CN117260798A - 一种用于机器人自动作业的对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人自动作业的对接装置，属于机器人技术领域，包括工具箱小车、作业工具、磁吸对接装置和六自由度串联机械臂，磁吸对接装置包括上端磁吸公头和下端对接母座，六自由度串联机械臂的一端与上端磁吸公头相连接，六自由度串联机械臂的另一端与工具箱小车相连接，下端对接母座设置在作业工具的顶部，下端对接母座与作业工具通过旋拧快插接口连接，旋拧快插接口包括上旋拧快插接口和设置在上旋拧快插接口上方的下旋拧快插接口，作业工具设置在工具箱小车的上方。本发明提供的一种用于机器人自动作业的对接装置，机器人小车搭载不同种类的工具且通过更换末端的作业机构，从而满足不同场景下的多样化作业需求。

Description

一种用于机器人自动作业的对接装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种用于机器人自动作业的对接装置。

背景技术

在自动作业中，通常需要多种不同的工具来完成不同的任务。然而，当前机器人往往只能携带单一类型的工具，导致在复杂作业场景中无法适应多样化的需求。现有的解决方法要么是来回更换工具，要么需要人为介入来更换工具，这不仅效率低下，而且可能引发作业中断和资源浪费的问题。

此外，在实际对接过程中，涉及到机械连接、供电连接和通信连接等多个方面的要求。然而，目前的对接技术无法同时满足这些要求，导致对接过程复杂且耗时。自动对接还需要高精度，以确保连接的牢固性和稳定性，但现有技术的对接精度可能无法满足要求，尤其是在需要360度盲对接的情况下。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于机器人自动作业的对接装置，解决上述技术存在的自动作业过程中工具更换频繁、多样化的作业场景难以适应以及对接过程复杂且耗时的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于机器人自动作业的对接装置，包括工具箱小车、作业工具、磁吸对接装置和六自由度串联机械臂，所述磁吸对接装置包括上端磁吸公头和下端对接母座，所述六自由度串联机械臂的一端与所述上端磁吸公头相连接，所述六自由度串联机械臂的另一端与所述工具箱小车相连接，所述下端对接母座设置在所述作业工具的顶部，所述下端对接母座与所述作业工具通过旋拧快插接口连接，所述旋拧快插接口包括上旋拧快插接口和设置在所述上旋拧快插接口上方的下旋拧快插接口，所述作业工具设置在所述工具箱小车的上方。

优选的，所述工具箱小车包括小车底盘、设置在所述小车底盘下方中央的电池、设置在所述电池四角的驱动电机、与所述驱动电机的输出端相连接的车轮、设置在所述小车底盘上方的工具箱、设置在所述工具箱顶部的顶板和设置在所述工具箱两侧的视觉相机；所述小车底盘为铝合金底盘，所述铝合金底盘为长方形，所述铝合金底盘的四个角切割成圆形，所述铝合金底盘的中间通过螺栓安装有控制盒子，所述控制盒子内设置有机载计算机和嵌入式控制板。

优选的，所述工具箱的四个面中间镂空，所述工具箱的上下内侧设置有螺栓孔，所述工具箱的下端通过螺栓固定在所述铝合金底盘上，所述工具箱的上端通过螺栓与所述顶板固定，所述顶板为正方形，所述顶板的四角采用圆角设计，所述顶板上开设有大圆孔，所述大圆孔的外部为一圈7cm宽的圆环，所述圆环的上方设置有环形磁铁，所述圆环的外圈设置有辅助放置导轨，且在所述顶板的空余位置设置有视觉定位标签。

优选的，所述上端磁吸公头采用同心圆环设计，最外面一环为圆锥形的沉头对接锥，中间一层为空心电磁铁，所述空心电磁铁嵌入在所述沉头对接锥里面，最里面一层为上圆形PCB板，所述上圆形PCB板嵌入在所述空心电磁铁里面，所述上圆形PCB板上设置有三圈弹簧顶针，所述弹簧顶针呈环形分布在所述PCB板上，所述弹簧顶针的每一环为同一路电信号，所述空心电磁铁的电源线焊接在所述上圆形PCB板的背面，所述上圆形PCB板与所述嵌入式控制板通过电源线和信号线连接。

优选的，所述下端对接母座采用同心圆环设计，最外层为与所述沉头对接锥对应的圆锥形沉头，所述圆锥形沉头底端中心挖空内嵌一块与所述空心电磁铁尺寸相同的空心环形铁块，所述空心环形铁块中心内嵌一块与所述上圆形PCB板尺径形同的下圆形PCB板，所述下圆形PCB板上设置有三圈与所述弹簧顶针相对应的环形触点。

优选的，所述下端对接母座的下方设置有三角形腔体，所述三角形腔体内设置有作业工具控制板，所述下圆形PCB板与所述作业工具控制板相连，所述作业工具控制板的电源和信号均通过所述下圆形PCB板和所述上圆形PCB板对接相连通，所述三角形腔体的下方设置有所述下旋拧快插接口，所述下旋拧快插接口的外环设置有四个卡扣，所述下旋拧快插接口的中间为一块弹簧垫片。

优选的，所述六自由度串联机械臂包括基座、设置在所述基座上方的第一关节、与所述第一关节远离所述基座一端相连接的第二关节、与所述第二关节远离所述第一关节一端相连接的第三关节、与所述第三关节远离所述第二关节一端相连接的第四关节、与所述第四关节远离所述第三关节一端相连接的第五关节，与所述第五关节远离所述第四关节一端相连接的第六关节和设置在所述第六关节远离所述第五关节一端的连接器。

优选的，所述作业工具为三指软体机械爪、平行夹爪、电动剪刀、电磁吸盘；所述三指软体机械爪、所述平行夹爪、所述电动剪刀均包括所述上旋拧快插接口、设置在所述上旋拧快插接口下方的连接件、设置在所述连接件下方的舵机和传动装置；所述电磁吸盘包括所述上旋拧快插接口、设置在所述上旋拧快插接口下方的所述连接件、设置在所述连接件下方的3D打印支柱、设置在所述3D打印支柱下方的电磁铁安装支座和内嵌在所述电磁铁安装支座中的电磁铁。

优选的，所述上旋拧快插接口的外环设置有与四个所述卡扣相适配的卡齿。

因此，本发明采用上述结构的一种用于机器人自动作业的对接装置，具有以下有益效果：

（1）机器人采用机载工具箱的设计，对接接口设计成通用化，每一款作业工具的对接接口都相同，实现一台机器人适配多种多样的作业机构，解决各种各种的自动作业难题；

（2）末端机械爪的供电电源和控制系统均在机器人上，不需要单独供电和单独设计控制系统；

（3）磁吸对接接口采用多重同心圆环设计，使对接不需要考虑机器人和作业工具的偏航角，可以防止电源接反烧坏机械手；

（4）对接接口采用圆锥形沉头设计提高对接冗余度；

（5）磁吸与弹簧顶针触点的巧妙结合，既完成了机械对接，又实现了机器人与机械爪的电气对接。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种用于机器人自动作业的对接装置的俯视图；

图2为本发明一种用于机器人自动作业的对接装置的整体结构示意图；

图3为本发明一种用于机器人自动作业的对接装置的小车底盘的结构示意图；

图4为本发明三指软体机械爪的结构示意图；

图5为本发明平行夹爪的结构示意图；

图6为本发明电动剪刀的结构示意图；

图7为本发明电磁吸盘的结构示意图；

图8为本发明上端磁吸公头的结构示意图；

图9为本发明下端对接母座的结构示意图；

图10为本发明卡齿的结构示意图；

图11为本发明卡扣的结构示意图；

其中，1、工具箱小车；101、小车底盘；102、驱动电机；103、车轮；104、工具箱；105、机载计算机；106、嵌入式控制板；107、视觉相机；108、电池；109、视觉定位标签；110、顶板；111、环形磁铁；112、辅助放置导轨；2、作业工具；201、三指软体机械爪；202、平行夹爪；203、电动剪刀；204、电磁吸盘；205、旋拧快插接口；206、舵机；207、传动装置；208、连接件；209、3D打印支柱；210、电磁铁安装支座；211、电磁铁；3、磁吸对接装置；31、上端磁吸公头；311、沉头对接锥；312、空心电磁铁；313、上圆形PCB板；314、弹簧顶针；32、下端对接母座；321、圆锥形沉头；322、空心环形铁块；323、下圆形PCB板；324、环形触点；325、三角形腔体；326、作业工具控制板；327、卡扣；328、弹簧垫片；329、卡齿；4、六自由度串联机械臂；401、基座；402、第一关节；403、第二关节；404、第三关节；405、第四关节；406、第五关节；407、第六关节；408、连接器。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-11，一种用于机器人自动作业的对接装置，包括工具箱小车1、作业工具2、磁吸对接装置3和六自由度串联机械臂4，磁吸对接装置3包括上端磁吸公头31和下端对接母座32，六自由度串联机械臂4的一端与上端磁吸公头31相连接，六自由度串联机械臂4的另一端与工具箱小车1相连接，下端对接母座32设置在作业工具2的顶部，下端对接母座32与作业工具2通过旋拧快插接口205连接，旋拧快插接口205包括上旋拧快插接口和设置在上旋拧快插接口上方的下旋拧快插接口，作业工具2设置在工具箱小车1的上方。

工具箱小车1包括小车底盘101、设置在小车底盘101下方中央的电池108、设置在电池108四角的驱动电机102、与驱动电机102的输出端相连接的车轮103、设置在小车底盘101上方的工具箱104、设置在工具箱104顶部的顶板110和设置在工具箱104两侧的视觉相机107，视觉相机107主要用来识别和检测目标物体；小车底盘101为铝合金底盘，铝合金底盘为长方形，铝合金底盘的四个角切割成圆形，铝合金底盘的中间通过螺栓安装有控制盒子，控制盒子内设置有机载计算机105和嵌入式控制板106。用来完成机器人的数据处理、通信、控制等任务。

工具箱104的四个面中间镂空，工具箱104的上下内侧设置有螺栓孔，工具箱104的下端通过螺栓固定在铝合金底盘上，工具箱104的上端通过螺栓与顶板110固定，顶板110为正方形，顶板110的四角采用圆角设计，顶板110上开设有大圆孔，大圆孔的外部为一圈7cm宽的圆环，圆环的上方设置有环形磁铁111，圆环的外圈设置有辅助放置导轨112，且在顶板110的空余位置设置有视觉定位标签109。

对接需要完成机械对接和电气对接，机械对接通过空心电磁铁312和空心环形铁块322吸合相连，电气对接通过弹簧顶针314与环形触点324对接实现通电通信。上端磁吸公头31采用同心圆环设计，最外面一环为圆锥形的沉头对接锥311，中间一层为空心电磁铁312，空心电磁铁312嵌入在沉头对接锥311里面，最里面一层为上圆形PCB板313，上圆形PCB板313嵌入在空心电磁铁312里面，上圆形PCB板313上设置有三圈弹簧顶针314，弹簧顶针314呈环形分布在PCB板上，弹簧顶针314的每一环为同一路电信号，空心电磁铁312的电源线焊接在上圆形PCB板313的背面，上圆形PCB板313与嵌入式控制板106通过电源线和信号线连接。下端对接母座32采用同心圆环设计，最外层为与沉头对接锥311对应的圆锥形沉头321，圆锥形沉头321底端中心挖空内嵌一块与空心电磁铁312尺寸相同的空心环形铁块322，空心环形铁块322中心内嵌一块与上圆形PCB板313尺径形同的下圆形PCB板323，下圆形PCB板323上设置有三圈与弹簧顶针314相对应的环形触点324。三圈弹簧顶针314与对应的环形触点324从里到外分别为GND、VCC、PWM信号，通过磁吸对接完成接触，实现机器人与下端的作业工具2供电和通信，若不够下端作业工具2需要更多的控制信号，上圆形PCB板313和下圆形PCB板323可拓展成更多弹簧顶针314和环形触点324，增加更多的通信链路。沉头设计能够提高对接冗余度，同心圆环设计实现360°盲对接，不需要考虑对接的偏航角，还可以防止电源接反烧坏机械手。磁吸与弹簧顶针314触点的巧妙结合，既完成了机械对接，又实现了无人机与机械爪的电气对接。

下端对接母座32的下方设置有三角形腔体325，三角形腔体325内设置有作业工具控制板326，下圆形PCB板323与作业工具控制板326相连，作业工具控制板326的电源和信号均通过下圆形PCB板323和上圆形PCB板313相连通，三角形腔体325的下方设置有下旋拧快插接口，下旋拧快插接口的外环设置有四个卡扣327，下旋拧快插接口的中间为一块弹簧垫片328。

六自由度串联机械臂4包括基座401、设置在基座401上方的第一关节402、使得机械臂在垂直平面上进行旋转运动，与第一关节402远离基座401一端相连接的第二关节403，使得机械臂可以在垂直平面上实现前后运动，与第二关节403另一端相连接的第三关节404，使机械臂进行旋转运动，与第三关节404另一端相连接的第四关节405，使机械臂实现前后运动，与第四关节405另一端相连接的第五关节406，使机械臂进行上下运动，与第五关节406另一端相连接的第六关节407和设置在第六关节407远离第五关节406一端的连接器408。基座401定位于机械臂的底部，作为支撑结构，位于小车底盘101的前部中心位置。六个关节各自具备特定的运动能力，它们按次序连接在一起，形成了一个连续的机械链，使机械臂能够在多个方向上实现高度的灵活运动。每个关节由电机、减速器和传感器等元件组成，协同工作以控制关节的角度变化。连接器408置于第六个关节位置，用于连接磁吸对接装置3，以便在实际操作中进行对接任务。

作业工具2为三指软体机械爪201、平行夹爪202、电动剪刀203、电磁吸盘204；三指软体机械爪201、平行夹爪202、电动剪刀203均包括上旋拧快插接口、设置在上旋拧快插接口下方的连接件208、设置在连接件208下方的舵机206和传动装置207；电磁吸盘204包括上旋拧快插接口、设置在上旋拧快插接口下方的连接件208、设置在连接件208下方的3D打印支柱209、设置在3D打印支柱209下方的电磁铁安装支座210和内嵌在电磁铁安装支座210中的电磁铁211。上旋拧快插接口的外环设置有与四个卡扣327相适配的卡齿329。另外需要说明的是作业工具2可以根据实际需要替换成球形软体爪、螺丝刀、扳手等不同的工具。

机载计算机通过对接算法，实现机械臂与作业工具自动对接。对接算法流程如下：以小车底盘为坐标系，机械臂底座和作业工具在小车底盘坐标系中的位置已知，机械臂的每个关节已知，且机械臂的关机角度能通过编码器计算出来，最终运用逆运动学解算，得出机械臂末端的上端磁吸公头与作业工具上的下端对接母座两者进行对接每个机械臂关节的角度，机载计算机将角度信息发送给嵌入式控制板，最终控制机械臂完成自动对接。

具体实施时，先明确需要进行自动作业的具体任务，选择对应的作业工具，放置于工具箱中，按照作业顺序，机器人上的机械臂逐一使用和更换作业工具，出发前手动装载作业工具，具体过程如下：

第一步、机器人通过轨迹规划算法结合视觉定位信息行驶至目标区域，视觉相机识别出具体作业位置，控制算法计算出操作任务，机载计算机通过USB与嵌入式控制板通信，发送控制信号，嵌入式控制板收到信号后，通过信号线经由对接装置的对接触点传输给作业工具的驱动电机，操作所搭载的作业工具完成一系列作业操作，作业工具使用完后，机械臂与工具箱中的作业工具对接更换作业工具；

第二步、机载计算机通过算法计算出空缺工具的位置，控制机械臂使末端作业工具缓缓放置，到达放置圈上方，控制断开电磁铁，磁力消失，下方的作业工具由于重力落回到作业机构库，放置圈上磁力环会吸住作业工具，完成作业工具分离；

第三步、机载计算机计算出待切换的作业工具的相对位置，通过对接算法作业机器人控制机械臂使末端的上端磁吸公头移动至待切换作业工具的下端对接母座上方，打开电磁铁上磁，控制机械臂末端的上端磁吸公头缓缓向下，上端磁吸公头会由于圆锥状的辅助滑落对接母座，当电磁铁与铁块接触时，通过磁吸完成连接，同时弹簧触点也对应接触，完成电源和通信连接。作业工具对接完成，机器人重复上述空中作业、作业工具分离和对接任务，最终完成整个自动作业流程。

因此，本发明采用上述结构的一种用于机器人自动作业的对接装置，以解决自动作业过程中涉及的工具更换、多样化的作业场景以及复杂的对接流程等难题。本发明设计结构合理，通过机器人小车搭载不同种类的工具，且所搭载的机械臂通过对接装置更换末端的作业机构，以满足不同场景下的多样化作业需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：包括工具箱小车、作业工具、磁吸对接装置和六自由度串联机械臂，所述磁吸对接装置包括上端磁吸公头和下端对接母座，所述六自由度串联机械臂的一端与所述上端磁吸公头相连接，所述六自由度串联机械臂的另一端与所述工具箱小车相连接，所述下端对接母座设置在所述作业工具的顶部，所述下端对接母座与所述作业工具通过旋拧快插接口连接，所述旋拧快插接口包括上旋拧快插接口和设置在所述上旋拧快插接口上方的下旋拧快插接口，所述作业工具设置在所述工具箱小车的上方。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述工具箱小车包括小车底盘、设置在所述小车底盘下方中央的电池、设置在所述电池四角的驱动电机、与所述驱动电机的输出端相连接的车轮、设置在所述小车底盘上方的工具箱、设置在所述工具箱顶部的顶板和设置在所述工具箱两侧的视觉相机；所述小车底盘为铝合金底盘，所述铝合金底盘为长方形，所述铝合金底盘的四个角切割成圆形，所述铝合金底盘的中间通过螺栓安装有控制盒子，所述控制盒子内设置有机载计算机和嵌入式控制板。

3.根据权利要求2所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述工具箱的四个面中间镂空，所述工具箱的上下内侧设置有螺栓孔，所述工具箱的下端通过螺栓固定在所述铝合金底盘上，所述工具箱的上端通过螺栓与所述顶板固定，所述顶板为正方形，所述顶板的四角采用圆角设计，所述顶板上开设有大圆孔，所述大圆孔的外部为一圈7cm宽的圆环，所述圆环的上方设置有环形磁铁，所述圆环的外圈设置有辅助放置导轨，且在所述顶板的空余位置设置有视觉定位标签。

4.根据权利要求3所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述上端磁吸公头采用同心圆环设计，最外面一环为圆锥形的沉头对接锥，中间一层为空心电磁铁，所述空心电磁铁嵌入在所述沉头对接锥里面，最里面一层为上圆形PCB板，所述上圆形PCB板嵌入在所述空心电磁铁里面，所述上圆形PCB板上设置有三圈弹簧顶针，所述弹簧顶针呈环形分布在所述PCB板上，所述弹簧顶针的每一环为同一路电信号，所述空心电磁铁的电源线焊接在所述上圆形PCB板的背面，所述上圆形PCB板与所述嵌入式控制板通过电源线和信号线连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述下端对接母座采用同心圆环设计，最外层为与所述沉头对接锥对应的圆锥形沉头，所述圆锥形沉头底端中心挖空内嵌一块与所述空心电磁铁尺寸相同的空心环形铁块，所述空心环形铁块中心内嵌一块与所述上圆形PCB板尺径形同的下圆形PCB板，所述下圆形PCB板上设置有三圈与所述弹簧顶针相对应的环形触点。

6.根据权利要求5所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述下端对接母座的下方设置有三角形腔体，所述三角形腔体内设置有作业工具控制板，所述下圆形PCB板与所述作业工具控制板相连，所述作业工具控制板的电源和信号均通过所述下圆形PCB板和所述上圆形PCB板对接相连通，所述三角形腔体的下方设置有所述下旋拧快插接口，所述下旋拧快插接口的外环设置有四个卡扣，所述下旋拧快插接口的中间为一块弹簧垫片。

7.根据权利要求6所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述六自由度串联机械臂包括基座、设置在所述基座上方的第一关节、与所述第一关节远离所述基座一端相连接的第二关节、与所述第二关节远离所述第一关节一端相连接的第三关节、与所述第三关节远离所述第二关节一端相连接的第四关节、与所述第四关节远离所述第三关节一端相连接的第五关节，与所述第五关节远离所述第四关节一端相连接的第六关节和设置在所述第六关节远离所述第五关节一端的连接器。

8.根据权利要求7所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述作业工具为三指软体机械爪、平行夹爪、电动剪刀、电磁吸盘；所述三指软体机械爪、所述平行夹爪、所述电动剪刀均包括所述上旋拧快插接口、设置在所述上旋拧快插接口下方的连接件、设置在所述连接件下方的舵机和传动装置；所述电磁吸盘包括所述上旋拧快插接口、设置在所述上旋拧快插接口下方的所述连接件、设置在所述连接件下方的3D打印支柱、设置在所述3D打印支柱下方的电磁铁安装支座和内嵌在所述电磁铁安装支座中的电磁铁。

9.根据权利要求8所述的一种用于机器人自动作业的对接装置，其特征在于：所述上旋拧快插接口的外环设置有与四个所述卡扣相适配的卡齿。