堆垛式载运教学机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型堆垛式载运教学机器人涉及的是一种教学设备，尤其是一种综合工业机器人和AGV机器人的功能的机器人。包括机械手和运动底盘，机械手安装在运动底盘上；机械手包括升降部件、手爪部件、平移部件和回转部件；运动底盘包括底板、左车轮、右车轮和万向轮；在底板上方的周围设有围边，围边和底板形成了腔体，腔体的左前方设置有步进电机驱动器，腔体的左后方装有操作面板，腔体的后方设有电池，腔体的右前方装有控制电路板，所述控制电路板包括ARM控制主板和车轮电机驱动板。由回转部件控制手爪的方位，升降部件控制手爪的高低，平移部件控制手爪的伸缩位置，手爪在空间的位置通过控制回转角度、上下高度和平移距离三个参数来实现。
【专利说明】
堆垛式载运教学机器人
技术领域
[0001]本实用新型堆垛式载运教学机器人涉及的是一种教学设备，尤其是一种综合工业机器人和AGV机器人的功能的机器人。
【背景技术】
[0002]随着各种机器人在各行各业中的应用不断推广，各学校纷纷开设了相关机器人课程的教学，但是目前各高等院校所使用的机器人教学设备要么是价格昂贵的工业机器人，整个实训室配置台数极少，无法满足教学的需求;要么是结构简单的玩具型机器人，功能简单，不能与高等院校相关课程紧密衔接，起不到良好的教学效果。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种堆垛式载运教学机器人，由机械手和运动底盘两大部分组成，综合了工业机器人和AGV机器人的功能，既可以作为比赛平台用于各种机器人比赛，也可以作为实训设备应用于各高等院校的机器人教学中。
[0004]本实用新型是采取以下技术方案实现的:
[0005]堆垛式载运教学机器人包括机械手和运动底盘，机械手安装在运动底盘上；
[0006]机械手包括升降部件、手爪部件、平移部件和回转部件；
[0007]回转部件安装在机器人运动底盘的底板零件上，能绕铅垂轴旋转;所述回转部件包括回转底座、回转电机固定座、回转步进电机、立柱固定座、回转齿轮和回转轴齿轮；回转底座安装在运动底盘上，回转电机固定座套装在回转底座上；回转步进电机与回转电机固定座相连，回转步进电机的输出轴上安装有回转齿轮;立柱固定座安装在回转底座内，在立柱固定座上套装有回转轴齿轮;所述回转轴齿轮和回转齿轮相啮合；
[0008]所述升降部件包括立柱底座、升降立柱、升降导轨、升降拖链和升降步进电机，升降立柱固定在回转部件的立柱固定座内，升降导轨安装在升降立柱上;升降步进电机安装在位于升降导轨中部的升降板上，升降步进电机通过升降拖链与升降导轨端部相连;在升降导轨底部设有升降原点传感器，在升降立柱顶部设有警示灯；
[0009]平移部件与升降部件相联，所述平移部件包括平移步进电机、平移齿轮、平移拖链、平移直线导轨和平移齿条;平移直线导轨安装在升降部件的升降板上，平移齿条固定在平移直线导轨上，平移步进电机也安装在升降部件的升降板上，平移齿轮与平移步进电机的输出轴相连，平移齿轮与平移齿条相啮合;平移拖链的一端与升降部件的升降板相连，平移拖链的另一端与手爪部件相连；
[0010]手爪部件通过手爪导杆座安装在平移直线导轨上，手爪部件沿平移部件的平移直线导轨作水平运动;所述手爪部件包括手爪导杆座、手指滑块、手爪步进电机、手爪部件固定板、手指齿条、手指齿轮、手指V形块压板、手指V形块和手指体，手指齿条安装在手爪部件固定板上，手爪步进电机安装在手爪部件固定板背部，手指齿轮安装在手爪步进电机的输出轴上，手指齿轮与手指齿条相啮合;手指体安装在手指滑块上;手指V形块安装在手指体上，并通过手指V形块压板相对固；所述手指体、手指V形块和手指V形板压板各设有两个，用于夹取货物;所述手爪部件共设有两组。
[0011]运动底盘包括底板、左车轮、右车轮和万向轮;在底板上方的周围设有围边，围边和底板形成了腔体，腔体的左前方设置有步进电机驱动器，腔体的左后方装有操作面板，腔体的后方设有电池，腔体的右前方装有控制电路板，所述控制电路板包括ARM控制主板和车轮电机驱动板;在底板下的左右对称位置分别装有左车轮和右车轮，在底板下的前部装有万向轮，底板前部设有循线传感器;在围边前部装有红外光电传感器;在底板下还装有左车轮电机和右车轮电机，左车轮电机的输出轴与左车轮轴相连，右车轮电机的输出轴与右车轮轴相连。
[0012]所述红外光电传感器设有两个，分别位于围边前左部和围边前右部；红外光电传感器用于探测机器人行走途中前方的障碍，在发现障碍后及时绕开。
[0013]在升降部件的升降板上装有平移原点传感器;在手爪部件固定板上部设有1#手爪传感器和2#手爪传感器。
[0014]ARM控制主板分别与红外光电传感器、循线传感器以及升降原点传感器、平移原点传感器、1#手爪传感器以及2#手爪传感器相联;升降原点传感器、平移原点传感器、1#手爪传感器以及2#手爪传感器统称为机械手位置传感器，ARM控制主板通过ARM控制主板上的I/O接口与车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器相连;红外光电传感器、循线传感器和机械手位置传感器分别将位置信息传送给ARM控制主板，ARM控制主板将控制信息发送给车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器，从而使得机器人进行动作。
[0015]通过循线传感器传送的信息能够确定机器人与限制场地边界的偏离距离，从而进行循线运行；
[0016]机械手位置传感器得到机械手的升降、平移、回转和手爪部件的实际位置，并作出及时反应。
[0017]本实用新型结构合理，由回转部件控制手爪的方位，升降部件控制手爪的高低，平移部件控制手爪的伸缩位置，因此，手爪在空间的位置，可以通过控制回转角度、上下高度和平移距离三个参数来实现。机械手部分具备升降、回转、平移共三个自由度，其手爪部件可以抓取各种货物;运行底盘配有循线传感器，可以沿着地面白色引导条运动，安装的红外光电传感器可以探测运行前方的障碍物，并及时避开。ARM控制主板采用ARMCPU，低功耗、运行速度快、软件资源丰富，参赛队员可以在机器人上直接运行采用大型算法、在大型台式电脑上编写通过的程序，从而使机器人具有了很高的智能；同时，其主板又具备很丰富的I/O口，可以连接大量的外部设备，进一步扩大机器人对外界信息的感知和执行处理能力。
[0018]本实用新型可实现如下功能:
[0019]I)循线计数行走、路径规划；
[0020]2)自动取物、自动堆垛；
[0021]3)多种货物取放任务方案可自由设计；
[0022]4)可自行更换手爪结构以满足不同尺寸、形状货物的抓取任务。
【附图说明】
[0023]以下将结合附图对本实用新型做进一步说明:
[0024]图1是本实用新型堆垛式载运教学机器人的结构示意图；
[0025]图2是本实用新型的运动底盘的结构不意图；
[0026]图3是本实用新型的回转部件的结构示意图；
[0027]图4是本实用新型的升降部件的结构示意图；
[0028]图5是本实用新型的平移部件的结构示意图；
[0029]图6是本实用新型的手爪部件的结构示意图；
[0030]图7是本实用新型的控制方式方框图。
[0031]图中:1、左车轮，2、操作面板，3、电池，4、围边，5、右车轮，6、底板，7、红外光电传感器，8、万向轮，9、循线传感器，10、回转轴齿轮，11、回转齿轮，12、回转电机固定座，13、回转步进电机，14、立柱固定座，15、回转底座，16、升降拖链，17、升降导轨，18、升降步进电机，19、升降原点传感器，20、立柱底座，21、警示灯，22、平移步进电机，23、平移齿轮，24、平移拖链，25、平移直线导轨，26、平移齿条，27、手爪步进电机，28、手指齿条，29、手指齿轮，30、手指V形块压板，31、手指V形块，32、手指体，33、手爪部件固定板，34、I#手爪传感器，35、2#手爪传感器，36、手指滑块，37、手爪导杆座，38、平移原点传感器，39、升降立柱，40、升降板。
【具体实施方式】
[0032]参照附图1?7，堆垛式载运教学机器人包括机械手和运动底盘，机械手安装在运动底盘上；
[0033]机械手包括升降部件、手爪部件、平移部件和回转部件；
[0034]回转部件安装在机器人运动底盘的底板零件上，能绕铅垂轴旋转;所述回转部件包括回转底座15、回转电机固定座12、回转步进电机13、立柱固定座14、回转齿轮11和回转轴齿轮10;回转底座15安装在运动底盘上，回转电机固定座12套装在回转底座15上；回转步进电机13与回转电机固定座12相连，回转步进电机13的输出轴上安装有回转齿轮11;立柱固定座14安装在回转底座15内，在立柱固定座14上套装有回转轴齿轮10;所述回转轴齿轮10和回转齿轮11相啮合；
[0035]所述升降部件包括立柱底座20、升降立柱39、升降导轨17、升降拖链16和升降步进电机18，升降立柱39固定在回转部件的立柱固定座14内，升降导轨17安装在升降立柱39上；升降步进电机18安装在位于升降导轨17中部的升降板40上，升降步进电机18通过升降拖链16与升降导轨17端部相连;在升降导轨17底部设有升降原点传感器19，在升降立柱39顶部设有警示灯21;
[0036]平移部件与升降部件相联，所述平移部件包括平移步进电机22、平移齿轮23、平移拖链24、平移直线导轨25和平移齿条26;平移直线导轨25安装在升降部件的升降板40上，平移齿条26固定在平移直线导轨25上，平移步进电机22安装在升降部件的升降板40上，平移齿轮23与平移步进电机22的输出轴相连，平移齿轮23与平移齿条26相啮合;平移拖链24的一端与升降部件的升降板40相连，平移拖链24的另一端与手爪部件相连；
[0037]手爪部件通过手爪导杆座37安装在平移直线导轨25上，手爪部件沿平移部件的平移直线导轨25作水平运动;所述手爪部件包括手爪导杆座37、手指滑块36、手爪步进电机27、手爪部件固定板33、手指齿条28、手指齿轮29、手指V形块压板30、手指V形块31和手指体32，手指齿条28安装在手爪部件固定板33上，手爪步进电机27安装在手爪部件固定板33背部，手指齿轮29安装在手爪步进电机27的输出轴上，手指齿轮29与手指齿条28相嗤合;手指体32安装在手指滑块36上;手指V形块31安装在手指体32上，并通过手指V形块压板30相对固；所述手指体32、手指V形块31和手指V形板压板30各设有两个，所述手爪部件共设有两组，便于夹取货物。
[0038]运动底盘包括底板6、左车轮1、右车轮5和万向轮8;在底板6上方的周围设有围边4，围边4和底板6形成了腔体，腔体的左前方设置有步进电机驱动器，腔体的左后方装有操作面板2，腔体的后方设有电池3，腔体的右前方装有控制电路板，所述控制电路板包括ARM控制主板和车轮电机驱动板;在底板6下的左右对称位置分别装有左车轮I和右车轮5，在底板6下的前部装有万向轮8，底板6前部设有循线传感器9;在围边4前部装有红外光电传感器7 ；在底板6下还装有左车轮电机和右车轮电机，左车轮电机的输出轴与左车轮轴相连，右车轮电机的输出轴与右车轮轴相连。
[0039]所述红外光电传感器7设有两个，分别位于围边4前左部和围边4前右部;红外光电传感器7用于探测机器人行走途中前方的障碍，在发现障碍后及时绕开。
[0040]在升降部件的升降板40上装有平移原点传感器38;在手爪部件固定板33上部设有1#手爪传感器34和2#手爪传感器35。
[0041]ARM控制主板分别与红外光电传感器7、循线传感器9以及升降原点传感器19、平移原点传感器38、1#手爪传感器34以及2#手爪传感器35相联;升降原点传感器19、平移原点传感器38、1#手爪传感器34以及2#手爪传感器35统称为机械手位置传感器，ARM控制主板通过ARM控制主板上的I/O接口与车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器相连;红外光电传感器7、循线传感器9和机械手位置传感器分别将位置信息传送给ARM控制主板，ARM控制主板将控制信息发送给车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器，从而使得机器人进行动作。
[0042]通过循线传感器9传送的信息能够确定机器人与限制场地边界的偏离距离，从而进行循线运行；
[0043]机械手位置传感器得到机械手的升降、平移、回转和手爪部件的实际位置，并作出及时反应。
[0044]机器人的控制主板安装在行走底盘部件的机器人底板6上，主板上的CPU向车轮电机驱动板发出控制指令，驱动板控制左右车轮电机以各自独立的速度和方向旋转，从而控制机器人的前进、后退、左转和右转;CPU通过安装在行走底盘部件下的循线传感器9获知机器人相对于比赛场地上的导引白条的偏差，并控制行走底盘沿着白条前进;通过采用电子地图，机器人还可以知道自身在场地中的具体位置;CPU根据安装在行走底盘部件前方的红外光电传感器7返回的信号可以知道周围是否存在障碍物，并控制机器人绕开障碍。
[0045]当机器人到达某个工位台后，由升降部件、手爪部件、平移部件和回转部件组成的机械手可以将工位台上的货物抓取到机器人上，或者将机器人上的货物放置到工位台上。机械手具有回转、升降和平移3个运动自由度，回转步进电机13通过回转齿轮11和回转轴齿轮10的传动带动整个机械手实现360度旋转;升降步进电机18带动平移部件和手爪部件沿着升降导轨17上下运动，依靠升降原点传感器19可以确定初始位置;平移步进电机22带动手爪部件通过平移齿轮23和平移齿条26的传动完成前后平移运动，依靠平移原点传感器38可以确定初始位置;手爪步进电机27控制由手指V形块压板30、手指V形块31、手指体32共同组成的2个手指实现货物的抓取和卸载。
[0046]本实用新型在用于机器人比赛时，由于比赛场地上都铺设了引导白条，因此可以通过利用循线传感器来循线运行，而且可以用来确定机器人相对于某一个白条的偏离距离，如果采用电子地图，机器人还可以知道自身在场地中的具体位置。
【主权项】
1.一种堆垛式载运教学机器人，包括机械手和运动底盘，机械手安装在运动底盘上;其特征在于: 机械手包括升降部件、手爪部件、平移部件和回转部件； 回转部件安装在机器人运动底盘的底板零件上，能绕铅垂轴旋转;所述回转部件包括回转底座、回转电机固定座、回转步进电机、立柱固定座、回转齿轮和回转轴齿轮；回转底座安装在运动底盘上，回转电机固定座套装在回转底座上；回转步进电机与回转电机固定座相连，回转步进电机的输出轴上安装有回转齿轮;立柱固定座安装在回转底座内，在立柱固定座上套装有回转轴齿轮;所述回转轴齿轮和回转齿轮相啮合； 所述升降部件包括立柱底座、升降立柱、升降导轨、升降拖链和升降步进电机，升降立柱固定在回转部件的立柱固定座内，升降导轨安装在升降立柱上;升降步进电机安装在位于升降导轨中部的升降板上，升降步进电机通过升降拖链与升降导轨端部相连;在升降导轨底部设有升降原点传感器，在升降立柱顶部设有警示灯； 平移部件与升降部件相联，所述平移部件包括平移步进电机、平移齿轮、平移拖链、平移直线导轨和平移齿条;平移直线导轨安装在升降部件的升降板上，平移齿条固定在平移直线导轨上，平移步进电机也安装在升降部件的升降板上，平移齿轮与平移步进电机的输出轴相连，平移齿轮与平移齿条相啮合;平移拖链的一端与升降部件的升降板相连，平移拖链的另一端与手爪部件相连； 手爪部件通过手爪导杆座安装在平移直线导轨上，手爪部件沿平移部件的平移直线导轨作水平运动;所述手爪部件包括手爪导杆座、手指滑块、手爪步进电机、手爪部件固定板、手指齿条、手指齿轮、手指V形块压板、手指V形块和手指体，手指齿条安装在手爪部件固定板上，手爪步进电机安装在手爪部件固定板背部，手指齿轮安装在手爪步进电机的输出轴上，手指齿轮与手指齿条相啮合;手指体安装在手指滑块上;手指V形块安装在手指体上，并通过手指V形块压板相对固；所述手指体、手指V形块和手指V形板压板各设有两个，用于夹取货物;所述手爪部件共设有两组； 运动底盘包括底板、左车轮、右车轮和万向轮;在底板上方的周围设有围边，围边和底板形成了腔体，腔体的左前方设置有步进电机驱动器，腔体的左后方装有操作面板，腔体的后方设有电池，腔体的右前方装有控制电路板，所述控制电路板包括ARM控制主板和车轮电机驱动板;在底板下的左右对称位置分别装有左车轮和右车轮，在底板下的前部装有万向轮，底板前部设有循线传感器;在围边前部装有红外光电传感器;在底板下还装有左车轮电机和右车轮电机，左车轮电机的输出轴与左车轮轴相连，右车轮电机的输出轴与右车轮轴相连。2.根据权利要求1所述的堆垛式载运教学机器人，其特征在于:所述红外光电传感器设有两个，分别位于围边前左部和围边前右部；红外光电传感器用于探测机器人行走途中前方的障碍，在发现障碍后及时绕开。3.根据权利要求1所述的堆垛式载运教学机器人，其特征在于:在升降部件的升降板上装有平移原点传感器;在手爪部件固定板上部设有1#手爪传感器和2#手爪传感器。4.根据权利要求1所述的堆垛式载运教学机器人，其特征在于:所述ARM控制主板分别与红外光电传感器、循线传感器以及升降原点传感器、平移原点传感器、1#手爪传感器以及2#手爪传感器相联;升降原点传感器、平移原点传感器、1#手爪传感器以及2#手爪传感器统称为机械手位置传感器，ARM控制主板通过ARM控制主板上的I/O接口与车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器相连;红外光电传感器、循线传感器和机械手位置传感器分别将位置信息传送给ARM控制主板，ARM控制主板将控制信息发送给车轮电机驱动板、升降步进电机驱动器、回转步进电机驱动器、手爪步进电机驱动器以及平移步进电机驱动器，从而使得机器人进行动作。
【文档编号】G09B9/00GK205564114SQ201620161748
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】许弋, 奚小网, 陈明, 钱晓忠, 程远
【申请人】无锡职业技术学院