具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂的製作方法

2023-05-20 20:30:31 3

具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂的製作方法
【專利摘要】一種具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，在基座上設置有依次連接的第一至第七旋轉關節，其中，第六旋轉關節的輸出端連接末端單自由度手爪，第七旋轉關節的輸出端連接內置有高清攝像頭的攝像頭雲臺。第一旋轉關節分別垂直於基座和第二旋轉關節，第二旋轉關節、第三旋轉關節和第五旋轉關節相互平行，並與相互平行的第四旋轉關節、第六旋轉關節和第七旋轉關節相垂直，第七旋轉關節與第六旋轉關節方向相反，第四旋轉關節的軸線、第五旋轉關節的軸線和第六旋轉關節的軸線匯交於空間一點，第五旋轉關節的軸線、第六旋轉關節的軸線和第七旋轉關節的軸線在同一平面上。本發明能夠對末端執行器和被操作目標進行緊密跟隨監視，並能夠對圖像拍攝的角度進行調節。
【專利說明】具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機械臂，特別是涉及一種具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂。
【背景技術】
[0002]在野外探險、偵察、危險品處置或醫療作業等特殊領域，由於作業環境存在可能發生危害作業人員生命健康的危險，因而迫切需要使用機器人尤其是操作臂機器人代替人員完成某些作業任務。目前應用比較廣泛的工業操作臂機器人的負載能力一般都比較大，存在體積大、質量重、控制系統複雜、操作不方便等問題，主要應用於室內生產車間的包裝、碼垛、物料搬運以及汽車噴塗等作業任務，很難安裝在移動機器人平臺或車輛上供野外探險等任務使用。對於野外探險或危險品處置等特殊作業環境需求，由於移動機器人平臺承載空間有限，因而需要所安裝的操作臂具有體積小、結構緊湊、質量輕等特點，但過小的結構尺寸限制了操作臂機器人的工作空間和作業範圍，因而該操作臂最好具有可摺疊等技術特點。又由於野外環境具有不確定性，危險品的處置工藝也千差萬別，因而要求操作臂具有較好的靈活性。特別是精細操作時，能夠實時對所操作目標進行狀態監控，使被操作目標的位置、形狀等信息進入操作者的視線範圍，避免視覺盲區，對提高操作安全性、可靠性等尤為重要，因而特別需要一種能夠對末端執行器和被操作目標進行緊密跟隨監視功能的輕型靈活機械臂。但如何能保證操作臂在具有空間六自由度、且具有較好的末端運動靈活性的同時，還具有緊密的目標跟隨監視功能、避免監視盲區是本發明所要解決的問題。

【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠對圖像拍攝的角度進行調節以避免監視盲區的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂。
[0004]本發明所採用的技術方案是:一種具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，包括有基座，所述的基座上設置有依次連接的第一旋轉關節、第二旋轉關節、大臂連杆、第三旋轉關節、第四旋轉關節、第五旋轉關節和第六旋轉關節，所述第六旋轉關節的輸出端連接末端單自由度手爪，其中，所述的第四旋轉關節與所述的第五旋轉關節之間是通過焦點定位角件相互連接，所述的第一旋轉關節的軸線與基座同軸心，且垂直於第二旋轉關節的軸線，所述的第二旋轉關節的軸線平行於第三旋轉關節的軸線，所述的第三旋轉關節的軸線垂直於第四旋轉關節的軸線，所述的第四旋轉關節的軸線垂直於第五旋轉關節的軸線，所述的第五旋轉關節的軸線垂直於第六旋轉關節的軸線，所述的第四旋轉關節的軸線、第五旋轉關節的軸線和第六旋轉關節的軸線匯交於空間一點，所述的第五旋轉關節還連接第七旋轉關節，所述的第七旋轉關節的軸線與第六旋轉關節的軸線平行且方向相反，且第五旋轉關節的軸線、第六旋轉關節的軸線和第七旋轉關節的軸線在同一平面上，所述第七旋轉關節的輸出端連接內置有高清攝像頭的攝像頭雲臺。
[0005]所述的第六旋轉關節的軸線和第七旋轉關節的軸線間的距離為1.2倍第六關節的外直徑。
[0006]所述的第一旋轉關節、第二旋轉關節、第三旋轉關節、第四旋轉關節、第六旋轉關節和第七旋轉關節結構相同，均設置有相互連接的關節固定基座和關節輸出軸套，所述的第五旋轉關節設置有依次連接的第五關節固定基座、第五關節輸出軸套和第五關節隨動軸套，其中，所述的第一旋轉關節的關節輸出軸套連接第二旋轉關節的關節固定基座，第二旋轉關節的關節輸出軸套連接大臂連杆的一端，大臂連杆的另一端連接第三旋轉關節的關節固定基座，第三旋轉關節的關節輸出軸套連接第四旋轉關節的關節固定基座，第四旋轉關節的關節輸出軸套連接焦點定位角件的一端，焦點定位角件的另一端連接第五關節固定基座，所述的第五關節輸出軸套連接第六旋轉關節的關節固定基座，所述的第五關節隨動軸套連接第七旋轉關節的關節固定基座，所述的第六旋轉關節的關節輸出軸套連接末端單自由度手爪，所述的第一旋轉關節的關節固定基座垂直固定在所述的基座上，所述第七旋轉關節的關節輸出軸套通過雲臺角件連接攝像頭雲臺。
[0007]所述的第一旋轉關節的直徑大於第二旋轉關節的直徑，第二旋轉關節的直徑大於第三旋轉關節的直徑，第三旋轉關節、第四旋轉關節、第五旋轉關節、第六旋轉關節和第七旋轉關節的直徑相等。
[0008]所述的攝像頭雲臺在設置有高清攝像頭的一面上設置有LED照明燈。
[0009]所述雲臺角件為折彎角90°的空心彎管結構，從而使第七旋轉關節的軸線與攝像頭雲臺上設置有高清攝像頭的一面相垂直。
[0010]當所述的第二旋轉關節、第三旋轉關節和第五旋轉關節為相互平行的展開狀態時，所述的第二旋轉關節的軸線到第三旋轉關節的軸線之間的距離與第三旋轉關節的軸線到第五旋轉關節的軸線之間的距離之比為1.4。
[0011]所述攝像頭雲臺的中心點在第五旋轉關節的軸線和第七旋轉關節的軸線所構成的平面上的投影點到第五旋轉關節的軸線的距離與第三旋轉關節的軸線到第五旋轉關節的軸線之間的距離之比為0.8。
[0012]本發明的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，是結合野外環境下發生生物汙染、化學汙染或核汙染等特殊環境下的醫學救援與處置等作業任務需求，提供一種能夠對末端執行器和被操作目標進行緊密跟隨監視功能的輕型靈活機械臂，能夠對圖像拍攝的角度進行調節以避免監視盲區，並能夠在機械臂摺疊狀態時以佔用空間最小的姿態進行收攏，從而達到減少整機佔用空間體積，實現操作空間/佔用空間體積比大的目的，並具有體積較小、質量較輕、可摺疊、末端運動靈活、操作狀態實時監視等技術特點，適合安裝在移動機器人平臺或輪式機動車輛上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明完全展開狀態前側視圖；
[0014]圖2是本發明完全展開狀態後側視圖；
[0015]圖3是本發明完全展開狀態俯視圖；
[0016]圖4是本發明摺疊狀態的結構示意圖；
[0017]圖5是本發明攝像頭隨動連杆結構俯視圖；
[0018]圖6是本發明旋轉關節零部件構成爆炸視圖；[0019]圖7是本發明攝像頭雲臺8部分的結構示意圖；
[0020]圖8是本發明中同軸定位法蘭結構的正視圖；
[0021]圖9是本發明中同軸定位法蘭結構的側視圖。
[0022]圖中
[0023]1:第一旋轉關節2:第二旋轉關節
[0024]3:第三旋轉關節4:第四旋轉關節
[0025]5:第五旋轉關節6:第六旋轉關節
[0026]7:第七旋轉關節8:攝像頭雲臺
[0027]9:大臂連杆10:末端單自由度手爪
[0028]11:雲臺角件12 ;焦點定位角件
[0029]20:基座33:減速器同心軸
[0030]34:減速器連接法蘭35:軸套連接法蘭
[0031]36:軸套同心軸81:高清攝像頭
[0032]82:LED照明燈121:連接杆
[0033]122:下連接端頭123:上連接端頭
[0034]501:第五關節固定基座502:第五關節輸出軸套
[0035]503:第五關節隨動軸套
[0036]101、201、301、401、601、701:關節固定基座
[0037]102、202、302、402、602、702:關節輸出軸套
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例和附圖對本發明的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂做出詳細說明。
[0039]本發明的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，是結合野外環境下發生生物汙染、化學汙染或核汙染等特殊環境下的醫學救援與處置作業等任務需求，提供一種能夠對末端執行器和被操作目標進行緊密跟隨監視功能的輕型靈活機械臂，具有體積較小、質量較輕、可摺疊、末端運動靈活、操作狀態實時監視等技術特點，適合安裝在移動機器人平臺或輪式機動車輛上。
[0040]如圖1~圖5所示，本發明的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，包括有基座20，所述的基座20上設置有依次連接的第一旋轉關節1、第二旋轉關節2、大臂連杆9、第三旋轉關節3、第四旋轉關節4、第五旋轉關節5、第六旋轉關節6，所述第六旋轉關節6的輸出端連接末端單自由度手爪10，其中，所述的第四旋轉關節4與所述的第五旋轉關節5之間是通過焦點定位角件12相互連接，所述的第一旋轉關節I的軸線與基座20同軸心，且垂直於第二旋轉關節2的軸線，所述的第二旋轉關節2的軸線平行於第三旋轉關節3的軸線，所述的第三旋轉關節3的軸線垂直於第四旋轉關節4的軸線，所述的第四旋轉關節4的軸線垂直於第五旋轉關節5的軸線，所述的第五旋轉關節5的軸線垂直於第六旋轉關節6的軸線，所述的第四旋轉關節4的軸線、第五旋轉關節5的軸線和第六旋轉關節6的軸線匯交於空間一點，所述的第五旋轉關節5還連接第七旋轉關節7，所述的第七旋轉關節7的軸線始終與第六旋轉關節6的軸線平行且方向相反，且第五旋轉關節5的軸線、第六旋轉關節6的軸線和第七旋轉關節7的軸線在同一平面上，所述第七旋轉關節7的輸出端連接內置有高清攝像頭的攝像頭雲臺8，如圖7所示，所述的攝像頭雲臺8在設置有高清攝像頭81的一面上設置有LED照明燈82。所述的第六旋轉關節6的軸線和第七旋轉關節7的軸線間的距離為1.2倍第六關節的外直徑。
[0041]如圖5所示，所述的焦點定位角件12包括有連接杆121，固定在所述連接杆121下端一側的用於連接所述的第四旋轉關節4的下連接端頭122，以及固定在所述連接杆121上端一側的用於連接所述的第五旋轉關節5的上連接端頭123，其中，所述的下連接端頭122與所述的上連接端頭123均與所述的連接杆121相垂直設置，且方向相反。連接杆121的長度能夠使圖5中下連接端頭122的軸線與第六旋轉關節6的軸線在同一條直線上。焦點定位角件12的結構和尺寸設計使得第四旋轉關節4的軸線、第五旋轉關節5的軸線和第六旋轉關節6的軸線匯交於空間一點。
[0042]如圖2所示，本發明中所述的第一旋轉關節1、第二旋轉關節2、第三旋轉關節3、第四旋轉關節4、第六旋轉關節6和第七旋轉關節7結構相同，均設置有相互連接的關節固定基座 101/201/301/401/601/701 和關節輸出軸套 102/202/302/402/602/702，所述的第五旋轉關節5設置有依次連接的第五關節固定基座501、第五關節輸出軸套502和第五關節隨動軸套503，其中，所述的第一旋轉關節I的關節輸出軸套102連接第二旋轉關節2的關節固定基座201，第二旋轉關節2的關節輸出軸套202連接大臂連杆9的一端，大臂連杆9的另一端連接第三旋轉關節3的關節固定基座301，第三旋轉關節3的關節輸出軸套302連接第四旋轉關節4的關節固定基座401，第四旋轉關節4的關節輸出軸套402連接焦點定位角件12的一端，焦點定位角件12的另一端連接第五關節固定基座501，所述的第五關節輸出軸套502的一端連接第六旋轉關節6的關節固定基座601，另一端連接第五關節隨動軸套503，所述的第五關節隨動軸套503的另一端連接第七旋轉關節7的關節固定基座701，所述的第六旋轉關節6的關節輸出軸套602連接末端單自由度手爪10，所述的第一旋轉關節I的關節固定基座101垂直固定在所述的基座20上，所述第七旋轉關節7的關節輸出軸套702通過雲臺角件11連接攝像頭雲臺8。所述雲臺角件11為折彎角90°的空心彎管結構，使得第七關節軸線與攝像頭雲臺8上設置有高清攝像頭81的一面垂直。
[0043]如圖6所示，所述的第一旋轉關節1、第二旋轉關節2、第三旋轉關節3、第四旋轉關節4、第五旋轉關節5、第六旋轉關節6和第七旋轉關節7的關節固定基座101/201/301/401/501/601/701 和關節輸出軸套 102/202/302/402/502/602/702 的內部設置結構相同，均包括有:安裝在所述關節固定基座101/201/301/401/501/601/701內的且依次相連的光電編碼器26、伺服電機25和諧波減速器24，所述諧波減速器24的外周面與所述的關節固定基座101/201/301/401/501/601/701固定連接，所述諧波減速器24的旋轉輸出端通過同軸定位法蘭23連接關節輸出軸套102/202/302/402/502/602/702，關節輸出軸套 102/202/302/402/502/602/702 套在所述關節固定基座 101/201/301/401/501/601/701上埠上，所述關節輸出軸套102/202/302/402/502/602的頂端設置有關節密封端蓋21。其中的第五旋轉關節5的關節輸出軸套502與第五關節隨動軸套503直接連接，在第五關節隨動軸套503的外側設置關節密封端蓋21。
[0044]如圖8、圖9所示，所述的同軸定位法蘭23包括有依次一體形成且同軸的:用於插入所述的關節輸出軸套102/202/302/402/502/602/702內法蘭的定位孔中的軸套同心軸36，用於與所述的關節輸出軸套102/202/302/402/502/602/702內的法蘭固定連接的軸套連接法蘭35，用於與所述的諧波減速器24旋轉輸出端的法蘭固定連接的減速器連接法蘭34，以及用於插入所述的諧波減速器24旋轉輸出端的法蘭定位孔內的減速器同心軸33。所述的軸套連接法蘭35的直徑大於軸套同心軸36的直徑，所述軸套同心軸36的直徑大於減速器連接法蘭34的直徑，減速器連接法蘭34的直徑又大於減速器同心軸33的直徑。
[0045]所述的第一旋轉關節I的直徑大於第二旋轉關節2的直徑，第二旋轉關節2的直徑大於第三旋轉關節3的直徑，第三旋轉關節3、第四旋轉關節4、第五旋轉關節5、第六旋轉關節6和第七旋轉關節7的直徑相等。
[0046]如圖1所示，當所述的第二旋轉關節2、第三旋轉關節3和第五旋轉關節5為相互平行的展開狀態時，第二旋轉關節2的軸線到第三旋轉關節3的軸線之間的距離與第三旋轉關節3的軸線到第五旋轉關節5的軸線之間的距離之比為1.4。
[0047]攝像頭雲臺8的中心點在第五旋轉關節5的軸線和第七旋轉關節7的軸線所構成的平面上的投影點到第五旋轉關節5的軸線的距離與第三旋轉關節3的軸線到第五旋轉關節5的軸線之間的距離之比為0.8。
[0048]本發明的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，包括了第七旋轉關節7及內置有一個高清攝像頭81、一組LED照明燈82的攝像頭雲臺8，主要作用是當機械臂的末端執行器對目標物體進行操作時，高清攝像頭81能夠一直跟隨瞄準被操作物體，對其進行高清影像拍攝，同時在光線較弱或夜間操作時，LED照明燈82能夠照亮目標視野，為清晰成像提供補充照明。第七旋轉關節7的電機及減速器裝置能使攝像頭雲臺8繞第七旋轉關節7的軸線進行一周範圍內的轉動，從而能夠對圖像拍攝的角度進行調節，並能夠在機械臂摺疊狀態時以佔用空間最小的姿態進行收攏，從而減少整機佔用空間體積，達到操作空間/佔用空間體積比大的目的。
【權利要求】
1.一種具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，包括有基座(20)，所述的基座(20)上設置有依次連接的第一旋轉關節(I)、第二旋轉關節(2)、大臂連杆(9)、第三旋轉關節(3)、第四旋轉關節(4)、第五旋轉關節(5)和第六旋轉關節(6)，所述第六旋轉關節(6)的輸出端連接末端單自由度手爪(10)，其中，所述的第四旋轉關節(4)與所述的第五旋轉關節(5)之間是通過焦點定位角件(12)相互連接，所述的第一旋轉關節(I)的軸線與基座(20)同軸心，且垂直於第二旋轉關節(2)的軸線，所述的第二旋轉關節(2)的軸線平行於第三旋轉關節(3)的軸線，所述的第三旋轉關節(3)的軸線垂直於第四旋轉關節(4)的軸線，所述的第四旋轉關節(4)的軸線垂直於第五旋轉關節(5)的軸線，所述的第五旋轉關節(5)的軸線垂直於第六旋轉關節(6)的軸線，所述的第四旋轉關節(4)的軸線、第五旋轉關節(5)的軸線和第六旋轉關節(6)的軸線匯交於空間一點，其特徵在於，所述的第五旋轉關節(5)還連接第七旋轉關節(7)，所述的第七旋轉關節(7)的軸線與第六旋轉關節(6)的軸線平行且方向相反，且第五旋轉關節(5)的軸線、第六旋轉關節(6)的軸線和第七旋轉關節(7)的軸線在同一平面上，所述第七旋轉關節(7)的輸出端連接內置有高清攝像頭的攝像頭雲臺(8)。
2.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述的第六旋轉關節(6)的軸線和第七旋轉關節(7)的軸線間的距離為1.2倍第六關節的外直徑。
3.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述的第一旋轉關節(I)、第二旋轉關節(2)、第三旋轉關節(3)、第四旋轉關節(4)、第六旋轉關節(6)和第七旋轉關節(7)結構相同，均設置有相互連接的關節固定基座(101/201/301/401/601/701)和關節輸出軸套(102/202/302/402/602/702)，所述的第五旋轉關節(5)設置有依次連接的第五關節固定基座(501)、第五關節輸出軸套(502)和第五關節隨動軸套(503)，其中，所述的第一旋轉關節(I)的關節輸出軸套(102)連接第二旋轉關節(2 )的關節固定基座(201)，第二旋轉關節(2 )的關節輸出軸套(202 )連接大臂連杆(9 )的一端，大臂連杆(9)的另一端連接第三旋轉關節(3)的關節固定基座(301)，第三旋轉關節(3)的關節輸出軸套(302)連接第四旋轉關節(4)的關節固定基座(401)，第四旋轉關節(4 )的關節輸出軸套(402 )連接焦點定位角件(12 )的一端，焦點定位角件(12 )的另一端連接第五關節固定基座(501)，所述的第五關節輸出軸套(502)連接第六旋轉關節(6)的關節固定基座(601)，所述的第五關節隨動軸套(503)連接第七旋轉關節(7)的關節固定基座(701)，所述的第六旋轉關節(6)的關節輸出軸套(602)連接末端單自由度手爪(10)，所述的第一旋轉關節(I)的關節固定基座(101)垂直固定在所述的基座(20)上，所述第七旋轉關節(7)的關節輸出軸套(702)通過雲臺角件(11)連接攝像頭雲臺(8)。
4.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述的第一旋轉關節(I)的直徑大於第二旋轉關節(2)的直徑，第二旋轉關節(2)的直徑大於第三旋轉關節(3)的直徑，第三旋轉關節(3)、第四旋轉關節(4)、第五旋轉關節(5)、第六旋轉關節(6)和第七旋轉關節(7)的直徑相等。
5.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述的攝像頭雲臺(8)在設置有高清攝像頭(81)的一面上設置有LED照明燈(82)。
6.根據權利要求3所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述雲臺角件(11)為折彎角90°的空心彎管結構，從而使第七旋轉關節(7)的軸線與攝像頭雲臺(8)上設置有高清攝像頭(81)的一面相垂直。
7.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，當所述的第二旋轉關節(2)、第三旋轉關節(3)和第五旋轉關節(5)為相互平行的展開狀態時，所述的第二旋轉關節(2)的軸線到第三旋轉關節(3)的軸線之間的距離與第三旋轉關節(3)的軸線到第五旋轉關節(5)的軸線之間的距離之比為1.4。
8.根據權利要求1所述的具有目標跟隨監視功能的可摺疊輕型機械臂，其特徵在於，所述攝像頭雲臺(8)的中心點在第五旋轉關節(5)的軸線和第七旋轉關節(7)的軸線所構成的平面上的投影點到第五旋轉關節(5)的軸線的距離與第三旋轉關節(3)的軸線到第五旋轉關節(5)的軸線之間的距離之比為0.8。
【文檔編號】B25J17/02GK103802132SQ201410076030
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月4日 優先權日:2014年3月4日
【發明者】劉亞軍, 徐新喜, 孫景工, 張西正, 趙秀國, 劉志國, 牛福, 蘇衛華, 高振海, 韓俊淑, 吳文娟, 張文昌, 崔向東 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院衛生裝備研究所