一种工业机器人及其工业机器人避障系统的制作方法

1.本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种工业机器人及其工业机器人避障系统。


背景技术：

2.工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
3.在现有的工业机器人中，尤其是应用在无人车间或环境较为恶劣的情况下；不仅需要固定式的机器人即单纯的机械臂固定在底座上使用的工业机器人，这种工业机器人只需要单纯的或简单的程序指令即可按照预设的动作进行反复操作；而且还需要用于搬运一些不利于人工搬运的较为危险或有损人身健康的货物，例如化学药剂、具有一定放射性的矿物质、高温的锻压产品等易燃易爆的物品，此时，单纯的依靠固定式的工业机器人搬运显然是不可行的，尤其在遇到故障物的时候或者在新的环境中，工业机器人会很难识别搬运途中的障碍物并及时做出预警或避让动作。


技术实现要素：

4.基于现有的工业机器人在搬运易燃易爆等物品时很难识别搬运途中的障碍物并及时做出预警或避让动作的技术问题，本发明提出了一种工业机器人及其工业机器人避障系统。
5.本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统，包括脚掌、机械腿、机身、机械臂以及用于周向转动扫描的机头；脚掌的顶部与机械腿的底部铰接后实现行走；机械腿的顶部与机身的底部铰接后实现机器人的起身或坐立，相邻机械腿以及与机身底部的铰接处均通过铰接安装的直线液压缸实现机械腿起身或坐立动作的驱动；机身的两侧顶部分别与两个机械臂转动安装后实现拿放物品；机头由安装在机身上表面中部的伺服电机控制转动后实现对机器人周边环境的扫描动作；机身的正前方表面还设有用于扫描前方呈立体锥形状区域的障碍物专用扫描雷达。
6.优选地，脚掌与机械腿铰接处还设有用于限位脚掌的限位块。
7.通过上述技术方案，限位块能够防止机械腿抬起行走时，脚掌的两端端面与地面接触而造成机器人倾倒的问题发生。
8.优选地，伺服电机的输出轴顶部沿其径向固定安装有u型块，u型块的两侧内壁通过轴承转动安装有支撑轴，支撑轴的中部表面固定安装有环境扫描雷达，伺服电机转动带
动环境扫描雷达做周向转动扫描。
9.通过上述技术方案，环境扫描雷达能够被伺服电机带动做周向转动，增加水平方向上的扫描面积，随时对机器人左右的周边环境进行实时扫描监控，及时作出规避或预警动作。
10.优选地，伺服电机的输出轴外表面同心设置有活动导电机构；活动导电机构包括与伺服电机同轴心的接电环，接电环的上端面环形开设有用于安装导电环的环槽，环槽的内壁转动插接有与环槽内壁相适配的弧形通电板，弧形通电板沿环槽的内壁滑动的同时与导电环表面滑动接触通电；弧形通电板通过连杆与u型块的下表面固定连接后接通环境扫描雷达的电源接入端，接电环沿其径向的外表面固定连接有l型杆，之后l型杆的底端与机身的上表面固定连接支撑起接电环，电源线穿过l型杆和接电环后与导电环固定实现通电。
11.通过上述技术方案，能够实现对伺服电机输出轴上的用电设备进行实时供电，防止伺服电机转动时，拉扯电线。
12.优选地，环境扫描雷达的背面还设有调节仰角的仰角调节机构；仰角调节机构包括仰角弧形液压缸，仰角弧形液压缸的缸体与伺服电机的输出轴固定连接，仰角弧形液压缸的活塞杆顶部与环境扫描雷达的背面顶部固定连接，仰角弧形液压缸启动后带动环境扫描雷达以支撑轴的轴心线为转动中心线实现仰角的转动调节，仰角弧形液压缸的电源通过活动导电机构实现连续供电。
13.通过上述技术方案，仰角弧形液压缸能够带动环境扫描雷达做仰角方向上的扫描调整，增加仰角方向上的扫描面积，随时对机器人上下的周边环境进行实时扫描监控，及时作出规避或预警动作。
14.优选地，伺服电机的外表面还设有控制环境扫描雷达周向转动扫描角度的扫描限位机构，扫描限位机构与伺服电机使用同一电源；扫描限位机构包括竖向安装在伺服电机外壳的微型液压缸，微型液压缸的活塞杆顶部固定连接有与伺服电机同轴线两个背向固定连接的限位弧形液压缸，两个限位弧形液压缸的活塞杆均固定安装有行程开关，u型块的两端下表面固定连接有呈对称分布的触块，两个行程开关与伺服电机电连接后通过与触块接触控制伺服电机的正反转，通过限位弧形液压缸的伸缩控制伺服电机正反转的行程。
15.通过上述技术方案，能够根据机器人的实际工作环境和需求，对环境扫描雷达的周向转动动作进行介入限定，在不需要环境扫描雷达做整个圆周方向上的扫描时，通过微型液压缸向上顶起扫描限位机构，使得环境扫描雷达不再做整个圆周方向上的转动扫描，而是实现左右摇摆的扫描动作，增加机器人前方的扫描秒频率，增加数据的精准度跟实时性；同时通过限位弧形液压缸的伸缩，可精确控制环境扫描雷达左右摇摆扫描的区域。
16.优选地，障碍物专用扫描雷达的背部中心处转动铰接在机身的正面，机身的正面顶部固定安装有俯角弧形液压缸，俯角弧形液压缸的活塞杆底部与障碍物专用扫描雷达的背部边沿处表面固定连接；俯角弧形液压缸启动后驱动障碍物专用扫描雷达转动以实现其俯角的调节。
17.通过上述技术方案，能够精准的控制障碍物专用扫描雷达对俯角和水平前方方向上的扫描，帮助脚掌前进过程中地面上的障碍物进行扫描规避。
18.优选地，包括如下步骤；s1、在机身的内部设置用于控制机械腿、机械臂、机头、障碍物专用扫描雷达和俯角弧形液压缸的控制器，控制器内部含有可编程或输入程序的主控芯片，机身的背部表面还设有显示障碍物专用扫描雷达和环境扫描雷达扫描结果的雷达显示屏；s2、机器人在搬运物品后向前方行走时，障碍物专用扫描雷达和环境扫描雷达对仰角方向、正前方或俯角方向进行扫描，将扫描的结果传输至控制器内并同时在雷达显示屏上显示出来，由控制器内的主控芯片进行计算；s3、由主控芯片根据其计算的结果再结合机器人本身的长宽高进行计算是否符合继续前进的条件；s4、若符合继续前进的条件，则机器人继续前进，若不符合，根据计算的结果数据控制机器人停止前进，并根据雷达显示屏上障碍物扫描面积控制机器人向最小扫描面积的一侧方向上移动，若机器人向最小扫描面积的一侧方向上移动后的扫描面积超过预设扫描面积的自动累加阈值时，再控制机器人向另一侧继续移动扫描避障，直至避让掉前方障碍物到达预设地点或达到机器人预设的停止阈值时，机器人自动停止并启动设置在机身表面的无线报警器报警；s5、机器人避障系统运行结束后停止雷达扫描，等待进一步指令。
19.优选地，s2中包括s21、障碍物包括具有具体高度的物体、呈一定分布规律的格子网状物体以及与地面形成高度差的坑洼地貌；s22、对仰角方向、正前方或俯角方向进行的扫描结果遇到相同扫描物体形状的，在雷达显示屏上重合显示。
20.通过上述技术方案，能够对机器人的前上方、正前方和前下方的整个区域实现扫描的时候，对扫描的同一个障碍物实现重合处理，避免出现障碍物的交叉显示，给控制器内主控芯片的计算造成不必要的干扰。
21.优选地，s4中预设的自动累加阈值在执行过程中，当扫描结果值每达到自动累加阈值时，自动累加阈值自动累加一个由人工控制的累加值形成新的自动累加阈值，即遵从下列公式：=+；新的自动累加阈值在机器人执行向另一侧继续移动扫描避障的第一步时自动复位至初始状态，且自动累加阈值小于或等于停止阈值，在自动累加阈值首次等于或大于停止阈值时，机器人自动停止。
22.通过上述技术方案，设定各阈值，能够充分的增加机器人执行命令时的连贯性，使得机器人具有一定的智能计算能力，充分保证规避障碍物的执行力。
23.本发明中的有益效果为：本发明充分利用雷达扫描成像的特性，将机器人的前方障碍物通过雷达扫描显示
出来轮廓形状，这样，将障碍物轮廓形状外的区域就是机器人的无障碍物可行走的区域；不仅可以针对具有实体的障碍物，还能够针对不平地面或坑洼之地进行雷达探测，实现机器人能够适应不同环境中的货物搬运动作，消除人工搬运易燃易爆物品所带来的安全隐患。
附图说明
24.图1为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的示意图；图2为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的机身结构背部立体图；图3为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的图1中机头结构立体图；图4为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的图3中a处放大图；图5为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的脚掌被限位时侧视图；图6为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的图2中机头结构立体图；图7为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的扫描限位机构立体图；图8为本发明提出的一种工业机器人及其工业机器人避障系统的避障系统原理图。
25.图中：1、脚掌；11、限位块；12、压力传感器；2、机械腿；3、机身；4、机械臂；5、机头；51、伺服电机；511、接电环；512、环槽；513、弧形通电板；514、连杆；515、l型杆；52、u型块；53、支撑轴；54、环境扫描雷达；541、仰角弧形液压缸；542、微型液压缸；543、限位弧形液压缸；544、行程开关；545、触块；6、直线液压缸；7、障碍物专用扫描雷达；71、俯角弧形液压缸；8、控制器；81、主控芯片；82、雷达显示屏；83、无线报警器。
具体实施方式
26.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。
27.参照图1
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8，一种工业机器人及其工业机器人避障系统，包括脚掌1、机械腿2、机身3、机械臂4以及用于周向转动扫描的机头5和环境扫描雷达54，同时还包括障碍物专用扫描雷达7和俯角弧形液压缸71；s1、在机身3的内部设置用于控制机械腿2、机械臂4、机头5、障碍物专用扫描雷达7和俯角弧形液压缸71的控制器8，控制器8内部含有可编程或输入程序的主控芯片81，机身3的背部表面还设有显示障碍物专用扫描雷达7和环境扫描雷达54扫描结果的雷达显示屏82；环境扫描雷达54和障碍物专用扫描雷达7分别以扇形扫描区域m和n所扫描出来的障碍物图像在雷达显示屏82显示出来，此时就会得出相应的各类数据，障碍物间的通过距离a、扫描雷达与障碍物之间的距离e、机器人正前方距离最近的各障碍物扫描出来的障碍
物雷达扫描宽度c和d以及机器人或搬运货物的最大宽度b，再根据控制器8对这类数据的分析，比对a与b的大小来决定机器人是否采需要避障：若a大于b，则机器人通过，若a小于b，则机器人执行避障动作，控制机器人向两侧移动，在决定向机器人那一侧移动避障时，遵从下列法则：对比c和d，c和d谁小，机器人就从对比数值较小的一侧移动避障，若c等于d，则以机器人前进方向的左侧为先，控制器8发出指令控制机器人行走避障。
28.为了实现本实施例中行走或避障时不易出现倾倒，在脚掌1的顶部与机械腿2的底部铰接后实现行走的时候；在脚掌1与机械腿2铰接处还设有用于限位脚掌1的限位块11，将脚掌1与地面踩踏的下表面进行模块化，分成多个模块，在每个模块的上表面与脚掌1的内部对应设置用于感应每个模块所受压力的压力传感器12，当限位块11的两端在机器人行走时遇到具有一定向上坡度或向下斜坡时，限位块11与脚掌1的上表面接触，机器人被限位，此时，若脚掌1底部的模块上表面的压力传感器12所感受的压力不足机器人正常行走所需要的压力时，机器人不再向此方向上行走，以此来保证机器人每一步的行走都有效，防止倾倒。
29.限位块11能够防止机械腿2抬起行走时，脚掌1的两端端面与地面接触而造成机器人倾倒的问题发生。
30.为了实现本实施例中的行走动作，在机械腿2的顶部与机身3的底部铰接后实现机器人的起身或坐立，相邻机械腿2以及与机身3底部的铰接处均通过铰接安装的直线液压缸6实现机械腿2起身或坐立动作的驱动，将多个直线液压缸6一起控制，利用直线液压缸6联动的驱动力，来实现机械腿2的行走动作。
31.为了实现本实施例中对搬运物体的拿放动作，在机身3的两侧顶部分别与两个机械臂4转动安装后实现拿放物品，可采用上述实施例中机械腿行走的方式，亦可将直线液压缸6铰接安装在机械臂4上，实现拿放需要搬运的物品。
32.s2、机器人在搬运物品后向前方行走时，障碍物专用扫描雷达7和环境扫描雷达54对仰角方向、正前方或俯角方向进行扫描，将扫描的结果传输至控制器8内并同时在雷达显示屏82上显示出来，由控制器8内的主控芯片81进行计算；s2中包括s21、障碍物包括具有具体高度的物体、呈一定分布规律的格子网状物体以及与地面形成高度差的坑洼地貌；雷达扫描的精度在50m内时，可扫描出前方黄豆大小的物体出来，对于地貌的扫描，同样采用上述s1的方式进行对比，若扫描出的障碍物高度小于脚掌1行走时每次的抬高高度，则机器人继续前进，反之，执行避障指令；s22、对仰角方向、正前方或俯角方向进行的扫描结果遇到相同扫描物体形状的，在雷达显示屏82上重合显示，即m和n以最大者的面积显示在雷达显示屏82上。
33.通过上述技术方案，能够对机器人的前上方、正前方和前下方的整个区域实现扫描的时候，对扫描的同一个障碍物实现重合处理，避免出现障碍物的交叉显示，给控制器8内主控芯片81的计算造成不必要的干扰。
34.s3、由主控芯片81根据其计算的结果再结合机器人本身的长宽高进行计算是否符合继续前进的条件。
35.为了实现本实施例中对前上方和正前方扫描障碍物的动作，机头5由安装在机身3上表面中部的伺服电机51控制转动后实现对机器人周边环境的扫描动作，其具体是这样实
现的：在伺服电机51的输出轴顶部沿其径向固定安装上u型块52，为了避免受力不均的问题，安装时，u型块52的中线与伺服电机51的输出轴同轴心线设置。然后u型块52的两侧内壁通过轴承转动安装上支撑轴53，使得支撑轴53能够实现自转，再将环境扫描雷达54的背部的中心处安装在支撑轴53的中部表面处，安装时，一为了受力均匀，环境扫描雷达54的背部的中心与伺服电机51保持同心，伺服电机51转动带动环境扫描雷达54做周向转动扫描；上述实施例安装完成后，环境扫描雷达54能够被伺服电机51带动做周向转动，增加水平方向上的扫描面积，随时对机器人左右的周边环境进行实时扫描监控，及时作出规避或预警动作。
36.为了解决上述实施例种机头5的电源供电问题，在伺服电机51的输出轴外表面同心设置有活动导电机构；活动导电机构包括与伺服电机51同轴心的接电环511，接电环511的上端面环形开设有用于安装导电环的环槽512，环槽512的内壁转动插接有与环槽512内壁相适配的弧形通电板513，这样能够保证弧形通电板513能够平稳的在环槽512的内壁滑动，再通过弧形通电板513沿环槽512的内壁滑动的同时与导电环表面滑动接触实现通电。
37.为了完整的实现供电闭环，将弧形通电板513通过连杆514与u型块52的下表面固定连接后接通环境扫描雷达54的电源接入端，此时就实现动态转动对环境扫描雷达54供电的效果；再将接电环511沿其径向的外表面固定连接有l型杆515，之后l型杆515的底端与机身3的上表面固定连接支撑起接电环511，电源线穿过l型杆515和接电环511后与导电环固定实现与电源的通电。
38.之所以设置活动导电机构是为了实现对伺服电机51输出轴上的用电设备进行实时供电，防止伺服电机51转动时，拉扯电线。
39.为了进一步地实现仰角的调节，在环境扫描雷达54的背面还设有调节仰角的仰角调节机构；仰角调节机构包括仰角弧形液压缸541，仰角弧形液压缸541的缸体与伺服电机51的输出轴固定连接，仰角弧形液压缸541的活塞杆顶部与环境扫描雷达54的背面顶部固定连接，仰角弧形液压缸541启动后带动环境扫描雷达54以支撑轴53的轴心线为转动中心线实现仰角的转动调节，仰角弧形液压缸541的电源通过活动导电机构实现连续供电，仰角弧形液压缸541中的弧形液压缸也可使用直线液压缸，只要将直线液压缸的两端与连接的结构上实现铰接安装即可；仰角弧形液压缸541能够带动环境扫描雷达54做仰角方向上的扫描调整，增加仰角方向上的扫描面积，随时对机器人上下的周边环境进行实时扫描监控，及时作出规避或预警动作。
40.为了进一步实现对环境扫描雷达54的左右摆动所形成的的扇形区域实现精准控制，在伺服电机51的外表面还设有控制环境扫描雷达54周向转动扫描角度的扫描限位机构，扫描限位机构与伺服电机51使用同一电源；扫描限位机构包括竖向安装在伺服电机51外壳的微型液压缸542，微型液压缸542的活塞杆顶部固定连接有与伺服电机51同轴线两个背向固定连接的限位弧形液压缸543，两个限位弧形液压缸543的活塞杆均固定安装有行程开关544，u型块52的两端下表面固定连接有呈对称分布的触块545，两个行程开关544与伺服电机51电连接后通过与触块545接触控制伺服电机51的正反转，通过限位弧形液压缸543的伸缩控制伺服电机51正反转的行
程；微型液压缸542在不使用时，其最高高度低于触块545的底端，此时行程开关544不会与触块545发生触碰，只有当使用时，微型液压缸542带动限位弧形液压缸543向上伸出，使得行程开关544与触块545处于同一水平面上，两个对称分布的触块545随着伺服电机51转动后与行程开关544触碰，使得伺服电机51反向转动，进而两个行程开关544与触块545触碰所形成的区域就是环境扫描雷达54的扫描区域，能够根据机器人的实际工作环境和需求，对环境扫描雷达54的周向转动动作进行介入限定，在不需要环境扫描雷达54做整个圆周方向上的扫描时，通过微型液压缸542向上顶起扫描限位机构，使得环境扫描雷达54不再做整个圆周方向上的转动扫描，而是实现左右摇摆的扫描动作，增加机器人前方的扫描秒频率，增加数据的精准度跟实时性；同时通过限位弧形液压缸543的伸缩，可精确控制环境扫描雷达54左右摇摆扫描的区域。
41.为了便于对机器人正前方或前下方的区域进行障碍物的扫描，在机身3的正前方表面还设有用于扫描前方呈立体锥形状区域的障碍物专用扫描雷达7，其具体是这样实现的：障碍物专用扫描雷达7的背部中心处转动铰接在机身3的正面，机身3的正面顶部固定安装有俯角弧形液压缸71，俯角弧形液压缸71的活塞杆底部与障碍物专用扫描雷达7的背部边沿处表面固定连接，此时，俯角弧形液压缸71启动后驱动障碍物专用扫描雷达7转动就能够实现其俯角的调节动作；上述实施例中，能够精准的控制障碍物专用扫描雷达7对俯角和水平前方方向上的扫描，帮助脚掌1前进过程中地面上的障碍物进行扫描规避。
42.s4、若符合继续前进的条件，则机器人继续前进，若不符合，根据计算的结果数据控制机器人停止前进，并根据雷达显示屏82上障碍物扫描面积控制机器人向最小扫描面积的一侧方向上移动，若机器人向最小扫描面积的一侧方向上移动后的扫描面积超过预设扫描面积的自动累加阈值时，再控制机器人向另一侧继续移动扫描避障，直至避让掉前方障碍物到达预设地点或达到机器人预设的停止阈值时，机器人自动停止并启动设置在机身3表面的无线报警器83报警；s4中预设的自动累加阈值在执行过程中，当扫描结果值每达到自动累加阈值时，自动累加阈值自动累加一个由人工控制的累加值形成新的自动累加阈值，即遵从下列公式：=+；新的自动累加阈值在机器人执行向另一侧继续移动扫描避障的第一步时自动复位至初始状态，且自动累加阈值小于或等于停止阈值，在自动累加阈值首次等于或大于停止阈值时，机器人自动停止。
43.设定各阈值，能够充分的增加机器人执行命令时的连贯性，使得机器人具有一定的智能计算能力，充分保证规避障碍物的执行力。
44.s5、机器人避障系统运行结束后停止雷达扫描，等待进一步指令。
45.本发明充分利用雷达扫描成像的特性，将机器人的前方障碍物通过雷达扫描显示出来轮廓形状，这样，将障碍物轮廓形状外的区域就是机器人的无障碍物可行走的区域；不
仅可以针对具有实体的障碍物，还能够针对不平地面或坑洼之地进行雷达探测，实现机器人能够适应不同环境中的货物搬运动作，消除人工搬运易燃易爆物品所带来的安全隐患。
46.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。