CN108032278A - 基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，该机器人包括有外壳，还包括有监控***、六自由度智能机械手臂***、全方位移动***、自主充电***、止回***、安全防丢***、RFID***。有益效果是该机器人可以通过手机、电脑远程控制。在主人对需要操作的物体输入至RFID询问器后，能够识别出贴有对应RFID标签目标物的位置，并根据需求对物体进行处理。该机器人机械手臂可以灵活、可靠地对物品进行抓取，该机器人全方位移动***的每个电机控制爬楼车轮。该机器人由内置蓄电池或锂电池供电，当电量较低时发出报警提示并可以自主充电。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，属于人工智能与机械设计领域，重点在于人工智能领域。
背景技术
随着世界的发展与进步，人工智能领域已占得主导地位，机器人也随之变多，因此如何在尽可能小的体积上实现生活中必备的功能已成为首要问题。目前搬运机器人尚处于起步阶段，且较多适用于工业，家用搬运机器人鲜见报道，机械手臂自由度较低，受地形范围影响较大，因此亟待开发该领域的相关产品。
发明内容
针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，以解决家用搬运机器人的不足之处，更加智能可靠。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其中：该机器人包括有外壳，还包括有监控***、六自由度智能机械手臂***、全方位移动***、自主充电***、止回***、安全防丢***、RFID***。
本发明的效果是：
(1)本发明智能机械手臂有六个自由度，分别由仿肩膀旋转模块、手臂伸缩杆、仿大臂旋转关节、仿小臂旋转关节、仿手指旋转关节、仿手腕旋转关节控制，并且智能机械手臂可以在机械手臂滑轨上滑动，极大增加其可抓取范围，手指前方的机械爪磁力贴片可以更加可靠地抓取物品，手掌中心的RFID识别器能够对物品标签进行二次识别，可靠性更强。
(2)本发明全方位移动***由十二个子车轮组成，使机器人能够在爬楼梯时如履平地，为防止机器人在爬楼梯时下滑，本机器人自动开启止回板并调整角度，止回板采用高摩擦材料，每个爬楼车轮在爬楼梯时将止回摆杆角度改为竖直，使止回棘轮只进不退；由于三个子车轮在进行移动时容易颠簸，因此加入五个避震器来减小对搬运物品造成的损坏；红外避障传感器识别到与障碍物距离设定值，如5cm时，摄像头舵机旋转，找到与障碍物距离较远的方向前进；机器人在平地移动时电动万向轮伸缩杆将电动万向轮伸出并将爬楼车轮顶起，由电动万向轮驱动机器人前进，当机器人需要爬楼梯时，电动万向轮收回至外壳内，由爬楼车轮驱动机器人前进。
(3)本发明具有较高的安全防丢功能，在下楼帮主人取快递或外卖时，送货人员将物品放入机器人中后自动关闭可伸缩盖板并开启盖板锁，生成取货密码，只有当主人指纹识别通过或者在显示屏输入正确的取货密码后才能打开，并且本机器人含有GPS定位功能，主人可以在手机上看到机器人的位置，防止丢失。
(4)本发明可以帮助主人对目标物进行处理，当主人在手机、电脑输入目标物名称时，信号传输至RFID询问器，RFID询问器可以通过无线射频识别出对应贴有RFID标签贴片目标物的位置，机器人将自动移动至目标物位置处将物品进行处理。
(5)本发明能够代替主人对房间进行安全检查，通过记录门、窗、水、电、煤气的位置，将实时情况通过摄像头传输至主人手机，并通过控制机械手臂对其进行处理。
(6)本发明可以实现自主充电功能，电量由显示屏记录显示，当电量较低时，机械手臂自动将充电插头接入电源进行充电。
(7)本发明拥有取证功能，在需要时开启录音装置以及摄像头。
(8)本发明可以在声音较大或检测到下雨时，自动关闭门窗。
附图说明
图1是基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人结构示意图；
图2是本发明的六自由度智能机械手臂结构示意图；
图3是本发明的机器人爬楼模拟图；
图4是图3的后视图；
图5是本发明内部止回棘轮机构示意图；
图6是图1的内部截面图；
图7是本发明RFID询问器结构示意图；
图8是本发明RFID标签贴片示意图；
图9是本发明电动万向轮驱动示意图；
图10是图1的侧面截面图；
图11是本发明搬运物品执行过程流程图；
图12是本发明上下楼取物品执行过程流程图；
图13是本发明关窗执行过程流程图；
图14是本发明RFID通信传输流程图。
图中：
1.蜂鸣器 2.止回板 3.显示屏 4.指纹识别器 5.机械手臂滑轨
6.六自由度智能机械手臂 7.全方位移动*** 8.机械爪磁力贴片
9.RFID识别器 10.自主充电*** 11.红外避障传感器 12.外壳
13.盖板锁 14.舵机 15.摄像头 16.补光灯 17.录音装置
18.可伸缩盖板 19.固定支座 20.仿肩膀旋转模块 21.手臂伸缩杆
22.仿大臂旋转关节 23.仿小臂旋转关节 24.仿手指旋转关节
25.仿手腕旋转关节 26.止回板伸缩杆 27.止回板支撑杆
28.止回板固定支座 29.应急装置 30.子车轮
31.棘轮机构固定支座 32.止回摆杆 33.止回棘轮 34.避震器
35.电机 36.蓄电池 37.充电插头 38.可回拉绕线盒
39.RFID询问器 40.天线 41.机械手臂支撑柱 42.机械手臂支撑板
43.电动万向轮 44.隔板 45.电动万向轮固定支座
46.电动万向轮伸缩杆 47.电动万向轮前进电机
48.电动万向轮方向电机 49.电机齿轮 50.传动齿轮
51.电动万向轮支撑杆 52.目标物 53.RFID标签贴片 54.监控***
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人结构加以说明。
如图1-图14所示，所述基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人包括监控***54、六自由度智能机械手臂6***、全方位移动***7、自主充电***10、止回***、安全防丢***、RFID***。
所述监控***54结构包括舵机14、摄像头15、补光灯16、录音装置17；所述舵机14通过螺栓固定在外壳12前上方，所述摄像头15固定安装在舵机14轴上，所述补光灯16固定安装在摄像头15上方，所述录音装置17固定安装在摄像头15两侧。
所述六自由度智能机械手臂6包括固定支座19、仿肩膀旋转模块20、手臂伸缩杆21、仿大臂旋转关节22、仿小臂旋转关节23、仿手指旋转关节24、仿手腕旋转关节25、机械爪磁力贴片8、RFID识别器9、机械手臂支撑柱41、机械手臂支撑板42。所述固定支座19安装于外壳12两侧的机械手臂滑轨5内，所述仿肩膀旋转模块20安装在固定支座19上方，所述手臂伸缩杆21通过螺栓固定安装在机械手臂支撑柱41，所述仿大臂旋转关节22固定安装在机械手臂支撑柱41上侧，所述仿小臂旋转关节23与仿手腕旋转关节25通过轻质金属条连接，所述仿手指旋转关节24安装于机械手臂支撑板42前侧，所述机械爪磁力贴片8通过铰链安装于六自由度智能机械手臂6手指前方，所述RFID识别器9固定安装在六自由度智能机械手臂6手心中央。
所述全方位移动***7包括四个电机35、十二个子车轮30、五个避震器34、两个红外避障传感器11、应急装置29、三个电动万向轮43、隔板44；所述隔板44安装于外壳12内部，所述电机35通过螺栓固定安装在外壳12内部下方，具***置每两个电机35紧贴左右其中一侧外壳12壁，每三个子车轮30组成一个爬楼车轮，固定安装在电机35的三等分线上，所述五个避震器34固定安装在隔板44与外壳12底盘之间，所述两个红外避障传感器11固定安装在外壳12的前下方，所述应急装置29安装在外壳12后方底侧，所述电动万向轮固定支座45通过螺栓与隔板44固定安装，所述电动万向轮伸缩杆46固定安装在电动万向轮固定支座45，所述电动万向轮前进电机47轴部与电动万向轮43固定连接，所述电动万向轮方向电机48轴部与电机齿轮49固定连接，所述电机齿轮49与传动齿轮50互相咬合，所述传动齿轮50与电动万向轮支撑杆51固定连接。
所述自主充电***10包括蓄电池36、充电插头37、可回拉绕线盒38；所述蓄电池36固定安装在外壳12内部底侧，所述可回拉绕线盒38固定安装在外壳12内部底侧位于蓄电池36前方，所述充电插头37通过导线与可回拉绕线盒38连接，位于外壳12前下方开口处。
所述止回***包括止回板伸缩杆26、止回板支撑杆27、止回板固定支座28、止回板2、棘轮机构固定支座31、止回摆杆32、止回棘轮33；所述止回板固定支座28通过螺栓安装在外壳12后方中心处，所述止回板伸缩杆26通过铰链安装于止回板固定支座28，所述止回板2通过铰链安装于止回板伸缩杆26底部，所述止回板支撑杆27通过铰链安装于止回板2和止回板伸缩杆26之间；所述内部棘轮机构固定支座31固定安装于外壳12内部左右两壁，所述止回摆杆32套在棘轮机构固定支座31上，所述止回棘轮33固定安装在三个子车轮30中心，与电机35轴固定。
所述安全防丢***包括蜂鸣器1、显示屏3、指纹识别器4、可伸缩盖板18、盖板锁13；所述可伸缩盖板18一侧与外壳12顶部通过铰链连接，所述蜂鸣器1、显示屏3、指纹识别器4均固定在可伸缩盖板18末端上方，所述盖板锁13通过铰链安装在可伸缩盖板18前端。
所述RFID***包括RFID询问器39、天线40、RFID标签贴片53，所述天线40安装于所述RFID询问器39顶端；所述RFID标签贴片53粘贴于目标物52表面；所述RFID询问器39与所述RFID标签贴片53通过无线通信传输。
所述六自由度智能机械手臂6可在机械手臂滑轨5上滑动且可锁定，仿肩膀旋转模块20下方与固定支座19固定安装，上方与手臂伸缩杆21连接且可360°旋转，所述仿大臂旋转关节22、仿小臂旋转关节23、仿手腕旋转关节25均通过轻质金属条连接，可以上下旋转，所述仿手腕旋转关节25与机械手臂支撑板42连接可以360°旋转，所述仿手指旋转***24每根手指均可以360°旋转；所述机械爪磁力贴片8通过铰链安装在手指前端，并可360°旋转。
所述可伸缩盖板18、止回板伸缩杆26、电动万向轮伸缩杆46均可以根据需求伸缩、锁定；所述止回板伸缩杆26两端分别与止回板2和止回板固定支座28通过铰链连接，可以在一个平面内360°旋转，所述止回板支撑杆27一端与止回板2通过铰链连接，使止回板可以收起，另一端与止回板伸缩杆26连接，使其可以在杆上滑动。
所述止回棘轮33在止回摆杆32竖直状态时只可以正向旋转，所述止回摆杆32改变方向后，止回棘轮33可以自由旋转。
所述充电插头37与可回拉绕线盒38通过导线连接，导线长度可以抽拉伸长锁定，取消锁定时充电插头37将被可回拉绕线盒38收回。
本发明基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人功能是这样实现的：
如图1所示，监控***位于外壳12的前上方，能够最直观的检测到需要监视的范围。可伸缩盖板18只有在主人取物品时输入正确的指纹或者取货密码后才能打开，平时处于关闭锁定状态，每个爬楼车轮由三个子车轮30组成，位置均匀的布置在外壳12的左右两侧下方，机械手臂滑轨5位于外壳12左右两侧中上方。
如图2所示，六自由度智能机械手臂由仿肩膀旋转模块20、手臂伸缩杆21、仿大臂旋转关节22、仿小臂旋转关节23、仿手指旋转关节24、仿手腕旋转关节25组成六个自由度，手指前方有机械爪磁力贴片8，可以对物品抓取更加牢固，手掌中心的RFID识别器9可以对目标物52进一步确认。
如图3所示，全方位搬运机器人在爬楼梯时，子车轮30可以先转到一个台阶上，然后依靠电机35动力和止回板2，其他轮子也会转到该台阶上，如有楼梯扶手，六自由度智能机械手臂6可以与楼梯扶手相互配合，保证前进更加稳定。当上升至楼梯顶部时，机器人需要转弯，继续走下一个楼梯，此时依靠红外避障传感器11和摄像头15寻找下一个楼梯的具***置。当机器人在上下楼搬运东西时，盖板锁13紧盖，如机器人被偷，则没有正确的指纹或密码则无法取出内部物品，并且主人可以根据GPS定位检测到机器人的位置。
如图4所示，全方位搬运机器人在爬楼梯时，止回板2处于张开状态，止回板2采用高摩擦材质，止回板支撑杆27、止回板2、止回板伸缩杆26呈三角形，使之更加的稳定，当走平地时，止回板伸缩杆26可以收缩，并且止回板2收起。应急装置29处于第一优先级，防止机器人运行过程中发生意外。
如图5所示，内部止回机构包括棘轮机构固定支座31、止回摆杆32、止回棘轮33，当止回棘轮33顺时针旋转时，止回摆杆32可以在止回棘轮33的齿背上滑动，可以正常转动，当止回棘轮33逆时针旋转时，止回摆杆32***止回棘轮33齿槽中，使棘轮静止不动，从而防止爬楼车轮倒退。
如图6所示，为本发明内部截面图，避震器34可以减小机器人在爬楼过程中对搬运物品的振荡，电动万向轮伸缩杆46可以将电动万向轮43收回至外壳12内部，可回拉绕线盒38可以实现机器人自主充电，蓄电池36负责整个机器人的供电。
如图7、图8和图14所示，为RFID询问器结构示意图、RFID标签贴片示意图及RFID通信传输流程图，信号由电脑、手机输入后传输至RFID询问器39，天线40负责将信号发射给RFID标签贴片53，以便找到目标物52的位置。
如图9所示，为电动万向轮43驱动示意图，电动万向轮前进电机47控制电动万向轮43前进，电动万向轮方向电机48通过控制电机齿轮49、传动齿轮50转动从而改变电动万向轮43前进方向。
如图10所示，为机器人侧面截面图，避震器34、电动万向轮固定支座45均固定安装于隔板44，当机器人在走平地时电动万向轮伸缩杆46将电动万向轮43伸出外壳12，此时由电动万向轮43驱动机器人前进，当机器人在爬楼梯时，电动万向轮43收回至外壳内部12。
如图11所示，为机器人搬运物品流程图，主人在手机或电脑输入物品信息后，RFID询问器39识别出对应贴有RFID标签贴片53具***置，机器人将移动至目标物52处并通过机械手臂6上的识别器对物品进行再次确认，随后机器人根据主人预设物品属性对物品进行一定的处理。
如图12所示，为机器人上下楼搬运物品流程图，当主人所在楼房为电梯房时，可提前预设电梯中自家和一楼楼层按键位置，使机器人机械手臂6记忆，当主人所在楼房为楼梯房时，电动万向轮43收回，机器人将双手配合楼梯栏杆和红外避障传感器11上下楼，上楼时开启止回板2防止倒退，送至家里后需主人指纹验证通过或输入正确的取货密码后可以打开伸缩盖18，以防丢失。
如图13所示，为机器人自动关窗执行过程流程图，当室外声音传感器或窗户上雨滴传感器识别到室外声音过大或正在下雨时，机器人将移动至贴有RFID标签贴片53的窗户处，主人可根据自家窗户关窗方式对机械手臂6进行预设、记忆，机器人可以将窗户逐一关闭，并将此次行动通过短信反馈至主人手机。
实施例
1、机器人手指个数、避震器34个数、子车轮30个数可以根据实际需求增加或减少。
2、止回板2可根据需要改为扫地装置，在机器人运行过程中，将家中地板打扫干净。
3、可伸缩盖板18可以改为折叠式车顶，同样可以防止爬楼时物品掉出。
4、电动万向轮伸缩杆46可以更改为折叠式收回至外壳内。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其特征是：该机器人包括有外壳(12)，还包括有监控***(54)、六自由度智能机械手臂(6)***、全方位移动***(7)、自主充电***(10)、止回***、安全防丢***、RFID***；
所述监控***(54)结构包括舵机(14)、摄像头(15)、补光灯(16)、录音装置(17)；所述舵机(14)通过螺栓固定在外壳(12)前上方，所述摄像头(15)固定设在舵机(14)轴上，所述补光灯(16)固定在摄像头(15)上方，所述录音装置(17)固定在摄像头(15)两侧；
所述六自由度智能机械手臂(6)包括固定支座(19)、仿肩膀旋转模块(20)、手臂伸缩杆(21)、仿大臂旋转关节(22)、仿小臂旋转关节(23)、仿手指旋转关节(24)、仿手腕旋转关节(25)、机械爪磁力贴片(8)、RFID识别器(9)、机械手臂支撑柱(41)、机械手臂支撑板(42)；所述固定支座(19)安装于外壳(12)两侧的机械手臂滑轨(5)内，所述仿肩膀旋转模块(20)安装在固定支座(19)上方，所述手臂伸缩杆(21)通过螺栓固定安装在机械手臂支撑柱(41)，所述仿大臂旋转关节(22)固定安装在机械手臂支撑柱(41)上侧，所述仿小臂旋转关节(23)与仿手腕旋转关节(25)通过轻质金属条连接，所述仿手指旋转关节(24)安装于机械手臂支撑板(42)前侧，所述机械爪磁力贴片(8)通过铰链安装于六自由度智能机械手臂(6)手指前方，所述RFID识别器(9)固定安装在六自由度智能机械手臂(6)手心中央；
所述全方位移动***(7)包括四个电机(35)、十二个子车轮(30)、五个避震器(34)、两个红外避障传感器(11)、应急装置(29)、三个电动万向轮、隔板(44)；所述隔板(44)安装于外壳(12)内部，所述电机(35)通过螺栓固定在外壳(12)内部下方，具***置每两个电机(35)紧贴左右其中一侧外壳(12)壁，每三个子车轮(30)组成一个爬楼车轮，固定在电机(35)的三等分线上，所述五个避震器(34)固定在隔板(44)与外壳(12)底盘之间，所述两个红外避障传感器(11)固定在外壳(12)的前下方，所述应急装置(29)设在外壳(12)后方底侧，所述电动万向轮固定支座(45)通过螺栓与隔板(44)固定安装，所述电动万向轮伸缩杆(46)固定在电动万向轮固定支座(45)，所述电动万向轮前进电机(47)轴部与电动万向轮(43)固定连接，所述电动万向轮方向电机(48)轴部与电机齿轮(49)固定连接，所述电机齿轮(49)与传动齿轮(50)互相啮合，所述传动齿轮(50)与电动万向轮支撑杆(51)固定连接；
所述自主充电***(10)包括蓄电池(36)、充电插头(37)、可回拉绕线盒(38)；所述蓄电池(36)固定在外壳(12)内部底侧，所述可回拉绕线盒(38)固定在外壳(12)内部底侧位于蓄电池(36)前方，所述充电插头(37)通过导线与可回拉绕线盒(38)连接，位于外壳(12)前下方开口处；
所述止回***包括止回板伸缩杆(26)、止回板支撑杆(27)、止回板固定支座(28)、止回板(2)、棘轮机构固定支座(31)、止回摆杆(32)、止回棘轮(33)；所述止回板固定支座(28)通过螺栓固定在外壳(12)后方中心处，所述止回板伸缩杆(26)通过铰链设于止回板固定支座(28)，所述止回板(2)通过铰链设于止回板伸缩杆(26)底部，所述止回板支撑杆(27)通过铰链设于止回板(2)和止回板伸缩杆(26)之间；所述内部棘轮机构固定支座(31)固定于外壳(12)内部左右两壁，所述止回摆杆(32)套在棘轮机构固定支座(31)上，所述止回棘轮(33)固定在三个子车轮(30)中心，与电机(35)轴固定；
所述安全防丢***包括蜂鸣器(1)、显示屏(3)、指纹识别器(4)、可伸缩盖板(18)、盖板锁(13)；所述可伸缩盖板(18)一侧与外壳(12)顶部通过铰链连接，所述蜂鸣器(1)、显示屏(3)、指纹识别器(4)均固定在可伸缩盖板(18)末端上方，所述盖板锁(13)通过铰链安装在可伸缩盖板(18)前端；
所述RFID***包括RFID询问器(39)、天线(40)和RFID标签贴片(53)，所述天线(40)安装于所述RFID询问器(39)顶端；所述RFID标签贴片(53)粘贴于目标物(52)表面；所述RFID询问器(39)与所述RFID标签贴片(53)通过无线通信传输。
2.根据权利要求1所述基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其特征是：所述六自由度智能机械手臂(6)在机械手臂滑轨(5)上滑动且能够锁定，仿肩膀旋转模块(20)下方与固定支座(19)固定连接，上方与手臂伸缩杆(21)连接且能够360°旋转，所述仿大臂旋转关节(22)、仿小臂旋转关节(23)、仿手腕旋转关节(25)均通过轻质金属条连接，能够上下旋转，所述仿手腕旋转关节(25)与机械手臂支撑板(42)连接能够360°旋转，所述仿手指旋转***(24)每根手指均能够360°旋转。
3.根据权利要求1所述基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其特征是：所述可伸缩盖板(18)、止回板伸缩杆(26)、电动万向轮伸缩杆(46)均能够伸缩、锁定；所述止回板伸缩杆(26)两端分别与止回板(2)和止回板固定支座(28)通过铰链连接，能够在一个平面内360°旋转，所述止回板支撑杆(27)一端与止回板(2)通过铰链连接，使止回板(2)收起，另一端与止回板伸缩杆(26)连接，使其在杆上滑动。
4.根据权利要求1所述基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其特征是：所述止回棘轮(33)在止回摆杆(32)竖直状态时只正向旋转，所述止回摆杆(32)改变方向后，止回棘轮(33)能够自由旋转。
5.根据权利要求1所述基于智能机械手臂的六自由度全方位搬运机器人，其特征是：所述充电插头(37)与可回拉绕线盒(38)通过导线连接能够抽拉伸长锁定导线长度，取消锁定时充电插头(37)能够使可回拉绕线盒(38)收回。
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