一种机器人手臂和机器人论文和设计-程乾

全文摘要

本实用新型实施例公开了一种机器人手臂和机器人。其中,该机器人手臂包括:驱动装置、手臂本体以及分隔盖板,驱动装置设置于分隔盖板的一侧,手臂本体设置于分隔盖板的另一侧,驱动装置包括电机驱动器以及电机;电机驱动器,与电机相连,用于驱动电机工作;电机的输出轴贯通分隔盖板,并与手臂本体固定连接,用于带动手臂本体旋转。本实用新型实施例的技术方案,通过电机驱动器直接驱动电机工作,从而带动机器人手臂旋转,而不采用小体积不稳定的舵机驱动,解决了采用小体积的舵机驱动造成的旋转扭矩受限的问题,增加了手臂旋转的扭矩,提高了机器人手臂的转动灵活性,降低了驱动手臂旋转的不稳定性。

主设计要求

1.一种机器人手臂,其特征在于,包括:驱动装置、手臂本体以及分隔盖板,所述驱动装置设置于所述分隔盖板的一侧,所述手臂本体设置于所述分隔盖板的另一侧,所述驱动装置包括电机驱动器以及电机;所述电机驱动器,与所述电机相连,用于驱动所述电机工作;所述电机的输出轴贯通所述分隔盖板,并与所述手臂本体固定连接,用于带动所述手臂本体旋转。

设计方案

1.一种机器人手臂,其特征在于,包括:驱动装置、手臂本体以及分隔盖板,所述驱动装置设置于所述分隔盖板的一侧,所述手臂本体设置于所述分隔盖板的另一侧,所述驱动装置包括电机驱动器以及电机;

所述电机驱动器,与所述电机相连,用于驱动所述电机工作;

所述电机的输出轴贯通所述分隔盖板,并与所述手臂本体固定连接,用于带动所述手臂本体旋转。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂,其特征在于,所述驱动装置还包括:角度传感器、第一齿轮以及第二齿轮,所述角度传感器与第一齿轮相连,所述电机的输出轴与所述第二齿轮相连,所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合;

所述角度传感器,用于测量所述电机转动的角度。

3.根据权利要求2所述的机器人手臂,其特征在于,所述驱动装置还包括:电机机械复位点位,所述电机机械复位点位固定设置于所述电机之上;

所述电机机械复位点位,用于指示所述电机的零度位置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的机器人手臂,其特征在于,还包括:设置于所述手臂本体上的避障传感器;

所述避障传感器,用于检测所述手臂本体周围环境中的障碍物。

5.根据权利要求4所述的机器人手臂,其特征在于,所述避障传感器包括下述至少一项:超声波传感器、电子皮肤传感器以及红外传感器。

6.一种机器人,其特征在于,包括:机器人本体、控制器、以及由权利要求1-5任一项所述的机器人手臂构成的机器人左臂以及机器人右臂;

所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的分隔盖板为所述机器人本体对应位置的身体侧盖板,所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的驱动装置设置于所述机器人本体的内部;

所述控制器,分别与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的电机驱动器相连,用于控制所述电机驱动器驱动关联的电机工作。

7.根据权利要求6所述的机器人,其特征在于,所述机器人左臂以及所述机器人右臂共用双驱动的电机驱动器;

所述双驱动的电机驱动器包括:双通道H桥驱动器、第一H桥电路以及第二H桥电路;

所述双通道H桥驱动器的第一通道输出端与所述第一H桥电路的输入端相连,所述双通道H桥驱动器的第二通道输出端与所述第二H桥电路的输入端相连,所述第一H桥电路的输出端与所述机器人左臂中的电机相连,所述第二H桥电路的输出端与所述机器人右臂中的电机相连。

8.根据权利要求6所述的机器人,其特征在于,所述控制器,还分别与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的避障传感器相连,并分别通过数据采集卡与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的角度传感器相连。

9.根据权利要求7所述的机器人,其特征在于,还包括:电源模块,分别与所述控制器、所述第一H桥电路以及所述第二H桥电路相连。

10.根据权利要求6所述的机器人,其特征在于,还包括:上位机,与所述控制器相连,用于向所述控制器发送用户的操作指令。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及智能机器人领域,尤其涉及一种机器人手臂和机器人。

背景技术

随着电子技术的发展与进步,各种各样的智能机器人已经快速普及到人们的日常生活中,而且机器人的手臂运动属于机器人设计的一个重要部分。

目前,现阶段的机器人手臂关节驱动基本都选用舵机驱动的方式,通过舵机系统内部固有的控制模块、驱动电路和电机来控制机器人手臂关节的运动,而且由于扭矩大的舵机体积也大,导致机器人结构具有一定的局限性,因此现有技术中一般采用小体积的舵机。

而机器人手臂采用小体积的舵机驱动时,其旋转扭矩也会受到限制,导致手臂的转动范围受限,且采用舵机驱动由于系统不稳定而容易损坏。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种机器人手臂和机器人,增加手臂旋转的扭矩大小,提高机器人手臂的转动灵活性,降低驱动手臂运动的不稳定性。

第一方面,本实用新型实施例提供了一种机器人手臂,该机器人手臂包括:驱动装置、手臂本体以及分隔盖板,所述驱动装置设置于所述分隔盖板的一侧,所述手臂本体设置于所述分隔盖板的另一侧,所述驱动装置包括电机驱动器以及电机;

所述电机驱动器,与所述电机相连,用于驱动所述电机工作;

所述电机的输出轴贯通所述分隔盖板,并与所述手臂本体固定连接,用于带动所述手臂本体旋转。

进一步的,所述驱动装置还包括:角度传感器,第一齿轮以及第二齿轮,所述角度传感器与第一齿轮相连,所述电机的输出轴与所述第二齿轮相连,所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合;

所述角度传感器,用于测量所述电机转动的角度。

进一步的,所述驱动装置还包括:电机机械复位点位,所述电机机械复位点位固定设置于所述电机的输出轴之上;

所述电机机械复位点位,用于指示所述电机的零度位置。

进一步的,该机器人手臂还包括:设置于所述手臂本体上的避障传感器;

所述避障传感器,用于检测所述手臂本体周围环境中的障碍物。

进一步的,所述避障传感器包括下述至少一项:超声波传感器、电子皮肤传感器以及红外传感器。

第二方面,本实用新型实施例提供了一种机器人,该机器人包括:机器人本体、控制器、以及由本实用新型任意实施例提供的机器人手臂构成的机器人左臂以及机器人右臂;

所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的分隔盖板为所述机器人本体对应位置的身体侧盖板,所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的驱动装置设置于所述机器人本体的内部;

所述控制器,分别与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的电机驱动器相连,用于控制所述电机驱动器驱动关联的电机工作。

进一步的,所述机器人左臂以及所述机器人右臂共用双驱动的电机驱动器;

所述双驱动的电机驱动器包括:双通道H桥驱动器、第一H桥电路以及第二H桥电路;

所述双通道H桥驱动器的第一通道输出端与所述第一H桥电路的输入端相连,所述双通道H桥驱动器的第二通道输出端与所述第二H桥电路的输入端相连,所述第一H桥电路的输出端与所述机器人左臂中的电机相连,所述第二H桥电路的输出端与所述机器人右臂中的电机相连。

进一步的,所述控制器,还分别与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的避障传感器相连,并分别通过数据采集卡与所述机器人左臂以及所述机器人右臂中的角度传感器相连。

进一步的,该机器人还包括:电源模块,分别与所述控制器、所述第一H桥电路以及所述第二H桥电路相连。

进一步的,该机器人还包括:上位机,与所述控制器相连,用于向所述控制器发送用户的操作指令。

本实用新型实施例提供的一种机器人手臂和机器人,通过电机驱动器直接驱动电机工作,从而带动机器人手臂旋转,而不采用小体积不稳定的舵机驱动,解决了采用小体积的舵机驱动造成的旋转扭矩受限的问题,增加了手臂旋转的扭矩,提高了机器人手臂的转动灵活性,降低了驱动手臂旋转的不稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:

图1是本实用新型实施例一提供的一种机器人手臂的结构示意图;

图2是本实用新型实施例二提供的一种机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型,而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的一种机器人手臂的结构示意图,本实施例中提供的机器人手臂可适用于任一智能机器人中。参照图1,该机器人手臂100可以具体包括:驱动装置110、手臂本体120以及分隔盖板130,其中,驱动装置110设置于分隔盖板130的一侧,手臂本体120设置于分隔盖板130的另一侧,可选的,驱动装置110还可以包括电机驱动器111以及电机112。

具体的,电机驱动器111与电机112相连,用于驱动电机工作。其中,电机驱动器111驱动电机112工作时,可以通过接收的脉冲控制信号,控制电机112旋转的方向、速度和扭矩。同时,电机驱动器111可以包括步进电机驱动器、直流伺服驱动器和交流伺服驱动器等各种类型,提供电机工作的转向和速度。进一步的,电机112的输出轴贯通分隔盖板130,并与手臂本体120固定连接,用于带动手臂本体120旋转。其中,分隔盖板130为用于分隔开驱动装置110和手臂本体120的一种设计机器人时采用的相应材料的盖板,可以不用因为手臂本体120的结构而局限驱动装置110的体积大小,从而增加电机驱动手臂旋转的扭矩大小。

进一步的,该驱动装置110还可以包括角度传感器113、第一齿轮114以及第二齿轮115。其中,角度传感器113与第一齿轮114相连,电机112的输出轴与第二齿轮115相连,第一齿轮114与第二齿轮115啮合,以此在电机112转动时,电机112的输出轴带动第二齿轮115转动,并使啮合的第一齿轮114随之转动,使角度传感器113测量第一齿轮114转动的角度,也就是测量电机112转动的角度,而电机112的输出轴与手臂本体120固定连接,则也就是测量电机112带动的手臂本体120的转动角度。具体的,角度传感器113中有一个轴,与第一齿轮114配合使用,根据第一齿轮114的转动进行计数,计算其转动的角度。

进一步的,驱动装置110还可以包括电机机械复位点位,该电机机械复位点位固定设置于电机112之上,用于指示电机112的零度位置。需要说明的是,本实施例中的电机机械复位点位是为了解决角度传感器113无法确定电机112旋转的绝对初始位置的问题,当电机112带动手臂本体120旋转到该电机机械复位点位时,角度传感器113根据该点的位置和获取的角度,可以计算出电机112旋转的相对位置,实现手臂本体120的精确位置的判断,减小旋转误差。

进一步的,机器人手臂100还可以包括设置于手臂本体120上的避障传感器121,该避障传感器121用于检测手臂本体120周围环境中的障碍物。具体的,避障传感器121可以包括一个或多个,并分别设置于与分隔盖板130相对的外侧表面,也可以是面向机器人的前后表面等。其中,避障传感器121可以包括下述至少一项:超声波传感器、电子皮肤传感器以及红外传感器。具体的,超声波传感器和红外传感器可以设置于面向机器人方向的手臂本体120的前后两侧表面,电子皮肤传感器可以设置于与分隔盖板130相对的手臂本体120的外侧表面,例如,手臂本体120的肘关节的位置。可选的,避障传感器121还可以是红外传感器或依据红外收发原理设计的一类障碍物探测装置等。本实施例中的避障传感器121可以使机器人手臂在运动过程中,实时判断手臂本体周围是否有障碍物存在,避免在运动中碰撞到周围的障碍物或人,提高了机器人手臂在运动过程中的安全性和实用性,并且通过在机器人的手臂本体上安装电子皮肤传感器,在有人触摸时防止机器人手臂运动,扩充了机器人的交互和感知能力,让机器人可以感触到有人在触摸手臂,进而可调用该场景做出相应的回应,使机器人更加的智能。

接下来对该机器人手臂100的工作原理进行进一步说明:

具体的,电机驱动器111根据接收的脉冲控制信号,驱动电机112工作,并控制电机112旋转的方向、速度和扭矩。电机112通过其输出轴带动手臂本体120和第二齿轮115进行相应旋转,第二齿轮115带动啮合的第一齿轮114旋转,角度传感器113在第一齿轮114的旋转过程中根据固定设置于电机112输出轴上的电机机械复位点位实时测量电机112转动的角度;同时,设置于手臂本体120上的避障传感器121也在电机112带动手臂本体120转动的过程中,实时检测手臂本体120周围环境中是否有障碍物存在,避免在运动中碰撞到周围的障碍物或人,提高了机器人手臂在运动过程中的安全性和实用性。

本实施例提供的一种机器人手臂,通过电机驱动器直接驱动电机工作,从而带动机器人手臂旋转,而不采用小体积不稳定的舵机驱动,解决了采用小体积的舵机驱动造成的旋转扭矩受限的问题,增加了手臂旋转的扭矩,提高了机器人手臂的转动灵活性,降低了驱动手臂旋转的不稳定性。

实施例二

图2为本实用新型实施例二提供的一种机器人的结构示意图。参照图2,本实施例二提供的机器人可以包括:机器人本体200、控制器210以及上述任意实施例中提供的机器人手臂构成的机器人左臂220和机器人右臂230。

其中,机器人左臂220以及机器人右臂230中的分隔盖板可以为机器人本体200对应位置的身体侧盖板,并且机器人左臂220以及机器人右臂230中的驱动装置可以设置于机器人本体200的内部。具体的,机器人左臂220以及机器人右臂230可以共用双驱动的电机驱动器;如图2所示,该双驱动的电机驱动器可以包括:双通道H桥驱动器201、第一H桥电路202以及第二H桥电路203。其中,双通道H桥驱动器201可以通过接收的脉冲控制信号使对应的由H桥电路与电机组成的电机控制电路导通,从而驱动电机工作。需要说明的是,H桥电路是一个典型的直流电机控制电路,通过4个三极管与一个电机组成一个控制电路,根据双通道H桥驱动器201接收的脉冲控制信号对应控制H桥电路中的连通电机的两个三极管导通,从而对应控制电机旋转的方向和速度。进一步的,双通道H桥驱动器201的第一通道输出端与第一H桥电路202的输入端相连,双通道H桥驱动器201的第二通道输出端与第二H桥电路203的输入端相连,第一H桥电路202的输出端与机器人左臂220中的电机相连,第二H桥电路203的输出端与机器人右臂230中的电机相连,从而通过双通道H桥驱动器201中对应的第一通道和第二通道分别对应控制机器人左臂220和机器人右臂230中的电机相应转动。

进一步的,该机器人中的控制器210分别与机器人左臂220以及机器人右臂230中的电机驱动器相连,用于控制电机驱动器驱动关联的电机工作。其中,控制器210可以通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号来控制电机驱动器,实现驱动电机的速度和方向控制。具体的,在控制电机的速度和方向时通常需要生成两路信号,其中包括一路控制电机的方向的高低电平信号,以及一路控制电机速度的PWM调速信号。可选的,控制器210与机器人左臂220和机器人右臂230共用的双通道H桥驱动器201相连,根据脉冲控制信号对应通过双通道H桥驱动器201中的第一通道或第二通道控制相应的第一H桥电路202或第二H桥电路203导通状态,从而驱动关联的电机工作。

进一步的,控制器210还可以分别与机器人左臂220以及机器人右臂230中的避障传感器相连,根据检测到的周围环境中的障碍物生成对应的脉冲控制信号,从而控制机器人手臂的对应运动状态。示例性的,在机器人左臂220运动过程中,机器人左臂220上的避障传感器检测到周围环境有障碍物时,会生成对应的脉冲控制信号,通过双通道H桥驱动器201中的第一通道控制第一H桥电路202断开,从而驱动机器人左臂220中的电机停止运动,防止机器人左臂220在运动过程中碰撞到障碍物,提高机器人运动的安全性和实用性。需要说明的是,当机器人左臂220上的避障传感器有多种时,均分别与控制器210相连,同时检测机器人手臂周围环境是否有障碍物存在。

可选的,控制器210还可以分别通过数据采集卡204与机器人左臂220以及机器人右臂230中的角度传感器相连。其中,在机器人首次上电使用,或者用户操控机器人对电机机械复位点位进行复位时,控制器210可以分别记录机器人左臂220以及机器人右臂230中的电机输出轴上的电机机械复位点位,并进行存储。具体的,控制器210根据接收的电机转动的设定角度,生成两路信号,分别控制电机的转动方向和速度,并通过数据采集卡204实时采集角度传感器读取的电机转动的角度,并根据记录的电机机械复位点位实时获取电机转动的相对位置,控制器210根据获取的相对位置判断手臂是否达到设定角度,并根据相对位置的差距控制电机进行相应工作。其中,本实施例中的数据采集卡204可以是AD数据采集卡,将角度传感器中测量的角度模拟量转换为对应的数字量,并发送给控制器210,由控制器210进行对应处理。示例性的,在电机转动过程中,数据采集卡204实时采集角度传感器读取的机器人手臂中的至少一个电机转动的角度,并转换为数字量角度信息发送给控制器210,控制器210根据接收到的角度信息与记录的电机机械复位点位确定旋转的相对角度,从而判断当前位置是否达到设定的角度值,若没有达到,则生成对应的两路控制信号,控制对应的电机继续工作;若达到设定角度,则生成对应电机的停止信号,控制对应的电机停止转动。

进一步的,该机器人还可以包括电源模块240,分别与控制器210、第一H桥电路202以及第二H桥电路203相连,用于为机器人工作中的各个功能模块供电。其中,电源模块240可以包括直流\/直流(Direct Current\/Direct Current,DC\/DC)电源241和低压差线性稳压(Low Dropout Regulator,LDO)电源242,其中,DC\/DC电源241采用开关电源的思想实现,可以实现多个电压输出,而本实施例中实现一种电压输出;LDO电源242将DC\/DC电源241输出的电压调节到适合机器人工作的电压范围,工作时间长,实现较高的工作效率。具体的,DC\/DC电源241分别与第一H桥电路202、第二H桥电路203以及LDO电源242相连,LDO电源242还与控制器210相连。

进一步的,该机器人还可以包括上位机250,与控制器210相连,用于向控制器210发送用户的操作指令。

接下来对该机器人的工作原理进行进一步说明:

具体的,在机器人不工作时,如果用户需要操控机器人运动,用户首先通过上位机250向机器人发送操作指令,其中,该操作指令中可以包括操控机器人的某个手臂转动的设定角度,控制器210在接收到该操作指令时,判断是由机器人的左臂还是右臂运动,以及手臂运动的方向和角度,并生成对应的控制信号,该控制信号包括一路控制电机转动方向的高低电平信号,以及一路控制电机转动速度的PWM调速信号;控制器210将该生成的两路信号发送给双通道H桥驱动器201,并根据该控制信号相应的通过第一通道和\/或第二通道控制相应的第一H桥电路202或第二H桥电路203的导通状态,从而驱动机器人左臂220和\/或机器人右臂230中关联的电机工作,从而带动对应的机器人左臂220和\/或机器人右臂230转动。在机器人手臂的转动过程中,机器人左臂220和\/或机器人右臂230中的角度传感器实时获取电机转动的角度,使数据采集卡采集实时角度发送给控制器210,并根据电机机械复位点位确定电机带动手臂转动的实时相对位置,并生成对应的控制信号发送给双通道H桥驱动器201控制对应的机器人左臂220和\/或机器人右臂230中的电机转动方向和速度,直到达到操作指令中手臂转动的设定角度,控制器210控制相应的电机停止转动。同时,在机器人手臂的转动过程中,机器人左臂220和\/或机器人右臂230上的避障传感器也实时检测周围环境中是否有障碍物,在检测到周围环境有障碍物时,会生成对应的脉冲控制信号,通过双通道H桥驱动器201中的第一通道控制第一H桥电路202断开和\/或通过第二通道控制第二H桥电路203断开,从而驱动机器人左臂220和\/或机器人右臂230中的电机停止运动,从而防止机器人手臂在运动过程中碰撞到障碍物,提高机器人运动的安全性和实用性。

本实施例提供的一种机器人,通过电机驱动器直接驱动电机工作,从而带动机器人手臂旋转,而不采用小体积不稳定的舵机驱动,解决了采用小体积的舵机驱动造成的旋转扭矩受限的问题,增加了手臂旋转的扭矩大小,提高了机器人手臂的转动灵活性,降低了驱动手臂旋转的不稳定性;通过在机器人手臂上安装避障传感器,提高机器人运动的安全性和实用性,扩充了机器人的交互和感知能力,让机器人可以感触到有人在触摸手臂,进而可调用该场景做出相应的回应,使机器人更加的智能。

注意,上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本实用新型不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明,但是本实用新型不仅仅限于以上实施例,在不脱离本实用新型构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

设计图

一种机器人手臂和机器人论文和设计

相关信息详情

申请码:申请号:CN201920063802.5

申请日:2019-01-15

公开号:公开日:国家:CN

国家/省市:86(杭州)

授权编号:CN209850925U

授权时间:20191227

主分类号:B25J9/12

专利分类号:B25J9/12

范畴分类:40E;

申请人:浙江孚宝智能科技有限公司

第一申请人:浙江孚宝智能科技有限公司

申请人地址:310000 浙江省杭州市上城区环城东路土山一弄2号101室

发明人:程乾;麻威;陈立平;王金祥;贾国强

第一发明人:程乾

当前权利人:浙江孚宝智能科技有限公司

代理人:孟金喆

代理机构:11332

代理机构编号:北京品源专利代理有限公司 11332

优先权:关键词:当前状态:审核中

类型名称:外观设计

标签:;  ;  ;  ;  ;  ;  

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