CN208262827U - 一种物品取放智能机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种物品取放智能机器人，以中央处理器为总控单元，向机器人足、垂直臂、水平臂、机械手发送相应命令；机器人足完成行进和列定位，垂直臂完成行定位，水平臂完成物品的当前位置定位，机械手完成取/放操作。本实用新型的物品取放智能机器人，结构简单，各部件功能明确，用于多种场合下的物品取放工作，有效避免人为因素的引入。智能机器人通过导航算法优化，能够非常平稳的行驶，并自动分辩出分叉路口，根据设定指令到达指定物品处，自动完成物品的取放；同时，机器人可以对每次取放动作进行相应记录，省去了对操作进行人工记录的麻烦，节省了人工劳动力，提高了工作效率，降低了成本，为后端自动化流水线加工处理提供了更好的准备工作。

Description

一种物品取放智能机器人

技术领域

本实用新型属于人工智能及设备管理领域，具体涉及一种物品取放智能机器人。

背景技术

目前，随着计算机硬件及通信技术的发展，人工智能技术高度发展，各种机器人在越来越多的领域发挥着无法替代的作用，具有如工作精度高，可连续长时间工作等等优势，是原来的劳动力所无法实现的。在实验及工业领域，也出现了应用在各种不同场景下的机器人，解放了劳动力，提高了工作效率，并从长远的角度来看，降低了生产成本。

实验动物行业广泛使用独立通气笼盒(Individual Ventilated Cages,IVC)对实验动物进行饲养和集中管理。IVC是指密闭独立的笼盒，盒内高换气频率(20-60次/h)的洁净气流独立流通，废气集中外排，并可在超净工作台或生物安全柜内操作和实验的微型SPF级实验动物饲育与实验设备。饲养期间需定期将笼盒取出添加饲料、更换垫料和对笼盒进行更换，操作完成后再将笼盒放回。目前，进入动物房，取出、搬运和放回笼盒的操作均由人工完成。

实验动物饲养通常是在万级净化标准的动物房，对人员出入等有着严格的约束和标准。从各动物实验室按需求从各个笼架上取放笼盒的过程中，操作人员必须经历包括换鞋、更衣、风淋等流程，必须穿戴灭菌的工作服及手套口罩，来保证实验动物房中的万级洁净程度，操作比较繁琐。由工作人员取放及运输笼盒浪费人力、工作效率低，人员的出入及操作可能造成环境污染动物或动物污染环境，对动物及工作人员都存在安全隐患。另外，在同一实验动物房不同笼架中的不同笼盒更换周期也各不相同，这需要人工来记录更换时间点和生长情况等信息，工作极为繁杂。

目前，还没有一种智能机器人可以代替人工进入实验动物房，对笼架上的笼盒进行取放操作。

实用新型内容

本实用新型实施例针对现有技术中智能机器人代替人工尚不完备的问题，提出了一种物品取放智能机器人，智能机器人首先完成对物品待取或放的位置的定位，在定位的基础上完成取放操作。以实验动物房为例，则智能机器人可完成IVC的取出、搬运和放回，实现自动操作，同时对相关操作及时进行记录，不需要工作人员进入动物房，降低动物房维护成本，提高动物实验效率，同时净化实验室，实现对实验动物房的精准、高效管理。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种物品取放智能机器人，所述智能机器人包括：中央处理器、机器人足、垂直臂、水平臂、机械手、电源；其中，

所述中央处理器同时与机器人足、垂直臂、水平臂、机械手、电源相连，固定于机器人足上，用于向机器人足发送行进和停止的命令，向垂直臂发送升降的命令，向水平臂发送伸缩的命令，向机械手发送取/放的命令；

所述机器人足，承载中央处理器、垂直臂、电源，用于接受中央处理器的命令，完成智能机器人的行进和所取/放物品的列定位；

所述垂直臂固定于机器人足上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于完成机械手对所取/放物品的行定位；

所述水平臂固定于垂直臂上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于完成机械手对所取/放物品的当前位置定位；

所述机械手固定于水平臂上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于在定位完成后，完成物品的取/放操作；

所述电源用于为所述机器人提供动力。

进一步地，所述智能机器人足包括：底盘、驱动轮及驱动轮驱动器、万向轮、列定位感应装置、行进导航装置；其中，

所述底盘用于列定位感应装置、行进导航装置、中央处理器的固定和承载；

所述列定位感应装置安装于底盘前端，与中央处理器相连，用于接收中央处理器的列定位任务，通过感应物品的列定位磁条信息完成列定位；

所述行进导航装置与中央处理器相连，用于接收中央处理器的行进任务，通过感应物品存放区的机器人磁轨，识别行进轨道，并将感应信息发送给中央处理器；

所述驱动轮及驱动轮驱动器安装于底盘下侧，与地面接触，同时与所述中央处理器电连接，用于接收中央处理器的来自于行进导航装置的感应信息，根据感应信息驱动机器人沿机器人磁轨行进，完成导航与行进任务；

所述万向轮装配于底盘下侧的四个方位，用于对底盘的辅助支撑。

进一步地，所述驱动轮为2个，对称的安装于底盘的两侧，转向时两只驱动轮采用差动方式。

进一步地，所述垂直臂包括：垂直架、垂直丝杆、第一滑块座、第一步进电机及驱动器；其中，所述垂直架固定在底盘上，垂直丝杆贯穿于所述垂直架，与第一步进电机及驱动器相连；所述第一步进电机及驱动器位于所述垂直架的最上端；所述第一滑块座安装于垂直丝杆上，与水平臂固定连接，垂直丝杆在第一步进电机的带动下旋转，水平臂与第一滑块座一同沿垂直丝杆上下移动。

进一步地，所述水平臂包括：水平丝杆、第二滑块座、第二步进电机及驱动器；其中，

所述水平丝杆固定在垂直臂的第一滑块座上，与第二步进电机及驱动器相连；所述第二步进电机及驱动器位于所述水平架的最后端；所述第二滑块座安装于水平丝杆上，与机械手固定连接；水平丝杆在第二步进电机的带动下旋转，机械手与第二滑块座一同沿水平丝杆前后移动。

进一步地，所述机械手包括：侧板、舵机、连杆组、夹持片、直线滑轨、电机、限位开关；其中，

所述侧板用于将所述机械手固定在水平臂上，同时用于固定舵机、直线滑轨；

所述舵机至少为两个，两个舵机并列固定在侧板内侧，其轴线与侧板的轴线平行，并分别与其中一侧的夹持片相连，用于控制所述夹持片的开合；

所述连杆组为两组，每组包括两个连杆，连接一个舵机与一个夹持片；两个连杆始终保持平行，保证两个夹持片始终保持平行；

所述夹持片为对称的两个，内侧面始终与物品的两个外侧面平行；

所述直线滑轨垂直于侧板，位于机械手最外的两侧；

所述电机与直线滑轨相连，用于控制前端限位开关的伸出和收缩；

所述限位开关位于直线滑轨的前端，用于完成碰触检测任务，检测机械手运行过程中是否发生了碰触事件，并且识别是哪个部位发生了碰触，协调机械手完成对所取/放物品的位置定位。

进一步地，当所述智能机器人用于取/放IVC时，所述机械手还包括：推杆，拨叉，颜色感应器，托举叉；

所述侧板还用于固定颜色感应器、托举叉；

所述舵机为四个，其中两个与夹持片相连，另外两个舵机也固定在侧板上，其中一个舵机与推杆相连，另一个舵机与拨叉相连，为推杆和拨叉提供动力，使推杆推动笼盒，使拨叉顶起笼盒；所述推杆用于推动笼盒，使笼盒脱离卡扣；

所述拨叉用于顶起笼盒，使笼盒到脱离卡槽；

所述颜色感应器安装于侧板上，与舵机同侧，用于感应笼位上的笼盒是否脱离卡扣；

所述托举叉固定在侧板上，与舵机同侧，位于直线滑轨的内侧，并与直线滑轨平行，同时位于整个机械手的最下端，在下面形成一个平面，用于稳固笼盒。

进一步地，当所述智能机器人用于商超商品上架时，所述机械手还包括：拨叉，托举叉；

所述侧板还用于固定托举叉；

所述舵机为三个，其中两个与夹持片相连，另外一个舵机也固定在侧板上，与拨叉相连；

所述拨叉用于顶起商品，使商品达到夹持片的高度；

所述托举叉为一个条带将平面，非固定连接在侧板上，可进行90度翻转，当进行托举动作时，托举叉平面水平，用于托举上架商品；当完成托举动作时，托举叉平面垂直地面；托举叉在侧板上的方向与舵机同侧，位于直线滑轨的内侧，长度大于夹持片，并与直线滑轨平行。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型实施例的智能机器人，结构简单，各部件功能明确，用于多种场合下的物品取放工作，有效避免人为因素的引入。智能机器人通过导航算法优化，能够非常平稳的行驶，并自动分辩出分叉路口，根据设定指令到达指定物品处，自动完成物品的取放；同时，机器人可以对每次取放动作进行相应记录，省去了对操作进行人工记录的麻烦，节省了人工劳动力，提高了工作效率，降低了成本，为后端自动化流水线加工处理提供了更好的准备工作。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的取放物品机器人的结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例的取放物品机器人的机器人足的结构示意图；

图3为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人结构示意图；

图4为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机器人足的结构示意图；

图5为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机器人足的主视图；

图6为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机械手立体结构示意图；

图7为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机械手的主视图；

图8为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机械手的爆炸视图；

图9为本实用新型第二实施例的IVC自动取放机器人的机械手持有笼盒示意图。

附图标记说明：

(1,21)-中央处理器；(2,22)-机器人足；(3,23)-垂直臂；(4,24)-水平臂；(5,25)-机械手；(6,26)-电源；221-底盘；222-驱动轮及驱动轮驱动器；223-万向轮；224-列定位感应装置；225-行进导航装置；251-舵机；252-连杆组；253-推杆；254-拨叉；255-夹持片；256-直线滑轨；257-颜色感应器；258-电机；259-限位开关；2510-托举叉。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型作进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，本实用新型并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式得以实现，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本实用新型的具体细节。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

人工智能中的智能机器人可以应用在多种不同的场合，也可以根据不同的场合对智能机器人的结构及功能进行相应的整合，例如，喷涂行业，可以设计机械手机器人，对特定的位置实现精准喷涂。本实用新型针对特定位置物品的取放，提出了一种智能机器人，可以对特定位置的物品进行自动化的定位和取放，不需要人工参与，一方面节省了劳动力，一方面避免了人为因素的引入，如污染、操作误差等。

特别的，在IVC行业中，目前主要以人工操作为主，仅在后端倒料、清洗和消毒等过程中部分实验室采取自动化流程处理，使用“笼盒清洗机”和“笼盒清洗操作机器人”完成对笼盒的预洗、清洗、冲洗和干燥的操作，但需先进入动物房将笼盒取出才能进行清洗操作，目前IVC的取放均由工作人员进入动物房完成；而在前端，实验动物房内主要是引入了换风系统，对于实时记录笼盒信息和笼盒的取放工作仍然需要依靠人力完成。整个行业基础设施已经比较成熟，操作流程也已形成标准规范，本实用新型将上述物品取放机器人应用在IVC的取放上，通过机械手来代替完成人工取放笼盒的操作，具有自动化程度高、智能化、准确度高的优点，可替代现有的人工取放搬运笼盒的方式，解放人力，提高工作效率，避免动物与工作人员之间的交叉感染，减少对动物及工作人员的健康危害。IVC自动取放机器人进入实验动物房将笼盒取出运输到超净工作台，由工作人员完成更换垫料和更换笼盒等操作，操作完成后机器人再将笼盒放回，并自动完成对操作过程实时记录。

特别的，上述物品取放机器人也可以应用在普通的货架上物品的取放，如超市中商品的上架过程或下架过程。

下面通过具体的实施例，对本实用新型技术方案进行详细说明。

第一实施例

本实施例提供了一种物品取放智能机器人。图1所示为本实施例物品取放智能机器人的结构示意图。如图1所示，本实施例的所述物品取放智能机器人由以下单元组成：中央处理器1、机器人足2、垂直臂3、水平臂4、机械手5、电源6；其中，

所述中央处理器1同时与机器人足2、垂直臂3、水平臂4、机械手5、电源6相连，用于向机器人足2、垂直臂3、水平臂4、机械手5发送工作任务。

所述中央处理器1上运行操作系统，根据消息队列、互斥锁和事件标志组来协同和同步的以下任务：检测运行轨迹的引导检测任务、用于控制机器人行走的导航行走任务、用于实现物品取放的手臂任务、用于判断动作到位或发生碰触的碰触检测任务以及用于控制和显示工作状态的人机交互任务。优选的，所述操作系统为uC/OS操作系统，特别的，为uC/OS-II或uC/OS-III，也可以为其他版本的uC/OS操作系统。优选的，本实施例的中央处理器为STM32微处理器，型号为STM32F103ZET6，该处理器由意法半导体(STMicroelectronics)公司提供。所述中央处理器可以安装在机器人足2上。

所述中央处理器1向机器人足2发送行进和停止的命令，向垂直臂3发送升降的命令，向水平臂4发送伸缩的命令，向机械手5发送取或放的命令。

所述机器人足2，与中央处理器1相连，用于接受中央处理器1的命令，完成智能机器人的行进和所取/放物品的列定位。图2所示为所述机器人足2的结构示意图。如图2所示，所述机器人足2包括：底盘221、驱动轮及驱动轮驱动器222、万向轮223、列定位感应装置224、行进导航装置225，还可以包括行定位感应装置。其中：

所述底盘221用于整个机器人主体部件的固定和承载，列定位感应装置224、行进导航装置225、中央处理器1等都可以安装在底盘221上。同时，还可以作为垂直臂3的底座。

所述列定位感应装置224安装于底盘221前端，与中央处理器1相连，用于接收中央处理器1的定位任务，通过感应物品的列定位磁条信息完成列定位。优选的，所述列定位感应装置224可以由磁传感器组成。

所述行进导航装置225与中央处理器1相连，用于接收中央处理器1的行进任务，通过感应物品存放区的机器人磁轨，识别行进轨道，并将感应信息发送给中央处理器1，中央处理器1再将导航的感应信息发送给驱动轮驱动器222，驱动机器人沿机器人磁轨行进。优选地，所述行进导航装置225由至少两个磁感应器组成，且以“一前一后”的形式分布在底盘的与行进方向平行的中线上，以“两个点形成一条直线”的原理，保证机器人行进的方向。

所述驱动轮及驱动轮驱动器222与所述中央处理器1相连，用于完成行进任务，安装于底盘221上，与地面接触。优选的，所述驱动轮为2个，对称的安装于底盘的两侧，采用6寸的一体成型三相无刷轮毂电机，转向时两只驱动轮采用差动方式。优选的，所述驱动器使用三相无刷电机驱动器，2个编码器可分别测出2个电机的转速，在路面有倾角的情况，若车体发生滑动，可及时发现并进行纠正；车体转向通过差速的方式进行控制，即一个电机加速，另一个电机减速。

所述万向轮223装配于所述底盘221的四个方位，用于对底盘221的辅助支撑。

优选地，所述机器人足2还可以包括行定位感应装置，所述行定位感应装置与中央处理器1相连，用于接收中央处理器1的定位任务，通过感应物品的行定位磁条信息完成行定位。优选的，所述行定位感应装置可以由磁传感器组成。这里的行定位信息主要是指物品的高度信息。由于在特定的物品存放区通常情况下特品的存在高度是固定的，因此，行定位也可以通过直接向中央处理器的操作系统输入高度数值来实现表示高度的行定位，这一单元为可选项。

以上对机器人足进行了详细说明。以下接着说明机器人其他单元。

所述垂直臂3与中央处理器1相连，用于完成机械手的行定位；包括：垂直架、垂直丝杆、第一滑块座、第一步进电机及驱动器；其中，所述垂直架固定在底盘221上，垂直丝杆贯穿于所述垂直架，与第一步进电机及驱动器相连；所述第一步进电机及驱动器位于所述垂直架的最上端；所述第一滑块座安装于垂直丝杆上，与水平臂固定连接。垂直丝杆在第一步进电机的带动下旋转，水平臂与第一滑块座一同沿垂直丝杆上下移动。所述第一步进电机及驱动器与所述中央处理器1进行电连接，接受中央处理器1的升降任务。优选地，所述垂直臂3的垂直丝杆采用高精度丝杆，如螺间距为10mm或5mm的高精度丝杆，第一步进电机为闭环步进电机，通过编码器反馈，保证运行精度达到0.1mm，并有效抑制丢步问题，提高控制精度、消除累积误差。

所述水平臂4包括：水平架、水平丝杆、第二滑块座、第二步进电机及驱动器；其中，所述水平丝杆固定在垂直臂的第一滑块座上，与第二步进电机及驱动器相连；所述第二步进电机及驱动器位于所述水平架的最后端(以机械手所在的一端为前端)；所述第二滑块座安装于水平丝杆上，与机械手固定连接。水平丝杆在第二步进电机的带动下旋转，机械手与第二滑块座一同沿水平丝杆前后移动，完成机械手对笼盒位置的伸缩动作。所述第二步进电机及驱动器与所述中央处理器21进行电连接，接受中央处理器21的水平移动任务，将机械手25送入/拉出笼架，实现IVC取/放操作。优选地，所述水平丝杆采用螺间距为10mm或5mm的高精度丝杆，第二步进电机为闭环步进电机，通过编码器反馈，保证运行精度达到0.1mm，并有效抑制丢步问题，提高控制精度、消除累积误差。所述机械手5用于完成对标的物品的取放操作。所述机械手5可以根据所取放物品的不同进行不同的改造和设计。基本的，所述机械手5包括以下部分：侧板、舵机、连杆组、夹持片、直线滑轨、电机、限位开关；其中，

所述侧板用于将所述机械手固定在水平丝杆的第二滑块座上，同时用于固定舵机、直线滑轨。

所述连杆组为两组，每组包括两个连杆，连接一个舵机与一个夹持片，两个连杆始终保持平行，保证两个夹持片始终保持平行；

所述舵机至少为两个，两个舵机并列固定在侧板内侧，其轴线与侧板的轴线平行，并分别与其中一侧的夹持片相连，用于控制所述夹持片的开合；

所述夹持片为对称的两个，内侧面始终与物品的两个外侧面平行；

所述直线滑轨垂直于侧板，位于机械手最外的两侧；

所述电机与直线滑轨相连，用于控制前端限位开关的伸出和收缩。

所述限位开关位于直线滑轨的前端，用于完成碰触检测任务，检测机械手运行过程中是否发生了碰触事件，并且识别是哪个部位发生了碰触，协调机械手完成对所取/放物品的位置定位。上述碰触检测模块为电感式接近传感模块和机械限位开关。还可采用其他常规检测方式。

所述电源6为锂电池。优选的，采用36V30Ah锂电池，可以安装在底盘21上。

当进行物品取放时，所述物品取放机器人执行以下操作：

步骤S11，中央处理器接受并分析任务，对各个单元下达指令；

步骤S12，机器人足上的行进导航装置开始导航，将导航信息反馈给中央处理器，中央处理器将导航信息发送给驱动轮驱动器，驱动器驱动驱动轮，机器人开始沿机器人磁轨行进；

步骤S13，列定感应装置开启，在行进的过程中感应物品的列定位磁信息，当感应到时，停止行进，完成列定位；

步骤S14，根据高度数据或行定位感应装置，引导垂直臂升降，完成物品的行定位；

步骤S15，引导水平臂的伸缩，将机械手伸到物品位置；

步骤S16，机械手启动，完成物品的取/放动作；

步骤S17，取/放动作完成后，机器人收回机械手，水平臂及垂直臂复位，机器人沿原行进路线退回休息区，或执行下一个任务。

本实施例的物品取放机器人，结构简单，各部件功能明确，可用于多种场合下的物品取放工作，尤其是对人为因素敏感的情况，可以有效避免人为因素的引入。智能机器人通过导航算法优化，能够非常平稳的行驶，并自动分辩出分叉路口，根据设定指令到达指定物品处，自动完成物品的取放；同时，机器人可以对每次取放动作进行相应记录，也可以通过对所取物品进行编码记录物品的取放历史，省去了对操作进行人工记录的麻烦，节省了人工劳动力，提高了工作效率，降低了成本，为后端自动化流水线加工处理提供了更好的准备工作。

第二实施例

下面具体的以实验动物房的IVC取放为例，对本实用新型的物品取放智能机器人作进一步详细介绍。

图3为本实施例的所述IVC自动取放机器人结构示意图，如图3所示，所述IVC自动取放机器人由以下单元组成：中央处理器21、机器人足22、垂直臂23、水平臂24、机械手25、电源26；其中，

所述中央处理器21同时与机器人足22、垂直臂23、水平臂24、机械手25、电源26相连，是机器人的计算和控制中心，用于接受任务控制器的任务，并向机器人足22发送行进和停止的命令，向垂直臂23发送升降的命令，向水平臂24发送伸缩的命令，向机械手25发送取/放的命令，所述中央处理器上运行uC/OS操作系统。

优选的，所述中央处理器21根据消息队列、互斥锁和/或事件标志组来协同和同步的以下任务：检测运行轨迹的行进导航任务、控制装置沿导航轨迹行走的行进驱动任务、实现笼盒取/放的手臂定位任务和机械手定位任务、用于判断取/放是否完成的笼位指示块5感应任务，还可以包括控制和显示工作状态的人机交互任务。优选的，所述uC/OS操作系统为uC/OS-II或uC/OS-III，也可以为其他版本的uC/OS操作系统。优选的，本实施例的中央处理器为STM32微处理器，型号为STM32F103ZET6，该处理器由意法半导体(STMicroelectronics)公司提供。所述中央处理器可以安装在机器人足22上。

所述机器人足22，与中央处理器21相连，用于接受中央处理器21的命令，完成智能机器人的导航与行进，为机械手25提供对所取/放笼盒的列定位。图4所示为所述机器人足22的结构示意图，图5所示为所机器人足22的主视图。如图4和图5所示，所述机器人足22包括：底盘221、驱动轮及驱动轮驱动器222、万向轮223、列定位感应装置224、行进导航装置225。其中：所述底盘221用于整个机器人主体部件的固定和承载，列定位感应装置224、行进导航装置225、中央处理器21等都可以安装在底盘221上。同时，还可以作为垂直臂23的底座。所述列定位感应装置224与中央处理器21相连，用于接收中央处理器21的定位任务，与感应定位磁条的信息完成列定位。优选的，所述列定位感应装置224可以由磁传感器组成。所述行进导航装置225与中央处理器21相连，用于接收中央处理器21的行进任务，与感应机器人磁轨的信息，并将感应信息发送给中央处理器21，中央处理器21将感应信息再发送给驱动轮及驱动轮驱动器222，驱动机器人沿磁轨行进。优选地，所述行进导航装置225由至少两个磁感应器组成，且以“一前一后”的形式分布在底盘的与行进方向平行的中线上，以“两个点形成一条直线”的原理，保证机器人行进的方向。所述驱动轮及驱动轮驱动器222与所述中央处理器21相连，用于完成行进任务，安装于底盘上，与地面接触。优选的，所述驱动轮为2个，对称的安装于底盘的两侧，采用6寸的一体成型三相无刷轮毂电机，转向时两只驱动轮采用差动方式。优选的，所述驱动器使用三相无刷电机驱动器，2个编码器可分别测出2个电机的转速，在路面有倾角的情况，若车体发生滑动，可及时发现并进行纠正；车体转向通过差速的方式进行控制，即一个电机加速，另一个电机减速。所述万向轮223装配于所述底盘221下侧的四个角，用于对底盘221的辅助支撑。

所述垂直臂23包括：垂直架、垂直丝杆、第一滑块座、第一步进电机及驱动器；其中，所述垂直架固定在底盘上，垂直丝杆贯穿于所述垂直架，与第一步进电机及驱动器相连；所述第一步进电机及驱动器位于所述垂直架的最上端；所述第一滑块座安装于垂直丝杆上，与水平臂固定连接。垂直丝杆在第一步进电机的带动下旋转，水平臂与第一滑块座一同沿垂直丝杆上下移动。所述第一步进电机及驱动器与所述中央处理器进行电连接，接受中央处理器的升降任务。优选地，所述垂直臂23的垂直丝杆采用高精度丝杆，如螺间距为10mm或5mm的高精度丝杆，第一步进电机为闭环步进电机，通过编码器反馈，保证运行精度达到0.1mm，并有效抑制丢步问题，提高控制精度、消除累积误差。

所述水平臂24包括：水平丝杆、第二滑块座、第二步进电机及驱动器；其中，所述水平丝杆固定在垂直臂23的垂直臂杆的下端，所述第二滑块座安装于水平丝杆上，与第二步进电机及驱动器相连，机械手25与第二滑块座相连，在第二步进电机的带动下，第二与滑块座一同沿水平丝杆水平移动；所述第二步进电机及驱动器与所述中央处理器21进行电连接，接受中央处理器21的水平移动任务，可以安装在与机械手25相对的水平丝杆的另一端，用于引导机械手25沿Z轴运动，将机械手送入或拉出笼架，方便IVC取放操作。优选地，所述水平丝杆采用高精度丝杆，如螺间距为10mm或5mm的高精度丝杆，通过闭环步进电机可以实现0.1mm的移动精度控制，并有效防止了丢步情况的发生。

图6所示为本实施例所述机械手立体结构示意图；图7所示为本实施例所述机械手的主视图；图8所示为本实施例机械手的爆炸视图；图9所示为本实施例机械手持有笼盒示意图。如图6至9所示，本实施例的机械手25包括：侧板250、舵机251、连杆252、推杆253、拨叉254、夹持片255、直线滑轨256、颜色感应器257、电机258、限位开关259，还可以包括：托举叉2510。机械手以侧板250的中线为轴，呈对称分布，其中的舵机251、连杆组252、推杆253、拨叉254、夹持片255、直线滑轨256、电机258、限位开关259、托举叉2510均呈对称分布，以成对的方式实现其相应的功能。

所述侧板250与水平臂24的水平丝杆固定连接，板面与所述水平丝杆垂直，可沿水平丝杆移动；侧板250的内侧用于固定舵机251、直线滑轨256、颜色感应器257、托举叉2510；另一侧为外侧，作为机械手25的背面。

所述连杆组252为两组，每组包括两个连杆，连接一个舵机与一个夹持片，两个连杆始终保持平行，保证两个夹持片255始终保持平行，保证在夹取开合的过程中对称的一对夹持片255内侧面始终与笼盒外侧面平行。

所述舵机251为四个，其中两个舵机并列固定在侧板250内侧，其轴线与侧板250的轴线平行，并分别与其中一侧的夹持片255通过一组连杆252相连，用于控制所述夹持片255的开合，实现机械手25抓取动作。另外两个舵机251也固定在侧板上，其中一个舵机与推杆253相连，另一个舵机与拨叉254相连，为推杆253和拨叉254提供动力，在抓取过程中使推杆253推动笼盒，使拨叉254顶起笼盒，使笼盒脱离笼架上的卡扣，便于夹持片255将笼盒顺利从笼架取出。

所述夹持片255为两片，相互平行且对称分布于机械手两侧，两个夹持片25的内侧面与笼盒的两个外表面平行，用于夹持笼盒。优选的，所述夹持片255上可以安装海绵，一方面用于增加夹持片与笼盒之间的摩擦力提高平持的稳定性，另一方面避免夹持片和笼盒之间产生硬摩擦，以保护笼盒。

所述推杆253用于推动笼盒，使笼盒脱离卡扣。

所述拨叉254用于顶起笼盒，使笼盒脱离卡槽。

所述直线滑轨256的一端固定在侧板250内侧，与侧板250垂直，平行的在垂直于侧板的方向上位于最外的两侧。

所述电机258与直线滑轨256相连，用于控制前端限位开关259的伸出和收缩。

所述限位开关259位于直线滑轨的前端，用于完成碰触检测任务，检测机械手25沿z轴运动过程中是否发生了碰触事件，从而完成机械手25沿z轴的定位。优选的，所述限位开关259为电感式接近传感模块和机械限位开关，还可采用其他常规检测方式。

所述颜色感应器257安装于侧板250上，与舵机251同侧，其高度恰好与笼位指示块相齐。

所述托举叉2510固定在侧板250的内侧，位于直线滑轨256的内侧，并与直线滑轨256平行，同时位于整个机械手的最下端，在下面形成一个平面，用于稳固笼盒。优选的，所述托举叉上可以根据实际需要安装识别感应装置，例如限位开关。

这里需要说明的是，笼盒在放入笼架以后，就会被笼架卡住，落入笼架上的卡槽内。笼架卡住笼盒稳定在卡槽内有两个相互配合的模块，一个是卡扣，另一个是位于笼架上笼盒位置后的橡胶塞。这里的橡胶塞形状为圆筒形，内部中空，一方面用于给笼盒通气，另一方面用于从后端顶住落入卡槽的笼盒，使笼盒卡入卡扣，保证笼盒在相应位置上的稳定，从而保证所饲养的实验动物在正常活动的情况下也不会引起笼盒的偏移和跌落，而这给机械手25取/放笼盒带来了不便。为了保证每次抓取笼盒时都能准确无误的脱离卡扣，以及放入笼架时成功落入卡扣，整个取/放过程中是需要程序算法和机械手各部分结构相互协调配合才能达到100％成功取/放，并要求机械手25取/放精度达到2mm。

下面通过一个取出笼盒的例子来说明机械手的操作过程。

当IVC自动取放机器人定位完成后，机械手25接到中央处理器21的命令开始拿取动作。

优选的，在进行拿取动作之前，需要通过机械手25上安装的各部分传感器协同来完成二次微调，以达到精准定位的目的。这里的微调通过限位开关完成。直线滑轨256的前端装有两个限位开关259用来识别笼架的左右障碍物，限位开关259通过左右两边的直线滑轨256及贯穿式电机258调节前进位置。优选的，托举叉2510靠近侧板250的头部底端也可以安装一个限位开关，这里的限位开关用于识别笼架下方的横梁；推杆上也可以设置一个限位开关，用于识别笼架内部深浅不同的格子；同时侧板250的内侧的颜色感应器257用于识别笼盒与卡槽之间的位置关系，判断笼盒是否脱离卡槽或进入卡槽。当脱离卡槽时，颜色感应器感应到笼位指示块；否则，无法感应到笼位指示块。这里的笼位指示块用于协助机器人判断笼盒是否脱离笼架的卡槽，可以设置在笼架上，每个笼盒位置上设置一个笼位指示块。

在定位的二次微调完成后：

首先，由舵机251带动推杆253向笼架内推动笼盒，再带动拨叉254向上顶起笼盒，使笼盒脱离笼架上的卡槽；此时，颜色感应器257判断笼盒是否脱离卡槽；如果颜色感应器感应到笼盒指示块，则笼盒已脱离卡槽，执行下一步；如果颜色感应器未感应到笼盒指示块，则笼盒未脱离卡槽，重复执行本步骤，直到颜色感应器257感应到笼盒指示块。

其次，两片夹持片252由舵机251同时带动，平行向内闭合运动，夹住笼盒的外侧面。两个舵机251使得两片夹持片252始终保证平行运动，夹持片252在夹住笼盒的接触面时能够紧密贴合而均匀受力，夹持片252施加的夹力要能保证笼盒能够顺利从笼架内取出笼盒。

再次，托举叉2510稳固笼盒，保证在夹持片的夹持力量不够的情况下有托举叉2510提供托力。

下面再以一个放回笼盒的过程为例，对机械手的操作进行说明。

当需要将笼盒放回笼架时，两片夹持片252由左右两个舵机251同时带动夹住的笼盒沿水平丝杆运动，两片夹持片252始终保证平行运动，将笼盒向笼架内送入预定的深度。IVC自动取/放机器人完成定位后，与取出过程一样进行定位的二次微调，微调完成后：

首先，舵机251带动两片夹持片252向外打开运动，松开笼盒，使笼盒落入笼架卡槽的位置；

其次，推杆253推动笼盒，使笼盒顶住后侧的橡胶塞移动一小段距离，在自身重力作用下笼盒前端进入卡槽，在橡胶塞的反弹作用下，笼盒回弹，卡扣卡住笼盒，并在橡胶塞的弹力作用下稳定在卡槽内。此时，颜色感应器257判断笼盒是否进入卡槽；如果颜色感应器无法感应到笼盒指示块，则笼盒已进入卡槽，执行下一步；如果颜色感应器伋然感应到笼盒指示块，则笼盒未进入卡槽，重复执行本步骤，直到颜色感应器不能感应到笼盒指示块。

本实施例所述机械手25累计误差小，抓取精度高达2mm，并能配合机器人实现笼盒位置的精准微调和定位。机械手结构简单，各部件功能明确，夹持片上安装的海绵缓解了舵机堵转导致的断电松开问题，异形设计的托举叉和推杆限位开关避开了笼架内部的通风管、螺母、横梁等结构干扰。机械手通过安装的光纤放大器可以识别笼盒取放过程是否精准可靠，并通过多处物理限位开关判断机械手当前的位置状态。机械手通过螺纹丝杆加闭环步进电机保证伸缩精度达到0.1mm，并有效抑制了丢步问题。机械手解决了前端实验动物房内的笼架和笼盒管理以及笼盒取放等工作，大大节省了劳动力，并提高了工作效率，为后端自动化流水线处理提供了更好的基础设施。

所述电源26为锂电池。优选的，采用36V30Ah锂电池，可以安装在底盘221上。这里的电池26是IVC自动取/放机器人的动力来源，与中央处理器21、驱动轮驱动器222、第一步进电机、第二步进电机、及机械手上的电机258均进行电连接。

由此可以看出，本实施例的IVC自动取放智能机器人，结构简单，各部件功能明确，解决了前端实验动物房内的笼盒取放、笼架和笼盒管理等工作。智能机器人通过导航算法优化，能够非常平稳的行驶，并自动分辩出分叉路口，根据设定指令到达指定笼架的指定笼盒处，自动完成IVC的取放；同时，机器人通过导航技术精准地找到特定笼架上特定位置的笼盒，并通过笼盒底部的标签，例如rfid标签，在程序中记录并区分这些标签的编号，及时记录各个笼盒的操作历史，省去了人工在每次取出或放回IVC时对操作进行人工记录的麻烦；节省了人工劳动力，提高了工作效率，降低了实验成本，为后端自动化流水线加工处理提供了更好的准备工作，实现了对实验动物房的精准高效管理。

第三实施例

本实施例提供了一种超市商品上架智能机器人。本实施例的机器人与第一实施例的机器人主体结构相同，都包括：中央处理器、机器人足、垂直臂、水平臂、机械手、电源，其各个单元的连接方式及功能也相同，所不同的是：

所述机械手还包括：托举叉；

所述侧板还用于固定托举叉；

所述托举叉为一个条带状平面，非固定连接在侧板上，可进行90度翻转，当进行托举动作时，托举叉平面水平，用于托举上架商品；当完成托举动作时，托举叉平面垂直地面；托举叉在侧板上的方向与舵机同侧，位于直线滑轨的内侧，长度大于夹持片，并与直线滑轨平行。

当对商品进行上架操作时，智能机器人的托举叉垂直；首先用机械手的夹持片夹持住商品，翻转托举叉为水平后，夹持片将商品放到托举叉上；智能机器人根据商品的种类进行定位，行进到上架区后，将机械手伸到上架的商品位，拨叉向上顶起商品，夹持片夹住商品，托举叉翻转为垂直，夹持片放松，将商品放置在相应的商品位。

优选的，所述机器人的机械手还可以包括拨叉，所述拨叉用于顶起商品，使商品达到夹持片的高度。当包括拨叉时，所述舵机为三个，其中两个舵机对称的固定在侧板上，第三个舵机与拨叉相连，用于为拨叉的动作提供方向和动力。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种物品取放智能机器人，其特征在于，所述智能机器人包括：中央处理器、机器人足、垂直臂、水平臂、机械手、电源；其中，

所述中央处理器同时与机器人足、垂直臂、水平臂、机械手、电源相连，固定于机器人足上，用于向机器人足发送行进和停止的命令，向垂直臂发送升降的命令，向水平臂发送伸缩的命令，向机械手发送取/放的命令；

所述机器人足，承载中央处理器、垂直臂、电源，用于接受中央处理器的命令，完成智能机器人的行进和所取/放物品的列定位；

所述垂直臂固定于机器人足上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于完成机械手对所取/放物品的行定位；

所述水平臂固定于垂直臂上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于完成机械手对所取/放物品的当前位置定位；

所述机械手固定于水平臂上，与机器人足上的中央处理器电连接，用于在定位完成后，完成物品的取/放操作；

所述电源用于为所述机器人提供动力。

2.根据权利要求1所述的物品取放智能机器人，其特征在于，所述智能机器人足包括：底盘、驱动轮及驱动轮驱动器、万向轮、列定位感应装置、行进导航装置；其中，

所述底盘上固定有列定位感应装置、行进导航装置、中央处理器；

所述列定位感应装置安装于底盘前端，与中央处理器相连，用于接收中央处理器的列定位任务，通过感应物品的列定位磁条信息完成列定位；

所述行进导航装置与中央处理器相连，用于接收中央处理器的行进任务，通过感应物品存放区的机器人磁轨，识别行进轨道，并将感应信息发送给中央处理器；

所述驱动轮及驱动轮驱动器安装于底盘下侧，与地面接触，同时与所述中央处理器电连接，用于接收中央处理器的来自于行进导航装置的感应信息，根据感应信息驱动机器人沿机器人磁轨行进，完成导航与行进任务；

所述万向轮装配于底盘下侧的四个方位，用于对底盘的辅助支撑。

3.根据权利要求2所述的物品取放智能机器人，其特征在于，所述驱动轮为2个，对称的安装于底盘的两侧，转向时两只驱动轮采用差动方式。

4.根据权利要求1所述的物品取放智能机器人，其特征在于，所述垂直臂包括：垂直架、垂直丝杆、第一滑块座、第一步进电机及驱动器；其中，所述垂直架固定在底盘上，垂直丝杆贯穿于所述垂直架，与第一步进电机及驱动器相连；所述第一步进电机及驱动器位于所述垂直架的最上端；所述第一滑块座安装于垂直丝杆上，与水平臂固定连接，垂直丝杆在第一步进电机的带动下旋转，水平臂与第一滑块座一同沿垂直丝杆上下移动。

5.根据权利要求1所述的物品取放智能机器人，其特征在于，所述水平臂包括：水平丝杆、第二滑块座、第二步进电机及驱动器；其中，

所述水平丝杆固定在垂直臂的第一滑块座上，与第二步进电机及驱动器相连；所述第二步进电机及驱动器位于所述水平架的最后端；所述第二滑块座安装于水平丝杆上，与机械手固定连接；水平丝杆在第二步进电机的带动下旋转，机械手与第二滑块座一同沿水平丝杆前后移动。

6.根据权利要求1所述的物品取放智能机器人，其特征在于，所述机械手包括：侧板、舵机、连杆组、夹持片、直线滑轨、电机、限位开关；其中，

所述侧板用于将所述机械手固定在水平臂上，同时用于固定舵机、直线滑轨；

所述舵机至少为两个，两个舵机并列固定在侧板内侧，其轴线与侧板的轴线平行，并分别与其中一侧的夹持片相连，用于控制所述夹持片的开合；

所述连杆组为两组，每组包括两个连杆，连接一个舵机与一个夹持片；两个连杆始终保持平行，保证两个夹持片始终保持平行；

所述夹持片为对称的两个，内侧面始终与物品的两个外侧面平行；

所述直线滑轨垂直于侧板，位于机械手最外的两侧；

所述电机与直线滑轨相连，用于控制前端限位开关的伸出和收缩；

所述限位开关位于直线滑轨的前端，用于完成碰触检测任务，检测机械手运行过程中是否发生了碰触事件，并且识别是哪个部位发生了碰触，协调机械手完成对所取/放物品的位置定位。

7.根据权利要求6所述的物品取放智能机器人，其特征在于，当所述智能机器人用于取/放IVC时，所述机械手还包括：推杆，拨叉，颜色感应器，托举叉；

所述侧板还用于固定颜色感应器、托举叉；

所述舵机为四个，其中两个与夹持片相连，另外两个舵机也固定在侧板上，其中一个舵机与推杆相连，另一个舵机与拨叉相连，为推杆和拨叉提供动力，使推杆推动笼盒，使拨叉顶起笼盒；

所述推杆用于推动笼盒，使笼盒脱离卡扣；

所述拨叉用于顶起笼盒，使笼盒脱离卡槽；

所述颜色感应器安装于侧板上，与舵机同侧，用于感应笼位上的笼盒是否脱离卡扣；

所述托举叉固定在侧板上，与舵机同侧，位于直线滑轨的内侧，并与直线滑轨平行，同时位于整个机械手的最下端，在下面形成一个平面，用于稳固笼盒。

8.根据权利要求6所述的物品取放智能机器人，其特征在于，当所述智能机器人用于商超商品上架时，所述机械手还包括：拨叉，托举叉；

所述侧板还用于固定托举叉；

所述舵机为三个，其中两个与夹持片相连，另外一个舵机也固定在侧板上，与拨叉相连；

所述拨叉用于顶起商品，使商品达到夹持片的高度；

所述托举叉为一个条带将平面，非固定连接在侧板上，可进行90度翻转，当进行托举动作时，托举叉平面水平，用于托举上架商品；当完成托举动作时，托举叉平面垂直地面；托举叉在侧板上的方向与舵机同侧，位于直线滑轨的内侧，长度大于夹持片，并与直线滑轨平行。