平面并聯機構的設計形式，為了克服因為制造、加工、裝配等誤差，特別是在裝載機偏載的情形下，造成兩鏟斗控制支鏈受力不均的問題，通過引入第三液壓缸、第四液壓缸，保證了鏟斗控制機構第一、第二控制支鏈具有可調節的活動度，根據帕斯卡原理，利用液壓管線將第三液壓缸和第四液壓缸并聯，通過液壓缸所含移動副的自動調節，可實現兩缸體內液體壓力相同，進而實現偏載作用下兩控制支鏈的受力平衡，改善了鏟斗控制機構兩控制支鏈受力不均的問題，提高裝載機器人作業穩定性，延長了鏟斗控制機構各構件的使用壽命。另外，液壓元件的引入有效提高鏟斗控制機構的抗振能力，并且通過在第三液壓缸或第四液壓缸中引入泄壓閥等附屬裝置，可以輕易實現鏟斗控制機構的過載保護功能。

所述一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人在多單元連桿驅動機構的編程控制下，完成裝載作業。在裝載機器人鏟裝作業過程中，當執行機構承受的載荷在許用范圍時，動臂升降機構和鏟斗控制機構中的液壓缸僅通過所含移動副微調的方式平衡第一、第二升降支鏈或第一、第二控制支鏈的受力，此時液壓缸可視為一個不可伸縮的傳力構件；若該裝載機器人承受的載荷超過許用范圍時，通過打開液壓缸上的泄壓閥，通過液壓缸所含移動副的移動起到過載保護作用。基于上述特點，所述的含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人相比現有可控裝載機構具有更好的動力學性能、承載穩定性、可靠性，以及更高的負載能力和抗振能力，更適用于制造重型高負載裝載機器人。

本發明突出優點在于：

1、該裝載機器人采用全新的構型設計,在滿足裝載作業所需自由度和工作空間要求下，具有較好的運動學和動力學性能，動臂升降機構和鏟斗控制機構通過采用平面并聯設計，大幅提升了裝載機器人的剛性。該裝載機器人既具有可控機構式裝載機能耗低、傳動效率高、智能化程度高、可靠性好等特點，同時具備液壓式裝載機工作裝置抗沖擊性能好、過載保護性能強、舉升穩定性好等特點。

2、該裝載機器人執行機構采用計算機編程控制的電傳動系統進行驅動，不僅具有較高的智能化水平，實現了作業數控化，而且提高了傳動效率，降低了能耗，并無尾氣排放。在該機器人的設計中，液壓缸主要用途并非像現有液壓式工程機械，用來驅動工作裝置做功，而是通過微小移動調節偏載，并作為連桿傳遞動力，因而避免了液壓系統傳動效率低等問題，減少了液壓元件的磨損問題，相比液壓式工程機械具有更長的使用壽命以及更高的可靠性。

3、相比現有可控裝載機構，本發明所述裝載機器人具有更強的承載能力和適應性。鏟斗控制機構和動臂升降機構通過引入多單元連桿驅動機構，大幅提高了該裝載機器人的承載能力，特別適用于制造重型工程施工機器人；該多單元連桿驅動機構具有較強的動力適應性，可根據不同的動力要求，選用四單元、六單元等不同數量的驅動支鏈驅動，滿足大、中、小型裝載機器人動力要求。

4、相比現有可控裝載機構，本發明所述裝載機器人具有更好的動態性能和可靠性。液壓缸等液壓元件的引入不僅使該機器人具有了良好的抗振和緩沖性能，而且具有較好的過載保護功能。動臂升降機構和鏟斗控制機構通過缸體并聯，實現了偏載作用下動臂兩升降支鏈和鏟斗兩控制支鏈的受力平衡，改善了各構件受力不均的問題，提高了動臂的舉升穩定性和鏟斗的鏟掘穩定性，延長了各構件的使用壽命，提高了裝載機器人的可靠性。

5、相比現有可控裝載機構，本發明所述裝載機器人具有更多的過載保護手段，通過在動臂升降機構、鏟斗控制機構中液壓缸上引入泄壓閥等附屬裝置，較易實現裝載機器人的過載保護性能。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人執行機構示意圖。

圖2為本發明所述的一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人機架示意圖。

圖3為本發明所述的動臂多單元連桿驅動機構示意圖之一。

圖4為本發明所述的動臂多單元連桿驅動機構示意圖之二。

圖5為本發明所述的動臂多單元連桿驅動機構曲軸示意圖。

圖6為本發明所述的鏟斗多單元連桿驅動機構示意圖之一。

圖7為本發明所述的鏟斗多單元連桿驅動機構示意圖之二。

圖8為本發明所述的鏟斗多單元連桿驅動機構曲軸示意圖。

圖9為本發明所述的動臂升降機構示意圖。

圖10為本發明所述的鏟斗控制機構示意圖。

圖11為本發明所述的一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人平面視圖。

圖12為本發明所述的含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人工作示意圖。

具體實施方式

以下通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步說明。

對照圖1，本發明所述的一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人，包括多單元連桿驅動機構、動臂升降機構、鏟斗控制機構以及機架1。

對照圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8，所述多單元連桿驅動機構包括動臂多單元連桿驅動機構和鏟斗多單元連桿驅動機構，所述動臂多單元連桿驅動機構包括第一驅動支鏈、第二驅動支鏈、機架1、第一曲軸7，所述第一驅動支鏈包括第一主動桿3、第一連桿5，所述第一主動桿3一端通過第一轉動副2與機架1連接，另一端通過第三十一轉動副4與第一連桿5一端連接，所述第一連桿5另一端通過第二轉動副6與第一曲軸7連接，所述第二驅動支鏈包括第二主動桿13、第二連桿11，所述第二主動桿13一端通過第三轉動副14與機架1連接，另一端通過第三十二轉動副12與第二連桿11一端連接，所述第二連桿11另一端通過第四轉動副10與第一曲軸7連接，所述第一曲軸7通過第五轉動副8、第六轉動副9與機架1連接。所述鏟斗多單元連桿驅動機構包括第三驅動支鏈、第四驅動支鏈、第二曲軸25，所述第三驅動支鏈包括第三主動桿16、第三連桿18，所述第三主動桿16一端通過第七轉動副15與機架1連接，另一端通過第三十三轉動副17與第三連桿18一端連接，所述第三連桿18另一端通過第八轉動副19與第二曲軸25連接，所述第四驅動支鏈包括第四主動桿21、第四連桿23，所述第四主動桿21一端通過第九轉動副20與機架1連接，另一端通過第三十四轉動副22與第四連桿23一端連接，所述第四連桿23另一端通過第十轉動副24與第二曲軸25連接，所述第二曲軸25通過第十一轉動副26、第十二轉動副27與機架1連接。

所述第一主動桿3、第二主動桿13、第三主動桿16、第四主動桿21均由可控電機通過電傳動系統進行驅動控制，所述多單元連桿驅動機構在計算機系統的控制下，可以將多個動力單元的動力合成后通過第一曲軸7、第二曲軸25輸出，從而使該多單元連桿驅動機構實現了由多臺小功率可控電機輸入，大功率、高扭矩動力輸出的目的，解決了傳統可控裝載機構伺服電機功率輸出小、驅動扭矩低等問題，通過該設計有效提高了該裝載機器人的承載能力，另外，根據不同的動力需要，可以方便選用四單元、六單元等不同數量的驅動支鏈進行驅動，使該多單元連桿驅動機構具有較強的動力適應性，可滿足大、中、小型裝載機器人動力要求，特別適用于制造重型高負載裝載機器人。

對照圖1、圖2、圖9，所述動臂升降機構包括動臂32、第一升降支鏈和第二升降支鏈，所述動臂32通過第十三轉動副37、第十四轉動副38與機架1連接，所述第一升降支鏈包括第五連桿28、第一液壓缸30，所述第五連桿28一端通過鍵或者其它連接方式與第一曲軸7固定連接，另一端通過第十五轉動副29與第一液壓缸30一端連接，所述第一液壓缸30另一端通過第十六轉動副31與動臂32連接，所述第二升降支鏈包括第六連桿33、第二液壓缸35，所述第六連桿33一端通過健或者其它連接方式與第一曲軸7固定連接，另一端通過第十七轉動副34與第二液壓缸35一端連接，所述第二液壓缸35另一端通過第十八轉動副36與動臂32連接。

當該裝載機器人實際作業時，動臂多單元連桿驅動機構通過曲軸7為動臂升降機構提供動力，由于動臂升降機構為平面并聯機構，所述第一液壓缸30與第二液壓缸35的缸體通過液壓管線連接，進而實現并聯，根據帕斯卡原理，兩缸體內液體壓力相同，可以有效改善動臂32兩升降支鏈受力不均的問題，提高動臂舉升穩定性，延長動臂升降機構各構件的使用壽命。并且通過液壓元件的引入可以有效提高動臂升降機構的抗振能力，另外，通過在動臂升降機構兩液壓缸上引入泄壓閥等附屬裝置，可以輕易實現動臂升降機構的過載保護功能。

對照圖1、圖2、圖10，所述鏟斗控制機構包括鏟斗48、第一控制支鏈和第二控制支鏈，所述鏟斗48通過第十九轉動副58、第二十轉動副59與動臂32連接，所述第一控制支鏈包括第七連桿39、第三液壓缸41、第一搖臂43、第一拉桿46，所述第七連桿39一端通過健或者其它連接方式與第二曲軸25固定連接，另一端通過第二十一轉動副40與第三液壓缸41一端連接，所述第三液壓缸41另一端通過第二十四轉動副45與第一拉桿46連接，所述第一拉桿46通過第二十五轉動副47與鏟斗48連接，所述第一搖臂43一端通過第二十二轉動副42與第一拉桿46連接，另一端通過第二十三轉動副44與動臂32連接。所述第二控制支鏈包括第八連桿49、第四液壓缸51、第二搖臂53、第二拉桿56，所述第八連桿49一端通過健或者其它連接方式與第二曲軸25固定連接，另一端通過第二十六轉動副50與第四液壓缸51一端連接，所述第四液壓缸51另一端通過第二十九轉動副55與第二拉桿56連接，所述第二拉桿56通過第三十轉動副57與鏟斗48連接，所述第二搖臂53一端通過第二十七轉動副52與第二拉桿56連接，另一端通過第二十八轉動副54與動臂32連接。

鏟斗控制機構由鏟斗多單元連桿驅動機構通過第二曲軸25實現動力輸入，并實現鏟斗48的翻轉運動，鏟斗多單元連桿驅動機構的引入提高了鏟斗的崛起力及負載能力。該鏟斗控制機構采用含三個轉動副的搖臂，在滿足裝載機器人拓撲結構要求的前提下，方便拆卸安裝，相比復合鉸，大幅提高了可靠性和維護便利性。為了提高鏟裝穩定性，改善動態性能，所述鏟斗控制機構采用平面并聯機構的設計形式，為了克服因為制造、加工、裝配等誤差，特別是在裝載機偏載的情形下，造成兩鏟斗控制支鏈受力不均的問題，通過引入第三液壓缸41、第四液壓缸51，保證了鏟斗控制機構第一、第二控制支鏈具有可調節的活動度，根據帕斯卡原理，利用液壓管線將第三液壓缸41和第四液壓缸51并聯，通過液壓缸所含移動副的自動調節，可實現兩缸體內液體壓力相同，進而實現偏載作用下兩控制支鏈的受力平衡，改善了鏟斗控制機構兩控制支鏈受力不均的問題，提高裝載機器人作業穩定性，延長了鏟斗控制機構各構件的使用壽命。另外，液壓元件的引入有效提高鏟斗控制機構的抗振能力，并且通過在第三液壓缸41或第四液壓缸51中引入泄壓閥等附屬裝置，可以輕易實現鏟斗控制機構的過載保護功能。

對照圖1、圖8、圖11、圖12，所述一種含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人在多單元連桿驅動機構的編程控制下，完成裝載作業。在裝載機器人鏟裝作業過程中，當執行機構承受的載荷在許用范圍時，動臂升降機構和鏟斗控制機構中的液壓缸僅通過所含移動副微調的方式平衡第一、第二升降支鏈或第一、第二控制支鏈的受力，此時液壓缸可視為一個不可伸縮的傳力構件；若該裝載機器人承受的載荷超過許用范圍時，通過打開液壓缸上的泄壓閥，通過液壓缸所含移動副的移動起到過載保護作用?；谏鲜鎏攸c，所述的含三副搖臂的多單元連桿驅動重型裝載機器人相比現有可控裝載機構具有更好的動力學性能、承載穩定性、可靠性，以及更高的負載能力和抗振能力，更適用于制造重型高負載裝載機器人。