CN110919624B - 一种立体变轨式轨道机器人系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体变轨式轨道机器人系统及方法，包括：布设在立体空间内不同平面上的若干段移动轨道、能够在移动轨道上移动的机器人、立体变轨装置以及控制系统；移动轨道根据机器人需要到达的位置进行布设，所述立体变轨装置包括机器人转运机构，所述机器人转运机构上设有过渡轨道；所述控制系统通过控制机器人转运机构的升降、回转以及设定方向的移动，使得过渡轨道能够与不同平面、不同方向的移动轨道进行对接，机器人通过过渡轨道实现运行轨道的改变。本发明可实现机器人在空间中多个水平、垂直平面内的位置转移，移动轨道仅需要根据机器人的运行位置进行布设，减少了布设成本，节省空间资源。

Description

一种立体变轨式轨道机器人系统及方法

技术领域

本发明属于轨道式机器人技术领域，特别一种立体变轨式轨道机器人系统及方法。

背景技术

在对设备进行巡回检测和物料产品的搬运的实际应用中。轨道式机器人以其维护方便，运动灵活及续航里程长的优势得以推广使用。为加大机器人运行地理范围，提高对对设备检测、物料投运地点的覆盖率，需要将机器人轨道延伸至多处角落，这涉及到轨道路径的拐弯、分叉，有的路径拐弯角度太大、分叉太多，普通弯轨设计已经无法解决，这对轨道式机器人的行走带来了很多的技术难题。

现有技术公开的轨道机器人的变轨方式为：在轨道机器人行走路径出现岔口时，轨道路径由一条变换为三条或多条，机器人通过方向转换平台的动作，实现行走路径的变轨。

但是，这种方式的轨道机器人仅能实现在同一平面内不同方向上的变轨，同一个轨道机器人仅能实现在同一平面内的运动，而无法实现立体空间内不同方向的运动。

需要执行立体空间内的移动任务时，为了保证轨道机器人的顺畅通行，需要在不同的空间范围均布设移动轨道，然而这些移动轨道的有些运行区段内是没有巡检任务或者物料搬运任务的，其作用仅仅是为了保证轨道机器人的顺利通行，造成了生产成本的浪费，同时移动轨道的布设也占用了许多不必要的空间资源，造成了空间资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种立体变轨式轨道机器人系统及方法，能够实现机器人在空间立体方向不同轨道上面行走，满足机器人行走路径多种方向、多种高度的要求，节约生产成本，节省空间资源利用率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

在一些实施方式中，公开了一种立体变轨式轨道机器人系统，包括：布设在立体空间内不同平面上的若干段移动轨道、能够在移动轨道上移动的机器人、立体变轨装置以及控制系统；

所述移动轨道根据机器人需要到达的位置进行布设，所述立体变轨装置包括机器人转运机构，所述机器人转运机构上设有过渡轨道；所述控制系统通过控制机器人转运机构的升降、回转以及设定方向的移动，使得过渡轨道能够与不同平面、不同方向的移动轨道进行对接，机器人通过过渡轨道实现运行轨道的改变。

机器人转运机构上设有过渡轨道，需要进行变轨时，通过水平、回转或升降运动使得过渡轨道与原轨道对接，控制机器人行走至过渡轨道上，根据变轨轨道的位置，通过水平、回转或升降运动使得过渡轨道与变轨轨道对接，控制机器人行走至变轨轨道上。

这样，移动轨道仅需要在机器人需要运行的位置区段合理布设移动轨道段，而无需布设整条移动轨道，节省了移动轨道的布设成本，同时减少了空间资源占用率。

在另外一些实施方式中，公开了一种立体变轨式轨道机器人系统的控制方法，包括：

设置过渡轨道，控制过渡轨道与机器人原移动轨道对接；

控制机器人行走至过渡轨道上设定位置并固定；

根据需要变轨的移动轨道的位置，使得过渡轨道与需要变轨的移动轨道对接；

解除对机器人的固定，控制机器人行走至需要变轨的移动轨道上。

本发明的有益效果：

1.本发明仅需要根据机器人的移动区段布设相应距离的移动轨道段，而无需布设整条移动轨道，即可实现机器人在空间中多个水平、垂直平面内的位置转移，提高了工作覆盖率；同时极大地节省了轨道布设的成本，节省了移动轨道的空间资源占用。

2.本发明设计了机器人轨道多维变轨对接技术，研制了多维变轨式轨道机器人系统，该系统实现了机器人多维轨道变换和巡检的联合控制，减少了多维轨道的布设成本，提高了机器人的巡检覆盖率。

3.本发明的控制系统与机器人的控制系统集成，可以实现对及机器人和变轨装置的联合控制，在变轨的目标上都安装传感器，轨道变换装置可以自动检测目标轨道位置，解决了机器人在过渡轨道和目标轨道间的位置变换、轨道对接、固定、释放、运行及其控制问题，实现了机器人过渡轨道与目标轨道的精准对接，使得变轨更加智能。

4.本发明采用采用模块化设计，可以通过过渡轨道形式实现各种轨道式机器人的变轨要求。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为实施例一中立体变轨式轨道机器人系统结构示意图；

图2为实施例一中水平运动系统部分结构轴测图；

图3为实施例一中升降运动机构部分结构轴测图；

图4为实施例一中机器人转运机构结构轴侧图；

其中，1.水平方向运动机构，其中，101.横梁,102.导轨轮,103.水平导轨,104.水平运动驱动电机,105.齿轮,106.滑板,107.齿条；

2.回转驱动电机；3.回转式减速器；

4.升降运动机构，其中，401.第一同步带驱动装置、402.第二同步带驱动装置、403.导轨固定支架、404.第一导轨、405.升降驱动电机、406.配重轮、407.配重块限位结构、408.配重导向板、409.配重块、410.配重导向轮、411.第一支架、412.第二支架。

5.机器人转运机构，其中，501.同步带张紧板、502.滑块组、503.框架连接板、504.机器人搬运框架、505.滚珠丝杠电动推杆伸缩杆、506.机器人搬运过渡轨道；

6.连接法兰；7.第一轨道，8.第二轨道，9.第三轨道，10.滑线，11.机器人,12.电磁铁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本发明的一种典型实施方式中，公开了一种立体变轨式轨道机器人系统，可以实现轨道式机器人在水平方向、垂直方向和旋转一定角度方向的变轨要求；

立体变轨式轨道机器人系统的结构参照图1，包括：布设在立体空间内不同平面上的若干段移动轨道、能够在移动轨道上移动的机器人11、立体变轨装置以及控制系统；

移动轨道根据机器人需要到达的位置进行布设，立体变轨装置包括机器人转运机构，机器人转运机构上设有过渡轨道；控制系统通过控制机器人转运机构的升降、回转以及设定方向的移动，使得过渡轨道能够与不同平面、水平方向的移动轨道进行对接，机器人通过过渡轨道实现运行轨道的改变。

需要说明的是，本实施例中所说的水平方向是指与移动轨道的布设方向平行的方向。

本实施例中，立体变轨装置的控制系统与机器人的控制系统集成设置，实现对轨道变换装置和机器人的联合控制。当然，本领域技术人员也可以根据需要将两个控制系统分别单独设置。

滑触线10安装在移动轨道上，与机器人滑触连接，为机器人供电和通信。机器人11能够在移动轨道和过渡轨道上行走。电磁铁12安装在移动轨道和过渡轨道的端部，在轨道对接后通电，电磁铁磁力相吸，将对接的轨道固定住。

参照图1，立体变轨装置的具体结构包括：水平方向运动机构1、升降运动机构4、回转运动机构和机器人转运机构5；回转运动机构与水平方向运动机构连接，回转运动机构能够沿水平方向运动机构移动；升降运动机构4与回转运动结构连接，回转运动机构能够带动升降运动机构4实现水平移动和回转运动；机器人转运机构5与升降运动机构4连接，机器人转运机构5能够沿升降运动机构4做升降运动，并能够随升降运动机构4一起做水平移动或回转移动。

为了实现将机器人行走轨道变换到目标轨道，需要通过轨道式机器人立体变轨装置的水平方向运动、升降运动及旋转运动来实现。其中，参照图2，水平方向运动机构1包括：横梁101、导轨轮102、水平导轨102、水平运动驱动电机104、齿轮105、滑板106和齿条107组成，两条水平导轨102分布在横梁101的两侧，滑板106通过4个导轨轮102与导轨配合，形成导向和承载能力。

整个立体变轨装置通过安装在横梁101上的吊架敷设在天花板上。

需要说明的是，本实施例中通过齿轮105齿条107的配合实现水平方向运动，但这不能限制本专利的保护范围，本领域技术人员可以根据需要选择其他的方式，比如通过同步带、丝杠传动、通过驱动轮摩擦的方式等实现水平方向运动。

滑板106包括两侧板和底板；两侧板延伸至水平导轨102位置，侧板上设有导轨轮102，导轨轮102与水平导轨102配合；底板在横梁101的下方，底板上设有水平运动驱动电机104和齿轮105，齿条107固定在横梁101底部，齿轮105与齿条107啮合，通过齿轮105与齿条107啮合来驱动实现滑板106的水平运动。

滑板106下面安装回转式减速器3，升降运动机构4通过连接法兰6与回转式减速器3连接，通过回转驱动电机2的驱动带动升降运动机构4实现360度旋转。

参照图3，在升降运动机构4中，第一支架411上安装有第一同步带驱动装置401和升降驱动电机405，同步带绕过安装在第一支架411和第二支架412上的同步带轮形成第二同步带驱动装置402。升降驱动电机405带动第一同步带驱动装置401，然后第一同步带驱动装置401带动第二同步带驱动装置402；第二同步带驱动装置402驱动同步带运动，从而带动机器人转运机构5实现升降运动，机器人转运机构5的同步带张紧板501与同步带固定，通过滑块组502与第一导轨404的配合，形成导向作用，第一导轨404通过导轨固定支架403安装在第一支架411和第二支架412的一侧上。

第一支架411和第二支架412的另一侧设有竖直方向的配重导向板408，配重块409通过配重导向轮410与配重导向板408配合，实现升降；配重块409与机器人转运机构5连接；升降支架设定位置设有配重块409限位结构407。

需要说明的是，本实施例中，通过驱动同步带实现机器人转运机构5的升降，但这不能限制本专利的保护范围，本领域技术人员可以根据需要选择其他的方式，比如通过丝杠传动、钢丝卷扬等方式实现升降。

参照图4，机器人转运机构5包括：同步带张紧板501、滑块组502、框架连接板503、机器人搬运框架504、滚珠丝杠电动推杆伸缩杆505和机器人搬运过渡轨道506。同步带张紧板501和滑轮组通过框架连接板503与机器人搬运框架504连接在一起。机器人搬运过渡轨道506安装在机器人搬运框架504上，机器人搬运过渡轨道506与机器人行走轨道配合，在机器人实施到机器人过渡轨道上面预定位置后，安装在机器人搬运过渡轨道506上面的传感器监测到位后，安装在过渡轨道两侧的滚珠丝杠电动推杆伸缩杆505启动，伸缩杆伸出，将机器人导向轮挤住，在轨道变换的过程中机器人不会晃动。

配重块409用钢丝通过安装在第一支架411上面的配重轮406与机器人转运机构5中的搬运框架连接，配重块409通过配重导向轮410与安装在支架2上的配重导向板408配合，实现导向的作用。通过安装在第一支架411的配重块409限位结构407，防止机器人转运机构5失速坠落。

本实施例中，采用的水平运动驱动电机104、回转驱动电机2和升降驱动电机405均为伺服电机，带有编码器，可以通过控制系统精确控制机器人转运机构5组件到达所要求的任意位置；并且，带有制动器，在停止时可以可靠地锁死制动。在变轨的目标上都安装传感器，轨道变换装置可以自动检测目标轨道位置，实现机器人搬运过渡轨道506与目标轨道的精准对接。

在横梁101和第一支架411上装有限位开关，能够防止转向机构脱出既有轨道发生掉落或跟其他设备发生碰撞。

本实施例中，水平导轨102和第一导轨404均采用金属管材和常用的驱动系统，结构强度高，重量轻、刚度大，运行平稳可靠。且材料容易获得，可较快速实现系统搭建。采用的驱动系统运动精度高，可满足任意定点变轨。通过续接，可以实现扩大变轨范围的要求。

本实施例立体变轨装置的工作原理如下：

机器人在原行走轨道上面正常行走，需要通过控制立体变轨装置在水平方向的运动、升降运动和旋转运动，实现将机器人从正常行驶的轨道搬运到不同平面、不同方向的目标轨道上面继续行走。

参照图1，本实施例中，设置了三条典型的变轨的目标轨道，第一轨道是与机器人正常行走的轨道高度相同，水平方向有一定距离，第二轨道是正常行驶轨道在水平方向和垂直方向都有一定距离，第三轨道是与正常行走轨道十字交叉。

通过说明将机器人搬运到这三条轨道的过程来讲解轨道式机器人变轨装置的工作原理。

当需要变轨道第一轨道时，先让机器人行走到摆渡轨道上面，然后停止行走并固定，这样升降运动机构4与机器人转运机构5带着机器人，由水平方向运动机构1沿着水平方向移动，目标轨道上面安装有传感器，当检测到达指定位置后，过渡轨道与目标轨道对接，机器人解除固定并再次启动，沿着目标轨道继续行走。

当需要将机器人搬运到第二轨道时，首先将机器人行走到过渡轨道上面，然后升降运动机构4使机器人转运机构5在垂直方向上升或下降，检测到达指定位置后再由水平方向运动机构1沿着水平方向移动，到达指定位置后，与目标轨道对接。

当需要将机器人搬运到第三轨道时，由驱动电机驱动回转式减速器3，带动升降运动机构4和机器人转运机构5旋转90度，使过渡轨道与目标轨道对接，机器人再次启动继续往前行走。

这三条轨道是比较典型的轨道形式，在实际工作中，轨道式机器人可以完成更多复杂的情况。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种立体变轨式轨道机器人系统的控制方法，包括：

设置过渡轨道，通过驱动过渡轨道的水平、回转或升降运动，使得过渡轨道与原轨道对接；

控制机器人行走至过渡轨道上设定位置并固定；

根据变轨轨道的位置，通过驱动过渡轨道的水平、回转或升降运动，使得过渡轨道与变轨轨道对接；

解除对机器人的固定，控制机器人行走至变轨轨道上。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，包括：布设在立体空间内不同平面上的若干段移动轨道、能够在移动轨道上移动的机器人、立体变轨装置以及控制系统；

所述移动轨道根据机器人需要到达的位置进行布设，所述立体变轨装置包括机器人转运机构，所述机器人转运机构上设有过渡轨道；所述控制系统通过控制机器人转运机构的升降、回转以及设定方向的移动，使得过渡轨道能够与不同平面、不同方向的移动轨道进行对接，机器人通过过渡轨道实现运行轨道的改变;

所述立体变轨装置还包括：第一方向运动机构，所述第一方向运动机构与回转运动机构连接，使得回转运动机构实现在第一方向上的移动；所述回转运动机构与第二方向运动机构连接，使得第二方向运动机构实现在第一方向上的移动和回转运动；所述第二方向运动机构与机器人转运机构连接，使得机器人转运机构实现在第一方向和第二方向上的移动以及回转运动；

所述第一方向运动机构包括：滑板，所述滑板下面安装回转式减速器，第二方向运动机构通过连接法兰与回转式减速器连接，通过回转驱动电机的驱动带动第二方向运动机构实现360度旋转；

所述过渡轨道两侧分别设有伸缩杆，过渡轨道上设定位置设有用于检测机器人位置的传感器，检测到机器人运行至过渡轨道的设定位置后，控制两侧伸缩杆伸出，将机器人导向轮挤住固定；

所述移动轨道和过渡轨道上均设有用于检测轨道位置的位置传感器；

所述移动轨道和过渡轨道的端部均设有电磁铁，过渡轨道与相应的移动轨道完成对接后，电磁铁通电相吸，实现轨道的对接固定；

所述第二方向运动机构包括沿第二方向的升降支架；所述升降支架一侧设有第一导轨，第一导轨外侧平行设有由同步带轮和同步带组成的同步带驱动装置，所述同步带驱动装置在同步电机的驱动下运动；

所述升降支架另一侧设有配重导向板，配重块通过配重导向轮与配重导向板配合，实现升降；所述配重块与机器人转运机构连接；所述升降支架设定位置设有配重块限位结构，防止机器人转运机构失速坠落。

2.如权利要求1所述的一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，还包括：控制机器人运行的机器人控制系统。

3.如权利要求2所述的一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，还包括：所述控制系统与机器人控制系统集成设置。

4.如权利要求1所述的一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，所述机器人转运机构上设有同步带张紧板和滑块组；所述同步带张紧板与同步带连接，滑块组与第一导轨配合；同步带驱动装置运动带动机器人转运机构沿着第一导轨做升降运动。

5.如权利要求1所述的一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，所述第一方向运动机构包括：横梁，所述横梁的两侧分别设有沿第一方向的导轨，滑板上设有驱动电机，驱动电极驱动齿轮齿条啮合，实现滑板在导轨上的移动。

6.如权利要求5所述的一种立体变轨式轨道机器人系统，其特征在于，所述滑板包括两侧板和底板；两侧板延伸至导轨位置，侧板上设有导轨轮，导轨轮与导轨配合；底板在横梁的下方，底板上设有驱动电机和齿轮，齿条固定在横梁底部，齿轮与齿条啮合。

7.一种如权利要求1所述的立体变轨式轨道机器人系统的控制方法，其特征在于，包括：

设置过渡轨道，控制过渡轨道与机器人原移动轨道对接；

控制机器人行走至过渡轨道上设定位置并固定；

根据需要变轨的移动轨道的位置，通过控制系统和立体变轨装置，使得过渡轨道与需要变轨的移动轨道对接；

解除对机器人的固定，控制机器人行走至需要变轨的移动轨道上；

所述移动轨道根据机器人需要到达的位置进行布设，所述立体变轨装置包括机器人转运机构，所述机器人转运机构上设有过渡轨道；所述控制系统通过控制机器人转运机构的升降、回转以及设定方向的移动，使得过渡轨道能够与不同平面、不同方向的移动轨道进行对接，机器人通过过渡轨道实现运行轨道的改变；

设置第一方向运动机构和回转运动机构，使得回转运动机构实现在第一方向上的移动；

设置第二方向运动机构，通过回转运动机构，使得第二方向运动机构实现在第一方向上的移动和回转运动；

设置机器人转运机构，使得机器人转运机构实现在第一方向和第二方向上的移动以及回转运动；

设置回转驱动电机，通过回转驱动电机的驱动带动第二方向运动机构实现360度旋转；

所述过渡轨道两侧分别设有伸缩杆，过渡轨道上设定位置设有用于检测机器人位置的传感器，检测到机器人运行至过渡轨道的设定位置后，控制两侧伸缩杆伸出，将机器人导向轮挤住固定；

所述移动轨道和过渡轨道上均设有用于检测轨道位置的位置传感器；

所述移动轨道和过渡轨道的端部均设有电磁铁，过渡轨道与相应的移动轨道完成对接后，电磁铁通电相吸，实现轨道的对接固定。

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