CN110919625B - 一种轨道式机器人立体变轨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道式机器人立体变轨装置及方法，包括：第一方向运动机构，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；回转运动机构与第二方向移动机构连接，使得第二方向移动机构实现在第一方向上的移动和回转运动；第二方向移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；机器人转运机构包括过渡轨道，过渡轨道处于第一位置时，与机器人原轨道对接；过渡轨道处于第二位置时，与机器人需要变轨的轨道对接。本发明可实现在空间中多个平面内的位置转移，实现了多通道并存、空间多维方向选择；一套机器人主体可以多个场合的工作，提高了工作覆盖率。

Description

一种轨道式机器人立体变轨装置及方法

技术领域

本发明属于机器人变轨技术领域，特别一种轨道式机器人立体变轨装置及方法。

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。

现有技术公开了一种轨道路径变换装置，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。

但是在实际使用过程中，由于轨道式机器人行走路径相对固定，机器人只能在一个水平平面行走，而无法将移动路径扩展到空间立体的不同方向，这使得机器人的运行空间范围受到很大限制，无法满足扩大设备巡回检测和物料产品投放范围的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种轨道式机器人立体变轨装置及方法，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。

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，公开了一种轨道式机器人立体变轨装置，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移动机构连接，使得第二方向移动机构实现在第一方向上的移动和回转运动；所述第二方向移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；

所述机器人转运机构包括过渡轨道，所述过渡轨道处于第一位置时，与机器人原轨道对接；所述过渡轨道处于第二位置时，与机器人需要变轨的轨道对接。

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。

在另外一些实施方式中，公开了一种轨道式机器人立体变轨方法，包括：

设置过渡轨道，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，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。

本发明的有益效果：

1.本发明设计了机器人轨道多维变换对接技术，研制了机器人轨道多维变轨装置，该变轨装置可实现在空间中多个水平、垂直平面内的位置转移，实现机器人轨道在立体空间内各个方向的变换对接，实现了多通道并存、空间多维方向选择。减少了多维轨道的布设成本，一套机器人主体可以多个场合的工作，提高了轨道式机器人的巡检覆盖率。

2.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。

3.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为实施例一中轨道机器人立体变轨装置立体结构轴测图；

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。

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，公开了一种轨道式机器人立体变轨装置，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，控制系统与机器人控制系统集成，在机器人变轨装置和变轨目标轨道上都设置有传感器，可以实现对机器人和变轨装置的联合控制，实现智能变轨。

轨道式机器人立体变轨装置的结构参照图1，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。

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。轨道变换装置的控制系统与机器人的控制系统集成，实现对轨道变换装置和机器人的联合控制。

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。

当需要变轨到第一轨道时，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，公开了一种轨道式机器人立体变轨方法，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 (5)

1.一种轨道式机器人立体变轨装置，其特征在于，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移动机构连接，使得第二方向移动机构实现在第一方向上的移动和回转运动；所述第二方向移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；

所述机器人转运机构包括过渡轨道，所述过渡轨道处于第一位置时，与机器人原轨道对接；所述过渡轨道处于第二位置时，与机器人需要变轨的对接轨道对接;所述原轨道、过渡轨道和对接轨道上均设有位置传感器，原轨道或者对接轨道上的位置传感器检测到过渡轨道到达设定位置时，完成轨道对接；

机器人转运机构还包括滚珠丝杠电动推杆伸缩杆，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启动，伸缩杆伸出，将机器人导向轮挤住；

控制系统与机器人控制系统集成，在机器人变轨装置和对接轨道上都设置有位置传感器；

水平导轨和第一导轨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，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；通过续接续接，实现扩大变轨范围的要求；

在升降运动机构中，第一支架上安装有第一同步带驱动装置和升降驱动电机，同步带绕过安装在第一支架和第二支架上的同步带轮形成第二同步带驱动装置；升降驱动电机带动第一同步带驱动装置，然后第一同步带驱动装置带动第二同步带驱动装置；第二同步带驱动装置驱动同步带运动，从而带动机器人转运机构实现升降运动，机器人转运机构的同步带张紧板与同步带固定，通过滑块组与第一导轨的配合，形成导向作用，第一导轨通过导轨固定支架安装在第一支架和第二支架的一侧上；

所述机器人转运机构包括：机器人搬运框架和固定在所述框架上的过渡轨道；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；

所述第二方向移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；

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；

所述第一方向运动机构包括横梁、水平导轨、导轨轮、水平运动驱动电机、齿轮、滑板和齿条；其中，所述水平导轨设置为两条，分别设置在横梁的两侧；所述滑板通过4个导向轮与水平导轨相配合；滑板中的侧板延伸至水平导轨位置，导轨轮设置在侧板处，导轨轮与水平导轨相配合；滑板中的底板设置在横梁的下方，底板上设有水平运动驱动电机和齿轮，所述齿条固定在横梁的底部，齿轮与齿条相啮合，通过齿轮与齿条相啮合驱动滑板进行水平运动。

2.如权利要求1所述的一种轨道式机器人立体变轨装置，其特征在于，所述对接轨道有多条，分别位于不同的水平面上；

或者，所述对接轨道有多条，分别位于同一水平面的不同角度位置上；

或者，所述对接轨道有多条，分别位于不同水平面的不同角度位置上。

3.如权利要求1所述的一种轨道式机器人立体变轨装置，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。

4.如权利要求3所述的一种轨道式机器人立体变轨装置，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。

5.一种轨道式机器人立体变轨方法，采用了权利要求1-4中任一项所述的轨道式机器人立体变轨装置，其特征在于，包括：

设置过渡轨道，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；

根据对接轨道的位置，使得过渡轨道与对接轨道对接；

解除对机器人的固定，控制机器人行走至对接轨道上；

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启动，伸缩杆伸出，将机器人导向轮挤住；

控制系统与机器人控制系统集成，在机器人变轨装置和对接轨道上都设置有位置传感器；

水平导轨和第一导轨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，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；通过续接续接，实现扩大变轨范围的要求；

在升降运动机构中，第一支架上安装有第一同步带驱动装置和升降驱动电机，同步带绕过安装在第一支架和第二支架上的同步带轮形成第二同步带驱动装置；升降驱动电机带动第一同步带驱动装置，然后第一同步带驱动装置带动第二同步带驱动装置；第二同步带驱动装置驱动同步带运动，从而带动机器人转运机构实现升降运动，机器人转运机构的同步带张紧板与同步带固定，通过滑块组与第一导轨的配合，形成导向作用，第一导轨通过导轨固定支架安装在第一支架和第二支架的一侧上。

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