CN219485684U - 一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人，包括直角坐标机械臂，设置于所述直角坐标机械臂上的关节机械臂，以及设置于所述关节机械臂末端的执行器，所述直角坐标机械臂包括X轴移动机构，Y轴移动机构及Z轴升降机构，所述直角坐标机械臂和所述关节机械臂均连接于控制器，所述关节机械臂根据快递的姿态确定旋转角度，使所述执行器旋转至与所述快递表面平行并吸起快递，通过所述控制器控制所述直角坐标机械臂及所述关节机械臂移动到所需到达的位置，实现快递的分拣和放置，本实用新型机器人具有较高的自由度，可以在实现快递分拣的同时完成货物的放置，节省了工序，提高了工作效率。

Description

一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人。

背景技术

关节机器人，也称关节机械手臂或多关节机器人，其各个关节的运动都是转动，与人的手臂类似。关节机器人是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作，按照构造它有不同的分类。

直角坐标机器人是指能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。大型的直角坐标机器人，也称桁架机器人或龙门式机器人，其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动来进行的。

目前大型、中型中转站已形成成熟的仓储机器人协助体系，具体应用的机器人包括：拣选、分拣、搬运、存取机器人，该系列机器人体积较大、成本较高，但是对于小型的末端驿站未实现机械智能的应用，仍然保持全人工化运作。但是这些驿站的工作量相对比较大，而采用机器人可以24小时工作。但现有的快递分拣用机械臂都是采用关节式机械臂结构，有较好的灵活性便于分拣，但是对于货物的放置没有足够大的工作空间，无法在较狭窄的空间内完成快递物件的放置功能。

因此，有必要设计一种更好的机器人，以解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种具有较高自由度，可以在实现快递分拣的同时完成货物放置的用于快递分拣及放置的多自由度机器人。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人，包括直角坐标机械臂，设置于所述直角坐标机械臂上的关节机械臂，以及设置于所述关节机械臂末端的执行器，所述直角坐标机械臂包括X轴移动机构，Y轴移动机构及Z轴升降机构，所述直角坐标机械臂和所述关节机械臂均连接于控制器，所述关节机械臂根据快递的姿态确定旋转角度，使所述执行器旋转至与所述快递表面平行并吸起快递，通过所述控制器控制所述直角坐标机械臂及所述关节机械臂移动到所需到达的位置，实现快递的分拣和放置。

进一步，所述Z轴升降机构包括一级升降机构和二级升降机构，所述一级升降机构包括底盘，所述底盘的两侧竖向设有侧板，所述侧板上沿Z轴设有第一导轨，所述底盘上设有第一电机，所述第一电机的输出端安装有第一同步轮，所述第一同步轮通过第一同步带连接第二同步轮，所述第二同步轮固定于光轴中部，所述光轴的两端分别设有第三同步轮，所述第三同步轮通过一级同步带连接于一级从动轮，所述一级同步带通过第一压板连接于所述二级升降机构。

进一步，所述光轴的两端安装于立座上，通过调节所述立座的垂直高度以调节所述一级同步带的张紧程度。

进一步，所述二级升降机构包括连接于所述第一压板的底侧板，所述底侧板的上方设有顶侧板，所述顶侧板与所述底侧板之间设有中间侧板，所述顶侧板、所述中间侧板及所述底侧板上沿Z轴安装有第二导轨，所述底侧板的一侧设有第二电机，所述第二电机的输出端安装有第四同步轮，所述顶侧板上设有二级从动轮，所述二级从动轮通过二级同步带连接于所述第四同步轮，所述二级同步带通过第二压板连接于所述X轴移动机构。

进一步，所述中间侧板上于所述二级同步带的一侧设有张紧轮。

进一步，所述一级同步带或/和所述二级同步带裁剪为两段，通过所述第一压板或/和所述第二压板连接两段所述一级同步带或/和所述二级同步带。

进一步，所述X轴移动机构包括沿X轴延伸的第三导轨，第三导轨的一端设有第三电机，所述第三导轨上设有移动件，所述移动件的一端安装有所述Y轴移动机构，所述第三导轨靠近所述Y轴移动机构的一端设有辅助件，所述辅助件顶部设有导槽，所述移动件在所述导槽内穿过，所述导槽的两个侧面及底面设有微型轴承，所述微型轴承与所述移动件的两个侧面及底面相接触，以辅助所述移动件的直线移动。

进一步，所述Y轴移动机构包括沿Y轴设置的齿条，所述齿条的顶部设有齿轮，所述齿轮与所述齿条相啮合，所述齿轮连接于第四电机，所述第四电机固定于所述关节机械臂的侧部，所述齿条的一侧平行的设有第四导轨，所述第四导轨为滚轮双轴心导轨，所述第四导轨内设置偏心轮滑块，所述关节机械臂安装于所述偏心轮滑块。

进一步，所述关节机械臂包括分别沿roll轴、yaw轴及pitch轴转动的第一关节、第二关节及第三关节，所述第一关节被舵机驱动，所述舵机的固定板固定于所述Y轴移动机构，所述舵机的输出轴连接于所述第二关节，所述舵机的舵盘与所述输出轴之间设有轴承，所述轴承的外圈通过碳纤维板固定，所述轴承的内圈与所述输出轴同轴心，并连接于所述舵盘及所述第二关节。

进一步，所述执行器包括吸盘及连接于所述吸盘的真空发生器，所述吸盘与所述真空发生器之间设有逻辑阀。

本实用新型的有益效果：

关节机械臂根据快递的姿态确定旋转角度，使执行器旋转至与快递表面平行并吸起快递，通过控制器控制直角坐标机械臂及关节机械臂移动到所需到达的位置，实现快递的分拣和放置，本实用新型机器人具有较高的自由度，可以在实现快递分拣的同时完成货物的放置，节省了工序，提高了工作效率。

附图说明

图1为本实用新型用于快递分拣及放置的多自由度机器人的整体结构示意图；

图2为本实用新型直角坐标机械臂中一级升降机构的结构示意图；

图3为本实用新型直角坐标机械臂中二级升降机构的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本实用新型X轴移动机构中辅助件的结构示意图；

图6为本实用新型Y轴移动机构中偏心轮滑块与第四导轨的结构示意图；

图7为本实用新型中关节机械臂的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图中，1—直角坐标机械臂、10—Z轴升降机构、11—一级升降机构、111—底盘、112—侧板、113—第一导轨、114—第一电机、115—第一同步轮、116—第一同步带、117—第二同步轮、118—光轴、119—第三同步轮、120—一级同步带、121—一级从动轮、122—第一压板、123—立座、13—二级升降机构、131—底侧板、132—中间侧板、133—顶侧板、134—第二导轨、135—第二电机、136—第四同步轮、137—二级从动轮、138—二级同步带、139—第二压板、140—张紧轮、15—X轴移动机构、151—第三导轨、152—第三电机、153—移动件、154—辅助件、1541—导槽、1542—微型轴承、16—Y轴移动机构、161—齿条、162—第四导轨、163—偏心轮滑块、164—齿轮、165—第四电机、166—联轴器、2—关节机械臂、21—第一关节、22—第二关节、23—第三关节、24—舵机、241—固定板、242—输出轴、243—舵盘、25—轴承、26—碳纤维板、3—执行器、31—吸盘、4—快递。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1，本实用新型提供一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人，包括直角坐标机械臂1，设置于直角坐标机械臂1上的关节机械臂2，以及设置于关节机械臂2末端的执行器3。直角坐标机械臂1具有XYZ三个自由度，整体呈对称分布，包括X轴移动机构15，Y轴移动机构16及Z轴升降机构10，关节机械臂2是三轴机械臂，通过关节机械臂2的运动使执行器3吸盘31的吸附平面与快递4表面平行，从而吸起快递4。直角坐标机械臂1和关节机械臂2均连接于控制器，关节机械臂2根据快递4的姿态确定旋转角度，使执行器3旋转至与快递4表面平行并吸起快递4，通过控制器控制直角坐标机械臂1及关节机械臂2移动到所需到达的位置，实现快递4的分拣和放置。

如图2及图3，Z轴升降机构10包括一级升降机构11和二级升降机构13。一级升降机构11包括底盘111，底盘111的两侧沿Z轴竖向设有侧板112，侧板112上沿Z轴设有第一导轨113，底盘111上设有第一电机114，在本实施例中，第一电机114为减速比为1:100的RoboMasterM3508减速直流电机。第一电机114的输出端安装有第一同步轮115，第一同步轮115通过第一同步带116连接第二同步轮117，第二同步轮117固定于光轴118中部，光轴118的两端分别设有第三同步轮119，第三同步轮119通过一级同步带120连接于一级从动轮121，一级同步带120通过第一压板122连接于二级升降机构13。第一电机114转动，驱动第一同步轮115和第二同步轮117转动，带动光轴118及其两端的第三同步轮119转动，使一级同步带120在第三同步轮119与一级从动轮121之间往返运动，进而带动二级升降机构13及其上的其它结构沿第一导轨113升降。优选的，光轴118的两端安装于立座123上，通过调节立座123的垂直高度以调节一级同步带120的张紧程度。

如图3，二级升降机构13包括连接于第一压板122的底侧板131，底侧板131的上方设有顶侧板133，顶侧板133与底侧板131之间设有中间侧板132，顶侧板133、中间侧板132及底侧板131上沿Z轴安装有第二导轨134，底侧板131的一侧设有第二电机135，第二电机135与第一电机114的减速比可调节为相同或不同，两者可以独立驱动二级升降机构13和一级升降机构11，可以缓解第一电机114和第二电机135同步运动的忧虑。第二电机135的输出端安装有第四同步轮136，在本实施例中，第四同步轮136为D型孔同步轮，顶侧板133上设有二级从动轮137，二级从动轮137通过二级同步带138连接于第四同步轮136，二级同步带138通过第二压板139连接于X轴移动机构15。第二电机135转动，带动第四同步轮136及二级从动轮137转动，使二级同步带138在第四同步轮136与二级从动轮137之间往返运动，进而带动X轴移动机构15及其上的其它机构升降。

优选的，为了保证二级同步带138有较大的的抱角，中间侧板132上于二级同步带138的一侧设有张紧轮140，用于张紧二级同步带138避免滑齿。为了尽可能减轻重量同时确保强度，第二电机135的固定采用钣金件，二级从动轮137以及张紧轮140的固定采用碳板以及铝排进行堆叠，经过测试发现强度较高，符合设计要求。

优选的，为了避免同步带的空程问题，一级同步带120或/和二级同步带138裁剪为两段，通过第一压板122或/和第二压板139连接两段一级同步带120或/和二级同步带138，张紧程度不足则继续裁剪连接，直到绷紧即可。经过测试发现效果良好，稳定性强。

如图3至图5，X轴移动机构15包括沿X轴延伸的第三导轨151，第三导轨151通过第二压板139连接二级同步带138，第三导轨151的一端设有第三电机152，第三导轨151上设有移动件153，移动件153的一端安装Y轴移动机构16。第三电机152转动，带动移动件153沿第三导轨151直线移动，以使Y轴移动机构16整体沿X轴直线移动。

优选的，为了避免X轴移动机构15在yaw轴和pitch轴出现非理想自由度，第三导轨151靠近Y轴移动机构16的一端设有辅助件154，辅助件154顶部设有导槽1541，移动件153在导槽1541内穿过，导槽1541的两个侧面及底面设有微型轴承1542，微型轴承1542与移动件153的两个侧面及底面相接触，通过三面轴承辅助移动件153的直线移动。在本实施例中，辅助件154由一个3D打印零件和8个微型轴承1542组成，具有较好的稳定性，使得X轴移动机构15的直线移动效果理想。

如图3、图4及图6，Y轴移动机构16包括沿Y轴设置的齿条161，齿条161的底部安装于对称设置的移动件153上，齿条161的顶部设有齿轮164，齿轮164与齿条161相啮合，齿轮164通过联轴器166连接于第四电机165，第四电机165固定安装于关节机械臂2侧部，齿条161的一侧平行的设有第四导轨162，第四导轨162内设置偏心轮滑块163，关节机械臂2安装于偏心轮滑块163。优选的，为了避免关节机械臂2在pitch轴方向产生不理想的自由度，本实施例中第四导轨162采用滚轮双轴心导轨，配合偏心轮滑块163，达到了较好的稳定效果，不会产生非理想自由度。第四电机165工作后，带动联轴器166旋转，继而带动齿轮164旋转，由于齿条161相对固定，关节机械臂2会随着第四电机165一起沿着第四导轨162移动。

如图7及图8，关节机械臂2为三轴机械臂，包括分别沿roll轴、yaw轴及pitch轴转动的第一关节21、第二关节22及第三关节23。第一关节21被舵机24驱动，舵机24的固定板241固定于Y轴移动机构16的偏心轮滑块163，舵机24的输出轴242连接于第二关节22。为了确保舵机24输出轴242的稳定性，即确保输出轴242的旋转中心偏离程度较小，在舵机24的舵盘243与输出轴242之间设有轴承25，轴承25的外圈通过碳纤维板26固定，轴承25的内圈与输出轴242同轴心，并连接于舵盘243及第二关节22。采用轴承25进行加强，可以使得需要承载的力大部分都会落在轴承25，而舵机24臂受到的轴向力较小，可以大大提高关节机械臂2的稳定性。

第二关节22的结构与第一关节21类似，不再赘述。第三关节23的舵机与第一关节21类似，为了节省空间及成本，舵机的另一侧也采用轴承增强结构，与第一关节类似，可以很大程度的保证pitch轴旋转重心偏心程度小。

执行器3包括吸盘31及连接于吸盘31的真空发生器，吸盘31与真空发生器之间设有逻辑阀。逻辑阀的作用是，当有一个吸盘31未形成负压连接大气时，另一个吸盘31可以形成负压吸起快递4，对于小型的快递4而言，这种设计是有利于将其夹起的。

本实用新型机器人进行快递夹取和放置的工作过程为：夹取快递4时，关节机械臂2首先根据快递4盒子的6D姿态确定其三个轴的旋转角度，舵机24工作将三个关节稳定移动到对应角度，随后Z轴升降机构10、X轴移动机构15、Y轴移动机构16工作，使得关节机械臂2达到工作点，随后真空发生器工作，使吸盘31吸起快递4，各结构再按照预定的程序工作，将快递4放置后端储物层，夹取工作完成。快递4放置时，关节机械臂2先旋转预计角度，吸盘31工作吸起快递4，吸起后关节机械臂2继续工作，将货物对准货架，最终根据需要的高度以及深度确定Z轴升降机构10、X轴移动机构15、Y轴移动机构16的工作状态，放置工作结束。

本实用新型针对物流分拣末端的驿站，可以进行快递4的分拣以及放置。当下人口老龄化严重，面对这些工作复杂性不高的快递4分拣以及放置，一定程度上可以缓解劳动力紧张的情况。对于机器而言，可以实现夜间工作，可以有效节省时间。同时机器人的投入可以尽可能地减少病毒二次传播的风险。执行器3使用吸盘31，可以尽可能避免快递4外表面的破坏，同步带以及同步带轮的使用尽可能减小成本的同时保证稳定性，有较高的效益比。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于，包括：直角坐标机械臂，设置于所述直角坐标机械臂上的关节机械臂，以及设置于所述关节机械臂末端的执行器，所述直角坐标机械臂包括X轴移动机构，Y轴移动机构及Z轴升降机构，所述直角坐标机械臂和所述关节机械臂均连接于控制器，所述关节机械臂根据快递的姿态确定旋转角度，使所述执行器旋转至与所述快递表面平行并吸起快递，通过所述控制器控制所述直角坐标机械臂及所述关节机械臂移动到所需到达的位置，实现快递的分拣和放置。

2.根据权利要求1所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述Z轴升降机构包括一级升降机构和二级升降机构，所述一级升降机构包括底盘，所述底盘的两侧竖向设有侧板，所述侧板上沿Z轴设有第一导轨，所述底盘上设有第一电机，所述第一电机的输出端安装有第一同步轮，所述第一同步轮通过第一同步带连接第二同步轮，所述第二同步轮固定于光轴中部，所述光轴的两端分别设有第三同步轮，所述第三同步轮通过一级同步带连接于一级从动轮，所述一级同步带通过第一压板连接于所述二级升降机构。

3.根据权利要求2所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述光轴的两端安装于立座上，通过调节所述立座的垂直高度以调节所述一级同步带的张紧程度。

4.根据权利要求2所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述二级升降机构包括连接于所述第一压板的底侧板，所述底侧板的上方设有顶侧板，所述顶侧板与所述底侧板之间设有中间侧板，所述顶侧板、所述中间侧板及所述底侧板上沿Z轴安装有第二导轨，所述底侧板的一侧设有第二电机，所述第二电机的输出端安装有第四同步轮，所述顶侧板上设有二级从动轮，所述二级从动轮通过二级同步带连接于所述第四同步轮，所述二级同步带通过第二压板连接于所述X轴移动机构。

5.根据权利要求4所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述中间侧板上于所述二级同步带的一侧设有张紧轮。

6.根据权利要求4所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述一级同步带或/和所述二级同步带裁剪为两段，通过所述第一压板或/和所述第二压板连接两段所述一级同步带或/和所述二级同步带。

7.根据权利要求1所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述X轴移动机构包括沿X轴延伸的第三导轨，第三导轨的一端设有第三电机，所述第三导轨上设有移动件，所述移动件的一端安装有所述Y轴移动机构，所述第三导轨靠近所述Y轴移动机构的一端设有辅助件，所述辅助件顶部设有导槽，所述移动件在所述导槽内穿过，所述导槽的两个侧面及底面设有微型轴承，所述微型轴承与所述移动件的两个侧面及底面相接触，以辅助所述移动件的直线移动。

8.根据权利要求1所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述Y轴移动机构包括沿Y轴设置的齿条，所述齿条的顶部设有齿轮，所述齿轮与所述齿条相啮合，所述齿轮连接于第四电机，所述第四电机固定于所述关节机械臂的侧部，所述齿条的一侧平行的设有第四导轨，所述第四导轨为滚轮双轴心导轨，所述第四导轨内设置偏心轮滑块，所述关节机械臂安装于所述偏心轮滑块。

9.根据权利要求1所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述关节机械臂包括分别沿roll轴、yaw轴及pitch轴转动的第一关节、第二关节及第三关节，所述第一关节被舵机驱动，所述舵机的固定板固定于所述Y轴移动机构，所述舵机的输出轴连接于所述第二关节，所述舵机的舵盘与所述输出轴之间设有轴承，所述轴承的外圈通过碳纤维板固定，所述轴承的内圈与所述输出轴同轴心，并连接于所述舵盘及所述第二关节。

10.根据权利要求1所述的用于快递分拣及放置的多自由度机器人，其特征在于：所述执行器包括吸盘及连接于所述吸盘的真空发生器，所述吸盘与所述真空发生器之间设有逻辑阀。