CN113499903A - 基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂 - Google Patents

基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂 Download PDF

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Abstract

基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，包含座壳、自旋转关节、竖直升降关节、水平伸缩关节、喷枪俯仰关节、喷枪翻转关节和双消毒喷枪模块；喷枪翻转关节的输出端连接双消毒喷枪模块，该设置使得双消毒喷枪模块能自转，喷枪俯仰关节的输出端连接喷枪翻转关节，该设置使得双消毒喷枪模块能俯仰运动，水平伸缩关节的末端连接喷枪俯仰关节，该设置使得双消毒喷枪模块能水平往复运动，竖直升降关节的输出端连接水平伸缩关节，该设置使得双消毒喷枪模块能上下运动，自旋转关节的输出端连接竖直升降关节，该设置使得竖直升降关节能回转，自旋转关节布置在座壳内。机械臂运动灵活，具有较大的运动空间范围，适用于复杂环境的消毒作业。

Description

基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂
技术领域
本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，属于机器人应用技术领域。
背景技术
自新型冠状病毒肺炎发生以来，涌现出了一批具有突出应用的机器人产品，包括消毒机器人、配送机器人、巡检机器人等。
当前市场上存在的消毒机器人所携带的消毒设备，少有能够灵活的对消毒喷枪的空间姿态，角度，喷洒方位等参数进行控制的案例。大多数消毒喷枪都是固定安装于运动底盘上。只能依靠运动底盘的移动来进行喷洒作业，个别的消毒机器人，在喷枪的底部设计有旋转驱动和喷枪的俯仰角度驱动。其消毒喷枪设备都不能够灵活的对消毒喷枪的空间姿态，角度，喷洒方位等进行控制。在针对复杂的室内空间环境，只能依靠消毒喷雾的自动空气中扩散来保证消毒效果，运动空间范围有限，自由度不高，灵活性差。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂。该机械臂运动灵活，具有较大的运动空间范围。
基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，包含座壳、自旋转关节、竖直升降关节、水平伸缩关节、喷枪俯仰关节、喷枪翻转关节和双消毒喷枪模块；喷枪翻转关节的输出端连接双消毒喷枪模块，该设置使得双消毒喷枪模块能自转，喷枪俯仰关节的输出端连接喷枪翻转关节，该设置使得双消毒喷枪模块能俯仰运动，水平伸缩关节的末端连接喷枪俯仰关节，该设置使得双消毒喷枪模块能水平往复运动，竖直升降关节的输出端连接水平伸缩关节，该设置使得双消毒喷枪模块能上下运动，自旋转关节的输出端连接竖直升降关节，该设置使得竖直升降关节能回转，自旋转关节布置在座壳内。
本发明相比现有技术的有益效果是：
采用类似圆柱坐标机械臂和末端关节旋转驱动的形式，具有旋转、升降、伸缩、俯仰和翻转运动形式，自由度驱动方案设计采用伸缩直线型驱动，功率密度高，在收缩状态下占用空间小，伸展状态能够覆盖较大的消毒喷洒面积区域。
本发明整体结构设计紧凑，避免大行程机械臂的自重对关节驱动的额外负载影响，机械臂的自旋转关节的轴线为竖直方向，其驱动力仅需抵抗自传转的惯性力；水平伸缩关节，其驱动力仅需抵抗水平和末端双消毒喷枪模块的惯性力，因此，仅需用较小的驱动力；喷枪俯仰关节对末端喷枪的俯仰角度控制，尽管为旋转关节，但该关节设计在整体机械臂运动学的末端，回避了传统多自由度机械臂肘部旋转关节的设计方案，考虑到驱动的负载较小，因此，采用一个较小功率的驱动结构即可实现驱动要求；喷枪翻转关节对末端喷枪的翻滚角度进行控制，用于调节双喷枪的自旋转角度。本发明机械臂的关节驱动模块，相比传统的电机连接行星轮减速、谐波减速等减速驱动方案，具有较大的行程范围，以及功率密度比；同时，每个关节的驱动尽量做到了较小的功率和扭矩需求。
从可达运动空间范围来看，本发明喷洒作业范围大，可满足大多室内空间，适用于复杂环境的消毒作业。配合轮式或履带式运动底盘，或者安装于温室大棚内附属运动轨道上，可进行无人化消毒，喷洒，施药等作业任务。用途上看，本发明可面向疫情场所，室内外复杂环境，温室大棚农林种植场所等领域应用的，具有较高灵活性。机械臂末端采用双喷头电动喷雾枪，喷枪的雾化压力来自于消毒液体水箱内的的泵吸压力，以及喷枪自带的涵道风扇增压；本发明可以方便地安装在无人驾驶小车，智能运动机器人底盘等上面，配合远程视频驾驶，自动驾驶等技术，实现疫情防护过程中，远程消毒作业任务。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂的立体图；
图2为去掉座壳和外壳后的五自由度消毒机械臂的立体图；
图3为喷枪翻转关节及双消毒喷枪布置的立体图；
图4为水平伸缩关节及喷枪俯仰关节的立体图；
图5为竖直升降关节的立体图；
图6为自旋转关节的立体图；
图7为固定导向架和升降架布置关系图；
图8为本发明五自由度消毒机械臂可达空间运动范围图。
具体实施方式
参见图1-图2所示，基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，包含座壳1、自旋转关节101、竖直升降关节102、水平伸缩关节103、喷枪俯仰关节104、喷枪翻转关节105和双消毒喷枪模块106；
喷枪翻转关节105的输出端连接双消毒喷枪模块106，该设置使得双消毒喷枪模块能自转，喷枪俯仰关节104的输出端连接喷枪翻转关节105，该设置使得双消毒喷枪模块106能俯仰运动，水平伸缩关节103的末端连接喷枪俯仰关节104，该设置使得双消毒喷枪模块106能水平往复运动，竖直升降关节102的输出端连接水平伸缩关节103，该设置使得双消毒喷枪模块106能上下运动，自旋转关节101的输出端连接竖直升降关节102，该设置使得竖直升降关节102能回转，自旋转关节101布置在座壳1内。
该实施方式的机械臂结构设计紧凑，避免大行程机械臂的自重对关节驱动的额外负载影响，机械臂的自旋转关节的轴线为竖直方向，其驱动力仅需抵抗自传转的惯性力，水平伸缩关节，其驱动力仅需抵抗水平和末端双消毒喷枪模块的惯性力，因此，仅需用较小的驱动力，喷枪俯仰关节对末端喷枪的俯仰角度控制，尽管为旋转关节，但该关节设计在整体机械臂运动学的末端，回避了传统多自由度机械臂肘部旋转关节的设计方案，考虑到驱动的负载较小，因此，采用一个较小功率的驱动结构即可实现驱动要求，喷枪翻转关节对末端喷枪的翻转角度进行控制，用于调节双喷枪的自旋转角度。本发明机械臂的关节驱动模块，相比传统的电机连接行星轮减速、谐波减速等减速驱动方案，具有较大的行程范围，以及功率密度比。
进一步，如图3所示，所述喷枪翻转关节105包含翻转驱动电机41和消毒喷枪安装连杆42；喷枪俯仰关节104的输出端布置有翻转驱动电机41，翻转驱动电机41的输出轴与消毒喷枪安装连杆42相连，消毒喷枪安装连杆42两侧分别配置有一个电动消毒喷枪11。消毒喷枪安装连杆42的两侧设计有四个消毒喷枪安装套43，用于安装两个电动消毒喷枪11，双喷头电动喷雾枪的雾化压力来自于消毒液体水箱内的的泵吸压力，以及喷枪自带的涵道风扇增压。
为了抵抗水平和末端双消毒喷枪模块的惯性力，设计较小的驱动力的水平伸缩关节103，如图4所示，所述水平伸缩关节104包含安装支架25、伸缩驱动电机7、带传动机构、同步带8、同步带连接夹具38、连接架9、导轨架26和水平导轨34；
竖直升降关节102的输出端配置有安装支架25，该配置使得安装支架25能竖向往复移动，导轨架26与安装支架25连接，安装支架25上布置有伸缩驱动电机7，伸缩驱动电机7的输出端与布置在安装支架25上的带传动机构相连，带动传动机构输出端与可转动地设置于导轨架26上的同步带8相连，水平导轨34安装在导轨架26上，连接架9滑动设置在水平导轨34上，同步带连接夹具38固定在连接架9上，该设置使得同步带8正反转动，带动连接架9作往复平动，喷枪俯仰关节配置在连接架9的末端。
通常带传动机构为常规机构，但应用在本实施方式的水平伸缩关节103中以实现连接架9能水平往复移动，采用伸缩直线型驱动方式，实现双消毒喷枪11在水平运动空间范围的调整，具有功率密度高和行程范围大的特点。所述带传动机构包含大同步带轮32、小同步带轮33和传动同步带31，小同步带轮33安装在伸缩驱动电机7的输出端，大同步带轮32可转到地设置在安装支架25上，小同步带轮33通过传动同步带31与大同步带轮32相连，同步带8安装在布置于导轨架26上的带轮上。同步带8的一个带轮与大同步带轮33同轴设置，同步带8的另一个带轮布置在安装于导轨架26上的带轮安装壳体36上。例如：连接架9可由连架前端盖37、连接后端盖39和两个连杆组成，形成一个具有空腔的框架式连接架，同步带连接夹具38安装在连架前端盖37上，连架前端盖37的下表面设计有同步带连接夹具38，从而保证同步带8正反旋转运动时，可以带动连接架9进行前后往复运动。
更进一步，由于驱动的负载较小，用一个较小功率的电机和减速比为锥齿轮副可实现驱动要求，如图4所示，所述喷枪俯仰关节104包含俯仰驱动电机40、锥齿轮幅28和运动连杆10；俯仰驱动电机40安装在连接架9的末端，俯仰驱动电机40的输出轴与锥齿轮副28的一个锥齿轮相连，锥齿轮副28的另一个锥齿轮可转动地设置在连接架9上，所述另一个锥齿轮与运动连杆10固接，喷枪翻转关节105布置在运动连杆10上。连架后端盖39的内部安装俯仰驱动电机40，俯仰驱动电机40通过锥齿轮副28进行旋转轴的换向，控制运动连杆10作俯仰运动，进而实现双消毒喷枪11的俯仰运动。
如图5所示，为了抵抗竖直方向机械臂自身的重力，采用了滚珠丝杠驱动的形式，具有典型的大减速比和大推力的特点，所述竖直升降关节102包含升降关节电机16、固定导向架A、升降架B和滚珠丝杠副20；自旋转关节101的输出端上配置有固定导向架A，该设置使得固定导向架A能回转，升降关节电机16轴向竖向布置，升降关节电机16安装在固定导向架A的底部，滚珠丝杠副20的丝杠一端与升降关节电机16的输出端相连，且滚珠丝杠副20可转动地支撑在固定导向架A上，升降架B竖向滑动设置在固定导向架A上，并与滚珠丝杠副20的丝母相连，水平伸缩关节103布置在升降架B上。基于上述水平伸缩关节103的结构，安装支架25布置在升降架B上。升降关节电机16和滚珠丝杠副20的丝杠之间用柔性联轴器连接，通过丝杠的转动，控制升降架B在竖直方向的伸缩。
在上述方案的基础上，如图6所示，所述自旋转关节101包含自旋关节电机14、小齿轮15和大齿轮17；自旋关节电机14安装在座壳1内，小齿轮15安装在自旋关节电机14的输出端，大齿轮17安装在固定导向架A上，固定导向架A可转动地设置在座壳1上，小齿轮15与大齿轮17啮合。如此设置，可实现固定导向架A或者竖直升降关节102在绕竖向轴线作回转运动，由于自旋转关节101轴向竖直，其驱动力仅需抵抗自转的惯性力，为此设计了大小齿轮传动，以达到减速目的，并能控制座壳1以上的水平伸缩关节102等关节及双消毒喷枪模块13在水平面作回转运动。
可选地，如图7所示，所述导向固定架A包含外壳A3、上端盖A4、下端盖A19和导向杆A21；上端盖A4和下端盖A19分别安装于外壳A3的上下端面，上端盖A4和下端盖A19之间布置有与二者固接的导向柱A21，升降架B可滑动地设置在导向柱A21上。
所述升降架B包含上端板B6、下端板B22和连接柱B5；下端板B22滑动设置在导向柱A21上，且下端板B22安装在滚珠丝杠副20的丝母上，上端板B6位于上端盖A4的上方，上端板B6和下端板B22通过连接柱B5相连，连接柱B5滑动设置在上端盖A4上。
升降关节电机16通过转接套筒30和竖直伸缩导向柱下端盖A19连接。升降关节电机16和滚珠丝杠副20的丝杠之间用柔性联轴器连接，通过丝杆的转动，控制升降架B在竖直方向的升降。
下端盖A19和上端盖A4分别安装于外壳A3的上下端面，下端盖A19和上端盖A4之间用四根导向柱A21固定，起导向作用。下端板B22的圆心位置安装固定有滚珠丝杠副20，丝母在竖直丝杠上的移动，控制了下端板B22的移动位置。下端板B22和上端板B6之间同样有四根连接柱B5，起导向作用，并同时提高机械臂的抗弯强度。下端板B22和上端盖A4上均安装有直线轴承23，导向柱A21和连接柱B5布置在直线轴承23上，用于降低伸缩过程的摩擦阻力。
可以的是座壳1为一空心圆筒，下端面法兰有相应的安装孔与其他部件相连，上端面法兰和底座上面板2固连，底座上面板2上通过交叉滚柱轴承18和下端盖A19连接。座壳1内部设计有电机安装孔位，用于固定自旋关节电机14。
如图8所示，喷洒作业范围：举例来说，消毒喷枪水平运动空间范围最大半径为2m；垂直方向运动空间高度为1.8m；消毒喷枪末端最小地面距离0.3m，离地最大高度可达2.1m。竖直方向，基于滚珠丝杠及四根A21导向柱，控制整体水平伸缩关节103及双消毒喷枪模块106的竖直升降，其升降调节范围0.4米；水平方向，基于电机驱动带动两个同步带轮以及同步带8运动，使得连接架9以及末端的双消毒喷枪模块106作往复伸缩运动，其伸缩调节范围0.4米。连接柱B5的长度在1-1.4米之间调节；连接架9的水平连杆在0.9-1.3米之间调节。整体来看，该机械臂可以满足大多室内空间复杂环境的消毒作业任务，以及如温室大棚空间内的喷洒作业需求。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：包含座壳(1)、自旋转关节(101)、竖直升降关节(102)、水平伸缩关节(103)、喷枪俯仰关节(104)、喷枪翻转关节(105)和双消毒喷枪模块(106)；
喷枪翻转关节(105)的输出端连接双消毒喷枪模块(106)，该设置使得双消毒喷枪模块能自转，喷枪俯仰关节(104)的输出端连接喷枪翻转关节(105)，该设置使得双消毒喷枪模块(106)能俯仰运动，水平伸缩关节(103)的末端连接喷枪俯仰关节(104)，该设置使得双消毒喷枪模块(106)能水平往复运动，竖直升降关节(102)的输出端连接水平伸缩关节(103)，该设置使得双消毒喷枪模块(106)能上下运动，自旋转关节(101)的输出端连接竖直升降关节(102)，该设置使得竖直升降关节(102)能回转，自旋转关节(101)布置在座壳(1)内。
2.根据权利要求1所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述喷枪翻转关节(105)包含翻转驱动电机(41)和消毒喷枪安装连杆(42)；喷枪俯仰关节(104)的输出端布置有翻转驱动电机(41)，翻转驱动电机(41)的输出轴与消毒喷枪安装连杆(42)相连，消毒喷枪安装连杆(42)两侧分别配置有一个电动消毒喷枪(11)。
3.根据权利要求1所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述水平伸缩关节(103)包含安装支架(25)、伸缩驱动电机(7)、带传动机构、同步带(8)、同步带连接夹具(38)、连接架(9)、导轨架(26)和水平导轨(34)；
竖直升降关节(102)的输出端配置有安装支架(25)，该配置使得安装支架(25)能竖向往复移动，导轨架(26)与安装支架(25)连接，安装支架(25)上布置有伸缩驱动电机(7)，伸缩驱动电机(7)的输出端与布置在安装支架(25)上的带传动机构相连，带动传动机构输出端与可转动地设置于导轨架(26)上的同步带(8)相连，水平导轨(34)安装在导轨架(26)上，连接架(9)滑动设置在水平导轨(34)上，同步带连接夹具(38)固定在连接架(9)上，该设置使得同步带(8)正反转动，带动连接架(9)作往复平动，喷枪俯仰关节配置在连接架(9)的末端。
4.根据权利要求3所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述喷枪俯仰关节(104)包含俯仰驱动电机(40)、锥齿轮幅(28)和运动连杆(10)；
俯仰驱动电机(40)安装在连接架(9)的末端，俯仰驱动电机(40)的输出轴与锥齿轮副(28)的一个锥齿轮相连，锥齿轮副(28)的另一个锥齿轮可转动地设置在连接架(9)上，所述另一个锥齿轮与运动连杆(10)固接，喷枪翻转关节(105)布置在运动连杆(10)上。
5.根据权利要求1、2或3所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述竖直升降关节(102)包含升降关节电机(16)、固定导向架(A)、升降架(B)和滚珠丝杠副(20)；
自旋转关节(101)的输出端上配置有固定导向架(A)，该设置使得固定导向架(A)能回转，升降关节电机(16)轴向竖向布置，升降关节电机(16)安装在固定导向架(A)的底部，滚珠丝杠副(20)的丝杠一端与升降关节电机(16)的输出端相连，且滚珠丝杠副(20)可转动地支撑在固定导向架(A)上，升降架(B)竖向滑动设置在固定导向架(A)上，并与滚珠丝杠副(20)的丝母相连，水平伸缩关节(103)布置在升降架(B)上。
6.根据权利要求5所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述自旋转关节(101)包含自旋关节电机(14)、小齿轮(15)和大齿轮(17)；
自旋关节电机(14)安装在座壳(1)内，小齿轮(15)安装在自旋关节电机(14)的输出端，大齿轮(17)安装在固定导向架(A)上，固定导向架(A)可转动地设置在座壳(1)上，小齿轮(15)与大齿轮(17)啮合。
7.根据权利要求5所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述导向固定架(A)包含外壳(A3)、上端盖(A4)、下端盖(A19)和导向杆(A21)；
上端盖(A4)和下端盖(A19)分别安装于外壳(A3)的上下端面，上端盖(A4)和下端盖(A19)之间布置有与二者固接的导向柱(A21)，升降架(B)可滑动地设置在导向柱(A21)上。
8.根据权利要求7所述基于双喷头电动喷雾枪的五自由度消毒机械臂，其特征在于：所述升降架(B)包含上端板(B6)、下端板(B22)和连接柱(B5)；
下端板(B22)滑动设置在导向柱(A21)上，且下端板(B22)安装在滚珠丝杠副(20)的丝母上，上端板(B6)位于上端盖(A4)的上方，上端板(B6)和下端板(B22)通过连接柱(B5)相连，连接柱(B5)滑动设置在上端盖(A4)上。
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