CN113577343A - 一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，包括车体和欠驱动臂组成；车体作为机器人载体具有运输物资，存放消毒液等功能，欠驱动机械臂用于实现地面喷洒消毒和车体表面消毒功能。本发明可以完成为隔离区运送物资、对地面喷洒消毒和出入隔离区时自身表面的消毒等任务，进而实现减少隔离区内高风险接触，节约人力物力成本；并且创新地采用了欠驱动原理设计的机械臂也大幅降低机器人的生产成本，利于市场化生产和大范围使用。

Description

一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人

技术领域

本发明涉及一种医用智能消毒机器人，尤其涉及一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

在医院隔离区，进出隔离区须经过多道消毒程序，医护人员需要更换全套的一次性防护用品，传递物资、医疗设备和在隔离区消毒等任务受到冗杂的防护程序约束，耗费人员体力，消耗医疗物资。所以产生了依靠导航定位技术的服务型机器人以解决以上问题，例如[1]成冬平,韩笑,吴振志,王金鹏,张元.一种全自动消毒机器人[P].广东省：CN112604012A,2021-04-06.提出的一种自主导航和自主移动消毒功能的服务机器人，可以用于医院等高污染区域的消毒工作。

但是服务机器人在清洁区和污染区之间往来移动，存在病毒附着在其表面扩散至清洁区与外部人员间接接触的可能，甚至会成为污染源以至于扩大污染，所以机器人表面自身消毒问题成为限制医院内防护机器人工作的限制性条件。因此机器人在完成运送物资和场所喷洒消毒任务的基础上如何能自主地完成自身表面消毒工作，消除隔离区内外移动的障碍并扩大服务范围是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了实现服务机器人在隔离区执行运输消毒等任务基础上又可出入隔离区时对自身表面消毒而提供一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人。本发明为了解决服务类机器人进入隔离区进行物资运输、消毒喷洒工作和出入隔离区时病毒扩散等问题。为此提供一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，可以完成为隔离区运送物资、对地面喷洒消毒和出入隔离区时自身表面的消毒等任务，进而实现减少隔离区内高风险接触，节约人力物力成本；并且创新地采用了欠驱动原理设计的机械臂也大幅降低机器人的生产成本，利于市场化生产和大范围使用。

本发明的目的是这样实现的：包括车体和设置在在车体上的欠驱动机械臂，所述欠驱动机械臂包括机械臂和设置在机械臂内的驱动部分，机械臂包括肘关节机械臂、腕关节机械臂和手关节机械臂，肘关节机械臂包括轴端挡圈一、轴承、凸轮、轴端挡圈二、第一壳体、第一壳体端盖、第一支撑柱、第二壳体、第二壳体端盖、第二支撑柱、第三壳体端盖和第三壳体；第一壳体底端设有345°限位槽，其与车体上设置的限位柱间隙配合；腕关节机械臂包括第四壳体和第四壳体端盖，第四壳体留有90°限位槽，第四壳体端盖上设有突出的限位柱；手关节机械臂包括第五壳体和第五壳体端盖，第五壳体留有90°限位槽；第四壳体和第五壳体通过轴四连接，第四壳体设有限位柱与第五壳体上的限位槽间隙配合；第四壳体端盖上的限位柱与第五壳体上的限位槽间隙配合；在第五壳体上留有安装消毒液喷洒头的螺纹孔，每一侧安装至少四个喷洒头；驱动机构的伺服电机固定在车顶预留好的机架上，动力通过传动轴经轴承转递到锥齿轮；之后动力再经锥齿轮传递到轴一上，轴端挡圈一和轴端挡圈二提供轴向固定，离合器可通过成型连接在轴向上滑动并传递轴的转矩；圆柱凸轮使用螺纹连接与第一壳体和车体的顶盖固定，在机械臂运动时和机架保持相对静止，圆柱凸轮与轴一同轴转动；轴承挡圈与第一壳体采用螺纹连接固定，离合器与轴一成型连接，可沿轴向滑动，离合器处于下端位置时与轴承挡圈啮合，离合器处于上端位置时与锥齿轮啮合；依靠夹在离合器和锥齿轮之间的弹簧弹力使离合器处于下限位并与轴承挡圈啮合，轴一转矩驱动第一壳体转动到适当位置；此时圆柱凸轮顶起离合器，离合器与锥齿轮啮合，第一壳体停止运动，而轴一转矩传递给轴二驱动腕关节机械臂和手关节机械臂运动；轴二和轴三通过锥齿轮机构的啮合，将电机转矩传递给轴四，轴四带动齿轮机构运动，当手关节机械臂达到限位后，依靠轴四转矩，腕关节机械臂实现转动。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.车体包括底盘、车轮、万向轮、厢门、车厢支架、车厢顶盖和内部的电机控制箱，车厢支架分别与底盘和车厢顶盖使用螺纹连接固定，形成整体车厢结构；电机使用螺纹连接与预留在底盘上的基座固定，并通过驱动轴直接驱动车轮，车轮有两个且与万向轮呈三角布置，车厢顶盖预留有机械臂驱动电机的安装位置，并用电机控制箱体与车厢内部分割开；车厢顶盖正中心设置有传动轴过孔和机械臂基座法兰，实现机械臂的运动和传动，并设有控制机械臂的旋转角度的限位柱。

2.在隔离区内执行消毒任务时，消毒液向地面喷洒，通过车辆底盘移动使喷洒的消毒液覆盖所需区域；当需要离开隔离区时，需要对车体表面进行消毒，机械臂驱动电机进行工作，首先由于凸轮从动件位于最远端，弹簧处于压缩状态，电机转矩由传动轴输出到手关节机械臂，手关节机械臂旋转90°达到限位位置，手关节机械臂停止运动，腕关节机械臂旋转90°，并在达到限位位置后停止运动，此时手关节机械臂处于竖直状态，消毒喷头朝向车厢表面，消毒液喷洒机构开始工作；传动轴的转矩驱动肘关节机械臂旋转，随着机械臂和车厢顶盖的角度变化，当离合器转出凸轮行程最远处时，离合器在弹簧弹力作用下与锥齿轮分离并与端盖啮合，使肘关节机械臂依靠电机转矩而转动345°度，消毒喷头随之绕车体消毒一周，覆盖车厢表面；之后肘关节机械臂在限位结构的作用下停止运动，完成自消毒工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种结构紧凑、外观新颖的自清洗消毒机器人。该机器人可以在隔离区内执行地面消毒喷洒和运送物资任务；并且采用欠驱动原理设计消毒机械臂，依靠单个电机驱动即可完成多自由度复杂运动，实现消毒喷头对地面和车身表面的消毒功能，避免移动机器人出入隔离区造成的污染源扩散。

附图说明

图1a-b为本发明的机器人整体组成结构图；

图2为本发明的欠驱动机械臂模块的组成结构图；

图3为本发明的传动模块的组成结构图；

图4为本发明的传动部分结构图；

图5为本发明的机械臂运动状态结构图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1a-图5，本发明提供了一种具有欠驱动自清洗功能的机器人，其特点是车体上安装有欠驱动机械臂，不仅可以实现地面喷洒消毒，还可以对车身表面进行喷洒消毒，使机器人出入隔离区作业时可以避免病毒污染和扩散；并且应用欠驱动机械臂可以减少电机使用，降低产品成本易于大规模生产。所述具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人包括车体和欠驱动臂组成；车体作为机器人载体具有运输物资，存放消毒液等功能，欠驱动机械臂用于实现地面喷洒消毒和车体表面消毒功能。所述欠驱动机械结构安装在车厢顶盖正中间，用于实现对地面喷洒消毒和对车体表面自身消毒。

所述车体1部分包括底盘101、驱动电机(未在图片中显示)、车轮103、万向轮104、厢门105、车厢支架106、车厢顶盖107和电机控制箱(未在图片中显示)组成。其中电机102使用螺纹连接与预留在底盘上的基座固定，并通过驱动轴直接驱动车轮103，两驱动车轮103与万向轮104呈三角布置，万向轮104使用螺钉固定在底盘101上。车厢支架106分别与底盘101和车厢顶盖107使用螺纹连接固定，形成整体车厢结构。车厢顶盖107部分预留有机械臂驱动电机的安装位置，并用电机控制箱体与车厢内部分割开，电机控制箱使用螺钉固定在车厢顶盖107上；车厢顶盖107正中心留有传动轴过孔和机械臂基座法兰，实现机械臂的运动和传动，车厢顶盖107中心轴周围设有限位柱从而控制机械臂的旋转角度。

所述机械臂以车厢顶盖107作为机架，包括机械臂和传动机构两部分构成。

机械臂由肘关节机械臂2、腕关节机械臂3和手关节机械臂4组成。

其中肘关节机械臂2由轴端挡圈一201、轴承202、凸轮203、轴端挡圈二204、第一壳体205、第一壳体端盖206、第一支撑柱207、第二壳体208、第二壳体端盖209、第二支撑柱210、第三壳体端盖211和第三壳体212组成；第一壳体205底端设有345°限位槽，其与车厢顶盖107上的限位柱间隙配合，轴端挡圈一201和轴端挡圈二204通过螺纹连接固定在第二壳体208上，第二壳体端盖209通过螺纹连接固定在第二壳体208上；肘关节机械臂与车厢顶盖107由轴承202连接，并由轴端挡圈一201和轴端挡圈二204提供轴向固定，实现肘关节机械臂2绕车厢顶盖107转动；第一支撑柱207两端采用螺钉连接分别与第一壳体205和第二壳体208连接固定，第二支撑柱210两端采用螺钉连接分别与第二壳体208和第三壳体212连接固定；第一壳体205和第一壳体端盖206之间采用螺钉连接，并为轴一509提供轴向固定；第二壳体208和第二壳体端盖209、第三壳体端盖211和第三壳体212分别由螺钉连接固定。

腕关节机械臂3由第四壳体301和第四壳体端盖302组成；其中第四壳体301留有90°限位槽，第四壳体端盖302上设有突出的限位柱，限位槽和限位柱之间由间隙配合；第四壳体301和第四壳体端盖302之间由螺钉连接固定。

手关节机械臂4由第五壳体401和第五壳体端盖402组成；其中第五壳体401留有90°限位槽与第四壳体端盖302上突出的限位柱间隙配合，第五壳体401和第五壳体端盖402由螺钉连接固定。第四壳体301和第五壳体401通过轴四523连接，第四壳体301设有限位柱与第五壳体402上的限位槽间隙配合；第四壳体端盖302上的限位柱与第五壳体402上的限位槽间隙配合；在第五壳体412上留有安装消毒液喷洒头6的螺纹孔，一侧可安装七个喷洒头；机械臂内部安装有传动机构5。

传动机构5由电机、锥齿轮组、离合机构和传动轴等零件组成。

伺服电机501通过螺纹连接的方式固定在车顶预留好的机架上，动力通过传动轴503经轴承502、504转递到锥齿轮506；之后动力再经锥齿轮507传递到轴一509上，轴端挡圈一505和轴端挡圈二508提供轴向固定，轴承510上设有不同直径轴段，离合器513可通过成型连接在轴向上滑动并传递轴的转矩；锥齿轮507与轴一509之间采用成型连接实现径向固定，锥齿轮515与轴一509之间间隙配合可以相对转动，锥齿轮515下端具有与离合器513相配合的棘轮，当离合器啮合时将动力传递给锥齿轮515；第一壳体端盖206提供轴向固定。

圆柱凸轮203使用螺纹连接与第一壳体205和车厢顶盖107固定，在机械臂运动时和机架保持相对静止，与轴一509同轴转动。

轴承挡圈512与第一壳体205采用螺纹连接固定。离合器513与轴一509成型连接，可沿轴向滑动，处于下端位置时与轴承挡圈204啮合，处于上端位置时与锥齿轮515啮合；依靠夹在离合器513和锥齿轮515之间的弹簧514弹力使离合器513处于下限位并与轴承挡圈512啮合，轴一509转矩驱动第一壳体405转动到适当位置；此时圆柱凸轮203顶起离合器513，离合器513与锥齿轮514啮合，第一壳体205停止运动，而轴一509转矩传递给轴二517驱动腕关节机械臂3和手关节机械臂4运动。

轴二517和轴三520通过锥齿轮518、519、521、522的啮合，将电机转矩传递给轴四523，轴四523带动齿轮524、525运动，当手关节机械臂4达到限位后，依靠轴四523转矩，腕关节机械臂3实现转动。

本发明的欠驱动自清洗功能的消毒机器人的工作过程如下：

机器人在隔离区内执行消毒任务时，消毒液向地面喷洒，如图1a-b，通过车辆底盘移动使喷洒的消毒液覆盖所需区域；当需要离开隔离区时，需要对车体表面进行消毒，机械臂驱动电机501进行工作，首先由于凸轮203从动件位于最远端，弹簧514处于压缩状态，如图4，电机501转矩由传动轴输出到手关节机械臂4，如图4，手关节机械臂4旋转90°达到限位位置，手关节机械臂4停止运动，如图5；轴的转矩驱动腕关节机械臂3旋转90°，并在达到限位位置后停止运动，此时手关节机械臂4处于竖直状态，消毒喷头6朝向车厢表面，消毒液喷洒机构开始工作；传动轴的转矩驱动肘关节机械臂1旋转，随着机械臂和车厢顶盖的角度变化，当离合器513转出凸轮203行程最远处时，离合器513在弹簧514弹力作用下与锥齿轮515分离并与端盖204啮合，从而使肘关节机械臂2依靠电机501转矩而转动345°度，消毒喷头6随之绕车体消毒一周，覆盖车厢表面；之后肘关节机械臂2在限位结构的作用下停止运动，完成自消毒工作。

综上所述，所述自清洗消毒机器人，具有的欠驱动机械臂机构可以在隔离区内全自动完成车体自身表面消毒，同时通过控制电机正反转运动可以切换自身消毒和对地面消毒两种模式下切换；可以使用车厢为隔离区内运送物资同时避免病毒和消毒液污染，减少人员出入隔离区，降低暴露风险。

Claims (3)

1.一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，其特征在于：包括车体和设置在在车体上的欠驱动机械臂，所述欠驱动机械臂包括机械臂和设置在机械臂内的驱动部分，机械臂包括肘关节机械臂、腕关节机械臂和手关节机械臂，肘关节机械臂包括轴端挡圈一、轴承、凸轮、轴端挡圈二、第一壳体、第一壳体端盖、第一支撑柱、第二壳体、第二壳体端盖、第二支撑柱、第三壳体端盖和第三壳体；第一壳体底端设有345°限位槽，其与车体上设置的限位柱间隙配合；腕关节机械臂包括第四壳体和第四壳体端盖，第四壳体留有90°限位槽，第四壳体端盖上设有突出的限位柱；手关节机械臂包括第五壳体和第五壳体端盖，第五壳体留有90°限位槽；第四壳体和第五壳体通过轴四连接，第四壳体设有限位柱与第五壳体上的限位槽间隙配合；第四壳体端盖上的限位柱与第五壳体上的限位槽间隙配合；在第五壳体上留有安装消毒液喷洒头的螺纹孔，每一侧安装至少四个喷洒头；驱动机构的伺服电机固定在车顶预留好的机架上，动力通过传动轴经轴承转递到锥齿轮；之后动力再经锥齿轮传递到轴一上，轴端挡圈一和轴端挡圈二提供轴向固定，离合器可通过成型连接在轴向上滑动并传递轴的转矩；圆柱凸轮使用螺纹连接与第一壳体和车体的顶盖固定，在机械臂运动时和机架保持相对静止，圆柱凸轮与轴一同轴转动；轴承挡圈与第一壳体采用螺纹连接固定，离合器与轴一成型连接，可沿轴向滑动，离合器处于下端位置时与轴承挡圈啮合，离合器处于上端位置时与锥齿轮啮合；依靠夹在离合器和锥齿轮之间的弹簧弹力使离合器处于下限位并与轴承挡圈啮合，轴一转矩驱动第一壳体转动到适当位置；此时圆柱凸轮顶起离合器，离合器与锥齿轮啮合，第一壳体停止运动，而轴一转矩传递给轴二驱动腕关节机械臂和手关节机械臂运动；轴二和轴三通过锥齿轮机构的啮合，将电机转矩传递给轴四，轴四带动齿轮机构运动，当手关节机械臂达到限位后，依靠轴四转矩，腕关节机械臂实现转动。

2.根据权利要求1所述的一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，其特征在于：车体包括底盘、车轮、万向轮、厢门、车厢支架、车厢顶盖和内部的电机控制箱，车厢支架分别与底盘和车厢顶盖使用螺纹连接固定，形成整体车厢结构；电机使用螺纹连接与预留在底盘上的基座固定，并通过驱动轴直接驱动车轮，车轮有两个且与万向轮呈三角布置，车厢顶盖预留有机械臂驱动电机的安装位置，并用电机控制箱体与车厢内部分割开；车厢顶盖正中心设置有传动轴过孔和机械臂基座法兰，实现机械臂的运动和传动，并设有控制机械臂的旋转角度的限位柱。

3.根据权利要求2所述的一种具有欠驱动自清洗功能的消毒机器人，其特征在于：在隔离区内执行消毒任务时，消毒液向地面喷洒，通过车辆底盘移动使喷洒的消毒液覆盖所需区域；当需要离开隔离区时，需要对车体表面进行消毒，机械臂驱动电机进行工作，首先由于凸轮从动件位于最远端，弹簧处于压缩状态，电机转矩由传动轴输出到手关节机械臂，手关节机械臂旋转90°达到限位位置，手关节机械臂停止运动，腕关节机械臂旋转90°，并在达到限位位置后停止运动，此时手关节机械臂处于竖直状态，消毒喷头朝向车厢表面，消毒液喷洒机构开始工作；传动轴的转矩驱动肘关节机械臂旋转，随着机械臂和车厢顶盖的角度变化，当离合器转出凸轮行程最远处时，离合器在弹簧弹力作用下与锥齿轮分离并与端盖啮合，使肘关节机械臂依靠电机转矩而转动345°度，消毒喷头随之绕车体消毒一周，覆盖车厢表面；之后肘关节机械臂在限位结构的作用下停止运动，完成自消毒工作。

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