基于模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

張恒

[摘? ? 要]以模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)為對(duì)象，模塊采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)多種不同工作環(huán)境下對(duì)支撐設(shè)備的需求，在傳統(tǒng)支撐設(shè)備的基礎(chǔ)上加以革新，為智能平臺(tái)找到適合其工作的用途，針對(duì)不同用途進(jìn)行發(fā)散設(shè)計(jì)，為不同模塊設(shè)計(jì)統(tǒng)一的接口及供電標(biāo)準(zhǔn)且方便拆卸，通過(guò)不同的組合提升模塊使用時(shí)靈活性和效率，并為未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化留下了空間。

[關(guān)鍵詞]升降平臺(tái);模塊化; 機(jī)械臂

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP241 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–02

Design of Robotic Arm Lifting Platform Based on Modular Combination

Zhang Heng

[Abstract]Take the modular combined robotic arm lifting platform as the object. The module adopts the robotic arm structure. Through the demand for supporting equipment in a variety of different working environments， it is innovated on the basis of traditional supporting equipment to find a smart platform suitable for it. The purpose of the work， divergent design for different purposes， the design of unified interfaces and power supply standards for different modules and easy disassembly， through different combinations to improve the flexibility and efficiency of the use of modules， and leave room for future automation.

[Keywords]lifting platform; modular; robotic arm

1 升降平臺(tái)的概述

1.1 升降平臺(tái)的簡(jiǎn)介

升降平臺(tái)是一種垂直運(yùn)送人或物的起重機(jī)械，具有重量輕、自行走、電啟動(dòng)、自支腿、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)面大，能跨越障礙進(jìn)行高空作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于高空的安裝、維修，碼頭、物流中心貨物運(yùn)輸，建筑裝潢等場(chǎng)所，在一些歌劇院，舞劇院，話(huà)劇院也都配備著各種升降平臺(tái)[1]。

1.2 升降平臺(tái)的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

市場(chǎng)上，大型的升降支撐裝置主要通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)：一是齒輪齒條式;二是頂升液壓缸式[2]。

1.2.1 齒輪齒條式

齒輪齒條式優(yōu)點(diǎn)是升降速度快，可連續(xù)升降，操作靈活方便。缺點(diǎn)就在于需要龐大復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)，體積大，齒輪和齒條材料和制造工藝要求高，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易發(fā)生故障。

1.2.2 頂升液壓式

頂升液壓式優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行過(guò)程中能方便地進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大低速性能好;易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，且液壓介質(zhì)具有彈性和收縮性能，使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化;缺點(diǎn)在于不能連續(xù)升降，步序轉(zhuǎn)換時(shí)有沖擊;升降速度慢。

但這2種傳統(tǒng)升降方式的局限性就在于一旦安裝無(wú)法拆卸且作用位置非常受限，不能滿(mǎn)足一些復(fù)雜環(huán)境或因臨時(shí)需要而調(diào)用的場(chǎng)景。我們發(fā)現(xiàn)將機(jī)械臂應(yīng)用于升降支撐也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。機(jī)械臂既能滿(mǎn)足升降的平穩(wěn)性，并且因其體積不大且也可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)模塊化，大大提高了它的優(yōu)勢(shì)。

2 模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)工作優(yōu)點(diǎn)

（1）創(chuàng)新性的引入了模塊化思想，令設(shè)備具有了更強(qiáng)的適應(yīng)性。模塊化的設(shè)計(jì)可針對(duì)不同的工作環(huán)境裝配不同的配置，能夠更加靈活、高效地適用于不同的工作、生產(chǎn)環(huán)境，相較于傳統(tǒng)支撐平臺(tái)具有不更換主體，僅改變配件就可執(zhí)行特定任務(wù)的巨大勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

（2）模塊采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂是一種高精度的機(jī)械手，其多關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很好的機(jī)動(dòng)性和可控性，因其獨(dú)特的操作靈活性，已在工業(yè)裝配、安全防爆等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂在復(fù)雜情況下不但可以快速運(yùn)動(dòng)，而且可控性高，可以按照預(yù)期的規(guī)劃路徑完成作業(yè)，能夠高效的面對(duì)復(fù)雜環(huán)境。模塊采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)運(yùn)動(dòng)路徑的不同，選用不同的機(jī)械臂模塊，模塊化機(jī)械臂采用快速安裝結(jié)構(gòu)形式，便于組合安裝，并有利于智能化控制。

（3）不同型號(hào)支撐平臺(tái)零件從設(shè)計(jì)之初就實(shí)現(xiàn)了互通，能夠?qū)崿F(xiàn)較低的生產(chǎn)和維修成品，節(jié)省開(kāi)支，增強(qiáng)產(chǎn)品的可維護(hù)性，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。

（4）平臺(tái)具有通訊和處理器單元，可以適用于未來(lái)的智能工作環(huán)境，能夠作為AI模塊的硬件載體，并在未來(lái)借助人工智能實(shí)現(xiàn)更高效率的自主作業(yè)。

（5）具有統(tǒng)一的供電及連接標(biāo)準(zhǔn)，便于后續(xù)新模塊的設(shè)計(jì)，新模塊的加入能提高產(chǎn)品的使用周期，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，能有效的防止資源浪費(fèi)。

（6）具有良好的兼容性和寬容度，甚至可以做到模塊系統(tǒng)的開(kāi)源化，使更多的人參與到新模塊的設(shè)計(jì)中去，產(chǎn)生良性循環(huán)。

3 模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)是一種減震防傾覆升降平臺(tái)，包括底座，底座下表面的四角處分別安裝有萬(wàn)向鎖定輪，底座下表面4個(gè)側(cè)邊的中部分別螺紋連接支撐機(jī)構(gòu);支撐機(jī)構(gòu)包括螺桿、支撐板、鎖緊板和第一彈簧，螺桿的底部垂直一體連接支撐板，螺桿上套有第一彈簧，底座上表面通過(guò)剪叉組件連接工作平臺(tái)，底座上表面四角處分別螺紋固定一個(gè)電動(dòng)升降桿，四個(gè)電動(dòng)升降桿的頂部與工作平臺(tái)固定連接，工作平臺(tái)下表面四角處分別螺紋連接一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，減震機(jī)構(gòu)包括連接板、護(hù)筒和第二彈簧，連接板的下表面垂直固定護(hù)筒，護(hù)筒內(nèi)設(shè)有第二彈簧，第二彈簧套在電動(dòng)升降桿的頂部;工作平臺(tái)的四周固定設(shè)置護(hù)欄，護(hù)欄至少三個(gè)側(cè)壁的頂部的中間位置向外延伸出放置籃。圖1為模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)，圖2為工作平臺(tái)和護(hù)欄的結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

如圖1、2所示，本設(shè)計(jì)提供了一種減震防傾覆升降平臺(tái)，包括底座1、剪叉組件2、護(hù)欄3、電動(dòng)升降桿4、氣缸5、支撐機(jī)構(gòu)6、減震機(jī)構(gòu)7、萬(wàn)向鎖定輪8和工作平臺(tái)9。底座1呈矩形板狀，底座1下表面的四角處分別安裝有萬(wàn)向鎖定輪，設(shè)置萬(wàn)向鎖定輪便于對(duì)平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)，方便使用。且底座1下表面四個(gè)側(cè)邊的中部分別開(kāi)設(shè)一個(gè)螺紋孔11，通過(guò)四個(gè)螺紋孔11分別螺紋連接支撐機(jī)構(gòu)6。

支撐機(jī)構(gòu)包括螺桿、支撐板、墊板、鎖緊板和第一彈簧，螺桿的底部垂直一體連接支撐板，支撐板的底部固定連接墊板，墊板采用帶有摩擦紋的橡膠墊，以增大與地面的摩擦力，螺桿與螺紋孔螺紋連接，當(dāng)螺桿旋入螺紋孔底部時(shí)，墊板與地面存在間隙，方便平臺(tái)的移動(dòng)。進(jìn)一步地，螺桿上螺紋連接鎖緊板，支撐時(shí)，螺桿向下運(yùn)動(dòng)至墊板緊貼地面，擰動(dòng)鎖緊板，使其向上運(yùn)動(dòng)至緊貼底座下表面，可以防止螺桿的松動(dòng)。進(jìn)一步地，螺桿上套有第一彈簧，第一彈簧位于支撐板和鎖緊板之間，支撐板的上表面和鎖緊板的下表面固定有限位環(huán)，第一彈簧的設(shè)置，一方面起到減震作用，另一方面起到彈性支撐的作用。

底座上表面通過(guò)剪叉組件連接工作平臺(tái)，剪叉組件通過(guò)其兩側(cè)的氣缸帶動(dòng)，本設(shè)計(jì)的剪叉組件屬于現(xiàn)有技術(shù)。

底座上表面四角處分別螺紋固定一個(gè)電動(dòng)升降桿，四個(gè)電動(dòng)升降桿的頂部與工作平臺(tái)下表面四角處固定連接，工作平臺(tái)下表面四角處分別螺紋連接一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，減震機(jī)構(gòu)包括連接板、護(hù)筒和第二彈簧，連接板的下表面垂直固定護(hù)筒，護(hù)筒呈圓柱形筒狀，護(hù)筒的下表面開(kāi)設(shè)容納電動(dòng)升降桿穿過(guò)的圓形通孔，圓形通孔的孔徑小于護(hù)筒內(nèi)壁的內(nèi)徑。護(hù)筒內(nèi)設(shè)有第二彈簧，第二彈簧套在電動(dòng)升降桿的頂部。連接板通過(guò)多個(gè)螺栓固定在工作平臺(tái)下表面上。護(hù)筒的高度為30～50cm。連接板和護(hù)筒采用氯丁橡膠材質(zhì)。減震機(jī)構(gòu)的設(shè)置，一方面起到限位的作用，一方面起到減震的作用。如圖2所示。

電動(dòng)升降桿配合剪叉組件共同支撐工作平臺(tái)，提高了工作平臺(tái)升降過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)可以避免人員偏沉造成傾覆的危險(xiǎn)。

工作平臺(tái)的四周固定設(shè)置護(hù)欄，護(hù)欄的上部采用全封閉式結(jié)構(gòu)，護(hù)欄的中部和下部采用柵欄式機(jī)構(gòu)，可以減輕護(hù)欄的重量，護(hù)欄至少3個(gè)側(cè)壁的頂部的中間位置向外延伸出放置籃，放置籃用于放置工具筒、工具等，放置籃的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接側(cè)門(mén)。工作平臺(tái)的中心處焊接掛環(huán)，掛環(huán)上掛有多個(gè)彈性繩，彈性繩的一端固定掛鉤，另一端固定安全帶，掛鉤鉤在掛環(huán)上，所述安全帶系在人的腰間，防止墜落危險(xiǎn)。

底座的上端面左側(cè)設(shè)置有測(cè)距傳感器，設(shè)置有測(cè)距傳感器能夠準(zhǔn)確的測(cè)量工作平臺(tái)的高度，從而能夠提升平臺(tái)的使用效率。

4 模塊化組合的機(jī)械臂升降平臺(tái)工作有益效果

（1）本設(shè)計(jì)通過(guò)4個(gè)萬(wàn)向鎖定輪和4個(gè)支撐機(jī)構(gòu)共同對(duì)平臺(tái)位置進(jìn)行固定，穩(wěn)定性更好，安全性更高。其中支撐機(jī)構(gòu)包括螺桿、支撐板、墊板、鎖緊板和第一彈簧，螺桿的底部垂直一體連接支撐板，支撐板的底部固定連接墊板，墊板采用帶有摩擦紋的橡膠墊，以增大與地面的摩擦力，螺桿與螺紋孔螺紋連接，當(dāng)螺桿旋入螺紋孔底部時(shí)，墊板與地面存在間隙，方便平臺(tái)的移動(dòng)。螺桿上螺紋連接鎖緊板，支撐時(shí)，螺桿向下運(yùn)動(dòng)至墊板緊貼地面，擰動(dòng)鎖緊板，使其向上運(yùn)動(dòng)至緊貼底座下表面，可以防止螺桿的松動(dòng)。進(jìn)一步地，螺桿上套有第一彈簧，第一彈簧位于支撐板和鎖緊板之間，支撐板的上表面和鎖緊板的下表面固定有限位環(huán)，第一彈簧的設(shè)置，一方面起到減震作用，另一方面起到彈性支撐的作用。

（2）電動(dòng)升降桿配合剪叉組件共同支撐工作平臺(tái)，提高了工作平臺(tái)升降過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)可以避免人員偏沉造成傾覆的危險(xiǎn)。

（3）工作平臺(tái)下表面四角處分別螺紋連接一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，減震機(jī)構(gòu)包括連接板、護(hù)筒和第二彈簧，連接板的下表面垂直固定護(hù)筒，護(hù)筒內(nèi)設(shè)有第二彈簧，第二彈簧套在電動(dòng)升降桿的頂部。連接板通過(guò)多個(gè)螺栓固定在工作平臺(tái)下表面上。減震機(jī)構(gòu)的設(shè)置，一方面起到限位的作用，一方面起到減震的作用。

（4）工作平臺(tái)的四周固定設(shè)置護(hù)欄，護(hù)欄的上部采用全封閉式結(jié)構(gòu)，護(hù)欄的中部和下部采用柵欄式機(jī)構(gòu)，可以減輕護(hù)欄的重量，護(hù)欄至少三個(gè)側(cè)壁的頂部的中間位置向外延伸出放置籃，放置籃用于放置工具筒、工具等，減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，使用方便。

（5）工作平臺(tái)的中心處焊接掛環(huán)，掛環(huán)上掛有多個(gè)彈性繩，彈性繩的一端固定掛鉤，另一端固定安全帶，掛鉤鉤在掛環(huán)上，安全帶系在人的腰間，防止墜落危險(xiǎn)。

（6）底座的上端面左側(cè)設(shè)置有測(cè)距傳感器，設(shè)置有測(cè)距傳感器能夠準(zhǔn)確的測(cè)量工作平臺(tái)的高度，從而能夠提升平臺(tái)的使用效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜干.升降平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，4（2）：205-207

[2] 顧建中.三自由度機(jī)械臂式升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019（12）：133-134.