具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂的制作方法
【专利摘要】一种具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，在基座上设置有依次连接的第一至第七旋转关节，其中，第六旋转关节的输出端连接末端单自由度手爪，第七旋转关节的输出端连接内置有高清摄像头的摄像头云台。第一旋转关节分别垂直于基座和第二旋转关节，第二旋转关节、第三旋转关节和第五旋转关节相互平行，并与相互平行的第四旋转关节、第六旋转关节和第七旋转关节相垂直，第七旋转关节与第六旋转关节方向相反，第四旋转关节的轴线、第五旋转关节的轴线和第六旋转关节的轴线汇交于空间一点，第五旋转关节的轴线、第六旋转关节的轴线和第七旋转关节的轴线在同一平面上。本发明能够对末端执行器和被操作目标进行紧密跟随监视，并能够对图像拍摄的角度进行调节。
【专利说明】具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械臂，特别是涉及一种具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂。
【背景技术】
[0002]在野外探险、侦察、危险品处置或医疗作业等特殊领域，由于作业环境存在可能发生危害作业人员生命健康的危险，因而迫切需要使用机器人尤其是操作臂机器人代替人员完成某些作业任务。目前应用比较广泛的工业操作臂机器人的负载能力一般都比较大，存在体积大、质量重、控制系统复杂、操作不方便等问题，主要应用于室内生产车间的包装、码垛、物料搬运以及汽车喷涂等作业任务，很难安装在移动机器人平台或车辆上供野外探险等任务使用。对于野外探险或危险品处置等特殊作业环境需求，由于移动机器人平台承载空间有限，因而需要所安装的操作臂具有体积小、结构紧凑、质量轻等特点，但过小的结构尺寸限制了操作臂机器人的工作空间和作业范围，因而该操作臂最好具有可折叠等技术特点。又由于野外环境具有不确定性，危险品的处置工艺也千差万别，因而要求操作臂具有较好的灵活性。特别是精细操作时，能够实时对所操作目标进行状态监控，使被操作目标的位置、形状等信息进入操作者的视线范围，避免视觉盲区，对提高操作安全性、可靠性等尤为重要，因而特别需要一种能够对末端执行器和被操作目标进行紧密跟随监视功能的轻型灵活机械臂。但如何能保证操作臂在具有空间六自由度、且具有较好的末端运动灵活性的同时，还具有紧密的目标跟随监视功能、避免监视盲区是本发明所要解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对图像拍摄的角度进行调节以避免监视盲区的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂。
[0004]本发明所采用的技术方案是:一种具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，包括有基座，所述的基座上设置有依次连接的第一旋转关节、第二旋转关节、大臂连杆、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节和第六旋转关节，所述第六旋转关节的输出端连接末端单自由度手爪，其中，所述的第四旋转关节与所述的第五旋转关节之间是通过焦点定位角件相互连接，所述的第一旋转关节的轴线与基座同轴心，且垂直于第二旋转关节的轴线，所述的第二旋转关节的轴线平行于第三旋转关节的轴线，所述的第三旋转关节的轴线垂直于第四旋转关节的轴线，所述的第四旋转关节的轴线垂直于第五旋转关节的轴线，所述的第五旋转关节的轴线垂直于第六旋转关节的轴线，所述的第四旋转关节的轴线、第五旋转关节的轴线和第六旋转关节的轴线汇交于空间一点，所述的第五旋转关节还连接第七旋转关节，所述的第七旋转关节的轴线与第六旋转关节的轴线平行且方向相反，且第五旋转关节的轴线、第六旋转关节的轴线和第七旋转关节的轴线在同一平面上，所述第七旋转关节的输出端连接内置有高清摄像头的摄像头云台。
[0005]所述的第六旋转关节的轴线和第七旋转关节的轴线间的距离为1.2倍第六关节的外直径。
[0006]所述的第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节、第六旋转关节和第七旋转关节结构相同，均设置有相互连接的关节固定基座和关节输出轴套，所述的第五旋转关节设置有依次连接的第五关节固定基座、第五关节输出轴套和第五关节随动轴套，其中，所述的第一旋转关节的关节输出轴套连接第二旋转关节的关节固定基座，第二旋转关节的关节输出轴套连接大臂连杆的一端，大臂连杆的另一端连接第三旋转关节的关节固定基座，第三旋转关节的关节输出轴套连接第四旋转关节的关节固定基座，第四旋转关节的关节输出轴套连接焦点定位角件的一端，焦点定位角件的另一端连接第五关节固定基座，所述的第五关节输出轴套连接第六旋转关节的关节固定基座，所述的第五关节随动轴套连接第七旋转关节的关节固定基座，所述的第六旋转关节的关节输出轴套连接末端单自由度手爪，所述的第一旋转关节的关节固定基座垂直固定在所述的基座上，所述第七旋转关节的关节输出轴套通过云台角件连接摄像头云台。
[0007]所述的第一旋转关节的直径大于第二旋转关节的直径，第二旋转关节的直径大于第三旋转关节的直径，第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节、第六旋转关节和第七旋转关节的直径相等。
[0008]所述的摄像头云台在设置有高清摄像头的一面上设置有LED照明灯。
[0009]所述云台角件为折弯角90°的空心弯管结构，从而使第七旋转关节的轴线与摄像头云台上设置有高清摄像头的一面相垂直。
[0010]当所述的第二旋转关节、第三旋转关节和第五旋转关节为相互平行的展开状态时，所述的第二旋转关节的轴线到第三旋转关节的轴线之间的距离与第三旋转关节的轴线到第五旋转关节的轴线之间的距离之比为1.4。
[0011]所述摄像头云台的中心点在第五旋转关节的轴线和第七旋转关节的轴线所构成的平面上的投影点到第五旋转关节的轴线的距离与第三旋转关节的轴线到第五旋转关节的轴线之间的距离之比为0.8。
[0012]本发明的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，是结合野外环境下发生生物污染、化学污染或核污染等特殊环境下的医学救援与处置等作业任务需求，提供一种能够对末端执行器和被操作目标进行紧密跟随监视功能的轻型灵活机械臂，能够对图像拍摄的角度进行调节以避免监视盲区，并能够在机械臂折叠状态时以占用空间最小的姿态进行收拢，从而达到减少整机占用空间体积，实现操作空间/占用空间体积比大的目的，并具有体积较小、质量较轻、可折叠、末端运动灵活、操作状态实时监视等技术特点，适合安装在移动机器人平台或轮式机动车辆上。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明完全展开状态前侧视图；
[0014]图2是本发明完全展开状态后侧视图；
[0015]图3是本发明完全展开状态俯视图；
[0016]图4是本发明折叠状态的结构示意图；
[0017]图5是本发明摄像头随动连杆结构俯视图；
[0018]图6是本发明旋转关节零部件构成爆炸视图；[0019]图7是本发明摄像头云台8部分的结构示意图；
[0020]图8是本发明中同轴定位法兰结构的正视图；
[0021]图9是本发明中同轴定位法兰结构的侧视图。
[0022]图中
[0023]1:第一旋转关节2:第二旋转关节
[0024]3:第三旋转关节4:第四旋转关节
[0025]5:第五旋转关节6:第六旋转关节
[0026]7:第七旋转关节8:摄像头云台
[0027]9:大臂连杆10:末端单自由度手爪
[0028]11:云台角件12 ;焦点定位角件
[0029]20:基座33:减速器同心轴
[0030]34:减速器连接法兰35:轴套连接法兰
[0031]36:轴套同心轴81:高清摄像头
[0032]82:LED照明灯121:连接杆
[0033]122:下连接端头123:上连接端头
[0034]501:第五关节固定基座502:第五关节输出轴套
[0035]503:第五关节随动轴套
[0036]101、201、301、401、601、701:关节固定基座
[0037]102、202、302、402、602、702:关节输出轴套
【具体实施方式】
[0038]下面结合实施例和附图对本发明的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂做出详细说明。
[0039]本发明的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，是结合野外环境下发生生物污染、化学污染或核污染等特殊环境下的医学救援与处置作业等任务需求，提供一种能够对末端执行器和被操作目标进行紧密跟随监视功能的轻型灵活机械臂，具有体积较小、质量较轻、可折叠、末端运动灵活、操作状态实时监视等技术特点，适合安装在移动机器人平台或轮式机动车辆上。
[0040]如图1~图5所示，本发明的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，包括有基座20，所述的基座20上设置有依次连接的第一旋转关节1、第二旋转关节2、大臂连杆9、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5、第六旋转关节6，所述第六旋转关节6的输出端连接末端单自由度手爪10，其中，所述的第四旋转关节4与所述的第五旋转关节5之间是通过焦点定位角件12相互连接，所述的第一旋转关节I的轴线与基座20同轴心，且垂直于第二旋转关节2的轴线，所述的第二旋转关节2的轴线平行于第三旋转关节3的轴线，所述的第三旋转关节3的轴线垂直于第四旋转关节4的轴线，所述的第四旋转关节4的轴线垂直于第五旋转关节5的轴线，所述的第五旋转关节5的轴线垂直于第六旋转关节6的轴线，所述的第四旋转关节4的轴线、第五旋转关节5的轴线和第六旋转关节6的轴线汇交于空间一点，所述的第五旋转关节5还连接第七旋转关节7，所述的第七旋转关节7的轴线始终与第六旋转关节6的轴线平行且方向相反，且第五旋转关节5的轴线、第六旋转关节6的轴线和第七旋转关节7的轴线在同一平面上，所述第七旋转关节7的输出端连接内置有高清摄像头的摄像头云台8，如图7所示，所述的摄像头云台8在设置有高清摄像头81的一面上设置有LED照明灯82。所述的第六旋转关节6的轴线和第七旋转关节7的轴线间的距离为1.2倍第六关节的外直径。
[0041]如图5所示，所述的焦点定位角件12包括有连接杆121，固定在所述连接杆121下端一侧的用于连接所述的第四旋转关节4的下连接端头122，以及固定在所述连接杆121上端一侧的用于连接所述的第五旋转关节5的上连接端头123，其中，所述的下连接端头122与所述的上连接端头123均与所述的连接杆121相垂直设置，且方向相反。连接杆121的长度能够使图5中下连接端头122的轴线与第六旋转关节6的轴线在同一条直线上。焦点定位角件12的结构和尺寸设计使得第四旋转关节4的轴线、第五旋转关节5的轴线和第六旋转关节6的轴线汇交于空间一点。
[0042]如图2所示，本发明中所述的第一旋转关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第六旋转关节6和第七旋转关节7结构相同，均设置有相互连接的关节固定基座 101/201/301/401/601/701 和关节输出轴套 102/202/302/402/602/702，所述的第五旋转关节5设置有依次连接的第五关节固定基座501、第五关节输出轴套502和第五关节随动轴套503，其中，所述的第一旋转关节I的关节输出轴套102连接第二旋转关节2的关节固定基座201，第二旋转关节2的关节输出轴套202连接大臂连杆9的一端，大臂连杆9的另一端连接第三旋转关节3的关节固定基座301，第三旋转关节3的关节输出轴套302连接第四旋转关节4的关节固定基座401，第四旋转关节4的关节输出轴套402连接焦点定位角件12的一端，焦点定位角件12的另一端连接第五关节固定基座501，所述的第五关节输出轴套502的一端连接第六旋转关节6的关节固定基座601，另一端连接第五关节随动轴套503，所述的第五关节随动轴套503的另一端连接第七旋转关节7的关节固定基座701，所述的第六旋转关节6的关节输出轴套602连接末端单自由度手爪10，所述的第一旋转关节I的关节固定基座101垂直固定在所述的基座20上，所述第七旋转关节7的关节输出轴套702通过云台角件11连接摄像头云台8。所述云台角件11为折弯角90°的空心弯管结构，使得第七关节轴线与摄像头云台8上设置有高清摄像头81的一面垂直。
[0043]如图6所示，所述的第一旋转关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5、第六旋转关节6和第七旋转关节7的关节固定基座101/201/301/401/501/601/701 和关节输出轴套 102/202/302/402/502/602/702 的内部设置结构相同，均包括有:安装在所述关节固定基座101/201/301/401/501/601/701内的且依次相连的光电编码器26、伺服电机25和谐波减速器24，所述谐波减速器24的外周面与所述的关节固定基座101/201/301/401/501/601/701固定连接，所述谐波减速器24的旋转输出端通过同轴定位法兰23连接关节输出轴套102/202/302/402/502/602/702，关节输出轴套 102/202/302/402/502/602/702 套在所述关节固定基座 101/201/301/401/501/601/701上端口上，所述关节输出轴套102/202/302/402/502/602的顶端设置有关节密封端盖21。其中的第五旋转关节5的关节输出轴套502与第五关节随动轴套503直接连接，在第五关节随动轴套503的外侧设置关节密封端盖21。
[0044]如图8、图9所示，所述的同轴定位法兰23包括有依次一体形成且同轴的:用于插入所述的关节输出轴套102/202/302/402/502/602/702内法兰的定位孔中的轴套同心轴36，用于与所述的关节输出轴套102/202/302/402/502/602/702内的法兰固定连接的轴套连接法兰35，用于与所述的谐波减速器24旋转输出端的法兰固定连接的减速器连接法兰34，以及用于插入所述的谐波减速器24旋转输出端的法兰定位孔内的减速器同心轴33。所述的轴套连接法兰35的直径大于轴套同心轴36的直径，所述轴套同心轴36的直径大于减速器连接法兰34的直径，减速器连接法兰34的直径又大于减速器同心轴33的直径。
[0045]所述的第一旋转关节I的直径大于第二旋转关节2的直径，第二旋转关节2的直径大于第三旋转关节3的直径，第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5、第六旋转关节6和第七旋转关节7的直径相等。
[0046]如图1所示，当所述的第二旋转关节2、第三旋转关节3和第五旋转关节5为相互平行的展开状态时，第二旋转关节2的轴线到第三旋转关节3的轴线之间的距离与第三旋转关节3的轴线到第五旋转关节5的轴线之间的距离之比为1.4。
[0047]摄像头云台8的中心点在第五旋转关节5的轴线和第七旋转关节7的轴线所构成的平面上的投影点到第五旋转关节5的轴线的距离与第三旋转关节3的轴线到第五旋转关节5的轴线之间的距离之比为0.8。
[0048]本发明的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，包括了第七旋转关节7及内置有一个高清摄像头81、一组LED照明灯82的摄像头云台8，主要作用是当机械臂的末端执行器对目标物体进行操作时，高清摄像头81能够一直跟随瞄准被操作物体，对其进行高清影像拍摄，同时在光线较弱或夜间操作时，LED照明灯82能够照亮目标视野，为清晰成像提供补充照明。第七旋转关节7的电机及减速器装置能使摄像头云台8绕第七旋转关节7的轴线进行一周范围内的转动，从而能够对图像拍摄的角度进行调节，并能够在机械臂折叠状态时以占用空间最小的姿态进行收拢，从而减少整机占用空间体积，达到操作空间/占用空间体积比大的目的。
【权利要求】
1.一种具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，包括有基座(20)，所述的基座(20)上设置有依次连接的第一旋转关节(I)、第二旋转关节(2)、大臂连杆(9)、第三旋转关节(3)、第四旋转关节(4)、第五旋转关节(5)和第六旋转关节(6)，所述第六旋转关节(6)的输出端连接末端单自由度手爪(10)，其中，所述的第四旋转关节(4)与所述的第五旋转关节(5)之间是通过焦点定位角件(12)相互连接，所述的第一旋转关节(I)的轴线与基座(20)同轴心，且垂直于第二旋转关节(2)的轴线，所述的第二旋转关节(2)的轴线平行于第三旋转关节(3)的轴线，所述的第三旋转关节(3)的轴线垂直于第四旋转关节(4)的轴线，所述的第四旋转关节(4)的轴线垂直于第五旋转关节(5)的轴线，所述的第五旋转关节(5)的轴线垂直于第六旋转关节(6)的轴线，所述的第四旋转关节(4)的轴线、第五旋转关节(5)的轴线和第六旋转关节(6)的轴线汇交于空间一点，其特征在于，所述的第五旋转关节(5)还连接第七旋转关节(7)，所述的第七旋转关节(7)的轴线与第六旋转关节(6)的轴线平行且方向相反，且第五旋转关节(5)的轴线、第六旋转关节(6)的轴线和第七旋转关节(7)的轴线在同一平面上，所述第七旋转关节(7)的输出端连接内置有高清摄像头的摄像头云台(8)。
2.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述的第六旋转关节(6)的轴线和第七旋转关节(7)的轴线间的距离为1.2倍第六关节的外直径。
3.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述的第一旋转关节(I)、第二旋转关节(2)、第三旋转关节(3)、第四旋转关节(4)、第六旋转关节(6)和第七旋转关节(7)结构相同，均设置有相互连接的关节固定基座(101/201/301/401/601/701)和关节输出轴套(102/202/302/402/602/702)，所述的第五旋转关节(5)设置有依次连接的第五关节固定基座(501)、第五关节输出轴套(502)和第五关节随动轴套(503)，其中，所述的第一旋转关节(I)的关节输出轴套(102)连接第二旋转关节(2 )的关节固定基座(201)，第二旋转关节(2 )的关节输出轴套(202 )连接大臂连杆(9 )的一端，大臂连杆(9)的另一端连接第三旋转关节(3)的关节固定基座(301)，第三旋转关节(3)的关节输出轴套(302)连接第四旋转关节(4)的关节固定基座(401)，第四旋转关节(4 )的关节输出轴套(402 )连接焦点定位角件(12 )的一端，焦点定位角件(12 )的另一端连接第五关节固定基座(501)，所述的第五关节输出轴套(502)连接第六旋转关节(6)的关节固定基座(601)，所述的第五关节随动轴套(503)连接第七旋转关节(7)的关节固定基座(701)，所述的第六旋转关节(6)的关节输出轴套(602)连接末端单自由度手爪(10)，所述的第一旋转关节(I)的关节固定基座(101)垂直固定在所述的基座(20)上，所述第七旋转关节(7)的关节输出轴套(702)通过云台角件(11)连接摄像头云台(8)。
4.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述的第一旋转关节(I)的直径大于第二旋转关节(2)的直径，第二旋转关节(2)的直径大于第三旋转关节(3)的直径，第三旋转关节(3)、第四旋转关节(4)、第五旋转关节(5)、第六旋转关节(6)和第七旋转关节(7)的直径相等。
5.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述的摄像头云台(8)在设置有高清摄像头(81)的一面上设置有LED照明灯(82)。
6.根据权利要求3所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述云台角件(11)为折弯角90°的空心弯管结构，从而使第七旋转关节(7)的轴线与摄像头云台(8)上设置有高清摄像头(81)的一面相垂直。
7.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，当所述的第二旋转关节(2)、第三旋转关节(3)和第五旋转关节(5)为相互平行的展开状态时，所述的第二旋转关节(2)的轴线到第三旋转关节(3)的轴线之间的距离与第三旋转关节(3)的轴线到第五旋转关节(5)的轴线之间的距离之比为1.4。
8.根据权利要求1所述的具有目标跟随监视功能的可折叠轻型机械臂，其特征在于，所述摄像头云台(8)的中心点在第五旋转关节(5)的轴线和第七旋转关节(7)的轴线所构成的平面上的投影点到第五旋转关节(5)的轴线的距离与第三旋转关节(3)的轴线到第五旋转关节(5)的轴线之间的距离之比为0.8。
【文档编号】B25J17/02GK103802132SQ201410076030
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】刘亚军, 徐新喜, 孙景工, 张西正, 赵秀国, 刘志国, 牛福, 苏卫华, 高振海, 韩俊淑, 吴文娟, 张文昌, 崔向东 申请人:中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所