CN108890656B - 一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，主要包括操作器、伸缩臂、同步带、摩擦驱动单元、俯仰机构、水平回转机构、储链筒及三脚架，操作器安装在伸缩臂的前端，伸缩臂由一系列连接块和同步带组成，摩擦驱动单元用于驱动伸缩臂伸出和收回。摩擦驱动单元包含摩擦轮、压紧轮及支撑轮等，摩擦轮与连接块的上部和下部接触，且保持一定的预紧力，支撑轮辅助支撑伸缩臂，伸缩臂与伸缩基座保持滚动接触。为了降低维持伸缩臂刚性所需要的拉紧力，通过将同步带压紧在连接块上部，使得伸出的连接块上部保持紧密接触。摩擦轮、支撑轮和压紧轮均采用聚氨酯，且在连接块相应的接触面处增加粗糙度和预紧力，以提高摩擦驱动力和可靠性。

Description

一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人

技术领域

本发明涉及一种伸缩式服务机器人，具体说，涉及一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人。

背景技术

服务机器人的应用范围很广，主要从事家庭作业、教育娱乐、残障辅助、住宅监控等工作，服务机器人将成为家庭物联网的核心控制中枢。全球人口的老龄化带来大量的问题，例如对于老龄人的看护，以及医疗的问题，这些问题的解决带来大量的财政负担，由于服务机器人所具有的特点使之能够显著地降低财政负担，因而，服务机器人能够被大量的应用。随技术突破、商业模式的创新探索，以及市场培育，服务机器人有望成为继电脑、手机之后的新一代智能终端，成为连接虚拟世界与现实世界的重要载体。因此，与人共融的机器人将具有巨大的市场潜力。

随着机器人技术的发展，具有质量轻、载荷/自重比高、能耗低等特点的服务机器人或机械臂得到了广泛应用并成为当前的研究热点。伸缩式服务机器人的核心组件为伸缩臂，基于成熟的机器人技术，开展对伸缩臂构型、末端位移跟踪及振动抑制方法的研究。本发明的伸缩臂由一系列广义链节组成，通过控制相邻链节间的连接方式，实现伸缩臂由柔性连接切换至刚性连接，进而形成任意长度的伸缩臂。利用自身柔性铰链的特性，伸缩臂能够以较小体积存储至任意形状的箱体中，尤其适用于异形约束环境中，且伸缩臂具有伸缩距离/缩回长度高、伸缩距离/截面积高、阻尼性好的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，以实现上述功能和目标。

本发明的实施例提供了一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，其特征在于，该伸缩式服务机器人主要包括操作器、伸缩臂、同步带、摩擦驱动单元、俯仰机构、水平回转机构、储链筒及三脚架；操作器安装在伸缩臂的前端，伸缩臂由一系列连接块和同步带组成，摩擦驱动单元用于驱动伸缩臂伸出和收回；

进一步，连接块呈中空矩形结构，上部设置了与同步带啮合的沟槽，连接块下部的两端含有通孔结构，连接块两侧通过螺纹连接的方式安装了左侧压板和右侧压板，左侧压板和右侧压板的上部均加工了斜纹浅沟槽。俯仰机构用于驱动摩擦驱动单元和伸缩臂在竖直面内俯仰，俯仰机构包含一个弧形俯仰盘，弧形俯仰盘的外部结构为半圆弧形，连接块经弧形结构可在任意俯仰角下导向进入储链筒。水平回转机构主要包括回转用电机、回转齿轮及回转结台组成，回转用电机驱动回转齿轮，促使俯仰机构和伸缩臂在水平面内回转，增加操作器的工作空间。

进一步，摩擦驱动单元主要包含伸缩基座、伸缩用电机、一级伸缩用带轮、二级伸缩用带轮、伸缩用同步带、换向齿轮组、摩擦轮、压紧轮及支撑轮等。摩擦驱动单元的运动组件均安装在伸缩基座上，伸缩基座呈中空矩形结构，上部的两侧设计了8个用于放置轴承的孔，下部两侧设计了4个用于放置轴承的孔，且伸缩基座的顶部和底部分别设计4个通透的槽，用于放置摩擦轮、压紧轮及支撑轮。伸缩用电机通过电机安装板固定在伸缩基座侧面，一级伸缩用带轮安装在伸缩用电机的输出轴上，二级伸缩用带轮安装在一级转轴的一端并且采用平键连接，一级伸缩用带轮和二级伸缩用带轮通过伸缩用同步带传动，将动力传递至一级转轴。

进一步，一级转轴和二级转轴的中部均安装了两个摩擦滚轮，摩擦滚轮采用聚氨酯材质，上摩擦滚轮和下摩擦滚轮均与连接块接触，且具有一定的预紧力。摩擦滚轮与一级转轴和二级转轴均采用过盈连接的方式，且在一级转轴和二级转轴的过盈连接处表面增加了细纹浅沟槽。两个上摩擦滚轮与左侧压板和右侧压板接触，两个下摩擦滚轮与连接块的底部接触，通过增加预紧力和接触面的粗糙度来提高摩擦驱动力。

进一步，在伸缩臂的上部和下部各设置了2个支撑滚轮，上支撑滚轮和下支撑滚轮共同与连接块的上部和下部接触。支撑滚轮采用聚氨酯材质，过盈安装在三级转轴和四级转轴上，在相应的接触表面加工了斜纹浅沟槽，增加摩擦阻力。伸缩臂共同由上摩擦滚轮、下摩擦滚轮、上支撑滚轮和下支撑滚轮驱动和支撑，伸缩臂与伸缩基座保持了滚动接触，运动阻力尽可能地被降低。

进一步，在伸缩基座上设置一级压紧轮和二级压紧轮，共同压紧同步带和连接块，使得同步带和连接块保持紧密连接，以防止伸缩臂向下弯曲。一级压紧轮过盈地安装在一级压紧轴上，二级压紧轮过盈地安装在二级压紧轴，一级压紧轴和二级压紧轴两端均由轴承支撑；

进一步，在伸缩基座的两侧均设置了2个约束滚轮，每个约束滚轮由两个轴承组成。约束滚轮单元包含约束支座、约束滚轮和约束销轴，约束支座安装在伸缩基座的侧边，在伸缩基座相应位置上设置方形槽，约束滚轮穿过方形槽，突出伸缩基座的内壁一定距离，使得连接块两侧仅能与约束滚轮接触。

与现有技术相比本发明的有益效果是：伸缩式服务机器人的摩擦驱动单元均采用了轴承支撑，尽可能减小了运动阻力；同时增加了同步带压紧轮，可以大幅降低防止伸缩臂向下弯曲所需要的拉紧力。

附图说明

图1是本发明一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人的轴侧视图；

图2是矩形连接块装配体的轴侧视图；

图3是摩擦驱动单元的轴侧视图；

图4是摩擦驱动单元的爆炸视图；

图5是摩擦驱动单元的剖视图；

图6是压紧轮及侧边滚轮的轴侧视图；

图7是侧边滚轮装配体的爆炸视图；

图8是俯仰机构的轴侧视图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图8所示，图1是本发明一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人的轴侧视图，图2是矩形连接块装配体的轴侧视图，图3是摩擦驱动单元的轴侧视图，图4是摩擦驱动单元的爆炸视图，图5是摩擦驱动单元的剖视图，图6是压紧轮及侧边滚轮的轴侧视图，图7是侧边滚轮装配体的爆炸视图，图8是俯仰机构的轴侧视图。

本实施例提供了一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，参图1所示，该伸缩式服务机器人主要包括操作器101、伸缩臂102、同步带103、摩擦驱动单元104、俯仰机构105、水平回转机构106、储链筒107及三脚架108，操作器101安装在伸缩臂102的前端，伸缩臂102由一系列连接块1和同步带103组成，摩擦驱动单元104用于驱动伸缩臂102伸出和收回，俯仰机构105用于驱动摩擦驱动单元104和伸缩臂102在竖直面内俯仰，水平回转机构106用于驱动上述各单元在水平面内转动。在该实施例中，操作器101可实现在空间球面的任意位置可达，该服务机器人操作空间大、灵巧性好。

参图2和图3所示，各连接块装配体包含连接块1、左侧压板2和右侧压板3组成，连接块1呈中空矩形结构，上部设置了与同步带103啮合的沟槽，连接块1的下部的两端含有通孔结构，左侧压板2和右侧压板3分别固定在连接块1的上部两侧且采用螺纹连接的方式，压板的上侧均加工了斜纹浅沟槽。所有连接块通过铰链的方式连接在一起，形成伸缩链条，当相邻两连接块与同步带103同时啮合时，两相邻连接块的上部连接在一起，按此原理，伸出的伸缩链条在同步带的啮合约束下，形成具有一定刚度的伸缩臂102。伸缩臂102在伸缩基座4内呈直线排列，由摩擦驱动单元104驱动伸缩臂102的伸出和缩回。

参图1、图3、图4及图5所示，该伸缩式服务机器人的核心单元为摩擦驱动单元104，摩擦驱动单元104主要包含伸缩基座4、伸缩用电机5、一级伸缩用带轮7、二级伸缩用带轮9、伸缩用同步带8、换向齿轮组、摩擦轮、压紧轮及支撑轮等。摩擦驱动单元104的运动组件均安装在伸缩基座4上，伸缩基座4呈中空矩形结构，上部的两侧设计了8个用于放置轴承的孔，下部两侧设计了4个用于放置轴承的孔，且伸缩基座4的顶部和底部设计了4个通透的槽，用于放置摩擦轮、压紧轮及支撑轮。伸缩用电机5通过电机安装板6固定在伸缩基座4侧面，一级伸缩用带轮7安装在伸缩用电机5的输出轴上，二级伸缩用带轮9安装在一级转轴10的一端并且采用平键连接，利用端面挡板11将二级伸缩用带轮9压紧在一级转轴10上，一级伸缩用带轮7和二级伸缩用带轮9通过伸缩用同步带8传动。电机安装板6上含有4个长形通孔，电机安装板6可沿伸缩基座4横向移动一定距离，用于张紧伸缩用同步带8。一级转轴10安装在伸缩基座4上，两端由深沟球轴承支撑，一级转轴10的一端安装了二级伸缩用带轮9，另一端安装了一级主动齿轮12，同样采用了平键连接，一级挡板13将一级主动齿轮12压紧在轴肩上，因此，伸缩用电机5的动力传递至一级主动齿轮12。为了使一级转轴10的动力传递至二级转轴17，且两者保持转动方向相反，增加了一级惰轮14和二级惰轮16，微型轴承46过盈地内嵌在一级惰轮14中部，法兰轴15一端为法兰结构，通过螺纹连接方式将法兰轴15安装在伸缩基座4的侧壁上，微型轴承46和一级惰轮14安装在法兰轴15上，轴端采用弹性卡圈进行轴向固定。相应的，采用类似原理，安装了二级惰轮16。二级主动齿轮47采用平键方式安装在二级转轴17的一端，通过三对啮合关系，一级转轴10的动力顺利地传递至二级转轴17。二级转轴17同样安装在伸缩基座4上，两端由滚动轴承支撑。

参图4、图5和图6所示，在一级转轴10和二级转轴17的中部均安装了两个摩擦滚轮，摩擦滚轮采用聚氨酯材质，具有一定的弹性和较大的摩擦系数，上摩擦滚轮和下摩擦滚轮分别于压板和连接块1接触，且具有一定的预紧力。上摩擦滚轮18过盈地安装在二级转轴17上，与右侧压板3接触，且保持一定的压紧力，用于压紧并驱动连接块，得益于右侧压紧板3的上侧加工了斜纹浅沟槽，上摩擦滚轮可提供足够的摩擦驱动力。下摩擦滚轮19过盈地安装在一级转轴10，与各连接块的底部接触，保持一定的接触力，以产生较大的摩擦驱动力。因此，连接块上部和下部各设置2个摩擦滚轮，通过增加预紧力和接触面的粗糙度，以提高摩擦驱动力，更好地将伸缩臂从伸缩基座推出和收回。

参图4、图5和图6所示，为了降低伸缩臂102在伸缩基座4中的运动阻力，在伸缩臂102的上部和下部各设置了2个支撑滚轮，支撑滚轮采用聚氨酯材质，支撑滚轮和摩擦滚轮共同接触并支撑伸缩臂102，因此，伸缩臂102与伸缩基座4保持了滚动接触。上侧设置的上支撑滚轮，上支撑滚轮包括左支撑滚轮22和右支撑滚轮23，左支撑滚轮22和右支撑滚轮23过盈地安装在三级转轴20上，为了增加支撑滚轮与三级转轴20轴肩的预紧力，在轴肩上增加了斜纹沟槽，同样地，在四级转轴21的相应轴肩处增加了细纹沟槽。三级转轴20的两端由左轴承25和右轴承24支撑，左轴承25和右轴承24安装在伸缩基座4上，孔用卡圈26用于左轴承25的外圈定位。参图5所示，左支撑滚轮22和下支撑滚轮27分别与连接块的上部和下部接触，伸缩臂102共同由上摩擦滚轮18、下摩擦滚轮19、上支撑滚轮和下支撑滚轮27驱动和支撑，实现伸缩臂沿滚轮相切方向的伸出和缩回，同时，运动阻力尽可能地被降低。

参图4、图5和图6所示，同步带103用于连接两相邻连接块的上部，使得伸缩链条形成具有一定强度的伸缩臂102。同步带103前端固定在伸缩臂102的第一个连接块上，同步带103向后延伸至伸缩基座4，再延伸至伸缩链的最后一个连接块。在伸缩基座4上设置一级压紧轮29和二级压紧轮31，共同压紧同步带103，同步带103在两处压紧位置与连接块保持紧密连接，作为伸缩臂102抵抗向下弯曲的保障。一级压紧轮29过盈地安装在一级压紧轴28上，一级压紧轴28的两端由轴承支撑，相似地，二级压紧轮31过盈地安装在二级压紧轴30，两压紧轮采用聚氨酯材质，压紧轴在安装压紧轮位置上设置了斜纹沟槽，以增加两者之间的摩擦阻力。为了测量伸缩臂102的伸缩速度，在一级压紧轴28的一端安装了角度编码器，用于测量一级压紧轮29的转动速度，经计算可得到伸缩臂102的运动速度。

参图6和图7所示，为了防止伸缩臂102在左右方向的晃动，同时提高伸缩臂102在左右方向的支撑强度，在伸缩基座4的两侧均设置了2个约束滚轮，每个约束滚轮由两个轴承组成。在伸缩基座4的两侧设置约束滚轮后，可防止伸缩臂102在伸缩运动中两侧与伸缩基座4产生剐蹭。约束滚轮单元包含约束支座32、约束滚轮33和约束销轴34，约束支座32安装在伸缩基座4的侧边，在伸缩基座4相应位置上设置方形槽，约束滚轮33穿过方形槽，突出伸缩基座4的内壁一定距离，使得连接块两侧仅能与约束滚轮接触。

参图1和图8所示，伸缩式服务机器人的俯仰机构105主要包含俯仰用电机36、一级俯仰用带轮39、二级俯仰用带轮41、俯仰用同步带40及弧形俯仰盘42等，摩擦驱动单元104安装在弧形俯仰盘42上，俯仰用电机36与减速器37串联连接，减速器37安装在俯仰用支座38上，一级俯仰用带轮39安装在减速器37的输出轴上，一级俯仰用带轮通过俯仰用同步带40与二级俯仰用带轮41传动，二级俯仰用带轮41通过传动轴与弧形俯仰盘42一同转动。弧形俯仰盘42的外部结构为弧形，伸缩链条经弧形结构导向进入储链筒107，采用弧形结构可以满足任意俯仰角下伸缩链条均能顺利垂直进入储链筒107，同时，同步带在剥离板的作用下与连接块分离，随同连接块一同进入储链筒107中。

参图1和图8所示，水平回转机构106主要包括回转用电机43、回转齿轮44、回转台45及回转结构件组成，俯仰机构105安装在回转台45上，实现俯仰机构105、摩擦驱动单元104在水平面内进行一定范围的回转，增加了伸缩式服务机器人的可操作空间。水平回转机构106安装在三脚架108上，储链筒107安装在水平回转机构106的下部，同水平回转机构106一起转动。

本发明提供一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，具有如下有益效果：

1)通过增加俯仰机构和回转机构，使得伸缩臂的可操作空间大幅提升，在球星空间内具有更好的灵巧性。

2)伸缩臂由一系列连接块组成，依赖同步带约束两相邻连接块的上部，通过在伸缩基座处设置压紧轮，将同步带和连接块压紧且保持一定的预紧力，该设计可大幅降低维持伸缩臂刚性的拉紧力，同时，不会大幅增加伸缩用电机的负载。

3)摩擦滚轮与连接块连续接触，使得伸缩臂的伸出和收回运动平稳，同时，在支撑轮和约束滚轮的导向和支撑作用下，伸缩臂与伸缩机构完全为滚动摩擦，大幅降低其运动阻力。

4)弧形俯仰盘的外形为半弧形，可以在任意俯仰角度下，将连接块导向进入储链筒。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，其特征在于，该伸缩式服务机器人包括操作器、伸缩臂、同步带、摩擦驱动单元、俯仰机构、水平回转机构、储链筒及三脚架；操作器安装在伸缩臂的前端，伸缩臂由一系列连接块和同步带组成，摩擦驱动单元用于驱动伸缩臂伸出和收回；

连接块呈中空矩形结构，上部设置了与同步带啮合的沟槽，连接块下部的两端含有通孔结构，连接块两侧通过螺纹连接的方式安装了左侧压板和右侧压板，左侧压板和右侧压板的上部均加工了斜纹浅沟槽；

俯仰机构用于驱动摩擦驱动单元和伸缩臂在竖直面内俯仰，俯仰机构包含一个弧形俯仰盘，弧形俯仰盘的外部结构为半圆弧形，连接块经弧形结构能在任意俯仰角下导向进入储链筒；

水平回转机构包括回转用电机、回转齿轮及回转台，摩擦驱动单元和俯仰机构安装在回转台上，回转用电机驱动回转齿轮，促使伸缩臂在水平面内回转，增加操作器的工作空间；

摩擦驱动单元包含伸缩基座、伸缩用电机、一级伸缩用带轮、二级伸缩用带轮、伸缩用同步带、换向齿轮组、摩擦轮、压紧轮及支撑轮；

摩擦驱动单元的运动组件均安装在伸缩基座上，伸缩基座呈中空矩形结构，上部的两侧设计了8个用于放置轴承的孔，下部两侧设计了4个用于放置轴承的孔，且伸缩基座的顶部设计了4个通透的槽，底部设计了4个通透的槽，用于放置摩擦轮、压紧轮及支撑轮；

伸缩用电机通过电机安装板固定在伸缩基座侧面，一级伸缩用带轮安装在伸缩用电机的输出轴上，二级伸缩用带轮安装在一级转轴的一端并且采用平键连接，一级伸缩用带轮和二级伸缩用带轮通过伸缩用同步带传动，将动力传递至一级转轴；电机安装板上含有4个长形通孔，电机安装板能沿伸缩基座横向移动一定距离；

在一级转轴与二级转轴之间，增加了一级惰轮和二级惰轮，使得一级转轴与二级转轴保持相同速度且转动方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，其特征在于，一级转轴和二级转轴的中部均安装了两个摩擦滚轮，摩擦滚轮采用聚氨酯材料，上摩擦滚轮和下摩擦滚轮均与连接块接触，且具有一定的预紧力；

摩擦滚轮与一级转轴和二级转轴均采用过盈连接的方式，且在一级转轴和二级转轴的过盈连接表面增加了细纹浅沟槽；

一级转轴和二级转轴两端均由滚动轴承支撑；

两个上摩擦滚轮与左侧压板和右侧压板接触，两个下摩擦滚轮与连接块的底部接触，通过增加预紧力和接触面的粗糙度来增加摩擦驱动力。

3.根据权利要求1所述的一种含摩擦轮驱动的伸缩式服务机器人，其特征在于，在伸缩臂的上部和下部各设置了2个支撑滚轮，上支撑滚轮和下支撑滚轮共同与连接块的上部和下部接触；

支撑滚轮采用聚氨酯材料，过盈安装在三级转轴和四级转轴上，在相应的接触表面加工了斜纹浅沟槽，增加滚轮与转轴的连接可靠性；

三级转轴和四级转轴两端分别均由轴承支撑；

伸缩臂由上摩擦滚轮、下摩擦滚轮、上支撑滚轮和下支撑滚轮共同驱动和支撑，伸缩臂与伸缩基座保持了滚动接触。

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