七自由度机器人制造技术

本申请涉及一种七自由度机器人，属于机器人技术领域包括机械臂和探头，其中：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；它们之间通过关节依次相连，所述关节可绕其对应的旋转平面H进行旋转。本申请提供的七自由度机器人，可用于轨道车辆转向架等狭窄范围内的机械的检修使用。

【技术实现步骤摘要】
七自由度机器人
本申请涉及一种七自由度机器人，属于机器人

技术介绍
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。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。
技术实现思路
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：一种七自由度机器人，包括机械臂和探头，其中：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；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。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。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。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°。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°。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。与现有技术相比，本申请的有益效果为：(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。(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。(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。(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。附图说明图1是七自由度机器人的前视立体示意图；图2是七自由度机器人的后视立体示意图；图3是关节的截面图；图4是探头的示意图；图5是探头的剖视图；图6是避障原理图；图7是七自由度机器人应用的立体示意图；图8是七自由度机器人应用的侧视图；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第一腕部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种七自由度机器人，其特征在于，包括机械臂和探头，其中：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；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；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。

【技术特征摘要】
1.一种七自由度机器人，其特征在于，包括机械臂和探头，其中：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；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；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。2.根据权利要求1所述的七自由度机器人，其特征在于，各个关节的轴线垂直于其对应的旋转平面。3.根据权利要求1或2所述的七自由度机器人，其特征在于，所述第五关节的第五旋转平面H5与所述第四关节的第四旋转平面H4呈45°-75°的夹角；所述第五关节的第五旋转平面H5与所述第六关节的第六旋转平面H6呈45°-75°的夹角；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；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。4.根据权利要求1或2所述的七自由度机器人，其特征在于，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；优选所述基座与腰柱的长度总和与大臂的长度之比为2:1，大臂与小臂的长度之比为2:1，小臂与第三腕部、第四腕部的长度之比为5:2:2。5.根据权利要求1或2所述的七自由度机器人，其特征在于，第一腕部和第二腕部为过渡腕部，其形状为弯头形；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。6.根据权利要求1或2所述的七自由度机器人，其特征在于，将基座看作机械臂的起始端，第四腕部看作机械臂的末端；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，兰洪财，李世双，张兴田，李明扬，丁辉，王明海，李彤，
申请(专利权)人：中车青岛四方车辆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37