一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统的制作方法

本发明涉及机器人的技术领域，具体为一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统。

背景技术：

近年来，随着科学技术的飞速发展和社会的需要，服务机器人技术得到了快速的发展，服务机器人已经逐渐进入到日常生活的各个领域，但是针对高校食堂的餐盘搬运清洗机器人较少。众所周知，我国高校数量众多，目前大多数高校食堂的餐盘搬运清洗工作还依赖于人工进行，不仅费时费力，而且效率低下；少量高校食堂引入一些设备辅助搬运和清洗餐盘，但其分拣、清洗、存放工作仍依赖于人工进行，且占地面积较大，自动化程度不是很高。另外，就目前市场上存在的洗碗机器人来说，大多数机器人使用的是四自由度以上传统机械臂，虽能完成任务但其成本过高；多数机器人固定在某一个位置无法移动，只能进行清洗工作，无法同时实现餐盘的搬运工作，这对于高校食堂这种工作量大、高负荷、效率要求高的应用场景来说，具有很大的局限性；由于需要清洗的餐盘数量众多，需要多个机器人成群协同配合，组成一个机器人系统高效完成工作。这对于机器人系统的工作流程、通信、轨迹规划都提出了较高要求，目前很少产品能解决这一问题。因此，需要研究和开发一款自动化程度较高的餐盘搬运清洗机器人系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统，该机器人系统集成餐盘搬运、清洗和存取等功能，自动化程度高，能有效应用于高校食堂这种工作量大、高负荷、效率要求较高的使用场景。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统，包括行走车、固定在行走车上方的双臂组件、与双臂组件中的小臂相连的末端夹爪组件以及设置在双臂组件上端的头部组件，所述的行走车内设置有控制和通信组件以及传感器，所述的控制和通信组件可控制行走车的行走轨迹以及启停，所述的传感器可检测行走车周围的障碍物，并将检测信息传递至控制和通信组件，以辅助行走车移动，所述双臂组件包括双臂座体和scara机械臂，所述scara机械臂分为左臂和右臂，所述左臂和右臂分别具有三个自由度；所述末端夹爪组件包括设置在小臂内侧的托手和镶嵌入小臂端面的视觉相机；所述头部组件包括头部旋转机构、头部俯仰机构和双目视觉摄像头。

进一步的，所述行走车包括第一层板、第二层板、第三层板和第四层板，所述第一层板底部设有主动轮、从动轮和光电式接近开关，所述第一层板上部通过定位板固定有电池和配重块；所述第二层板上安装有激光雷达板，所述激光雷达固定在雷达安装板上，所述第三层板上设置有超声波传感器以及控制和通信组件，所述超声波传感器设置为六组，所述六组超声波传感器均匀分布在第三层板边缘处，所述底盘上部外壳设有六个向内的凹陷，以使六个超声波传感器裸露在外。

进一步的，所述行走车还包括连接第一层板和第二层板的第一层支撑杆、连接第二层板和第三层板的第二层支撑杆、连接第三层板和第四层板的第三层支撑杆、底盘上部外壳和底盘下部外壳，所述底盘上部外壳和底盘下部外壳顶部设有向内的翻边，分别卡合在第四层板和第二层板的上端边缘处；所述车轮包括安装在第一层板的主动轮和从动轮，所述从动轮设置为两组，分别安装在第一层板底部的前后两端；所述主动轮设置为两组，分别安装在第一层板的左右两端的开槽处，依次通过主动轮电机、主动轮安装板和主动轮安装架与第一层板相连；所述第一层板的底部安装有光电式接近开关，所述光电式接近开关设置为四组，每两组所述光电式接近开关设置在一组从动轮两边呈对称布置。

进一步的，所述双臂组件包括双臂座体和scara机械臂，所述scara机械臂分为左臂和右臂，所述左臂和右臂依次包括升降臂、大臂和小臂，所述双臂座体包括第三伺服电机、联轴器、丝杠、导杆、法兰轴承、丝杠螺母和直线轴承，所述第三伺服电机、联轴器和丝杠均设置为两组，所述第三伺服电机通过联轴器与丝杠顶部相连，所述丝杠底部通过法兰轴承与双臂座体相配合，所述法兰轴承设置为四组，每两组所述法兰轴承对称安装在双臂座体一个安装孔上，所述导杆设置为四组，直接与双臂座体相连；所述升降臂上设置有两个直线轴承安装孔和一个丝杠螺母安装孔，每一个所述升降臂的直线轴承安装孔中都配合有两个直线轴承，从而与导杆相配合，所述直线轴承关于安装孔对称布置，所述升降臂的丝杠螺母安装孔中安装有丝杠螺母，从而与丝杠相配合。

进一步的，所述升降臂上还设置有两个轴孔和一个电机安装孔，所述升降臂电机安装孔上安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的电机轴连接有第一小齿轮；所述升降臂轴孔内部都包括第一轴套、第一薄壁轴承和第一轴承端盖，所述第一薄壁轴承和第一轴承端盖在每个轴孔中均设置为两个且关于第一轴套对称布置；所述升降臂轴孔中靠近电机安装孔的轴孔内部与第一齿轮轴的顶部相配合，所述第一齿轮轴底部嵌套有第一齿圈，所述第一齿圈与第一小齿轮相啮合，所述第一齿轮轴顶部镶嵌有第一中间齿轮轴；所述轴孔中远离电机安装孔的轴孔与大臂底部的轴相配合，所述大臂底部的轴同时与第一轴向固定盖相连，所述大臂顶部嵌套有第二齿圈，所述第二齿圈与第一中间齿轮轴相啮合；所述大臂上设置有一个电机安装孔和一个轴孔，所述电机安装孔上安装有第二伺服电机，所述第二伺服电机的电机轴连接有第二小齿轮；所述大臂轴孔内部包括第二轴套、第二薄壁轴承和第二轴承端盖，所述第二薄壁轴承和第二轴承端盖设置为两个且关于第二轴套对称布置；所述大臂轴孔与小臂底部的轴相配合，所述小臂底部的轴同时与第二轴向固定盖相连，所述小臂顶部嵌套有第三齿圈，所述第三齿圈与第二小齿轮相啮合。

进一步的，所述末端夹爪包括托手和视觉相机，所述托手设置为两组，所述两组托手相隔一定距离安装在小臂的内侧；所述视觉相机设置为两组，所述两组视觉相机对称镶嵌入小臂端面；所述末端夹爪还包括电机及丝杠、电机座、螺母座、盖形螺母、短连杆、长连杆、上爪和下爪，所述电机及丝杠与电机座相连，所述电机座嵌入小臂末端的槽中，所述上爪和小爪通过长连杆与电机座连接，所述长连杆同时通过短连杆与螺母座相连，所述螺母座与电机及丝杠相配合，所述电机及丝杠顶部设置有盖形螺母。

进一步的，所述头部组件包括双目视觉摄像头、头部旋转机构和头部俯仰机构，所述头部旋转机构安装在双臂座体的上端，所述头部旋转机构包括第一舵机、第一舵盘、座底、座顶和转盘，所述第一舵机安装在座顶下部，所述座顶同时安装在座底上，所述第一舵机的电机轴同时与第一舵盘相连，所述第一舵盘同时与转盘相连，所述转盘下端与座顶上端相配合；所述头部俯仰机构设置在头部旋转机构的上端，所述头部俯仰机构第二舵机、第二舵盘、舵机支架、杯士轴承和摄像头支架，所述第二舵机通过舵机支架与座顶相连，所述第二舵机连接有第二舵盘，所述第二舵盘同时与摄像头支架相连，所述舵机支架上还安装有杯士轴承，所述杯士轴承卡合在摄像头支架的小孔上，所述摄像头支架的上端安装有双目视觉摄像头。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统能够同时完成餐盘的搬运和清洗工作，从脏盘的收集和处理，到净餐盘的存放，全程无需人工参与，自动化程度较高；针对高校食堂工作量大、高负荷、效率要求高的特点，采用机器人群协同工作，配备有行走车和控制和通信组件，能有效进行轨迹规划、避障和通信，工作效率较高；对于机器人的一些部件进行改进，比如机械臂采用的是三自由度的scara机械臂，同时scara臂上的传动采用齿轮与可替换齿圈啮合，既能有效完成工作，又能显著降低成本；对末端夹爪进行了独特设计，使得机器人能够在清洗和搬运两种状态中进行切换，末端的视觉相机配合头部能够旋转俯仰的视觉摄像头，可实现餐盘的精确定位和夹取。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明底盘去除外壳后的结构示意图；

图3是本发明底盘去除外壳后的侧视图；

图4是本发明底盘的仰视图；

图5是本发明底盘第一层板的结构示意图；

图6是本发明双臂座体的分解结构示意图；

图7是本发明机器人右scara臂的分解结构示意图；

图8是本发明末端夹爪组件的结构示意图；

图9是本发明末端夹爪组件的分解结构示意图；

图10是本发明头部组件的结构示意图；

图11是本发明头部旋转机构的分解结构示意图；

图12是本发明头部俯仰机构的分解结构示意图；

图13是本发明机器人清洗餐盘时的状态示意图；

图14是本发明机器人搬运餐盘时的状态示意图；

图15是本发明机器人群协同工作时的状态示意图；

图16是本发明机器人工作时的流程图。

图中：行走车-1、第一层板-11、第一层支撑杆-111、电池-112、配重块-113、定位板-114、第二层板-12、第二层支撑杆-121、激光雷达-122、雷达安装板-123、底盘下部外壳-124、第三层板-13、第三层支撑杆-131、超声波传感器-132、第四层板-14、底盘上部外壳-141、主动轮-15、主动轮电机-151、主动轮安装架-152、主动轮安装板-153、从动轮-16、光电式接近开关-17、控制和通信组件-18；

双臂组件-2、双臂座体-21、第三伺服电机-211、联轴器-212、丝杠-213、导杆-214、法兰轴承-215、丝杠螺母-216、直线轴承-217、升降臂-22、第一伺服电机-221、第一小齿轮-222、第一薄壁轴承-223、第一轴承端盖-224、第一轴套225、第一中间齿轮轴226、第一齿轮轴227、第一齿圈228、第一轴向固定盖-229、大臂-23、第二伺服电机-231、第二小齿轮-232、第二齿圈-233、第二薄壁轴承-234、第二轴承端盖-235、第二轴套-236、第二轴向固定盖-237、小臂-24、第三齿圈-241；

末端夹爪组件-3、托手-31、视觉相机-32、电机及丝杠-33、电机座-331、螺母座-332、盖形螺母-333、短连杆-34、长连杆-35、上爪-36、下爪-37；

头部组件-4、双目视觉摄像头-41、头部旋转机构-42、第一舵机-421、第一舵盘-422、座底-423、座顶-424、转盘-425、头部俯仰机构-43、第二舵机-431、第二舵盘-432、舵机支架-433、杯士轴承-434、摄像头支架-435。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图12，本实施例公开了一种用于高校食堂的餐盘搬运清洗机器人系统，包括行走车1、固定在行走车1上方的双臂组件2、与双臂组件2中的小臂24相连的末端夹爪组件3、设置在双臂组件2上端的头部组件4，行走车1包括第一层板11、第二层板12、第三层板13和第四层板14，第一层板11底部设有主动轮15、从动轮16和光电式接近开关17，其中光电式接近开关17用于检测机器人移动过程中周围是否存在物体，第一层板11上部通过定位板114固定有电池112和配重块113，其中电池112用于为机器人各电器件供电，配重块113用于平衡电池112块的重量，使得底盘重心均匀更加平稳，第二层板12上部设有激光雷达122，激光雷达122具有全方位激光测距扫描功能，用于机器人的导航定位和建图，从而实现路径规划。第三层板13上部设有超声波传感器132和控制和通信组件18，超声波传感器132用于检测周围物体从而实现避障，控制和通信组件18用于控制整个机器人的工作同时与系统通信中心以及其他机器人通信，实现协同运作；双臂组件2包括双臂座体21和scara机械臂，scara机械臂分为左臂和右臂，左臂和右臂分别具有三个自由度，即平面上的两个旋转自由度和竖直方向上的一个移动自由度；末端夹爪组件3包括设置在小臂24内侧的托手31和镶嵌入小臂24端面的视觉相机32，托手31用于机器人搬运状态时托住放有餐盘的托盘，视觉相机32用于夹爪夹取餐盘时的精确定位；头部组件4包括头部旋转机构42、头部俯仰机构43和双目视觉摄像头41，从而实现全方位的视觉信息捕捉，有利于机器人对餐盘的夹取、对托盘的托举和移动过程中的辅助建图和避障。

进一步地，行走车1还包括连接第一层板11和第二层板12的第一层支撑杆111、连接第二层板12和第三层板13的第二层支撑杆121、连接第三层板13和第四层板14的第三层支撑杆131、底盘上部外壳141和底盘下部外壳124，考虑到第一层支撑杆111位于机器人最底层载荷较大，故选用铝型材作为支撑；底盘上部外壳141和底盘下部外壳124均有前后两部分组合而成，每个外壳的顶部都设有向内的翻边，分别卡合在第四层板14和第二层板12的上端边缘处；车轮包括安装在第一层板11的主动轮15和从动轮16，从动轮16设置为两组，分别安装在第一层板11底部的前后两端；主动轮15设置为两组，分别安装在第一层板11的左右两端的开槽处，主动轮电机151的端面与主动轮15安装板结合，同时主动轮安装板153通过主动轮安装架152安装在第一层板11上，主动轮电机151的电机轴上安装有主动轮15；第一层板11的底部安装有光电式接近开关17，光电式接近开关17设置为四组，每两组光电式接近开关17设置在一组从动轮16两边呈对称布置，这样能最大限度对周围环境进行检测。

进一步地，行走车1上的第二层板12上安装有激光雷达122，激光雷达122固定在雷达安装板123上，通过雷达安装板123与第二层板12相连，雷达安装板123设计为u形呈现为向下凹陷状，目的是为了只露出激光雷达122的有效检测部分，减小第二层板12支架的高度，使结构更加稳定；第三层板13上设置有超声波传感器132和控制和通信组件18，超声波传感器132设置为六组，六组超声波传感器132均匀分布在第三层板13边缘处，底盘上部外壳141设有六个向内的凹陷，以使六个超声波传感器132裸露在外。

进一步地，双臂组件2包括双臂座体21和scara机械臂，scara机械臂分为左臂和右臂，左臂和右臂依次包括升降臂22、大臂23和小臂24，双臂座体21包括第三伺服电机211、联轴器212、丝杠213、导杆214、法兰轴承215、丝杠螺母216和直线轴承217，第三伺服电机211、联轴器212和丝杠213均设置为两组，第三伺服电机211通过联轴器212与丝杠213顶部相连，丝杠213底部通过法兰轴承215与双臂座体21相配合，法兰轴承215设置为四组，每两组法兰轴承215对称安装在双臂座体21一个安装孔上，导杆214设置为四组，直接与双臂座体21相连；升降臂22上设置有两个直线轴承217安装孔和一个丝杠螺母216安装孔，每一个升降臂22的直线轴承217安装孔中都配合有两个直线轴承217，从而与导杆214相配合，直线轴承217关于安装孔对称布置，升降臂22的丝杠螺母216安装孔中安装有丝杠螺母216，从而与丝杠213相配合，这样就实现了第三伺服电机211带动丝杠213转动，进而使得装有丝杠螺母216的升降臂22上下移动，其中直线轴承217减缓摩擦阻力的作用，从而实现了高精度平稳运动。

进一步地，升降臂22上还设置有两个轴孔和一个电机安装孔，三个孔的周围采取了镂空设计，这样能在保证结构刚度的前提下有效减小升降臂22的重量同时也降低了成本，升降臂22电机安装孔上安装有第一伺服电机221，第一伺服电机221的电机轴连接有第一小齿轮222；升降臂22轴孔内部都包括第一轴套225、第一薄壁轴承223和第一轴承端盖224，第一薄壁轴承223和第一轴承端盖224在每个轴孔中均设置为两个且关于第一轴套225对称布置；升降臂22轴孔中靠近电机安装孔的轴孔内部与第一齿轮轴227的顶部相配合，第一齿轮轴227底部嵌套有第一齿圈228，齿圈采用塑料材质，成本较低，在达到使用期限后可进行替换，第一齿圈228与第一小齿轮222相啮合，第一齿轮轴227顶部镶嵌有第一中间齿轮轴226；轴孔中远离电机安装孔的轴孔与大臂23底部的轴相配合，大臂23底部的轴同时与第一轴向固定盖229相连，大臂23顶部嵌套有第二齿圈233，第二齿圈233与第一中间齿轮轴226相啮合，从而实现了从第一电机到第一齿轮轴227再到大臂23轴的动力传输过程，同时也实现了两级减速传动；大臂23上设置有一个电机安装孔和一个轴孔，电机安装孔上安装有第二伺服电机231，第二伺服电机231的电机轴连接有第二小齿轮232；大臂23轴孔内部包括第二轴套236、第二薄壁轴承234和第二轴承端盖235，第二薄壁轴承234和第二轴承端盖235设置为两个且关于第二轴套236对称布置；大臂23轴孔与小臂24底部的轴相配合，小臂24底部的轴同时与第二轴向固定盖237相连，小臂24顶部嵌套有第三齿圈241，第三齿圈241与第二小齿轮232相啮合，从而实现了第二电机到小臂24轴的一级减速传动。

进一步地，末端夹爪包括托手31和视觉相机32，托手31设置为两组，两组托手31相隔一定距离安装在小臂24的内侧，在机器人托举装有餐盘的托盘时，两只小臂24保持平行对称，小臂24上的四个托手31分别托住托盘的四个角点从而实现托举；视觉相机32设置为两组，两组视觉相机32对称镶嵌入小臂24端面，在机器人抓取餐盘时，能够有效检测上下夹爪与待取餐盘的位置状态；末端夹爪还包括电机及丝杠33、电机座331、螺母座332、盖形螺母333、短连杆34、长连杆35、上爪36和下爪37，电机及丝杠33与电机座331相连，电机座331嵌入小臂24末端的槽中，上爪36和小爪通过长连杆35与电机座331连接，长连杆35同时通过短连杆34与螺母座332相连，螺母座332与电机及丝杠33相配合，从而使得电机转动时带动螺母座332直线移动，进而牵动短连杆34运动从而实现上爪36和下爪37的开合，电机及丝杠33顶部设置有盖形螺母333，防止螺母座332脱离规定行程，起到限位作用。

进一步地，头部组件4包括双目视觉摄像头41、头部旋转机构42和头部俯仰机构43，头部旋转机构42安装在双臂座体21的上端，头部旋转机构42包括第一舵机421、第一舵盘422、座底423、座顶424和转盘425，第一舵机421安装在座顶424下部，座顶424同时安装在座底423上，第一舵机421的电机轴同时与第一舵盘422相连，第一舵盘422同时与转盘425相连，转盘425下端与座顶424上端相配合，这样就实现了当第一舵机421转动时，与电机轴相连的第一舵盘422带动转盘425在水平面上旋转，同时转盘425下边缘与座顶424上边缘配合，增大了转盘425的承载能力；头部俯仰机构43设置在头部旋转机构42的上端，头部俯仰机构43第二舵机431、第二舵盘432、舵机支架433、杯士轴承434和摄像头支架435，第二舵机431通过舵机支架433与座顶424相连，第二舵机431连接有第二舵盘432，第二舵盘432同时与摄像头支架435相连，这样第二舵机431的动力经过第二舵盘432传输到摄像头支架435上，舵机支架433上还安装有杯士轴承434，杯士轴承434卡合在摄像头支架435的另一个小孔上，起到了支撑作用，摄像头支架435的上端安装有双目视觉摄像头41，进而实现头部的俯仰动作。

本发明的工作过程及工作原理如下：

一、清洗状态：

如图13所示，当机器人处于清洗餐盘的状态时，行走车1停靠在自动清洗台的正前方，清洗台的两边分别放置这装有脏盘的托盘和装有净盘的托盘，中间的是清洗机构，每次放入一只脏盘进入清洗机构内，随后机构外围的隔绝罩落下关闭，清洗机构封闭状态工作几秒后，隔绝罩向上开启，取出洗好的净盘。机器人每次通过头部的双目视觉摄像头41和末端的视觉相机32检测出餐盘的具体位置进行夹取，每次隔绝罩开启后，scara双臂同时工作，一只臂夹取清洗机构内的净盘后将餐盘放置在净盘托盘上，与此同时另一只臂夹取脏盘后将餐盘放置在清洗机构内，工作完成后两只臂同时悬停在两堆餐盘的前方，如此循环往复，直到脏盘全部清理完毕。

二、搬运状态：

如图14所示，当机器人处于搬运餐盘的状态时，机器人的两只小臂24将保持平行对称的状态，从而使得设置于小臂24上的四个托手31与托盘的边缘接触，随后升降臂22水平抬升进而托起装有餐盘的托盘，此后机器人在双目视觉摄像头41和激光雷达122的联合作用下进行地图构建、定位和轨迹规划，机器人行走车1上装备的超声波传感器132和光电式接近开关17与此同时对周围的环境进行检测，以达到移动搬运过程中避障的目的，从而实现机器人有效搬运餐盘的工作。

三、协同工作状态：

如图15、图16所示，当机器人系统处于协同工作状态时，整个场景规则布置有多个自动清洗台，每个清洗台关联有一个机器人，在机器人群的最前方和最后方分别设置有净盘存放处和脏盘存放处，当某一清洗台处的机器人完成全部清洗工作时，就将转变为搬运状态，将载有净盘的托盘托起，进而移动到净盘存放处进行存放，随后移动到脏盘存放处取来脏盘，回到清洗台，转变为清洗状态，继续进行工作。不同机器人各自处于自己的工作流程中，同时会通过控制和通信组件18彼此进行通信，避免出现工序的干扰，当有多个机器人同时在走道上移动时，机器人的轨迹规划和避障功能将启动，且会通过控制和通信组件18进行通信协同工作，达到系统整体最优化的工作状态。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。