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制造技术

本发明专利技术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，发明专利技术机器人的自转运动、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。本发明专利技术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。

A four degree of freedom grasping robot based on the driving unit of electro-hydraulic actuator

The invention belongs to the technical field of tunnel construction, in particular to a four degree of freedom grabbing robot based on the driving unit of an electric Hydrostatic Actuator, which solves the problems of long driving chain, complex and non compact structure, small power density, low integration degree, complex and lengthy pipeline based on the traditional hydraulic transmission system, inconvenient and poor flexibility in handling, etc The rotation motion of the robot, the telescoping motion of the big arm, the pitching motion of the small arm and the pitching motion of the wrist unit are respectively realized by an EHA actuator. Each EHA actuator unit is a self-contained system, which no longer needs a central energy system, greatly reduces the hydraulic pipeline, is convenient and flexible for handling, and greatly reduces the requirements for application occasions; meanwhile, the structure is compact , high power density. The opening and closing of the robot claw is driven by a hydraulic cylinder, which has the advantages of compact structure, high integration, small modeling, high power density, etc.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于隧道施工
，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。
技术介绍
随着工业社会的发展，抓取机器人在节约成本、提高生产效率、提高工作安全性、提高管理效率等方面有着巨大的潜力。对目标物体进行抓取和放置操作是工业机器人的常见执行动作之一，同时也是分拣、搬运、码垛和装配的支撑性技术。抓取操作要求在极短的时间内将目标物体从一个位置运动到另一个位置，在某些情况下还要同时完成对目标物体的姿态的调整。目前主流的抓取机器人，其运动的传递方式普遍采用电机+齿轮传动、电机+带传动或基于传统的液压作动系统的液压传动。电机+齿轮或电机+带传动的运动传递方式传动链长、结构复杂且不紧凑、功率密度小、集成度低、受工况环境限制严重等局限性，使得末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限；虽然基于传统的液压作动系统的液压传动的运动传递方式在一定程度上克服传统的基于电机传动的弊端，如传动链大大缩短、结构也更加紧凑、功率密度得到了极大的提高，集成度也得到了提高，但液压传动本身存在着一些诸如泄露、噪音、管路复杂且冗长以及搬运不方便灵活性差等缺点。随着国内外液压技术的不断进步，伺服液压系统向提高系统效率，电力驱动方向发展，逐步发展出了功率电传作动器。电传作动器是指通过电力传递功率的作动系统。目前，功率电传作动器主要有两种形式，即机电作动器（EMA，ElectricalMechanicalActuator）和电动静液作动器（EHA，ElectricalHydrostaticActuator）。EHA（电动静液作动器）将电机、泵和执行器集成于一体，结构紧凑，功率密度大，搬运方便灵活性高；同时，可避免应用集中液压能源系统时的节流方式功率分配，以及动力源与执行器间的长液压管路；有效的克服了基于传统的液压作动系统的液压传动的运动传递方式的管路复杂且冗长以及搬运不方便灵活性差等弊端。
技术实现思路
本专利技术针对上述基于电机+齿轮传动、电机+带传动或传统的液压作动系统的液压传动的抓取机器人存在的问题，为了有效解决基于电机传动的机器人因传动链长、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机器人效率低和管路复杂且冗长以及搬运不方便灵活性差而导致末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限的问题，提供了一种结构紧凑、传动链短、集成度高、功率密度大、搬运方便灵活性高、避免了应用集中液压能源系统时的节流方式功率分配及动力源与执行器间的长液压管路的基于电动静液作动器驱动单元的四自由度抓取机器人。本专利技术是通过如下技术方案实现的：包括第一EHA驱动单元、第二EHA驱动单元、第三EHA驱动单元、第四EHA驱动单元、供油单元、底座、托盘、法兰盘、机架、直线轴承、大臂、滚动轴承、小臂、腕部单元、机械爪、爪驱动油缸、第五位移传感器；其中第一EHA驱动单元由第一电机、第一双向定量泵、第一蓄能器、第一作动液压马达和第一角度传感器组成；第二EHA驱动单元由第二电机、第二双向定量泵、第二蓄能器、第一作动液压油缸和第二位移传感器组成；第三EHA驱动单元由第三电机、第三双向定量泵、第三蓄能器、第三作动液压马达和第三角度传感器组成；第四EHA驱动单元由第四电机、第四双向定量泵、第四蓄能器、第四作动液压马达和第四角度传感器组成；供油单元由油箱、第五电机和第五双向定量泵组成。底座底部与四个托盘通过螺纹副进行固接，底部开设有安放第一EHA驱动单元及供油单元的柱形槽以及供马达轴伸出的圆孔，为了加强底座与下一个部件的连接强度在底座顶部加设有一个长方体凸台，同时为了使底座的剩余空间得到充分利用，在底座右侧开设有一个柱形槽用作油箱；第一EHA驱动单元的液压马达的壳体通过螺钉固接在底座底部的柱形槽内，液压马达的输出轴与底座转动连接；供油单元的壳体通过螺钉固接在底座底部的柱形槽内。考虑到机架与法兰盘、第二EHA驱动单元、直线轴承和大臂的连接关系，在机架底部设有与法兰盘连接的辅助肋板，中部开设有安放第二EHA驱动单元的柱形槽以及供大臂伸缩的圆孔，顶部开设有安放直线轴承的圆柱形槽；直线轴承的主要作用是配合大臂完成直线方向的伸缩运动，直线轴承的外圈与机架固接；机架通过螺钉与法兰盘完成固接，法兰盘与第一EHA驱动单元的输出轴固接；第二EHA驱动单元的液压油缸的缸体与机架固接，油缸的输出轴与大臂的底部固接。考虑到第三EHA驱动单元、大臂和小臂三者间的连接关系，在大臂与小臂的转动连接处，给小臂加设有安放轴承的圆环形凸台以及供第三EHA驱动单元输出轴伸出的圆孔，第三EHA驱动单元的液压马达的缸体通过螺钉与小臂的一侧固接，液压马达的输出轴通过两个滚动轴承与小臂转动连接，同时输出轴与大臂固定连接。在小臂与腕部单元的转动连接处，第四EHA驱动单元的液压马达的缸体通过螺钉与小臂的一侧固接，液压马达的输出轴与小臂转动连接，同时输出轴与腕部单元固定连接；腕部单元与机械爪固接，机械爪为对称机构，由六组杆组和两个基座通过转动连接构成，爪驱动油缸的缸体与第一基座固接，爪驱动油缸的输出轴与第二基座固接，爪驱动油缸上装有第五位移传感器。第一EHA驱动单元动作时将驱动第一作动液压马达带动法兰盘转动，法兰盘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驱动单元动作时将驱动第一作动液压油缸带动大臂沿着轴向A—A做直线伸缩运动；第三EHA驱动单元动作时将驱动第三作动液压马达带动小臂绕着轴向B—B作一定角度的转动，从而实现小臂的仰俯运动；第四EHA驱动单元动作时将驱动第四作动液压马达带动腕部单元绕着轴向C—C作一定角度的转动，从而实现腕部单元的仰俯运动；当爪驱动油缸处于完全缩回状态时，机械爪处于完全张开姿态，爪驱动油缸动作时将驱动第二基座作上下直线运动，从而实现了机械爪的开合运动；最后通过第一角度传感器、第二位移传感器、第三角度传感器、第四角度传感器和第五位移传感器的角度信号和位移信号的反馈可实现对本专利技术一种基于EHA驱动单元的四自由度抓取机器人的爪姿态的控制。基于EHA驱动单元的四自由度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、第五双向定量泵、油箱、三位四通电磁换向阀及爪驱动油缸；第一EHA驱动系统包括第一电机、第一双向定量泵、第一液控单向阀、第一溢流阀、第一蓄能器、第一补油单向阀组、第一过滤器组、第一安全阀组、第一旁通阀及第一作动液压马达；第二EHA驱动系统包括第二电机、第二双向定量泵、第二液控单向阀、第二溢流阀、第二蓄能器、第二补油单向阀组、第二过滤器组、第二安全阀组、第二旁通阀及第一作动液压油缸；第三EHA驱动系统包括第三电机、第三双向定量泵、第三液控单向阀、第三溢流阀、第三蓄能器、第三补油单向阀组、第三过滤器组、第三安全阀组、第三旁通阀及第三作动液压马达；第四EHA驱动系统包括第四电机、第四双向定量泵、第四液控单向阀、第四溢流阀、第四蓄能器、第四补油单向阀组、第四过滤器组、第四安全阀组、第四旁通阀及第四作动液压马达；二位二通换向阀的两个阀口分别和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切换至中位，二位本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪成文，陈帅，张震阳，郭新平，兰媛，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14