一种具有末端捕获装置的绳驱柔性充电机器人的制作方法

本发明涉及一种具有末端捕获装置的绳驱柔性充电机器人，属于机器人技术领域。本发明尤其涉及绳驱柔性机器人领域，用于完成电气元件捕获接驳，如充电接驳等场景下的任务。

背景技术：

面对码头卸货车及飞机等的频繁充电任务，传统人工手动完成逐渐不再满足智能化的需求。现今最常见的充电机器人通过采用刚性机械臂末端装配对应的充电设备，但是刚性机械臂体积大，灵活性差，传统关节易受到环境的污染而损坏，并且其运动时容易导致电缆的拖动与磨损，不适合做大规模的充电装置使用。

技术实现要素：

本发明提供一种具有末端捕获装置的绳驱柔性充电机器人，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案一方面涉及末端捕获装置，其包括：固定底座；用于安装接纳部件的支撑座；连接在所述的固定底座和所述的支撑座之间的导轨滑块机构，该导轨滑块机构具有引导线性运动的引导轴线(lc)；由所述的四导轨滑块机构支撑和引导运动的捕获手爪机构，所述的捕获手爪机构包括一对基础手爪、多个连杆、都与所述的引导轴线(lc)垂直的从动滑板和移动滑板，其中，基础手爪设置在接纳部件和支撑座的外侧，移动滑板设置在基础手爪和固定底座之间，从动滑板设置在支撑座和移动滑板之间；其中，每一个基础手爪的靠近固定底座的端部与连杆的第一端转动地连接在端部铰接点(p0)，从动滑板的两端分别与每一个基础手爪转动地连接在第一铰接点(p1)，移动滑板的两端分别与连杆的第二端转动地连接在第二铰接点(p2)，并且其中，所述的第一铰接点(p1)与所述的端部铰接点(p0)相距第一距离(d1)，所述的第二铰接点(p2)与所述的端部铰接点(p0)相距第二距离(d2)。

进一步，所述的导轨滑块机构包括：多个长形的支撑条，通过螺丝安装固定连接固定底座和支撑座；固定安装在每一个支撑条上的导轨，该导轨的方向与所述的引导轴线(lc)平行；适配在每一个导轨上的前滑块，该前滑块与从动滑板连接；适配在每一个导轨上的后滑块，该后滑块与移动滑板连接，使得移动滑板和从动滑板能够相对于引导轴线(lc)的方向线性运动，并且允许移动滑板和从动滑板之间相对运动。

进一步，所述的基础手爪向内接纳部件或支撑座的方向折弯，以形成钝角(a)；所述的第一距离(d1)大于所述的第二距离(d2)；从动滑板上的两个第一铰接点(p1)之间的距离大于移动滑板上的两个第二铰接点(p2)之间的距离。

进一步，所述的捕获装置还包括：沿所述的引导轴线(lc)方向布置的丝杠螺母机构，其中所述的丝杠螺母机构的滚珠螺件与移动滑板固定连接，丝杠螺母机构的一端支撑在所述的支撑座上，且另一端支撑在所述的固定座上；设置在所述的固定座上的电机座；支撑在所述的电机座上的致动电机，该致动电机输出轴与所述的丝杠螺母机构的输入端连接。

进一步，所述的捕获手爪机构包括可拆卸地连接至基础手爪的可更换手爪，该可更换手爪的远离基础手爪的末端形成倒扣，用于捕获外部构件。

进一步，所述的接纳部件包括充电插头；所述的固定底座和所述的支撑座之间连接有力传感器；所述的支撑座固定连接相机座，用于安装相机。

本发明的技术方案另一方面涉及一种具有末端捕获装置的绳驱柔性充电机器人，其包括：驱动箱；由所述的驱动箱的绳索带动的柔性机械臂；上述的捕获装置，该捕获装置安装在所述的柔性机械臂的末端。

进一步，所述的驱动箱包括：平行且同轴布置的上支撑圆盘和下支撑圆盘；设置在上支撑圆盘和下支撑圆盘之间的且连接绳索的多个驱动单元，所述驱动单元沿驱动箱的中轴线均布；与每个驱动单元进行动力连接的驱动电机；以及与驱动电机电气连接的驱动器。

进一步，所述的驱动单元包括：支撑在上支撑圆盘和下支撑圆盘之间的驱动单元架；与驱动单元架固定连接的上轴承座、下轴承座和双滑轨；由上轴承座和下轴承座支撑的丝杠；与丝杆配合的螺母；匹配在双滑轨上的组合滑块；固定在组合滑块上的侧转卡线板，该侧转卡线板设有卡槽用于卡合所述的绳索；用于连接驱动电机和丝杆的联轴器。

进一步，所述的绳索由驱动绳和弹性绳组成，其中驱动绳和弹性绳之间通过绳索固连件固定连接；所述的驱动箱的中部设有紧绳驱动基座和固定柱；固定柱的外壁设置有卡线槽盘，固定柱的末端设置有转向盘，其中卡线槽盘和转向盘都在外圆周均匀分布多个卡口，以接纳所述的弹性绳。

本发明的有益效果为：

提出改进的具有末端捕获装置的绳驱柔性充电机器人，实现快速、精确地自动捕获目标，从而进行后续的充电或电气接插动作；柔性的机械臂结构，运动灵活，适应性更好；相机可实时检测识别充电目标并定位其位姿，进而驱动绳驱柔性充电机器人完成充电任务；力传感器可实时监控反馈力，实现末端充电插座的柔顺控制。

附图说明

图1为根据本发明实施例的绳驱柔性充电机器人的总体示图。

图2为根据本发明实施例的捕获装置的从侧边观察的立体图。

图3为根据本发明实施例的捕获装置的从后侧观察的立体图。

图4为根据本发明实施例的捕获装置的侧视图。

图5为根据本发明实施例的捕获装置的手爪机构的运动描述图。

图6为根据本发明实施例的驱动箱的内部的部分结构的立体图。

图7为图6中的驱动箱的驱动单元的细节立体图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底、前、后等方位描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1，在一些实施例中，根据本发明的绳驱柔性充电机器人包括柔性机器人驱动箱100、柔性机械臂200和末端捕获装置300。柔性机器人驱动箱100包括若干个相同独立的驱动单元110以圆周均布排列的方式。柔性机械臂200包括多个(比如图示的5个)关节臂杆。柔性机械臂200的根部可插入柔性机器人驱动箱100，从而使驱动箱100驱动绳210索运动，从而驱动柔性机械臂200运动。

参照图2至图4，在一些实施例中，捕获装置300包括固定底座346、支撑座311、导轨滑块机构343、丝杠螺母机构344、捕获手爪机构340。本文实施例基于充电任务场景描述实施例。本领域技术人员可以理解，根据本发明的捕获装置300还可以用于机器人自动化领域的其它接插捕获应用。

参照图2，充电插头310可以安装在支撑座311(或者充电座)中。充电插头310可替换成任何商业插头适用于不同场景下的充电任务。充电支撑座311通过力传感器320和捕获手爪机构340固连，可实时监控充电目标对充电插头310的反馈力，实现末端充电的柔顺控制。相机330通过相机座331与支撑座311固连，可实时检测识别充电目标并定位其位姿，进而通过后续控制算法驱动绳210驱柔性充电机器人完成充电任务。

参照图3，导轨滑块机构343可以具有长形的多个(优选如图所示的4个)对称布局的支撑条3430，其通过螺丝安装固定连接固定底座346和支撑座311。每一个支撑条3430上固定安装有导轨3433。导轨滑块机构343的这些对称布局的导轨3433的共同对称轴限定一引导轴线(lc)方向。如图3至5所示，将引导轴线(lc)限定为与捕获装置300的中轴线重合。此外，每一个导轨3433上都设有前滑块3431和后滑块3432。

参照图2至图4，捕获手爪机构340由四导轨滑块机构343的导轨3433支撑和引导运动。捕获手爪机构340包括一对基础手爪342、多个连杆351、从动滑板349和移动滑板345。在本实施例中，充电插头310和支撑座311的插接中轴线与捕获装置300的中轴线(lc)重合；基础手爪342相对于中轴线(lc)对称设置在接纳部件和支撑座311的外侧，并且向内折弯，以形成钝角(a)。由此形成如图所示的“掌托形状”，从而适于将外部充电目标上的把手实现插入充电插座、退出插座等动作。此外基础手爪342可拆卸地连接替换各种规格的可更换手爪341，以适应不同样式的外部充电把手。例如，可更换手爪341的远离基础手爪342的末端形成倒扣，用于捕获外部充电把手。

继续参照图2至图4，从动滑板349和移动滑板345都与轴线(lc)垂直。从动滑板349与移动滑板345分别与导轨3433上的前滑块3431和后滑块3432固连。使得移动滑板345和从动滑板349能够相对于引导轴线(lc)的方向线性运动，并且允许移动滑板345和从动滑板349之间相对运动。进一步，基础手爪342的靠近固定底座346的端部与连杆351的第一端转动地连接在端部铰接点(p0)，从动滑板349的两端分别与每一个基础手爪342转动地连接在第一铰接点(p1)，移动滑板345的两端分别与连杆351的第二端转动地连接在第二铰接点(p2)。

图5为捕获装置300的手爪机构的运动描述图，其中上半部分的虚线轮廓表达一个手爪在某个张开参考位置，下半部分的实线轮廓表达移动滑板345和从动滑板349有远离动作。图示的双向箭头表达移动滑板345和从动滑板349可以左右移动。

参照图5，在一个实施例中，第一铰接点(p1)与端部铰接点(p0)相距第一距离(d1)，第二铰接点(p2)与端部铰接点(p0)相距第二距离(d2)。在具体的实施例中，第一距离(d1)和第二距离(d2)的比例约为1.3至1.6。第一距离(d1)大于第二距离(d2)；从动滑板349上的两个第一铰接点(p1)之间的距离稍大于移动滑板345上的两个第二铰接点(p2)之间的距离，从而使得连杆351与基础手爪342之间形成钝角b，使得连杆351传送响应快。

应理解到，图5所示的结构实例能够实现：如果同时带动移动滑板345和从动滑板349线性运动，即可实现手爪沿轴线(lc)方向的移动，适合向前伸出手爪捕捉充电把手或者向后收回把手；当移动滑板345和从动滑板349之间相对运动远离时，两把手向内靠紧；当移动滑板345和从动滑板349之间相对运动远离时，两把手向外张开。根据实际应用需要，可以捕获装置300(比如支撑座311)上或者具体到导轨滑块机构343(比如支撑条3430)上设置从动滑板349的行程限制结构，使得从动滑板349固定不动，而移动滑板345与从动滑板349之间即可产生相对运动。

在一实施例中，丝杠螺母机构344的两端分别固定在固定底座346和支撑座311，螺母115与移动滑板345固连，由致动电机348驱动，从而实现捕获手爪机构340的手爪移动与张合两动作同步。致动电机348优选采用步进电机，也可以是伺服电机或者其他电驱动的旋转致动器。

参照图6和图7，在一个实施例中，柔性臂驱动箱100包括若干个相同的驱动单元110、上支撑圆盘130及下支撑圆盘140。驱动单元110中包括驱动单元架111、上轴承座112、双滑轨113、丝杠114、螺母115、组合滑块116、侧转卡线板117、下轴承座118、联轴器119、驱动器121及驱动电机122。

柔性机械臂200的紧绳驱动基座220包括固定柱221、绳索固连件211、弹性绳222、卡线槽盘223、转向盘224。驱动绳210通过绳索固连件211与弹性绳222固连。弹性绳222通过卡线槽盘223限制位置。导向转向盘224与固定柱221固定。因弹性绳222的拉紧使得驱动绳210处于绷紧状态。所述柔性机械臂200的紧绳驱动基座220直接沿着安装方向(di)插入所述柔性机器人驱动箱100中，绕基座轴向(dr)旋转，使侧转卡线板117卡住固连驱动绳210的绳索固连件211，以实现驱动单元110对驱动绳210的拉紧和放松，从而实现柔性机械臂200的运动。如需维修，先让驱动单元110的侧转卡线板117运动上移，使其脱离绳索固连件211，再绕旋转方向反方向旋转，将绳索柔性机器人驱动箱100和柔性机械臂200的快速分离。至此，完成柔性充电机器人的快速拆装。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。