本發(fā)明涉及挖坑機(jī)領(lǐng)域，特別是一種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

挖坑機(jī)是近幾年才出現(xiàn)的一種以內(nèi)燃機(jī)作為動力源，配以液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)土坑挖掘的機(jī)械設(shè)備，一般由動力系統(tǒng)（拖拉機(jī)或挖掘機(jī)）、液壓系統(tǒng)、機(jī)械鉆挖系統(tǒng)三部分組成，挖坑機(jī)使人們從繁重的體力勞動解放出來，使廣泛應(yīng)用于道路燈桿、綠化挖坑，山地、丘嶺、溝壑區(qū)植樹造林，施肥快速挖坑的專用機(jī)械。

但是，在挖坑機(jī)取得廣泛應(yīng)用的同時，也存在著諸多問題。首先，液壓閥和液壓回路是造成能量損失的主要原因，一般液壓系統(tǒng)的能量損失高達(dá)30%以上，現(xiàn)有挖坑機(jī)由于采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行動力傳遞，不僅能耗高，而且易產(chǎn)生油液泄漏污染環(huán)境，大幅增加了使用及維護(hù)成本；其次，挖坑機(jī)通常采用柴油機(jī)作為液壓傳動系統(tǒng)源動力，還存在著工作噪音大、尾氣排放嚴(yán)重等問題，隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，現(xiàn)有挖坑機(jī)越來越難適應(yīng)人口密集區(qū)的市政工程；另外，隨著數(shù)控一代裝備創(chuàng)新工程的實(shí)施，綠色化、智能化、精確化已成為機(jī)械設(shè)備的重要發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)挖坑機(jī)動力及液壓系統(tǒng)存在著響應(yīng)速度慢、運(yùn)動精度低等問題，難以滿足新一代數(shù)字裝備的性能要求。

隨著以可控機(jī)構(gòu)為代表的機(jī)構(gòu)學(xué)前沿學(xué)科的發(fā)展，以及現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)器人等現(xiàn)代技術(shù)不斷進(jìn)步，為挖坑機(jī)的綠色化、智能化、精密化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，單自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有智能化程度高、能耗低、可靠性高等優(yōu)勢，是一種集綠色化、智能化、精確化于一身的數(shù)字化裝備，雖然成本低，但是一方面，由于單自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的刀頭平臺只能實(shí)現(xiàn)單自由度柔性可控平動，從而使挖坑機(jī)器人的刀頭只能沿圓弧軌跡進(jìn)行挖坑作業(yè)，無法保證較高的挖坑質(zhì)量，在挖坑作業(yè)時，往往通過移動底盤或機(jī)架來實(shí)現(xiàn)來保證所挖坑道具有較高的垂直度，一定程度上影響了挖坑效率和挖坑質(zhì)量；另一方面，不論是現(xiàn)有挖坑機(jī)還是單自由度挖坑機(jī)器人，一旦底盤或機(jī)架位置固定，則挖坑位置相對固定，很難實(shí)現(xiàn)任意調(diào)整，即難以實(shí)現(xiàn)在底盤不動的前提下，挖坑位置的任意改變，影響了密集坑道鉆孔作業(yè)時的挖坑效率。如何提出一種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)，在具有低噪音、零排放、低維護(hù)保養(yǎng)成本等優(yōu)點(diǎn)，以及具有高可靠性、高機(jī)械效率、高智能化等特點(diǎn)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)挖坑機(jī)刀頭兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，在機(jī)架位置不變的前提下，不僅能夠高效、高質(zhì)量的完成挖坑作業(yè)，也能夠迅速實(shí)現(xiàn)挖坑位置的改變，使挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)既能較好適用于人口密集區(qū)域以城市道路燈桿埋設(shè)、綠化施工等為主的市政工程作業(yè)，又能高效率的進(jìn)行密集坑道鉆孔作業(yè)，已成為挖坑機(jī)領(lǐng)域一個亟需解決的工程問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)，在具有低噪音、零排放、低維護(hù)保養(yǎng)成本等優(yōu)點(diǎn)，以及具有高可靠性、高機(jī)械效率、高智能化等特點(diǎn)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)挖坑機(jī)刀頭兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，在機(jī)架位置不變的前提下，不僅能夠高效、高質(zhì)量的完成挖坑作業(yè)，也能夠迅速實(shí)現(xiàn)挖坑位置的改變，使挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)既能較好適用于人口密集區(qū)域以城市道路燈桿埋設(shè)、綠化施工等為主的市政工程作業(yè)，又能高效率的進(jìn)行密集坑道鉆孔作業(yè)。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：

一種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括主臂升降機(jī)構(gòu)、小臂擺動支鏈、水平維持支鏈、刀頭平臺。

所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)為運(yùn)動副均采用轉(zhuǎn)動副的兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)。

所述主臂升降機(jī)構(gòu)包含機(jī)架、主臂、第一主動桿、第一連桿，所述主臂通過轉(zhuǎn)動副與機(jī)架連接，所述第一主動桿一端通過轉(zhuǎn)動副與機(jī)架連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與第一連桿一端連接，所述第一連桿另一端通過轉(zhuǎn)動副與主臂連接。

所述小臂擺動支鏈包括第二主動桿、第二連桿、小臂，所述第二主動桿一端通過轉(zhuǎn)動副與機(jī)架連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與第二連桿一端連接，所述第二連桿另一端通過轉(zhuǎn)動副與小臂連接，所述小臂通過轉(zhuǎn)動副與主臂連接，所述刀頭平臺通過轉(zhuǎn)動副與小臂連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)為運(yùn)動副均采用轉(zhuǎn)動副的兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)，相比含移動副的現(xiàn)有挖坑機(jī)工作裝置，一方面不僅提高了可靠性和機(jī)械效率，而且便于加工、制造及裝配，有效降低了成本；另一方面，由于轉(zhuǎn)動副具有關(guān)節(jié)累積誤差小等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了主臂升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，保證了該挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的施工質(zhì)量，另外，由于挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)，相比單自由度挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有更高的靈活度和可操作性。

所述水平維持支鏈由第三連桿、搖臂、第四連桿組成，所述第三連桿一端通過轉(zhuǎn)動副與機(jī)架連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與搖臂連接，所述搖臂通過轉(zhuǎn)動副安裝在主臂上，所述第四連桿一端通過轉(zhuǎn)動副與搖臂連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與刀頭平臺連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：通過在兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)中引入水平維持支鏈，在挖坑機(jī)器人挖坑作業(yè)過程中，可以實(shí)時保證刀頭平臺與水平面平行，進(jìn)而保證刀頭與地面垂直，相比現(xiàn)有挖坑機(jī)，該挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)所挖坑道具有更好的垂直度。

所述第一主動桿、第二主動桿由安裝在機(jī)架上的伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動。所述刀頭由安裝在刀頭平臺上的伺服驅(qū)動器驅(qū)動控制。通過對伺服電機(jī)系統(tǒng)以及伺服驅(qū)動器的數(shù)控編程控制，實(shí)現(xiàn)刀頭的兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，進(jìn)而保證該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度、高智能化挖坑作業(yè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：相比單自由度挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)在計算機(jī)數(shù)控編程下，能夠?qū)崿F(xiàn)挖坑機(jī)刀頭兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，在機(jī)架位置不變的前提下，挖坑機(jī)刀頭既能夠沿豎直軌跡作垂直運(yùn)動，能夠高效、高質(zhì)量的完成挖坑作業(yè)，獲得較高垂直度的坑道，也能夠迅速實(shí)現(xiàn)挖坑位置的改變，高效率的進(jìn)行小區(qū)域內(nèi)密集鉆孔作業(yè)。該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)不僅低噪音無尾氣排放等優(yōu)勢，而且具有高效化、智能化、綠色化等特點(diǎn)，能更好的適用于人口密集區(qū)域的城市道路燈桿埋設(shè)、綠化工程、樁工作業(yè)等場合。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)在于：

1.該挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動的連桿機(jī)構(gòu)傳動取代了現(xiàn)有挖坑機(jī)的液壓傳動，一方面避免了液壓系統(tǒng)的能量損失，有效提高了挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，降低了能耗；另一方面，避免了液壓系統(tǒng)故障率高，加工制造以及維護(hù)保養(yǎng)成本高等問題，使該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有出色的可靠性和較低的維護(hù)保養(yǎng)成本。

2.連桿機(jī)構(gòu)傳動相比液壓傳動具有響應(yīng)速度快，運(yùn)動精度高等優(yōu)勢，使該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比現(xiàn)有挖坑機(jī)具有更佳的動態(tài)性能。

3.該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)在計算機(jī)編程控制下，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化挖坑作業(yè)，相比現(xiàn)有挖坑機(jī)普遍采用的機(jī)械操縱裝置，不僅智能化程度高，操縱強(qiáng)度低，而且有效保證了所挖坑道的規(guī)范性和一致性，大幅提升了挖坑質(zhì)量和挖坑效率。

4.該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)由于采用伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動，不僅低噪音，而且無尾氣排放，特別適用于人口密集區(qū)域以城市道路燈桿埋設(shè)、綠化施工等為主的市政工程作業(yè)。

5.與單自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比，該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)在計算機(jī)數(shù)控編程下，能夠?qū)崿F(xiàn)挖坑機(jī)刀頭兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，在機(jī)架位置不變的前提下，挖坑機(jī)刀頭既能夠沿豎直軌跡作垂直運(yùn)動，能夠高效、高質(zhì)量的完成挖坑作業(yè)，獲得較高垂直度的鉆坑，也能夠迅速實(shí)現(xiàn)挖坑位置的改變，高效率的進(jìn)行密集坑道鉆孔作業(yè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的主臂升降機(jī)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的小臂擺動支鏈?zhǔn)疽鈭D。

圖4為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的水平維持支鏈?zhǔn)疽鈭D。

圖5為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)三維示意圖。

圖6為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)沿豎直軌跡作業(yè)示意圖。

圖7為本發(fā)明所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)調(diào)整挖坑位置示意圖。

具體實(shí)施方式

以下通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

對照圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，一種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括主臂升降機(jī)構(gòu)、小臂擺動支鏈、水平維持支鏈、刀頭平臺17。所述兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)為運(yùn)動副均采用轉(zhuǎn)動副的兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)。

對照圖1、圖2、圖5，所述主臂升降機(jī)構(gòu)包含機(jī)架1、主臂7、第一主動桿3、第一連桿5，所述主臂7通過轉(zhuǎn)動副8與機(jī)架1連接，所述第一主動桿3一端通過轉(zhuǎn)動副2與機(jī)架1連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副4與第一連桿5一端連接，所述第一連桿5另一端通過轉(zhuǎn)動副6與主臂7連接。

對照圖1、圖3、圖5，所述小臂擺動支鏈包括第二主動桿10、第二連桿12、小臂15，所述第二主動桿10一端通過轉(zhuǎn)動副8與機(jī)架1連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副11與第二連桿12一端連接，所述第二連桿12另一端通過轉(zhuǎn)動副13與小臂15連接，所述小臂15通過轉(zhuǎn)動副9與主臂7連接，所述刀頭平臺17通過轉(zhuǎn)動副16與小臂15連接。

對照圖1、圖5、圖6，兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)為運(yùn)動副均采用轉(zhuǎn)動副的兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)，相比含移動副的現(xiàn)有挖坑機(jī)工作裝置，一方面不僅提高了可靠性和機(jī)械效率，而且便于加工、制造及裝配，有效降低了成本；另一方面，由于轉(zhuǎn)動副具有關(guān)節(jié)累積誤差小等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了主臂升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，保證了該挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)的施工質(zhì)量，另外，由于挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用兩自由度平面連桿機(jī)構(gòu)，相比單自由度挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有更高的靈活度和可操作性。

對照圖1、圖4、圖5，所述水平維持支鏈由第三連桿19、搖臂21、第四連桿23組成，所述第三連桿19一端通過轉(zhuǎn)動副18與機(jī)架1連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副20與搖臂21連接，所述搖臂21通過轉(zhuǎn)動副9安裝在主臂7上，所述第四連桿23一端通過轉(zhuǎn)動副22與搖臂21連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副14與刀頭平臺17連接。通過在兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)中引入水平維持支鏈，在挖坑機(jī)器人挖坑作業(yè)過程中，可以實(shí)時保證刀頭平臺與水平面平行，進(jìn)而保證刀頭與地面垂直，相比現(xiàn)有挖坑機(jī)，該挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)所挖坑道具有更好的垂直度。

對照圖1、圖5、圖6、圖7，所述第一主動桿3、第二主動桿10由安裝在機(jī)架1上的伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動。所述刀頭25由安裝在刀頭平臺17上的伺服驅(qū)動器24驅(qū)動控制。通過對伺服電機(jī)系統(tǒng)以及伺服驅(qū)動器的數(shù)控編程控制，實(shí)現(xiàn)刀頭的兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，進(jìn)而保證該種挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度、高智能化挖坑作業(yè)。相比單自由度挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)在計算機(jī)數(shù)控編程下，能夠?qū)崿F(xiàn)挖坑機(jī)刀頭兩自由度柔性可控高精度運(yùn)動，在機(jī)架位置不變的前提下，挖坑機(jī)刀頭既能夠沿豎直軌跡作垂直運(yùn)動，能夠高效、高質(zhì)量的完成挖坑作業(yè)，獲得較高垂直度的坑道，也能夠迅速實(shí)現(xiàn)挖坑位置的改變，高效率的進(jìn)行小區(qū)域內(nèi)密集鉆孔作業(yè)。該種兩自由度數(shù)控挖坑機(jī)器人機(jī)構(gòu)不僅低噪音無尾氣排放等優(yōu)勢，而且具有高效化、智能化、綠色化等特點(diǎn)，能更好的適用于人口密集區(qū)域的城市道路燈桿埋設(shè)、綠化工程、樁工作業(yè)等場合。