CN203804970U - 框架结构操作机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种框架结构操作机器人，由两个对称机构和铰链电机组成，所述对称机构之间通过所述铰链电机连接，所述对称机构由旋转运动装置和平移运动装置组成，所述旋转运动装置和平移运动装置配合安装在框架圆杆上，既能实现对三维框架结构的任意游走，又能够实现对框架结构的构建和重构等高级操作的框架结构操作机器人。

Description

框架结构操作机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，特别涉及一种能够对复杂三维框架结构自行构建和重构的机器人。

背景技术

要实现对复杂三维框架结构的自动构建和重构，机器人系统就必须具备两项基本功能，即对结构中意位置的可达功能(例如在框架结构中的攀爬能力)，以及对基本构件的操作功能，包括安装、拆卸、运输等。近年来，研究人员开发了很多具备攀爬功能的机器人系统，例如爬墙机器人、爬杆机器人以及框架攀爬机器人等等。。“尺蠖”机器人利用电磁力将自己吸附到铁质结构的表面上，以实现对结构的攀爬功能。Tavakoli等人开发的机器人可以实现对杆状结构的攀爬功能，此机器人使用机械手爪装置来抓紧目标结构。White等人设计了台用于大型航空界及结构的制造和检测的攀爬机器人，它使用真空吸盘将自己吸附于工作区域的表面。并联机器人TREPA和毛虫形机器人ROMA都具备在复杂三维结构中巡游攀爬的高超本领。

尽管有众多的机器人系统都展示出了高强的结构攀爬能力，但是能够对目标结构进行搭建、维修、重构等操作的机器人系统却是凤毛麟角。Skyworker机器人的主要设计目的是协助宇航员完成在轨的结构装配任务，它可以完成某些框架结构的搭建，但是这些框架结构部件和Skyworker机器人的设计是相互独立的，因此Skyworker需要额外的其他机器人来辅助完成搭建任务。Dogget设计了一款可以搭建框架结构的机器人，但是此机器人更像是一个固定的机械臂，它不具备在框架之上的移动能力，因此不能进行结构检测、维修等高级操作。MIT(麻省理工学院)的Rus教授团队开发了Shady3D机器人，目的是利用它进行框架结构的搭建，Shady3D可以在三维框架结构上任意巡游，并且可以对结构部件进行简单操作，但是它不具备最关键的构建组装功能。Yim教授等人设计开发了新颖的Factory-Floor机器人系统，它可以通过一组固定在地面上的搭建器、升降器等，以“自顶向下”的方式逐层地构建三维框架结构，然而需要指出的是，一方面，目标框架结构的规模受限于升降器的性能和尺寸，另一方面，搭建器不具备移动能力，因而框架结构一旦建成就很难进行修改和重构等操作。Comell(康奈尔)大学Lipson教授的实验室也致力同样的研究，他们开发了一款“铰链形”机器人，并且设计了用于搭建框架的“凸齿杆”构件。此机器人可以在三维框架内攀爬移动，更重要的是，它初步实现了对框架构件的拆卸和安装等简单的操作，然而实验表明此机器人系统的运行稳定性以及精确性还有待提高，而且框架构件的设计也存在缺陷。

发明内容

了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种既能实现对三维框架结构的任意游走，又能够实现对框架结构的构建和重构等高级操作的框架结构操作机器人。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种框架结构操作机器人，由两个对称机构和铰链电机组成，所述对称机构之间通过所述铰链电机连接，所述对称机构由旋转运动装置和平移运动装置组成，所述旋转运动装置和平移运动装置配合安装在框架圆杆上。

进一步的，所述旋转运功装置和平移运动装置包括啮合凸轮锁装置和驱动装置，所述啮合凸轮锁装置由啮合凸轮锁驱动电机、电机定位板、凸轮和挡块组成，所述啮合凸轮锁驱动电机驱动所述凸轮转动，并通过与所述挡块配合，控制旋转、移动运动装置的啮合和松开，所述驱动装置由橡胶轮、驱动电机和定位板组成，所述驱动电机用于驱动所述橡胶轮移动。

进一步的，所述橡胶轮上设置有凹凸不平的花纹。

该框架结构操作机器人，它拥有通过铰链电机直接连接起来的两个对称机构，每个对称机构都包含有一套平移运动装置和一套旋转运动装置，在机器人的每个对称机构中，这两套装置都使用4个直流伺服电机，因此机器人共有9个驱动电机。顾名思义，平移运动装置可以使机器人附着在杆件上，并且沿杆件长度方向平行移动；而沿着杆件中轴线旋转的运动则由旋转运动装置完成。

在机器人的每一边的平移运动装置都包含两个伺服电机，其中一个电机用来驱动橡胶轮，用作平移运动的驱动器，通过摩擦力使机器人沿着杆件方向运动；另一个电机则通过驱动平移啮合凸轮锁装置使驱动器与结构杆件紧密啮合。

与平移运动装置类似，旋转运动装置也用到了两个伺服电机，其中一个用于旋转啮合凸轮锁装置，另一个用于驱动橡胶轮，依靠摩擦力实现旋转运动。

该机器人除了由直流伺服电机提供的温度、位置、转速、电压等反馈外，还拥有两个反射目标传感器以及配套的电路组成的外部传感器模块。这些传感器通过检测框架结构上的标记来确定机器人当前的位置，从而使机器人的运动更加精确和可靠。

为了避免静载荷不均匀的问题，将电池组安装在机器人的正下方。

机器人通过一连串的简单基本操作，包括对特定单独杆件的拆卸、安装和重构，实现对于框架结构的构建和重构等复杂操作。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：该框架结构操作机器人仅仅需要三种基本动作，就可以完成在三维框架结构上的任意巡游。在此基础上，该框架结构操作机器人还可以实现对框架结构的构建和重构等高级操作。由于强劲电机和外部位置反馈信息的引入，该框架结构操作机器人具有良好的稳定性和较高的执行精度。

附图说明

图1为框架结构操作机器人的示意图。

图2为旋转运动装置的示意图。

图3为旋转运动装置啮合时的正视图。

图4为旋转运动装置啮合时的俯视图。

图5为旋转运动装置松开时的正视图。

图6为旋转运动装置松开时的俯视图。

图7为平移运动装置的示意图。

图8为平移运动装置啮合时的正视图。

图9为平移运动装置啮合时的俯视图。

图10为平移运动装置松开时的正视图。

图11为平移运动装置松开时的俯视图。

图12为框架操作机器人的单杆拆卸示意图。

图13为框架操作机器人的单杆安装示意图。

图14为框架操作机器人的单杆重构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明做进一步说明。

图1为框架结构操作机器人的示意图。框架结构操作机器人拥有通过铰链电机3连接的两个对称机构，每个对称机构都包含有一套旋转运动装置1和平移运动装置2。图中4为框架结构的圆杆，旋转运动装置1可以使机器人附着在圆杆4上，并且沿着圆杆4的中轴线旋转；而平移运动装置2则使机器人沿着圆杆4长度方向平行移动。

图2为旋转运动装置的示意图。1-1为啮合凸轮锁驱动电机。1-2和1-3分别为啮合凸轮锁的挡块和凸轮。1-4为被橡胶包裹的圆轮(橡胶轮)，为增大摩擦，在橡胶表面制有凹凸不平的花纹，通过它与圆杆4的相对运动实现旋转运动。1-5为驱动电机，用来驱动橡胶轮1-4的转动。1-6，1-7，1-8分别为旋转运动装置的第一块，第二块和第三块定位板。

图3和图4分别为旋转运动装置啮合时的正视图和俯视图。当需要进行旋转运动时，啮合凸轮锁驱动电机1-1驱动凸轮]-3转动到位置1，带动挡块1-2绕着旋转驱动装置的铰链转轴转动到啮合位置，由于挡块1-2固定在第一块定位板1-6上，从而带动橡胶轮1-4，旋转驱动电机1-5，第二块定位板1-7以及第三块定位板1-8转动到啮合位置。处在啮合位置上的橡胶轮1-4与圆杆4直接接触，通过驱动电机1-5带动橡胶轮1-4转动，即可在摩擦力的作用下实现绕圆杆的转动。

图5和图6分别为旋转运动装置松开时的正视图和俯视图。当不需要进行旋转运动时，啮合凸轮锁驱动电机1-1驱动凸轮1-3转动到位置2，带动挡块1-2绕着旋转驱动装置的铰链转轴转动到松开位置。此时，橡胶轮1-4与圆杆4不直接接触，旋转装置松开与圆杆4的啮合。

图7为平移运动装置的示意图。2-1为啮合凸轮锁驱动电机。2-2和2-3分别为啮合凸轮锁的挡块和凸轮。2-4为驱动电机，用来驱动橡胶轮2-5的转动。2-5为被橡胶包裹的圆轮，为增大摩擦，在橡胶表面制有凹凸不平的花纹，通过它与圆杆4的相对运动实现平移运动。

图8和图9分别为平移运动装置啮合时的正视图和俯视图。当需要进行平移运动时，啮合凸轮锁驱动电机2-1驱动凸轮2-3转动到位置1，带动挡块2-2以及与其固连的驱动电机2-4和橡胶轮2-5绕着平移驱动装置的铰链转轴转动到啮合位置。处在啮合位置上的橡胶轮2-5与圆杆4直接接触，通过平移驱动电机2-4带动橡胶轮2-5转动，即可在摩擦力的作用下实现沿圆杆长度方向平行移动。

图10和图11分别为平移运动装置松开时的正视图和俯视图。当不需要进行平移运动时，啮合凸轮锁驱动电机2-1驱动凸轮2-3转动到位置2，带动挡块2-2以及与其固连的驱动电机2-4和橡胶轮2-5绕着平移运动装置的铰链转轴转动到松开位置。此时，橡胶轮2-5与圆杆4不直接接触，平移运动装置松开与圆杆4的啮合。

机器人对于框架结构的构建和重构等复杂操作，是由一连串的简单基本操作构成的，包括对特定单独杆件的拆卸、安装和重构。

图12为框架操作机器人的单杆拆卸示意图。“单杆拆卸”需要机器人的其中一边抓紧要拆卸的目标杆件，而另一边则抓紧框架结构，而且一般来说，在操作时连接机器人两边的铰链夹角为90度。此操作中，需要实时读取凸轮锁驱动电机以及旋转驱动电机的力矩和转角的反馈信息，以保证动作顺利完成。图12描述了此动作的详细步骤：(1)铰链展开小角度，上半边平移运动装置抓紧垂直杆，铰链保持90度；(2)半松开平移运动装置与垂直杆的啮合，使用旋转运动装置啮合垂直杆；(3)完全松开平移运动装置与垂直杆的啮合，旋转运动装置运行180度，卸下杆件，松开旋转运动装置的啮合，抛掉杆件。

图13为框架操作机器人的单杆安装示意图。“单杆安装”动作执行的初始状态为，机器人的一边通过其旋转装置抓持着一个分离的杆件，而另一边的平移运动装置则与结构上的杆紧密啮合。与拆卸动作类似，在进行安装时，铰链必须保持在90度。图13描述了此动作的详细步骤：(1)微幅运动，使杆件与连接器安装位置对准；(2)机器人上半边旋转运功装置运行180度，锁紧杆件，松开旋转装置的啮合，使用平移运动装置啮合垂直杆。

图14为框架操作机器人的单杆重构示意图。“单杆重构”动作中，机器人可以独立的拆卸掉一个杆件，借助一些基本的巡游动作完成换位之后，再将此杆件安装到一个不同的位置。此基本动作对于机器人自动独立搭建和重构框架结构任务来说至关重要。图14描述了此动作的详细步骤：(1)执行单杆拆卸动作，但是不抛掉杆件；(2)缩小铰链角度；(3)机器人平移离开连接器；(4)旋转装置啮合，平移运动装置松开，旋转90度；(5)平移运动装置啮合，旋转运动装置松开，(6)打开铰链至90度，机器人平移并对准连接器上的安装位置；(7)执行单杆装配动作。

Claims (3)

1.一种框架结构操作机器人，其特征是：由两个对称机构和铰链电机组成，所述对称机构之间通过所述铰链电机连接，所述对称机构由旋转运动装置和平移运动装置组成，所述旋转运动装置和平移运动装置配合安装在框架圆杆上。

2.根据权利要求1所述的框架结构操作机器人，其特征是：所述旋转运功装置和平移运动装置都包括啮合凸轮锁装置和驱动装置，所述啮合凸轮锁装置由啮合凸轮锁驱动电机、电机定位板、凸轮和挡块组成，所述啮合凸轮锁驱动电机驱动所述凸轮转动，并通过与所述挡块配合，控制旋转、平移运动装置的啮合和松开，所述驱动装置由橡胶轮、驱动电机和定位板组成，所述旋转驱动电机用于驱动所述橡胶轮转动。

3.根据权利要求2所述的框架结构操作机器人，其特征是：所述橡胶轮上设置有凹凸不平的花纹。