CN110434824A - 一种冗余双臂协作机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冗余双臂协作机器人，属于智能机器人领域。该机器人包括二自由度云台、七自由度机械左臂、七自由度机械右臂、腰部旋转单元、全向移动底盘、上层旋转部分支撑装置和上层电气安装盒。左臂与右臂的结构相同，每条手臂具有七个自由度，该机器人的整体尺寸略低于成年人，全身共有20个自由度。本发明在传统机器人的基础上，通过合理设计全向移动底盘、合理布置腰部旋转单元，扩大机器人的活动范围以及双臂协作的工作空间；本发明基于更加严格的模块化设计思想，各个组成模块相对独立，加工和装配更加简洁。

Description

一种冗余双臂协作机器人
技术领域
本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种冗余双臂协作机器人。
背景技术
随着2012年以来我国劳动人口的数量逐年下降，要实现生产力的增长就只能通过不断提高人均生产率来实现，而充分利用机器人对部分人力劳动的替代就可以达到这个目的，故对机器人进行研究有极大的现实意义。虽然单臂工业机器人在我国已经取得了较好的发展和应用如铸造、焊接、喷涂、码垛等操作，但是在一些需要精密装配、精细操作的应用场合，传统的工业机器人很难通过协作来实现精密装配。双臂机器人比单个臂的机器人更灵活，有更多的自由度、更广泛的适用性、更高的可靠性，因此更适合于复杂多变的工作环境和繁杂的操作任务。同时在服务领域双臂机器人的应用可减缓由劳动力不足形成的压力。由于双臂机器人与人类双臂相似，故可以很好的模拟人类行为，为人类进行服务，如应用于商场和科技馆等与人类进行互动，可作为医院的“护士助手”，也可作为家庭的服务员等解决老年人或残障人士生活中的各种不便实现端茶及倒水。因此为扩大机器人的活动范围，双臂机器人还应具有灵活的运动机构，可以随时运动到需要的地方，包括一些对于普通人来说不易到达的地方和角落，完成人或智能系统预先设置指定的工作。
为解决传统机器人灵活性不够的问题，早在上个世纪80-90年代，一种冗余自由度的机械臂被提出，相对于传统的机械臂，冗余自由度机械臂由于自由度的增加而使得其动作更加灵活。同时机械手臂应基于仿人手的思想，尽可能的实现人手臂所具有的所有自由度，增加与人的亲密感，但是因此其运动控制也更加复杂。一般的机器人功能单一，工作范围空间小，价格也相对较高，难以得到大规模的普及。
发明内容
为了解决现有技术所存在的功能单一，工作空间小、价格昂贵的问题，本发明提供一种冗余双臂协作机器人。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种冗余双臂协作机器人，该冗余双臂协作机器人包括二自由度云台6、七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7、腰部旋转单元2、全向移动底盘1、上层旋转部分支撑装置3和上层电气安装盒4；所述全向移动底盘1用于机器人在工作区域的移动；所述腰部旋转单元2安装在全向移动底盘1上，实现水平面内±90°的旋转；腰部旋转方向装有光电限位开关，可使搭载七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7与二自由度云台6的上层旋转部分支撑装置3实现固定工位的工作方向的改变。所述上层旋转部分支撑装置3安装在腰部旋转单元2上方。七自由度机械左臂5和七自由度机械右臂7对称安装在上层旋转部分支撑装置3两侧，七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7分别具有七个自由度，七个一体化关节由连接装置固定。所述二自由度云台6安装在上层旋转部分支撑装置3上侧，二自由度云台6采用电机直连的驱动方式具有水平旋转与俯仰两个方向的自由度，其中，水平方向旋转角度可以达到±90°，俯仰方向旋转角度可以达到±60°。在水平和俯仰两个方向装有光电限位开关，同时固定在上层旋转部分支撑装置3上方，二自由度云台6搭载有视觉传感器。所述上层电气安装盒4固定于上层旋转部分支撑装置3的背面，用于搭载电气装置。在控制系统的控制下，实现冗余双臂协作机器人20个自由度的运动。
所述的全向移动底盘1包括上层安装板101、中层安装板104、下层安装板126、上支撑型材102、下支撑型材113、电源管理系统103、48V电池压板105、48V电池106、尾部支撑型材107、尾部支撑板108、开关盒109、工控机110、工控机夹紧111、工控机支撑板112、激光雷达支撑板114、激光雷达115、底盘电机驱动盒116、惯性测量单元支撑123、惯性测量单元124、24V电池125、24V电池夹紧127、电机轮组、底盘电机驱动支撑板128和底盘电机驱动129。所述上层安装板101、中层安装板104、下层安装板126、上支撑型材102、工控机支撑板112、下支撑型材113、尾部支撑型材107和尾部支撑板108共同组成全向移动底盘1的主体支撑结构；所述上层安装板101与中层安装板104通过上支撑型材102连接，中层安装板104与下层安装板126通过下支撑型材113连接。所述底盘电机驱动129用于驱动电机轮组，通过底盘电机驱动支撑板128安装在底盘电机驱动盒116内；所述底盘电机驱动盒116安装在下层安装板(126)上；所述电机轮组共有四组，前后对称分布在下层安装板126四周，电机轮组包括底、底盘驱动电机117、底盘联轴器120、底盘带座轴承118、底盘电机连接轴119、底盘电机支撑座121和45度麦克纳姆轮122。所述底盘驱动电机117通过底盘电机支撑座121固定在下层安装板126上，所述底盘电机连接轴119通过底盘带座轴承118固定在下层安装板126上，底盘带座轴承118用于支撑底盘电机连接轴119的转动；所述底盘电机连接轴119一端与底盘驱动电机117的转轴连接，另一端安装有45度麦克纳姆轮122，四组电机轮组通过运动学控制实现机器人的全向移动；所述激光雷达115通过激光雷达支撑板114安装在下层安装板126前方，所述24V电池125通过24V电池夹紧127安装在下层安装板126中间位置，用于给全向移动底盘1供电；所述惯性测量单元124通过惯性测量单元支撑123安装在24V电池125上侧，度云台6、七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7以及腰部旋转单元2供电。
所述的腰部旋转单元2包括轴承上压紧板201、腰部轴承座202、腰部轴承216、腰部旋转主轴217、橡胶挡片a218、腰部旋转限位219、轴承下压紧板220、和二级行星减速机。腰部轴承座202通过螺钉固定安装在上层安装板101上侧；所述腰部轴承216安装在腰部轴承座202中，上部通过轴承上压紧板201压紧腰部轴承216外圈，下部通过固定在腰部旋转主轴217的轴承下压紧板220对腰部轴承216内圈进行压紧；所述腰部轴承216内环上安装有腰部旋转主轴217，腰部轴承216用于支撑腰部旋转主轴217的转动；所述二级行星减速机包括免键同步带轮203、右侧连接板204、下部连接板205、驱动轴套筒206、顶紧滑板207、顶紧螺柱固定座208、顶紧螺柱209、惰轮固定轴210、惰轮211、步进电机212、步进电机安装座213、同步带轮214、左侧连接板215、同步带221；所述步进电机212通过步进电机安装座213安装在下部连接板205下侧，步进电机212的转轴穿过步进电机安装座213上的转轴孔；所述免键同步带轮203通过驱动轴套筒206安装在步进电机212的转轴上，驱动轴套筒206用于免键同步带轮203的轴向定位；所述同步带轮214安装在腰部旋转主轴217上；所述免键同步带轮203和同步带轮214之间通过同步带221传动；所述顶紧滑板207安装在下部连接板205的通孔处，其在下部连接板205上的安装位置可调，所述惰轮固定轴210一端悬空，另一端固定安装在顶紧滑板207上，顶紧螺柱固定座208安装在顶紧滑板207下部，用于安装顶紧螺柱209，顶紧螺柱209通过顶紧螺柱固定座208向里旋进顶紧顶紧滑板207，此时安装在顶紧滑板207上的惰轮固定轴210位置被顶紧；所述惰轮211安装在惰轮固定轴210上，用于对同步带221施加压力，通过同步带传动与空心旋转主轴的配合，解决上下部分难以内部走线的问题。所述下部连接板205通过右侧连接板204和左侧连接板215安装在上层安装板101下侧。所述腰部旋转限位219安装在上层安装板101上侧，用于限制腰部旋转单元2的旋转角度；所述橡胶挡片a218安装在腰部旋转限位219上，起缓冲保护作用；
所述上层旋转部分支撑装置3包括下部安装板301、机械臂支撑型材302和机械臂安装板303。所述下部安装板301安装在腰部旋转主轴217上；所述机械臂支撑型材302安装在下部安装板301上；所述机械臂安装板303共有两个，对称安装在机械臂支撑型材302侧面，用于安装机械臂。
所述七自由度机械左臂5和七自由度机械右臂7的结构相同，分别安装在机械臂安装板303上。所述七自由度机械左臂5包括伺服驱动器安装板514，第Ⅰ关节501、第Ⅱ关节504、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件502、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503、第Ⅲ关节507、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506、第Ⅳ关节510、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509，第Ⅴ关节512、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520、第Ⅵ关节517、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521、第Ⅶ关节519、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518。所述第Ⅰ关节501输出端与第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件502固定连接，所述第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503垂直安装在第Ⅰ关节连接件502上；所述第Ⅱ关节504安装在第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503上，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505安装在第Ⅱ关节504输出端，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506垂直按安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505上；所述第Ⅲ关节507安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506上，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508安装在第Ⅲ关节507的输出端，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509垂直安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508上；所述第Ⅳ关节510安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509上，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511安装在第Ⅳ关节510的输出端，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520垂直安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511上；所述第Ⅴ关节512安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520上，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513安装在第Ⅴ关节512的输出端，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521垂直安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513上；所述第Ⅵ关节517安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521上，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515安装在第Ⅵ关节517的输出端，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515上；所述第Ⅶ关节519安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518上；所述伺服驱动器安装板514安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515上，用于安装伺服驱动器；
所述的二自由度云台6包括水平旋转驱动电机601、水平限位光电开关602、云台支撑基座603、云台旋转轴承座604、云台旋转轴承605、云台水平旋转限位606、橡胶挡片b607、云台旋转主轴608、云台俯仰限位609、相机平台支撑左臂610、带座轴承611、假轴612、相机平台613、旋转平台614、相机平台支撑右臂615、轴端垫片616、水平旋转挡柱617、电机驱动盒618、电机驱动619、云台控制器620、云台支撑板621、俯仰旋转驱动电机622、俯仰限位光电开关623。所述云台支撑板621安装在上层旋转部分支撑装置3上侧；所述云台支撑基座603安装在云台支撑板621上侧；所述水平旋转驱动电机601安装在云台支撑板621下侧，水平旋转驱动电机601的转轴穿过云台支撑板621和云台支撑基座603；所述水平限位光电开关602安装在云台支撑板621上，通过水平旋转挡柱617进行水平旋转自由度绝对位置的确定；所述云台旋转轴承座604安装在云台支撑基座603上侧；所述云台旋转轴承605安装在云台旋转轴承座604内，用于支撑云台旋转主轴608的旋转；所述云台旋转主轴608安装在云台旋转轴承605的内环上，并于水平旋转驱动电机601的转轴相连；所述云台水平旋转限位606安装在云台支撑板621上，用于限制二自由度云台6在水平面内的转动角度；所述橡胶挡片b607安装在云台水平旋转限位606上，起缓冲保护作用；所述旋转平台614安装在云台旋转主轴608的安装面上，并可随云台旋转主轴608在水平面内转动，旋转平台614的左右两竖直端分别开有通孔和U形槽；所述俯仰旋转驱动电机622固定安装在旋转平台614开有同孔的竖直端内侧，俯仰旋转驱动电机622的转轴轴线与通孔的轴线重合，俯仰旋转驱动电机622的转轴穿过另一个竖直端的U形槽；所述轴端垫片616安装在旋转平台614开有U形槽的竖直端，用于支撑旋转平台614转动；所述带座轴承611安装在旋转平台614开有通孔的竖直端；所述假轴612带座轴承611内，假轴612的轴线与通孔的轴线重合；所述相机平台支撑左臂610安装在假轴612上；所述相机平台支撑右臂615安装在俯仰旋转驱动电机622的转轴上；所述相机平台613的两端分别安装在相机平台支撑左臂610和相机平台支撑右臂615上，可在俯仰旋转驱动电机622的驱动下转动；所述云台俯仰限位609安装在旋转平台614开有通孔的竖直端外侧，用于限制二自由度云台6在竖直面内的转动角度；所述电机驱动619和云台控制器620安装在云台支撑板621上，用于驱动和控制二自由度云台6；所述电机驱动盒618安装在云台支撑板621上、电机驱动619和云台控制器620上方，用于保护电机驱动619和云台控制器620；所述俯仰限位光电开关623安装在旋转平台614的侧面，实现俯仰自由度绝对位置的确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在冗余双臂协作机器人移动底盘的设计过程中，将四个45°的全向轮均匀对称分布在四周，通过运动控制算法实现全向移动，相比于差速移动底盘转弯半径小、自由度多运动灵活，相比于三轮全向移动底盘，负载大，底盘空间利用率高。
(2)设计了七自由度双臂，通过其与腰部旋转单元、移动底盘配合运动，增强了机器人的工作空间，腰部旋转单元通过同步带传动，降低了工作时的噪音，同时旋转主轴的中空设计，方便了内部走线，集成度高。
(3)在冗余双臂协作机器人设计过程中，模块化思想被广泛使用，首先使用模块化关节设计机械臂，其次在控制系统设计方面使用模块化设计，每个模块单独成为一个系统，可以独立控制，这样的设计使得加工、装配和维修更加方便，并且机器人的稳定性更高。
附图说明
图1是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人的整体结构图。
图2是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人的全向移动底盘的整体结构图。
图3是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人的全向移动底盘下层支撑板布置形式结构图。
图4是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人腰部旋转单元的整体结构图。
图5是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人腰部旋转单元的爆炸视图。
图6是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人腰部旋转单元旋转基座的爆炸视图。
图7是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人的七自由度机械左臂结构图。
图8是本发明实例中所用冗余双臂协作机器人的二自由度云台爆炸视图。
图1中：全向移动底盘1；腰部旋转单元2；上层旋转部分支撑装置3；上层电气安装盒4；七自由度机械左臂5；二自由度云台6；七自由度机械右臂7；下部安装板301；机械臂支撑型材302；机械臂安装板303；
图2、图3中：上层安装板101；中层安装板104；下层安装板126；上支撑型材102；下支撑型材113；电源管理系统103；48V电池压板105；48V电池106；尾部支撑型材107；尾部支撑板108；开关盒109；工控机110；工控机夹紧111；工控机支撑板112；激光雷达支撑板114；激光雷达115；底盘电机驱动盒116；底盘驱动电机117；底盘联轴器120；底盘带座轴承118；底盘电机连接轴119；底盘电机支撑座121；45度麦克纳姆轮122；惯性测量单元支撑123；惯性测量单元124；24V电池125；24V电池夹紧127；底盘电机驱动支撑板128；底盘电机驱动129；
图5、图6中：轴承上压紧板201；腰部轴承座202；免键同步带轮203；右侧连接板204；下部连接板205；驱动轴套筒206；顶紧滑板207；顶紧螺柱固定座208；顶紧螺柱209；惰轮固定轴210；惰轮211；步进电机212；步进电机安装座213；同步带轮214；左侧连接板215；腰部轴承216；腰部旋转主轴217；橡胶挡片a218；腰部旋转限位219；轴承下压紧板220；同步带221；
图7中：伺服驱动器安装板514；第Ⅰ关节501；第Ⅱ关节504；第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件502；第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503；第Ⅲ关节507；第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505；第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506；第Ⅳ关节510；第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508；第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509；第Ⅴ关节512；第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511；第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520；第Ⅵ关节517；第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513；第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521；第Ⅶ关节519；第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515；第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518；
图8中：水平旋转驱动电机601；水平限位光电开关602；云台支撑基座603；云台旋转轴承座604；云台旋转轴承605；云台水平旋转限位606；橡胶挡片b607；云台旋转主轴608；云台俯仰限位609；相机平台支撑左臂610；带座轴承611；假轴612；相机平台613；旋转平台614；相机平台支撑右臂615；轴端垫片616；水平旋转挡柱617；电机驱动盒618；电机驱动619；云台控制器620；云台支撑板621；俯仰旋转驱动电机622；俯仰限位光电开关623。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种冗余双臂协作机器人，包括二自由度云台6、七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7、腰部旋转单元2、全向移动底盘1、上层旋转部分支撑装置3和上层电气安装盒4；所述全向移动底盘1用于机器人在工作区域的移动；所述腰部旋转单元2安装在全向移动底盘1上，实现水平面内±90°的旋转；腰部旋转方向装有光电限位开关，可使搭载七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7与二自由度云台6的上层旋转部分支撑装置3实现固定工位的工作方向的改变。所述上层旋转部分支撑装置3安装在腰部旋转单元2上方。七自由度机械左臂5和七自由度机械右臂7对称安装在上层旋转部分支撑装置3两侧，七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7分别具有七个自由度，七个一体化关节由连接装置固定。所述二自由度云台6安装在上层旋转部分支撑装置3上侧，二自由度云台6采用电机直连的驱动方式具有水平旋转与俯仰两个方向的自由度，其中，水平方向旋转角度可以达到±90°，俯仰方向旋转角度可以达到±60°。在水平和俯仰两个方向装有光电限位开关，同时固定在上层旋转部分支撑装置3上方，二自由度云台6搭载有视觉传感器。所述上层电气安装盒4固定于上层旋转部分支撑装置3的背面，用于搭载电气装置。在控制系统的控制下，实现冗余双臂协作机器人20个自由度的运动。
如图1所示，一种冗余双臂协作机器人，其上层旋转部分支撑装置3包括下部安装板301、机械臂支撑型材302和机械臂安装板303。所述下部安装板301安装在腰部旋转主轴217上；所述机械臂支撑型材302安装在下部安装板301上；所述机械臂安装板303共有两个，对称安装在机械臂支撑型材302侧面，用于安装机械臂。
如图2、图3所示，一种冗余双臂协作机器人，其全向移动底盘1包括上层安装板101、中层安装板104、下层安装板126、上支撑型材102、下支撑型材113、电源管理系统103、48V电池压板105、48V电池106、尾部支撑型材107、尾部支撑板108、开关盒109、工控机110、工控机夹紧111、工控机支撑板112、激光雷达支撑板114、激光雷达115、底盘电机驱动盒116、惯性测量单元支撑123、惯性测量单元124、24V电池125、24V电池夹紧127、电机轮组、底盘电机驱动支撑板128和底盘电机驱动129。所述上层安装板101、中层安装板104、下层安装板126、上支撑型材102、工控机支撑板112、下支撑型材113、尾部支撑型材107和尾部支撑板108共同组成全向移动底盘1的主体支撑结构；所述底盘电机驱动129用于驱动电机轮组，通过底盘电机驱动支撑板128安装在底盘电机驱动盒116内；所述底盘电机驱动盒116安装在下层安装板(126)上；所述电机轮组共有四组，前后对称分布在下层安装板126四周，电机轮组包括底、底盘驱动电机117、底盘联轴器120、底盘带座轴承118、底盘电机连接轴119、底盘电机支撑座121和45度麦克纳姆轮122。所述底盘驱动电机117通过底盘电机支撑座121固定在下层安装板126上，所述底盘电机连接轴119通过底盘带座轴承118固定在下层安装板126上，底盘带座轴承118用于支撑底盘电机连接轴119的转动；所述底盘电机连接轴119一端与底盘驱动电机117的转轴连接，另一端安装有45度麦克纳姆轮122，四组电机轮组通过运动学控制实现机器人的全向移动；所述激光雷达115通过激光雷达支撑板114安装在下层安装板126前方，所述24V电池125通过24V电池夹紧127安装在下层安装板126中间位置，用于给全向移动底盘1供电；所述惯性测量单元124通过惯性测量单元支撑123安装在24V电池125上侧；所述开关盒109通过尾部支撑板108安装在全向移动底盘1尾部；所述工控机110通过工控机夹紧111安装在工控机支撑板112上，用于机器人控制；所述电源管理系统103安装在中层安装板104上侧；48V电池106用于为二自由度云台6、七自由度机械左臂5、七自由度机械右臂7以及腰部旋转单元2供电。
如图4、图5、图6所示，一种冗余双臂协作机器人，其腰部旋转单元2包括轴承上压紧板201、腰部轴承座202、腰部轴承216、腰部旋转主轴217、橡胶挡片a218、腰部旋转限位219、轴承下压紧板220、和二级行星减速机。所述腰部轴承座202通过螺钉固定安装在上层安装板101上侧；所述腰部轴承216安装在腰部轴承座202中，上部通过轴承上压紧板201压紧腰部轴承216外圈，下部通过固定在腰部旋转主轴217的轴承下压紧板220对腰部轴承216内圈进行压紧；所述腰部轴承216内环上安装有腰部旋转主轴217，腰部轴承216用于支撑腰部旋转主轴217的转动；所述二级行星减速机包括免键同步带轮203、右侧连接板204、下部连接板205、驱动轴套筒206、顶紧滑板207、顶紧螺柱固定座208、顶紧螺柱209、惰轮固定轴210、惰轮211、步进电机212、步进电机安装座213、同步带轮214、左侧连接板215、同步带221；所述步进电机212通过步进电机安装座213安装在下部连接板205下侧，步进电机212的转轴穿过步进电机安装座213上的转轴孔；所述免键同步带轮203通过驱动轴套筒206安装在步进电机212的转轴上，驱动轴套筒206用于免键同步带轮203的轴向定位；所述同步带轮214安装在腰部旋转主轴217上；所述免键同步带轮203和同步带轮214之间通过同步带221传动；所述顶紧滑板207安装在下部连接板205的通孔处，其在下部连接板205上的安装位置可调，所述惰轮固定轴210一端悬空，另一端固定安装在顶紧滑板207上，顶紧螺柱固定座208安装在顶紧滑板207下部，用于安装顶紧螺柱209，顶紧螺柱209通过顶紧螺柱固定座208向里旋进顶紧顶紧滑板207，此时安装在顶紧滑板207上的惰轮固定轴210位置被顶紧；所述惰轮211安装在惰轮固定轴210上，用于对同步带221施加压力，通过同步带传动与空心旋转主轴的配合，解决上下部分难以内部走线的问题。所述下部连接板205通过右侧连接板204和左侧连接板215安装在上层安装板101下侧。所述腰部旋转限位219安装在上层安装板101上侧，用于限制腰部旋转单元2的旋转角度；所述橡胶挡片a218安装在腰部旋转限位219上，起缓冲保护作用。
如图7所示，一种冗余双臂协作机器人，其七自由度机械左臂5和七自由度机械右臂7的结构相同，分别安装在机械臂安装板303上；七自由度机械左臂5包括伺服驱动器安装板514，第Ⅰ关节501、第Ⅱ关节504、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件502、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503、第Ⅲ关节507、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506、第Ⅳ关节510、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509，第Ⅴ关节512、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520、第Ⅵ关节517、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521、第Ⅶ关节519、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518。所述第Ⅰ关节501输出端与第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件502固定连接，所述第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503垂直安装在第Ⅰ关节连接件502上；所述第Ⅱ关节504安装在第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板503上，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505安装在第Ⅱ关节504输出端，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506垂直按安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件505上；所述第Ⅲ关节507安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板506上，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508安装在第Ⅲ关节507的输出端，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509垂直安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件508上；所述第Ⅳ关节510安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板509上，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511安装在第Ⅳ关节510的输出端，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520垂直安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件511上；所述第Ⅴ关节512安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板520上，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513安装在第Ⅴ关节512的输出端，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521垂直安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件513上；所述第Ⅵ关节517安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板521上，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515安装在第Ⅵ关节517的输出端，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515上；所述第Ⅶ关节519安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板518上；所述伺服驱动器安装板514安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件515上。
如图8所示，一种冗余双臂协作机器人，其二自由度云台6包括水平旋转驱动电机601、水平限位光电开关602、云台支撑基座603、云台旋转轴承座604、云台旋转轴承605、云台水平旋转限位606、橡胶挡片b607、云台旋转主轴608、云台俯仰限位609、相机平台支撑左臂610、带座轴承611、假轴612、相机平台613、旋转平台614、相机平台支撑右臂615、轴端垫片616、水平旋转挡柱617、电机驱动盒618、电机驱动619、云台控制器620、云台支撑板621、俯仰旋转驱动电机622、俯仰限位光电开关623。所述云台支撑板621安装在上层旋转部分支撑装置3上侧；所述云台支撑基座603安装在云台支撑板621上侧；所述水平旋转驱动电机601安装在云台支撑板621下侧，水平旋转驱动电机601的转轴穿过云台支撑板621和云台支撑基座603；所述水平限位光电开关602安装在云台支撑板621上，通过水平旋转挡柱617进行水平旋转自由度绝对位置的确定；所述云台旋转轴承座604安装在云台支撑基座603上侧；所述云台旋转轴承605安装在云台旋转轴承座604内，用于支撑云台旋转主轴608的旋转；所述云台旋转主轴608安装在云台旋转轴承605的内环上，并于水平旋转驱动电机601的转轴相连；所述云台水平旋转限位606安装在云台支撑板621上，用于限制二自由度云台6在水平面内的转动角度；所述橡胶挡片b607安装在云台水平旋转限位606上，起缓冲保护作用；所述旋转平台614安装在云台旋转主轴608的安装面上，并可随云台旋转主轴608在水平面内转动，旋转平台614的左右两竖直端分别开有通孔和U形槽；所述俯仰旋转驱动电机622固定安装在旋转平台614开有同孔的竖直端内侧，俯仰旋转驱动电机622的转轴轴线与通孔的轴线重合，俯仰旋转驱动电机622的转轴穿过另一个竖直端的U形槽；所述轴端垫片616安装在旋转平台614开有U形槽的竖直端，用于支撑旋转平台614转动；所述带座轴承611安装在旋转平台614开有通孔的竖直端；所述假轴612带座轴承611内，假轴612的轴线与通孔的轴线重合；所述相机平台支撑左臂610安装在假轴612上；所述相机平台支撑右臂615安装在俯仰旋转驱动电机622的转轴上；所述相机平台613的两端分别安装在相机平台支撑左臂610和相机平台支撑右臂615上，可在俯仰旋转驱动电机622的驱动下转动；所述云台俯仰限位609安装在旋转平台614开有通孔的竖直端外侧，用于限制二自由度云台6在竖直面内的转动角度；所述电机驱动619和云台控制器620安装在云台支撑板621上，用于驱动和控制二自由度云台6；所述电机驱动盒618安装在云台支撑板621上、电机驱动619和云台控制器620上方，用于保护电机驱动619和云台控制器620；所述俯仰限位光电开关623安装在旋转平台614的侧面，实现俯仰自由度绝对位置的确定。
虽然上文中已经结合附图和实例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明范围的情况下，可对其进行各种改进，且可以用等效物替换其中的部件。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种冗余双臂协作机器人，其特征在于，该冗余双臂协作机器人包括二自由度云台(6)、七自由度机械左臂(5)、七自由度机械右臂(7)、腰部旋转单元(2)、全向移动底盘(1)、上层旋转部分支撑装置(3)和上层电气安装盒(4)；所述全向移动底盘(1)用于机器人在工作区域的移动；所述腰部旋转单元(2)安装在全向移动底盘(1)上，实现水平面内±90°的旋转；腰部旋转方向装有光电限位开关，可使搭载七自由度机械左臂(5)、七自由度机械右臂(7)与二自由度云台(6)的上层旋转部分支撑装置(3)实现固定工位的工作方向的改变；所述上层旋转部分支撑装置(3)安装在腰部旋转单元(2)上方；七自由度机械左臂(5)和七自由度机械右臂(7)对称安装在上层旋转部分支撑装置(3)两侧，七自由度机械左臂(5)、七自由度机械右臂(7)分别具有七个自由度，七个一体化关节由连接装置固定；所述二自由度云台(6)安装在上层旋转部分支撑装置(3)上侧，二自由度云台(6)采用电机直连的驱动方式具有水平旋转与俯仰两个方向的自由度，其中，水平方向旋转角度可以达到±90°，俯仰方向旋转角度可以达到±60°；在水平和俯仰两个方向装有光电限位开关，同时固定在上层旋转部分支撑装置(3)上方，二自由度云台(6)搭载有视觉传感器；所述上层电气安装盒(4)固定于上层旋转部分支撑装置(3)的背面，用于搭载电气装置；在控制系统的控制下，实现冗余双臂协作机器人20个自由度的运动；
所述的全向移动底盘(1)包括主体支撑结构、四组电机轮组、电源管理系统(103)、48V电池(106)、开关盒(109)、工控机(110)、激光雷达(115)、底盘电机驱动盒(116)、惯性测量单元(124)、24V电池(125)、底盘电机驱动(129)；
所述主体支撑结构包括上层安装板(101)、中层安装板(104)、下层安装板(126)、工控机支撑板(112)、尾部支撑型材(107)和尾部支撑板(108)；所述底盘电机驱动(129)用于驱动电机轮组，安装在底盘电机驱动盒(116)内；所述底盘电机驱动盒(116)安装在下层安装板(126)上；所述电机轮组前后对称分布在下层安装板(126)四周，用于实现机器人的全向移动；所述激光雷达(115)安装在下层安装板(126)前方，所述24V电池(125)安装在下层安装板(126)中间位置，用于给全向移动底盘(1)供电；所述惯性测量单元(124)安装在24V电池(125)上侧，24V电池(125)用于为全向移动底盘(1)供电；所述开关盒(109)通过尾部支撑板(108)安装在全向移动底盘(1)尾部；所述工控机(110)安装在工控机支撑板(112)上，用于机器人控制；所述电源管理系统(103)安装在中层安装板(104)上侧；所述48V电池(106)安装在中层安装板(104)上侧，用于为二自由度云台(6)、七自由度机械左臂(5)、七自由度机械右臂(7)以及腰部旋转单元(2)供电；
所述的腰部旋转单元(2)包括轴承上压紧板(201)、腰部轴承座(202)、腰部轴承(216)、腰部旋转主轴(217)、腰部旋转限位(219)、轴承下压紧板(220)、和二级行星减速机；所述腰部轴承座(202)安装在上层安装板(101)上侧；所述腰部轴承(216)安装在腰部轴承座(202)中，上部通过轴承上压紧板(201)压紧腰部轴承(216)外圈，下部通过固定在腰部旋转主轴(217)的轴承下压紧板(220)对腰部轴承(216)内圈进行压紧；所述腰部轴承(216)内环上安装有腰部旋转主轴(217)，腰部轴承(216)支撑腰部旋转主轴(217)转动；所述腰部旋转限位(219)安装在上层安装板(101)上侧，用于限制腰部旋转单元(2)的旋转角度；
所述二级行星减速机包括免键同步带轮(203)、右侧连接板(204)、下部连接板(205)、驱动轴套筒(206)、顶紧滑板(207)、顶紧螺柱固定座(208)、顶紧螺柱(209)、惰轮固定轴(210)、惰轮(211)、步进电机(212)、同步带轮(214)、左侧连接板(215)、同步带(221)；
所述步进电机(212)安装在下部连接板(205)下侧；所述免键同步带轮(203)通过驱动轴套筒(206)安装在步进电机(212)的转轴上，驱动轴套筒(206)用于免键同步带轮(203)的轴向定位；所述同步带轮(214)安装在腰部旋转主轴(217)上；所述免键同步带轮(203)和同步带轮(214)之间通过同步带(221)传动；所述顶紧滑板(207)安装在下部连接板(205)的通孔处，其在下部连接板(205)上的安装位置可调；所述惰轮固定轴(210)一端悬空，另一端固定安装在顶紧滑板(207)上，顶紧螺柱固定座(208)安装在顶紧滑板(207)下部，用于安装顶紧螺柱(209)，顶紧螺柱(209)通过顶紧螺柱固定座(208)向里旋进顶紧顶紧滑板(207)；所述惰轮(211)安装在惰轮固定轴(210)上，用于对同步带(221)施加压力；所述下部连接板(205)通过右侧连接板(204)和左侧连接板(215)安装在上层安装板(101)下侧；
所述上层旋转部分支撑装置(3)包括下部安装板(301)、机械臂支撑型材(302)和机械臂安装板(303)；所述下部安装板(301)安装在腰部旋转主轴(217)上；所述机械臂支撑型材(302)安装在下部安装板(301)上；所述机械臂安装板(303)共有两个，对称安装在机械臂支撑型材(302)侧面，用于安装机械臂；
所述七自由度机械左臂(5)和七自由度机械右臂(7)的结构相同，分别安装在机械臂安装板(303)上；所述七自由度机械左臂(5)包括伺服驱动器安装板(514)、七个关节及关节连接件；所述伺服驱动器安装板(514)安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件(515)上，用于安装伺服驱动器；
所述的二自由度云台(6)包括水平旋转驱动电机(601)、水平限位光电开关(602)、云台支撑基座(603)、云台旋转轴承座(604)、云台旋转轴承(605)、云台水平旋转限位(606)、云台旋转主轴(608)、云台俯仰限位(609)、相机平台支撑左臂(610)、带座轴承(611)、假轴(612)、相机平台(613)、旋转平台(614)、相机平台支撑右臂(615)、轴端垫片(616)、水平旋转挡柱(617)、电机驱动盒(618)、电机驱动(619)、云台控制器(620)、云台支撑板(621)、俯仰旋转驱动电机(622)、俯仰限位光电开关(623)；所述云台支撑板(621)安装在上层旋转部分支撑装置(3)上侧，云台支撑基座(603)安装在云台支撑板(621)上侧；所述水平旋转驱动电机(601)安装在云台支撑板(621)下侧，其转轴穿过云台支撑板(621)和云台支撑基座(603)；所述水平限位光电开关(602)安装在云台支撑板(621)上，通过水平旋转挡柱(617)进行水平旋转自由度绝对位置的确定；所述云台旋转轴承座(604)安装在云台支撑基座(603)上侧；所述云台旋转轴承(605)安装在云台旋转轴承座(604)内，用于支撑云台旋转主轴(608)的旋转；所述云台旋转主轴(608)安装在云台旋转轴承(605)的内环上，并于水平旋转驱动电机(601)的转轴相连；所述云台水平旋转限位(606)安装在云台支撑板(621)上，用于限制二自由度云台(6)在水平面内的转动角度；所述旋转平台(614)安装在云台旋转主轴(608)的安装面上，并可随云台旋转主轴(608)在水平面内转动，旋转平台(614)的左右两竖直端分别开有通孔和U形槽；所述俯仰旋转驱动电机(622)安装在旋转平台(614)开有同孔的竖直端内侧，俯仰旋转驱动电机(622)的转轴轴线与通孔的轴线重合，俯仰旋转驱动电机(622)的转轴穿过另一个竖直端的U形槽；所述轴端垫片(616)安装在旋转平台(614)开有U形槽的竖直端，用于支撑旋转平台(614)转动；所述带座轴承(611)安装在旋转平台(614)开有通孔的竖直端；所述假轴(612)带座轴承(611)内，假轴(612)的轴线与通孔的轴线重合；所述相机平台支撑左臂(610)安装在假轴(612)上；所述相机平台支撑右臂(615)安装在俯仰旋转驱动电机(622)的转轴上；所述相机平台(613)的两端分别安装在相机平台支撑左、右臂(610、615)，可在俯仰旋转驱动电机(622)的驱动下转动；所述云台俯仰限位(609)安装在旋转平台(614)开有通孔的竖直端外侧，用于限制二自由度云台(6)在竖直面内的转动角度；所述电机驱动(619)和云台控制器(620)安装在云台支撑板(621)上，用于驱动和控制二自由度云台(6)；所述电机驱动盒(618)安装在云台支撑板(621)上、电机驱动(619)和云台控制器(620)上方，用于保护电机驱动(619)和云台控制器(620)；所述俯仰限位光电开关(623)安装在旋转平台(614)的侧面，实现俯仰自由度绝对位置的确定。
2.根据权利要求1所述的一种冗余双臂协作机器人，其特征在于，所述的全向移动底盘(1)中的电机轮组包括底盘驱动电机(117)、底盘联轴器(120)、底盘带座轴承(118)、底盘电机连接轴(119)、底盘电机支撑座(121)和45度麦克纳姆轮(122)；所述底盘驱动电机(117)通过底盘电机支撑座(121)固定在下层安装板(126)上，所述底盘电机连接轴(119)通过底盘带座轴承(118)固定在下层安装板(126)上，底盘带座轴承(118)用于支撑底盘电机连接轴(119)的转动；所述底盘电机连接轴(119)一端与底盘驱动电机(117)的转轴连接，另一端安装有45度麦克纳姆轮(122)，四组电机轮组通过运动学控制实现机器人的全向移动。
3.根据权利要求1所述的一种冗余双臂协作机器人，其特征在于，所述的腰部旋转单元(2)还包括橡胶挡片a(218)，橡胶挡片a(218)安装在腰部旋转限位(219)上，起缓冲保护作用。
4.根据权利要求1所述的一种冗余双臂协作机器人，其特征在于，所述二自由度云台(6)还包括橡胶挡片b(607)，橡胶挡片b(607)安装在云台水平旋转限位(606)上，起缓冲保护作用。
5.根据权利要求1所述的一种冗余双臂协作机器人，其特征在于，所述的七自由度机械左臂(5)中的七个关节及关节连接件分别为：第Ⅰ关节(501)、第Ⅱ关节(504)、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件(502)、第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板(503)、第Ⅲ关节(507)、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件(505)、第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板(506)、第Ⅳ关节(510)、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件(508)、第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板(509)，第Ⅴ关节(512)、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件(511)、第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板(520)、第Ⅵ关节(517)、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件(513)、第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板(521)、第Ⅶ关节(519)、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件(515)、第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板(518)；所述第Ⅰ关节(501)输出端与第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接件(502)固定连接，所述第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板(503)垂直安装在第Ⅰ关节连接件502上；所述第Ⅱ关节(504)安装在第Ⅰ关节与第Ⅱ关节连接板(503)上，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件(505)安装在第Ⅱ关节(504)输出端，所述第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板(506)垂直按安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接件(505)上；所述第Ⅲ关节(507)安装在第Ⅱ关节与第Ⅲ关节连接板(506)上，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件(508)安装在第Ⅲ关节(507)的输出端，所述第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板(509)垂直安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接件(508)上；所述第Ⅳ关节(510)安装在第Ⅲ关节与第Ⅳ关节连接板(509)上，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件(511)安装在第Ⅳ关节(510)的输出端，所述第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板(520)垂直安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接件(511)上；所述第Ⅴ关节(512)安装在第Ⅳ关节与第Ⅴ关节连接板(520)上，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件(513)安装在第Ⅴ关节(512)的输出端，所述第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板(521)垂直安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接件(513)上；所述第Ⅵ关节(517)安装在第Ⅴ关节与第Ⅵ关节连接板(521)上，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件(515)安装在第Ⅵ关节(517)的输出端，所述第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板(518)安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接件(515)上；所述第Ⅶ关节(519)安装在第Ⅵ关节与第Ⅶ关节连接板(518)上。
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