基于六自由度机械臂的双臂协同机器人

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1.本发明涉及机器人技术领域的一种机械臂机器人，特别是涉及一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人。

背景技术：

2.在大量的采样样品送往检测实验室后，需要进行拆包灭活、信息录入和样品提取，在提取完成后送去做实时荧光定量pcr。然而，这些工作工序简单、重复度高、感染风险较高，对于穿着防护服工作的医护人员来说，会增加其工作强度和负担，因此利用机械臂替代医护人员双手的需求显著。目前国内外医院中仅在样品提取中采用了自动化流程，对样品的分拣，放置仍需要人工操作。因此可以利用双臂协同机器人来进行定点分拣和放置工作。

技术实现要素：

3.本发明提供了基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，确切的说，是一种集自主转动、定点分拣、试剂放置、辅助医护人员等功能的双臂机器人，可以减少在核酸检测工序中医护人员对样品的直接接触，对采样试剂进行分拣的流程中起到作用。
4.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
5.使用铝型材搭建机械臂工作的支撑架，在支撑架上方搭建一个具有旋转自由度的腰部，腰部上方放置机械臂肩部，肩部与机械臂第一个关节底座相连接，使得机械臂双臂在具有一定的协同工作空间的同时，可以减小机械臂的碰撞。所用的气动机械臂夹爪可以实现试剂的夹取。
6.本发明包括两个机械臂、机械夹爪、机器人肩部结构、机器人腰部结构和腰部支撑结构；
7.腰部支撑结构上安装有机器人腰部结构，机器人腰部结构用于驱动机器人的周向旋转，机器人腰部结构上固定安装有机器人肩部结构，两个机械臂对称安装在机器人肩部结构的两侧，两个机械臂上电后自动复位至初始臂姿，两个机械臂的末端分别安装有对应的机械夹爪，机器人腰部结构、机械臂和机械夹爪的驱动，实现机械夹爪定点的物体抓取和放置。
8.所述两个机械臂的结构相同，均包括第一关节组、第二关节组、第三关节组、第四关节组、第五关节组和第六关节组，第一关节组固定安装在机器人肩部结构的侧面，第一关节组依次经第二关节组、第三关节组、第四关节组和第五关节组后与第六关节组相连，第六关节组与对应机械夹爪相连。
9.所述第一关节组包括第一关节底座、第一小带轮、第一关节输出轴、圆锥滚子轴承、第一输出轴支撑座、第一限位开关、第一大带轮、第一编码器、第一电机和第一电机座；
10.第一关节底座固定安装在机器人肩部结构的侧面，第一电机通过第一电机座固定安装在第一关节底座上，第一电机上部的输出轴与第一编码器相连，第一关节底座的底面设置有第一小带轮和第一大带轮，第一小带轮和第一大带轮之间通过第一传动带连接形成
第一关节带轮副，第一电机下部的输出轴穿过第一关节底座后与第一小带轮同轴固连，第一关节底座上还固定安装有第一输出轴支撑座，第一输出轴支撑座内固定安装有圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承中同轴连接有第一关节输出轴，第一关节输出轴的底端穿过第一关节底座后与第一大带轮同轴连接；第一关节输出轴的顶端与第二关节组的下表面固定连接，第一输出轴支撑座靠近第一电机一侧的侧面安装有第一限位开关；第一电机的驱动带动第一关节带轮副，第一关节带轮副带动第一关节输出轴转动，第一关节输出轴的转动使得第二关节组转动。
11.所述第二关节组包括第二关节输出轴、第二输出轴支撑座、辅助定位片、第二限位开关、第二关节底座、电机减速器、第二电机、第二编码器和第二电机座；
12.第二关节底座的下表面与第一关节组固定连接，第二关节底座靠近第一关节组的下表面设置有凸起，靠近第二关节底座的上表面间隔布置有第二输出轴支撑座和第二电机座，第二电机固定安装在第二电机座中，第二电机一端的输出轴与第二编码器相连，第二电机另一端的输出轴与电机减速器同轴固连；第二输出轴支撑座中设置有第二关节输出轴，电机减速器的输出轴外同轴套设有辅助定位片，电机减速器的输出轴穿过辅助定位片后与第二输出轴支撑座中的第二关节输出轴的一端同轴固连，第二关节输出轴的另一端与第三关节组固定连接，辅助定位片设置在电机减速器和第二输出轴支撑座之间，辅助定位片下方的第二输出轴支撑座固定安装有第二限位开关；第二电机的驱动同步带动电机减速器、辅助定位片和第二关节输出轴转动，从而第三关节组也转动。
13.所述第三关节组包括第三关节输出法兰盘、第三固定片、止推球轴承、两个链轮、第三限位开关、第三关节支座、第三轴承盖、第三轴承、第三电机、第三编码器、第三电机座和第三传动链；
14.第三关节支座与第二关节组固定连接，第三关节支座上部的一侧与第三轴承盖固定连接，第三轴承盖内同轴固定连接第三轴承，第三关节输出法兰盘设置在第三轴承盖远离第三关节支座的一侧，第三关节输出法兰盘与第四关节组固定连接；第三关节输出法兰盘中同轴安装有止推球轴承，第三关节输出法兰盘中部设置有阶梯轴，阶梯轴的上部穿过止推球轴承和第三轴承后与一个链轮同轴固定连接，一个链轮与第三轴承之间还安装有第三固定片；第三轴承盖下方的第三关节支座的侧面固定安装有第三限位开关，第三电机通过第三电机座固定安装在第三关节支座的下部，第三电机一端的输出轴与第三编码器相连，第三电机另一端的输出轴与另一个链轮同轴固连，两个链轮之间通过链连接并形成第三关节链轮副，第三电机的驱动带动第三关节链轮副，进而带动第三关节输出法兰盘的转动，从而带动第四关节组转动。
15.所述第四关节组包括第四大带轮、第四传动带、第四限位开关、第四小带轮、第四电机支架、第四关节底座、第四电机座、第四电机和第四编码器；
16.第四关节底座的第一侧面与第三关节组固定连接，第四关节底座的下表面通过第四电机座和第四电机支架固定安装有第四电机，第四电机一端的输出轴与第四编码器相连，第四电机另一端的输出轴与第四小带轮同轴固连，第四关节底座的第二侧面固定安装有第四大带轮，第四大带轮与第四小带轮之间通过第四传动带连接形成第四关节带轮副，第五关节组安装在第四关节底座中并与第四大带轮同轴固定连接，第四关节底座的第三侧面固定安装有第四限位开关；第四电机的驱动带动第四关节带轮副，从而带动第五关节组
转动；
17.所述第五关节组包括第五编码器、第五电机、第五电机座、第五关节轴、张紧轮、丝杆螺母、金属杆、输出带轮、第五关节底座、第五关节限位开关和第六关节轴承；
18.第五关节轴与第四关节组固定连接，第五关节轴与第五电机座的一端固定连接，具体地，第五关节轴安装在第四关节底座中并且第五关节轴的一端与第四大带轮同轴固定连接，第五关节轴的另一端与第五电机座固定连接；第五电机座靠近第四关节底座的侧面设置有凸起，第五关节底座的另一端设置有两个分支端，两个分支端中分别安装有输出带轮和第六关节轴承，输出带轮和第六关节轴承之间固定安装有第六关节组；
19.第五关节底座内还安装有张紧轮，张紧轮和输出带轮之间通过第五传送带连接并形成张紧-输出轮副，张紧轮和输出带轮之间的第五传送带中还设置有丝杆螺母，丝杆螺母与第五传送带之间固定连接，金属杆固定安装在第五关节底座内，金属杆与第五传送带之间平行布置，丝杆螺母套设在金属杆，丝杆螺母沿着金属杆进行滑动；第五关节底座中靠近第六关节组一侧固定安装有第五关节限位开关；第五电机固定安装在第五电机座上，第五电机的一端与第五编码器相连，第五电机的另一端为丝杆，丝杆依次穿过第五电机座、第五关节轴和第五关节底座后与丝杆螺母同轴连接，第五电机驱动后丝杆的转动使得丝杆螺母沿金属杆滑动，进而带动张紧-输出轮副，从而带动第六关节组转动。
20.所述第六关节组包括第六电机座、第六电机和第六编码器和第六限位开关；
21.第六电机座与第五关节组固定连接，第六电机固定安装在第六电机座上，第六电机的一端与第六编码器连接，第六电机的另一端穿过第六电机座后与对应的机械夹爪同轴固连，第六编码器靠近第五关节组布置，第六电机座上固定安装有第六限位开关，第六电机的驱动带动机械夹爪转动。
22.所述机械夹爪包括手指滑台气缸、气缸底座和树脂打印件；气缸底座与第六关节组固定连接，手指滑台气缸固定安装在气缸底座上，两个树脂打印件对称且间隔的安装在手指滑台气缸上，两个树脂打印件之间设置被抓取的物体；手指滑台气缸的驱动进行两个树脂打印件的开合，实现物体的抓取和释放。
23.所述机器人肩部结构包括上层支撑架、下层支撑架、斜铝型材、下层支撑架和水平铝型材；
24.机器人肩部结构水平对称设置，水平铝型材的下表面与机器人腰部结构固定连接，水平铝型材上表面的两侧分别固定安装有呈夹角设置的两个斜铝型材，两个斜铝型材的顶部接触连接并且两个斜铝型材与水平铝型材之间形成三角支撑结构，每块斜铝型材上表面分别安装有上层支撑架和下层支撑架，上层支撑架和下层支撑架之间固定安装有第一关节组。
25.所述机器人腰部结构包括连接木板、月牙形树脂板、餐桌轴承、腰部大带轮、半弧形树脂板、腰部电机、腰部小带轮和腰部电机座；
26.连接木板与机器人肩部结构固定连接，连接木板的正下方设置有餐桌轴承，餐桌轴承内圈的顶端通过月牙形树脂板与连接木板连接，餐桌轴承的外圈通过半弧形树脂板与腰部支撑结构固定连接；餐桌轴承内圈的底端与腰部大带轮同轴固连，腰部支撑结构的侧面固定安装有腰部电机座，腰部电机固定安装在腰部电机座上，腰部电机的输出轴与腰部小带轮同轴固连，腰部小带轮与腰部大带轮之间通过腰部传送带连接并形成腰部带轮副；
腰部电机的驱动带动腰部带轮副，进而带动餐桌轴承的内圈转动，餐桌轴承的内圈带动连接木板和月牙形树脂板同步转动，实现机器人腰部结构的周向旋转。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28.1.本发明使用六自由度的机械臂双臂，且将机械臂安装在一个可旋转的腰部，一方面可以使得机械臂和腰部的结构更加紧凑，更加拟人化，另一方面也可以扩展相应的工作空间，如从身前一个工作区抓取试剂到身后工作区，使得试剂的传送更加方便。
29.2.本发明所用的双臂机械臂各关节具有位置反馈功能，可以保证在试剂抓取过程中的准确性与安全性。
30.3.本发明所使用的夹爪可以通过节流阀来控制抓取的力度，最大夹持力为 19n，可以保证夹持过程中不掉落、不夹碎。
31.4.本发明所涉及的机械臂肩部具有合适的倾角，一方面使得机械臂外观更加美观，另一方面使得机械臂具有合适的协作空间。
附图说明
32.图1为本发明的整体结构示意图；
33.图2为本发明中六自由度机械臂结构示意图；
34.图3为本发明中机械臂第一个关节结构示意图；
35.图4为本发明中机械臂第二个关节结构示意图；
36.图5为本发明中机械臂第三个关节结构示意图；
37.图6为本发明中机械臂第四个关节结构示意图；
38.图7为本发明中机械臂第五个关节结构示意图；
39.图8为本发明中机械臂第六个关节结构示意图；
40.图9为本发明中机械夹爪结构示意图；
41.图10为本发明中机器人肩部、腰部和支撑架结构示意图。
42.图11为本发明中支撑架结构示意图。
43.图12为本发明的机械臂复位时示意图。
44.图13为本发明的机械臂抓取物体的示意图。
45.图中：机械臂1、第一关节组11、第一小带轮110、第一关节输出轴111、圆锥滚子轴承112、第一输出轴支撑座113、第一限位开关114、第一大带轮115、第一编码器116、第一电机117、第一电机座118、第二关节组12、第二关节输出轴120、第二输出轴支撑座121、辅助定位片122、第二限位开关123、第二关节底座124、电机减速器125、第二电机126、第二编码器127、第二电机座 128、第三关节组13、第三关节输出法兰盘130、第三固定片1301、止推球轴承 1302、链轮131、链轮外壳132、第三关节支座133、第三限位开关1331、第三轴承盖(134)、第三轴承1341、第三电机135、第三编码器136、第三电机座 137、第三传动链138、第四关节组14、第四大带轮140、传动带141、第四限位开关142、第四小带轮143、第四电机支架144、第四关节底座145、第四电机座146、第四电机147、第四编码器148、第五关节组15、第五编码器150、第五电机151、第五电机座152、第五关节轴153、张紧轮154、丝杆螺母155、金属杆156、输出带轮157、第五关节底座158、第五关节限位开关1581、第五关节外壳159、第六关节组16、第六关节轴承160、第六电机座161、第六电机 162、第六编码器163、第六限位开关164、
机械夹爪2、手指滑台气缸21、气缸底座22、树脂打印件23、机器人肩部结构3、上层支撑架31、第一关节底座 32、下层支撑架34、45
°
斜铝型材34、水平铝型材35、机器人腰部结构4、连接木板41、月牙形树脂板42、餐桌轴承43、腰部大带轮44、半弧形树脂板45、腰部电机46、腰部小带轮47、腰部电机座48、腰部支撑结构5、支撑型材51。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
47.本发明包含的内容主要与机器人技术相关，更确切的说是基于六自由度机械臂的双臂协同机器人。本发明旨在协助医护人员在核酸检测后对样品的处理过程中完成自主转动、定点分拣、试剂放置等工作，本发明适用于定点地对样品进行分拣场景中，在一定程度上降低在疫情防护期间医护人员被感染风险和工作强度。由于本发明中的机器人腰部能够实现340
°
范围内的转动，可以有效地扩大机械臂双臂的工作空间；由于本发明的机械夹爪可以调节夹持力度，因此可以完成试管等物品的抓取；由于本发明的机械臂为双臂，程一定角度的倾斜，可以保证机械臂的协作运动空间，能够实现单臂无法完成的较为复杂的搬运动作。
48.如附图1所示，本发明所提供的基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，包括两个机械臂1、机械夹爪2、机器人肩部结构3、机器人腰部结构4和腰部支撑结构5；
49.腰部支撑结构5上安装有机器人腰部结构4，机器人腰部结构4用于驱动机器人的周向旋转，机器人腰部结构4上固定安装有机器人肩部结构3，两个机械臂1对称安装在机器人肩部结构3的两侧，两个机械臂1上电后自动复位至初始臂姿，两个机械臂1的末端分别安装有对应的机械夹爪2，机器人腰部结构4、机械臂1和机械夹爪2的驱动，实现机械夹爪2实现定点的物体抓取和放置。
50.如图2所示，两个机械臂1的结构相同，均包括第一关节组11、第二关节组12、第三关节组13、第四关节组14、第五关节组15和第六关节组16，第一关节组11、第二关节组12、第三关节组13、第四关节组14、第五关节组15和第六关节组16依次向上延伸布置，第一关节组11固定安装在机器人肩部结构3 的侧面，第一关节组11依次经第二关节组12、第三关节组13、第四关节组14 和第五关节组15后与第六关节组16相连，即第二关节组12安装在第一关节组 11上，第三关节组13安装在第二关节组12上，第四关节组14安装在第三关节组13上，第五关节组15安装在第四关节组14上，第六关节组16安装在第五关节组15上，第六关节组16与对应机械夹爪2相连。
51.如图3的(a)和(b)所示，第一关节组11包括第一关节底座32、第一小带轮 110、第一关节输出轴111、圆锥滚子轴承112、第一输出轴支撑座113、第一限位开关114、60齿第一大带轮115、第一编码器116、第一电机117和第一电机座118；
52.第一关节底座32固定安装在机器人肩部结构3的侧面，第一电机117通过第一电机座118固定安装在第一关节底座32上，第一电机117上部的输出轴与第一编码器116相连，第一编码器116用于闭环控制第一电机117，第一关节底座32的底面设置有第一小带轮110和60齿第一大带轮115，第一小带轮110和 60齿第一大带轮115之间通过第一传动带连接形成第一关节带轮副，第一电机 117下部的输出轴穿过第一关节底座32后与15齿第一小带轮110同轴固连，具体实施中，第一电机117与减速箱同轴固连，减速箱通过第一电机座118固
定安装在第一关节底座32上，减速箱的输出轴穿过第一关节底座32后与第一小带轮110同轴固连。第一关节底座32上利用螺栓还固定安装有第一输出轴支撑座113，第一输出轴支撑座113内固定安装有圆锥滚子轴承112，圆锥滚子轴承 112中同轴连接有第一关节输出轴111，第一关节输出轴111的底端穿过第一关节底座32后与60齿第一大带轮115同轴连接；第一关节输出轴111的顶端与第二关节组12的第二关节底座124下表面固定连接，第二关节组12的下表面与圆锥滚子轴承112的内圈顶部接触，第一输出轴支撑座113靠近第一电机117 一侧的侧面安装有第一限位开关114，第一限位开关114上下布置，用于对第一关节组11的关节旋转角限位；第一电机117的驱动带动第一关节带轮副，第一关节带轮副带动第一关节输出轴111转动，第一关节输出轴111的转动使得第二关节组12转动。
53.如图4所示，第二关节组12包括第二关节输出轴120、第二输出轴支撑座 121、辅助定位片122、第二限位开关123、第二关节底座124、电机减速器125、第二电机126、第二编码器127和第二电机座128；
54.第二关节底座124的下表面通过螺栓与第一关节组11的第一关节输出轴 111的顶端固定连接，第二关节底座124靠近第一关节组11的下表面设置有凸起，凸起与第一限位开关114配合，实现第一关节组11的限位。靠近第二关节底座124的上表面间隔布置有第二输出轴支撑座121和第二电机座128，第二电机126固定安装在第二电机座128中，第二电机126一端的输出轴与第二编码器127相连，第二编码器127用于闭环控制第二电机126，第二电机126输出轴的轴向与第一电机117输出轴的轴向在空间上垂直布置，第二电机126另一端的输出轴与电机减速器125同轴固连；第二输出轴支撑座121中设置有第二关节输出轴120，电机减速器125的输出轴外同轴套设有辅助定位片122，电机减速器125的输出轴穿过辅助定位片122后与第二输出轴支撑座121中的第二关节输出轴120的一端同轴固连，第二关节输出轴120的另一端设置在第二输出轴支撑座121外并与第三关节组13的第三关节支座133固定连接，辅助定位片 122设置在电机减速器125和第二输出轴支撑座121之间，辅助定位片122下方的第二输出轴支撑座121固定安装有第二限位开关123，辅助定位片122与第二限位开关123的配合，实现对第二关节组12的限位；第二电机126的驱动同步带动电机减速器125、辅助定位片122和第二关节输出轴120转动，从而第三关节组13也转动。
55.如图5的(a)和(b)所示，第三关节组13包括第三关节输出法兰盘130、第三固定片1301、止推球轴承1302、两个链轮131、第三限位开关1331、第三关节支座133、第三轴承盖134、第三轴承1341、第三电机135、第三编码器136、第三电机座137和第三传动链138；
56.第三关节支座133与第二关节组12固定连接，第三关节支座133上部的一侧与第三轴承盖134固定连接，第三轴承盖134内同轴固定连接第三轴承1341，第三关节输出法兰盘130设置在第三轴承盖134远离第三关节支座133的一侧，远离第三轴承盖134的第三关节输出法兰盘130的一侧面与第四关节组14的第四关节底座145固定连接；第三关节输出法兰盘130中同轴安装有止推球轴承 1302，第三关节输出法兰盘130中部设置有阶梯轴，阶梯轴的下部固定安装在第三关节输出法兰盘130中，阶梯轴的上部穿过止推球轴承1302和第三轴承 1341后与一个链轮131同轴固定连接，一个链轮131与第三轴承1341之间还安装有第三固定片1301，一个链轮131的端面与阶梯轴的台阶面通过顶丝进行固连；第三轴承盖134下方的第三关节支座133的侧面固定安装有第三限位开关 1331，第三限位开关1331与第四关节组14的第四电机座146凸起配合，实现第三关节组13的限位。第三电机135通过第三电机
座137固定安装在第三关节支座133的下部，第三电机135输出轴的轴向与第二电机126输出轴的轴向平行布置，第三电机135一端的输出轴与第三编码器136相连，第三电机135另一端的输出轴与另一个链轮131同轴固连，两个链轮131之间通过链连接并形成第三关节链轮副，该对链轮131在该传动中型号相同，链轮131外安装有链轮外壳132，利用链轮外壳132保护链和链轮131。第三电机135的驱动带动第三关节链轮副，进而带动第三关节输出法兰盘130的转动，从而带动第四关节组14转动。
57.如图6所示，第四关节组14包括第四大带轮140、第四传动带141、第四限位开关142、第四小带轮143、第四电机支架144、第四关节底座145、第四电机座146、第四电机147和第四编码器148；
58.第四关节底座145的第一侧面与第三关节组13的第三关节输出法兰盘130 固定连接，第四关节底座145的下表面通过第四电机座146和第四电机支架144 固定安装有第四电机147，第四电机座146下固定安装第四电机支架144，第四电机座146与第三限位开关1331进行配合，第四电机147一端的输出轴与第四编码器148相连，第四电机147另一端的输出轴穿过第四电机支架144后与第四小带轮143同轴固连，第四电机147输出轴的轴向与第三电机135输出轴的轴向在空间上垂直布置，第四小带轮143安装在第四电机支架144的侧面，第四小带轮143上方的第四关节底座145的第二侧面固定安装有第四大带轮140，第四大带轮140与第四小带轮143之间通过第四传动带141连接形成第四关节带轮副，第五关节组15的第五关节轴153安装在第四关节底座145中并与第四大带轮140同轴固定连接，第四关节底座145的第三侧面固定安装有第四限位开关142；第四关节底座145的第三侧面与第一侧面相对布置，第五电机座152 与第四限位开关142的配合，实现对第四关节组14的限位。第四电机147的驱动带动第四关节带轮副，从而带动第五关节组15的第五电机座152和第五关节轴153转动。
59.如图7的(a)、(b)和(c)所示，第五关节组15包括第五编码器150、第五电机 151、第五电机座152、第五关节轴153、张紧轮154、丝杆螺母155、金属杆156、输出带轮157、第五关节外壳159、第五关节底座158、第五关节限位开关(1581) 和第六关节轴承160；
60.第五关节轴153与第四关节组14固定连接，第五关节轴153与第五电机座 152的一端固定连接，具体地，第五关节轴153安装在第四关节底座145中并且第五关节轴153的一端与第四大带轮140同轴固定连接，第五关节轴153的另一端与第五电机座152固定连接；第五电机座152靠近第四关节底座145的侧面设置有凸起，第五关节轴153在转动过程中，凸起与第四限位开关142的接触配合，实现对第四关节组14的限位。第五关节底座158的另一端设置有两个分支端，两个分支端中分别安装有输出带轮157和第六关节轴承160，输出带轮157外安装有对应第五关节外壳159；输出带轮157和第六关节轴承160之间固定安装有第六关节组16的第六电机座161；
61.第五关节底座158内还安装有张紧轮154，张紧轮154和输出带轮157之间通过第五传送带连接并形成张紧-输出轮副，张紧轮154和输出带轮157之间的第五传送带中还设置有丝杆螺母155，丝杆螺母155与第五传送带之间利用螺栓固定连接，金属杆156固定安装在第五关节底座158内，金属杆156与第五传送带之间平行布置，丝杆螺母155套设在金属杆156，丝杆螺母155沿着金属杆 156进行直线滑动；第五关节底座158中靠近第六关节组16一侧固定安装有第五关节限位开关1581，丝杆螺母155滑动到靠近第六关节组16一侧时与第
五关节限位开关1581，实现第五关节组15的限位；第五电机151固定安装在第五电机座152上，第五电机151的一端与第五编码器150相连，第五电机151的另一端为丝杆，丝杆依次穿过第五电机座152、第五关节轴153以及第四大带轮 140和第五关节底座158后与丝杆螺母155同轴连接，第五电机151输出轴丝杆的轴向与第四电机147输出轴的轴向平行布置。第五电机151驱动后丝杆的转动使得丝杆螺母155沿金属杆156滑动，进而带动张紧-输出轮副，从而带动第六关节组16的第六电机座161转动。
62.第二关节-第五关节组中与电机相连的编码器均设置在对应电机的相同端。
63.如图8所示，第六关节组16包括第六电机座161、第六电机162、第六编码器163和第六限位开关164；
64.第六电机座161与第五关节组15在输出带轮157和第六关节轴承160之间固定连接，第六电机162固定安装在第六电机座161上，第六电机162的一端与第六编码器163连接，第六电机162的另一端穿过第六电机座161后与对应的机械夹爪2的气缸底座22同轴固连，第六编码器163靠近第五关节组15布置，第六电机座161上固定安装有第六限位开关164，第六限位开关164与机械夹爪2配合，第六电机162在转动过程中带动气缸底座22、手指滑台气缸21的转动，手指滑台气缸21与第六限位开关164的接触配合实现对第六关节的限位。
65.如图9所示，机械夹爪2为气动夹爪，包括手指滑台气缸21、气缸底座22 和树脂打印件23；气缸底座22与第六关节组16固定连接，手指滑台气缸21固定安装在气缸底座22上，两个树脂打印件23对称且间隔的安装在手指滑台气缸21上，两个树脂打印件23之间设置被抓取的物体；手指滑台气缸21的驱动进行两个树脂打印件23的开合，实现物体的抓取和释放。
66.如图10所示，机器人肩部结构3包括上层支撑架31、下层支撑架34、斜铝型材34、下层支撑架和水平铝型材35；
67.机器人肩部结构3水平对称设置，水平铝型材35的下表面与机器人腰部结构4的连接木板41固定连接，水平铝型材35上表面的两侧分别固定安装有呈夹角设置的两个斜铝型材34，两个斜铝型材34的顶部接触连接并且两个斜铝型材34与水平铝型材35之间形成三角支撑结构，具体实施中，两个斜铝型材34 之间的夹角为45
°
。每块斜铝型材34上表面分别安装有上层支撑架31和下层支撑架，上层支撑架31和下层支撑架之间固定安装有第一关节组11第一关节底座32，第一关节底座32与斜铝型材34之间间隔布置，具体实施中，第一关节底座32与水平面之间夹角为30
°
。
68.如图11和所示，机器人腰部结构4包括连接木板41、月牙形树脂板42、餐桌轴承43、腰部大带轮44、半弧形树脂板45、腰部电机46、腰部小带轮47 和腰部电机座48；
69.连接木板41与机器人肩部结构3水平铝型材35的下表面固定连接，连接木板41的正下方设置有餐桌轴承43，餐桌轴承43内圈的顶端通过月牙形树脂板42与连接木板41连接，，因此在转动时不会与餐桌轴承43外圈产生摩擦，餐桌轴承43的外圈的底端通过半弧形树脂板45与腰部支撑结构5的支撑型材 51固定连接，半弧形树脂板45中间的弧形所留出的空隙可以让传动带连接腰部小带轮47与腰部大带轮44；餐桌轴承43内圈的底端与腰部大带轮44同轴固连，腰部支撑结构5的支撑型材51的侧面固定安装有腰部电机座48，腰部电机46 固定安装在腰部电机座48上，腰部电机46的输出轴与腰部小带轮47同轴固连，腰部小带轮47与腰部大带轮44之间通过腰部传送带连接并形成腰部带轮副，腰部带轮副水平布置；腰
部电机46的驱动带动腰部带轮副，进而带动餐桌轴承 43的内圈转动，餐桌轴承43的内圈带动连接木板41和月牙形树脂板42同步转动，实现机器人腰部结构4的周向旋转。
70.腰部支撑结构5由多根不同长度的支撑型材51组成，多根支撑型材51间隔且竖向布置作为支撑柱，多根支撑型材51水平布置作为支撑台，支撑台与支撑柱之间固定连接形成腰部支撑结构5。
71.机械臂安装在30
°
肩部上，为双臂，可实现定点的抓取和放置动作；机械臂的往返精度为
±
1mm，可以保证机械臂抓取和放置的精确性；肩部与水平面夹角为30
°
，可以在特定的工作空间中进行双臂协作的任务；腰部放置在底座上，可实现机械臂和肩部沿竖直方向的320
°
旋转；机械臂夹爪作为机械臂的末端执行器，利用手指滑台气缸实现物体的抓取。在实际抓取过程中，可根据抓取物体的位置转动腰部的角度，扩大机械臂的工作空间，完成相应的定点抓取任务。
72.机械臂单臂的控制驱动系统包括arduino单片机、步进电机、驱动器、编码器、限位开关以及24v和5v的供电电源。步进电机为双轴输出，一端输出轴通过减速器与联轴器相连，另一端输出轴与编码器的输入口相连；24v电源为电机驱动器供电；5v电源为单片机以及编码器、限位开关供电；限位开关可以控制机械臂上电时都运动到指定的位置；单片机输出控制信号控制驱动器驱动对应的步进电机运动，从而驱动各关节的运动，实现机械臂的运动；编码器可以反馈回各电机转动的位置，判断电机是否存在丢步的情况，实现机械臂运动位置的控制。
73.六个关节组为6个旋转自由度；第一个关节通过4：1的带传动减速后，通过输出轴与第二个关节底座连接，从而实现第一个关节的转动；第二个关节电机输出轴通过键与键槽的连接方式和关节输出轴直接连接，可实现第二个关节的转动；第三个关节的底座与前一个关节输出轴相连接，利用链和链轮带动第四个关节底座的转动；第四个关节底座与大带轮固定，电机输出轴与小带轮固定，利用传动带实现关节四的转动；第五个关节电机通过电机座与第四关节的底座固定，电机直接为丝杆输出，丝杆螺母与传动带夹具固定，夹具与传动带固定，从而带动关节上的带轮运动；第六个关节直接通过电机输出轴与机械爪底座固定，可实现机械爪的转动。
74.机械夹爪由1个手指滑台气缸和两块树脂打印件组成。手指滑台气缸通过气管连接电磁阀和气泵；电磁阀与24v电源、继电器串联，通过单片机控制继电器的开关从而控制电磁阀的通断气，从而控制气缸的打开和闭合状态，同时电磁阀出气口设有节流阀，可以控制夹爪的抓取力度。树脂打印件用作机械夹爪的爪子，通过气缸的移动可以控制打印件的开合，实现物体的抓取。
75.机器人腰部由腰部支撑结构和腰部扭转结构组成。腰部支撑结构位于该机器人底部，由7段同一规格不同长度的铝型材组成，利用6个90
°
角码连接型材，可起到支撑机械臂、腰部和肩部的作用；腰部扭转结构由1块木板、1块半弧形树脂板、1块月牙形树脂板、1个餐桌轴承、大小带轮和传动带构成，木板四个角上预留螺栓孔，可以与肩部进行连接，月牙形树脂板固定在餐桌轴承内圈并与木板固定，半弧形树脂板通过螺栓与腰部支撑结构的型材连接，并利用螺栓和垫片固定餐桌轴承外圈，大带轮与木板相连，电机输出轴通过小带轮和传动带带动腰部的旋转运动。
76.机器人肩部由型材和第一个关节底座组成。型材利用45
°
角码搭建成一个具有倾
角的基座；第一个关节底座利用铝合金搭建一个与水平面成15
°
角的底座支撑架，支撑架与底座固定，从而达到肩部倾角为30
°
的设计要求。
77.机器人肩部后方利用铝型材和亚克力板搭建可放置电机驱动器、单片机等其他各种电路元件的平台。
78.本发明的工作过程如下：
79.机械臂未上电时可处于其工作空间中的任意状态，如图12的(a)所示，当机械臂上电后，首先执行机械臂的复位动作，各关节按照指定的方向旋转直到触碰到限位开关，触碰到限位开关的相应关节停止运动，待所有关节都停止运动时，机械臂状态如图12的(b)所示，然后各关节反向运动指定的角度后，机械臂状态如图1所示，机械臂处于复位后的初始化位置。之后，该机械臂可以执行试管的抓取和放置任务，如图13所示。

技术特征：

1.一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，包括两个机械臂(1)、机械夹爪(2)、机器人肩部结构(3)、机器人腰部结构(4)和腰部支撑结构(5)；腰部支撑结构(5)上安装有机器人腰部结构(4)，机器人腰部结构(4)用于驱动机器人的周向旋转，机器人腰部结构(4)上固定安装有机器人肩部结构(3)，两个机械臂(1)对称安装在机器人肩部结构(3)的两侧，两个机械臂(1)上电后自动复位至初始臂姿，两个机械臂(1)的末端分别安装有对应的机械夹爪(2)，机器人腰部结构(4)、机械臂(1)和机械夹爪(2)的驱动，实现机械夹爪(2)定点的物体抓取和放置。2.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述两个机械臂(1)的结构相同，均包括第一关节组(11)、第二关节组(12)、第三关节组(13)、第四关节组(14)、第五关节组(15)和第六关节组(16)，第一关节组(11)固定安装在机器人肩部结构(3)的侧面，第一关节组(11)依次经第二关节组(12)、第三关节组(13)、第四关节组(14)和第五关节组(15)后与第六关节组(16)相连，第六关节组(16)与对应机械夹爪(2)相连。3.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述第一关节组(11)包括第一关节底座(32)、第一小带轮(110)、第一关节输出轴(111)、圆锥滚子轴承(112)、第一输出轴支撑座(113)、第一限位开关(114)、第一大带轮(115)、第一编码器(116)、第一电机(117)和第一电机座(118)；第一关节底座(32)固定安装在机器人肩部结构(3)的侧面，第一电机(117)通过第一电机座(118)固定安装在第一关节底座(32)上，第一电机(117)上部的输出轴与第一编码器(116)相连，第一关节底座(32)的底面设置有第一小带轮(110)和第一大带轮(115)，第一小带轮(110)和第一大带轮(115)之间通过第一传动带连接形成第一关节带轮副，第一电机(117)下部的输出轴穿过第一关节底座(32)后与第一小带轮(110)同轴固连，第一关节底座(32)上还固定安装有第一输出轴支撑座(113)，第一输出轴支撑座(113)内固定安装有圆锥滚子轴承(112)，圆锥滚子轴承(112)中同轴连接有第一关节输出轴(111)，第一关节输出轴(111)的底端穿过第一关节底座(32)后与第一大带轮(115)同轴连接；第一关节输出轴(111)的顶端与第二关节组(12)的下表面固定连接，第一输出轴支撑座(113)靠近第一电机(117)一侧的侧面安装有第一限位开关(114)；第一电机(117)的驱动带动第一关节带轮副，第一关节带轮副带动第一关节输出轴(111)转动，第一关节输出轴(111)的转动使得第二关节组(12)转动。4.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述第二关节组(12)包括第二关节输出轴(120)、第二输出轴支撑座(121)、辅助定位片(122)、第二限位开关(123)、第二关节底座(124)、电机减速器(125)、第二电机(126)、第二编码器(127)和第二电机座(128)；第二关节底座(124)的下表面与第一关节组(11)固定连接，第二关节底座(124)靠近第一关节组(11)的下表面设置有凸起，靠近第二关节底座(124)的上表面间隔布置有第二输出轴支撑座(121)和第二电机座(128)，第二电机(126)固定安装在第二电机座(128)中，第二电机(126)一端的输出轴与第二编码器(127)相连，第二电机(126)另一端的输出轴与电机减速器(125)同轴固连；第二输出轴支撑座(121)中设置有第二关节输出轴(120)，电机减速器(125)的输出轴外同轴套设有辅助定位片(122)，电机减速器(125)的输出轴穿过辅助
定位片(122)后与第二输出轴支撑座(121)中的第二关节输出轴(120)的一端同轴固连，第二关节输出轴(120)的另一端与第三关节组(13)固定连接，辅助定位片(122)设置在电机减速器(125)和第二输出轴支撑座(121)之间，辅助定位片(122)下方的第二输出轴支撑座(121)固定安装有第二限位开关(123)；第二电机(126)的驱动同步带动电机减速器(125)、辅助定位片(122)和第二关节输出轴(120)转动，从而第三关节组(13)也转动。5.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述第三关节组(13)包括第三关节输出法兰盘(130)、第三固定片(1301)、止推球轴承(1302)、两个链轮(131)、第三限位开关(1331)、第三关节支座(133)、第三轴承盖(134)、第三轴承(1341)、第三电机(135)、第三编码器(136)、第三电机座(137)和第三传动链(138)；第三关节支座(133)与第二关节组(12)固定连接，第三关节支座(133)上部的一侧与第三轴承盖(134)固定连接，第三轴承盖(134)内同轴固定连接第三轴承(1341)，第三关节输出法兰盘(130)设置在第三轴承盖(134)远离第三关节支座(133)的一侧，第三关节输出法兰盘(130)与第四关节组(14)固定连接；第三关节输出法兰盘(130)中同轴安装有止推球轴承(1302)，第三关节输出法兰盘(130)中部设置有阶梯轴，阶梯轴的上部穿过止推球轴承(1302)和第三轴承(1341)后与一个链轮(131)同轴固定连接，一个链轮(131)与第三轴承(1341)之间还安装有第三固定片(1301)；第三轴承盖(134)下方的第三关节支座(133)的侧面固定安装有第三限位开关(1331)，第三电机(135)通过第三电机座(137)固定安装在第三关节支座(133)的下部，第三电机(135)一端的输出轴与第三编码器(136)相连，第三电机(135)另一端的输出轴与另一个链轮(131)同轴固连，两个链轮(131)之间通过链连接并形成第三关节链轮副，第三电机(135)的驱动带动第三关节链轮副，进而带动第三关节输出法兰盘(130)的转动，从而带动第四关节组(14)转动。6.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述第四关节组(14)包括第四大带轮(140)、第四传动带(141)、第四限位开关(142)、第四小带轮(143)、第四电机支架(144)、第四关节底座(145)、第四电机座(146)、第四电机(147)和第四编码器(148)；第四关节底座(145)的第一侧面与第三关节组(13)固定连接，第四关节底座(145)的下表面通过第四电机座(146)和第四电机支架(144)固定安装有第四电机(147)，第四电机(147)一端的输出轴与第四编码器(148)相连，第四电机(147)另一端的输出轴与第四小带轮(143)同轴固连，第四关节底座(145)的第二侧面固定安装有第四大带轮(140)，第四大带轮(140)与第四小带轮(143)之间通过第四传动带(141)连接形成第四关节带轮副，第五关节组(15)安装在第四关节底座(145)中并与第四大带轮(140)同轴固定连接，第四关节底座(145)的第三侧面固定安装有第四限位开关(142)；第四电机(147)的驱动带动第四关节带轮副，从而带动第五关节组(15)转动；所述第五关节组(15)包括第五编码器(150)、第五电机(151)、第五电机座(152)、第五关节轴(153)、张紧轮(154)、丝杆螺母(155)、金属杆(156)、输出带轮(157)、第五关节底座(158)、第五关节限位开关(1581)和第六关节轴承(160)；第五关节轴(153)与第四关节组(14)固定连接，第五关节轴(153)与第五电机座(152)的一端固定连接，具体地，第五关节轴(153)安装在第四关节底座(145)中并且第五关节轴(153)的一端与第四大带轮(140)同轴固定连接，第五关节轴(153)的另一端与第五电机座
(152)固定连接；第五电机座(152)靠近第四关节底座(145)的侧面设置有凸起，第五关节底座(158)的另一端设置有两个分支端，两个分支端中分别安装有输出带轮(157)和第六关节轴承(160)，输出带轮(157)和第六关节轴承(160)之间固定安装有第六关节组(16)；第五关节底座(158)内还安装有张紧轮(154)，张紧轮(154)和输出带轮(157)之间通过第五传送带连接并形成张紧-输出轮副，张紧轮(154)和输出带轮(157)之间的第五传送带中还设置有丝杆螺母(155)，丝杆螺母(155)与第五传送带之间固定连接，金属杆(156)固定安装在第五关节底座(158)内，金属杆(156)与第五传送带之间平行布置，丝杆螺母(155)套设在金属杆(156)，丝杆螺母(155)沿着金属杆(156)进行滑动；第五关节底座(158)中靠近第六关节组(16)一侧固定安装有第五关节限位开关(1581)；第五电机(151)固定安装在第五电机座(152)上，第五电机(151)的一端与第五编码器(150)相连，第五电机(151)的另一端为丝杆，丝杆依次穿过第五电机座(152)、第五关节轴(153)和第五关节底座(158)后与丝杆螺母(155)同轴连接，第五电机(151)驱动后丝杆的转动使得丝杆螺母(155)沿金属杆(156)滑动，进而带动张紧-输出轮副，从而带动第六关节组(16)转动。7.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述第六关节组(16)包括第六电机座(161)、第六电机(162)和第六编码器(163)和第六限位开关(164)；第六电机座(161)与第五关节组(15)固定连接，第六电机(162)固定安装在第六电机座(161)上，第六电机(162)的一端与第六编码器(163)连接，第六电机(162)的另一端穿过第六电机座(161)后与对应的机械夹爪(2)同轴固连，第六编码器(163)靠近第五关节组(15)布置，第六电机座(161)上固定安装有第六限位开关(164)，第六电机(162)的驱动带动机械夹爪(2)转动。8.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述机械夹爪(2)包括手指滑台气缸(21)、气缸底座(22)和树脂打印件(23)；气缸底座(22)与第六关节组(16)固定连接，手指滑台气缸(21)固定安装在气缸底座(22)上，两个树脂打印件(23)对称且间隔的安装在手指滑台气缸(21)上，两个树脂打印件(23)之间设置被抓取的物体；手指滑台气缸(21)的驱动进行两个树脂打印件(23)的开合，实现物体的抓取和释放。9.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述机器人肩部结构(3)包括上层支撑架(31)、下层支撑架(34)、斜铝型材(34)、下层支撑架和水平铝型材(35)；机器人肩部结构(3)水平对称设置，水平铝型材(35)的下表面与机器人腰部结构(4)固定连接，水平铝型材(35)上表面的两侧分别固定安装有呈夹角设置的两个斜铝型材(34)，两个斜铝型材(34)的顶部接触连接并且两个斜铝型材(34)与水平铝型材(35)之间形成三角支撑结构，每块斜铝型材(34)上表面分别安装有上层支撑架(31)和下层支撑架，上层支撑架(31)和下层支撑架之间固定安装有第一关节组(11)。10.根据权利要求所述的一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人，其特征在于，所述机器人腰部结构(4)包括连接木板(41)、月牙形树脂板(42)、餐桌轴承(43)、腰部大带轮(44)、半弧形树脂板(45)、腰部电机(46)、腰部小带轮(47)和腰部电机座(48)；连接木板(41)与机器人肩部结构(3)固定连接，连接木板(41)的正下方设置有餐桌轴承(43)，餐桌轴承(43)内圈的顶端通过月牙形树脂板(42)与连接木板(41)连接，餐桌轴承
(43)的外圈通过半弧形树脂板(45)与腰部支撑结构(5)固定连接；餐桌轴承(43)内圈的底端与腰部大带轮(44)同轴固连，腰部支撑结构(5)的侧面固定安装有腰部电机座(48)，腰部电机(46)固定安装在腰部电机座(48)上，腰部电机(46)的输出轴与腰部小带轮(47)同轴固连，腰部小带轮(47)与腰部大带轮(44)之间通过腰部传送带连接并形成腰部带轮副；腰部电机(46)的驱动带动腰部带轮副，进而带动餐桌轴承(43)的内圈转动，餐桌轴承(43)的内圈带动连接木板(41)和月牙形树脂板(42)同步转动，实现机器人腰部结构(4)的周向旋转。

技术总结

本发明公开了一种基于六自由度机械臂的双臂协同机器人。包括一对机械臂、机械夹爪、机器人腰部和肩部。所述机器人双臂各关节采用步进电机驱动，利用带轮、链轮等多种传动方式配合带动各关节运动，可达到三维空间中的六个自由度，实现机械臂的稳定精确运动；所述机械臂腰部有一个旋转自由度，可以增加机械臂的双臂工作空间；所述肩部位于机械臂腰部和双臂之间，与水平面成30