CN117506944B - 一种基于圆柱坐标系的机械臂及一种助餐机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种康复机器人，具体涉及一种基于圆柱坐标系的机械臂及一种助餐机器人包括电池模块、底座模块、执行模块和喂食组件；喂食组件包括连接于执行模块末端的餐勺和安装于底座模块上的餐盘；电池模块安装于底座模块内部；执行模块包括依次连接的竖直伸缩组件、水平伸缩组件、第一旋转组件、第二旋转组件和第三旋转组件，餐勺连接于第三旋转组件的输出端。与现有技术相比，本发明解决现有技术中助餐机器人及机械臂的结构无法满足复杂接触和交互需求的缺陷，采用轻量化、柔顺化、和模块化的结构设计实现了自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或者患者的进餐。

Description

一种基于圆柱坐标系的机械臂及一种助餐机器人

技术领域

本发明涉及一种康复机器人，具体涉及一种基于圆柱坐标系的机械臂及一种助餐机器人。

背景技术

在现代科技水平飞速发展的过程中，同时还伴随着人口老龄化趋势越来越严重的现象。其中，自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或患者大都存在生活质量低下的问题，而在这之中的进餐问题尤为重要，目前这一类老年人和患者都需要护工或家人的辅助才能实现正常进食。

康复机器人在康复护理、假肢和康复治疗等方面受到广泛应用，借助康复机器人的使用，可以一定程度上克服上述存在自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或患者最重要的进食问题。然而，随着康复机器人需要满足日益增多的与人和环境产生的物理接触的需求，其需要能够实现更为复杂化、多样化的人机交互功能。

CN201810816339.7公开了一种全自动助餐机器人，包括：底盘、助餐机械手、设于底盘上的餐盘和连接于助餐机械手前端的餐勺；所述助餐机械手通过回转座连接于底盘上；所述助餐机械手上还连接有用于检测餐勺运行区域内是否有障碍物的障碍物检测模块，当障碍物检测模块检测到餐勺运行区域有障碍物时，助餐机械手停止运行。该方案为传统式机械臂、结构复杂，需要较多的传动装置和关节，容易出现故障；且自重较大，需要较强的驱动力和能量消耗；并且对于该机械臂的控制系统较为复杂，需要较高的技术要求。此外，对于助餐机器人而言，需要具有精确定位、精准的取食和喂食功能，而非简单的避障功能，而该机械臂无法实现良好的定位。

因此，需要提出一种更为便利、实用且可靠的助餐机器人。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种基于圆柱坐标系的机械臂及一种助餐机器人，以解决现有技术中助餐机器人及机械臂的结构无法满足复杂接触和交互需求的缺陷，采用轻量化、柔顺化、和模块化的结构设计实现了自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或者患者的进餐。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明第一方面公开了一种基于圆柱坐标系的机械臂，包括电池模块、底座模块、执行模块和喂食组件；

所述的喂食组件包括连接于执行模块末端的餐勺和安装于底座模块上的餐盘；

所述的电池模块安装于底座模块内部；

所述的执行模块包括竖直伸缩组件、水平伸缩组件、第一旋转组件、第二旋转组件和第三旋转组件，所述的餐勺连接于第三旋转组件的输出端；

所述的竖直伸缩组件竖直连接于底座模块上，且竖直伸缩组件与电池模块电连接，用于驱动餐勺沿z轴的竖直运动；

所述的第一旋转组件连接于竖直伸缩组件的输出端，且第一旋转组件与电池模块电连接，用于驱动餐勺绕z轴的旋转运动；

所述的水平伸缩组件水平连接于第一旋转组件的输出端，且水平伸缩组件与电池模块电连接，用于驱动餐勺沿y轴的水平运动；

所述的第二旋转组件连接于水平伸缩组件的输出端，且第二旋转组件与电池模块电连接，用于驱动餐勺绕y轴的旋转运动；

所述的第三旋转组件连接于第二旋转组件的输出端，且第三旋转组件与电池模块电连接，用于驱动餐勺绕x轴的旋转运动。

优选地，所述的电池模块包括电池壳体和装配于电池壳体内部的电池，所述的电池壳体上活动连接有按钮和弹簧销，且按钮与弹簧销之间通过一对斜面相互抵接；所述的弹簧销和按钮分别由电池壳体内部伸出，并且通过按压所述的按钮使弹簧销缩入电池壳体；所述的底座模块内部设有用于与弹簧销插接配合的开槽。

优选地，所述的电池上设有触点，所述的电池壳体上于触点对应位置开设有开孔，所述的底座模块内部设有用于与触点抵接的顶针。

安装电池模块于底座模块中时，按压按钮使弹簧销缩入电池壳体，此时的电池模块可近似为一长方体，插入至底座模块中使顶针与触点相抵接后，松开按钮，弹簧销重新弹出并嵌入底座模块的开槽中，完成电池模块在底座模块中的锁定；需要拆卸电池模块时，按压按钮使弹簧销收回，即解除锁定，随后将电池模块由底座模块中抽出即可实现拆卸。

更优选地，所述的电池壳体上开设有充电口，在充电口的侧旁通过弹簧连接有橡胶塞，所述的橡胶塞压合于充电口。

优选地，所述的竖直伸缩组件包括丝杆步进电机、第一竖直伸缩壳体和第二竖直伸缩壳体；所述的丝杆步进电机安装于底座模块上，丝杆步进电机的输出轴上螺纹连接有法兰螺母，所述的第二竖直伸缩壳体与法兰螺母固定连接；所述的第一竖直伸缩壳体固定于底座模块上，第一竖直伸缩壳体内壁面设有凸块，第二竖直伸缩壳体外壁面设有导向槽，第一竖直伸缩壳体通过凸块与导向槽之间的活动配合实现与第二竖直伸缩壳体滑动连接；所述的第二竖直伸缩壳体连接第一旋转组件。

通过丝杆步进电机的输出轴(丝杆)旋转，使螺纹连接于其上的法兰螺母沿丝杆发生前进或后退，进而带动第二竖直伸缩壳体在第一竖直伸缩壳体内滑动，实现竖直方向的伸缩。

更优选地，所述的第一竖直伸缩壳体的内壁面设有至少一组凸块、所述的第二竖直伸缩壳体的外壁面设有至少一组导向槽，凸块分别滑动设置于导向槽内实现导向功能；所述的第一竖直伸缩壳体的顶端设有限位凸台、所述的第二竖直伸缩壳体的底端设有限位凸缘，基于限位凸台对限位凸缘的限位避免第二竖直伸缩壳体由第一竖直伸缩壳体内滑出。

优选地，所述的第一旋转组件包括第一舵机和肩旋转件；所述的第一舵机安装于竖直伸缩组件的输出端，且第一舵机的输出端连接肩旋转件，所述的肩旋转件连接水平伸缩组件。

优选地，所述的水平伸缩组件包括贯通式丝杆步进电机、第一水平伸缩壳体和第二水平伸缩壳体；所述的贯通式丝杆步进电机安装于第一旋转组件的输出端，贯通式丝杆步进电机的输出轴上连接有法兰螺母，所述的第二水平伸缩壳体与法兰螺母固定连接；所述的第一水平伸缩壳体连接于第一旋转组件的输出端，第一水平伸缩壳体内壁面设有凸块，第二水平伸缩壳体外壁面设有导向槽，第一水平伸缩壳体通过凸块与导向槽之间的活动配合实现与第二水平伸缩壳体滑动连接；所述的第二水平伸缩壳体连接第二旋转组件。

通过贯通式丝杆步进电机的输出轴(丝杆)旋转，使螺纹连接于其上的法兰螺母沿丝杆发生前进或后退，进而带动第二水平伸缩壳体在第一水平伸缩壳体内滑动，实现水平方向的伸缩。

更优选地，所述的第一水平伸缩壳体的内壁面设有至少一组凸块、所述的第二水平伸缩壳体的外壁面设有至少一组导向槽，凸块分别滑动设置于导向槽内实现导向功能；所述的第一水平伸缩壳体的首端设有限位凸台、所述的第二水平伸缩壳体的内部固定有水平限位壳体，基于限位凸台对水平限位壳体的限位避免第二水平伸缩壳体由第一水平伸缩壳体内滑出。

优选地，所述的水平伸缩组件还包括第三水平伸缩壳体和第四水平伸缩壳体；所述的第三水平伸缩壳体固定于第一水平伸缩壳体内部，所述的第四水平伸缩壳体通过第二压缩弹簧与第三水平伸缩壳体连接；所述的第四水平伸缩壳体抵设于贯通式丝杆步进电机的输出轴端部。通过第三水平伸缩壳体、第二压缩弹簧和第四水平伸缩壳体的设置，可以在贯通式丝杆步进电机的输出轴向后移动时起到保护作用。

优选地，所述的第二旋转组件包括第二舵机和末端连接件；所述的第二舵机安装于水平伸缩组件的输出端，且第二舵机的输出端连接末端连接件，所述的末端连接件连接第三旋转组件；所述的末端连接件上还设置有相机。

优选地，所述的第三旋转组件包括第三舵机、输出端连接件和力传感器；所述的第三舵机安装于第二旋转组件的输出端，且第三舵机的输出端连接输出端连接件，所述的输出端连接件上设置力传感器，所述的力传感器的测量端连接餐勺。通过力传感器的检测可以实时测定餐勺上取食量的多少，进而能够配合外部控制系统实时调整取食轨迹，避免单次取食过量的问题。

更优选地，所述的第三旋转组件还包括餐勺固定件，所述的餐勺固定件与输出端连接件通过止动销销轴连接，所述的餐勺的末端套设于止动销上。

本发明第二方面公开了一种助餐机器人，包括如上任一所述的机械臂。

本发明的工作原理为：

机械臂通过电池模块供电，执行模块中的竖直伸缩组件、水平伸缩组件、第一旋转组件、第二旋转组件和第三旋转组件共同实现餐勺的五个活动自由度的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案采用轻量化、柔顺化和模块化的设计理念，用于解决自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或者患者的进餐问题。

本发明提出的基于圆柱坐标系的机械臂结构简单，易于设计和制造，本身自重较小，能够实现较高的移动速度和精度，并且相对于传统机械臂而言可以实现较大的工作范围和灵活的运动轨迹。本发明提出的助餐机器人在第二旋转组件末端安装有相机，第三旋转组件内部通过第三舵机先连接力传感器再连接餐勺，这样的设计使得助餐机器人既有了视觉控制，可以精准定位，并且又有了力传感，对于取食多少也更为精准，有效提高喂食量的均衡性。

附图说明

图1为基于圆柱坐标系的机械臂的结构示意图；

图2为电池模块的结构示意图；

图3为电池模块的结构爆炸示意图；

图4为底座模块、电池模块和竖直伸缩组件的结构爆炸示意图；

图5为第一旋转组件、水平伸缩组件、第二旋转组件和第三旋转组件的结构爆炸示意图；

图中：1000-电池模块；1001-电池壳体；1002-电池；1003-按钮；1004-弹簧销；1005-触点；1006-铭牌；1007-橡胶塞；1008-第一压缩弹簧；

2000-底座模块；2001-底座壳体；2002-电池仓；2003-显示屏；

3000-执行模块；3100-竖直伸缩组件；3101-丝杆步进电机；3102-第一竖直伸缩壳体；3103-第二竖直伸缩壳体；3104-第一固定件；3200-水平伸缩组件；3201-贯通式丝杆步进电机；3202-第一水平伸缩壳体；3203-第二水平伸缩壳体；3204-第三水平伸缩壳体；3205-第四水平伸缩壳体；3206-第二压缩弹簧；3207-第二固定件；3208-水平限位壳体；3300-第一旋转组件；3301-第一舵机；3302-肩旋转件；3303-肩旋转壳体；3304-第三固定件；3305-轴承；3400-第二旋转组件；3401-第二舵机；3402-末端连接件；3403-末端壳体；3404-相机；3500-第三旋转组件；3501-输出端连接件；3502-输出端壳体；3503-餐勺固定件；3504-力传感器；3505-止动销；

4000-喂食组件；4100-餐勺；4200-餐盘。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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申请的限制。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种基于圆柱坐标系的机械臂，如图1-5所示，包括电池模块1000、底座模块2000、执行模块3000和喂食组件4000；

所述的喂食组件4000包括连接于执行模块3000末端的餐勺4100和安装于底座模块2000上的餐盘4200；

所述的电池模块1000安装于底座模块2000内部；

所述的执行模块3000包括竖直伸缩组件3100、水平伸缩组件3200、第一旋转组件3300、第二旋转组件3400和第三旋转组件3500，所述的餐勺4100连接于第三旋转组件3500的输出端；

所述的竖直伸缩组件3100竖直连接于底座模块2000上，且竖直伸缩组件3100与电池模块1000电连接，用于驱动餐勺4100沿z轴的竖直运动；

所述的第一旋转组件3300连接于竖直伸缩组件3100的输出端，且第一旋转组件3300与电池模块1000电连接，用于驱动餐勺4100绕z轴的旋转运动；

所述的水平伸缩组件3200水平连接于第一旋转组件3300的输出端，且水平伸缩组件3200与电池模块1000电连接，用于驱动餐勺4100沿y轴的水平运动；

所述的第二旋转组件3400连接于水平伸缩组件3200的输出端，且第二旋转组件3400与电池模块1000电连接，用于驱动餐勺4100绕y轴的旋转运动；

所述的第三旋转组件3500连接于第二旋转组件3400的输出端，且第三旋转组件3500与电池模块1000电连接，用于驱动餐勺4100绕z轴的旋转运动。

更优选地，本实施例中：

本实施例提供了一种基于圆柱坐标系的机械臂及相应设计的助餐机器人结构，其能够解决自主进餐能力较弱或者完全丧失其功能的老年人或者患者的进餐问题。

请参见图1，图1为本实施例中机械臂的立体结构，主要包括电池模块1000、底座模块2000、执行模块3000和喂食组件4000。电池模块1000安装于底座模块2000内；执行模块3000安装于底座模块2000上，由依次连接的竖直伸缩组件3100、第一旋转组件3300、水平伸缩组件3200、第二旋转组件3400和第三旋转组件3500构成；喂食组件4000分为餐勺4100和餐盘4200，其中餐勺4100连接于执行模块3000的末端(即连接于第三旋转组件3500的输出端)，餐盘4200安装于底座模块2000上。

机械臂整体材质上可选择为7系铝材和医用级ABS材质，餐盘4200、餐勺4100则选用医用级聚酯树脂材质，在整体材质选择是以安全型为主，并结合考虑其轻量化、易加工、美观性等方面性能。

请参见图2并结合图3，电池模块1000主体包括外部的电池壳体1001以及内部的电池1002；电池1002采用可充电电池1002，如锂电池1002，通过卡接嵌合结构将电池1002装配固定于电池壳体1001内部。底座模块2000主要为底座壳体2001包围形成的空腔以及设置在底座壳体2001上的显示屏2003、功能按键等。在电池壳体1001上开设有用于供电池1002充电的充电口，在充电口的侧旁通过弹簧连接有一橡胶塞1007，该橡胶塞1007压合于充电口上；在需要充电时，将橡胶塞1007拔出，暴露充电口，而在无需充电时，采用橡胶塞1007封堵充电口，避免误触。在电池壳体1001上还设计有用于粘贴铭牌1006的方槽，铭牌1006上可打印相关重要信息和参数以供使用者参考。在电池壳体1001的底面上开设有暴露电池1002上触点1005的开口，与之配合的，在底座模块2000内部设置有顶针，在电池模块1000正确安装于底座模块2000内后，顶针穿过开口与触点1005相抵接，形成电路。在电池壳体1001的顶面和侧面顶部分别设置有按钮1003和弹簧销1004，两者之间通过一对斜面相互抵接，进而可实现通过按压按钮1003使弹簧销1004收入电池壳体1001内部，形成快拆结构；更具体地，如图3所示并以图3所示方向进行描述，按钮1003和弹簧销1004分别通过第一压缩弹簧1008连接至电池壳体1001上，按钮1003在其右侧面下部设置有一斜面，弹簧销1004在其右侧内部设置有与按钮1003的斜面相匹配的斜面，两斜面相抵设置。更进一步为方便拆卸和安装，在电池壳体1001上还可设计提手位，便于握持与施力。为进一步方便电池模块1000的安装，在底座模块2000内部设置有电池仓2002以及用于与弹簧销1004卡嵌配合的开槽，如图4中所示，相应的，顶针设置于电池仓2002的末端。电池1002安装时，首先按压按钮1003，按钮1003向下压缩第一压缩弹簧1008的同时，通过相抵的斜面向弹簧销1004施加向右的压力，使弹簧销1004克服第一压缩弹簧1008的弹力收回至电池壳体1001内，将电池模块1000推入电池仓2002内到底，使顶针与触点1005相抵，随后释放按钮1003，在第一压缩弹簧1008的恢复力作用下按钮1003自动弹出，同时，弹簧销1004失去压力后，连接于弹簧销1004的第一压缩弹簧1008也会将弹簧销1004弹出，使得弹簧销1004能够自动伸出并卡嵌入开槽中，完成对电池模块1000的锁定，可保证电池模块1000的良好限位以及电池1002的触点1005与底座模块2000的顶针之间的良好的持续接触；反之，在电池1002需要拆卸时，首先按压按钮1003，通过相抵的斜面传力，使弹簧销1004收入电池壳体1001以解除锁定，随后将电池模块1000由底座模块2000内抽出，完成拆卸。

请参考图4和图5，执行模块3000为机械臂提供五个活动自由度，包括由两个电机驱动的直线行程伸缩自由度以及三个舵机驱动的旋转自由度。

竖直伸缩组件3100为机械臂提供竖直方向(沿z轴)的直线行程伸缩自由度，其包括：丝杆步进电机3101、第一竖直伸缩壳体3102、第二竖直伸缩壳体3103和第一固定件3104。丝杆步进电机3101通过第一固定件3104固定于底座模块2000内部的电池仓2002上，并与电池模块1000电连接，丝杆步进电机3101的输出轴(丝杆)上通过螺纹连接的方式连接有一法兰螺母，第二竖直伸缩壳体3103在底端位置与该法兰螺母通过螺钉固定连接。第一竖直伸缩壳体3102呈垂直的固定连接在底座壳体2001上、套于丝杆步进电机3101外，第二竖直伸缩壳体3103在第一竖直伸缩壳体3102内，且其与第一竖直伸缩壳体3102构成滑动连接。第一竖直伸缩壳体3102内壁面上设置有3组凸块，在第二竖直伸缩壳体3103的外壁面上设计有3组导向槽，凸块与导向槽一一对应的构成滑动配合，可有效实现对第二竖直伸缩壳体3103的导向；并且，在第二竖直伸缩壳体3103的底端设计有限位凸台，而在第一竖直伸缩壳体3102的上端设计有限位凸缘，两者的投影具有重叠部分，因而通过限位凸台和限位凸缘的设计能够实现对第二竖直伸缩壳体3103的限位，避免第二竖直伸缩壳体3103由第一竖直伸缩壳体3102内滑脱。竖直伸缩组件3100工作时，丝杆步进电机3101的丝杆旋转，通过螺纹连接的法兰螺母转化为竖直方向的上下运动，进而通过法兰螺母带动第二竖直伸缩壳体3103在第一竖直伸缩壳体3102内部的滑动，从而带动第一旋转组件3300发生沿z轴的伸缩运动。

第一旋转组件3300为机械臂提供绕z轴的旋转自由度，其包括：第一舵机3301、肩旋转件3302、肩旋转壳体3303、第三固定件3304和轴承3305。第一舵机3301通过第三固定件3304安装在竖直伸缩组件3100的输出端(第二竖直伸缩壳体3103的顶端)，并与电池模块1000电连接；肩旋转壳体3303通过螺钉与第一舵机3301固定连接。舵机采用XM540-W270-T，其输出端与肩旋转件3302和轴承3305相连接，其中如图5所示，肩旋转件3302包括依次叠合并固定连接的四片分件，轴承3305夹于肩旋转件3302的中间。第一旋转组件3300工作时，第一舵机3301通过其输出端输出旋转运动，带动肩旋转件3302发生旋转，从而带动水平伸缩组件3200在x-y平面内旋转。

水平伸缩组件3200为机械臂提供水平方向(沿y轴)的直线行程伸缩自由度，其包括：贯通式丝杆步进电机3201、第一水平伸缩壳体3202、第二水平伸缩壳体3203、第三水平伸缩壳体3204、第四水平伸缩壳体3205、第二压缩弹簧3206、第二固定件3207和水平限位壳体3208。贯通式丝杆步进电机3201通过螺钉固定在第二固定件3207上，第二固定件3207进一步固定在第一水平伸缩壳体3202内，并通过第三水平伸缩壳体3204安装于第一旋转组件3300的输出端(肩旋转件3302上)，且贯通式丝杆步进电机3201与电池模块1000电连接。贯通式丝杆步进电机3201的输出轴(丝杆)上通过螺纹连接的方式连接有一法兰螺母，第二水平伸缩壳体3203与该法兰螺母通过螺钉固定连接。第一水平伸缩壳体3202呈水平的固定连接第二固定件3207、套于贯通式丝杆步进电机3201外，第二水平伸缩壳体3203在第一水平伸缩壳体3202内，且其与第一水平伸缩壳体3202构成滑动连接。第一水平伸缩壳体3202内壁面上设置有3组凸块，在第二水平伸缩壳体3203的外壁面上设计有3组导向槽，凸块与导向槽一一对应的构成滑动配合，可有效实现对第二水平伸缩壳体3203的导向；并且，在第二水平伸缩壳体3203的底端设计有限位凸台，而在第一水平伸缩壳体3202内部固定连接有一呈环向的水平限位壳体3208，限位凸台与水平限位壳体3208的投影部分重叠，因而通过限位凸台和水平限位壳体3208的设计能够实现对第二水平伸缩壳体3203的限位，避免第二水平伸缩壳体3203由第一水平伸缩壳体3202内滑脱。第三水平伸缩壳体3204通过螺钉固定在第一水平伸缩壳体3202内，且第三水平伸缩壳体3204还与肩旋转件3302连接，第四水平伸缩壳体3205通过第二压缩弹簧3206与第三水平伸缩壳体3204相连，构成水平布置的可压缩结构；该结构设置于贯通式丝杆步进电机3201的丝杆后方(靠近第一旋转组件3300)，且贯通式丝杆步进电机3201的输出轴(丝杆)的后端部与第四水平伸缩壳体3205同心抵接，当贯通式丝杆步进电机3201的丝杆朝向后方移动时，会推动第四水平伸缩壳体3205并带动其进一步向后方移动，压缩第二压缩弹簧3206使其压缩蓄能，在贯通式丝杆步进电机3201的丝杆向前方移动时，第二压缩弹簧3206带动第四水平伸缩壳体3205归位。通过该可压缩结构能够吸收贯通式丝杆步进电机3201运行时丝杆产生的位移，进而保证水平伸缩组件3200不会出现整体后移或者丝杆突出于壳体的情况，保护使用者的使用安全以及丝杆的结构和运行。水平伸缩组件3200工作时，贯通式丝杆步进电机3201的丝杆旋转并发生水平运动，进而通过法兰螺母带动第二水平伸缩壳体3203在第一水平伸缩壳体3202内部的滑动，从而带动第二旋转组件3400发生沿y轴的伸缩运动。

第二旋转组件3400为机械臂提供绕y轴的旋转自由度，其包括：第二舵机3401、末端连接件3402、末端壳体3403和相机3404。第二舵机3401通过固定件安装在水平伸缩组件3200的输出端(第二水平伸缩壳体3203的前端)，并与电池模块1000电连接；末端壳体3403通过螺钉与末端连接件3402固定连接。第二舵机3401采用XC330-T288-T，其输出端与末端连接件3402相连。此外，在末端连接件3402上还安装有相机3404，采用D405相机3404，与电池模块1000电连接；通过相机3404可获取餐盘4200中以及使用者的图像和影像状态，进而结合外部连接的控制系统可进行判断和控制。第二旋转组件3400工作时，第二舵机3401通过其输出端输出旋转运动，带动末端连接件3402旋转，从而带动第三旋转组件3500在x-z平面内旋转。

第三旋转组件3500为机械臂提供绕x轴的旋转自由度，其包括：第三舵机、输出端连接件3501、输出端壳体3502、餐勺4100固定件3503、力传感器3504和止动销3505。第三舵机通过固定件安装在第二旋转组件3400的输出端(末端连接件3402的前端)，并与电池模块1000电连接；输出端壳体3502通过螺钉与第三舵机固定连接。第三舵机采用XC330-T288-T，其输出端与输出端连接件3501相连。此外，在输出端连接件3501上还设置有力传感器3504，与电池模块1000电连接。餐勺4100固定件3503通过止动销3505与输出端连接件3501形成销轴连接，进一步的，止动销3505采用复位型M6止动销3505，餐勺4100的末端开设有孔并套置在该止动销3505上；通过止动销3505的设计可实现餐勺4100的快拆。第三旋转组件3500工作时，第三舵机通过其输出端输出旋转运动，带动输出端连接件3501、餐勺4100固定件3503和止动销3505旋转，从而带动餐勺4100在y-z平面内旋转。

如上所述中，第一固定件3104、第二固定件3207和第三固定件3304均可采用常规的电机/舵机固定支架，通过螺钉与相应的安装面连接。

如图1和图4所示，餐盘4200与底座壳体2001之间采取卡接嵌合的形式连接，也可具有快拆功能。

该机械臂工作时，可通过单独或同步驱动竖直伸缩组件3100的丝杆步进电机3101、第一旋转组件3300的第一舵机3301、水平伸缩组件3200的贯通式丝杆步进电机3201、第二旋转组件3400的第二舵机3401以及第三旋转组件3500的第三舵机实现对五自由度的调整控制，进而采用该机械臂的助餐机器人可实现对输出端的餐勺4100实现五自由度控制。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于圆柱坐标系的机械臂，其特征在于，包括电池模块（1000）、底座模块（2000）、执行模块（3000）和喂食组件（4000）；

所述的喂食组件（4000）包括连接于执行模块（3000）末端的餐勺（4100）和安装于底座模块（2000）上的餐盘（4200）；

所述的电池模块（1000）安装于底座模块（2000）内部；

所述的执行模块（3000）包括竖直伸缩组件（3100）、水平伸缩组件（3200）、第一旋转组件（3300）、第二旋转组件（3400）和第三旋转组件（3500），所述的餐勺（4100）连接于第三旋转组件（3500）的输出端；

所述的竖直伸缩组件（3100）竖直连接于底座模块（2000）上，且竖直伸缩组件（3100）与电池模块（1000）电连接，用于驱动餐勺（4100）沿z轴的竖直运动；

所述的第一旋转组件（3300）连接于竖直伸缩组件（3100）的输出端，且第一旋转组件（3300）与电池模块（1000）电连接，用于驱动餐勺（4100）绕z轴的旋转运动；

所述的水平伸缩组件（3200）水平连接于第一旋转组件（3300）的输出端，且水平伸缩组件（3200）与电池模块（1000）电连接，用于驱动餐勺（4100）沿y轴的水平运动；

所述的第二旋转组件（3400）连接于水平伸缩组件（3200）的输出端，且第二旋转组件（3400）与电池模块（1000）电连接，用于驱动餐勺（4100）绕y轴的旋转运动；

所述的第三旋转组件（3500）连接于第二旋转组件（3400）的输出端，且第三旋转组件（3500）与电池模块（1000）电连接，用于驱动餐勺（4100）绕x轴的旋转运动；

所述的电池模块（1000）包括电池壳体（1001）和装配于电池壳体（1001）内部的电池（1002），所述的电池壳体（1001）上活动连接有按钮（1003）和弹簧销（1004），且按钮（1003）与弹簧销（1004）之间通过一对斜面相互抵接；所述的弹簧销（1004）和按钮（1003）分别由电池壳体（1001）内部伸出，并且通过按压所述的按钮（1003）使弹簧销（1004）缩入电池壳体（1001）；所述的底座模块（2000）内部设有用于与弹簧销（1004）插接配合的开槽；

所述的竖直伸缩组件（3100）包括丝杆步进电机（3101）、第一竖直伸缩壳体（3102）和第二竖直伸缩壳体（3103）；所述的丝杆步进电机（3101）安装于底座模块（2000）上，丝杆步进电机（3101）的输出轴上螺纹连接有法兰螺母，所述的第二竖直伸缩壳体（3103）与法兰螺母固定连接；所述的第一竖直伸缩壳体（3102）固定于底座模块（2000）上，第一竖直伸缩壳体（3102）内壁面设有凸块，第二竖直伸缩壳体（3103）外壁面设有导向槽，第一竖直伸缩壳体（3102）通过凸块与导向槽之间的活动配合实现与第二竖直伸缩壳体（3103）滑动连接；所述的第二竖直伸缩壳体（3103）连接第一旋转组件（3300）；

所述的第一旋转组件（3300）包括第一舵机（3301）和肩旋转件（3302）；所述的第一舵机（3301）安装于竖直伸缩组件（3100）的输出端，且第一舵机（3301）的输出端连接肩旋转件（3302），所述的肩旋转件（3302）连接水平伸缩组件（3200）；

所述的水平伸缩组件（3200）包括贯通式丝杆步进电机（3201）、第一水平伸缩壳体（3202）和第二水平伸缩壳体（3203）；所述的贯通式丝杆步进电机（3201）安装于第一旋转组件（3300）的输出端，贯通式丝杆步进电机（3201）的输出轴上连接有法兰螺母，所述的第二水平伸缩壳体（3203）与法兰螺母固定连接；所述的第一水平伸缩壳体（3202）连接于第一旋转组件（3300）的输出端，第一水平伸缩壳体（3202）内壁面设有凸块，第二水平伸缩壳体（3203）外壁面设有导向槽，第一水平伸缩壳体（3202）通过凸块与导向槽之间的活动配合实现与第二水平伸缩壳体（3203）滑动连接；所述的第二水平伸缩壳体（3203）连接第二旋转组件（3400）；

所述的水平伸缩组件（3200）还包括第三水平伸缩壳体（3204）和第四水平伸缩壳体（3205）；所述的第三水平伸缩壳体（3204）固定于第一水平伸缩壳体（3202）内部，所述的第四水平伸缩壳体（3205）通过第二压缩弹簧（3206）与第三水平伸缩壳体（3204）连接；所述的第四水平伸缩壳体（3205）抵设于贯通式丝杆步进电机（3201）的输出轴端部。

2.根据权利要求1所述的一种基于圆柱坐标系的机械臂，其特征在于，所述的电池（1002）上设有触点（1005），所述的电池壳体（1001）上于触点（1005）对应位置开设有开孔，所述的底座模块（2000）内部设有用于与触点（1005）抵接的顶针。

3.根据权利要求1所述的一种基于圆柱坐标系的机械臂，其特征在于，所述的第二旋转组件（3400）包括第二舵机（3401）和末端连接件（3402）；所述的第二舵机（3401）安装于水平伸缩组件（3200）的输出端，且第二舵机（3401）的输出端连接末端连接件（3402），所述的末端连接件（3402）连接第三旋转组件（3500）；所述的末端连接件（3402）上还设置有相机（3404）。

4.根据权利要求1所述的一种基于圆柱坐标系的机械臂，其特征在于，所述的第三旋转组件（3500）包括第三舵机、输出端连接件（3501）和力传感器（3504）；所述的第三舵机安装于第二旋转组件（3400）的输出端，且第三舵机的输出端连接输出端连接件（3501），所述的输出端连接件（3501）上设置力传感器（3504），所述的力传感器（3504）的测量端连接餐勺（4100）。

5.一种助餐机器人，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的机械臂。