CN112013214A - 智能机器人相机云台 - Google Patents

Abstract

一种自主移动机器人应用技术领域的智能机器人相机云台，包括3D相机、相机固定法兰、中心转轴、俯仰横滚机构、偏航机构、云台支架、云台固定外壳、云台上外壳、底部固定座、控制器；偏航机构布置在云台支架内并与云台支架筋骨连接，俯仰横滚机构布置在云台上外壳内，偏航机构与俯仰横滚机构之间通过上部连接板相连接；3D相机布置在云台上外壳的上部，并通过相机固定法兰与中心转轴顶部相连接；中心转轴中下部布置在云台上外壳内，并与俯仰横滚机构相连接。本发明可以使相机同时进行俯仰、横滚、偏航运动的云台设备，利用机器人动力学计算使各轴间进行互相解耦，达到精准控制云台运动，从而获得更大的视野和更清晰的图像。

Description

智能机器人相机云台

技术领域

本发明涉及的是一种自主移动机器人应用技术领域的相机云平台，特别是一种可以 使相机同时进行俯仰、横滚、偏航运动的智能机器人相机云台。

背景技术

随着机器人行业的快速发展，出现了种类功能繁多的各种自主移动机器人，并广泛 应用于园区、厂区、医院、学校、地铁站、高铁站、机场等地方的安全巡检和巡视。移 动机器人配合工业相机或者3D智能相机，可以引导移动机器人在指定的移动范围内获 得各种建筑、人物、设施的视野，以便排除各种潜在安全隐患。在复杂的环境中，为相 机提供多维度、大角度的转向，从而使移动机器人以最佳的路线进行行走并获取更大的 视野的要求越来越高。

在目前大部分的移动机器人巡检中，相机都是固定安装在机器人上的，机器人在行 走时，相机图像提取的范围受限于机器人运动所到达的位置，一些位置比较偏僻，摄像角度比较偏的地方就无法提取到完整清晰的图像，会出现一定的视野盲点，导致安全隐 患无法完全排除。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种智能机器人相机云台，可以使相机同时进行 俯仰、横滚、偏航运动的云台设备，通过三个旋转轴之间的并联连接形成眼球机构，利用机器人动力学计算使各轴间进行互相解耦，达到精准控制云台运动，从而获得更大的 视野和更清晰的图像。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括3D相机、相机固定法兰、中心转轴、俯仰横滚机构、偏航机构、云台支架、云台固定外壳、云台上外壳、上旋转环、 下固定环、旋转环支架、云台防尘罩、密封圈、底部固定座、控制器、上部连接板；云 台固定外壳、云台支架均与底部固定座连接在一起，云台支架布置在云台固定外壳内， 云台上外壳布置在云台固定外壳的上部；偏航机构布置在云台支架内并与云台支架筋骨 连接，俯仰横滚机构布置在云台上外壳内，偏航机构与俯仰横滚机构之间通过上部连接 板相连接；上旋转环布置在云台上外壳的底部，并通过旋转环支架与俯仰横滚机构相连 接；下固定环布置在云台固定外壳的顶部，并与上旋转环相匹配；3D相机布置在云台上 外壳的上部，并通过相机固定法兰与中心转轴顶部相连接；中心转轴中下部布置在云台 上外壳内，并与俯仰横滚机构相连接；云台防尘罩布置在3D相机和云台上外壳之间， 并位于相机固定法兰的外侧；密封圈布置在云台固定外壳和云台上外壳之间；控制器用 于对相机云台的控制。

进一步地，在本发明中，俯仰横滚机构包括铝合金方管、第一转向连杆、第二转向连杆、第一轴承座、第二轴承座、第三轴承座、俯仰大带轮、俯仰小带轮、横滚大带轮、 横滚小带轮、俯仰同步带、横滚同步带、俯仰张紧座、横滚张紧座、张紧轴承、俯电机、 横滚电机、电机安装座、俯仰位置开关、横滚位置开关、感应片、轴用卡簧；第一转向 连杆、第二转向连杆、俯仰电机、横滚电机均布置在铝合金方管内部，俯仰大带轮、俯 仰小带轮、横滚大带轮、横滚小带轮、俯仰张紧座、横滚张紧座、张紧轴承均布置在铝 合金方管外部，第一轴承座、第二轴承座、俯仰位置开关、横滚位置开关均布置在铝合 金方管上，第三轴承座固定在第一转向连杆上；俯仰大带轮与第一转向连杆相连接，并 通过顶丝紧固；横滚大带轮与第二转向连杆相连接，并通过顶丝紧固；两个张紧轴承分 别安装在俯仰张紧座和横滚张紧座上，并卡上轴用卡簧；两个电机安装座分别与俯仰电 机和横滚电机连接后再固定在铝合金方管上；俯仰小带轮与俯仰电机相连接并用顶丝固 定；横滚小带轮与横滚电机相连接并用顶丝固定；两个感应片分别安装在第一转向连杆、 第二转向连杆上；俯仰同步带套在俯仰大带轮和俯仰小带轮之间，并通过俯仰张紧座张 紧；横滚同步带套在横滚大带轮和横滚小带轮上之间，并通过横滚张紧座张紧。

更进一步地，在本发明中，偏航机构包括偏航电机、谐波减速机、减速机安装板、旋转位置开关、感应螺钉；谐波减速机和偏航电机通过螺丝连接并用顶丝固定后安装在 减速机安装板上，减速机安装板与云台支架连接在一起；谐波减速机的输出轴通过平键 与上部连接板连接在一起；旋转位置开关安装在云台支架上，感应螺钉安装在上部连接 板上。

更进一步地，在本发明中，3D相机包括但不限于激光3D扫描仪、双目相机，相机 固定法兰为中空结构，张紧轴承为深沟球轴承，云台支架为圆筒型，云台上外壳为圆筒 带圆弧盖型。

更进一步地，在本发明中，俯仰电机、横滚电机、偏航电机均为步进电机。

在本发明中，3D相机不限于激光3D扫描仪，双目相机，也适用于其他类型的3D 相机。相机固定法兰，采用中空结构，用于连接相机和云台，用螺钉固定，并可将相机 线缆穿过固定法兰到达云台内部，以便走线。中心转轴的中下部，用于连接俯仰机构和 横滚机构，通过轴承进行连接，三者形成“眼球”，即可同时旋转，也可以单独进行旋 转。与俯仰张紧座、横滚张紧座的相连接的张紧轴承深沟球轴承，深沟球轴承同步带接 触。云台支架为圆筒型，与相机偏航机构的减速机安装板进行连接。下固定环与云台固 定外壳通过胶水进行连接；上旋转环通过旋转环支架与相机俯仰横滚机构中的铝合金方 管进行连接，可以随相机俯仰横滚机构一起进行旋转运动。云台上外壳为圆筒带圆弧盖 型，与上旋转环连接并用胶水固定后套在所述云台支架上端，呈间隙配合，随相机俯仰 横滚机构一起旋转运动。云台防护罩，有特殊材质制成，可防水防油污，上端连接相机， 下端连接云台上外壳。密封圈为O型橡胶密封圈，处于云台固定支架和云台上外壳之间， 起到密封的作用，可防止进水及其他油污。

在本发明中，电机均采用的是步进电机，步距角为1.8°，根据负载可选用不同惯量和额定转矩的步进电机，以满足旋转要求，本发明采用同步带传动，配比适当的减速 比，可提供满足要求的旋转速度和转矩，确保相机运转平稳精准。电机驱动器，根据所 选用的步进电机选配的驱动器，采用Ethercat总线通讯方式，体积小，方便安装和接 线。控制器采用Iteli7处理器，Ubuntu-16.04操作系统，上位机通讯方式为 Ethernet\USB，下位机通讯方式为Ethercat；接口有4个USB3.0、4个USB2.0、2个 HDMI、2个LAN等。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明是将三个转轴进行并联连接 形成眼球结构，利用三个转轴间的互相解耦，通过机器人运动动力学的计算分析，使云台进行高精度的旋转耦合运动；眼球机构中的旋转轴为十字交叉一体式，避免了俯仰和 横滚轴的装配间隙，提高了装配精度，云台的重复定位精度显著提高；采用同步带传动 和谐波减速机传动，传动效率提高，运动更加平稳，可在各种复杂凸凹不平的环境中稳 定运动；采用密封装置设计，达到IP54防护等级，可使云台适应各种不同的工作环境。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1中A-A剖面的结构示意图；

图4为图3的上部局部放大图；

图5为图3的下部局部放大图；

图6为图2中B-B剖面的结构示意图；

图7为本发明实施例中俯仰横滚机构的结构示意图；

图8为图7的上部局部放大图；

图9为图7的中部局部放大图；

图10为本发明实施例中俯仰横滚机构的上部示意图；

图11为本发明实施例的内部结构正视图；

图12为图11的局部放大图；

图13为本发明实施例的内部结构后视图；

图14为图13的局部放大图；

图15为本发明实施例中偏航机构示意图；

图16为图15中C-C剖面的结构示意图；

其中，1、3D相机，2、相机固定法兰，3、中心转轴，4、俯仰横滚机构，5、偏航 机构，6、云台支架，7、云台固定外壳，8、云台上外壳，9、上旋转环，10、下固定环， 11、旋转环支架，12、云台防尘罩，13、密封圈，14、底部固定座，15、铝合金方管， 16、第一转向连杆，17、第二转向连杆，18、第一轴承座，19、第二轴承座，20、第三 轴承座，21、俯仰大带轮,22、俯仰小带轮，23、横滚大带轮，24、横滚小带轮，25、 俯仰同步带，26、横滚同步带，27、俯仰张紧座，28、横滚张紧座，29、张紧轴承，30、 俯仰电机，31、横滚电机，32、电机安装座，33、俯仰位置开关，34、横滚位置开关， 35、感应片，36、轴用卡簧，37、偏航电机，38、谐波减速机，39、减速机安装板，40、 上部连接板，41、旋转位置开关，42、感应螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

具体实施例如图1至图16所示，本发明包括3D相机1、相机固定法兰2、中心转 轴3、俯仰横滚机构4、偏航机构5、云台支架6、云台固定外壳7、云台上外壳8、上 旋转环9、下固定环10、旋转环支架11、云台防尘罩12、密封圈13、底部固定座14、 铝合金方管15、第一转向连杆16、第二转向连杆17、第一轴承座18、第二轴承座19、 第三轴承座20、俯仰大带轮21、俯仰小带轮22、横滚大带轮23、横滚小带轮24、俯仰 同步带25、横滚同步带26、俯仰张紧座27、横滚张紧座28、张紧轴承29、俯仰电机 30、横滚电机31、电机安装座32、俯仰位置开关33、横滚位置开关34、感应片35、轴 用卡簧36、偏航电机37、谐波减速机38、减速机安装板39、上部连接板40、旋转位置 开关41、感应螺钉42、控制器、电机驱动器；云台固定外壳7、云台支架6均与底部固 定座14连接在一起，云台支架6布置在云台固定外壳7内，云台上外壳8布置在云台 固定外壳7的上部；偏航机构5布置在云台支架6内并与云台支架6筋骨连接，俯仰横 滚机构4布置在云台上外壳8内，偏航机构5与俯仰横滚机构4之间通过上部连接板40 相连接；上旋转环9布置在云台上外壳8的底部，并通过旋转环支架11与俯仰横滚机 构4相连接；下固定环10布置在云台固定外壳7的顶部，并与上旋转环9相匹配；3D 相机1布置在云台上外壳8的上部，并通过相机固定法兰2与中心转轴3的顶部相连接； 中心转轴3的中下部布置在云台上外壳8内，并与俯仰横滚机构4相连接；云台防尘罩 12布置在3D相机1和云台上外壳8之间，并位于相机固定法兰2的外侧；密封圈13 布置在云台固定外壳7和云台上外壳8之间；控制器用于对相机云台的控制。第一转向 连杆16、第二转向连杆17、俯仰电机30、横滚电机31均布置在铝合金方管15内部， 俯仰大带轮21、俯仰小带轮22、横滚大带轮23、横滚小带轮24、俯仰张紧座27、横滚 张紧座28、张紧轴承29均布置在铝合金方管15外部，第一轴承座18、第二轴承座19、 俯仰位置开关33、横滚位置开关34均布置在铝合金方管15上，第三轴承座19固定在 第一转向连杆16上；俯仰大带轮21与第一转向连杆16相连接，并通过顶丝紧固；横 滚大带轮23与第二转向连杆17相连接，并通过顶丝紧固；两个张紧轴承29分别安装在俯仰张紧座27和横滚张紧座28上，并卡上轴用卡簧36；两个电机安装座32分别与 俯仰电机30和横滚电机31连接后再固定在铝合金方管15上；俯仰小带轮22与俯仰电 机30相连接并用顶丝固定；横滚小带轮24与横滚电机31相连接并用顶丝固定；两个 感应片35分别安装在第一转向连杆16、第二转向连杆17上；俯仰同步带25套在俯仰 大带轮21和俯仰小带轮22之间，并通过俯仰张紧座27张紧；横滚同步带26套在横滚 大带轮23和横滚小带轮24上之间，并通过横滚张紧座28张紧。谐波减速机38和偏航 电机37通过螺丝连接并用顶丝固定后安装在减速机安装板39上，减速机安装板39与 云台支架6连接在一起；谐波减速机38的输出轴通过平键与上部连接板40连接在一起； 旋转位置开关41安装在云台支架上，感应螺钉42安装在上部连接板上。3D相机1为激 光3D扫描仪，相机固定法兰2为中空结构，张紧轴承29为深沟球轴承，云台支架6为 圆筒型，云台上外壳8为圆筒带圆弧盖型；俯仰电机30、横滚电机31、偏航电机37均 为步进电机。

在本发明的实施过程中。系统上电后，云台的俯仰电机30、横滚电机31和偏航电机37启动并以设定的转速自动寻找初始位置，然后控制系统搭建通讯网络，相机和云 台互发一次通讯信号，用于确定通讯正常。

在自动寻找初始位置的过程中，俯仰电机30带动安装在电机输出轴的俯仰小带轮22旋转，通过俯仰同步带25带动俯仰大带轮21旋转，从而带动第一转向连杆16进行 旋转，第一转向连杆16的两端通过两个相同的第一轴承座18固定在铝合金方管15上， 起到支撑旋转的作用，使第一转向连杆16的旋转平稳；俯仰张紧座27安装在铝合金方 管15上，可以通过U型槽进行调节达到张紧的效果，张紧座上安装有两个深沟球轴承， 从外侧张紧同步带，可使同步带的传动更加平稳；中心转轴3上的俯仰小轴通过两个第 三轴承座固定在第一转向连杆16上进行传动连接，并处于第一转向连杆16的的中轴位 置，第一转向连杆16俯仰旋转后，即可带动中心转轴3进行俯仰旋转，从而使3D相机 1俯仰运动并完成俯仰方向的初始位置的寻找，寻找中以俯仰+30°为极限参照位置， 在此处安装有一个位置感应片35，当位置感应开关感应到第一转向连杆16运动到此处 时发出信号使电机反转并旋转30°到达初始位置，完成俯仰的寻位动作。

在自动寻找初始位置的过程中，横滚电机31带动安装在电机输出轴的横滚小带轮24旋转，通过横滚同步带26带动横滚大带轮23旋转，从而带动第二转向连杆17进行 旋转，第二转向连杆17的一端通过第二轴承座18固定在铝合金方管15上，起到支撑 旋转的作用，使第二转向连杆17的旋转平稳,另一端连接在中心转轴3上；横滚张紧座 28安装在铝合金方管15上，可以通过U型槽进行调节达到张紧的效果，张紧座上安装 有两个深沟球轴承，从外侧张紧同步带，可使同步带的传动更加平稳。由于第二转向连 杆17和中心转轴3之间通过一个横滚小轴进行传动连接，故第二转向连杆17的旋转可 带动中心转轴3的旋转，从而带动3D相机1进行旋转运动并完成横滚方向的初始位置 寻找，寻找中以横滚+30°为极限参照位置，在此处安装有一个位置感应片35，当位置 感应开关感应到第二转向连杆17运动到此处时发出信号使电机反转并旋转30°到到达 初始位置，完成横滚的寻位动作。

在自动寻找初始位置的过程中,偏航电机37连接在谐波减速机38上，谐波减速机38可提供30-50倍的减速比，不仅可以传递较大的转矩，也可承受较大的负载惯量；铝 合金方管15连接在谐波减速机38的末端，3D相机1通过中心转轴3安装在铝合金方管 15上，偏航电机37旋转即可带动铝合金方管15进行旋转，从而带动3D相机1进行偏 航运动并进行寻找偏航极限位置，偏航极限位置处也安装有一个位置感应开片，当位置 感应开关感应到铝合金方管15运动到此处时，发出信号使电机反转并旋转180°后到达 初始位置，完成偏航的寻位动作。

由于三个电机的旋转机构采用是的并联机构，即眼球机构，三个旋转轴交叉垂直并 联布局，互成90°，每个轴即可单独旋转，也可在其他轴旋转的同时进行旋转，从而进 行耦合运动。

在本实施例中，相机俯仰初始位置，指的是相机可在云台上进行俯仰±30°的旋转， 0度位置即是初始位置，相机的X轴与云台的X轴平行。相机横滚初始位置，指的是相 机可在云台上进行横滚±30°的旋转，0度位置即是初始位置，相机Y轴与云台的Y轴 平行。相机偏航初始位置，指的是相机可在云台上进行偏航±180°的旋转，0度位置即 是初始位置，相机Z轴与云台的Z轴平行。

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 (6)

1.一种智能机器人相机云台，包括3D相机、相机固定法兰，其特征在于，还包括中心转轴、俯仰横滚机构、偏航机构、云台支架、云台固定外壳、云台上外壳、上旋转环、下固定环、旋转环支架、云台防尘罩、密封圈、底部固定座、控制器、上部连接板；

所述云台固定外壳、云台支架均与底部固定座连接在一起，云台支架布置在云台固定外壳内，云台上外壳布置在云台固定外壳的上部；

所述偏航机构布置在云台支架内并与云台支架筋骨连接，俯仰横滚机构布置在云台上外壳内，偏航机构与俯仰横滚机构之间通过上部连接板相连接；

所述上旋转环布置在云台上外壳的底部，并通过旋转环支架与俯仰横滚机构相连接；

所述下固定环布置在云台固定外壳的顶部，并与上旋转环相匹配；

所述3D相机布置在云台上外壳的上部，并通过相机固定法兰与中心转轴顶部相连接；中心转轴中下部布置在云台上外壳内，并与俯仰横滚机构相连接；

所述云台防尘罩布置在3D相机和云台上外壳之间，并位于相机固定法兰的外侧；

所述密封圈布置在云台固定外壳和云台上外壳之间；

所述控制器用于对相机云台的控制。

2.根据权利要求1所述的智能机器人相机云台，其特征在于，所述俯仰横滚机构包括铝合金方管、第一转向连杆、第二转向连杆、第一轴承座、第二轴承座、第三轴承座、俯仰大带轮、俯仰小带轮、横滚大带轮、横滚小带轮、俯仰同步带、横滚同步带、俯仰张紧座、横滚张紧座、张紧轴承、俯仰电机、横滚电机、电机安装座、俯仰位置开关、横滚位置开关、感应片、轴用卡簧；

第一转向连杆、第二转向连杆、俯仰电机、横滚电机均布置在铝合金方管内部，俯仰大带轮、俯仰小带轮、横滚大带轮、横滚小带轮、俯仰张紧座、横滚张紧座、张紧轴承均布置在铝合金方管外部，第一轴承座、第二轴承座、俯仰位置开关、横滚位置开关均布置在铝合金方管上，第三轴承座固定在第一转向连杆上；

俯仰大带轮与第一转向连杆相连接，并通过顶丝紧固；横滚大带轮与第二转向连杆相连接，并通过顶丝紧固；两个张紧轴承分别安装在俯仰张紧座和横滚张紧座上，并卡上轴用卡簧；两个电机安装座分别与俯仰电机和横滚电机连接后再固定在铝合金方管上；俯仰小带轮与俯仰电机相连接并用顶丝固定；横滚小带轮与横滚电机相连接并用顶丝固定；两个感应片分别安装在第一转向连杆、第二转向连杆上；俯仰同步带套在俯仰大带轮和俯仰小带轮之间，并通过俯仰张紧座张紧；横滚同步带套在横滚大带轮和横滚小带轮上之间，并通过横滚张紧座张紧。

3.根据权利要求1所述的智能机器人相机云台，其特征在于，所述偏航机构包括偏航电机、谐波减速机、减速机安装板、旋转位置开关、感应螺钉；

谐波减速机和偏航电机通过螺丝连接并用顶丝固定后安装在减速机安装板上，减速机安装板与云台支架连接在一起；

谐波减速机的输出轴通过平键与上部连接板连接在一起；

旋转位置开关安装在云台支架上，感应螺钉安装在上部连接板上。

4.根据权利要求1所述的智能机器人相机云台，其特征在于所述3D相机包括但不限于激光3D扫描仪、双目相机，相机固定法兰为中空结构，张紧轴承为深沟球轴承，云台支架为圆筒型，云台上外壳为圆筒带圆弧盖型。

5.根据权利要求2所述的智能机器人相机云台，其特征在于所述俯仰电机、横滚电机为步进电机。

6.根据权利要求3所述的智能机器人相机云台，其特征在于所述偏航电机为步进电机。

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