机器人结构单元、机器人及机器人构建方法 |
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| 申请号 | CN201610786982.0 | 申请日 | 2016-08-31 | 公开(公告)号 | CN107199557A | 公开(公告)日 | 2017-09-26 |
| 申请人 | 工心(上海)科技有限公司; | 发明人 | 徐晓东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的目的在于提供一种 机器人 结构单元、机器人及机器人构建方法。机器人结构单元，包括第一关节 电机 、第二关节电机和结构臂，结构臂包括结构臂主体、第一接头和第二接头，结构臂主体可以方便地从第一接头和第二接头之间拆下，第一关节电机和第二关节电机也可以方便地分别从第一接头和第二接头上拆下，因此可以对结构臂主体、第一接头和第二接头进行任意更换，以满足不同的工况对机器人性能的不同要求，提高了机器人的柔性。机器人构建方法，用于对机器人的本体结构进行构建，在构建过程中，可以根据工况要求随时改变结构臂主体的长度及第一接头和第二接头的形式，使得机器人的柔性得以体现。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机器人结构单元，其特征在于，包括第一关节电机(101a、201a)、第二关节电机(101b、201b)和结构臂；所述结构臂包括结构臂主体(102、202)、第一接头(103、203)和第二接头(104、204)，所述结构臂主体(102、202)包括第一端(102a、202a)和第二端(102b、 |
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| 说明书全文 | 机器人结构单元、机器人及机器人构建方法技术领域背景技术[0002] 传统的协作机器人，如机械臂，其本体结构较为固定，不可调整。例如，机械臂的关节与关节之间设置有起连接作用的结构臂，该结构臂通常采用一体成型制造，即结构臂的两端用于与电机连接的部分与结构臂是一体的，无法拆卸。这导致了机器人缺乏柔性，即无法对简单易行地对自身进行改造，以适应多种工作环境。 [0003] 例如，在工厂自动化生产线领域，产品越来越呈现出“多品种中小批量”趋势，甚至需要根据客户需求进行产品定制。这就要求生产线特别是机器人设备，能够根据生产工况进行适当地调整和改造，比如调整机器人结构臂的长度、调整机器人的构型或者增减机器人的自由度。具备“柔性”的机器人系统，可以灵活地满足上述需要，大大降低生产线的改造成本，提高生产用户的经济效益。 [0004] 因此，本领域需要一种能够及时并且简单地调整结构臂长度并且具有较大柔性的机器人。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种机器人结构单元，其构造简单且具有更好的系统柔性，功能可扩展性和工作任务的适应性。 [0006] 本发明的目的在于提供一种机器人，包括机器人结构单元，易于调整及拼装。 [0007] 本发明的目的还在于提供一种机器人构建方法，用于简单方便地实现机器人的组态过程。 [0008] 为实现所述目的的机器人结构单元，包括第一关节电机、第二关节电机和结构臂；所述结构臂包括结构臂主体、第一接头和第二接头，所述结构臂主体包括第一 端和第二端； [0009] 所述第一接头包括第一电机连接面和第一主体连接面，所述第一主体连接面与所述结构臂主体的所述第一端可拆卸地连接，所述第一电机连接面与所述第一关节电机可拆卸地连接； [0010] 所述第二接头包括第二电机连接面和第二主体连接面，所述第二主体连接面与所述结构臂主体的所述第二端可拆卸地连接，所述第二电机连接面与所述第二关节电机可拆卸地连接。 [0011] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述第一关节电机的中轴线平行于所述第二关节电机的中轴线。 [0012] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述第一电机连接面垂直于所述第一主体连接面，并且所述第二电机连接面垂直于所述第二主体连接面，所述第一主体连接面平行于所述第二主体连接面。 [0013] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述第一关节电机的中轴线垂直于所述第二关节电机的中轴线。 [0014] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述第一电机连接面平行于所述第一主体连接面，并且所述第二电机连接面垂直于所述第二主体连接面，所述第一主体连接面平行于所述第二主体连接面。 [0015] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述第一接头与结构臂主体之间设置有第一连接件，所述第一连接件的一侧与所述第一接头可拆卸地连接，所述第一连接件的另一侧与所述结构臂主体可拆卸地连接； [0016] 所述第二接头与结构臂主体之间设置有第二连接件，所述第二连接件的一侧与所述第二接头可拆卸地连接，所述第二连接件的另一侧与所述结构臂主体可拆卸地连接。 [0017] 所述的机器人结构单元，其进一步的特点是，所述结构臂主体为具有凹槽的型材件，所述第一连接件和所述第二连接件的一侧均卡合在所述凹槽中，所述第一连接件和所述第二连接件的另一侧均设置有螺纹孔，所述螺纹孔用于与所述第一接头和所述第二接头连接。 [0018] 为实现所述目的的机器人，包括一个或者多个如上所述的机器人结构单元。 [0020] 为实现所述目的的机器人构建方法，包括： [0021] a.根据工况要求确定机器人需要的机器人结构单元的数量和形式； [0022] b.组合所述机器人结构单元并形成机器人的本体结构；根据所述机器人的本体结构确定机器人的特征参数； [0024] d.根据所述特征参数调节并测试所述机器人的本体结构的性能； [0025] e.判断所述机器人的本体结构是否满足使用需求；若所述机器人的本体结构满足使用需求，则组态过程结束；若所述机器人的本体结构不满足使用需求，则改变所述机器人结构单元并获得新的特征参数，将新的特征参数输入到所述组态设备的所述组态软件中，重新进行组态过程，直到机器人的本体结构满足使用需求。 [0026] 所述的机器人构建方法，其进一步的特点是，改变所述机器人结构单元的步骤包括将结构臂主体从机器人结构单元上拆下，并更换尺寸合适的结构臂主体。 [0027] 本发明的积极进步效果在于：本发明公开的机器人，包括第一关节电机、第二关节电机和结构臂，结构臂包括结构臂主体、第一接头和第二接头，结构臂主体可以方便地从第一接头和第二接头之间拆下，第一关节电机和第二关节电机也可以方便地分别从第一接头和第二接头上拆下，因此可以对结构臂主体、第一接头和第二接头进行任意更换，以满足不同的工况对机器人性能的不同要求，提高了机器人的柔性。本发明公开的机器人构建方法，用于对机器人的本体结构进行构建，在构建过程中，可以根据工况要求随时改变结构臂主体的长度及第一接头和第二接头的形式，使得机器人的柔性得以体现。附图说明 [0028] 本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中： [0029] 图1为本发明一个实施例中结构臂的分解示意图； [0030] 图2为本发明另一个实施例中结构臂的分解示意图； [0031] 图3为本发明一个实施例中垂直六关节机器人的示意图； [0032] 图4为本发明一个实施例中垂直六关节机器人的分解示意图； [0033] 图5为本发明一个实施例中SCARA机器人的示意图； [0034] 图6为本发明一个实施例中AGV机器人的示意图； [0035] 图7为本发明机器人构建方法的流程图； [0036] 图8为机器人类型选择界面示意图； [0037] 图9为组态软件中垂直六关节机器人特征参数输入界面示意图； [0038] 图10为组态软件中SCARA机器人特征参数输入界面示意图； [0039] 图11为组态软件中Delta机器人特征参数输入界面示意图； [0040] 图12为组态软件中三轮式AGV机器人特征参数输入界面示意图； [0041] 图13为组态软件中四轮式AGV机器人特征参数输入界面示意图； [0042] 图14为组态软件中麦克纳姆式AGV机器人特征参数输入界面示意图。 具体实施方式[0043] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。 [0044] 需要注意的是，图1至图14均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。 [0045] 如图1至图4所示，机器人结构单元包括第一关节电机101a、201a、第二关节电机101b、201b和结构臂；结构臂包括结构臂主体102、202、第一接头103、203和第二接头104、 204，结构臂主体102、202包括第一端102a、202a和第二端102b、202b； [0046] 第一接头103、203包括第一电机连接面1031、2031和第一主体连接面1032、2032，第一主体连接面1032、2032与结构臂主体102、202的第一端102a、202a可拆卸地连接，第一电机连接面1031、2031与第一关节电机103、203可拆卸地连接； [0047] 第二接头104、204包括第二电机连接面1041、2041和第二主体连接面1042、 2042，第二主体连接面1042、2042与结构臂主体102、202的第二端102b、202b可拆卸地连接，第二电机连接面1041、2041与第二关节电机101b、201b可拆卸地连接。 [0048] 结构臂可由金属材料制造，其中结构臂主体102、202优选为铝合金材料制作的型材件，方便获得不同长度的结构臂主体102、202。若需要获得更加轻量的结构臂，也可以采用碳纤维的材料来替换铝合金材料。结构臂主体102、202优选为直臂，在不同的工况要求下，结构臂主体102、202也可以是曲臂。 [0049] 本发明中可拆卸的连接方式(包括关节电机与接头之间的连接方式和接头与结构臂主体之间的连接方式)包括螺钉连接。第一接头103、203与结构臂主体102、202之间设置有第一连接件106、206，第一连接件106、206的一侧与第一接头103、203可拆卸地连接，第一连接件106、206的另一侧与结构臂主体102、202可拆卸地连接； [0050] 第二接头104、204与结构臂主体102、202之间设置有第二连接件109、209，第二连接件109、209的一侧与第二接头104、204可拆卸地连接，第二连接件109、209的另一侧与结构臂主体102、202可拆卸地连接。 [0051] 结构臂主体102、202为具有凹槽105、205的型材件，第一连接件106、206和第二连接件109、209的一侧均卡合在凹槽105、205中，第一连接件106、206和第二连接件109、209的另一侧均设置有螺纹孔，螺纹孔用于与第一接头103、203和第二接头104、204连接。当然，本发明的可拆卸的连接方式也包括螺纹连接，卡扣连接等其他易于拆卸的连接方式。 [0052] 结构臂主体102、202可以方便地从第一接头103、203和第二接头104、204之间拆下，同时第一关节电机103、203和第二关节电机101b、201b也可以方便地分别从第一接头103、203和第二接头103、203上拆下，因此可以对结构臂主体102、202、第一接头103、203和第二接头103、203进行任意更换，以满足不同的工况对机器人性能的不同要求，从而提高了机器人的柔性。 [0053] 分别参考图1、3和图2、4，图1、3和图2、4分别揭示了本发明实施例中结构臂的两种形式，即平行轴结构臂和垂直轴结构臂。如图1、3所示，平行轴结构臂两端所连接的第一关节电机101a和第二关节电机101b的中轴线是相互平行的，平行轴结构臂的作用是为了保证与其连接的两个传动马达的空间距离以及空间 平行度的要求。如图2、4所示，垂直轴结构臂两端所连接的第一关节电机101a和第二关节电机101b的中轴线是相互垂直的，垂直轴结构臂的作用是为了保证与其连接的两个传动马达的空间距离以及空间垂直度的要求。电机的中轴线是指电机转轴所在的直线。 [0054] 优选地，可以通过改变第一接头3和第二接头4的形式，即电机连接面和主体连接面之间的位置关系，来构成平行轴结构臂和垂直轴结构臂。 [0055] 继续参考图1，第一电机连接面1031垂直于第一主体连接面1032，并且第二电机连接面1041垂直于第二主体连接面1042，第一主体连接面1032平行于第二主体连接面1042。第一主体连接面1032由于附图角度的影响不易标识，故通过虚线的形式引出。第一电机连接面1031和第二电机连接面1041上开设有用于分别插入并且固定第一关节电机101a和第二关节电机101b的圆形孔108，第一主体连接面1032和第二主体连接面1042上开设有用于分别插入并且固定第一端102a和第二端102b的方形孔107。第一端102a和第二端102b插入方形孔107后，可用螺钉将接头固定在连接件上。 [0056] 继续参考图2，第一电机连接面2031平行于第一主体连接面2032，并且第二电机连接面2041垂直于第二主体连接面2042，第一主体连接面2032平行于第二主体连接面2042。第二主体连接面2032由于附图角度的影响不易标识，故通过虚线的形式引出。第一电机连接面2031上设置有连接法兰，连接法兰与第一关节电机201a连接。第二电机连接面2041上开设有用于插入并且固定第二关节电机201b的圆形孔208，第一主体连接面2032和第二主体连接面2042上开设有用于分别插入并且固定第一端202a和第二端202b的方形孔207。 [0057] 从图3和图4可以得知，本发明的机器人可以同时包括具有平行轴结构臂的机器人结构单元，以及具有垂直轴结构臂的机器人结构单元，结构臂的数量及长度可以根据机器人的工况来调节。 [0058] 图5和图6是本发明机器人的两个不同的实施例，图5是水平四自由度关节机器人SCARA，其采用了如图1、3所示的平行轴结构臂。图6是自动引导运输机器人AGV，其也采用了如图1、3所示的平行轴结构臂，并且采用了两个。 [0059] 本发明公开的机器人包括一个或者多个机器人结构单元，并且机器人结构单元可以配合底座301或者车轮601或者其他功能模块，形成不同形态且具有不同功 能的机器人，如SCARA机器人、AGV机器人、Delta机器人等等。 [0060] 图7是本发明机器人构建方法的流程图，机器人构建方法包括： [0061] a.根据工况要求确定机器人需要的机器人结构单元的数量和形式，机器人结构单元的形式包括结构臂主体102、202的长度； [0062] b.拼接机器人结构单元并形成机器人的本体结构；根据机器人的本体结构确定机器人的特征参数； [0063] c.将机器人的本体结构与机器人组态设备连接，运行组态软件，并在机器人类型选择界面上根据机器人的本体结构选择机器人的类型，将特征参数输入到相应的特征参数输入界面中； [0064] d.根据特征参数调节并测试机器人的本体结构的性能； [0065] e.判断机器人的本体结构是否满足使用需求；若机器人的本体结构满足使用需求，则组态过程结束；若机器人的本体结构不满足使用需求，则改变机器人结构单元并获得新的特征参数，将新的特征参数输入到组态设备的组态软件中，重新进行组态过程，直到机器人的本体结构满足使用需求。 [0066] 其中，改变机器人结构单元的步骤包括将结构臂主体102、202从机器人结构单元上拆下，并更换尺寸合适的结构臂主体102、202。 [0067] 步骤a包括三个子步骤a01、a02和a03。 [0068] a01为“组态开始”步骤，该步骤包括组态设备及组态软件的准备工作，比如确保组态软件能够在组态设备上稳定运行。 [0070] a03为“机器人本体结构设计”步骤，该步骤包括确定机器人结构单元的数量和形式，如关节电机数量，结构臂形式(平行轴结构臂、垂直轴结构臂、结构臂主体102、202的长度)，并且确保机器人的本体结构位于工作区域的范围内。 [0071] 步骤b包括两个子步骤b01、b02。 [0072] b01为“机器人本体结构构建”步骤，该步骤包括将第一关节电机101a、201a 和第二关节电机101b、201b分别与第一接头3和第二接头4连接，并将第一接头3和第二接头4分别与结构臂主体2的第一端2a和第二端2b连接，组成机器人结构单元，然后拼接机器人结构单元，组成机器人本体结构。 [0073] b02为“特征参数”的确定步骤，特征参数包括特征尺寸和质量特性。特征尺寸包括空间内第一关节电机101a、201a和第二关节电机101b、201b坐标系之间的距离；质量特性包括关节电机和结构臂的质量特性，如密度、质量、转动惯量等数据。 [0074] 步骤c包括两个子步骤c01、c02。 [0075] c01为“机器人类型选择”步骤，该步骤包括在如图8所示的机器人类型选择界面1001中选择相应的机器人类型，机器人类型主要包括：串联型机器人、并联型机器人、自定义机器人、自动引导车机器人AGV等，在机器人类型选择界面中，分别点击相应的按钮可以进入对应的下级界面，进行下一步组态。串联型机器人包括：通用垂直关节N自由度机器人N可以是任意自然数，专用构型机器人，例如：SCARA机器人等。并联机器人中包含：Delta型机器人等。在自定义型机器人中，用户可以根据实际工况自由设定机器人的构型，可以是串联或者并联的混合。自动引导车AGV机器人包括：两轮驱动型AGV和四轮驱动型AGV。 [0076] c02为“特征参数输入”步骤，该步骤包括在如图9至图14所示的特征参数输入界面中，输入特征参数。 [0077] 图9为垂直六关节机器人特征参数输入界面示意图，如图9所示，默认机器人基坐标系与关节第1轴坐标系重合，在图示姿态下，第1轴坐标系与第2轴坐标系Z向距离为1101，X向距离为1102,第2轴与第3轴坐标系的X向距离为1103,第2轴与第3轴坐标系Y向距离为1104，第3轴与第4轴坐标系的X向距离为1105，第4轴与第5轴坐标系的Z向距离为1106，第5轴与第6轴坐标系的Z向距离为1107，第6轴与工具坐标系距离为1108，将上述各参数填写到图11右侧所示的输入框内。 [0078] 图10为SCARA机器人特征参数输入界面示意图，如图10所示，默认机器人基坐标系与关节第1轴坐标系重合，在图示姿态下，第1轴旋转坐标系与第2轴旋转坐标系X向距离为1201，第2轴旋转坐标系与第4轴旋转坐标系X向距离为1202，第4轴旋转坐标系与工件坐标系X向距离为1203，工件坐标系与第1 轴旋转坐标系的Z向距离为1204。将上述各参数填写到图11右侧所示的输入框内。 [0079] 图11为Delta机器人特征参数输入界面示意图，如图11所示，上部大圆半径为1301,主动臂长度为1303,从动臂长度为1304,下部小圆半径为1302。将上述各参数填写到附图13右侧所示的输入框内。 [0080] 图12为三轮式AGV机器人特征参数输入界面示意图，如图12所示，两驱动轮中心Y向距离为1401，驱动轮宽度为1402，驱动轮与从动轮X向距离为1403，轮子直径为1404，将上述各参数填写到如图12右侧所示的输入框内。 [0081] 图13为四轮式AGV机器人特征参数输入界面示意图，如图13所示，两驱动轮中心Y向距离为1501，驱动轮宽度为1502，两驱动轮与两从动轮X向距离为1503，轮子直径为1504，将上述各参数填写到附图13所示的1-4指定的输入框内。 [0082] 图14为麦克纳姆式AGV机器人特征参数输入界面示意图，如图14所示，驱动轮中心Y向距离为1601，驱动轮宽度为1602，驱动轮中心X向距离为1603，轮子直径为1604，将上述各参数填写到附图14右侧所示的输入框内。 [0083] 步骤d包括四个子步骤d01、d02、d03、d04。 [0085] d02为“机器人路径规划试运行”步骤，该步骤包括运行机器人完成相应的运动动作，检查其是否正确，并设置机器人的参考基准位置和行程范围保护。 [0087] d04为“机器人功能性能测试与测量”步骤，该步骤包括按照工况要求对机器人进行全面的检测，以验证其是否能够满足使用要求。 [0088] 步骤e包括两个子步骤e01、e02。 [0089] e01为“测试结果判断”步骤，该步骤包括判断机器人是否满足要求，若满足则发送组态结束指令，若不满足，则返回到c02步，检查并确认特征参数，并重 新开始组态过程。 [0090] e02为“组态结束”步骤，该步骤包括接收组态结束指令，结束机器人组态过程。 [0091] 本发明的积极进步效果在于：本发明公开的机器人，包括第一关节电机、第二关节电机和结构臂，结构臂包括结构臂主体、第一接头和第二接头，结构臂主体可以方便地从第一接头和第二接头之间拆下，第一关节电机和第二关节电机也可以方便地分别从第一接头和第二接头上拆下，因此可以对结构臂主体、第一接头和第二接头进行任意更换，以满足不同的工况对机器人性能的不同要求，提高了机器人的柔性。本发明公开的机器人构建方法，用于对机器人的本体结构进行构建，在构建过程中，可以根据工况要求随时改变结构臂主体的长度及第一接头和第二接头的形式，使得机器人能够适应不同的工况，体现出机器人的柔性。 |
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