激光位移传感器、机械臂姿态传感单元及复合机器人的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种激光位移传感器、机械臂姿态传感单元及复合机器人。


背景技术：

2.复合机器人集成有手臂功能和行走功能，在工业生产中应用越来越广泛，复合机器人机械臂的周围一般都会安装传感单元，以用于获取待抓取物和机械臂之间位置情况。
3.一般的传感单元可以采用3d视觉传感器同时获取待抓取物和机械臂的位置情况，这种技术虽然精度非常高，但是价格十分昂贵；另外部分传感单元可以采用2d视觉传感器来获取待抓取物的位置情况，采用位移传感器来获取机械臂的位置情况。
4.激光位移传感器是位移传感器的一种，激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表。能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。
5.常见的激光位移传感器例如申请号为201621128998.4的中国专利公开了一种激光三角位移传感器，属于光电测量技术领域、包括半导体激光器、聚焦透镜组、接收透镜组、光电探测器和信号处理电路，半导体激光器和聚焦透镜组共轴，与被测目标依次排列，共同组成发射端，接收透镜组和光电探测器依次排列，信号处理电路和光电探测器相连，用于对光电探测器接收的电信号进行处理并得到被测物体的位移。
6.针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：
7.一般情况下，只有被测物表面位于聚焦透镜组的焦点上，才能确保激光位移传感器的测量结果较为精准，但是常见的激光位移传感器往往不具有自动调焦功能，容易导致测量结果不精准，其测量精度难以达到
±
0.1mm，更无法达到
±
0.01mm，不适用于机器人上以作精密测位置使用，故而有待改进。


技术实现要素：

8.本技术提供一种激光位移传感器、机械臂姿态传感单元及复合机器人，以改善以下技术问题：常见的激光位移传感器往往不具有自动调焦功能，容易导致测量结果不精准，其测量精度难以达到
±
0.1mm，更无法达到
±
0.01mm，不适用于机器人上以作精密测位置使用。
9.第一方面，本技术提供一种激光位移传感器，采用如下的技术方案：
10.一种激光位移传感器，包括壳体，所述壳体的一侧设置有开口，所述开口处安装有微动聚焦透镜，所述壳体内安装有音圈电机，所述音圈电机与所述微动聚焦透镜相连接且用于驱使微动聚焦透镜直线运动，所述壳体内还安装有激光器、准直透镜、第一分光棱镜、第一反射镜、第二分光棱镜、第二反射镜、第一光电传感器和第二光电传感器；
11.所述激光器发出的激光光束依次经过所述准直透镜、所述第一分光棱镜、所述第一反射镜、所述微动聚焦透镜后到达被测物体表面；
12.所述激光光束从被测物体的表面反射，依次经过所述微动聚焦透镜、所述第一反射镜、所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜，形成第一光束并聚焦到所述第一光电传感器；
13.所述激光光束从被测物体的表面反射，依次经过所述微动聚焦透镜、所述第一反射镜、所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜、所述第二反射镜，形成第二光束并聚焦到所述第二光电传感器。
14.通过采用上述技术方案，通过第一光束在第一光电传感器上与第二光束在第二光电传感器上的光强值差，可判断被测表面是否在微动聚焦透镜的焦点上，上述差值为0，则在焦点上，上述差值不为0，则不在焦点上；线圈及磁铁组合形成音圈电机，通过给线圈电流，可使微动聚焦透镜直线移动；通过音圈电机，将微动聚焦透镜往在被测表面形成的焦点方向移动，此时判断第一光束在第一光电传感器上与第二光束在第二光电传感器上的光强值差，上述差值为0时停止音圈电机的驱动动作，此时微动聚焦透镜与被测物体表面的距离为微动聚焦透镜的焦距，即被测物体表面在微动聚焦透镜的焦点上；通过测量音圈电机移动的距离，可计算出激光位移传感器与被测表面的实际距离；申请的激光位移传感器具有自动调焦功能，不易导致测量结果不精准，其测量精度可以达到
±
0.1mm，甚至可以达到
±
0.01mm，适用于机器人上以作精密测位置使用。
15.可选的，所述激光器、所述准直透镜、所述第一分光棱镜和所述第一反射镜位于第一直线上，所述第一直线为所述激光器发出的激光光束的方向，所述第一反射镜、所述音圈电机和所述微动聚焦透镜位于第二直线上，所述第二直线垂直于所述第一直线，所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜和所述第二反射镜位于第三直线上，所述第三直线垂直于所述第一直线，所述第三直线平行于所述第二直线。
16.通过采用上述技术方案，上述布局设计，结构更加紧凑合理，从而激光位移传感器的体积更小。
17.第二方面，本技术提供一种机械臂姿态传感单元，采用如下的技术方案：
18.一种机械臂姿态传感单元，安装于机器人机械臂上且包括外盒，所述外盒内设置有用于感知机械臂xyr方向位移的平面视觉相机，所述平面视觉相机从所述外盒的一个侧面露出，所述外盒的其他三个侧面分别设置有安装部，每一个所述安装部上均安装有一个用于感知机械臂z方向位移的、如上述的激光位移传感器，三个所述激光位移传感器呈三角形布置。
19.通过采用上述技术方案，平面视觉相机可以感知机械臂xyr方向位移，激光位移传感器可以感知机械臂z方向位移，三个激光位移传感器所采集到的三个点位的移位数据，用于计算出机械臂的wpr方向位移，即机械臂的姿态数据，精度更高，而且结构简单制作方便，成本较低、集成难度小。
20.可选的，所述平面视觉相机位于所述外盒的正中间，其中两个所述激光位移传感器位于所述平面视觉相机的两侧且对称布置。
21.通过采用上述技术方案，上述对称式设计，更有利于感知位移变化。
22.可选的，其中两个所述激光位移传感器、所述平面视觉相机位于第四直线上，剩下一个所述激光位移传感器、所述平面视觉相机位于第五直线上，所述第四直线和所述第五直线垂直。
23.通过采用上述技术方案，在对称式设计的基础上，整个传感单元的重心更靠近中心，结构更稳固，更有利于感知位移。
24.可选的，所述安装部固定于所述外盒，所述激光位移传感器与所述安装部远离所述外盒的端部可拆卸装配。
25.通过采用上述技术方案，方便更换新的激光位移传感器，维护维修更简单。
26.第三方面，本技术提供一种复合机器人，采用如下的技术方案：
27.一种复合机器人，包括移动式底座单元，所述移动式底座单元上安装有机械臂，所述机械臂远离所述移动式底座单元的端部设置有安装板和取放单元，所述安装板远离所述机械臂的一端设置有如上述的机械臂姿态传感单元。
28.通过采用上述技术方案，移动式底座单元可以带动高精度复合机器人移动切换位置，取放单元可以用来取料、放料，安装板则为机械臂姿态传感单元提供了稳定的安装位置，通过机械臂姿态传感单元可以精准感知所述机械臂xyr方向位移和wpr方向位移，从而具有抓取精度较高、成本低、集成难度小的优点。
29.可选的，所述移动式底座单元包括移动底座、集成控制箱和载物平台，所述集成控制箱安装于所述移动底座上，所述载物平台安装于所述集成控制箱上，所述机械臂安装于所述载物平台上。
30.通过采用上述技术方案，上述设计的移动式底座单元，结构简单且稳定，操控非常方便。
31.可选的，所述集成控制箱的一侧面设置有交互显示屏，所述集成控制箱的部分其他侧面设置有散热孔。
32.通过采用上述技术方案，交互显示屏的设计，有利于工作人员快速获取信息，而且散热孔有利于集成控制箱内部的电子元器件快速散热。
33.可选的，所述机械臂为六轴机械臂。
34.通过采用上述技术方案，六轴机械臂具有协作能力强的优势，而且技术成熟，运行稳定。
35.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
36.通过第一光束在第一光电传感器上与第二光束在第二光电传感器上的光强值差，可判断被测表面是否在微动聚焦透镜的焦点上，上述差值为0，则在焦点上，上述差值不为0，则不在焦点上；线圈及磁铁组合形成音圈电机，通过给线圈电流，可使微动聚焦透镜直线移动；通过音圈电机，将微动聚焦透镜往在被测表面形成的焦点方向移动，此时判断第一光束在第一光电传感器上与第二光束在第二光电传感器上的光强值差，上述差值为0时停止音圈电机的驱动动作，此时微动聚焦透镜与被测物体表面的距离为微动聚焦透镜的焦距，即被测物体表面在微动聚焦透镜的焦点上；通过测量音圈电机移动的距离，可计算出激光位移传感器与被测表面的实际距离；申请的激光位移传感器具有自动调焦功能，不易导致测量结果不精准，其测量精度可以达到
±
0.1mm，甚至可以达到
±
0.01mm，适用于机器人上以作精密测位置使用。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1是本技术实施例的激光位移传感器的结构示意图。
39.图2是本技术实施例中机械臂姿态传感单元的结构示意图。
40.图3是本技术实施例中复合机器人的结构示意图。
41.附图标记说明：
42.100、移动式底座单元；11、移动底座；12、集成控制箱；13、载物平台；14、交互显示屏；200、机械臂；300、安装板；400、取放单元；500、机械臂姿态传感单元；51、外盒；52、平面视觉相机；53、安装部；531、沉槽；54、激光位移传感器；5401、壳体；5402、微动聚焦透镜；5403、音圈电机；5404、激光器；5405、准直透镜；5406、第一分光棱镜；5407、第一反射镜；5408、第二分光棱镜；5409、第二反射镜；5410、第一光电传感器；5411、第二光电传感器；55、螺钉。
具体实施方式
43.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
44.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
45.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
47.以下结合附图1-3对本技术作进一步详细说明。
48.本技术实施例公开一种激光位移传感器54。参照图1，激光位移传感器54包括壳体5401，所述壳体5401的一侧设置有开口，所述开口处安装有微动聚焦透镜5402，所述壳体5401内安装有音圈电机5403，所述音圈电机5403与所述微动聚焦透镜5402相连接且用于驱使微动聚焦透镜5402直线运动，所述壳体5401内还安装有激光器5404、准直透镜5405、第一分光棱镜5406、第一反射镜5407、第二分光棱镜5408、第二反射镜5409、第一光电传感器5410和第二光电传感器5411；
49.所述激光器5404发出的激光光束依次经过所述准直透镜5405、所述第一分光棱镜5406、所述第一反射镜5407、所述微动聚焦透镜5402后到达被测物体表面；
50.所述激光光束从被测物体的表面反射，依次经过所述微动聚焦透镜5402、所述第
一反射镜5407、所述第一分光棱镜5406、所述第二分光棱镜5408，形成第一光束并聚焦到所述第一光电传感器5410；
51.所述激光光束从被测物体的表面反射，依次经过所述微动聚焦透镜5402、所述第一反射镜5407、所述第一分光棱镜5406、所述第二分光棱镜5408、所述第二反射镜5409，形成第二光束并聚焦到所述第二光电传感器5411。
52.所述激光器5404、所述准直透镜5405、所述第一分光棱镜5406和所述第一反射镜5407位于第一直线上，所述第一直线为所述激光器5404发出的激光光束的方向，所述第一反射镜5407、所述音圈电机5403和所述微动聚焦透镜5402位于第二直线上，所述第二直线垂直于所述第一直线，所述第一分光棱镜5406、所述第二分光棱镜5408和所述第二反射镜5409位于第三直线上，所述第三直线垂直于所述第一直线，所述第三直线平行于所述第二直线。
53.通过采用上述技术方案，上述布局设计，结构更加紧凑合理，从而激光位移传感器54的体积更小。
54.本技术实施例一种激光位移传感器54的实施原理为：
55.通过第一光束在第一光电传感器5410上与第二光束在第二光电传感器5411上的光强值差，可判断被测表面是否在微动聚焦透镜5402的焦点上，上述差值为0，则在焦点上，上述差值不为0，则不在焦点上。
56.线圈及磁铁组合形成音圈电机5403，通过给线圈电流，可使微动聚焦透镜5402直线移动。
57.通过音圈电机5403，将微动聚焦透镜5402往在被测表面形成的焦点方向移动，此时判断第一光束在第一光电传感器5410上与第二光束在第二光电传感器5411上的光强值差，上述差值为0时停止音圈电机5403的驱动动作，此时微动聚焦透镜5402与被测物体表面的距离为微动聚焦透镜5402的焦距，即被测物体表面在微动聚焦透镜5402的焦点上。
58.通过测量音圈电机5403移动的距离，可计算出激光位移传感器54与被测表面的实际距离。
59.申请的激光位移传感器54具有自动调焦功能，不易导致测量结果不精准，其测量精度可以达到
±
0.1mm，甚至可以达到
±
0.01mm，适用于机器人上以作精密测位置使用。
60.本技术实施例还公开一种机械臂姿态传感单元500。参照图1和图2，机械臂姿态传感单元500安装于机器人机械臂200上且包括外盒51，所述外盒51内设置有用于感知机械臂200xyr方向位移的平面视觉相机52，所述平面视觉相机52从所述外盒51的一个侧面露出，所述外盒51的其他三个侧面分别设置有安装部53，每一个所述安装部53上均安装有一个用于感知机械臂200z方向位移的、如上述的激光位移传感器54，三个所述激光位移传感器54呈三角形布置。
61.通过采用上述技术方案，平面视觉相机52可以感知机械臂200xyr方向位移，激光位移传感器54可以感知机械臂200z方向位移，三个激光位移传感器54所采集到的三个点位的移位数据，用于计算出机械臂200的wpr方向位移，即机械臂200的姿态数据，精度更高，而且结构简单制作方便，成本较低、集成难度小。
62.所述平面视觉相机52位于所述外盒51的正中间，其中两个所述激光位移传感器54位于所述平面视觉相机52的两侧且对称布置，上述对称式设计，更有利于感知位移变化。
63.其中两个所述激光位移传感器54、所述平面视觉相机52位于第四直线上，剩下一个所述激光位移传感器54、所述平面视觉相机52位于第五直线上，所述第四直线和所述第五直线垂直，在对称式设计的基础上，整个传感单元的重心更靠近中心，结构更稳固，更有利于感知位移。
64.所述安装部53固定于所述外盒51，所述激光位移传感器54与所述安装部53远离所述外盒51的端部可拆卸装配，方便更换新的激光位移传感器54，维护维修更简单。
65.激光位移传感器54与安装部53之间通过多个螺钉55相装配，螺钉55的装配方式，不仅牢固，不易松动，而且拆卸再组装也很方便。
66.安装部53远离外盒51的端部设置有容纳螺钉55帽部的沉槽531，沉槽531具有隐藏螺钉55帽部的效果，进而有效避免螺钉55帽部凸出。
67.外盒51为长方体结构，安装部53为板状结构，安装部53垂直好焊接于外盒51与其最临近的侧面，具有结构更加稳定、安装更方便的优点。
68.本技术实施例还公开一种复合机器人。参照图2和图3，复合机器人包括移动式底座单元100，所述移动式底座单元100上安装有机械臂200，所述机械臂200远离所述移动式底座单元100的端部设置有安装板300和取放单元400，所述安装板300远离所述机械臂200的一端设置有如上述的机械臂姿态传感单元500。
69.取放单元400为夹爪结构，夹爪结构可以为市场上常见的气动手指，以用于夹取零部件。可以理解地，在其他实施例中，取放单元400还可为电磁式结构或夹爪结构，电磁式结构可以为一个金属盒体，盒体内部安装有一个或者多个电磁铁，电磁铁通电工作时，可以吸附固定铁磁性零部件，电磁铁断电时，可以将铁磁性零部件放下；或者取放单元400还可以为吸盘式结构。
70.通过采用上述技术方案，移动式底座单元100可以带动高精度复合机器人移动切换位置，取放单元400可以用来取料、放料，安装板300则为机械臂姿态传感单元500提供了稳定的安装位置，通过机械臂姿态传感单元500可以精准感知所述机械臂200xyr方向位移和wpr方向位移，从而具有抓取精度较高、成本低、集成难度小的优点。
71.所述移动式底座单元100包括移动底座11、集成控制箱12和载物平台13，所述集成控制箱12安装于所述移动底座11上，所述载物平台13安装于所述集成控制箱12上，所述机械臂200安装于所述载物平台13上，上述设计的移动式底座单元100，结构简单且稳定，操控非常方便。
72.所述集成控制箱12的一侧面设置有交互显示屏14，所述集成控制箱12的部分其他侧面设置有散热孔，交互显示屏14的设计，有利于工作人员快速获取信息，而且散热孔有利于集成控制箱12内部的电子元器件快速散热。
73.所述机械臂200为六轴机械臂，六轴机械臂具有协作能力强的优势，而且技术成熟，运行稳定。
74.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。