CN104269099A - 一种模块化积木式可拆装串联机器人 - Google Patents

一种模块化积木式可拆装串联机器人 Download PDF

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杨清义
刘立彬
杨志龙
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Abstract

本发明涉及一种模块化积木式可拆装串联机器人，包括实验工作台，实验工作台上设置有模块化积木式可拆装串联机器人本体、工件支架和控制计算机，模块化积木式可拆装串联机器人本体包括依次设置的可拆卸连接的一关节模块、二关节模块、三关节模块、四关节模块、五关节模块、六关节模块和机器人末端工具，本发明机电***全面开放，实现与工业串联机器人一致的作业实训教学，解决了工业作业型机器人技术教育实验平台缺乏现状，同时引入模块化理念，让学生亲自动手拆装组合机器人，了解串联机器人关节结构、原理和元器件组成，从而掌握串联机器人机电控制***的组成、功能及控制方法，培养学生动手能力及创新开发能力。

Description

一种模块化积木式可拆装串联机器人
技术领域
本发明涉及一种模块化积木式可拆装串联机器人，涉及机器人教育领域。
背景技术
2011年，中国市场共销售工业机器人22577台，比2010年增长51％。国际机器人联盟预计，2014年中国工业机器人年装机量将超过日本，达到3.2万台，占到世界总量的20％，将成为全球最大的机器人市场。随着制造业不断发展，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业是中国今后对机器人需求最大的工业领域，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。在这种形式下，就需要高校为企业培养出更多机器人操作及应用的技术人才。随着我国基础教育信息化的发展，机器人教育所涉及知识的广泛性和涉及技术的综合性，这都使机器人对教育而言具有更多的价值。但是教育机器人特别是锻炼动手能力的作业型机器人作为教学内容无论国内还是国外，目前都处于发展阶段。并且大多自成体系，互不兼容，开放度低。为推动工业型机器人教育健康、规范、可持续发展，因此需要研究规范性的工业作业型教育机器人，并引入当今流行的模块化设计理念，使得机器人具有更好的开放性和可扩展性，更强的交互性和动手能力，良好的人机界面等因素。
模块化作业型机器人受科技发展的影响其创新性、实践性、发展性极强，对学生的技能教育、科技的社会化都具有重要的意义，它带给我们的教育内容和教育形式都会有更多的惊喜与期待。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服上述问题，提供一种可参与性的模块化理念教学机器人，在机器人技术的教学过程中，能够解决操作实践缺乏问题的模块化积木式可拆装串联机器人。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种模块化积木式可拆装串联机器人，包括实验工作台，所述实验工作台上设置有模块化积木式可拆装串联机器人本体、工件支架和控制计算机，所述模块化积木式可拆装串联机器人本体与机器人控制***连接，所述机器人控制***安装于实验工作台下方；
所述模块化积木式可拆装串联机器人本体包括依次设置的可拆卸连接的一关节模块、二关节模块、三关节模块、四关节模块、五关节模块、六关节模块和机器人末端工具；
所述二关节模块的上侧和下侧分别设置有第二上接口和第二下接口；
所述三关节模块的上侧和下侧分别设置有第三上接口和第三下接口；
所述四关节模块的上侧和下侧分别设置有第四上接口和第四下接口；
所述五关节模块的上侧和下侧分别设置有第五上接口和第五下接口；
所述六关节模块的上侧和下侧分别设置有第六上接口和第六下接口；
所述一关节模块上侧设置有第一上接口，所述机器人末端工具下侧设置有第七下接口；
所述第一上接口可分别以可拆卸方式安装入所述第二下接口、第三下接口、第四下接口、第五下接口、第六下接口或第七下接口中；
所述第二上接口可分别以可拆卸方式安装入所述第三下接口、第四下接口、第五下接口、第六下接口或第七下接口中；
所述第三上接口可分别以可拆卸方式安装入所述第四下接口、第五下接口、第六下接口或第七下接口中；
所述第四上接口可分别以可拆卸方式安装入所述第五下接口、第六下接口或第七下接口中；
所述第五上接口可分别以可拆卸方式安装入所述第六下接口或第七下接口中；
所述第六上接口可拆卸安装入所述第七下接口中。
优选地，所述一关节模块包括电机、谐波减速器、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述二关节模块包含电机、谐波减速器、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述的三关节模块包含电机、同步齿形带、谐波减速器、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述的四关节模块包含电机、蜗轮蜗杆传动、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述的五关节模块包含电机、行星减速器、同步齿形带、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述的六关节模块包含电机、锥齿轮传动、电路接口板和光电传感器。
优选地，所述机器人控制***包括基于PC104总线的嵌入式运动控制器，其内部堆栈式安装三块二轴运动控制卡。
优选地，所述的机器人末端工具为气动手爪工具或电磁铁吸附工具，所述气动手爪工具连接有气路***。
优选地，所述实验工作台还设置有控制操作面板，所述控制操作面板与所述机器人控制***连接。
本发明的有益效果是：本发明所述模块化积木式可拆装串联机器人负载0.5公斤，模块关节最大运动速度20度每秒，低成本高质量模块化设计，作为基础机器人技术教学平台使用，布局合理，便于操作，安全可靠。机器人本体适合多次拆装，通过动手实践，提高学习兴趣。可了解工业串联机器人的基础组成和工作原理，了解机器人基本单元技术(机构、控制、传感器)，可完成不同规则的搬运与装配实验，让学生全面掌握机械传动部件的选择，装配结构件的设计、传感器的选择和使用、电机的选择和使用、计算机编程和调试，使学生在机器人***的设计、装配、调试能力均得到提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1A和图1B是本发明一个实施例的主视图和俯视图；
图2是本发明所述模块化积木式可拆装串联机器人本体的立体图；
图3A和图3B是本发明所述一关节模块的剖视图和主视图；
图4A和图4B是本发明所述二关节模块的剖视图和主视图；
图5A和图5B是本发明所述三关节模块的剖视图和主视图；
图6A和图6B是本发明所述四关节模块的剖视图和主视图；
图7A和图7B是本发明所述五关节模块的剖视图和主视图；
图8A和图8B是本发明所述六关节模块的剖视图和主视图；
图9是本发明所述气动手爪工具的半剖图；
图10是本发明所述电磁铁吸附工具的半剖图。
图中1-实验工作台，2-模块化积木式可拆装机器人本体，3-机器人末端工具，4-气路***，5-机器人控制***，6-控制计算机，7-工件支架，8-控制操作面板，9-一关节模块，10-二关节模块，11-三关节模块，12-四关节模块，13-五关节模块，14-六关节模块，15-气动手爪工具，16-电磁铁吸附工具，17-电机，18-谐波减速器，19-电路接口板，20-光电传感器，21-电机，22-谐波减速器，23-电路接口板，24-光电传感器，25-电机，26-同步齿形带，27-谐波减速器，28-电路接口板，29-光电传感器，30-电机，31-蜗轮蜗杆传动，32-电路接口板，33-光电传感器，34-电机，35-行星减速器，36-同步齿形带，37-电路接口板，38-光电传感器，39-电机，40-锥齿轮传动，41-电路接口板，42-光电传感器，91-第一上接口，101-第二上接口，102-第二下接口，111-第三上接口，112-第三下接口，121-第四上接口，122-第四下接口，131-第五上接口，132-第五下接口，141-第六上接口，142-第六下接口，151-第七下接口。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1A和图1B所述的实验工作台1采用优质铝型材搭建，底部配置支脚与滚轮，方便实验与搬运，所述实验工作台1上设置有模块化积木式可拆装串联机器人本体2、工件支架7和控制计算机6，所述模块化积木式可拆装串联机器人本体2还与机器人控制***5连接，所述机器人控制***5安装于实验工作台1下方，外形紧凑美观，开放式布局；
如图2所示，所述模块化积木式可拆装串联机器人本体2包括依次设置的可拆卸连接的一关节模块9、二关节模块10、三关节模块11、四关节模块12、五关节模块13、六关节模块14和机器人末端工具3；
所述二关节模块10的上侧和下侧分别设置有第二上接口101和第二下接口102；
所述三关节模块11的上侧和下侧分别设置有第三上接口111和第三下接口112；
所述四关节模块12的上侧和下侧分别设置有第四上接口121和第四下接口122；
所述五关节模块13的上侧和下侧分别设置有第五上接口131和第五下接口132；
所述六关节模块14的上侧和下侧分别设置有第六上接口141和第六下接口142；
所述一关节模块9上侧设置有第一上接口91，所述机器人末端工具3下侧设置有第七下接口151，
所述第一上接口91可分别以可拆卸方式安装入所述第二下接口102、第三下接口112、第四下接口122、第五下接口132、第六下接口142或第七下接口151中；
所述第二上接口101可分别以可拆卸方式安装入所述第三下接口112、第四下接口122、第五下接口132、第六下接口142或第七下接口151中；
所述第三上接口111可分别以可拆卸方式安装入所述第四下接口122、第五下接口132、第六下接口142或第七下接口151中；
所述第四上接口121可分别以可拆卸方式安装入所述第五下接口132、第六下接口142或第七下接口151中；
所述第五上接口131可分别以可拆卸方式安装入所述第六下接口142或第七下接口151中；
所述第六上接口141可拆卸安装入所述第七下接口151中；
在实际应用中，所述第一上接口91、第二上接口101、第三上接口111、第四上接口121、第五上接口131和第六上接口141的外径尺寸是相同的，所述第二下接口102、第三下接口112、第四下接口122、第五下接口132、第六下接口142和第七下接口151的内径尺寸相同，在本实施例中，所述第一上接口91可***所述第二下接口102中，并通过固定螺栓等固定，因为其他上接口尺寸一致，其他的下接口尺寸一致，所述依次类推都可以安装固定，例如，所述第一上接口91还可以安装入所述第三下接口112中，也就是将三关节模块直接固定在所述一关节模块上；
本发明中，所述一关节模块为安装在最低端的，其他模块依次向上安装，像以上所述的顺序安装，但是本发明还可以省略二关节模块，直接将三关节模块通过第三下接口112直接固定安装在所述第一上接口91上，其他后续模块依次安装，所以本发明中，多个模块安装时，可以省略其中一些模块，但是省略后的关节模块必须按照其原有顺序安装，例如，省略所述三关节模块和四关节模块，则将五关节模块安装到二关节模块上，二关节模块安装到一关节模块上，所述五关节模块上安装六关节模块，六关节模块上安装机器人末端工具3，如果省略其他模块，按照此依次类推，不能打乱上述的原有的安装顺序，本发明中按顺序的可省略的拆卸安装使得本发明提供了2-6自由度的机器人本体构型，在全部安装时为6自由度机器人，省略后还可以安装成2-5自由度机器人，在实际教学中，这样相比于现有技术固定安装的机器人，在演示6自由度机器人时使用一台机器，演示5自由度机器人时使用另一台，造成对不同自由度机器人教学时，需要很多的演示机器，导致成本增加，重复性浪费。而本发明提供一种可灵活组装的模块化积木式可拆装串联机器人，使用一台机器人就可以给学生提供2-6自由度机器人的演示，既节约成本，又提供了灵活多变的教学方式。
并且每一模块采用透明式封装，可以直观的看到内部传动结构，运行情况。模块内部传动结构完全体现工业机器人特点并微缩，结构多样化，满足教学要求。设计中采用了工业上常用到的谐波减速、行星减速、同步带传动、蜗轮蜗杆传动以及齿轮传动等主要结构形式。
在优选的实施方案中，如图3A和图3B所示的一关节模块9，其设置在最底端，为机器人基座模块，其由电机17直连谐波减速器18传动进行驱动，所述电机17为步进电机，一关节模块9的一端安装有电路接口板19，通过连接器电缆与机器人控制***5及二关节模块之间信号与电源连接，输出端设置左右限位的光电传感器20，所述一关节模块9的旋转角度为正负90度。
在优选的实施方案中，如图4A和图4B所示的二关节模块10，其由电机21直连谐波减速器22传动进行驱动，其一端安装电路接口板23，通过连接器电缆与其上下连接的其他模块之间进行信号与电源连接，所述电机21在本实施例中可以为步进电机也可以为交流伺服电机，所述二关节模块10一侧还设置有零位的光电传感器24，所述二关节模块10旋转的角度为正负45度。
在优选的实施方案中，如图5A和图5B所示的三关节模块11，由电机25直连同步齿形带26传动后连接谐波减速器27输出驱动，所述电机25为步进电机，三关节模块11一端安装电路接口板28，通过连接器电缆与其上下连接的其他模块之间信号与电源连接，三关节模块11一侧设置有零位的光电传感器29，三关节模块11的旋转角度为正负45度。
在优选的实施方案中，如图6A和图6B所示的四关节模块12，由电机30直连蜗轮蜗杆传动31输出进行驱动，所述电机30为步进电机，四关节模块12一端安装电路接口板32，通过连接器电缆与其上下连接的模块之间信号与电源连接。四关节模块12一侧设置有的光电传感器33，四关节模块12的旋转角度为正负90度。
在优选的实施方案中，如图7A和图7B所示的五关节模块13，由电机34直连行星减速器35再通过同步齿形带36减速输出驱动，所述电机34为步进电机，五关节模块13一端安装电路接口板37，通过连接器电缆与其上下连接的其他模块之间信号与电源连接，五关节模块13一侧设置有光电传感器38，五关节模块13的旋转角度为正负45度。
在优选的实施方案中，如图8A和图8B所示的六关节模块14，其由电机39连接锥齿轮传动40减速输出驱动，所述电机39为步进电机。六关节模块14一端安装电路接口板41，通过连接器电缆与其上下连接的其他模块之间信号与电源连接，六关节模块14一侧设置有光电传感器42，六关节模块14的旋转角度为正负180度。
在优选的实施方案中，所述机器人控制***5包括基于PC104总线的嵌入式运动控制器，其内部堆栈式安装三块二轴运动控制卡。
在优选的实施方案中，所述的机器人末端工具3为气动手爪工具15(如图9所示)或电磁铁吸附工具16(如图10所示)，具体根据需要进行选择，所述气动手爪工具15连接有气路***4，在使用时配置无油静音气泵等气动元件。
在优选的实施方案中，所述实验工作台1设置有控制操作面板8，所述控制操作面板8与所述机器人控制***5连接，可以通过控制操作面板8方便的操作。
本发明所述的机器人特点：机器人嵌入式控制，示教再现作业方式。本体模块化设计可拆装动手能力强，真正的实现机器人技能实训，并能体现工业机器人的结构、功能和特点。操作灵活，趣味性强，具有高可靠性等特征；可长期使用免维护。这种模块化机器人不仅继承了传统单一本体结构机器人的所有教学实验内容，而且增加了更多更实际的教学课程，更是教学机器人的主要发展方向。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种模块化积木式可拆装串联机器人，包括实验工作台(1)，其特征在于，所述实验工作台(1)上设置有模块化积木式可拆装串联机器人本体(2)、工件支架(7)和控制计算机(6)，所述模块化积木式可拆装串联机器人本体(2)与机器人控制***(5)连接，所述机器人控制***(5)安装于实验工作台(1)下方；
所述模块化积木式可拆装串联机器人本体(2)包括依次设置的可拆卸连接的一关节模块(9)、二关节模块(10)、三关节模块(11)、四关节模块(12)、五关节模块(13)、六关节模块(14)和机器人末端工具(3)；
所述二关节模块(10)的上侧和下侧分别设置有第二上接口(101)和第二下接口(102)；
所述三关节模块(11)的上侧和下侧分别设置有第三上接口(111)和第三下接口(112)；
所述四关节模块(12)的上侧和下侧分别设置有第四上接口(121)和第四下接口(122)；
所述五关节模块(13)的上侧和下侧分别设置有第五上接口(131)和第五下接口(132)；
所述六关节模块(14)的上侧和下侧分别设置有第六上接口(141)和第六下接口(142)；
所述一关节模块(9)上侧设置有第一上接口(91)，所述机器人末端工具(3)下侧设置有第七下接口(151)；
所述第一上接口(91)可分别以可拆卸方式安装入所述第二下接口(102)、第三下接口(112)、第四下接口(122)、第五下接口(132)、第六下接口(142)或第七下接口(151)中；
所述第二上接口(101)可分别以可拆卸方式安装入所述第三下接口(112)、第四下接口(122)、第五下接口(132)、第六下接口(142)或第七下接口(151)中；
所述第三上接口(111)可分别以可拆卸方式安装入所述第四下接口(122)、第五下接口(132)、第六下接口(142)或第七下接口(151)中；
所述第四上接口(121)可分别以可拆卸方式安装入所述第五下接口(132)、第六下接口(142)或第七下接口(151)中；
所述第五上接口(131)可分别以可拆卸方式安装入所述第六下接口(142)或第七下接口(151)中；
所述第六上接口(141)可拆卸安装入所述第七下接口(151)中。
2.根据权利要求1所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述一关节模块(9)包括电机(17)、谐波减速器(18)、电路接口板(19)和光电传感器(20)。
3.根据权利要求1或2所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述二关节模块(10)包含电机(21)、谐波减速器(22)、电路接口板(23)和光电传感器(24)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述的三关节模块(11)包含电机(25)、同步齿形带(26)、谐波减速器(27)、电路接口板(28)和光电传感器(29)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述的四关节模块(12)包含电机(30)、蜗轮蜗杆传动(31)、电路接口板(32)和光电传感器(33)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述的五关节模块(13)包含电机(34)、行星减速器(35)、同步齿形带(36)、电路接口板(37)和光电传感器(38)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述的六关节模块(14)包含电机(39)、锥齿轮传动(40)、电路接口板(41)和光电传感器(42)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述机器人控制***(5)包括基于PC104总线的嵌入式运动控制器，其内部堆栈式安装三块二轴运动控制卡。
9.根据权利要求1-8任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述的机器人末端工具(3)为气动手爪工具(15)或电磁铁吸附工具(16)，所述气动手爪工具(15)连接有气路***(4)。
10.根据权利要求1-9任一项所述的模块化积木式可拆装串联机器人，其特征在于，所述实验工作台(1)还设置有控制操作面板(8)，所述控制操作面板(8)与所述机器人控制***(5)连接。
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