專利名稱：一種大型板材安裝機械手的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人和建筑安裝技術，具體為一種適用于大型板材干掛工藝、具有
六自由度串并聯混合結構的大型板材安裝機械手。
背景技術：
近年來，隨著人類活動領域的進一步擴大，人們對非制造業用機械手的研究空前活躍起來。這些行業與制造業相比，其主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機械手的要求更高，需要機械手具有對外感知能力以及局部的自規劃能力等。美國的AUSS、俄羅斯的MT — 88、法國的EPAVLARD等裝有水下機械手的機器人系統已用于海洋石油開采，海底勘探、救撈作業、管道敷設及檢查、電纜敷設和維護等方面，形成了有纜水下機器人和無纜水下機器人兩大類。核工業用機械手，國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手。已完成的典型系統，如美國0RML基于機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作器等；加拿大研制成功的輻射監測與故障診斷系統；德國的C7靈巧手等。目前，機器人技術發達的國家都在競相開發地下機械手、醫用機械手、建筑用機械手和軍用機械手，并已經取得了一些不錯的成果。
建筑(安裝)機器人(手)是機器人技術一個嶄新的應用領域，開發建筑機器人，旨在提高建筑施工作業的自動化程度，提升施工速度及安全性，并降低工人的勞動強度。目前大型建筑的幕墻裝修工程，主要采用大理石或者玻璃等材料，采用干掛式工藝進行施工。但這些材料為板形，重量重，且越來越重，尺寸大，且越來越大，人工操作效率低，安全性差，勞動強度大，施工困難。因此，研發適用于這種大型板材干掛工藝安裝工程需要的強承載能力，高穩定性和多靈活性的建筑安裝機器人或機械手便是必然之選了。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，設計一種大型板材安裝機械手，該機械手具有六自由度操作系統，承載能力強，穩定性高，質量輕，操作靈活，適合室內大型板材的干掛安裝工藝。 本發明解決所述機械手技術問題的技術方案是設計一種大型板材安裝機械手，其特征在于該機械手包括三自由度并聯轉動平臺模塊，安裝在三自由度并聯轉動平臺模塊上方的三自由度串聯移動模塊和與三自由度串聯移動模塊連接的末端執行器模塊；所述的三自由度并聯轉動平臺模塊包括靜平臺和動平臺，靜平臺的中心與動平臺的中心設置約束支鏈，約束支鏈包括機械連接的固定支撐桿和中心球鉸，固定支撐桿與靜平臺的中心連接，中心球鉸與動平臺的中心連接；在靜平臺上以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處分別安裝有虎克鉸，且其中的一個虎克鉸位于約束支鏈的-Y方向；在動平臺上以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處分別安裝有球鉸，且其中的一個球鉸位于約束支鏈的+Y方向；三個虎克鉸與三個球鉸之間分別對應連接有可以伸縮的電動推桿，構成三個轉動支鏈；
所述的三自由度串聯移動模塊包括Y軸、Z軸兩個移動副和一個X軸轉動副；Y軸移動副的直線導軌、Y軸絲杠和Y軸伺服電機直接安裝在所述的動平臺上；Y軸滑臺由Y軸伺服電機通過Y軸絲杠驅動；X軸為轉動副采用平行四邊形的四桿機構兩個等長平行的轉
動桿的下端分別通過轉動軸與Y軸的滑臺相連接，轉動桿的上端分別與平動桿的兩端機械連接；電動推桿的兩端分別與一個轉動桿和Y軸滑臺機械連接，構成四桿機構的驅動部件；Z軸移動副的基板2裝在平動桿的工作一端，Z軸伺服電機、直線導軌和Z軸絲杠分別安裝在Z軸基板上，Z軸滑臺由Z軸伺服電機通過Z軸絲杠驅動，沿垂直于動平臺平面的方向運動；所述的末端執行器模塊包括固定在Z軸滑臺上的吸盤架和在吸盤架四角均布安裝的四個真空吸盤。 與現有技術相比，本發明采用機械手安裝大型板材，承載能力強，勞動強度低，適應室內大型板材的干掛安裝工藝；本發明機械手分為三自由度并聯轉動平臺模塊和三自由度串聯移動模塊兩個獨立部分，具有解耦運算少、結構設計簡單，操作靈活，便于實際應用等特點。
圖1為本發明大型板材安裝機械手一種實施例的整體結構示意圖； 圖2為本發明大型板材安裝機械手一種實施例的三自由度并聯轉動平臺模塊結
構示意圖； 圖3為本發明大型板材安裝機械手一種實施例的三自由度串聯移動模塊結構示意圖； 圖4為本發明大型板材安裝機械手一種實施例的末端執行器模塊結構示意 圖5為本發明大型板材安裝機械手一種實施例的輔助定位支撐架結構示意圖。
具體實施例方式以下結合實施例及其附圖對本發明技術方案詳細說明如下 本發明設計的大型板材安裝機械手(簡稱機械手，參見圖1-5)是基于大型板材干掛安裝工藝的要求，遵循機器人結構模塊化設計思想，按照板材安裝的工作流程而設計。本發明所設計的機械手采用六自由度串并聯混合機構，主體運動機構主要由三自由度并聯轉動平臺模塊1、安裝在三自由度并聯轉動平臺模塊1上方的三自由度串聯移動模塊2和與三自由度串聯移動模塊2連接的末端執行器模塊3組成。 本發明機械手所述的三自由度并聯轉動平臺模塊1 (簡稱模塊1)包括作為基座的靜平臺101和動平臺107(參見圖2);靜平臺101的中心設置約束支鏈的固定支撐桿104，動平臺107的中心通過中心球鉸109與固定支撐桿104相連接，形成約束支鏈；靜平臺101上安裝有三個虎克鉸，即第一虎克鉸102、第二虎克鉸112和第三虎克鉸113，三個虎克鉸分別安裝于以固定支撐桿104為形心的等邊三角形的三個頂點處，且其中的一個虎克鉸(實施例為第三虎克鉸113)位于固定支撐桿104的-Y方向；動平臺107上安裝有三個球鉸，即第一球鉸106、第二球鉸108和第三球鉸105，三個球鉸分別安裝于以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處，且其中的一個球鉸(實施例為第一球鉸106)位于約束支鏈的十Y方向。靜平臺IOI上的三個虎克鉸(即第一虎克鉸102、第二虎克鉸112和第三虎克鉸113)與動平臺107上的三個球鉸(即第一球鉸106、第二球鉸105和第三球鉸108)之間安裝位置相互對應，且三個虎克鉸與三個球鉸之間分別對應連接有三根可以伸縮的電動推桿，即第一虎克鉸102與第一球鉸106之間連接有第一電動推桿103，第二虎克鉸112與第二球鉸108之間連接有第二電動推桿lll，第三虎克鉸113與第三球鉸105之間連接有第三電動推桿110，所述的球鉸、虎克鉸和電動推桿構成動平臺107的轉動支鏈，三根電動推桿的伸縮運動可驅使動平臺107在三個自由度上轉動。簡單說，所述模塊l采用了現有技術的3-UPS/S結構，包含一個約束支鏈和三個轉動支鏈，可有效增加機械手的承載能力，簡化并聯解耦運算，并且有利于計算機械手的整體工作范圍。 本發明機械手所述的三自由度串聯移動模塊2 (簡稱模塊2)包括Y軸、Z軸兩個移動副和一個X軸轉動副(參見圖1、3)。 Y軸移動副的左直線導軌201、右直線導軌216、Y軸絲杠217和Y軸伺服電機218直接安裝在所述的動平臺107上，以節省安裝空間。Y軸滑臺202由Y軸伺服電機218通過Y軸絲杠217驅動，沿左、右直線導軌201、216移動。為了提高X軸的承載能力，本發明的X軸轉動副采用了平行四邊形的四桿機構兩個等長平行的左轉動桿204和右轉動桿213的下端分別通過左轉動軸203和右轉動軸215與Y軸的滑臺202相連接，左轉動桿204和右轉動桿213的上端分別與平動桿206的兩端機械連接。電動推桿(缸)214的兩端分別與所述的右轉動桿213和Y軸滑臺202機械連接。電動推桿214是所述四桿機構的驅動部件。電動推桿(缸)214的長度變化使平動桿206產生沿圓弧軌跡的平動。Z軸移動副的基板212安裝在平動桿206的工作一端(實施例為右端或前端)。Z軸伺服電機208、直線導軌211和Z軸絲杠210分別安裝在Z軸基板212上。Z軸滑臺209由Z軸伺服電機208通過Z軸絲杠210驅動，沿直線導軌211移動，實現垂直于動平臺107平面方向的運動。本發明模塊2可實現大型板材在X軸、Y軸和Z軸三個方向上的準確定位。所設計的平行四邊形的四桿機構可節省運動空間，并可將安裝在它上面的末端執行器3位置提高，有利于干掛工藝的操作。 本發明機械手所述的末端執行器3 (參見圖4)主要包括固定在移動模塊2的Z軸滑臺209上的吸盤架301和在吸盤架301的四角均布安裝的四個真空吸盤，即上左真空吸盤302、上右真空吸盤303、下左真空吸盤304和下右真空吸盤305。真空吸盤技術本身為現有技術，用來吸取待安裝的板材。實施例設計的真空吸盤可以吸附重達50kg的大型板材。
本發明機械手的操作對象為大尺寸或大型板材，重量大，若采用常見的串聯機構形式的機械手臂，則手臂的尺寸和重量將很大，不能滿足高空作業的實際要求。本發明設計的模塊1和模塊2是兩個獨立的部分，在板材的位置控制中，可有效的減少了解耦運算，簡化了結構設計難度。本發明模塊2設計在模塊1的上部，并與末端執行器3相連。機械手工作時，先調整姿態，后調整位置，可以很好地滿足大型板材干掛工藝的動作流程要求。
此外，本發明還設計了輔助定位支撐架4 (參見圖5)，用來進一步保證吸取板材時，板材的豎直軸線與Z軸方向良好重合或平行。輔助定位支撐架4包括H形的支撐架401，支撐架401垂直安裝于Y軸滑臺202的工作一 (前)端上，支撐架401的兩側立柱上分別設置有起定位作用的左擋塊402和右擋塊403，且左擋塊402和右擋塊403安裝位置或高度一致。在機械手吸取板材過程中，只要使板材的下邊緣與支撐架401上的左擋塊402和右擋塊403相接觸，即可滿足板材吸取時的姿態要求。 本發明機械手的工作原理和過程是理想狀態下認為，墻壁是與水平面垂直的，墻
5壁的傾斜度誤差應不超過板材安裝的誤差范圍；安裝好的板材要與水平面垂直，板材的上下邊緣要與水平面平行，且板材之間要相互對齊，共面，間隔一致。 本發明機械手可實現六個自由度的調整定位俯仰，側傾和回轉三個方向上的轉動，前后、左右和上下三個方向上的移動。安裝前，板材處于安裝空間的任意位置，本發明機械手在空間呈現任意的位置姿態。工作時，本發明機械手在控制系統的控制下，先實現三個方向上的轉動，再實現三個方向上的移動，或先實現姿態的調整，使板材先保持與墻體平行，再實現位置的調整，使板材的上下邊緣保持與水平面平行。這種設計可簡化運動控制算法的復雜性，并消除了運動耦合的影響，對于大型板材干掛安裝的工藝特點有很好的適應性。所述的控制系統為現有技術。 具體說，機械手在控制系統的控制下通過改變所述三個電動推桿的長度，調整動平臺107的俯仰角、側傾角和回轉角，使板材的空間姿態滿足工藝要求。該三個自由度的調整可使板材與待安裝的工作表面平行，板材上下邊緣與水平面平行。板材姿態調整完成后，進行板材的位置調整，以實現板材的最終定位安裝首先，控制電動推桿214驅動四桿機構，使板材沿圓弧運動至待安裝平面；然后，Y軸伺服電機218通過Y軸絲杠217帶動Y軸滑臺202向左(右)運動，使得板材左(右)邊緣對齊；最后，Z軸伺服電機208通過Z軸絲杠210帶動Z軸滑臺209向下運動，使得板材的下邊緣對齊，掛件入槽，完成大型板材的機械安裝。 本發明未述及之處適用于現有技術。
權利要求
一種大型板材安裝機械手，其特征在于該機械手包括三自由度并聯轉動平臺模塊，安裝在三自由度并聯轉動平臺模塊上方的三自由度串聯移動模塊和與三自由度串聯移動模塊連接的末端執行器模塊；所述的三自由度并聯轉動平臺模塊包括靜平臺和動平臺，靜平臺的中心與動平臺的中心設置約束支鏈，約束支鏈包括機械連接的固定支撐桿和中心球鉸，固定支撐桿與靜平臺的中心連接，中心球鉸與動平臺的中心連接；在靜平臺上以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處分別安裝有虎克鉸，且其中的一個虎克鉸位于約束支鏈的-Y方向；在動平臺上以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處分別安裝有球鉸，且其中的一個球鉸位于約束支鏈的+Y方向；三個虎克鉸與三個球鉸之間分別對應連接有可以伸縮的電動推桿，構成三個轉動支鏈；所述的三自由度串聯移動模塊包括Y軸、Z軸兩個移動副和一個X軸轉動副；Y軸移動副的直線導軌、Y軸絲杠和Y軸伺服電機直接安裝在所述的動平臺上；Y軸滑臺由Y軸伺服電機通過Y軸絲杠驅動；X軸轉動副采用平行四邊形的四桿機構兩個等長平行的轉動桿的下端分別通過轉動軸與Y軸的滑臺相連接，轉動桿的上端分別與平動桿的兩端機械連接；電動推桿的兩端分別與一個轉動桿和Y軸滑臺機械連接，構成四桿機構的驅動部件；Z軸移動副的基板裝在平動桿的工作一端，Z軸伺服電機、直線導軌和Z軸絲杠分別安裝在Z軸基板上，Z軸滑臺由Z軸伺服電機通過Z軸絲杠驅動，沿垂直于動平臺平面的方向運動；所述的末端執行器模塊包括固定在Z軸滑臺上的吸盤架和在吸盤架四角均布安裝的四個真空吸盤。
2. 根據權利要求1所述的大型板材安裝機械手，其特征在于該機械手還包括輔助定位 支撐架，輔助定位支撐架包括H形的支撐架，支撐架垂直安裝于Y軸滑臺的工作一端上，支 撐架的兩側立柱上分別設置有起定位作用的擋塊，且兩個擋塊的安裝位置一致。
全文摘要
本發明涉及一種大型板材安裝機械手，其特征在于該機械手包括三自由度并聯轉動平臺模塊，安裝在三自由度并聯轉動平臺模塊上方的三自由度串聯移動模塊和與三自由度串聯移動模塊連接的末端執行器模塊；所述的三自由度并聯轉動平臺模塊包括靜平臺和動平臺，靜平臺的中心與動平臺的中心設置一個約束支鏈和以約束支鏈為形心的等邊三角形的三個頂點處的三個轉動支鏈；所述的三自由度串聯移動模塊包括Y軸、Z軸兩個移動副和一個X軸轉動副，X軸轉動副采用平行四邊形的四桿機構所述的末端執行器模塊包括固定在Z軸滑臺上的吸盤架和在吸盤架四角均布安裝的四個真空吸盤。
文檔編號B25J9/00GK101693368SQ200910070740
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月9日 優先權日2009年10月9日
發明者劉今越, 李鐵軍, 楊冬, 王海玲, 趙海文 申請人:河北工業大學;