CN109227522A - 一种全方位移动机构及升降机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全方位移动机构及升降机器人系统，包括：机器人总基座，为一个刚体平台，用于承载其他部件；双自由度移动机构，设置在所述机器人总基座的底部，包括移动轮，所述移动轮能实现轴向旋转以及径向旋转；升降机构，设置在所述机器人总基座上部，所述升降机构为具备升降功能的运动机构，带动所述机器人平台平面在升降过程中与所述机器人总基座平面保持平行；机器人平台，设置在所述升降机构上，由所述升降机构带动进行升降运动。本发明结构简单，操作便捷，可以快速移动到建筑物附近，并且通过升降机构带动多自由度机器人对一定高度的建筑物进行施工操作。

Description

一种全方位移动机构及升降机器人系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种全方位移动机构，以及由其构成的升降机器人系统。

背景技术

历史上第一台工业机器人的出现，是用于通用汽车的材料处理工作，随着机器人技术的不断进步与发展，它们可以做的工作也变得多样化起来。喷涂、码垛、搬运、包装、焊接、装配等等。

机器人用于建筑行业的研究最初开始于日本，从起步到形成今天的集成化制造体系已走过了二十五年的历程。1982年，日本清水建设公司“钢骨架喷涂耐火覆盖材料的SSR—Ⅰ型机器人”曾是世界上第一台实际应用于建筑施工的机器人。到目前为止、建筑机器人的种类不断增多，应用的领域有混凝土预制大板生产线、钢筋骨架成型、模板组合与拆卸、大型容器组装、焊接及喷漆、混凝土布料、空调风管检查及清理、外墙饰面检查、地面压光与清扫等等。实践证明，使用机器人不仅可以提高生产率、提高产品质量，更主要的还是代替人在危险、高温、有毒、粉尘、振动、噪声等恶劣环境中完成人体不可能完成的

虽然机器人广泛应用于建筑施工中，但由于机器人自身工作空间的限制，难以对较大施工范围的场景进行工作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种全方位移动机构及升降机器人系统，同时具备移动和升降功能，以解决现有机器人施工范围受限的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

根据本发明的第一目的，提供一种全方位移动机构，包括：

机器人总基座，为一个刚体平台，用于承载全方位移动机构的其他部件；

双自由度移动机构，设置在所述机器人总基座的底部，所述双自由度移动机构包括移动轮，所述移动轮能实现轴向旋转以及径向旋转；

升降机构，设置在所述机器人总基座的顶部，所述升降机构为具备升降功能的运动机构，

总控制器，设置在所述机器人总基座上；

其中，所述升降机构带动所述机器人平台进行升降运动，且所述机器人平台的平面在升降运动过程中与所述机器人总基座的平面平行；

所述总控制器用于控制所述升降机构的升降幅度以及控制整个全方位移动机构的移动速度和移动轨迹。。

本发明进一步设置为，所述机器人总基座上还设有电机驱动控制器、升降机电驱动控制器，所述电机驱动控制器和所述升降机电驱动控制器连接所述总控制器；其中：

所述电机驱动控制器连接着所述双自由度移动机构，并驱动控制所述双自由度移动机构的驱动部件的旋转速度和/或旋转角度；

所述升降机构上安装有驱动装置，所述升降机电驱动控制器连接着所述驱动装置用于驱动控制所述升降机构的升降幅度；

所述总控制器用于控制所述电机驱动控制器和所述升降机电驱动控制器，实现驱动控制所述升降机构的升降幅度以及驱动控制整个全方位移动机构的移动速度和移动轨迹。

本发明进一步设置为，所述双自由度移动机构的驱动部件和所述升降机构的驱动装置连接着电源。

通过上述技术方案，所述电源可以选择蓄电池提供电能，将蓄电池固定在所述机器人总基座上，也可以通过外部电源给所述双自由度移动机构和所述升降机构提供电能。

本发明进一步设置为，所述双自由度移动机构还包含驱动部件和L型支架，所述驱动部件包括轴向旋转电机和径向旋转电机；

所述轴向旋转电机的转子连接所述移动轮，带动所述移动轮进行轴向旋转动作；

所述L型支架用于将所述移动轮和所述机器人总基座固定，所述L型支架的一边固定所述轴向旋转电机的定子，另一边固定所述径向旋转电机的转子；

所述径向旋转电机用于提供所述移动轮的径向旋转，所述径向旋转电机的定子连接所述机器人总基座，所述径向旋转电机的转子连接所述L型支架的一边。

通过上述技术方案，通过几组双自由度移动机构的配合，可以实现全方位移动，无转弯半径。当需要转弯时，所有双自由度移动机构的径向旋转电机旋转到转弯的角度，之后通过所有双自由度移动机构的轴向旋转电机的协调旋转，即可实现无转弯半径的转弯动作。

本发明进一步设置为，所述双自由度移动机构的轴向旋转电机和径向旋转电机采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机或者直流步进电机中的一种。

本发明进一步设置为，所述轴向旋转电机和所述径向旋转电机采用直接输出旋转扭矩，或者采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器、齿轮减速器中的一种，将扭矩进行放大后输出旋转扭矩。

本发明进一步设置为，所述升降机构包运动部件和执行机构；其中：

所述运动部件提供旋转和/或直线运动，带动所述执行机构运动最终将所述机器人平台升降到所需高度；

所述执行机构受所述运动部件的带动，将小幅度运动转换成大幅度的运动。

本发明进一步设置为，所述运动部件可采用旋转电机连接丝杠的结构，或者采用旋转电机连接蜗轮蜗杆的结构，或者采用直线液压驱动的结构，或者采用直线气缸驱动的结构进行运动输出。

本发明进一步设置为，所述执行机构为直臂式、曲臂式、剪叉式、桅柱式、导轨式或链条式升降构型中的一种。

根据本发明的第二目的，提供一种升降机器人系统，包括上述全方位移动机构以及机器人本体，所述全方位移动机构的机器人平台上设置所述机器人本体，所述机器人本体为具备多关节自由度的串联并联机器人系统或并联机器人系统。

本发明进一步设置为，所述机器人本体为4自由度SCARA型机器人、4自由度串联型机器人、6自由度串联型机器人、6自由度型并联机器人或7自由度串联型机器人中的一种。

与现有技术相比，本发明至少具有以下一种有益效果：

(1)本发明的全方位移动机构通过双自由度移动机构、升降机构等配合，能实现全方位移动，且结构简单，自身可收缩折叠，易移动存放，占有空间小。

(2)本发明的全方位移动机构可以快速移动到建筑物附近，灵活易控。

(3)本发明的全方位移动机构具有灵活的升降机构，且升降平稳；

(4)本发明包含全方位移动机构的升降机器人系统，通过升降机构带动多自由度机器人对一定高度的建筑物进行施工操作，操作便捷，提高工作效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构示意图；

图2a、图2b为本发明一优选实施例的升降两种状态的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例的双自由度移动机构的结构示意图；

图4a、图4b为本发明一优选实施例的全方位转向的示意图；

图5为本发明一优选实施例的升降机构的结构示意图。

其中，010-机器人总基座；020-双自由度移动机构；030-升降机构；040-机器人平台；050-机器人本体；021-移动轮；022-轴向旋转电机；023-L型支架；024-径向旋转电机；031-运动部件；032-执行机构；011-电机驱动控制器；012-升降机电驱动控制器；013-总控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。

如图1和图2a、图2b所示，为本发明的全方位移动机构及升降机器人系统的一优选实施例示意图。

在图中所示的实施例中，全方位移动机构包括机器人总基座010、双自由度移动机构020、升降机构030、机器人平台040和总控制器013。机器人总基座010为一个刚体平台，承载升降机构030和机器人平台040，双自由度移动机构020包含至少三个移动轮021便于自由移动。机器人总基座010可以设置蓄电池给双自由度移动机构020、升降机构030提供电能，也可以通过外部电源给双自由度移动机构020、升降机构030提供电能。总控制器013固定在机器人总基座010上，用于控制所述升降机构030的升降幅度以及控制整个全方位移动机构的移动速度和移动轨迹。

在图中所示的实施例中，升降机器人系统包括上述的全方位移动机构和机器人本体050，机器人平台040上安装有机器人本体050，机器人本体050为具备多关节自由度的串联并联机器人系统或并联机器人系统。

在一优选的实施例中，机器人总基座010上除了固定总控制器013，还进一步固定有电机驱动控制器011、升降机电驱动控制器012，总控制器013连接着电机驱动控制器011和升降机电驱动控制器012。其中，电机驱动控制器011连接着双自由度移动机构，用于接收总控制器013指令，驱动控制双自由度移动机构020的电机的旋转速度、旋转角度。升降机电驱动控制器012用于驱动控制升降机构030的升降幅度。比如，当升降机构030采用液压驱动，则控制液压阀和液压泵来控制升降幅度；当升降机构030采用气动驱动，则控制气动阀来控制升降幅度；当升降机构030采用电机驱动，则控制电机的旋转角度从而带动升降机构030的升降幅度。总控制器013用于控制电机驱动控制器011和升降机电驱动控制器012，实现驱动控制升降机构030的升降幅度以及驱动控制整个机器人的移动速度和移动轨迹。

机器人平台040由升降机构030带动进行升降运动，承载机器人本体050。机器人本体050包含但不限于以下几种机器人构型：4自由度SCARA型机器人、4自由度串联型机器人、6自由度串联型机器人、6自由度型并联机器人、7自由度串联型机器人。

在一优选的实施例中，如图3所示，双自由度移动机构020固定在机器人总基座010上，其移动轮021包含两个自由度，可以实现轴向旋转以及径向旋转；双自由度移动机构020还包含：轴向旋转电机022，L型支架023和径向旋转电机024。其中，轴向旋转电机022的定子固定在L型支架023的一边，轴向旋转电机022的转子连接移动轮021，带动移动轮021进行轴向旋转动作。L型支架023用于将移动轮021和机器人总基座010，L型支架023的一边固定轴向旋转电机022的定子，一边固定径向旋转电机024的转子。径向旋转电机024用于提供移动轮021的径向旋转，径向旋转电机024的定子连接机器人总基座010，径向旋转电机024的转子连接L型支架023的一边。

如图1、图4a和图4b所示，通过几组双自由度移动机构020的配合，可以实现全方位移动，无转弯半径。当需要转弯时，所有双自由度移动机构020的径向旋转电机024旋转到转弯的角度，之后通过所有双自由度移动机构020的轴向旋转电机022的协调旋转即可实现无转弯半径的转弯动作。双自由度移动机构020的轴向旋转电机022和径向旋转电机024可以采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机或者直流步进电机中的一种。轴向旋转电机022和径向旋转电机024可以直接输出旋转扭矩，也可以采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器、齿轮减速器中的一种，将扭矩进行发大后输出旋转扭矩。轴向旋转电机022和径向旋转电机024的编码器可以采用光电编码器、磁编码器、电位器、旋转变位器中的一种进行电机旋转速度的位置的检测。

在一优选的实施例中，如图1和图5所示，升降机构030为一种具备大范围升降功能的运动机构，带动机器人平台040升降，能始终保持机器人平台040平面在升降过程中与机器人总基座010平面保持平行。升降机构030包括运动部件031和执行机构032，其中，运动部件031提供旋转和/或直线运动，带动执行机构032运动，最终将机器人平台040升降到一定高度。执行机构032受运动部件031的带动，将小幅度运动转换成大幅度的运动。运动部件031可采用旋转电机连接丝杠的结构，或者采用旋转电机连接蜗轮蜗杆的结构，或者采用直线液压驱动的结构，或者采用直线气缸驱动的结构进行运动输出。执行机构032可以包括但不限于以下的几种升降构型：直臂式、曲臂式、剪叉式、桅柱式、导轨式、链条式等，这些执行机构032在升降过程中实现垂直上下运动。如在图5所示的实施例中，执行机构032采用了剪叉式结构，从图中可以看到，剪叉式结构采用了多个连杆，通过多个连杆首尾之间活动连接，构成了多个可以通过调整夹角变化的平行四边形机构，通过运动部件031实现平行四边形夹角角度的变化，平行四边形的两对边始终保持平行，从而实现执行机构032垂直方向的升降运动，在升降过程中，连接在平行四边形机构上端的机器人平台040平面与连接在平行四边形机构下端的机器人总基座010平面能始终保持平行。

以上是本发明中的优选结构设计，当然在其他实施例中，各个优选结构可以单独使用，在互相不冲突的前提下，也可以任意组合使用，组合使用时效果会更好。

本发明上述实施例，能实现全方位移动功能，结构简单，稳定性好，操作便捷，可以快速移动到建筑物附近，升降自如，可灵活调整，能对一定高度的建筑物进行施工操作。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种全方位移动机构，其特征在于：包括：

机器人总基座，为一个刚体平台，用于承载全方位移动机构的其他部件；

双自由度移动机构，设置在所述机器人总基座的底部，所述双自由度移动机构包括移动轮，所述移动轮能实现轴向旋转以及径向旋转；

升降机构，设置在所述机器人总基座的顶部，所述升降机构为具备升降功能的运动机构；

机器人平台，设置在所述升降机构上；

总控制器，设置在所述机器人总基座上；

其中，所述升降机构带动所述机器人平台进行升降运动，且所述机器人平台的平面在升降运动过程中与所述机器人总基座的平面平行；

所述总控制器用于控制所述升降机构的升降幅度以及控制整个全方位移动机构的移动速度和移动轨迹。

2.根据权利要求1所述的全方位移动机构，其特征在于：所述机器人总基座上还设有电机驱动控制器、升降机电驱动控制器，所述电机驱动控制器和所述升降机电驱动控制器连接所述总控制器；

所述电机驱动控制器连接着所述双自由度移动机构，并驱动控制所述双自由度移动机构的驱动部件的旋转速度和/或旋转角度；

所述升降机构上安装有驱动装置，所述升降机电驱动控制器连接着所述驱动装置用于驱动控制所述升降机构的升降幅度；

所述总控制器用于控制所述电机驱动控制器和所述升降机电驱动控制器，实现驱动控制所述升降机构的升降幅度以及驱动控制整个全方位移动机构的移动速度和移动轨迹。

3.根据权利要求1所述的全方位移动机构，其特征在于：所述双自由度移动机构的驱动部件和所述升降机构的驱动装置连接着电源。

4.根据权利要求1所述的全方位移动机构，其特征在于：所述双自由度移动机构还包括驱动部件和L型支架，所述驱动部件包括轴向旋转电机和径向旋转电机；

所述轴向旋转电机的转子连接所述移动轮，驱动所述移动轮进行轴向旋转动作；

所述L型支架用于将所述移动轮和所述机器人总基座固定，所述L型支架的一边固定所述轴向旋转电机的定子，另一边固定所述径向旋转电机的转子；

所述径向旋转电机用于驱动所述移动轮的径向旋转，所述径向旋转电机的定子连接所述机器人总基座，所述径向旋转电机的转子连接所述L型支架的一边。

5.根据权利要求4所述的全方位移动机构，其特征在于：所述双自由度移动机构的轴向旋转电机和径向旋转电机采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机和直流步进电机中的任一种。

6.根据权利要求4所述的全方位移动机构，其特征在于：所述轴向旋转电机和所述径向旋转电机采用直接输出旋转扭矩，或者采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器和齿轮减速器中的任一种，将扭矩进行放大后输出旋转扭矩。

7.根据权利要求1所述的全方位移动机构，其特征在于：所述升降机构包括运动部件和执行机构；其中：

所述运动部件提供旋转和/或直线运动，带动所述执行机构运动，将所述机器人平台升降到所需高度；

所述执行机构受所述运动部件的带动，将小幅度运动转换成大幅度的运动。

8.根据权利要求7所述的全方位移动机构，其特征在于：所述执行机构为直臂式、曲臂式、剪叉式、桅柱式、导轨式和链条式升降构型中的任一种。

9.一种升降机器人系统，包括权利要求1-8任一所述的全方位移动机构以及机器人本体，在所述全方位移动机构的机器人平台上设置所述机器人本体，所述机器人本体为具备多关节自由度的串联并联机器人系统或并联机器人系统。

10.根据权利要求9所述的升降机器人系统，其特征在于：所述机器人本体为4自由度SCARA型机器人、4自由度串联型机器人、6自由度串联型机器人、6自由度型并联机器人和7自由度串联型机器人中的任一种。