基于模块化组合的机械臂升降平台设计

张恒

[摘    要]以模块化组合的机械臂升降平台为对象，模块采用机械臂结构，通过对多种不同工作环境下对支撑设备的需求，在传统支撑设备的基础上加以革新，为智能平台找到适合其工作的用途，针对不同用途进行发散设计，为不同模块设计统一的接口及供电标准且方便拆卸，通过不同的组合提升模块使用时灵活性和效率，并为未来实现自动化留下了空间。

[关键词]升降平台;模块化; 机械臂

[中图分类号]TP241 [文献标志码]A [文章编号]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 升降平台的概述

1.1 升降平台的简介

升降平台是一种垂直运送人或物的起重机械，具有重量轻、自行走、电启动、自支腿、操作简单、作业面大，能跨越障碍进行高空作业等优点。广泛应用于高空的安装、维修，码头、物流中心货物运输，建筑装潢等场所，在一些歌剧院，舞剧院，话剧院也都配备着各种升降平台[1]。

1.2 升降平台的分类及优缺点

市场上，大型的升降支撑装置主要通过2种方式实现：一是齿轮齿条式;二是顶升液压缸式[2]。

1.2.1 齿轮齿条式

齿轮齿条式优点是升降速度快，可连续升降，操作灵活方便。缺点就在于需要庞大复杂的变速机构，体积大，齿轮和齿条材料和制造工艺要求高，动力驱动部分结构复杂，容易发生故障。

1.2.2 顶升液压式

顶升液压式优点是运行过程中能方便地进行无级调速，调速范围大低速性能好;易于实现过载保护，且液压介质具有弹性和收缩性能，使系统运行平稳可靠，易于实现标准化、系列化、通用化;缺点在于不能连续升降，步序转换时有冲击;升降速度慢。

但这2种传统升降方式的局限性就在于一旦安装无法拆卸且作用位置非常受限，不能满足一些复杂环境或因临时需要而调用的场景。我们发现将机械臂应用于升降支撑也是一个不错的选择。机械臂既能满足升降的平稳性，并且因其体积不大且也可实现关节模块化，大大提高了它的优势。

2 模块化组合的机械臂升降平台工作优点

（1）创新性的引入了模块化思想，令设备具有了更强的适应性。模块化的设计可针对不同的工作环境装配不同的配置，能够更加灵活、高效地适用于不同的工作、生产环境，相较于传统支撑平台具有不更换主体，仅改变配件就可执行特定任务的巨大势，并实现轻量化设计。

（2）模块采用机械臂结构。机械臂是一种高精度的机械手，其多关节的机械结构有很好的机动性和可控性，因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到廣泛应用。多关节机械臂在复杂情况下不但可以快速运动，而且可控性高，可以按照预期的规划路径完成作业，能够高效的面对复杂环境。模块采用机械臂结构，便于根据运动路径的不同，选用不同的机械臂模块，模块化机械臂采用快速安装结构形式，便于组合安装，并有利于智能化控制。

（3）不同型号支撑平台零件从设计之初就实现了互通，能够实现较低的生产和维修成品，节省开支，增强产品的可维护性，提升核心竞争力。

（4）平台具有通讯和处理器单元，可以适用于未来的智能工作环境，能够作为AI模块的硬件载体，并在未来借助人工智能实现更高效率的自主作业。

（5）具有统一的供电及连接标准，便于后续新模块的设计，新模块的加入能提高产品的使用周期，从长远来看，能有效的防止资源浪费。

（6）具有良好的兼容性和宽容度，甚至可以做到模块系统的开源化，使更多的人参与到新模块的设计中去，产生良性循环。

3 模块化组合的机械臂升降平台设计

本设计的模块化组合的机械臂升降平台是一种减震防倾覆升降平台，包括底座，底座下表面的四角处分别安装有万向锁定轮，底座下表面4个侧边的中部分别螺纹连接支撑机构;支撑机构包括螺杆、支撑板、锁紧板和第一弹簧，螺杆的底部垂直一体连接支撑板，螺杆上套有第一弹簧，底座上表面通过剪叉组件连接工作平台，底座上表面四角处分别螺纹固定一个电动升降杆，四个电动升降杆的顶部与工作平台固定连接，工作平台下表面四角处分别螺纹连接一个减震机构，减震机构包括连接板、护筒和第二弹簧，连接板的下表面垂直固定护筒，护筒内设有第二弹簧，第二弹簧套在电动升降杆的顶部;工作平台的四周固定设置护栏，护栏至少三个侧壁的顶部的中间位置向外延伸出放置篮。图1为模块化组合的机械臂升降平台，图2为工作平台和护栏的结构。如图1所示。

如图1、2所示，本设计提供了一种减震防倾覆升降平台，包括底座1、剪叉组件2、护栏3、电动升降杆4、气缸5、支撑机构6、减震机构7、万向锁定轮8和工作平台9。底座1呈矩形板状，底座1下表面的四角处分别安装有万向锁定轮，设置万向锁定轮便于对平台进行移动，方便使用。且底座1下表面四个侧边的中部分别开设一个螺纹孔11，通过四个螺纹孔11分别螺纹连接支撑机构6。

支撑机构包括螺杆、支撑板、垫板、锁紧板和第一弹簧，螺杆的底部垂直一体连接支撑板，支撑板的底部固定连接垫板，垫板采用带有摩擦纹的橡胶垫，以增大与地面的摩擦力，螺杆与螺纹孔螺纹连接，当螺杆旋入螺纹孔底部时，垫板与地面存在间隙，方便平台的移动。进一步地，螺杆上螺纹连接锁紧板，支撑时，螺杆向下运动至垫板紧贴地面，拧动锁紧板，使其向上运动至紧贴底座下表面，可以防止螺杆的松动。进一步地，螺杆上套有第一弹簧，第一弹簧位于支撑板和锁紧板之间，支撑板的上表面和锁紧板的下表面固定有限位环，第一弹簧的设置，一方面起到减震作用，另一方面起到弹性支撑的作用。

底座上表面通过剪叉组件连接工作平台，剪叉组件通过其两侧的气缸带动，本设计的剪叉组件属于现有技术。

底座上表面四角处分别螺纹固定一个电动升降杆，四个电动升降杆的顶部与工作平台下表面四角处固定连接，工作平台下表面四角处分别螺纹连接一个减震机构，减震机构包括连接板、护筒和第二弹簧，连接板的下表面垂直固定护筒，护筒呈圆柱形筒状，护筒的下表面开设容纳电动升降杆穿过的圆形通孔，圆形通孔的孔径小于护筒内壁的内径。护筒内设有第二弹簧，第二弹簧套在电动升降杆的顶部。连接板通过多个螺栓固定在工作平台下表面上。护筒的高度为30～50cm。连接板和护筒采用氯丁橡胶材质。减震机构的设置，一方面起到限位的作用，一方面起到减震的作用。如图2所示。

电动升降杆配合剪叉组件共同支撑工作平台，提高了工作平台升降过程中的稳定性和安全性，同时可以避免人员偏沉造成倾覆的危险。

工作平台的四周固定设置护栏，护栏的上部采用全封闭式结构，护栏的中部和下部采用栅栏式机构，可以减轻护栏的重量，护栏至少3个侧壁的顶部的中间位置向外延伸出放置篮，放置篮用于放置工具筒、工具等，放置篮的内侧转动连接侧门。工作平台的中心处焊接挂环，挂环上挂有多个弹性绳，弹性绳的一端固定挂钩，另一端固定安全带，挂钩钩在挂环上，所述安全带系在人的腰间，防止坠落危险。

底座的上端面左侧设置有测距传感器，设置有测距传感器能够准确的测量工作平台的高度，从而能够提升平台的使用效率。

4 模块化组合的机械臂升降平台工作有益效果

（1）本设计通过4个万向锁定轮和4个支撑机构共同对平台位置进行固定，稳定性更好，安全性更高。其中支撑机构包括螺杆、支撑板、垫板、锁紧板和第一弹簧，螺杆的底部垂直一体连接支撑板，支撑板的底部固定连接垫板，垫板采用带有摩擦纹的橡胶垫，以增大与地面的摩擦力，螺杆与螺纹孔螺纹连接，当螺杆旋入螺纹孔底部时，垫板与地面存在间隙，方便平台的移动。螺杆上螺纹连接锁紧板，支撑时，螺杆向下运动至垫板紧贴地面，拧动锁紧板，使其向上运动至紧贴底座下表面，可以防止螺杆的松动。进一步地，螺杆上套有第一弹簧，第一弹簧位于支撑板和锁紧板之间，支撑板的上表面和锁紧板的下表面固定有限位环，第一弹簧的设置，一方面起到减震作用，另一方面起到弹性支撑的作用。

（2）电动升降杆配合剪叉組件共同支撑工作平台，提高了工作平台升降过程中的稳定性和安全性，同时可以避免人员偏沉造成倾覆的危险。

（3）工作平台下表面四角处分别螺纹连接一个减震机构，减震机构包括连接板、护筒和第二弹簧，连接板的下表面垂直固定护筒，护筒内设有第二弹簧，第二弹簧套在电动升降杆的顶部。连接板通过多个螺栓固定在工作平台下表面上。减震机构的设置，一方面起到限位的作用，一方面起到减震的作用。

（4）工作平台的四周固定设置护栏，护栏的上部采用全封闭式结构，护栏的中部和下部采用栅栏式机构，可以减轻护栏的重量，护栏至少三个侧壁的顶部的中间位置向外延伸出放置篮，放置篮用于放置工具筒、工具等，减轻工作人员的负担，使用方便。

（5）工作平台的中心处焊接挂环，挂环上挂有多个弹性绳，弹性绳的一端固定挂钩，另一端固定安全带，挂钩钩在挂环上，安全带系在人的腰间，防止坠落危险。

（6）底座的上端面左侧设置有测距传感器，设置有测距传感器能够准确的测量工作平台的高度，从而能够提升平台的使用效率。

参考文献

[1] 杜干.升降平台升降机构研究现状分析[J].机械工程与自动化，2013，4（2）：205-207

[2] 顾建中.三自由度机械臂式升降平台运动学建模与仿真[J].机电工程技术，2019（12）：133-134.