CN213796500U - 一种腿臂协作机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腿臂协作机器人，其包括上层操作装置和能够在不同地形上作业的下层移动装置，上层操作装置由具有多个自由度的机械臂、直接作用于物体的执行模块、用于获取物体或障碍物的图像信息的视觉识别模块、上层中央控制模块组成，机械臂的固定端固定于下层移动装置上，执行模块安装于机械臂的自由端上，视觉识别模块安装于机械臂上且靠近机械臂的自由端，机械臂由上层中央控制模块控制实现多个自由度，执行模块由上层中央控制模块控制实现执行操作，视觉识别模块的输出端与上层中央控制模块的输入端连接；优点是其不仅能够适应于多种地形，而且机械臂的灵活度高。

Description

一种腿臂协作机器人

技术领域

本实用新型涉及一种智能机械设备，尤其是涉及一种腿臂协作机器人。

背景技术

随着机器人行业的迅速发展以及老龄化加剧、劳动力缺失，AGV(AutomatedGuided Vehicle)、无人搬运机器人、机械臂等智能机械设备逐步走入工厂，填补了劳动力的缺失。

目前广泛应用的机器人有轮式机器人和履带机器人两类。轮式机器人存在地形适应能力差、转弯效率低等问题。履带机器人虽然能克服障碍地形，但是存在速度慢，且仍然无法爬楼梯等缺点。

现有的拥有移动底盘的机械臂更偏向于在室内平面上运作，而无法适应有障碍物或有台阶等的多种地形。如：中国公告的实用新型专利“一种便于移动的机械手臂”(公告号为CN209936898U)，其公开的一种便于移动的机械手臂包括底座，所述底座的顶部固定连接有机械手臂本体，所述底座底部的四角处均固定连接有移动轮，所述底座内壁顶部的中点处固定连接有正反电机，所述正反电机的输出轴上固定连接有正反转轴，所述正反转轴的底部固定连接有主动锥齿轮。该机械手臂通过底座、机械手臂本体、移动轮、正反电机、正反转轴、主动锥齿轮、滚动轴承、螺纹杆、从动锥齿轮、螺纹套、支撑板、支撑杆、通口、防滑块、固定板、复位弹簧、滑轮、顶板、三角块和伸缩杆相互配合，实现了便于移动的效果，移动过程操作简单，省时省力，提高了机械手臂的实用性，给使用者带来了极大的便利。但是，该机械手臂是利用底座底部的四角处固定连接的移动轮来实现移动的，因移动方向限定导致运动范围受到限制，且仅适应于在室内平面上运作，而无法适应如有障碍物或有台阶等的多种地形；此外，该机械手臂的机械手臂本体的灵活度低，操作范围有限。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种腿臂协作机器人，其不仅能够适应于多种地形，完成自主环境感知与避障，而且机械臂的灵活度高，能够执行一系列操作。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种腿臂协作机器人，其特征在于：包括上层操作装置和能够在不同地形上作业的下层移动装置，所述的上层操作装置由具有多个自由度的机械臂、直接作用于物体的执行模块、用于获取物体和障碍物的图像信息的视觉识别模块、上层中央控制模块组成，所述的机械臂的固定端固定于所述的下层移动装置上，所述的执行模块安装于所述的机械臂的自由端上，所述的视觉识别模块安装于所述的机械臂上且靠近所述的机械臂的自由端，所述的执行模块由所述的上层中央控制模块控制实现执行操作，所述的视觉识别模块的输出端与所述的上层中央控制模块的输入端连接。

所述的机械臂由多节依次相连的子臂以及用于连接相邻两节所述的子臂的转动关节组成，最后一节所述的子臂的自由端为所述的机械臂的自由端，所述的执行模块安装于最后一节所述的子臂的自由端上，所述的视觉识别模块安装于最后一节所述的子臂上，第一节所述的子臂的自由端作为所述的机械臂的固定端通过一个转动关节连接有固定座，所述的固定座的底部固定于所述的下层移动装置上，所述的上层中央控制模块安装于所述的固定座内。在此，子臂的节数可根据实际情况设定，一般情况下为使机械臂更灵活，可以多设计几节子臂；子臂具有一个弯折，第1个转动关节与第1节子臂连接驱动第1节子臂转动，第2个转动关节与第2节子臂连接驱动第2节子臂转动，依次类推。

所述的转动关节包括转动法兰和伺服电机，所述的伺服电机的输出轴与所述的转动法兰连接以驱动所述的转动法兰转动，所述的转动法兰远离所述的伺服电机的一轴端与所述的子臂的端头固定连接，通过所述的伺服电机与所述的子臂的配合实现所述的机械臂的多个自由度。转动关节中的转动法兰与一节子臂固定连接，转动关节中的伺服电机转动时驱动转动法兰带动子臂在伺服电机的输出轴的法平面上转动；安装时第1个转动关节中的伺服电机安装于固定座内，第1个转动关节中的转动法兰与第1节子臂固定连接，第2个转动关节中的伺服电机安装于第1节子臂内，第2个转动关节中的转动法兰与第2节子臂固定连接，第3个转动关节中的伺服电机安装于第2节子臂内，第3个转动关节中的转动法兰与第3节子臂固定连接，依次类推。

所述的下层移动装置的顶部与所述的固定座的底部之间设置有能够使所述的上层操作装置在所述的下层移动装置上直线滑动的直线滑动装置。

所述的直线滑动装置包括设置于所述的下层移动装置的顶部上的导轨、设置于所述的固定座的底部上的滑块以及用于驱动所述的滑块在所述的导轨上滑动的电驱动机构，所述的电驱动机构由驱动电机、传动带和两个传动轮组成，所述的驱动电机安装于所述的下层移动装置的顶部的一侧上，两个所述的传动轮分别安装于所述的导轨的两端，所述的传动带绕设于两个所述的传动轮上，所述的驱动电机的输出轴与其中一个所述的传动轮连接，所述的滑块固定于所述的传动带上，所述的驱动电机的输出轴转动驱动所述的传动带带动所述的滑块在所述的导轨上滑动。

所述的视觉识别模块由两个深度传感器和一个彩色传感器组成，两个所述的深度传感器对称分布于所述的彩色传感器的两侧，所述的深度传感器和所述的彩色传感器正对所述的执行模块操作的物体。

所述的下层移动装置为四足机器人，其由躯干主体、四条支腿、用于获取环境图像信息的视觉模块、用于测量所述的下层移动装置的三轴姿态角及加速度的运动控制模块、用于定位、建图、识物和避障辅助的激光雷达模块、用于驱动所述的支腿活动的关节驱动模块、下层中央控制模块组成，所述的导轨安装于所述的躯干主体的顶部上，四条所述的支腿安装于所述的躯干主体上，所述的视觉模块分散安装于所述的躯干主体的前端和后端，所述的运动控制模块安装于所述的躯干主体的内部，所述的激光雷达模块安装于所述的躯干主体的前端，所述的关节驱动模块由髋侧摆关节、髋前摆关节和膝关节组成，所述的髋侧摆关节控制所述的支腿的开合，所述的髋前摆关节控制所述的支腿前进或后退，所述的膝关节调节所述的支腿的高度，所述的视觉模块的输出端、所述的激光雷达模块的输出端、所述的运动控制模块的输出端分别与所述的下层中央控制模块的输入端连接，所述的髋侧摆关节、所述的髋前摆关节和所述的膝关节由所述的下层中央控制模块控制。

所述的视觉模块包括至少两个双目摄像头，若干个所述的双目摄像头安装于所述的躯干主体的前端，若干个所述的双目摄像头安装于所述的躯干主体的后端。

所述的运动控制模块为IMU(Inertial Measurement Unit)，也可采用其他现有的能够测量下层移动装置在三维空间中的三轴姿态角及加速度的装置；所述的激光雷达模块为3D激光雷达。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)该腿臂协作机器人采用一个能够在不同地形上作业的下层移动装置，使得该腿臂协作机器人能够适应于多种地形，可应用于工业场景等。

2)该腿臂协作机器人在上层操作装置和下层移动装置之间设置一个直线滑动装置，额外给上层操作装置增加了一个运动自由度，这样在与物体距离较小的情况下可以只通过调节上层操作装置在下层移动装置上的位置来完成上层操作装置的移动。

3)该腿臂协作机器人采用的上层操作装置中的执行模块可为各种不同的模块，通过拆卸和更换，可实现不同的操作。

4)该腿臂协作机器人采用的上层操作装置中的视觉识别模块由两个深度传感器和一个彩色传感器组成，且使彩色传感器居中，两个深度传感器对称分布两侧，这样获取的图像信息更能反映物体或障碍物所在的位置，即能够实现对物体或障碍物的精准3D定位。

5)该腿臂协作机器人采用的上层操作装置中的机械臂具有多个自由度，这样可以实现路径规划的多样性，能很好地避开障碍物到达操作位置，能够执行一系列操作，例如物品分拣、目标抓取、物品搬运等。

6)该腿臂协作机器人利用下层移动装置中的激光雷达模块、运动控制模块、关节驱动模块实现了该腿臂协作机器人的自动平衡、自主导航(即完成自主环境感知与避障)、在复杂地形中行走、调节上层操作装置高度的功能。

附图说明

图1为本实用新型的腿臂协作机器人的整体结构示意图；

图2为本实用新型的腿臂协作机器人中的直线滑动装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型提出的一种腿臂协作机器人，如图所示，其包括上层操作装置1和能够在不同地形上作业的下层移动装置2，上层操作装置1由具有多个自由度的机械臂11、直接作用于物体的执行模块12、用于获取物体和障碍物的图像信息的视觉识别模块13、上层中央控制模块(图中未示出)组成，机械臂11的固定端固定于下层移动装置2上，执行模块12安装于机械臂11的自由端上，视觉识别模块13安装于机械臂11上且靠近机械臂11的自由端，机械臂11由上层中央控制模块控制实现多个自由度，执行模块12由上层中央控制模块控制实现执行操作，视觉识别模块13的输出端与上层中央控制模块的输入端连接。

在本实施例中，机械臂11由七节依次相连的子臂111以及用于连接相邻两节子臂111的转动关节112组成，最后一节子臂111即第7节子臂111的自由端为机械臂11的自由端，执行模块12安装于最后一节子臂111的自由端上，视觉识别模块13安装于最后一节子臂111上，第一节子臂111的自由端作为机械臂11的固定端通过一个转动关节112连接有固定座113，固定座113的底部固定于下层移动装置2上，上层中央控制模块安装于固定座113内。在此，子臂111的节数可根据实际情况设定，一般情况下为使机械臂11更灵活，可以多设计几节子臂111；子臂111具有一个弯折，第1个转动关节112与第1节子臂111连接驱动第1节子臂111转动，第2个转动关节112与第2节子臂111连接驱动第2节子臂111转动，依次类推。

在本实施例中，转动关节112包括转动法兰114和伺服电机(图中未示出)，伺服电机的输出轴与转动法兰114连接以驱动转动法兰114转动，转动法兰114远离伺服电机的一轴端与子臂111的端头固定连接，通过伺服电机与子臂111的配合实现机械臂11的多个自由度。转动关节112中的转动法兰114与一节子臂111固定连接，转动关节112中的伺服电机转动时驱动转动法兰114带动子臂111在伺服电机的输出轴的法平面上转动；安装时第1个转动关节112中的伺服电机安装于固定座113内，第1个转动关节112中的转动法兰114与第1节子臂111固定连接，第2个转动关节112中的伺服电机安装于第1节子臂111内，第2个转动关节112中的转动法兰114与第2节子臂111固定连接，第3个转动关节112中的伺服电机安装于第2节子臂111内，第3个转动关节112中的转动法兰114与第3节子臂111固定连接，依次类推。

在本实施例中，下层移动装置2的顶部与固定座113的底部之间设置有能够使上层操作装置1在下层移动装置2上直线滑动的直线滑动装置3。

在本实施例中，直线滑动装置3包括设置于下层移动装置2的顶部上的导轨31、设置于固定座113的底部上的滑块32以及用于驱动滑块32在导轨31上滑动的电驱动机构，电驱动机构由驱动电机33、传动带34和两个传动轮35组成，驱动电机33安装于下层移动装置2的顶部的一侧上，两个传动轮35分别安装于导轨31的两端，传动带34绕设于两个传动轮35上，驱动电机33的输出轴与其中一个传动轮35连接，滑块32固定于传动带34上，驱动电机33的输出轴转动驱动传动带34带动滑块32在导轨31上滑动。

在本实施例中，视觉识别模块13由两个深度传感器131和一个彩色传感器132组成，两个深度传感器131对称分布于彩色传感器132的两侧，深度传感器131和彩色传感器132正对执行模块12操作的物体。

在本实施例中，下层移动装置2为四足机器人，其由躯干主体21、四条支腿22、用于获取环境图像信息的视觉模块23、用于测量下层移动装置2的三轴姿态角及加速度的运动控制模块(图中未示出)、用于定位、建图、识物和避障辅助的激光雷达模块24、用于驱动支腿22活动的关节驱动模块、下层中央控制模块(图中未示出)组成，导轨31安装于躯干主体21的顶部上，四条支腿22安装于躯干主体21上，视觉模块23分散安装于躯干主体21的前端和后端，运动控制模块安装于躯干主体21的内部，激光雷达模块24安装于躯干主体21的前端，关节驱动模块由髋侧摆关节25、髋前摆关节26和膝关节27组成，髋侧摆关节25控制支腿22的开合，髋前摆关节26控制支腿22前进或后退，膝关节27调节支腿22的高度，视觉模块23的输出端、激光雷达模块24的输出端、运动控制模块的输出端分别与下层中央控制模块的输入端连接，髋侧摆关节25、髋前摆关节26和膝关节27由下层中央控制模块控制。

在本实施例中，视觉模块23包括两个双目摄像头，其中一个双目摄像头安装于躯干主体21的前端，另一个双目摄像头安装于躯干主体21的后端。

在本实施例中，运动控制模块为IMU(Inertial Measurement Unit)，也可采用其他现有的能够测量下层移动装置2在三维空间中的三轴姿态角及加速度的装置；激光雷达模块24为3D激光雷达。

在本实施例中，执行模块12为夹具等；深度传感器131和彩色传感器132均采用现有技术；下层移动装置2可直接采用现有的四足机器人；双目摄像头采用现有技术；髋侧摆关节25、髋前摆关节26和膝关节27均采用现有技术，髋侧摆关节25、髋前摆关节26和膝关节27各自由伺服电机驱动，髋侧摆关节25可产生侧向加速度，控制支腿22的开合及控制下层移动装置2的侧向平移，髋前摆关节26可产生向前或向后的加速度，控制下层移动装置2的前进或后退，膝关节27可调节下层移动装置2的高度，改变下层移动装置2的作业模式。

本实用新型的腿臂协作机器人的工作过程为：该腿臂协作机器人可由人为操控或自主作业。该腿臂协作机器人可以通过激光雷达模块24实现建图、探测的功能，运动控制模块可以为该腿臂协作机器人提供三轴姿态角及加速度，下层中央控制模块根据三轴姿态角控制关节驱动模块中的髋侧摆关节25、髋前摆关节26和膝关节27各自中的电机输出力的大小，使该腿臂协作机器人移动并维持稳定，视觉模块23和视觉识别模块13联合识别要执行的物体并判断其位姿，待该腿臂协作机器人靠近该物体后在上层中央控制模块的调控下，机械臂11调整姿态使物体位于执行模块12的执行范围内，由执行模块12完成相应的操作，在执行模块12完成相应的操作后上层中央控制模块将回到初始位置，准备执行下一个指令。

在本实施例中，上层中央控制模块和下层中央控制模块均直接采用现有的中央控制单元。上层中央控制模块接收深度传感器131和彩色传感器132采集的图像信息，上层中央控制模块控制伺服电机和执行模块12，控制方式通过现有技术手段可实现。下层中央控制模块接收双目摄像头采集的图像信息、激光雷达模块24采集的信息及运动控制模块测量的三轴姿态角及加速度，下层中央控制模块控制关节驱动模块，控制方式通过现有技术手段可实现。

Claims (9)

1.一种腿臂协作机器人，其特征在于：包括上层操作装置和能够在不同地形上作业的下层移动装置，所述的上层操作装置由具有多个自由度的机械臂、直接作用于物体的执行模块、用于获取物体和障碍物的图像信息的视觉识别模块、上层中央控制模块组成，所述的机械臂的固定端固定于所述的下层移动装置上，所述的执行模块安装于所述的机械臂的自由端上，所述的视觉识别模块安装于所述的机械臂上且靠近所述的机械臂的自由端，所述的机械臂由所述的上层中央控制模块控制实现多个自由度，所述的执行模块由所述的上层中央控制模块控制实现执行操作，所述的视觉识别模块的输出端与所述的上层中央控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的机械臂由多节依次相连的子臂以及用于连接相邻两节所述的子臂的转动关节组成，最后一节所述的子臂的自由端为所述的机械臂的自由端，所述的执行模块安装于最后一节所述的子臂的自由端上，所述的视觉识别模块安装于最后一节所述的子臂上，第一节所述的子臂的自由端作为所述的机械臂的固定端通过一个转动关节连接有固定座，所述的固定座的底部固定于所述的下层移动装置上，所述的上层中央控制模块安装于所述的固定座内。

3.根据权利要求2所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的转动关节包括转动法兰和伺服电机，所述的伺服电机的输出轴与所述的转动法兰连接以驱动所述的转动法兰转动，所述的转动法兰远离所述的伺服电机的一轴端与所述的子臂的端头固定连接，通过所述的伺服电机与所述的子臂的配合实现所述的机械臂的多个自由度。

4.根据权利要求2或3所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的下层移动装置的顶部与所述的固定座的底部之间设置有能够使所述的上层操作装置在所述的下层移动装置上直线滑动的直线滑动装置。

5.根据权利要求4所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的直线滑动装置包括设置于所述的下层移动装置的顶部上的导轨、设置于所述的固定座的底部上的滑块以及用于驱动所述的滑块在所述的导轨上滑动的电驱动机构，所述的电驱动机构由驱动电机、传动带和两个传动轮组成，所述的驱动电机安装于所述的下层移动装置的顶部的一侧上，两个所述的传动轮分别安装于所述的导轨的两端，所述的传动带绕设于两个所述的传动轮上，所述的驱动电机的输出轴与其中一个所述的传动轮连接，所述的滑块固定于所述的传动带上，所述的驱动电机的输出轴转动驱动所述的传动带带动所述的滑块在所述的导轨上滑动。

6.根据权利要求1所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的视觉识别模块由两个深度传感器和一个彩色传感器组成，两个所述的深度传感器对称分布于所述的彩色传感器的两侧，所述的深度传感器和所述的彩色传感器正对所述的执行模块操作的物体。

7.根据权利要求5所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的下层移动装置为四足机器人，其由躯干主体、四条支腿、用于获取环境图像信息的视觉模块、用于测量所述的下层移动装置的三轴姿态角及加速度的运动控制模块、用于定位、建图、识物和避障辅助的激光雷达模块、用于驱动所述的支腿活动的关节驱动模块、下层中央控制模块组成，所述的导轨安装于所述的躯干主体的顶部上，四条所述的支腿安装于所述的躯干主体上，所述的视觉模块分散安装于所述的躯干主体的前端和后端，所述的运动控制模块安装于所述的躯干主体的内部，所述的激光雷达模块安装于所述的躯干主体的前端，所述的关节驱动模块由髋侧摆关节、髋前摆关节和膝关节组成，所述的髋侧摆关节控制所述的支腿的开合，所述的髋前摆关节控制所述的支腿前进或后退，所述的膝关节调节所述的支腿的高度，所述的视觉模块的输出端、所述的激光雷达模块的输出端、所述的运动控制模块的输出端分别与所述的下层中央控制模块的输入端连接，所述的髋侧摆关节、所述的髋前摆关节和所述的膝关节由所述的下层中央控制模块控制。

8.根据权利要求7所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的视觉模块包括至少两个双目摄像头，若干个所述的双目摄像头安装于所述的躯干主体的前端，若干个所述的双目摄像头安装于所述的躯干主体的后端。

9.根据权利要求8所述的一种腿臂协作机器人，其特征在于：所述的运动控制模块为IMU，所述的激光雷达模块为3D激光雷达。

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