CN113119065A - 一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人，包括旋转平台、安装在旋转平台上方的机械臂、以及控制旋转平台旋转倾斜及升降的旋转台控制架，以及控制所述旋转平台旋转的旋转装置。通过旋转平台的旋转及倾斜升降扩展了机械臂的自由度，进而使得安装在旋转平台上的机械臂不需要更多的关节来提高自由度，因此机械臂只需要使用3自由度的机械臂即可，从而可以减少机械臂上的关节，使得机械臂的操作更加容易，制造价格更加低廉。同时由于旋转台控制架只需要控制旋转平台的旋转及倾斜垂直升降这三个自由度，操作上相对简单，并且旋转台控制架的结构简单，更加稳固，提高了多自由度机械臂的稳定性及可靠性。

Description

一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其是涉及一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人。

背景技术

近些年来，在机械制造、冶金、电子等工业领域的生产线上，多关节机械臂发展迅速，在其它领域应用也很广泛，机械臂的智能化自动化程度也越来越高，其生产应用技术越来越成熟，机械臂可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。在某些作业任务中，对机械臂有着十分高的要求，如可控自由度、可达工作空间、运动精度、有效负载、运动特性和经济性指标等。现有的机械臂大多体积庞大，通常其机械臂的关节不少于两个，而机械臂的关节越多，机械爪端的负重和夹持力就会越小，其操作的稳定性也会越差，操作的复杂性变大，抗振动能力越差。并且其在价格、负载能力、操控难易度、稳定性、可靠性方面都存在一定的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是怎样可以提供一种操控简单、可靠性强且关节较少的机械臂，提出一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种多自由度机械臂，包括旋转平台、安装在所述旋转平台上方的机械臂、控制所述旋转平台倾斜及升降的旋转台控制架，以及控制所述旋转平台旋转的旋转装置，所述旋转平台包括上盘面和下盘面，所述上盘面和下盘面的轴心线相同，所述机械臂装设在所述上盘面上表面，所述旋转装置安装在所述上盘面下表面带动所述上盘面绕所述下盘面旋转，所述旋转台控制架与所述下盘面的下表面连接，还装设有使所述上盘面相对于下盘面倾斜的丝杠微调装置。

进一步地，所述旋转装置包括旋转电机、圆弧导轨以及与所述圆弧导轨相配合的多个滑块，所述圆弧导轨固接在所述下盘面的上表面，所述滑块通过丝杠微调装置与所述上盘面的下表面连接，所述旋转电机的输出轴与所述上盘面固接。。

进一步地，所述旋转台控制架包括三个及以上直线推杆，所述直线推杆的伸缩端垂直固接在所述下盘面下表面。

进一步地，所述丝杠微调装置包括丝杠电机、螺纹杆、与所述螺纹杆相配合的调节块，所述调节块的外套块固接于所述上盘面的下表面，所述调节块的内套块与所述螺纹杆配合，所述内套块的下端与连接所述滑块的连接杆通过球铰连接，所述丝杠电机固接在上盘面上，驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆穿过所述上盘面与调节块的内套块螺纹连接。

进一步地，三个及以上直线推杆均匀布设在所述下盘面，且三个及以上直线推杆与所述下盘面连接的各连接点所形成的中心与所述下盘面的圆心重合。

进一步地，所述机械臂包括依次连接的第一臂、第二臂以及抓手，所述第一臂固连在所述上盘面上，所述第二臂与第一臂之间通过销轴连接，还包括臂端直线推杆，所述臂端直线推杆一端连接在第一臂上，伸缩端连接在第二臂上，通过臂端直线推杆的伸缩驱动第二臂，所述抓手安装在所述第二臂的前端并可绕第二臂旋转。

本发明还提供了一种移动平台，所述移动平台上安装有所述多自由度机械臂，所述旋转台控制架的直线推杆下端固接在所述移动平台的上表面。

本发明还提供了一种救援机器人，包括双摆臂式菱形四轮地面移动平台，所述多自由度机械臂安装在所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台上，还包括姿态传感器和控制器，所述姿态传感器测量所述移动平台和所述旋转平台的姿态并传回控制器，所述控制器根据所述移动平台和旋转平台的姿态控制所述旋转台控制架上各直线推杆的位移。

进一步地，所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台包括车体、安装在车体上的两组主动摆臂架及四个独立驱动轮，所述四个独立驱动轮呈菱形分布在车体下方，所述车体前后各一个独立驱动轮分别为前轮和后轮，所述车体左右各一个独立驱动轮分别为左轮、右轮，前轮和左轮分别连接在第一组主动摆臂架的下端，右轮和后轮分别连接在第二组所述主动摆臂架的下端。

进一步地，每组所述主动摆臂架包括转轴、驱动所述转轴转动的驱动电机、两个摆杆，两个摆杆的一端分别固接在所述转轴的两端，两个摆杆的另一端分别连接一个独立驱动轮，两个摆杆间的角度相对固定，所述驱动电机与所述控制器连接控制转轴转动的角度。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种多自由度机械臂、移动平台及救援机器人，通过旋转平台的旋转及倾斜升降扩展了机械臂的自由度，进而使得安装在旋转平台上的机械臂不需要更多的关节来提高自由度，由于旋转台控制架只需要控制旋转平台的旋转及倾斜和垂直升降，操作上相对简单，并且旋转台控制架的结构简单，更加稳固，提高了多自由度机械臂的稳定性及可靠性，由于旋转平台拓展了自由度，因此机械臂只需要使用简单的3自由度机械臂即可，从而可以减少机械臂上的关节及自由度，使得机械臂的操作更加容易，制造价格更加低廉。

附图说明

图1为一种多自由度机械臂的立体结构示意图；

图2为旋转平台结构示意图；

图3为实施例中操作旋转台控制架拓展旋转平台自由度的示意图；

图4为多自由度机械臂安装在一种菱形四轮地面移动平台上的示意图；

图5为双摆臂式菱形四轮地面移动平台跨越障碍示意图；

图6为救援机器人通过摆臂的调整使车体倾斜的示意图；

图7为丝杠微调装置示意图；

图8为调节块示意图；

图9为多自由度机械臂作业时上盘面相对于下盘面倾斜的示意图。

图例说明

1、旋转平台，11、上盘面，12、下盘面，2、机械臂，21、第一臂，22、第二臂，23、抓手，24、臂端直线推杆，25、销轴，3、旋转台控制架，31、直线推杆，32、销轴，4、旋转装置，41、旋转电机，42、圆弧导轨，43、滑块，5、双摆臂式菱形四轮地面移动平台，51、车体，52、主动摆臂架，521、转轴， 522、驱动电机，523、摆杆，53、独立驱动轮，6、丝杠微调装置，61、丝杠电机、62、螺纹杆，63、调节块，631、外套块，632、内套块，64、连接杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1至图3示出了本发明一种多自由度机械臂的具体实施例，如图1所示，一种多自由度机械臂，包括旋转平台1，安装在旋转平台上的机械臂2，控制所述旋转平台旋转倾斜及升降的旋转台控制架3，以及控制所述旋转平台1旋转的旋转装置4，所述旋转平台1包括共用一个旋转轴的上盘面11和下盘面12，所述机械臂2装设在所述上盘面11上表面，所述旋转装置4安装在上盘面11的下表面带动所述上盘面11绕所述下盘面12旋转，所述旋转台控制架3与所述下盘面12的下表面连接，还包括使所述上盘面11相对于下盘面12倾斜的丝杠微调装置6。通过将旋转平台1分为上下两个盘面，上盘面11通过旋转装置4可以旋转，使得装设在上盘面11上表面的机械臂2可以旋转，根据操作目标的位置通过旋转上盘面11到达操作目标附近。本实施例中，将传统的复杂六自由度机械臂通过旋转平台1的倾斜、旋转及升降拓展了安装在旋转平台1上的机械臂在倾斜旋转以及升降上的自由度，因此使得安装于旋转平台1上的机械臂2只需要简单的结构即可实现另外3个自由度，且由于旋转平台1的操控简单，降低了原来需要使用多个关节才能实现的六自由度机械臂的操作及制造复杂度，从而使得多自由度机械臂的总体制造难度降低，提高了机械臂的稳定性及可靠性，降低了机械臂的制造价格。如图9所示，为了使安装在上盘面上的机械臂的稳定性，安装丝杠微调装置，通过主动调节丝杠微调装置6，消除旋转平台1的晃动和摇摆，通过惯导测量上盘面的晃动情况，实时控制丝杠微调装置控制对上盘面的倾角对晃动进行抵消和衰减，通过主动控制上盘面的晃动有利于机械臂更加精确地执行任务。

本实施例中，如图2所示，所述旋转装置4包括旋转电机41、圆弧导轨42以及与所述圆弧导轨相配合的多个滑块43，所述圆弧导轨42固接在所述下盘面12的上表面，所述滑块43通过丝杠微调装置6与所述上盘面11的下表面连接，所述旋转电机41的输出轴与所述上盘面11固接。旋转电机41固接在下盘面12的下方，旋转电机41的输出轴从下盘面12中间的孔中穿出与上盘面11相连，当旋转电机41启动时，带动上盘面11绕下盘面12旋转。本实施例中与上盘面11固接的滑块43至少3个及以上，均匀地布设在上盘面11下表面并与下盘面12的滑轨相配合，使上盘面11可以得到更好的支撑和旋转。该旋转平台拓展了机械臂2和旋转平台上搭载的测量器件绕回转平面垂直轴z轴的转动自由度。本实施例通过使用上下两个盘面，通过旋转装置既可以解决上盘面的旋转，进而解决了安装在旋转平台1上的机械臂绕z轴旋转的自由度。同时通过下盘面可以解决旋转平台与旋转台控制架的连接以及倾斜等。

本实施例中，如图7所示，所述丝杠微调装置6包括丝杠电机61、螺纹杆62、与所述螺纹杆相配合的调节块63，所述调节块63的外套块631固接于所述上盘面11的下表面，所述调节块63的内套块632与所述螺纹杆62配合，所述内套块632的下端与连接所述滑块43的连接杆64通过球铰连接，所述丝杠电机61固接在上盘面上，驱动所述螺纹杆62旋转，所述螺纹杆62穿过所述上盘面与调节块63的内套块532螺纹连接。丝杠电机61控制螺纹杆的转动位移，进而调节内套块632的升降，从而调节上盘面的倾角。而丝杠电机的转动，则根据惯导测量的上盘面的晃动情况，实时控制丝杠电机的转动进而控制螺纹杆的转动位移。另外，当多自由度机械臂安装在车体上，当车体处于极限倾斜位置时，通过调整机械臂的朝向和微调上盘面的倾角有助于车体回复平衡保持平稳状态。如图8所示，所述调节块63的内套块632和外套块631为两个方形嵌套块，外套块631给内套块632提供上下移动的自由度，但是外套块631也限制了内套块632的旋转，使得螺纹杆62转动时，内套块632可以沿外套块631内壁上下移动。

本实施例中，所述旋转台控制架3包括三个及以上直线推杆31，所述直线推杆31的伸缩端垂直铰接在所述下盘面下表面。三个及以上直线推杆31均匀布设在所述下盘面12，且三个及以上直线推杆31与所述下盘面12连接的各连接点所形成的中心与所述下盘面的圆心重合。本实施例中，使用了三个直线推杆31，三个直线推杆31呈正三角形排布，正三角形的中心与下盘面的中心重合。通过三个直线推杆31的伸缩控制了旋转平台1的高度、倾斜角度及倾斜方向。拓展了多自由度机械臂的自由度，实现了机械臂绕平行于回转平面的两个正交轴（x, y轴，见图3）的转动自由度。本实施例中的直线推杆31可以是电动推杆也可以是液压杆，通过控制直线推杆的移动位移可以实现对旋转平台的自由度控制。直线推杆31的具体位移量可以通过在旋转平台上安装姿态传感器，通过姿态传感器测量旋转平台的姿态并传回控制器，控制器根据旋转平台的姿态控制旋转台控制架上各直线推杆的位移。控制器一般包括工控机或者树莓派、电机驱动器以及控制器等，是一种成熟的控制器，将其应用在救援机器人上可以增加机器人的智能性及主动性。

本实施例中，所述机械臂2为3自由度机械臂，包括依次连接的第一臂21、第二臂22以及抓手23，所述第一臂21固连在所述上盘面11上，所述第二臂22与第一臂21之间通过销轴25连接，还包括臂端直线推杆24，所述臂端直线推杆24一端连接在第一臂21上，伸缩端连接在第二臂22上，通过臂端直线推杆24的伸缩驱动第二臂22，所述抓手23安装在所述第二臂22的前端并可绕第二臂22旋转。本实施例中的臂端直线推杆24为电动推杆或液压杆，根据目标物的位置控制臂端直线推杆的位移，实现第二臂的摆动自由度。抓手23能通过电机驱动绕第二臂22旋转，并通过夹钳机构实现夹取。本发明通过使用旋转平台1以及旋转台控制架3，由于使用旋转平台1拓展了旋转倾斜及升降的自由度，将3自由度机械臂拓展成了具有6个自由度的机械臂，并且相比于普通的6自由度机械臂而言具有更大的工作域。

本发明还提供了一种移动平台，所述移动平台上安装有所述多自由度机械臂，所述旋转台控制架3的直线推杆31下端通过销轴32固接在所述移动平台的上表面。本实施例中，将多自由度机械臂安装在任意一种移动平台上，操控移动平台的移动以及旋转平台和机械臂，实现对目标物的操控。移动平台可以根据目标物所处的地面情况选取不同的移动平台。

此外，本发明针对现有技术中，由于在复杂地形上的救援领域，人工作业存在危险性高、搜寻定位困难、施工空间受限大等问题，因此对于复杂地形上的救援机器人提出了新的需求。而救援机器人一方面是对机械臂提出操作简单，可靠稳定的要求，另一方面也对移动平台提出了更高的要求。现有的全地形移动机器人大多基于履带式平台，在沙石、泥泞地形上具有一定的优势，但对于灾区大量碎石的复杂地形适应能力差，且移动的速度和灵活性也较差。

本发明提供了一种救援机器人，如图4所示，包括双摆臂式菱形四轮地面移动平台5，所述多自由度机械臂安装在所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台5上，还包括姿态传感器和控制器，所述姿态传感器测量所述移动平台和所述旋转平台的姿态并传回控制器，所述控制器根据所述移动平台和旋转平台1的姿态控制所述旋转台控制架3上各直线推杆31的位移。本实施例中，将旋转台控制架3上的三个直线推杆31下端通过销轴固接在菱形四轮地面移动系统的底板上，凭借菱形四轮地面移动系统所具有的地面适应能力强、结构简单、提高了移动平台的稳定性和灵活性，因此将多自由度机械臂安装在菱形四轮地面移动系统中，可以更好的组合成救援机器人进行救援，越障能力强，且质量较轻，机械臂性能稳定且地面适应能力强。

本实施例中，所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台5包括车体51、安装在车体上的两组主动摆臂架52及四个独立驱动轮53，所述四个独立驱动轮53呈菱形分布在车体下方，所述车体前后各一个独立驱动轮分别为前轮和后轮，所述车体左右各一个独立驱动轮分别为左轮、右轮，前轮和左轮分别连接在第一组主动摆臂架的下端，右轮和后轮分别连接在第二组所述主动摆臂架的下端。每组所述主动摆臂架52包括转轴521、驱动所述转轴转动的驱动电机522、两个摆杆523，两个摆杆523的一端分别固接在所述转轴521的两端，两个摆杆523的另一端分别连接一个独立驱动轮，两个摆杆间的角度相对固定，所述驱动电机与所述控制器连接控制转轴转动的角度。本实施例中摆杆523与转轴通过花键固接。两个摆杆的相对角度设置为120度，错开两个花键齿固接。主动摆臂架52主要是根据姿态传感器探测得到的车体位姿以及车体前方障碍物的路况，及时通过控制器提前控制驱动电机调整摆臂的角度，如图5所示，提升车轮的高度，从而主动越障，提升了在救援过程中的主动性。如图6所示，通过调整摆臂的角度，调整车轮的高度，使得移动平台的底盘也可以作为机械臂的一个关节，提高机械臂的自由度。

本实施例中所使用的双摆臂式菱形四轮地面移动平台，是对发明人在2020年11月10日申请的专利公开号为CN112298608A，发明名称为“一种双摆臂式菱形四轮地面移动系统”的菱形四轮移动平台的一种改进，由于该菱形四轮移动平台使用的是差速平衡机构的被动越障底盘，为了实现在复杂地形上移动平台的主动越障，对移动平台做出了改进，使用的双摆臂架为主动摆臂架，通过姿态传感器测量移动平台和旋转平台的姿态，并将该姿态传回控制器进行计算，进而发出控制信号给驱动电机，驱动双摆臂式菱形四轮地面移动平台上转轴的旋转，即控制了摆杆的角度，也就控制了独立轮的高度，从而控制了移动平台越障的主动性。根据安装在移动平台上的姿态传感器，探测到车体前方的障碍物的大小，并将障碍物的大小发送到控制器，控制器发送控制信号给驱动电机，使得转轴旋转，进而通过摆杆的角度调整将车轮高度提升，从而跨越更高的障碍，在跨越障碍的过程中，姿态传感器探测得到移动平台的位姿即倾斜程度调整摆臂的角度，保证车体的稳定性，姿态传感器根据旋转平台的位姿，调整直线推杆的位移，进而调整整个移动平台车身的平衡。

本发明优先对机械臂上的臂端直线推杆进行控制来达到目标点，若其工作域不够，则控制旋转平台和旋转台控制架来提高其工作域，必要时候可以通过移动多自由度机械臂所安装的移动平台来辅助作业。本发明的救援机器人可以在灾区大量碎石的复杂地形上实施救援，利用了移动平台的稳定性和灵活性，利用了机械臂的稳定性和多自由度，可以很好的实施救援。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种多自由度机械臂，其特征在于，包括旋转平台、安装在所述旋转平台上方的机械臂、控制所述旋转平台倾斜及升降的旋转台控制架，以及控制所述旋转平台旋转的旋转装置，所述旋转平台包括上盘面和下盘面，所述上盘面和下盘面的轴心线相同，所述机械臂装设在所述上盘面上表面，所述旋转装置安装在所述上盘面下表面带动所述上盘面绕所述下盘面旋转，所述旋转台控制架与所述下盘面的下表面连接，还装设有使所述上盘面相对于下盘面倾斜的丝杠微调装置。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂，其特征在于，所述旋转装置包括旋转电机、圆弧导轨以及与所述圆弧导轨相配合的多个滑块，所述圆弧导轨固接在所述下盘面的上表面，所述滑块通过丝杠微调装置与所述上盘面的下表面连接，所述旋转电机的输出轴与所述上盘面固接。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂，其特征在于，所述旋转台控制架包括三个及以上直线推杆，所述直线推杆的伸缩端垂直铰接在所述下盘面的下表面。

4.根据权利要求2所述的一种多自由度机械臂，其特征在于，所述丝杠微调装置包括丝杠电机、螺纹杆、与所述螺纹杆相配合的调节块，所述调节块的外套块固接于所述上盘面的下表面，所述调节块的内套块与所述螺纹杆配合，所述内套块的下端与连接所述滑块的连接杆通过球铰连接，所述丝杠电机固接在上盘面上，驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆穿过所述上盘面与调节块的内套块螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度机械臂，其特征在于，三个及以上直线推杆均匀布设在所述下盘面，且三个及以上直线推杆与所述下盘面连接的各连接点所形成的中心与所述下盘面的圆心重合。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂，其特征在于，所述机械臂包括依次连接的第一臂、第二臂以及抓手，所述第一臂固接在所述上盘面的上表面上，所述第二臂与第一臂之间通过销轴连接，还包括臂端直线推杆，所述臂端直线推杆一端连接在第一臂上，伸缩端连接在第二臂上，通过臂端直线推杆的伸缩驱动第二臂，所述抓手安装在所述第二臂的前端并可绕第二臂旋转。

7.一种移动平台，其特征在于，所述移动平台上安装有权利要求1至6中任一项所述的多自由度机械臂，所述旋转台控制架的直线推杆下端通过销轴固接在所述移动平台上。

8.一种救援机器人，其特征在于，包括双摆臂式菱形四轮地面移动平台，权利要求1至6中任一项所述的多自由度机械臂安装在所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台上，还包括姿态传感器和控制器，所述姿态传感器测量所述移动平台和所述旋转平台的姿态并传回控制器，所述控制器根据所述移动平台和旋转平台的姿态控制所述旋转台控制架上各直线推杆的位移。

9.根据权利要求8所述的一种救援机器人，其特征在于，所述双摆臂式菱形四轮地面移动平台包括车体、安装在车体上的两组主动摆臂架及四个独立驱动轮，所述四个独立驱动轮呈菱形分布在车体下方，所述车体前后各一个独立驱动轮分别为前轮和后轮，所述车体左右各一个独立驱动轮分别为左轮、右轮，前轮和左轮分别连接在第一组主动摆臂架的下端，右轮和后轮分别连接在第二组所述主动摆臂架的下端。

10.根据权利要求9所述的一种救援机器人，其特征在于，每组所述主动摆臂架包括转轴、驱动所述转轴转动的驱动电机、两个摆杆，两个摆杆的一端分别固接在所述转轴的两端，两个摆杆的另一端分别连接一个独立驱动轮，两个摆杆间的角度相对固定，所述驱动电机与所述控制器连接控制转轴转动的角度。

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