CN211761554U

CN211761554U - 一种机械手臂和一种无人机自动换电系统

Info

Publication number: CN211761554U
Application number: CN201921558351.9U
Authority: CN
Inventors: 崔鹏
Original assignee: Beijing Sankuai Online Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Sankuai Online Technology Co Ltd
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2029-09-18

Abstract

本实用新型公开了一种机械手臂和一种无人机自动换电系统。该机械手臂包括机械手，机械手包括：基座、驱动机构、第一手指、第二手指和机械手控制器；第一手指和第二手指反向联动地设置在基座上；第一手指和第二手指接触物体的末端均设置有触觉传感器，用于获取压力值；第一手指和/或第二手指连接有角度传感器，用于获得相对应的手指角度；触觉传感器和角度传感器电连接机械手控制器，以向机械手控制器传送参数信号；机械手控制器与驱动机构电连接，以向驱动机构发出控制信号。本申请可利用触觉传感器准确获取机械手臂抓取物体的反馈，并根据反馈情况调整抓取位置，从而改善抓取动作，该方式响应速度快，不存在机械阻隔，控制简单容易，成本更低。

Description

一种机械手臂和一种无人机自动换电系统

技术领域

本实用新型涉及机器人设计技术领域，特别涉及一种机械手臂和一种无人机自动换电系统。

背景技术

在现今愈加自动化的生产过程中，机器人的应用显著提高了流水线作业的效率，节省了很多人力物力。然而，在现有的机器人设计过程中，机械手臂的抓取反馈方式却仍存在缺陷，影响机器人机械手臂的控制精度。

例如，机械手臂的关节电流反馈方式，仅适用于直驱情况或减速比很小的情况，因为在这些情况下关节摩擦力很小，造成的损耗小，因而反馈较为准确，可实现机械手臂控制，但是，在摩擦力引起较大消耗的情况下，控制模型所需要考虑的摩擦力模型极为复杂，因而无法得到良好的控制效果，而且该方式价格昂贵，因此应用受限。

实用新型内容

鉴于现有技术机械手臂反馈方式模型复杂、控制效果不佳的问题，提出了本实用新型的一种机械手臂和一种无人机自动换电系统，以便克服上述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

依据本实用新型的一个方面，提供了一种机械手臂，包括机械手，所述机械手包括：基座、驱动机构、第一手指、第二手指和机械手控制器；

所述第一手指和所述第二手指反向联动地设置在所述基座上；所述第一手指和所述第二手指接触物体的末端均设置有触觉传感器，用于获取压力值；所述第一手指和/或所述第二手指连接有角度传感器，用于获得相对应的手指角度；所述触觉传感器和所述角度传感器电连接于所述机械手控制器，以向所述机械手控制器传送参数信号；所述机械手控制器与所述驱动机构电连接，以向所述驱动机构发出控制信号。

可选地，所述第一手指和所述第二手指均为连杆机构，对称地设置在所述基座上；

所述驱动机构包括：马达、第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮与所述第一手指刚性连接，所述第二齿轮与所述第二手指刚性连接，所述第三齿轮与所述马达连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，所述第三齿轮与所述第一齿轮啮合。

可选地，所述角度传感器为电位计，所述机械手还包括：第四齿轮，所述电位计与所述第四齿轮刚性连接，所述第四齿轮与所述第二齿轮啮合；

所述第二齿轮转动时带动所述第四齿轮转动，使所述电位计采集手指的实时角度。

可选地，所述第一手指和所述第二手指均为平行四边形连杆机构。

可选地，所述第一手指和所述第二手指的触觉传感器表面附着有预设厚度的弹性材料。

可选地，所述机械手还包括行程开关，所述行程开关用于限制所述机械手相对被抓取物运动的距离。

可选地，所述机械手臂还包括机械臂和机械臂控制器，所述机械臂控制器连接所述机械臂，所述机械臂为三轴正交运动机械臂。

可选地，所述机械臂包括第一滑台、第二滑台、第三滑台；所述第一滑台沿竖直方向设置，滑动连接在所述第二滑台上，所述第二滑台沿水平第一方向设置，滑动连接在所述第三滑台和第四滑台上，所述第三滑台沿水平第二方向设置；

在所述机械臂控制器的控制下，所述第一滑台带动所述机械手沿竖直方向滑动，所述第二滑台带动所述第一滑台沿水平第一方向滑动，所述第三滑台带动所述第二滑台沿水平第二方向滑动。

可选地，所述机械臂还包括第四滑台，所述第四滑台与第三滑台平行设置，用于共同支撑和带动所述第二滑台滑动。

依据本实用新型的另一个方面，提供了一种无人机自动换电系统，该系统包括无人机、充电舱、总控系统和如上任一项所述的机械手臂；所述总控系统包括总控制器，所述总控制器与所述机械手臂的机械手控制器和机械臂控制器电连接，所述机械手臂用于抓取充电舱内的电池为无人机更换。

可选地，该无人机自动换电系统还包括飞机引导台，所述总控系统还包括无人机控制系统、飞机引导台控制器和充电舱管理系统；所述总控制器与所述无人机控制系统无线通信，与所述飞机引导台控制器、机械臂控制器、机械手控制器和充电舱管理系统通过总线通信。

可选地，所述飞机引导台的上表面布置有用于引导无人机降落的导柱。

综上所述，本实用新型的有益效果是：

在反向联动的手指末端设置触觉传感器，获取压力值，以及设置连接手指的角度传感器，获取手指角度，用这些数据获得机械手抓取动作的反馈，从而判断抓取动作的偏差并进行调整，以控制第一手指和第二手指更准确地抓取物体。而且，由于压力检测元件触觉传感器设置在手指末端接触物体的位置，与实施元件手指在同一位置，因而响应速度快，不存在机械阻隔的惯性影响，使机械手控制起来更简单，且成本更低。

附图说明

图1为本实用新型一个机械手臂实施例的机械手剖面示意图；

图2为图1所示机械手的立体结构示意图；

图3为图1所示机械手的正视图；

图4为图1至图3所示机械手抓取物体时的示意图；

图5为图4所示抓取动作的调整原理示意图；

图6为本实用新型一个无人机自动换电系统实施例的示意图，其安装有如图1至图5所示机械手臂；

图7为图6所示无人机自动换电系统的侧视图；

图8为图6所示无人机自动换电系统的总控系统组成示意图；

图中：100、机械手；101、马达；102、基座；103、第一手指；104、第二手指；105、第一齿轮；106、第二齿轮；107、第三齿轮；108、第四齿轮；109、电位计；110、行程开关；111、第一触觉传感器；112、第二触觉传感器；200、机械臂；201、第一滑台；202、第二滑台；203、第三滑台；204、第四滑台；300、无人机；400、充电舱；500、飞机引导台；600、机载电池；601、夹持端。

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，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，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，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

本实用新型的技术构思是：改善控制机械手臂抓取物体时的反馈方式，在反向联动的手指末端设置触觉传感器，获取压力值，以及设置连接手指的角度传感器，获取手指角度，利用这些数据就得到了机械手抓取动作的反馈，从而判断抓取动作的偏差并进行调整，以控制第一手指和第二手指更准确地抓取物体。而且，由于压力检测元件触觉传感器设置在手指末端接触物体的位置，与实施元件手指在同一位置，因而响应速度快，不存在机械阻隔的惯性影响，使机械手控制起来更简单快速，且成本更低。

图1至图3示出了本实用新型一个实施例的机械手臂的机械手结构组成，图4至图5示出了该实施例机械手抓取物体的调整过程。

如图1至图3所示，一种机械手臂，包括机械手100，该机械手100包括：基座102、驱动机构、第一手指103、第二手指104以及机械手控制器。

第一手指103和第二手指104反向联动地设置在基座102上；第一手指103和第二手指104接触物体的末端均设置有触觉传感器，用于获取压力值。见图1至图3所示，第一手指103末端内侧设置有第一触觉传感器111，第二手指104末端内侧设置有第二触觉传感器112。

此外，第一手指103和/或第二手指104还连接有角度传感器，用于获得相对应的手指角度。在本实施例中，角度传感器为电位计109，通过电压变化指示手指角度变化。

触觉传感器和角度传感器电连接于机械手控制器，以向机械手控制器传送参数信号；机械手控制器与驱动机构电连接，以向驱动机构发出控制信号。由此，机械手控制器根据第一手指103和第二手指104的触觉传感器压力值之差，以及角度传感器获取的手指角度，就可判断第一手指103和第二手指104的抓取动作偏差，继而控制驱动机构驱动第一手指103和第二手指104张开运动或闭合运动，以快速准确地抓取物体。

如图4所示，被抓取物为机载电池600。初始时，机械手100的中线相对于机载电池600的夹持端601中线位置偏上。当本实施例的机械手100开始抓取时，下方的第二触觉传感器112会先于第一触觉传感器111采集到压力数据，即第二触觉传感器112的压力值P2大于第一触觉传感器111的压力值P1。从而，通过比较两个触觉传感器的压力之差，就可以判断出抓取位置的偏差情况，并据此调整机械手100的抓取动作，此过程中，控制手指张开和闭合程度的依据，就是角度传感器实时采集到的手指角度。

如图5所示，该动作调整是一个逐渐收敛的过程，当第一触觉传感器111和第二触觉传感器112采集压力差值y_diff最终小于预设值时(趋近于零)，说明此刻机械手100的中线与夹持端601中线已经重合，即实现了抓取位置的自适应调整，可以实现稳定抓取。而且，由于检测压力的触觉传感器设置在手指接触被抓取物的末端，因而反馈检测的位置和施力位置相同，反馈迅速而准确，且成本更低。

在本实施例中，第一手指103和第二手指104均为连杆机构，对称地设置在基座102上。驱动机构包括：马达101、第一齿轮105、第二齿轮106和第三齿轮107，第一齿轮105与第一手指103刚性连接，第二齿轮106与第二手指104刚性连接，第三齿轮107与马达101连接，第一齿轮105和第二齿轮106啮合，第三齿轮107与第一齿轮105啮合。当马达101带动第三齿轮107转动时，第三齿轮107通过齿轮传动带动第一齿轮105和第二齿轮106同时转动，从而控制第一手指103和第二手指104反向联动。

例如，本实施例中，当马达101顺时针转动时，驱动第一手指103和第二手指104闭合运动，当马达101逆时针转动时，驱动第一手指103和第二手指104张开运动。

在本实施例中，角度传感器为电位计109，机械手100还包括：第四齿轮108，电位计109与第四齿轮108刚性连接，第四齿轮108与第二齿轮106啮合。

当第二齿轮106转动时，会带动第四齿轮108转动，使电位计106输出电位变化，从而采集手指的实时角度。根据该手指的实时位置，机械手控制器可以方便地调整机械手100抓取不同尺寸的物体。

在本实施例中，如图1所示，第一手指103和第二手指104均为平行四边形连杆机构，可以随齿轮转动而反向对称运动，当然，其他连杆形式的手指结构也可应用于本申请，在此不一一赘述。

在本实施例中，第一手指103和第二手指104的触觉传感器表面附着有预设厚度的弹性材料，该弹性材料用来增大触觉传感器的反馈数据带宽，从而可以保证第一触觉传感器111和第二触觉传感器112的压力值变化连续和缓，以更方便、更准确地比较二者的压力值数据，进行抓取动作调整。

在本实施例中，机械手100还包括行程开关110，行程开关110用于限制机械手100相对被抓取物运动的距离。结合图1和图4所示，该行程开关110设置在两手指之间，从而通过接触被抓取物，限制机械手100靠近被抓取物的距离，来控制机械手100停留在适合抓取的位置处。

在本实施例中，机械手臂还包括机械臂200(见图6)和机械臂控制器，机械臂控制器连接机械臂200，机械臂200为三轴正交运动机械臂。在机械臂控制器的控制下，机械臂200可以带动机械手100实现三轴正交运动，以调整机械手100的第一手指103和第二手指104抓取物体的位置。

如图6所示，该机械臂200包括第一滑台201、第二滑台202、第三滑台203。以竖直方向为Z，水平正交方向为X和Y，建立直角坐标系，第一滑台201沿竖直Z方向设置，滑动连接在第二滑台202上，第二滑台202沿水平第一方向X设置，滑动连接在第三滑台203上，第三滑台203沿水平第二方向Y设置。第三滑台203固定于底面，以固定该机械手臂整体。

在机械臂控制器的控制下，第一滑台201能够带动机械手100沿竖直方向滑动，第二滑台202能够带动第一滑台201沿水平第一方向X滑动，第三滑台203能够带动第二滑台202沿水平第二方向Y滑动，最终实现机械手100的三轴正交运动，灵活地改变位置以抓取机载电池600。实际控制过程中，各滑台的运动可以交叉进行，各滑台在初步运动后，进一步微调运动，以使机械手准确对准被抓取物并靠近，实现最终抓取。

在本实施例中，参考图6所示，机械臂200还包括第四滑台204，第四滑台204与第三滑台203平行设置，用于共同支撑机械手臂和带动第二滑台202滑动。

在本实施例中，如图3正视图所示，第一触觉传感器111和第二触觉传感器112均设置有两个，分居对应手指的左右两端，因而，通过同一手指左、右两侧触觉传感器的压力值比较，还可以判断机械手100相对物体左右偏差的情况。当然，该触觉传感器还可根据被抓取物的形状、大小设置更多，并呈现多种形式排列，在此不一一赘述。

本申请还公开了一种无人机自动换电系统，参考图6至图8所示实施例，该无人机自动换电系统包括：无人机300、充电舱400、如上任一项的机械手臂和总控系统。总控系统包括总控制器，总控制器与机械手臂的机械手控制器和机械臂控制器连接，控制机械手臂抓取充电舱400内的电池为无人机300更换，自动实现无人机300电池更换，节省人力，且速度更快。

如图8所示，该无人机自动换电系统还包括飞机引导台500，总控系统还包括无人机控制系统、飞机引导台控制器和充电舱管理系统。总控制器与无人机控制系统无线通信，以远程配合无人机起落，总控制器与飞机引导台控制器、机械臂控制器、机械手控制器和充电舱管理系统通过总线通信。

在该实施例中，在飞机引导台控制器的控制下，飞机引导台500能够沿竖直方向升降运动。此外，飞机引导台500的上表面布置有用于引导无人机300降落的导柱，以更准确地控制无人机300起落位置。

在实际应用中，可以将总控制器作为控制中枢，集中计算资源，实现计算和统筹管理。机械手臂将触觉传感器获得的压力值和电位计获得的手指角度数据发送给总控制器，总控制器经过计算协调机械臂控制器和机械手控制器，发送位移指令给机械臂控制器使各滑台运动，以调整机械手整体相对机载电池的位置，同时，总控制器发送闭合指令给机械手控制器继续控制手指闭合。设机械臂的控制向量为p，机械手100的控制向量为θ，则可知p和θ均可设置为关于第二触觉传感器112压力值P2和第一触觉传感器111压力值P1的函数，控制的最终结果为机械手100的中线收敛于夹持端601的中线，也就是y_diff＝0，此时两手指可夹紧夹持端601，实现稳定抓取。

综上所述，本申请的机械手臂，通过在手指末端接触物体位置处设置触觉传感器，获取压力值，从而可以通过触觉反馈判断抓取动作的偏差情况，继而结合手指角度，实现自适应抓取动作调整，无需采用高级传感器(如视觉传感器等)定位，控制简单，成本更低，并且，由于反馈检测的位置与抓取的位置相同，因而响应速度快，避免了机械结构的隔离和惯性干扰，控制快速有效。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种机械手臂，包括机械手，其特征在于，所述机械手包括：基座、驱动机构、第一手指、第二手指和机械手控制器；

2.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述第一手指和所述第二手指均为连杆机构，对称地设置在所述基座上；

3.根据权利要求2所述的机械手臂，其特征在于，所述角度传感器为电位计，所述机械手还包括：第四齿轮，所述电位计与所述第四齿轮刚性连接，所述第四齿轮与所述第二齿轮啮合；

4.根据权利要求2所述的机械手臂，其特征在于，所述第一手指和所述第二手指均为平行四边形连杆机构。

5.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述第一手指和所述第二手指的触觉传感器表面附着有预设厚度的弹性材料。

6.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述机械手还包括行程开关，所述行程开关用于限制所述机械手相对被抓取物运动的距离。

7.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述机械手臂还包括机械臂和机械臂控制器，所述机械臂控制器连接所述机械臂，所述机械臂为三轴正交运动机械臂。

8.根据权利要求7所述的机械手臂，其特征在于，所述机械臂包括第一滑台、第二滑台、第三滑台；所述第一滑台沿竖直方向设置，滑动连接在所述第二滑台上，所述第二滑台沿水平第一方向设置，滑动连接在所述第三滑台和第四滑台上，所述第三滑台沿水平第二方向设置；

9.根据权利要求8所述的机械手臂，其特征在于，所述机械臂还包括第四滑台，所述第四滑台与第三滑台平行设置，用于共同支撑和带动所述第二滑台滑动。

10.一种无人机自动换电系统，其特征在于，该系统包括无人机、充电舱、总控系统和如权利要求1-9任一项所述的机械手臂；所述总控系统包括总控制器，所述总控制器与所述机械手臂的机械手控制器和机械臂控制器电连接，所述机械手臂用于抓取充电舱内的电池为无人机更换。

11.根据权利要求10所述的无人机自动换电系统，其特征在于，该无人机自动换电系统还包括飞机引导台，所述总控系统还包括无人机控制系统、飞机引导台控制器和充电舱管理系统；所述总控制器与所述无人机控制系统无线通信，与所述飞机引导台控制器、机械臂控制器、机械手控制器和充电舱管理系统通过总线通信。

12.根据权利要求11所述的无人机自动换电系统，其特征在于，所述飞机引导台的上表面布置有用于引导无人机降落的导柱。