CN114442676A - 机器人云台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人云台，包括：水平旋转系统，其包括水平旋转编码器，水平旋转系统的输出端连接云台旋转底板；垂直旋转系统，其包括垂直旋转编码器，垂直旋转系统的输出端连接俯仰轴，垂直旋转系统设于云台旋转底板上；云台主控装置，水平旋转系统、垂直旋转系统分别通讯连接于云台主控装置，云台主控装置用于根据水平旋转编码器的检测结果确定水平旋转系统带动云台旋转底板的旋转角度，以及用于根据垂直旋转编码器的检测结果确定垂直旋转系统带动俯仰轴的旋转角度。该云台可利用垂直和水平旋转编码器的检测结果实现对俯仰轴和云台旋转底板的转角监测，可为俯仰轴和云台旋转底板的自动化驱动提供基础，其角度控制的自动化程度较高。

Description

机器人云台

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人云台。

背景技术

在特种机器人领域，机器人需要云台来搭载一定的负载来执行任务，譬如网枪，喷雾，灯光等，以对负载进行方向控制。但是，传统的云台在角度控制上，对人工依赖程度大，导致云台运行效率较低。

因此，如何提高云台角度控制的自动化程度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种机器人云台，其角度控制的自动化程度较高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机器人云台，包括：

水平旋转系统，其包括水平旋转编码器，所述水平旋转系统的输出端连接有云台旋转底板；

垂直旋转系统，其包括垂直旋转编码器，所述垂直旋转系统的输出端连接有俯仰轴，所述垂直旋转系统设于所述云台旋转底板上；

云台主控装置，所述水平旋转系统、所述垂直旋转系统分别通讯连接于所述云台主控装置，所述云台主控装置用于根据所述水平旋转编码器的检测结果确定所述水平旋转系统带动所述云台旋转底板的旋转角度，以及用于根据所述垂直旋转编码器的检测结果确定所述垂直旋转系统带动所述俯仰轴的旋转角度。

优选地，所述水平旋转系统还包括水平旋转驱动电机和连接于所述水平旋转驱动电机与所述云台旋转底板之间的所述水平齿轮传动组件。

优选地，还包括云台总成底板，所述云台总成底板固定连接转轴，所述云台旋转底板转动连接于所述转轴的顶部；所述水平齿轮传动组件传动连接于所述转轴和所述水平旋转驱动电机之间。

优选地，所述水平旋转驱动电机、所述水平旋转编码器、所述俯仰轴、所述垂直旋转系统与所述云台主控装置围绕所述转轴依次连接于所述云台旋转底板。

优选地，所述水平齿轮传动组件包括固定套设于所述转轴上的回转支撑齿盘、与所述回转支撑齿盘啮合配合的水平编码器驱动齿轮和与所述回转支撑齿盘啮合配合的水平驱动齿轮；所述水平旋转驱动电机的壳体固定于所述云台旋转底板且输出轴连接于所述水平驱动齿轮；所述水平旋转编码器连接于所述水平编码器驱动齿轮。

优选地，所述水平旋转驱动电机的壳体固定于所述云台旋转底板的上方。

优选地，所述水平齿轮传动组件设于所述云台总成底板和所述云台旋转底板之间。

优选地，所述垂直旋转系统还包括垂直旋转驱动电机和连接于垂直旋转驱动电机与所述俯仰轴之间的垂直同步带传动组件。

优选地，所述云台旋转底板的上方固定有第一支撑板和第二支撑板，所述俯仰轴的两端分别转动连接于所述第一支撑板和所述第二支撑板；所述俯仰轴的一端连接所述垂直旋转编码器，另一端通过所述垂直同步带传动组件连接所述垂直旋转驱动电机。

优选地，所述垂直同步带传动组件连接于所述俯仰轴上伸出于所述第一支撑板的端部，所述垂直旋转驱动电机的壳体固定于所述第一支撑板且输出轴贯穿所述第一支撑板并连接于所述垂直同步带传动组件。

本发明提供的机器人云台，包括：水平旋转系统，其包括水平旋转编码器，水平旋转系统的输出端连接有云台旋转底板；垂直旋转系统，其包括垂直旋转编码器，垂直旋转系统的输出端连接有俯仰轴，垂直旋转系统设于云台旋转底板上；云台主控装置，水平旋转系统、垂直旋转系统分别通讯连接于云台主控装置，云台主控装置用于根据水平旋转编码器的检测结果确定水平旋转系统带动云台旋转底板的旋转角度，以及用于根据垂直旋转编码器的检测结果确定水平旋转系统带动俯仰轴的旋转角度。

该云台采用数字化、模块化设计，完成一个标准的模组，可以利用垂直旋转编码器和水平旋转编码器的检测结果实现对俯仰轴和云台旋转底板的转角监测，可以为俯仰轴和云台旋转底板的自动化驱动提供基础，能够进一步实现云台转速可调、位置预置与快速调用、轨迹巡航等功能，安装维护简单，控制精准，能更好的为特种机器人服务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供机器人云台的第一方向结构图；

图2为本发明所提供机器人云台的第二方向结构图；

图3为本发明所提供机器人云台的第三方向结构图。

附图标记：

水平驱动齿轮1，云台主控装置2，水平旋转驱动电机3，水平旋转编码器4，水平编码器驱动齿轮5，回转支撑齿盘6，垂直旋转编码器7，垂直旋转主动轮8，同步带涨紧轮9，垂直旋转从动轮10，俯仰轴11，云台旋转底板12，云台总成底板13，垂直旋转驱动电机14，垂直旋转同步带15，第一支撑板16，第二支撑板17。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的核心是提供一种机器人云台，其角度控制的自动化程度较高。

本发明所提供机器人云台的一种具体实施例中，请参考图1至图3，包括水平旋转系统、垂直旋转系统、云台旋转底板12、俯仰轴11以及云台主控装置2。

水平旋转系统包括水平旋转编码器4，水平旋转系统的输出端连接云台旋转底板12，以控制云台旋转底板12水平旋转。云台旋转底板12为云台上附属物的安装本体。

垂直旋转系统包括垂直旋转编码器7，垂直旋转系统的输出端连接俯仰轴11，俯仰轴11用于连接网枪，喷雾，灯光等负载。垂直旋转系统设置在云台旋转底板12上。具体地，水平旋转编码器4、垂直旋转编码器7为绝对值编码器。

水平旋转系统、垂直旋转系统分别通讯连接于云台主控装置2，云台主控装置2用于根据水平旋转编码器4的检测结果确定云台旋转底板12的旋转角度，以及用于根据垂直旋转编码器7的检测结果确定俯仰轴11的旋转角度。另外，云台主控装置2用于控制水平旋转系统带动云台旋转底板12水平旋转以及用于控制垂直旋转系统带动俯仰轴11俯仰转动。

其中，基于安装位置的不同，水平旋转编码器4检测的转角与云台旋转底板12可能是相同的或者呈预设比例关系的，垂直旋转编码器7检测的转角与云台旋转底板12可能是相同的或者呈预设比例关系的，从而使得云台主控装置2能够根据编码器的检测结果即对应确定云台旋转底板12以及俯仰轴11的实际转角。

本实施例中的云台采用数字化、模块化设计，完成一个标准的模组，可以利用垂直旋转编码器7和水平旋转编码器4的检测结果实现对俯仰轴11和云台旋转底板12的转角监测，可以为俯仰轴11和云台旋转底板12的自动化驱动提供基础，能够进一步实现云台转速可调、位置预置与快速调用、轨迹巡航等功能，安装维护简单，控制精准，能更好的为特种机器人服务。

进一步地，如图1和图2所示，水平旋转系统还包括水平旋转驱动电机3和连接于水平旋转驱动电机3与云台旋转底板12之间的水平齿轮传动组件。水平旋转驱动电机3为水平旋转驱动伺服电机。采用齿轮传动组件进行传动，传动精度较高。当然，在其他实施例中，水平齿轮传动组件也可以替换为带传动组件。

进一步地，如图2所示，机器人云台还包括云台总成底板13，该云台总成底板13固定连接于转轴。云台旋转底板12转动连接于转轴的顶部，具体通过轴承转动连接于转轴。水平齿轮传动组件传动连接于转轴和水平旋转驱动电机3之间。云台总成底板13为云台的结构对外支撑机构，位于机器人云台的最底端。

进一步地，水平旋转驱动电机3、水平旋转编码器4、俯仰轴11、垂直旋转系统与云台主控装置2围绕转轴依次连接于云台旋转底板12。如图1所示，由于各部件在转轴周围较均匀地分布，可以提高云台旋转底板12承载的均匀性。

进一步地，水平齿轮传动组件包括固定套设在转轴上的回转支撑齿盘6、与回转支撑齿盘6啮合配合的水平编码器驱动齿轮5和与回转支撑齿盘6啮合配合的水平驱动齿轮1。水平旋转驱动电机3的壳体固定在云台旋转底板12上且输出轴连接于水平驱动齿轮1。水平旋转编码器4连接于水平编码器驱动齿轮5。回转支撑齿盘6固定不动，水平旋转驱动电机3运行，通过水平驱动齿轮1与回转支撑齿盘6的啮合配合，云台旋转底板12转动，同时通过水平编码器驱动齿轮5与回转支撑齿盘6的啮合配合带动水平编码器驱动齿轮5转动，以通过水平旋转编码器4检测云台旋转底板12的水平转动情况。水平旋转编码器4和水平驱动齿轮1分别通过不同的齿轮连接回转支撑齿盘6，能够方便装配。

进一步地，水平旋转驱动电机3的壳体固定于云台旋转底板12的上方，水平齿轮传动组件设置在云台总成底板13和云台旋转底板12之间，能够实现对空间的合理利用。

进一步地，垂直旋转系统还包括垂直旋转驱动电机14和连接在垂直旋转驱动电机14与俯仰轴11之间的垂直同步带传动组件，采用带传动，传动的平稳性较高。垂直旋转驱动电机14具体为垂直旋转伺服驱动电机。

其中，具体地，云台主控装置2负责整个云台的控制与状态采集，其通过总线(can，modbus等)与机器人主体通讯，接受机器人主体发过来的控制指令，并将指令分解为控制信号，控制电机(垂直旋转驱动电机14或水平旋转驱动电机3)旋转、外设(网枪，催泪瓦斯，照明灯等)的工作，电机的控制信号包括旋转方向，速度，加速度，角度，或者位置等，并将当前云台的状态信息反馈给机器人主体，主要为位置信息，各外设的状态等。另外，云台主控装置2的对外连接线只有电源线及通讯线(can，modbus等)。

具体地，云台主控装置2对电机的速度或时间的控制方法包括：

电机输出轴的起始位置为p0，终止位置为p1，位置变化量为：

Δp＝p1-p0；

电机最大加速度为a，最大速度为v，最大刹车加速度为b，则最短加速时间应满足满足以下条件：

当Δp小于等于(v/a+v/b)×v/2，t为加速时间：

由此得出，当以最大加速度加速t＝[2bΔp/(a2+ab)]1/2后再以最大刹车速度停止，即可以最短时间抵达预置位。

当Δp大于等于(v/a+v/b)×v/2，t为高速转动时间：

Δp＝v2/2a+v2/2b+vt

由此得出，当以最大加速度a加速到v后，保持转动时间t后，再以最大刹车速度b运行到停止即可以最短时间抵达预置位。

当然，在其他实施例中，垂直同步带传动组件也可以替换为齿轮传动装置。

进一步地，云台旋转底板12的上方固定有第一支撑板16和第二支撑板17，俯仰轴11的两端分别转动连接于第一支撑板16和第二支撑板17。俯仰轴11的一端连接垂直旋转编码器7，另一端通过垂直同步带传动组件连接垂直旋转驱动电机14，可以实现对空间的合理利用。

进一步地，垂直同步带传动组件连接于俯仰轴11上伸出于第一支撑板16的端部，垂直旋转驱动电机14的壳体固定于第一支撑板16且输出轴贯穿第一支撑板16并连接于垂直同步带传动组件。由于同步带传动组件与俯仰轴11的主体分别设置在第一支撑板16的两侧，可以避免同步带传动组件干涉俯仰轴11的运动。

进一步地，如图2所示，垂直同步带传动组件包括固定于俯仰轴11的垂直旋转从动轮10、固定于垂直旋转驱动电机14的输出轴的垂直旋转主动轮8和传动连接在垂直旋转主动轮8与垂直旋转从动轮10之间的垂直旋转同步带15。另外，垂直同步带传动组件还包括同步带涨紧轮9以张紧垂直旋转同步带15。

本发明所提供机器人数字云台的工作原理如下：

水平运动：云台主控装置2发过来的控制信号给到水平旋转驱动电机3，驱动回转支撑齿盘6转动，同时，其位置信息通过水平编码器驱动齿轮5传到水平旋转编码器4，由其记录云台的水平位置并由云台主控装置2采集，做出下一步的控制命令；

俯仰运动：云台主控装置2发过来的控制信号给到垂直旋转驱动电机14并带动垂直旋转主动轮8一并旋转，通过垂直旋转同步带15带动垂直旋转从动轮10同方向旋转，带动俯仰轴11旋转，最终带动负载一起旋转(图示为辣椒水喷管)。俯仰轴11与垂直旋转编码器7连接，可以记录俯仰轴11的旋转角度，并传送给云台主控装置2，并由其做出下一步的控制指令。

需要说明的是，当元件被称为“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的机器人云台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人云台，其特征在于，包括：

水平旋转系统，其包括水平旋转编码器(4)，所述水平旋转系统的输出端连接有云台旋转底板(12)；

垂直旋转系统，其包括垂直旋转编码器(7)，所述垂直旋转系统的输出端连接有俯仰轴(11)，所述垂直旋转系统设于所述云台旋转底板(12)上；

云台主控装置(2)，所述水平旋转系统、所述垂直旋转系统分别通讯连接于所述云台主控装置(2)，所述云台主控装置(2)用于根据所述水平旋转编码器(4)的检测结果确定所述水平旋转系统带动所述云台旋转底板(12)的旋转角度，以及用于根据所述垂直旋转编码器(7)的检测结果确定所述垂直旋转系统带动所述俯仰轴(11)的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的机器人云台，其特征在于，所述水平旋转系统还包括水平旋转驱动电机(3)和连接于所述水平旋转驱动电机(3)与所述云台旋转底板(12)之间的所述水平齿轮传动组件。

3.根据权利要求2所述的机器人云台，其特征在于，还包括云台总成底板(13)，所述云台总成底板(13)固定连接转轴，所述云台旋转底板(12)转动连接于所述转轴的顶部；所述水平齿轮传动组件传动连接于所述转轴和所述水平旋转驱动电机(3)之间。

4.根据权利要求3所述的机器人云台，其特征在于，所述水平旋转驱动电机(3)、所述水平旋转编码器(4)、所述俯仰轴(11)、所述垂直旋转系统与所述云台主控装置(2)围绕所述转轴依次连接于所述云台旋转底板(12)。

5.根据权利要求3所述的机器人云台，其特征在于，所述水平齿轮传动组件包括固定套设于所述转轴上的回转支撑齿盘(6)、与所述回转支撑齿盘(6)啮合配合的水平编码器驱动齿轮(5)和与所述回转支撑齿盘(6)啮合配合的水平驱动齿轮(1)；所述水平旋转驱动电机(3)的壳体固定于所述云台旋转底板(12)且输出轴连接于所述水平驱动齿轮(1)；所述水平旋转编码器(4)连接于所述水平编码器驱动齿轮(5)。

6.根据权利要求5所述的机器人云台，其特征在于，所述水平旋转驱动电机(3)的壳体固定于所述云台旋转底板(12)的上方。

7.根据权利要求5所述的机器人云台，其特征在于，所述水平齿轮传动组件设于所述云台总成底板(13)和所述云台旋转底板(12)之间。

8.根据权利要求1至7任一项所述的机器人云台，其特征在于，所述垂直旋转系统还包括垂直旋转驱动电机(14)和连接于垂直旋转驱动电机(14)与所述俯仰轴(11)之间的垂直同步带传动组件。

9.根据权利要求8所述的机器人云台，其特征在于，所述云台旋转底板(12)的上方固定有第一支撑板(16)和第二支撑板(17)，所述俯仰轴(11)的两端分别转动连接于所述第一支撑板(16)和所述第二支撑板(17)；所述俯仰轴(11)的一端连接所述垂直旋转编码器(7)，另一端通过所述垂直同步带传动组件连接所述垂直旋转驱动电机(14)。

10.根据权利要求9所述的机器人云台，其特征在于，所述垂直同步带传动组件连接于所述俯仰轴(11)上伸出于所述第一支撑板(16)的端部，所述垂直旋转驱动电机(14)的壳体固定于所述第一支撑板(16)且输出轴贯穿所述第一支撑板(16)并连接于所述垂直同步带传动组件。

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