一种作业装置及作业机器人的制作方法

1.本技术实施例涉及机器人技术领域，特别涉及一种作业装置及作业机器人。


背景技术：

2.随着科学技术的发展和进步，机器人技术得到了长足的发展。由于机器人能够完成许多复杂、繁重以及人工不方便完成的工作，所以机器人被越来越多地应用在各个领域中。
3.对于一些需要调整作业范围和作业高度的工作而言，例如农业领域内的自动化采摘工作，需要机器人通过升降动作、或者旋转动作，或者同时进行升降动作和旋转动作来完成，但是现有技术中通常采用不同的装置去实现不同的动作，无法满足轻量化、高度集成化的需求。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种作业装置及作业机器人，以解决现有技术中采用不同的装置去实现不同的动作，无法满足轻量化、高度集成化需求的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种作业装置，包括：升降旋转机构，以及至少一条机械臂；所述升降旋转机构包括升降单元、旋转单元和第一导向杆；所述升降单元包括套设在所述第一导向杆上的升降架，所述升降架由第一执行器驱使沿所述第一导向杆上下移动；所述旋转单元包括第二执行器与转动套设在所述升降架外侧的旋转架，所述旋转架与所述第二执行器的输出端传动连接；所述机械臂与所述旋转架相连，以使所述机械臂在所述第一执行器的驱动下沿所述第一导向杆的长度方向上做直线运动，和/或，在所述第二执行器的驱动下做旋转运动。
6.此外，本技术的实施例还提供了一种作业机器人，包括：如上述的作业装置，以及躯干、运动机构；所述作业装置安装于所述躯干上；所述运动机构设于所述躯干并用于带动所述躯干与作业装置一起移动。
7.此外，本技术的实施例又提供了一种作业机器人，包括躯干、作业装置、运动机构；所述作业装置安装于所述躯干上并包括两具有若干活动关节的机械臂；所述运动机构安装于所述躯干并用于带动所述躯干与作业装置一起移动。
8.本技术实施例提供的作业装置及作业机器人，包括升降旋转机构，以及至少一条机械臂。具体的，升降旋转机构包括升降单元、旋转单元和第一导向杆，第一导向杆为升降运动提供滑动轨道。升降单元包括升降架和第一执行器，升降架在第一执行器的驱动下沿着第一导向杆上下移动；而旋转单元包括转动套设在升降架外侧的旋转架，旋转架在第二执行器的驱动下能够绕升降架做旋转运动。其中，机械臂与旋转架相连。可以看出，本技术实施例通过升降旋转机构带动机械臂进行运动，使得机械臂既能单独实现升降运动，也能单独实现旋转运动，同样也能够同时实现升降运动和旋转运动，结构可靠稳定，并且具有轻量化、高度集成化的特点。
9.另外，所述第一导向杆的外侧面设置有螺旋线形滑槽；所述升降单元还包括套设在所述第一导向杆上的支撑架，以及滑动设置在所述螺旋线形滑槽上的第一导向件；所述支撑架与所述升降架固定连接，所述第一导向件的一端与所述支撑架转动连接、另一端与第一执行器的输出端传动连接。
10.另外，还包括与所述第一导向杆平行设置的第二导向杆，所述第二导向杆依次穿过所述升降架和支撑架；所述支撑架上还穿设有第二导向件，所述支撑架通过所述第二导向件滑动设置在所述第二导向杆上。
11.另外，所述支撑架上靠近于所述第一执行器一侧还设置有第一限位件，所述第一限位件上设置有用于套设在第二导向杆上的装配孔，所述装配孔的内径尺寸小于所述第二导向件的径向尺寸。
12.另外，所述第一导向件通过第一传动结构与所述第一执行器的输出端传动连接，所述第一传动结构包括第一连接件，以及相啮合的升降传动齿轮和从动齿轮；其中，所述第一执行器的输出端与所述升降传动齿轮传动连接，所述从动齿轮与所述第一导向件固定连接；所述第一连接件包括相对设置的两端面，一所述端面与所述第一执行器相连、另一所述端面上设置所述升降传动齿轮和从动齿轮；另一所述端面在沿垂直于所述第一导向杆轴线的方向上露出至少部分的所述升降传动齿轮。
13.另外，所述旋转架与所述升降架之间夹设有轴承，所述轴承包括由内至外依次设置的内圈和外圈；所述第一导向杆上远离于所述第一执行器的一端还设置有第二限位件，所述第二限位件沿垂直于所述第一导向杆轴线上的尺寸大于所述外圈的内径尺寸。
14.另外，所述升降旋转机构上对称设置有两所述机械臂。
15.另外，所述机械臂具有若干活动关节。
16.另外，每条所述机械臂包括肩关节执行器、上臂、肘关节执行器、前臂、腕关节执行器以及末端执行器，所述上臂的一端安装于所述肩关节执行器、另一端与所述肘关节执行器连接，所述前臂的一端与所述肘关节执行器连接、另一端与所述腕关节执行器连接，所述末端执行器与所述腕关节执行器连接；所述肩关节执行器还与所述旋转架相连。
17.另外，所述运动机构为机械腿或驱动轮。
18.另外，所述运动机构为机械腿，所述运动机构包括固定座，安装于所述固定座上的髋关节执行器，所述髋关节执行器上还连接有腿部；所述腿部包括大腿、连杆、膝关节执行器、小腿、踝关节执行器以及脚掌，所述大腿与所述连杆的一端均安装于所述髋关节执行器，所述大腿与所述连杆的另一端均与所述膝关节执行器铰接，所述小腿的一端与所述膝关节执行器铰接、另一端与所述踝关节执行器连接，所述脚掌与所述踝关节执行器铰接；所述髋关节执行器驱动所述大腿及所述连杆绕所述髋关节执行器的轴向以及径向转动；所述膝关节执行器驱动所述小腿绕所述膝关节执行器的径向转动；所述踝关节执行器驱动所述脚掌绕所述踝关节执行器的径向转动；所述固定座上设置所述第一导向杆，以承载所述作业装置。
附图说明
19.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
34.如图1所示，本技术实施例一提供了一种作业装置包括：升降旋转机构10，以及至少一条机械臂20。参照图2和图3，该升降旋转机构10包括：升降单元110、旋转单元120和第一导向杆130。具体的，升降单元110包括套设在第一导向杆130上的升降架111，升降架111在第一执行器116的驱动下沿第一导向杆130上下移动。旋转单元120包括转动套设在升降架111外侧的旋转架121，支撑架112上连接有第二执行器123，旋转架121上靠近于支撑架112的一侧与第二执行器123的输出端传动连接；升降架111在第一执行器116的驱动下带动旋转架121沿第一导向杆130的长度方向上做直线运动，旋转架121在第二执行器123的驱动下在升降架111的外侧做旋转运动。
35.更具体的，机械臂20与旋转架121相连，以使升降旋转机构10带动机械臂20一起运动。可选的，为了便于安装，可将机械臂20连接在旋转架121的外侧面。另外，根据实际需求，机械臂20的数量可以为一条，也可以为两条，或者更多。
36.综上所述，本技术实施例通过升降旋转机构10带动机械臂20进行运动，使得机械臂20既能单独实现升降运动，也能单独实现旋转运动，同样也能够同时实现升降运动和旋转运动，结构可靠稳定，并且具有轻量化、高度集成化的特点。由此使得本技术实施例提供的作业装置可以适用于更多周向方向上的作业环境和不同高度的作业环境。
37.在本技术的一些实施例中，如图3和图4所示，第一导向杆130的外侧面设置有螺旋线形滑槽(图中未示出)，第一导向杆130为升降运动提供滑动轨道。可以理解的是，该螺旋线形滑槽沿第一导向杆130的长度方向分布。升降单元还包括套设在第一导向杆130上的支撑架112，以及滑动设置在螺旋线形滑槽上的第一导向件113；升降架111与支撑架112固定连接，第一导向件113的一端与升降架111转动连接、另一端与第一执行器116的输出端传动连接。具体的，第一导向件113在第一执行器116的驱动下，沿着第一导向杆130上下移动，并带动与其相连的升降架111和支撑架112一起沿第一导向杆130的长度方向上做直线运动。其中，需要说明的是，升降架111和支撑架112先对其两者上的对应开孔(例如供第一导向杆130穿过的孔)，然后再将升降架111和支撑架112固定连接，固定连接的具体方式可以是焊接、铆接或者连接件固定。
38.在本技术的一些实施例中，该升降旋转机构10还包括与第一导向杆130平行设置的第二导向杆140，第二导向杆140依次穿过升降架111和支撑架112，且第二导向杆140与支撑架112相连。通过设置于第一导向杆130相平行的第二导向杆140，由第一导向杆130和第二导向杆140协同配合，有效避免在进行旋转运动或者升降运动时产生的结构晃动，或者对第一导向杆130产生扭矩的问题出现。其中，出于降低设计难度的考量，可以设置第二导向杆140与第一导向杆130的径向尺寸相同，以使升降架111上用于穿设第一导向杆130和第二导向杆140的开孔尺寸相同，提高生产便利性。优选的，还可以设置第二导向杆140与第一导向杆130的材质、以及长度也相同。
39.其中，支撑架112上还穿设有第二导向件150，支撑架112通过第二导向件150滑动设置在第二导向杆140上。第二导向件150的设置不但可以对支撑架112在沿第二导向杆140
上的运动起到导向作用，还可以避免支撑架112与第二导向杆140直接配合而在相对运动中产生磨损。具体的，第二导向件150可以为直线轴承，直线轴承具有摩擦小，且比较稳定，不随轴承速度而变化，能获得灵敏度高、精度高的平稳直线运动的优点。
40.在本技术的一些实施例中，支撑架112上靠近于第一执行器116一侧还设置有第一限位件160，第一限位件160上设置有用于套设在第二导向杆140上的装配孔161，装配孔161的内径尺寸小于第二导向件150的径向尺寸。升降架111对第二导向件150的一侧限位，通过设置第一限位件160来对第二导向件150的另一侧进行限位，起到托住第二导向件150的作用，避免第二导向件150从支撑架112中脱出的问题出现。
41.在本技术的一些实施例中，第一导向件113通过第一传动结构115与第一执行器116的输出端传动连接。具体的，第一传动结构115包括第一连接件115a，以及相啮合的升降传动齿轮115b和从动齿轮115c；其中，第一执行器116的输出端与升降传动齿轮115b传动连接，从动齿轮115c与第一导向件113相连。具体的，第一执行器116的输出端启动，将扭矩传递给升降传动齿轮115b；因为升降传动齿轮115b与从动齿轮115c相啮合，所以带动从动齿轮115c转动；从动齿轮115c又带动第一导向件113沿第一导向杆130做升降运动，并带动与其相连的升降架111和支撑架112一起沿第一导向杆130的长度方向上做直线运动。更具体的，第一连接件115a包括相对设置的两端面，一端面与第一执行器116相连、另一端面上设置升降传动齿轮115b和从动齿轮115c；另一端面在沿垂直于第一导向杆130轴线的方向上露出至少部分的升降传动齿轮115b以便于将升降传动齿轮115b与从动齿轮115c调整为啮合的状态，便于操作。
42.并且，第一导向件113可以设置为丝杠螺母，该丝杠螺母滑动设置在第一导向杆130的螺旋线形滑槽上，由此可以实现沿着第一导向杆130做螺旋式升降运动。
43.另外，第一导向件113的一端通过第三连接件114与支撑架112转动相连，第三连接件114包括上轴承固定法兰114a和下轴承固定法兰114b，上轴承固定法兰114a依次穿过支撑架112、第一限位件160以连接到下轴承固定法兰114b，上轴承固定法兰114a与支撑架112之间设置有轴承，下轴承固定法兰114b与丝杠螺母相连，以在限制支撑架112、第一限位件160无法在轴向上互相做远离运动，而不影响前述两者做径向运动。
44.据上述可知，且旋转架121与升降架111之间夹设有轴承122，以使旋转架121可以相对于升降架111旋转。且旋转架121通过第二传动结构124在第二执行器123能够绕升降架111做旋转运动。具体的，第二传动结构124包括内齿圈124a和旋转传动齿轮124b，如图2和图5所示，内齿圈124a设置在旋转架121上靠近于第一执行器116的一侧，旋转传动齿轮124b的轴心与第二执行器123的输出端相连、齿轮端啮合在内齿圈124a上。由此一来，在第二执行器123旋转时，带动旋转传动齿轮124b转动，最终在旋转传动齿轮124b于内齿圈124a的配合下，使旋转架121旋转。
45.在本技术的一些实施例中，轴承122包括由内至外依次设置的内圈和外圈，为了限制升降运动的最高位置，第一导向杆130上远离于第一执行器116的一端还设置有第二限位件190，第二限位件190沿垂直于第一导向杆130轴线上的尺寸大于外圈的内径尺寸。在一种实施方式中，旋转架121和升降架111之间通过轴承122实现转动相连，轴承122上远离于第一执行器116的一侧依次设置有轴承内圈限位件170和轴承外圈限位件180；轴承内圈限位件170的内径尺寸大于或者等于内圈的内径尺寸，且轴承内圈限位件170的外径尺寸小于或
者等于内圈的外径尺寸；轴承外圈限位件180的内径尺寸大于或者等于外圈的内径尺寸。通过设置轴承内圈限位件170、轴承外圈限位件180来避免轴承122的内圈与外圈之间发生轴向位移，以致内圈和外圈错位而导致轴承122转动不流畅。可以设置第二限位件190沿垂直于第一导向杆130轴线上的尺寸大于轴承外圈限位件180的内径尺寸。相似的，还可以通过额外设置其他限位件，来限制升降运动的最低位置。
46.其中，第一执行器116和第二执行器123可采用型号和规格一致的执行器。在本技术的一些实施例中，第一执行器116和第二执行器123均内置有抱闸。抱闸的控制方式一般是得电时抱闸松开，失电时抱闸抱紧，以对该升降旋转机构10形成断电保护。
47.综上所述，当本技术实施例提供的作业装置需要调整机械臂20在高度方向上的位置时(即实现升降运动)，启动第一执行器116，第一执行器116的输出端输出扭矩，通过第一传动结构115带动第一导向件113沿第一导向杆130做螺旋式升降运动，最终带动与第一导向件113相连的升降架111沿第一导向杆130做升降运动。
48.当本技术实施例提供的作业装置需要调整机械臂20在周向方向上的位置时(实现旋转运动)，启动第二执行器123，第二执行器123的输出端输出扭矩，通过第二传动结构124带动第二导向件150做旋转运动，进而带动与第二导向件150相连的旋转架121绕升降架111做旋转运动。
49.当本技术实施例提供的作业装置需要调整机械臂20在高度方向上的位置和周向方向上的位置时(同时实现升降运动和旋转运动)，则同时启动第一执行器116和第二执行器123即可。
50.其中，需要注意的是，当该升降旋转机构10中的第一导向轨的设置方向与铅垂线平行，则在第一执行器116的驱动下，该升降旋转机构10实现的是无倾斜角度的升降运动；当该升降旋转机构10中的第一导向轨的设置方向垂直于铅垂线，则在第一执行器116的驱动下，该升降旋转机构10实现的是水平方向的左右移动。根据第一导向轨的设置方向不同，该升降旋转机构10做升降运动的表征不同。
51.在本技术的一些实施例中，升降旋转机构10上对称设置有两机械臂20。例如，该作业装置包括对称设置在旋转架121左右两侧的机械臂20，共计两条机械臂20，以更方便地、效率更高地进行作业。
52.在本技术的一些实施例中，该机械臂20具有若干活动关节。具体的，如图6所示，每条机械臂20包括肩关节执行器210、上臂220、肘关节执行器230、前臂240、腕关节执行器250以及末端执行器260，上臂220的一端安装于肩关节执行器210、另一端与肘关节执行器230连接，前臂240的一端与肘关节执行器230连接、另一端与腕关节执行器250连接，末端执行器260与腕关节执行器250连接。肩关节执行器210驱动上臂220绕肩关节执行器210的轴向以及径向转动；肘关节执行器230驱动前臂240绕肘关节执行器230的径向转动；腕关节执行器250驱动末端执行器260绕腕关节执行器250的径向转动。
53.为了使肩关节执行器210可以实现驱动上臂220绕肩关节执行器210的轴向以及径向转动的目的，可选的，肩关节执行器210具体包括摆臂执行器和抬臂执行器。通过摆臂执行器可以驱动机械臂20前后摆动；而抬臂执行器在机械臂20中用于驱动上臂220、前臂240及末端执行器260抬起或者放下。其中，肩关节执行器210还与旋转架相连，以实现机械臂20与升降旋转机构10之间的连接。
54.需要说明的是，在其他实施例中，该作业装置中的机械臂20部分可拆卸下来，更换不同机械臂20模块。并且，末端执行器260也可以根据使用需求更换为夹持部、吸盘等，在此不做具体的限定。
55.本技术实施例二提供了一种作业机器人，如图7所示，包括：如上述的作业装置，以及躯干、运动机构30。该作业装置安装于躯干上。另外，第一导向杆130上靠近于第一执行器116的一端与运动机构30相连；运动机构30用于带动躯干与作业装置一起移动。
56.事实上，本技术实施例二提供的作业机器人包括的作业装置与上述实施例一提供的作业装置相同，因此，本技术实施例二提供的作业机器人包括的作业装置具有与上述实施例一提供的作业装置相同的有益效果，在此不再赘述。
57.本实施例中的作业机器人可以应用在农业采摘、工业搬运和仓储、服务以及教育等领域。并且，还可以通过将本技术实施例提供的作业机器人整体安装于其他产品上，如现有安保或巡检机器人中，用于配合巡检，维护设备，搬运等工作。
58.在本技术的一些实施例中，运动机构30为机械腿或驱动轮。
59.其中，在运动机构30为机械腿的情况下，该运动机构30包括固定座310，安装于固定座310上的髋关节执行器320，髋关节执行器320上连接有腿部330；该腿部330包括大腿331、连杆332、膝关节执行器333、小腿334、踝关节执行器335以及脚掌336，大腿331与连杆332的一端均安装于髋关节执行器320，大腿331与连杆332的另一端均与膝关节执行器333铰接，小腿334的一端与膝关节执行器333铰接、另一端与踝关节执行器335连接，脚掌336与踝关节执行器335铰接；髋关节执行器320驱动大腿331及连杆332绕髋关节执行器320的轴向以及径向转动；膝关节执行器333驱动小腿334绕膝关节执行器333的径向转动；踝关节执行器335驱动脚掌336绕踝关节执行器335的径向转动；固定座310上设置第一导向杆，以承载作业装置。
60.在一种实施方式中，作业机器人可以为双足机器人。该运动机构30包括固定座310，安装于固定座310上的两个髋关节执行器320，与两个髋关节执行器320一一对应的两个腿部330；每个腿部330包括大腿331、连杆332、膝关节执行器333、小腿334、踝关节执行器335以及脚掌336，大腿331与连杆332的一端均安装于髋关节执行器320，大腿331与连杆332的另一端均与膝关节执行器333铰接，小腿334的一端与膝关节执行器333铰接、另一端与踝关节执行器335连接，脚掌336与踝关节执行器335铰接；髋关节执行器320驱动大腿331及连杆332绕髋关节执行器320的轴向以及径向转动；膝关节执行器333驱动小腿334绕膝关节执行器333的径向转动；踝关节执行器335驱动脚掌336绕踝关节执行器335的径向转动；固定座310上设置第一导向杆130，以承载作业装置。
61.在髋关节执行器320驱动大腿331及连杆332绕髋关节执行器320轴向沿同一方向转动时，可以实现腿部330的抬起或者放下，在髋关节执行器320驱动大腿331及连杆332绕髋关节执行器320轴向沿相反方向转动时，可以实现腿部330的弯曲或者伸展，在髋关节执行器320驱动大腿331及连杆332绕髋关节执行器320径向沿同一方向或者相反方向转动时，可以实现腿部330的偏航，从而实现作业机器人腿部330的多方位动作，以便实现作业机器人的多方位行走。
62.在另一种实施方式中，继续参考图7，作业机器人可以为四足机器人。该运动机构30还包括两个后腿，以及安装于固定座310的第二连接件340；每个后腿包括一个髋关节执
行器320和一个腿部330，每个后腿的髋关节执行器320安装于第二连接件340。通过在双足机器人中加入两个后腿，可以形成四足机器人，以扩展机器人的应用场景。可以理解的是，在本实施例中并不对机械腿的数量做出具体的限制。
63.另外，在运动机构30为驱动轮的情况下，该运动机构30包括固定座，以及安装于固定座上的至少两个车轮。两个车轮即可以满足作业机器人的运动需求，为了提高运动过程中的稳定性，可以适当地增加车轮的数量，如三个车轮、四个车轮。可以理解的是，在本实施例中也不对驱动轮的数量做出具体的限制。
64.本技术实施例三提供了一种作业机器人，继续参考图7，包括：躯干、作业装置、运动机构30。该作业装置安装于躯干上并包括两具有若干活动关节的机械臂20；运动机构30安装于躯干并用于带动躯干与作业装置一起移动。具体的，该作业装置包括两条机械臂20，两条机械臂20可以对称地设置在躯干的左右两侧。其中，每条机械臂20具有若干个活动关节，由此具有更多自由度，以便于开展作业。可以理解的是，本实施例中的机械臂20可以采用上述实施例中机械臂20的设置方式，也可以采用其他设置方式。
65.更具体的，运动机构30用于带动躯干与作业装置一起移动，运动机构30可以采用上述实施例中的设置方式为机械腿或驱动轮，在此不赘述。
66.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。