技术领域
[0001] 本
申请涉及一种七自由度机器人，属于
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 轨道车辆
转向架是列车安全运行的关键系统，是车辆检查的重点。为提高工作效率，利用机器人自动进行
图像采集代替人工实现自动检测是未来的一种趋势。虽然目前
工业机器人已广泛应用于
汽车及汽车制造业、
机械加工行业及
电子电气行业等领域。在工业生产中，
焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。然而，工业机器人大多体积庞大，结构复杂，自由度偏少不够灵活，缺少自动避障功能等特点，面对结构复杂和空间狭窄的转向架系统，此类机器人始终满足不了使用要求。
[0003] 目前绝大多数工业机器人工作路径均需要提前规划，少许机器人自带限界范围超出报警功能，但是无法做到自动避障功能，即使少量的服务型机器人设计有利用
超声波或激光测距
传感器技术的避障功能，但受限于结构形式和技术原理，无法达到转向架检测所需的满足狭窄空间和复杂结构内采集图像的工况需求。
发明内容
[0004] 本申请提出了一种七自由度机器人，可用于轨道车辆转向架的检修使用，本申请的技术方案为：
[0005] 一种七自由度机器人，包括
机械臂和
探头，其中：
[0006] 机械臂的本体结构包括
基座、腰柱、大臂、小臂、第一腕部、第二腕部、第三腕部和第四腕部；所述腰柱通过第一关节与所述基座相连，大臂通过第二关节与所述腰柱相连，小臂通过第三关节与所述大臂相连，第一腕部通过第四关节与所述小臂相连，第二腕部通过第五关节与所述第一腕部相连，第三腕部通过第六关节与所述第二腕部相连，第四腕部通过第七关节与所述第三腕部相连，所述第四腕部上设置有探头；
[0007] 所述关节可绕其对应的旋转平面H进行旋转，第一关节对应第一旋转平面H1，第二关节对应第二旋转平面H2，第三关节对应第三旋转平面H3，第四关节对应第四旋转平面H4，第五关节对应第五旋转平面H5，第六关节对应第六旋转平面H6，第七关节对应第七旋转平面H7。
[0008] 作为一种优选的实施方式，各个关节的轴线垂直于其对应的旋转平面。
[0009] 作为一种优选的实施方式，所述第一关节、第四关节、第五关节和第六关节为旋转关节，可整周旋转；所述第二关节、第三关节和第七关节为摆动关节，可摆动一定
角度，不可整周转动。
[0010] 作为一种优选的实施方式，所述第五关节111的第五旋转平面H5与所述第四关节109的第四旋转平面H4呈45°-75°的夹角，尤其优选其夹角为60°。
[0011] 作为一种优选的实施方式，所述第五关节111的第五旋转平面H5与所述第六关节113的第六旋转平面H6呈45°-75°的夹角，尤其优选其夹角为60°。
[0012] 作为一种优选的实施方式，所述第一旋转平面H1垂直于第二旋转平面H2；所述第二旋转平面H2平行于所述第三旋转平面H3，且优选二者重合；所述第四旋转平面H4平行于第六旋转平面H6，且分别垂直于第一旋转平面H1和第三旋转平面H3；所述第六旋转平面H6垂直于所述第七旋转平面H7，且垂直于第一旋转平面H1。
[0013] 作为一种优选的实施方式，将基座看作机械臂的起始端，第四腕部看作机械臂的末端，机械臂由起始端至末端，各个本体构件的直径不超过90mm，且越靠近末端，其直径越小。
[0014] 作为一种优选的实施方式，所述基座与腰柱的长度总和与大臂的长度之比大致为2:1，大臂与小臂的长度之比大致为2:1，小臂与第三腕部、第四腕部的长度之比大致为5:2:
2。优选第一腕部和第二腕部为过渡腕部，其形状为弯头形。
[0015] 作为一种优选的实施方式，所述各个本体构件采用中空管状结构，通过在管内设置排线，为整个机器人提供电源和
信号传输线路。
[0016] 作为一种优选的实施方式，每个关节被其对应的旋转平面H分为靠近所述机械臂起始端的第一端和靠近机械臂末端的第二端；所述第一端内设置有第一结构件，
电机设置在所述第一结构件上，所述电机具有D型轴，其中D型轴的第一端连接
编码器的
转子，编码器的
定子与第一结构件相连；所述编码器通过电机的转动来检测关节的旋转角度；所述第二端内设置有第二结构件，D型轴的第二端连接至所述第二结构件并驱动第二结构件沿旋转平面H旋转，第二结构件上设置有控制单元，可控制电机的运行和编码器的工作；各个控制单元均直接或者间接与主控单元相连，由主控单元控制各个控制单元。所述第一结构件和第二结构件之间通过滑环实现电源与
信号传输。
[0017] 作为一种优选地实施方式，所述第一结构件外周设置有第一连接环，所述第二结构件外周设置有第二连接环；所述连接环与其相应的结构件之间固定连接；上一个本体构件通过第一连接环连接在关节的第一端，下一个本体构件通过第二连接环连接在关节的第二端。
[0018] 作为一种优选地实施方式，所述第一连接环和第二连接环的相接处的外周设置有环形扣件，所述环形扣件固定在第一连接环或者第二连接环上。
[0019] 探头的第一端具有过渡接头，所述过渡接头与第四腕部相连；所述探头内设置有相机，镜头安装在相机上靠近探头第二端的一侧；所述探头还包括环形
光源，光源位于相机和镜头的外周，为相机提供光亮，相机和光源均直接或间接连接至主控单元，通过主控单元控制相机的图像采集和光源的
亮度，以及图像的传递、分析和处理。
[0020] 作为一种优选的实施方式，所述镜头的前端表面与光源的前端表面相齐平。
[0021] 作为一种优选的实施方式，所述探头还具有
外壳，相机和光源固定安装在外壳的内表面；所述外壳靠近探头第二端的一侧，沿着圆周方向均匀排布有多个第一测距传感器，所述外壳的外表面沿着圆周方向均匀排布有多个第二测距传感器。所述各第一测距传感器的各检测面阵相互重叠，用于形成
覆盖相机视觉范围的圆形区域，从而检测前方障碍物的距离信息，从而确定障碍物相对探头的空间
位置；主控单元通过第二测距传感器输出的模拟量信号大小，确定探头四周障碍物距离，然后根据四周距离的大小确定机器人末端所处空间大小和空间位置，为主控单元重新规划运动路径提供空间位置信息。
[0022] 作为一种优选的实施方式，第一测距传感器和第二测距传感器数量相等且交错排列。
[0023] 作为一种优选的实施方式，所述测距传感器为激光测距传感器，直径不大于5mm，为微型激光测距传感器，通过飞行计
算法计算障碍物与测距传感器之间的距离。
[0024] 与
现有技术相比，本申请的有益效果为：
[0025] (1)相比较广泛应用的工业多自由度机器人，本申请主要是针对空间狭窄、结构复杂设计的专用机器人，具备尺寸纤细、
关节角度灵活的特点，有利于伸入到类似于轨道车辆转向架等复杂空间内采集各死角图像。
[0026] (2)本申请具备高度集成的避障模
块和图像采集模块，既能实现机器人在狭窄空间内的避障功能，又能同时利用其图像采集模块实现被测物体的图像采集工作，同时该集成模块的紧凑设计方式，为机器人伸入到狭窄空间创造了
基础。
[0027] (3)本申请是采用集成
机器视觉和测距于一体的技术，利用机器视觉技术中的图像算法提取物体平面信息，利用激光测距技术获取物体的深度信息，从而大大的提高了避障精确率。
[0028] (4)本申请不仅能满足轨道车辆转向架的检测，同时也能应用于类似复杂结构和狭窄空间检查巡视作业领域，例如航空、安防、坍塌
建筑物救援等。
附图说明
[0029] 图1是七自由度机器人的前视立体示意图；
[0030] 图2是七自由度机器人的后视立体示意图；
[0031] 图3是关节的截面图；
[0032] 图4是探头的示意图；
[0033] 图5是探头的剖视图；
[0034] 图6是避障原理图；
[0035] 图7是七自由度机器人应用的立体示意图；
[0036] 图8是七自由度机器人应用的侧视图；
[0037] 图中编号：1机械臂，101基座，102腰柱，103第一关节，104大臂，105第二关节，106小臂，107第三关节，108第一腕部，109第四关节，110第二腕部，111第五关节，112第三腕部，113第六关节，114第四腕部，115第七关节；116关节第一端，117关节第二端，118第一结构件，119电机，120D型轴，1201D型轴第一端，1202D型轴第二端，121编码器，1211编码器转子，
1212编码器定子，122第二结构件，123控制单元，124第一排线，125第二排线，126第一连接环，127第二连接环，128扣件；
[0038] H旋转平面，H1第一旋转平面，H2第二旋转平面，H3第三旋转平面，H4第四旋转平面，H5第五旋转平面，H6第六旋转平面，H7第七旋转平面；
[0039] 2探头，201过渡接头，202相机，203镜头，204光源，205外壳，206第一测距传感器，207第二测距传感器，208视觉范围，209障碍物，210转向架，211车厢
底板。
具体实施方式
[0040] 以下结合具体实施方式对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
[0041] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“内侧”或“外周”都是相对于图中的方向，而非对其位置的绝对限制。所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种
变形和改进，均应落入本申请
权利要求书确定的保护范围内。
[0042] 如图1和图2所示，本申请的一种实施方式提供了一种七自由度机器人，所述七自由度机器人包括机械臂1和探头2；其中，
[0043] 所述机械臂1具有基座101，腰柱102通过第一关节103与所述基座101相连，大臂104通过第二关节105与所述腰柱102相连，小臂106通过第三关节107与所述大臂104相连，第一腕部108通过第四关节109与所述小臂106相连，第二腕部110通过第五关节111与所述第一腕部108相连，第三腕部112通过第六关节113与所述第二腕部110相连，第四腕部114通过第七关节115与所述第三腕部112相连，所述第四腕部114上设置有探头2；其中，基座101、腰柱102、大臂104、小臂106、第一腕部108、第二腕部110、第三腕部112和第四腕部114为机械臂1的本体构件。基座1的底部可以通过安装板等结构安装在其他运载设备上。
[0044] 各个关节可以绕其对应的旋转平面H进行旋转，具体地，所述第一关节103对应的旋转平面为第一旋转平面H1，第二关节105对应的旋转平面为第二旋转平面H2，……，以此类推，第七关节115对应的旋转平面为第七旋转平面H7；各个关节的轴线垂直于其相应的旋转平面。
[0045] 作为一种优选的实施方式，所述第一关节103、第四关节109、第五关节111和第六关节113为旋转关节，可整周旋转；所述第二关节105、第三关节107和第七关节115为摆动关节，可摆动一定角度，但由于本体构件间的相互位置影响，不可整周转动。部分关节可整周旋转多圈，部分关节可以进行摆动，有利于多区域大面积的检测时的机械臂的位置调整。
[0046] 作为一种优选的实施方式，所述第五关节111的第五旋转平面H5与所述第四关节109的第四旋转平面H4呈45°-75°的夹角，例如可以为50°、55°、60°、65°、70°等角度，尤其优选其夹角为60°。
[0047] 所述第五关节111的第五旋转平面H5与所述第六关节113的第六旋转平面H6呈45°-75°的夹角，例如可以为50°、55°、60°、65°、70°等角度，尤其优选其夹角为60°。
[0048] 作为一种优选的实施方式，所述第一旋转平面H1垂直于第二旋转平面H2；所述第二旋转平面H2平行于所述第三旋转平面H3，且优选二者重合；所述第四旋转平面H4平行于第六旋转平面H6，且分别垂直于第一旋转平面H1和第三旋转平面H3；所述第六旋转平面H6垂直于所述第七旋转平面H7，且垂直于第一旋转平面H1。
[0049] 相对于大臂104和小臂106之间的距离，各个腕部之间的距离更小，趋于紧凑。
[0050] 机器人多个关节的旋转平面平行或垂直，便于关节空间坐标位置的求解，便于收缩折叠后缩小空间尺寸，并且有两个腕关节旋转平面基本成60度角，用于绕过障碍物增大
检测区域；通过上述的角度和旋转面的位置关系的设置，还可以使得腕部之间的相互影响降低，从而使得机械臂及其相关的关节可以无障碍地旋转。
[0051] 将基座101看作机械臂1的起始端，第四腕部114看作机械臂1的末端，机械臂1由起始端至末端，优选其各个本体构件的直径不超过90mm，且越靠近末端，其直径越小；同样地，这些本体构件对应的关节的结构尺寸也呈递减趋势；从而使得机器人整体结构细长而紧凑，有利于狭窄空间中机器人末端绕开障碍物或增大机器人末端覆盖范围。
[0052] 作为一种优选的实施方式，所述基座101与腰柱102的长度总和与大臂104的长度之比为2:1，大臂104与小臂106的长度之比为2:1，小臂106与第三腕部112、第四腕部114的长度之比为5:2:2。优选第一腕部108和第二腕部110为过渡腕部，其形状为弯头形。机械臂的各本体构件具有一定的长度比例，外形细长，运动灵活，适合狭窄空间使用。
[0053] 作为一种优选的实施方式，所述各个本体构件采用中空管状结构，通过在管内设置排线，为整个机器人提供电源和信号传输线路。优选所述中空管状结构采用轻质而韧性强的
复合材料或者
碳纤维材料制备。
[0054] 各个关节的结构都是相同或相似的，尺寸略有差异，因此以其中一个关节为例来说明各个关节的结构；参考图3，每个关节被其对应的旋转平面H分为靠近所述机械臂起始端的第一端116和靠近机械臂末端的第二端117。优选第一端116和第二端117的尺寸大致相等，外表面结构大致对称；从而使得关节不会过分凸出，避免影响本体构件的转动。
[0055] 所述第一端116内设置有第一结构件118，电机119设置在所述第一结构件118上，所述电机119具有D型轴120，其中D型轴的第一端1201连接编码器121的转子1211，编码器121的定子1212与第一结构件118相连；所述编码器121通过电机118的转动来检测关节的旋转角度。
[0056] 所述第二端117内设置有第二结构件122，D型轴120的第二端1202连接至所述第二结构件122并驱动第二结构件122沿旋转平面H旋转，第二结构件122上设置有控制单元123，可控制电机118的运行和编码器121的工作，所述控制单元123可以是CPU等类型的处理器。各个关节的控制单元均直接或者间接地与主控单元(图中未示出)相连，由主控单元控制各个控制单元，从而实现对整个机械臂1的控制。所述主控单元可以选择PC机或者工控机。
[0057] 各个关节的电源和信号传输路线可以通过设置排线来得以实现；例如，如图3所示，关节的第一端116设置有第一排线124，连接至上一关节，为本关节提供电源和信号传输线路；所述关节的第二端117设置有第二排线125，连接至下一关节，为下一关节提供电源和信号传输线路；其中，第一关节103中的第一排线124连接至主控单元，为电源和信号传输线路的起始端，第七关节115中的第二排线125连接至探头2，为探头2中的部件提供电源和信号传输线路；或者第七关节115中不设置第二排线125，此时探头2内的部件直接或者间接与主控单元相连。上述仅列举出了
串联排布排线的一种方式，但本申请并不限于此，也可以采用并联或者串并联结合等方式实现各个关节中电源和信号的传输。
[0058] 作为一种优选的实施方式，当采用串联方式排线时，所述第一排线124连接至第一结构件118，所述第一结构件118和第二结构件122之间通过滑环实现电源与信号传输，控制单元123连接第二排线125。即来自第一排线124的电源和信号可以依次通过第一结构件118，第二结构件122到达控制单元123，通过控制单元123对关节的运动进行控制。
[0059] 主控单元和控制单元123对关节中部件进行控制的方法或者模式属于机电控制方式，均为常规的模块控制方式；由于本申请主要关注的是机器人的机械关系设置，因此对于模块控制方式则不再赘述。
[0060] 本申请中，每个关节均有单独电机分别驱动，将驱动用电机与编码器集成设计在机械臂的关节中，使得整个机械臂具有紧凑而轻的设计，减小了驱动机构占用的体积；使得本申请可以很好地使用在狭小的空间中。
[0061] 作为一种优选的实施方式，所述第一结构件118外周设置有第一连接环126，所述第二结构件122外周设置有第二连接环127；所述连接环与其相应的结构件之间固定连接，如采用螺钉等连接方式。上一个本体构件通过第一连接环126连接在关节的第一端116，下一个本体构件通过第二连接环127连接在关节的第二端117；即也可以看作关节的第一端116位于上一个本体构件的末端，关节的第二端117位于与上一个本体构件相邻的下一个本体构件的起始端。例如对于第三关节107而言，其第一端116位于大臂104的末端内，其第二端117位于小臂106的起始端内。
[0062] 作为一种优选的实施方式，所述第一连接环126和第二连接环127的相接处的外周设置有环形扣件128，所述环形扣件128固定在第一连接环126或者第二连接环127上，主要用于防尘。
[0063] 如图4和图5所示，探头2的第一端具有过渡接头201，所述过渡接头201与第四腕部114相连；所述探头2内设置有相机202，镜头203安装在相机201上靠近探头第二端的一侧；
所述探头2还包括环形光源204，光源204位于相机202和镜头203的外周，为相机202提供光亮，相机202和光源204均直接或间接连接至主控单元，通过主控单元的控制使得相机202可通过被采集对象的明暗程度
自动调节光源亮度和曝光程度，采集待检区域的高清图像，将图像传出给主控单元，用以后期
图像处理故障识别或人工检查。主控单元对于相机202和光源204的控制方式及其采用的控
制模块均属于比较成熟的现有技术，本处不再赘述。相机
202、镜头203和光源204构成探头2的图像采集装置。
[0064] 作为一种优选的实施方式，所述镜头203的前端表面与光源204的前端表面相齐平。
[0065] 所述探头2还具有外壳205，相机202和光源204可以固定安装在外壳205的内表面。所述外壳205靠近探头第二端的一侧，沿着圆周方向均匀排布有多个第一测距传感器206，所述外壳205的外表面沿着圆周方向均匀排布有多个第二测距传感器207。优选第一测距传感器206和第二测距传感器207数量相等且交错排列。如图4举例了第一测距传感器206和第二测距传感器207分别为6个的情况，第一测距传感器206和第二测距传感器207沿着圆周方向相互交错排列。
[0066] 作为一种优选的实施方式，所述测距传感器206,207为激光测距传感器，直径不大于5mm，为微型激光测距传感器，其可以通过飞行计算法计算障碍物与测距传感器之间的距离。所述各第一测距传感器206的各检测面阵相互重叠，用于形成覆盖相机202视觉范围208的圆形区域，从而检测正前方障碍物209的距离信息。具体地，所述相机202确定其视觉范围208内的前端障碍物209的平面位置信息，第一测距传感器206测量障碍物209的距离信息，通过此种方式确定障碍物209相对探头2的空间位置，然后主控单元重新规划运动路径，控制七自由度机器人绕开障碍物209将探头2
送达预定的
数据采集位置。
[0067] 主控单元可以通过第二测距传感器207输出的模拟量信号大小，确定探头2四周障碍物距离，然后根据四周距离的大小确定机器人末端所处空间大小和空间位置，为主控单元重新规划运动路径提供空间位置信息。
[0068] 相机202和第一测距传感器206之间的相互工作模式，以及第二测距传感器207的工作模式都是可以通过主控单元或者通过探头2自身设置单独的控制单元得以实现的，其控制模式或者
控制模块也都是可以采用比较成熟的现有控制技术得以实现，此处不再赘述。
[0069] 机器人安装有微型激光测距传感器，并与图像采集装置高度集成在一起。第一测距传感器206结合图像采集装置视觉
定位障碍物形状及位置信息，第二测距传感器207定位机器人末端所处环境的空间位置信息，并依此
修改机器人运行轨迹实现避障；通过上述设置使得本机器人可以同时实现图像采集和避障的功能。
[0070] 图7和图8为本申请七自由度机器人在转向架210检测中应用的示意图。机器人按照预定的轨迹规划进入转向架210和车厢底板211之间的狭窄空间，将探头2送达预定位置采集图像等数据。因每个转向架210的管路空间位置不完全相同，并且会出现不可预见的障碍物，因此本申请的七自由度机器人设计有测距传感器装置，可以通过对障碍物的定位实现避障功能，从而同时实现图像采集和避障功能。
