CN106927250B - 一种商品载运减震自动抓取机器人 - Google Patents

Abstract

一种商品载运减震自动抓取机器人，包括运动机构和设置在运动机构上的抓取机构，其中运动机构包括底盘以及对称设置在底盘上的两个结构相同的X型减震系统模块；抓取机构包括机械臂运动模块以及设置在机械臂运动模块上用于抓取包裹的机械臂抓手模块；底盘的一侧设置有两个麦克纳姆全向轮，另一侧对称设置两个麦克纳姆全向轮；预设包裹相应坐标位置，机器人收到取包裹指令后将自动运行到包裹周围，将其抓起并摆放到平台上。之后按设定运动到指定位置，完成商品载运过程，本发明机构简单紧凑易于实现，可在配送点以及库房等场所取放包裹，减轻快递员包裹配送工作的负担，以及在配送点自提时，包裹短距离点对点的输送工作。

Description

一种商品载运减震自动抓取机器人

技术领域

本发明涉及自动搬运机器人领域，具体来说涉及一种商品载运减震自动抓取机器人。

背景技术

网购人数的激增，对快递物流的要求越来越高，不断增长的包裹量给末端配送带来了巨大的压力，导致了快递员在整个快递产业链中的紧缺。任意快递中转站月收发快递包裹上万件，配送点日收发快递包裹上百件。配送环节的时间耽搁，或是人手不够，导致快递堆积，效率低下。而且，快递包裹由于运输不当经常破损，退货赔偿的情况经常发生，尤其是贵重物品。同时，由于快递公司对快递员的需求增加，大大增加了运营成本。“暴力快递”已成为快递业的经典名词，不仅从侧面体现出快递员配送分拣包裹时的力不从心，渴望效率的提升，同时也体现出消费者对快递某些环节的失望。因此，快递机器人应运而生，特别是最近两年，快递机器人的研发进入一个全新的阶段。但是就目前的市场而言，还没有一款快递机器人真正用于实际的物流运输之中。

发明内容

本发明的目的是提供一种商品载运减震自动抓取机器人，可在配送点以及库房等场所取放包裹，减轻快递员包裹配送工作的负担，以及在配送点自提时，包裹短距离点对点的输送工作。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种商品载运减震自动抓取机器人，包括运动机构和设置在运动机构上的抓取机构，其中运动机构包括底盘以及对称设置在底盘上的两个结构相同的X型减震系统模块；抓取机构包括机械臂运动模块以及设置在机械臂运动模块上用于抓取包裹的机械臂抓手模块；

底盘的一侧设置有两个麦克纳姆全向轮，另一侧对称设置两个麦克纳姆全向轮；

X型减震系统模块包括两个直流伺服电机、两根主轴以及设置在底盘上的两个交叉成X型的第一杆和第二杆，第一杆顶端通过弹簧阻尼避震器与第二杆的底端相连；第二杆(22)顶端通过弹簧阻尼避震器与第一杆的底端相连；

第一杆的底部设置有电机座，电机座内设置有直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴经联轴器与底盘一侧的一个麦克纳姆全向轮相连；

第二杆的底部设置有电机座，电机座内设置有一个直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴经联轴器与底盘另一侧的一个麦克纳姆全向轮相连。

本发明进一步的改进在于，所述底盘包括载物台，载物台上方设置有电子器件台，且电子器件台与载物台之间设置有四个载物台支撑件。

本发明进一步的改进在于，载物台上设置有4个主轴固定座，第一杆和第二杆内均设置有轴承，轴承内设置有主轴，主轴的末端伸入到主轴固定座中，使X型减震系统模块设置在载物台上。

本发明进一步的改进在于，第一杆的顶部设置有上悬挂座，第二杆的底端设置有下悬挂座，弹簧阻尼避震器的一端设置在上悬挂座上，另一端设置在下悬挂座上。

本发明进一步的改进在于，第二杆的顶部设置有上悬挂座，第一杆的底端设置有下悬挂座，弹簧阻尼避震器的一端设置在上悬挂座上，另一端设置在下悬挂座上。

本发明进一步的改进在于，机械臂运动模块包括设置在底盘上的丝杠步进电机与步进电机，步进电机的输出轴上设置有小齿轮，丝杠步进电机上设置有与小齿轮相啮合的大齿轮；

所述底盘上设置有支架，支架包括两个相垂直的水平杆和竖直杆，竖直杆设置在底盘上，水平杆设置在竖直杆的顶端；水平杆与载物台之间竖直设置有丝杠，两根钢棒对称设置在丝杠的两侧；

大齿轮上开设有两个槽口，且两个槽口关于丝杠对称设置，两个钢棒的下端分别设置在两个槽口内；步进电机带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮进行转动，从而使钢棒以丝杠为轴线旋转。

本发明进一步的改进在于，丝杠为丝杠步进电机的输出轴；水平杆上设置有上轴承固定件，上轴承固定件内设置有轴承，丝杠末端设置在轴承内。

本发明进一步的改进在于，还包括主控板；

主控板外接3个步进电机驱动器，用于控制步进电机的正反转及其转速；

主控板外接四个伺服电机驱动器，用于分别控制每个伺服电机的转速及正反转；

主控板外接信号采集板、红外接收模块、接触开关以及巡线灯板；

信号采集板，用于信号的收集和处理；

红外接收模块，用于直观的操控机器人；

接触开关，用于检测机器人抓手与货物接触与否；

巡线灯板，用于检测地上的预定位置，获取机器人行走路径信息。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置运动机构和抓取机构，运动机构包括底盘以及对称设置在底盘上的两个结构相同的X型减震系统模块；抓取机构包括机械臂运动模块以及设置在机械臂运动模块上用于抓取包裹的机械臂抓手模块；预设包裹相应坐标位置，机器人收到取包裹指令后将自动运行到包裹周围，将其抓起并摆放到平台上。之后按设定运动到指定位置，完成商品载运过程。X型弹性阻尼悬挂系统，具有响应快、稳定性高的优点，能够轻松应付路面高低的突变、斜坡等复杂路况。本发明机构简单紧凑，易于实现，可在配送点以及库房等场所取放包裹，减轻快递员包裹配送工作的负担，以及在配送点自提时，包裹短距离点对点的输送工作。

进一步的，X型减震系统模块避震时左右轮可单动，亦可联动。单动时，当任一轮遇到路面坎坷时，机器人会顺应路面情况进行高度调整，并对联动轮与地面的压力进行调整，令整个底盘在不平的路面上能自然过渡。例如，当左轮遇到凸起时，左轮上升，由于弹簧阻尼避震器连接第一杆和第二杆，于是右轮受向下的压力，增大了右轮摩擦力；当左轮遇到凹陷是，左轮下降，两个弹簧阻尼避震器同时释放压力，增大系统响应速度，迅速适应路面变化。联动时，首先，左右弹簧阻尼避震器可同时作用，承担载物台的重量。其次，当机器人经过突变的斜坡时，一对左右轮相互作用。靠近坡顶的轮受力上升，靠近坡底的轮受力下降，使得底板能很快适应坡度变化，避免车身突然震动。

进一步的，本发明中采用丝杠结合斜齿轮传动，完成机械臂的升降及绕丝杠转动。

附图说明

图1是本发明一种商品载运减震自动抓取机器人机械结构的主视图；

图2是本发明一种商品载运减震自动抓取机器人机械结构的左视图；

图3是本发明一种商品载运减震自动抓取机器人机械结构的俯视图；

图4是本发明的轴测图；

图5是X型减震系统模块的简图；

图6是机械臂运动模块机构简图；

图7是本发明一种商品载运减震自动抓取机器人的控制框图。

图8为机械臂抓手模块剖视图。

图中，1为钢棒，2为上转件，3为698深沟球轴承，4为上轴承固定件，5为第一6000深沟球轴承，6为支架，7为转轴，8为第一同步带轮，9为第一同步带，10为抓手板，11为直线导轨，12为抓手架，13为抓手，14为轴承架，15为主轴，16为第二6000深沟球轴承，17为载物台支撑件，18为大齿轮，19为丝杠步进电机，20为第一步进电机，21为小齿轮，22为第二杆，23为第一杆，24为上悬挂座，25为弹簧阻尼避震器，26为下悬挂座，27为麦克纳姆全向轮，28为联轴器，29为电机座，30为直流伺服电机，31为竖向锥齿轮，32为横向锥齿轮，33为第二同步带轮，34为上机械臂板，35为下机械臂板，36为第二同步带，37为第二步进电机，38为主轴固定座，39为载物台，40为电子器件台，41为第三同步带轮，42为第四同步带轮，43为第五同步带轮，44为丝杠，45为第六同步带轮，46为第七同步带轮，47为第八同步带轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明的一种商品载运减震自动抓取机器人，包括运动机构和设置在运动机构上的抓取机构，其中运动机构包括底盘以及对称设置在底盘上的两个结构相同的X型减震系统模块；

参见图1和图3，底盘包括载物台39、电子器件台40以及载物台支撑件17。电子器件台40设置在载物台39上方，且电子器件台40与载物台39之间设置有四个载物台支撑件17，四个载物台支撑件17将电子器件台40与载物台39连接；

载物台39与电子器件台40均采用3mm铝板20，利用水切割工艺加工而成。载物台39的两侧均设置有2对麦克纳姆全向轮27，即底盘的一侧设置有两个麦克纳姆全向轮27，另一侧对称设置两个麦克纳姆全向轮27。

如图2、图4和图5所示，X型减震系统模块包括两个直流伺服电机30、两根主轴15以及设置在载物台39上的两个交叉成X型的第一杆23和第二杆22，第一杆23顶端通过弹簧阻尼避震器25与第二杆22的底端相连，具体的，第一杆23的顶部设置有上悬挂座24，第二杆22的底端设置有下悬挂座26，弹簧阻尼避震器25的一端设置在上悬挂座24上，另一端设置在下悬挂座26上。

同样的，第二杆22顶端通过弹簧阻尼避震器与第一杆23的底端相连，具体的，第二杆22的顶部设置有上悬挂座，第一杆23的底端设置有下悬挂座，弹簧阻尼避震器的一端设置在上悬挂座上，另一端设置在下悬挂座上。

第一杆23的底部设置有电机座29，电机座29内设置有直流伺服电机30，直流伺服电机30的输出轴经联轴器28与底盘一侧的一个麦克纳姆全向轮27相连。

同样的，第二杆22的底部设置有电机座，电机座内同样设置有一个直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴经联轴器与底盘另一侧的一个麦克纳姆全向轮相连。

参见图1、图3和图4，载物台39上设置有4个主轴固定座38，第一杆23和第二杆22内均设置有第二6000深沟球轴承16，第二6000深沟球轴承16内设置有主轴15，主轴15的末端伸入到主轴固定座38中，使X型减震系统模块设置在载物台39上。

第一杆23以及第二杆22由3mm铝板水切割而成，两根主轴15为6061合金铝棒。

X型减震系统模块避震时左右轮可单动，亦可联动。

单动：当任一轮遇到路面坎坷时，机器人会顺应路面情况进行高度调整，并对联动轮与地面的压力进行调整，令整个底盘在不平的路面上能自然过渡。例如，当左轮遇到凸起时，左轮上升，由于弹簧阻尼避震器25连接第一杆和第二杆，于是右轮受向下的压力，增大了右轮摩擦力；当左轮遇到凹陷是，左轮下降，两个弹簧阻尼避震器25同时释放压力，增大系统响应速度，迅速适应路面变化。

联动：首先，左右弹簧阻尼避震器25可同时作用，承担载物台39的重量。其次，当机器人经过突变的斜坡时，一对左右轮相互作用。靠近坡顶的轮受力上升，靠近坡底的轮受力下降，使得底板能很快适应坡度变化，避免车身突然震动。

抓取机构包括机械臂运动模块以及设置在机械臂运动模块上用于抓取包裹的机械臂抓手模块；

如图1和图5所示，机械臂运动模块包括上转件2、698深沟球轴承3、上轴承固定件4、第一6000深沟球轴承5、支架6、大齿轮18、丝杠步进电机19、第一步进电机20、小齿轮21以及两根钢棒1。其中，所述丝杠步进电机19与第一步进电机20均设置在载物台39底部，第一步进电机20的输出轴上设置有小齿轮21，丝杠步进电机19上设置有与小齿轮21相啮合的大齿轮18，大齿轮18为3D打印制造。

所述载物台39上设置有支架6，支架6包括两个相垂直的水平杆和竖直杆，竖直杆设置在载物台39上，水平杆设置在竖直杆的顶端。水平杆与载物台39之间竖直设置有丝杠44，两根钢棒1对称设置在丝杠44的两侧。

具体的，大齿轮18上开设有两个槽口，且两个槽口关于丝杠44对称设置，两个钢棒1的下端分别设置在两个槽口内；

第一步进电机20带动小齿轮21转动，由于大齿轮18与小齿轮21相啮合，从而小齿轮21带动大齿轮18进行转动，从而使钢棒1以丝杠44为轴线旋转。即利用大齿轮18和钢棒1的配合，完成机械臂抓手模块的旋转运动。

丝杠即丝杠步进电机19的输出轴；水平杆上设置有上轴承固定件4，上轴承固定件4内设置有第一6000深沟球轴承5，丝杠末端设置在第一6000深沟球轴承5内，在上轴承固定件4外装有698深沟球轴承3，698深沟球轴承3套在上转件2中。大齿轮18内嵌入61805轴承，小齿轮21轴孔为D字型，小齿轮21与第一步进电机20的输出轴紧密配合。

参见图1、图2和图8，机械臂抓手模块主要由转轴7、第一同步带轮8、第一同步带9、抓手板10、直线导轨11、抓手架12、抓手13、竖向锥齿轮31、横向锥齿轮32、第二同步带轮33、上机械臂板34、下机械臂板35、第二同步带36、第二步进电机37、第三同步带轮41、第四同步带轮42、第五同步带轮43、第六同步带轮45、第七同步带轮46以及第八同步带轮47构成。其中，所述第一同步带轮8与第八同步带轮47设置在转轴7的两端，第一同步带9设置在第一同步带轮8与第六同步带轮45上。

丝杠44上设置有PLA(聚乳酸)轴套，轴套上设置有上机械臂板34与下机械臂板35，且上机械臂板34的长度大于下机械臂板35的长度，上机械臂板34与下机械臂板35之间设置有用于支撑的加强件；上机械臂板34端部设置有两块抓手板10，每块抓手板10底部设置有一个水平方向的直线导轨11，每个直线导轨11上设置有滑块，滑块上设置有抓手架12，抓手架12竖直设置，两个抓手架12之间设置有抓手13。当丝杠转动时，机械臂抓手模块能上下运动。

两根钢棒1上设置有聚四氟乙烯轴套，机械臂抓手模块与钢棒1的连接的部分中嵌入聚四氟乙烯轴套，大齿轮18与小齿轮21相啮合，从而使钢棒1以丝杠为轴线旋转，即利用大齿轮18和钢棒1的配合，完成机械臂抓手模块的旋转运动。

参见图2和图8，上机械臂板34的末端下方设置有两块抓手板10，在抓手板10的下方设置有直线导轨11，抓手架12的上端设置在第一同步带9上，抓手架12的中部设置在直线导轨11上的滑块上，抓手13设置在两块抓手架12的之间。与抓手板10的竖直中线对称有同样一套抓手架与抓手。

参见图4和图5，第二步进电机37设置在上机械臂板34上，第二步进电机37的输出轴上设置有第三同步带轮41，第三同步带轮41与第四同步带轮42相连并带动第四同步带轮42转动，第四同步带轮42下方设置有竖向锥齿轮31，且第四同步带轮42与竖向锥齿轮31相连，竖向锥齿轮31与横向锥齿轮32啮合，可更改旋转运动在空间上的方向，横向锥齿轮32带动第二同步带轮33转动，同时横向锥齿轮32带动第五同步带轮43转动。

参见图3和图8，用一根设置在抓手板10右侧的轴连接三个同步带轮(设置在第五同步带轮43两侧的第六同步带轮45和第七同步带轮46，以及第五同步带轮43)，第五同步带轮43、第六同步带轮45与第七同步带轮46通过销钉与轴固定连接。第五同步带轮43的转动带动轴转动，轴带动第六同步带轮45与第七同步带轮46同时转动，进而带动设置在第六同步带轮45与第七同步带轮46上的同步带运动，达到两对抓手架12同时运动的目的。

该商品载运减震自动抓取机器人运行时收到“取包裹”的指令后，机器人自动移动到包裹旁，然后启动抓手13，抓取快递，对于较小且不需要大距离搬运的包裹，机器人可直接移动到设定位置，将包裹放下，若包裹较大，或需要远距离运输时，机械臂抓取货物后，将自动旋转180°降下抓手13，把包裹牢牢扣置在自身载物台39上，直至抵达目的地，底盘采用麦克纳姆全向轮27，同时通过驱动电机上的编码器反馈的数据，经过计算处理后，可实现机器人的自动平面轨迹运动。其中，根据编码器反馈的数据计算处理以实现机器人的自动平面轨迹运动的过程是本领域计算人员公知的技术。

如图7所示，商品载运减震自动抓取机器人安装STM32为主控板的芯片，主控板外接3个步进电机驱动器，用于控制步进电机的正反转及其转速，主控板外接四个伺服电机驱动器，用于分别控制每个伺服电机的转速及正反转，从而令四个麦克纳姆全向轮27联动，主控板外接信号采集板、红外接收模块、接触开关以及巡线灯板；

信号采集板，负责一些传感器信号的收集和处理；红外接收模块，是为了能够方便快捷直观的操控机器人，用红外遥控的方式对机器人进行控制；接触开关，用于检测机器人抓手与货物接触与否；巡线灯板，用于检测地上的预定位置，获取机器人行走路径信息。

货物摆放预定位置，可以在预定位置画一条白线，作为起点，机器人内预先储存了各摆放点的坐标。当机器人收到遥控指令后，根据指令，机器人会自动巡线抵达坐标位置，利用机械臂取得货物，然后返回指定地点，完成货物取放工作。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，包括运动机构和设置在运动机构上的抓取机构，其中运动机构包括底盘以及对称设置在底盘上的两个结构相同的X型减震系统模块；抓取机构包括机械臂运动模块以及设置在机械臂运动模块上用于抓取包裹的机械臂抓手模块；

底盘的一侧设置有两个麦克纳姆全向轮(27)，另一侧对称设置两个麦克纳姆全向轮(27)；

X型减震系统模块包括两个直流伺服电机(30)、两根主轴(15)以及设置在底盘上的两个交叉成X型的第一杆(23)和第二杆(22)，第一杆(23)顶端通过弹簧阻尼避震器(25)与第二杆(22)的底端相连；第二杆(22)顶端通过弹簧阻尼避震器与第一杆(23)的底端相连；

第一杆(23)的底部设置有电机座(29)，电机座(29)内设置有直流伺服电机(30)，直流伺服电机(30)的输出轴经联轴器(28)与底盘一侧的一个麦克纳姆全向轮(27)相连；

第二杆(22)的底部设置有电机座，电机座内设置有一个直流伺服电机，直流伺服电机的输出轴经联轴器与底盘另一侧的一个麦克纳姆全向轮相连。

2.根据权利要求1所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，所述底盘包括载物台(39)，载物台(39)上方设置有电子器件台(40)，且电子器件台(40)与载物台(39)之间设置有四个载物台支撑件(17)。

3.根据权利要求2所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，载物台(39)上设置有4个主轴固定座(38)，第一杆(23)和第二杆(22)内均设置有轴承，第二6000深沟球轴承(16)内设置有主轴(15)，主轴(15)的末端伸入到主轴固定座(38)中，使X型减震系统模块设置在载物台(39)上。

4.根据权利要求1所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，第一杆(23)的顶部设置有上悬挂座(24)，第二杆(22)的底端设置有下悬挂座(26)，弹簧阻尼避震器(25)的一端设置在上悬挂座(24)上，另一端设置在下悬挂座(26)上。

5.根据权利要求1所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，第二杆(22)的顶部设置有上悬挂座，第一杆(23)的底端设置有下悬挂座，弹簧阻尼避震器的一端设置在上悬挂座上，另一端设置在下悬挂座上。

6.根据权利要求1所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，机械臂运动模块包括设置在底盘上的丝杠步进电机(19)与第一步进电机(20)，第一步进电机(20)的输出轴上设置有小齿轮(21)，丝杠步进电机(19)上设置有与小齿轮(21)相啮合的大齿轮(18)；

所述底盘上设置有支架(6)，支架(6)包括两个相垂直的水平杆和竖直杆，竖直杆设置在底盘上，水平杆设置在竖直杆的顶端；水平杆与载物台(39)之间竖直设置有丝杠(44)，两根钢棒(1)对称设置在丝杠(44)的两侧；

大齿轮(18)上开设有两个槽口，且两个槽口关于丝杠(44)对称设置，两个钢棒(1)的下端分别设置在两个槽口内；第一步进电机(20)带动小齿轮(21)转动，小齿轮(21)带动大齿轮(18)进行转动，从而使钢棒(1)以丝杠(44)为轴线旋转。

7.根据权利要求6所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，丝杠(44)为丝杠步进电机(19)的输出轴；水平杆上设置有上轴承固定件(4)，上轴承固定件(4)内设置有轴承，丝杠(44)末端设置在轴承内。

8.根据权利要求1所述的一种商品载运减震自动抓取机器人，其特征在于，还包括主控板；

主控板外接3个步进电机驱动器，用于控制步进电机的正反转及其转速；

主控板外接四个伺服电机驱动器，用于分别控制每个伺服电机的转速及正反转；

主控板外接信号采集板、红外接收模块、接触开关以及巡线灯板；

信号采集板，用于信号的收集和处理；

红外接收模块，用于直观的操控机器人；

接触开关，用于检测机器人抓手与货物接触与否；

巡线灯板，用于检测地上的预定位置，获取机器人行走路径信息。