一种变胞式码垛机器人

本发明涉及机器人设计领域，特别是一种变胞式码垛机器人。

变胞机构能在其工作过程中实现多个构态的变换，多个构态对应于多种工作状态，能满足多种不同的工作场合。码垛作业是自动化生产中重要的工作领域，将变胞机构运用于该领域具有广泛的应用前景。中国专利201110184520.9公开了一种变胞机构式码垛机器人机构，但是采用限位块的方式来实现机构构态变换，一方面会容易产生较大冲击振动，容易导致输入电机脉冲不准确，机构容易产生运动失效，另一方面由于限位块的使用会导致工作空间有所减少；中国专利201711082276.9公开了一种变胞机构式码垛机器人，该机器人通过离合器实现构态变换，一方面为了使构态变换后能产生较大的锁紧力，选用的离合器的重量往往较大，不利于减轻机器人的负载重量，另一方面，摩擦式离合器不能提供输出端负载较大时所需的转矩，会导致变换为一自由度构态时离合器无法提供较大转矩而产生运动失效，嵌入式离合器不属于高精度元器件，加上杆件重力及加工装配因素，因此构态变换时难以实现齿形对齿形开合，即使能顺利闭合也会产生较大的振动导致杆件角度发生变化，从而导致输入电机脉冲不准确，机器人控制系统容易发生运动失效。目前，未见有一种构态变换运动控制精度较高、本身负载较轻、结构紧凑、工作空间大的变胞式码垛机器人。

本发明的目的是提供一种变胞式码垛机器人，在实际生产中它能灵活实现构态变换，构态变换控制精度较高，本身负载轻，具有较大的工作空间，能满足实际码垛作业场合。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种变胞式码垛机器人由机架、旋转底座、支链驱动端、从动支链、输出端、变胞装置、检测装置组成；

所述机架的底部与地面固定；

所述旋转底座由垫板、底座旋转减速装置、底座旋转电机、旋转底板组成，底座旋转减速装置由底座旋转减速驱动端和底座旋转减速从动端组成，所述垫板的底部与机架顶部固定，底座旋转减速装置的底部与垫板的顶部固定，底座旋转电机安装在底座旋转减速驱动端，旋转底板的底部与底座旋转减速从动端固定；

所述支链驱动端由抬高架、第一输入减速装置、第一输入电机、第一输入电机减速器、第一固定板、第二输入减速装置、第二输入电机、第二输入电机减速器、第二固定板、嵌入式电磁离合器、大支撑架、大臂驱动杆、辅助大臂驱动杆组成，第一输入减速装置由第一输入减速驱动端和第一输入减速从动端组成，第二输入减速装置由第二输入减速驱动端和第二输入减速从动端组成，嵌入式电磁离合器由电磁离合器定盘和电磁离合器动盘组成，所述抬高架固定在旋转底板顶面一侧，第一固定板竖直固定在抬高架上，第一输入减速装置固定安装在第一固定板上，第一输入电机和第一输入电机减速器配套安装在第一输入减速驱动端，大臂驱动杆的下端与第一输入减速从动端固定，第二固定板固定在旋转底板顶面的另一侧，第二输入减速装置固定安装在第二固定板上，第二输入电机和第二输入电机减速器配套安装在第二输入减速驱动端，电磁离合器定盘固定安装在第二输入减速从动端上，大支撑架固定安装在旋转底板的顶面上，电磁离合器动盘固定安装在辅助大臂驱动杆的下端，辅助大臂驱动杆的下端与大支撑架铰接；

所述从动支链由变胞连杆、小臂杆、水平辅助杆、斜辅助杆、辅助支撑架、辅助弯杆、辅助连杆、辅助输出杆组成，变胞连杆的下端与辅助大臂驱动杆的上端铰接，变胞连杆的上端与小臂杆铰接，辅助支撑架固定在旋转底板的顶面上，辅助弯杆的下端与辅助支撑架铰接，辅助弯杆的上端与水平辅助杆后端铰接，水平辅助杆的前端与大臂驱动杆的上端、小臂杆的后端三者同时铰接，斜辅助杆的下端与水平辅助杆的前端固定，斜辅助杆的上端与辅助连杆的上端铰接，辅助连杆的下端与辅助输出杆的上端铰接，辅助输出杆的下端与小臂杆的前端铰接；

所述输出端由输出支撑杆、输出旋转电机、电磁铁组成，输出支撑杆的后端与辅助输出杆的下端固定，输出旋转电机竖直安装在辅助输出杆上，电磁铁固定安装在输出旋转电机的转动轴下端；

所述变胞装置由气动伸缩插销装置、气动插销孔、变胞光电开关、变胞限位挡块组成，气动伸缩插销装置由气动伸缩插销、气动伸缩插销插入行程开关、气动伸缩插销拔出行程开关组成，气动伸缩插销插入行程开关和气动伸缩插销拔出行程开关设在气动伸缩插销上。气动插销孔固定在小臂杆的后端，气动伸缩插销安装在变胞连杆中能与插入气动插销孔的相应位置，变胞光电开关与变胞限位挡块配合安装，变胞光电开关固定在小臂杆上，变胞限位挡块固定在变胞连杆上；

所述检测装置由第一光电开关、第一限位挡块、第二光电开关、第二限位挡块、第三光电开关、第三限位挡块组成，第一光电开关和第一限位挡块配合安装，第一限位挡块固定在大臂驱动杆上，第一光电开关固定在第一输入减速装置上，两者重合的位置为机器人处于零自由度构态时的状态，第二光电开关和第二限位挡块配合安装，第二限位挡块固定在辅助大臂驱动杆上，第二光电开关固定在大支撑架上，两者重合的位置为机器人处于零自由度构态时的状态，第三光电开关和第三限位挡块配合安装，第三限位挡块固定在变胞连杆上，第三光电开关固定在小臂杆上，两者重合的位置为变胞连杆与小臂杆之间夹角超过范围即将超出本发明理论工作空间的位置。

所述第一输入减速装置只能通过第一输入减速驱动端实现对第一输入减速从动端的驱动，第一输入减速从动端不能反向驱动第一输入减速驱动端，第二输入减速装置只能通过第二输入减速驱动端实现对第二输入减速从动端的驱动，第二输入减速从动端不能反向驱动第二输入减速驱动端，底座旋转减速装置只能通过底座旋转减速驱动端实现对底座旋转减速从动端的驱动，底座旋转减速从动端不能反向驱动底座旋转减速驱动端。

当所述辅助大臂驱动杆在处于向后水平状态时与大支撑架相固定。

所述辅助大臂驱动杆的上端与变胞连杆下端铰接处位于辅助大臂驱动杆的最下端与变胞连杆最上端连线处的上方。所述第一输入减速从动端与第二输入减速从动端水平方向回转轴线平齐，第二输入减速从动端的回转轴线位于第一输入减速从动端的回转轴线的竖直方向的正下方。所述变胞连杆的上端和小臂杆铰接处位于大臂驱动杆的上端与小臂杆铰接处的下方。

所述变胞式码垛机器人工作时，大臂驱动杆由第一输入电机驱动实现转动，辅助大臂驱动杆由第二输入电机驱动实现转动，旋转底板由底座旋转电机驱动实现转动，电磁铁由输出旋转电机驱动实现转动。当嵌入式电磁离合器处于闭合状态，气动伸缩插销处于拔出状态，第一输入电机和第二输入电机工作，机器人处于二自由度构态，为精确定位状态；当嵌入式电磁离合器处于打开状态，气动伸缩插销处于插入状态，第二输入电机停止工作，第一输入电机工作，机器人处于一自由度构态，为快速运动状态；当辅助大臂驱动杆处于向后水平状态时与大支撑架相固定，大臂杆处于初始状态时，嵌入式电磁离合器处于打开状态，气动伸缩插销处于拔出状态，第一输入电机和第二输入电机均停止工作，机器人处于零自由度构态，为停机状态，此时第一限位挡块与第一光电开关重合，第二限位挡块与第二光电开关重合，便于检测机器人是否处在可停机状态。第一限位挡块与第一光电开关重合是第一输入电机脉冲零位，第二限位挡块与第二光电开关重合是第二输入电机脉冲零位。当第三限位挡块和第三光电开关不重合时，机器人能正常工作，若两者重合时，机器人处于限位状态，需要对第一输入电机或第二输入电机脉冲位置进行调整后使得两者不再重合才能工作。

本发明构态变换控制检测方式如下：当变胞限位挡块和变胞光电开关不重合时，机器人不能切换构态，当两者重合时，机器人能切换构态。若此时机器人需要由二自由度构态切换为一自由度构态，此时气动伸缩插销在空压机提供的气压作用下插入气动插销孔，若气动伸缩插销插入行程开关识别到位，则嵌入式电磁离合器打开，由于气动伸缩插销与气动插销孔之间必然存在间隙，此时电磁离合器动盘与电磁离合器定盘之间会产生转动错误，此时为了运动控制的准确性，通过第二输入电机进行相应的脉冲补偿，修正这一构态变换导致的运行误差，若气动伸缩插销插入行程开关没有识别到位，则构态变换失效，需重新调整相关运动控制参数；若此时机器人需要由一自由度构态切换为二自由度构态，由于此时气动伸缩插销与气动插销孔之间由于重力和阻力作用下存在挤压，气动伸缩插销在空压机提供的气压作用下难以从气动插销孔拔出，通过第二输入电机进行脉冲补偿运动，调整电磁离合器定盘到至与电磁离合器动盘原对齐位置，该位置可用标记线进行判断，到达该位置位后嵌入式电磁离合器闭合，第二输入电机再进行相应的脉冲补偿运动，修正构态变换的运动误差，可到原气动伸缩插销插入的位置，该位置可拔出气动伸缩插销，顺利实现构态切换，若气动伸缩插销拔出行程开关没有识别到位，则构态变换失效，需重新调整相关运动控制参数。为保证第二输入电机脉冲的准确性，本发明在二自由度状态时，电磁离合器定盘与电磁离合器动盘需在对齐位置，该位置可用标记线进行判断。

本发明的突出优点在于：

1.本发明实现构态变换通过变胞光电开关、变胞限位挡块、气动伸缩插销插入行程开关、气动伸缩插销拔出行程开关进行运动状态检测，构态变换过程较为安全，不会对机器人零部件产生破坏。

2.本发明在构态变换时通过第二输入电机进行相应的脉冲补偿，可有效修正的构态变换的产生的运动误差，控制精度高，有利于减少构态变换带来的冲击振动，且变胞装置简单实用，重量较轻。

3. 本发明采用嵌入式电磁离合器实现辅助大臂驱动杆的驱动，能确定辅助大臂驱动杆具有较大的驱动转矩，确保本发明承受负载的情况下在其工作空间内正常运行，且在该构型布局下各杆件干涉少，本发明输出端的运动空间较大，在停机时辅助大臂驱动杆处于向后水平的状态，此时辅助大臂驱动杆与旋转底板固定，停机断电时嵌入式电磁离合器处于打开状态，机器人整体处于零自由度的自锁状态，本发明不会有任何的相对运动。

图1为本发明所述的变胞式码垛机器人的二自由度构态结构视图

图2为本发明所述的变胞式码垛机器人的一自由度构态结构视图

图3为本发明所述的变胞式码垛机器人的零自由度构态结构视图

图4为本发明所述的变胞式码垛机器人局部放大结构视图Ⅰ

图5为本发明所述的变胞式码垛机器人局部放大结构视图Ⅱ

图6为本发明所述的变胞式码垛机器人局部放大结构视图Ⅲ

图中标记为：机架1、底座旋转减速装置2、底座旋转减速驱动端2-1、底座旋转减速从动端2-2、底座旋转电机3、第二输入电机4、第二输入电机减速器5、第一输入电机6、第一输入电机减速器7、辅助支撑架8、辅助大臂驱动杆9、辅助弯杆10、变胞连杆11、水平辅助杆12、斜辅助杆13、辅助连杆14、辅助输出杆15、输出旋转电机16、输出支撑杆17、电磁铁18、小臂杆19、大臂驱动杆20、第一输入减速装置21、第一输入减速驱动端21-1、第一输入减速从动端21-2、第一固定板22、抬高架23、第二固定板24、旋转底板25、垫板26、第二输入减速装置27、第二输入减速驱动端27-1、第二输入减速从动端27-2、嵌入式电磁离合器28、电磁离合器动盘28-1、电磁离合器定盘28-2、大支撑架29、气动插销孔30、变胞限位挡块31、第三限位挡块32、第三光电开关33、变胞光电开关34、气动伸缩插销装置35、气动伸缩插销35-1、气动伸缩插销插入行程开关35-2、气动伸缩插销拔出行程开关35-3、第一限位挡块36、第一光电开关37、第二限位挡块38、第二光电开关39。

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

对照图1、图2、图3、图4、图5和图6， 一种变胞式码垛机器人由机架1、旋转底座、支链驱动端、从动支链、输出端、变胞装置、检测装置组成；

所述机架1的底部与地面固定；

所述旋转底座由垫板26、底座旋转减速装置2、底座旋转电机3、旋转底板25组成，底座旋转减速装置2由底座旋转减速驱动端2-1和底座旋转减速从动端2-2组成，所述垫板26的底部与机架1顶部固定，底座旋转减速装置2的底部与垫板26的顶部固定，底座旋转电机3安装在底座旋转减速驱动端2-1，旋转底板25的底部与底座旋转减速从动端2-2固定；

所述支链驱动端由抬高架23、第一输入减速装置21、第一输入电机6、第一输入电机减速器7、第一固定板22、第二输入减速装置27、第二输入电机4、第二输入电机减速器5、第二固定板24、嵌入式电磁离合器28、大支撑架29、大臂驱动杆20、辅助大臂驱动杆9组成，第一输入减速装置21由第一输入减速驱动端21-1和第一输入减速从动端21-2组成，第二输入减速装置27由第二输入减速驱动端27-1和第二输入减速从动端27-2组成，嵌入式电磁离合器28由电磁离合器定盘28-2和电磁离合器动盘28-1组成，所述抬高架23固定在旋转底板25顶面一侧，第一固定板22竖直固定在抬高架23上，第一输入减速装置21固定安装在第一固定板22上，第一输入电机6和第一输入电机减速器7配套安装在第一输入减速驱动端21-1，大臂驱动杆20的下端与第一输入减速从动端21-2固定，第二固定板24固定在旋转底板25顶面的另一侧，第二输入减速装置27固定安装在第二固定板24上，第二输入电机4和第二输入电机减速器5配套安装在第二输入减速驱动端27-1，电磁离合器定盘28-2固定安装在第二输入减速从动端27-2上，大支撑架29固定安装在旋转底板25的顶面上，电磁离合器动盘28-1固定安装在辅助大臂驱动杆9的下端，辅助大臂驱动杆9的下端与大支撑架29铰接；

所述从动支链由变胞连杆11、小臂杆19、水平辅助杆12、斜辅助杆13、辅助支撑架8、辅助弯杆10、辅助连杆14、辅助输出杆15组成，变胞连杆11的下端与辅助大臂驱动杆9的上端铰接，变胞连杆11的上端与小臂杆19铰接，辅助支撑架8固定在旋转底板25的顶面上，辅助弯杆10的下端与辅助支撑架8铰接，辅助弯杆10的上端与水平辅助杆12后端铰接，水平辅助杆12的前端与大臂驱动杆20的上端、小臂杆19的后端三者同时铰接，斜辅助杆13的下端与水平辅助杆12的前端固定，斜辅助杆13的上端与辅助连杆14的上端铰接，辅助连杆14的下端与辅助输出杆15的上端铰接，辅助输出杆15的下端与小臂杆19的前端铰接；

所述输出端由输出支撑杆17、输出旋转电机16、电磁铁18组成，输出支撑杆17的后端与辅助输出杆15的下端固定，输出旋转电机16竖直安装在辅助输出杆15上，电磁铁18固定安装在输出旋转电机16的转动轴下端；

所述变胞装置由气动伸缩插销装置35、气动插销孔30、变胞光电开关34、变胞限位挡块31组成，气动伸缩插销装置35由气动伸缩插销35-1、气动伸缩插销插入行程开关35-2、气动伸缩插销拔出行程开关35-3组成，气动伸缩插销插入行程开关35-2和气动伸缩插销拔出行程开关35-3设在气动伸缩插销35-1上。气动插销孔30固定在小臂杆19的后端，气动伸缩插销35-1安装在变胞连杆11中能与插入气动插销孔30的相应位置，变胞光电开关34与变胞限位挡块31配合安装，变胞光电开关34固定在小臂杆19上，变胞限位挡块31固定在变胞连杆11上；

所述检测装置由第一光电开关37、第一限位挡块36、第二光电开关39、第二限位挡块38、第三光电开关33、第三限位挡块32组成，第一光电开关37和第一限位挡块36配合安装，第一限位挡块36固定在大臂驱动杆20上，第一光电开关37固定在第一输入减速装置21上，两者重合的位置为机器人处于零自由度构态时的状态，第二光电开关39和第二限位挡块38配合安装，第二限位挡块38固定在辅助大臂驱动杆9上，第二光电开关39固定在大支撑架29上，两者重合的位置为机器人处于零自由度构态时的状态，第三光电开关33和第三限位挡块32配合安装，第三限位挡块32固定在变胞连杆11上，第三光电开关33固定在小臂杆19上，两者重合的位置为变胞连杆11与小臂杆19之间夹角超过范围即将超出本发明理论工作空间的位置。

所述第一输入减速装置21只能通过第一输入减速驱动端21-1实现对第一输入减速从动端21-2的驱动，第一输入减速从动端21-2不能反向驱动第一输入减速驱动端21-1，第二输入减速装置27只能通过第二输入减速驱动端27-1实现对第二输入减速从动端27-2的驱动，第二输入减速从动端27-2不能反向驱动第二输入减速驱动端27-1，底座旋转减速装置2只能通过底座旋转减速驱动端2-1实现对底座旋转减速从动端2-2的驱动，底座旋转减速从动端2-2不能反向驱动底座旋转减速驱动端2-1。

当所述辅助大臂驱动杆9在处于向后水平状态时与大支撑架29相固定。

所述辅助大臂驱动杆9的上端与变胞连杆11下端铰接处位于辅助大臂驱动杆9的最下端与变胞连杆11最上端连线处的上方。所述第一输入减速从动端21-2与第二输入减速从动端27-2水平方向回转轴线平齐，第二输入减速从动端27-2的回转轴线位于第一输入减速从动端21-2的回转轴线的竖直方向的正下方。所述变胞连杆11的上端和小臂杆19铰接处位于大臂驱动杆20的上端与小臂杆19铰接处的下方。

所述变胞式码垛机器人工作时，大臂驱动杆20由第一输入电机6驱动实现转动，辅助大臂驱动杆9由第二输入电机4驱动实现转动，旋转底板25由底座旋转电机3驱动实现转动，电磁铁18由输出旋转电机16驱动实现转动。当嵌入式电磁离合器28处于闭合状态，气动伸缩插销35-1处于拔出状态，第一输入电机6和第二输入电机4工作，机器人处于二自由度构态，为精确定位状态；当嵌入式电磁离合器28处于打开状态，气动伸缩插销35-1处于插入状态，第二输入电机4停止工作，第一输入电机6工作，机器人处于一自由度构态，为快速运动状态；当辅助大臂驱动杆9处于向后水平状态时与大支撑架29相固定，大臂杆处于初始状态时，嵌入式电磁离合器28处于打开状态，气动伸缩插销35-1处于拔出状态，第一输入电机6和第二输入电机4均停止工作，机器人处于零自由度构态，为停机状态，此时第一限位挡块36与第一光电开关37重合，第二限位挡块38与第二光电开关39重合，便于检测机器人是否处在可停机状态。第一限位挡块36与第一光电开关37重合是第一输入电机6脉冲零位，第二限位挡块38与第二光电开关39重合是第二输入电机4脉冲零位。当第三限位挡块32和第三光电开关33不重合时，机器人能正常工作，若两者重合时，机器人处于限位状态，需要对第一输入电机6或第二输入电机4脉冲位置进行调整后使得两者不再重合才能工作。

本发明构态变换控制检测方式如下：当变胞限位挡块31和变胞光电开关34不重合时，机器人不能切换构态，当两者重合时，机器人能切换构态。若此时机器人需要由二自由度构态切换为一自由度构态，此时气动伸缩插销35-1在空压机提供的气压作用下插入气动插销孔30，若气动伸缩插销插入行程开关35-2识别到位，则嵌入式电磁离合器28打开，由于气动伸缩插销35-1与气动插销孔30之间必然存在间隙，此时电磁离合器动盘28-1与电磁离合器定盘28-2之间会产生转动错误，此时为了运动控制的准确性，通过第二输入电机4进行相应的脉冲补偿，修正这一构态变换导致的运行误差，若气动伸缩插销插入行程开关35-2没有识别到位，则构态变换失效，需重新调整相关运动控制参数；若此时机器人需要由一自由度构态切换为二自由度构态，由于此时气动伸缩插销35-1与气动插销孔30之间由于重力和阻力作用下存在挤压，此时气动伸缩插销35-1在空压机提供的气压作用下难以从气动插销孔30拔出，通过第二输入电机6进行脉冲补偿运动，调整电磁离合器定盘28-2到至与电磁离合器动盘28-1原对齐位置，该位置可用标记线进行判断，到达该位置位后嵌入式电磁离合器28闭合，第二输入电机4再进行相应的脉冲补偿运动，修正构态变换的运动误差，可到原气动伸缩插销35-1插入的位置，该位置可拔出气动伸缩插销35-1，顺利实现构态切换，若气动伸缩插销拔出行程开关35-3没有识别到位，则构态变换失效，需重新调整相关运动控制参数。为保证第二输入电机6脉冲的准确性，本发明在二自由度状态时，电磁离合器定盘28-2与电磁离合器动盘28-1需在对齐位置，该位置可用标记线进行判断。