本实用新型涉及机械臂领域，特别涉及一种机械臂。
背景技术：
无论是工业领域还是服务领域，机械臂的使用越来越普及。目前，大部分机械臂是单关节控制或者采用示教方式沿固定轨迹运行，这种方式操作繁琐并且只能在特定环境中使用。对于可引导定位的机械臂，目前多采用视觉或云台进行三维定位运算，定位和反解的运算量大且复杂，机械臂的整体占用空间也比较大。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种降低运算量的机械臂。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
本实用新型提供了一种机械臂，机械臂包括多个节臂，多个节臂的末端包括操作部，多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内，多个节臂包括与基座转动连接的第一节臂和与第一节臂转动连接的第二节臂，操作目标的操作位置位于竖直平面内，机械臂还包括测距装置和控制装置，测距装置内置在第二节臂末端，用于获取测距装置和操作目标的操作位置之间的第一距离；控制装置用于根据第一距离获取操作位置在竖直平面的第一坐标，并控制机械臂多个节臂转动，使得在机械臂对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致。
进一步地，测距装置的测距方向和第二节臂的延伸方向相互垂直成第一直角。
进一步地，多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内，包括：多个节臂之间通过转动关节相连，转动关节的转动轴向和通过转动关节相连的相邻两个节臂各自的延伸方向相互垂直，以使得多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内。
进一步地，测距装置还用于：确定操作位置位于多个节臂的竖直平面内；以及确定竖直平面的平面坐标系。
进一步地，控制装置用于根据第一距离获取操作位置在竖直平面的第一坐标，包括：控制装置用于获取第一节臂和第二节臂之间的第一角度、第一节臂的第一长度和第二节臂的第二长度；以及控制装置用于根据第一距离、第一角度、第一长度、第二长度以及第一直角，获取第一坐标。
进一步地，控制装置用于控制机械臂多个节臂相互转动，使得在机械臂对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致，包括：当机械臂包括四个节臂时，控制装置用于获取第二节臂的第二长度、第三节臂的第三长度以及第四节臂的第四长度，以及控制装置用于根据第一坐标、第二长度、第三长度和第四长度获取多个节臂中相邻节臂之间的角度。
进一步地，控制装置用于根据第一坐标、第二长度、第三长度和第四长度获取多个节臂中相邻节臂之间的角度，包括：
其中，α1＝θ1-90°，α2＝θ2-90°，α3＝θ3-90°；在使得机械臂对操作位置进行操作时，θ1为第一节臂与相邻第二节臂之间的第二角度；θ2为第二节臂与相邻第三节臂之间的第三角度；θ3为第三节臂与第四节臂之间的第四角度；l1为第二长度；l2为第三长度；l3为第四长度；(x，y)为第一坐标。
进一步地，测距装置为激光测距装置、红外测距装置或超声测距装置。
进一步地，操作部为机械抓手、焊接头、打孔机头或挂钩。
综上所述，根据本实用新型的机械臂，通过使机械臂的多个节臂、操作目标的操作位置位于同一竖直平面下，将机械臂三维空间的反解运算转换成二维空间的运算，以简化计算过程，降低运算量，提高系统处理性能。而且相比现有技术中采用视觉或者云台引导的方式，能够有效节约空间，降低硬件成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型的机械臂的结构示意图；
图2是本实用新型的机械臂的测距装置定位操作目标的原理示意图；
图3是本实用新型的机械臂抓取操作目标时的各个节臂的位置关系示意图；
图4是图3的简化示意图；
图5是本实用新型的机械臂自引导操作方法的流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
如图1所示，本实用新型提供了一种机械臂，包括基座10和多个节臂，多个节臂的末端包括操作部，多个节臂首位相连设置在同一竖直平面内，多个节臂包括与基座转动连接的第一节臂11和与第一节臂转动连接的第二节臂12，机械臂还包括测距装置30和控制装置，测距装置30固定设置在第二节臂12末端，用于获取所述测距装置和操作目标的操作位置之间的第一距离；控制装置用于根据第一距离获取操作位置在竖直平面的第一坐标，并控制机械臂多个节臂转动，使得在机械臂对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致。即控制装置用于在测距装置30定位操作部40的操作目标时，获取测距装置30与操作目标50之间的第一距离和第一节臂11与第二节臂12之间的夹角，计算操作目标50相对基座10的第一坐标，并根据第一坐标计算多个节臂中每个节臂的转动角度。控制装置进而根据相应的转动角度控制每个节臂转动。
本实用新型通过使机械臂的多个节臂、操作目标的操作位置位于同一竖直平面下，将机械臂三维空间的反解运算转换成二维空间的运算，以简化计算过程，降低运算量，提高系统处理性能。而且相比现有技术中采用视觉或者云台引导的方式，能够有效节约空间，降低硬件成本。
优选地，测距装置的测距方向和第二节臂的延伸方向相互垂直成第一直角，方便计算，提高计算速度，从而提高整个机械臂的响应速度。
具体地，多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内，包括：多个节臂之间通过转动关节相连，转动关节的转动轴向和通过转动关节相连的相邻两个节臂各自的延伸方向相互垂直，以使得多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内。更具体地，第一节臂的转动轴延伸方向为第一节臂的延伸方向，即第一节臂11的转动轴为自身轴线，运动时为绕轴线转动；第二节臂及其后的转动轴的延伸方向垂直于第一节臂的延伸方向，从而使其他节臂位于同一竖直平面内。
优选地，测距装置30嵌入在第二节臂12内部，从而避免各节臂旋转时对测距装置30产生干涉。测距装置30可以采用激光测距装置或者红外测距装置，将测距装置30固定在第二节臂12上，其相对第二节臂12发射固定角度的激光或者红外光，并转动第一节臂11，从而将第二节臂12、测距装置30和其他的节臂移动到与操作目标50处于同一平面中。然后调节第二节臂相对第一节臂的夹角，即可将测距装置30发送的激光或者红外光定位对准操作目标50，进而可以测量测距装置30与操作目标50之间距离。控制装置测与距装置30进行通讯，获取其对操作目标50的第一距离，并获取此时第一节臂11与第二节臂12之间的夹角以便后续计算。在其他实施例中，测距装置30也可以采用超声波测距装置。
控制装置用于根据第一距离获取操作位置在竖直平面的第一坐标具体包括：控制装置用于获取第一节臂和第二节臂之间的第一角度、第一节臂的第一长度和第二节臂的第二长度；以及控制装置用于根据第一距离、第一角度、第一长度、第二长度以及第一直角，获取第一坐标。
更具体地，结合图2来详细说明机械臂利用测距装置30定位操作目标的原理，在图2中，将操作目标50的操作位置和机械臂简化为点和线的关系，并确定平面坐标系，O点为平面坐标系原点，OP(第一节臂的延伸方向)为平面坐标系的Y轴，OS垂直于OP，并位于机械臂所在平面，作为平面坐标系的X轴。O点一般为第一节臂轴线与基座的交点。P点为第一节臂11与第二节臂12的铰接中心点，Q点为测距装置30，O’为操作目标50向机械臂的水平投影点。OP为机械臂坐标系的原点至第一节臂11末端的距离，为已知距离；PQ为第一节臂11末端至测距装置30的距离，也是已知距离；QR为操作目标50与测距装置30的距离，可由测距装置30测量得出。OO’为操作目标50与机械臂所在平面的坐标系原点的垂直距离，RO’为操作目标50与机械臂所在平面的坐标系原点的水平距离，求出OO’和RO’，即可得知操作目标相对于坐标系原点的位置，完成操作目标50的定位。由图2可知，
∠OPR＝∠OPQ-∠QPR
PO′＝PR·cos∠OPR
OS＝O′R＝PR·sin∠OPR
SR＝OO′＝OP-PO′
控制装置使用前对存储好已知条件，并实时获取测距装置30工作时的相应数据，计算上述公式，得出操作目标50在机械臂所在平面内的第一坐标为(RO’,OO’)。
控制装置用于控制机械臂多个节臂相互转动，使得在机械臂对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致，具体包括：当机械臂包括四个节臂时，控制装置用于获取第二节臂的第二长度、第三节臂的第三长度以及第四节臂的第四长度，以及控制装置用于根据第一坐标、第二长度、第三长度和第四长度获取多个节臂中相邻节臂之间的角度。
也即在本实用新型优选的实施例中，机械臂包括四个节臂。结合图3所示，机械臂还包括与第二节臂12转动连接的第三节臂13和与第三节臂13转动连接的第四节臂14，其中，第三节臂13、第四节臂14的转动轴的延伸方向垂直于第一节臂的延伸方向，也即第二节臂12、第三节臂13和第四节臂14的转动轴均垂直于第一节臂11，从而可以保证第二、第三、第四节臂与第一节臂11始终位于同一平面内。优选地，在该机械臂中，具有转动连接关系的节臂通过转动关节连接，且转动关节通过舵机或者伺服电机驱动控制。具体地，基座10与第一节臂11通过转动关节21连接，第一节臂11与第二节臂12通过转动关节22连接，第二节臂12与第三节臂13通过转动关节23连接，第三节臂13与第四节臂14通过转动关节24连接，第四节臂14与操作部40也可以通过转动关节25连接。单个转动关节的转动采取独立的控制方式，即每个转动关节独立转动，带动与之连接的节臂独立运动，从而避免由于各个节臂运动的相互干涉，影响机械臂的操作。控制装置发出转动指令，包括转动方向和转动角度对转动关节的运动进行控制。
机械臂确定了操作目标50在机械臂所在平面内的第一坐标，对操作目标50执行操作动作。此时各个节臂之间的位置关系如图3和图4所示。
结合图4所示，A、B和C分别为转动关节22、23和24，由于操作部40抓取操作目标50，将操作目标50简化为点D。根据图4所示的位置关系，利用在三维空间中有D-H模型来处理链式机械臂的相对关系，这里在二维平面上，采用D-H模型的思想来处理坐标关系，可知：
D在C坐标系中的坐标为(l3cosα3,l3sinα3)；
C处坐标系相对B处坐标系的齐次变换矩阵为
B处坐标系相对A处坐标系的齐次变换矩阵为
最终，得到D相对于A的坐标为：
其中，α1＝θ1-90°，α2＝θ2-90°，α3＝θ3-90°；θ1为第二节臂与第一节臂之间第二角度；θ2为第三节臂与第二节臂之间的第三角度；θ3为第四节臂与第三节臂之间的第四角度；l1为第二节臂的长度；l2为第三节臂的长度；l3为第四节臂的长度；(x，y)为机械臂定位并计算获取的操作目标50在机械臂所在平面内的第一坐标。在获得操作目标50的第一坐标(x，y)的后，求解上述公式，确定第二节臂相对第一节臂转动的第二角度，第三节臂相对第二节臂转动的第三角度，以及第四节臂相对第三节臂转动的第四角度。通过转动关节内的舵机或伺服电机，控制转动关节转过相应的角度，将操作部40移动至操作目标50处。
上述矩阵中包含三个未知变量，可假定α1已知，即θ1已知，从而可得到α2和α3的值，即，可以得到用θ1来表示的θ2和θ3，在实际操作时，将θ1固定为一个特定值，然后解算θ2和θ3，如果存在解则控制电机进行抓取工作，如果无解则以一定梯度更改θ1，继续求解，如果遍历所有θ1都无解，则目标不在机械臂的解空间范围之内，需要移动机械臂基座的位置，重新定位抓取。
在实际操作过程中，当机械臂多余4个节臂时，采用类似于上述操作，将某几个节臂的角度假定已知，从而用来表示其他的未知角度，在计算时，采用遍历的方式，从而得到有效解。
一般地，操作部40可以为机械抓手，即机械臂通过机械抓手抓取操作目标50，从而进行一定的操作，如搬运，装配等。操作部40上可以设置伺服机构，在抓取操作目标50时提供一定的预紧力进行固定。操作部40也可以为焊接装置、喷涂装置、打孔机头或挂钩等，从而在定位操作目标50后，实现焊接、喷涂、打孔或者钩挂等操作。
实施例二
图5为机械臂自引导操作方法的流程图，结合图1至5所示，机械臂包括多个节臂，多个节臂的末端包括操作部，多个节臂首尾相连位于同一竖直平面内，多个节臂包括与基座转动连接的第一节臂和与第一节臂转动连接的第二节臂。该方法包括以下步骤：步骤S101，调节第一节臂和第二节臂，以使内置在第二节臂末端的测距装置指向操作目标的操作位置，并获取测距装置与操作位置之间的第一距离。
步骤S102，根据第一距离获取操作位置在竖直平面内的第一坐标。
步骤S102，控制机械臂的多个节臂转动，在使得操作部对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致。
即本实用新型的机械臂自引导操作方法通过使机械臂的多个节臂、操作目标的操作位置位于同一竖直平面下，将机械臂三维空间的反解运算转换成二维空间的运算，以简化计算过程，降低运算量，提高系统处理性能。而且相比现有技术中采用视觉或者云台引导的方式，能够有效节约空间，降低硬件成本。
具体地，调节第一节臂和第二节臂，以使内置在第二节臂末端的测距装置指向操作目标的操作位置，并获取测距装置与操作位置之间的第一距离包括：确定操作位置位于多个节臂的竖直平面内；即通过调节第一节臂，从而使机械臂与操作目标位于同一竖直平面内，然后通过调节第二节臂与第一节臂的角度，从而使测距装置定位操作目标的操作位置，并进而测量出第一距离。
优选地，该方法还包括确定测距装置的测距方向与第二节臂的延伸方向相垂直，形成第一直角，从而便于的计算，提高响应速度。
测距装置可以采用激光测距装置或红外测距装置，将其固定在第二节臂的末端，使其相对第二节臂发射固定角度的激光或红外光，控制装置实时获取操作目标与测距装置之间的距离。在定位操作目标过程中，第二节臂相对第一节臂发生转动。通过监测转动关节中舵机或伺服电机的转动角度，可以获取第一节臂与第二节臂之间的角度。
根据第一距离获取操作位置在竖直平面的第一坐标具体包括：获取第一节臂和第二节臂之间的第一角度、第一节臂的第一长度和第二节臂的第二长度；以及根据第一距离、第一角度、第一长度、第二长度以及第一直角，获取第一坐标。据以上的已知，结合图2机械臂利用测距装置定位操作目标的原理图所示，计算获取操作目标的位置。该位置为操作目标在机械臂所在平面内的第一坐标，详细的计算过程与实施例一相同，不再赘述。
进一步地，控制装置用于控制机械臂多个节臂相互转动，使得在机械臂对操作位置进行操作时，多个节臂中相邻节臂之间的角度与根据第一坐标获取的多个节臂中相邻节臂之间的角度一致具体包括：当机械臂包括四个节臂时，控制装置用于获取第二节臂的第二长度、第三节臂的第三长度以及第四节臂的第四长度，以及控制装置用于根据第一坐标、第二长度、第三长度和第四长度获取多个节臂中相邻节臂之间的角度。
结合图3和图4所示，根据机械臂抓取操作目标时各个节臂位置关系的公式，在确定操作目标位置后，求解矩阵公式可获取多个节臂中每个节臂的转动角度。根据串联节臂个数，调整节臂位置关系矩阵公式。在第二实施例中，平面坐标系的确定，详细计算过程与第一实施例相同，不再赘述。
综上所述，根据本实用新型的机械臂，通过使第一节臂的转动轴延伸方向为第一节臂的延伸方向，并在第二节臂末端设置测距装置对操作目标定位测距，在测距装置定位测距过程中，将机械臂的各个节臂转动到与操作目标处于同一平面中，从而将机械臂三维空间的反解运算降低到二维空间，降低运算量，提高系统性能。而且相比现有技术中采用视觉或者云台引导的方式，能够有效节约空间，降低硬件成本。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。