箭矢抛射机器人及抛射方法

摘要

箭矢抛射机器人及抛射方法，涉及机器人技术领域。箭矢抛射机器人，包括可移动机架、箭矢衔取转移机构、箭矢抛射机构及箭矢角度调整机构；箭矢衔取转移机构包括承载框架、升降板、旋转驱动组件、升降驱动组件、多自由度机械臂及夹爪；箭矢抛射机构设在机架上，其上设有用于挂放箭矢的箭矢挂放位，其用于将箭矢挂放位上挂放的箭矢抛射出去。一种箭矢抛射方法，应用于箭矢抛射机器人，抛射方法如下：1，抓取箭矢；2，将箭矢挂放在抛射架上；3，调整箭矢的挂放姿态；4，抛射箭矢。本发明的优点在于，可实现箭矢的自动抓取、转移及发射，整个射箭流程无需人工干预，智能化和自动化程度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种箭矢抛射机器人及抛射方法。

背景技术

随着科技的进步，现代社会已出现了各种各样的机器人，其中包括与人一起进行游戏的机器人。让人与机器人一起进行游戏和比赛，大大激发了人的参与积极性，并能使人从中学到许多科技知识，因此游戏机器人已出现在各种科技场馆，各种各样的游戏机器人正吸引着广大游客特别是青少年们，带给他们无穷的欢乐和有用的知识。

射箭是我国人民的传统游戏和比赛项目，但是和其它运动项目相比，喜好射箭的人相对较少。主要原因是射箭运动多为单人运动，缺乏竞技性，难以唤起人们的兴趣。因此，开发一种射箭机器人，满足射箭爱好者的需求，唤起大众对射箭运动的爱好，并使参与者在与射箭机器人射箭比试中得到知识和快乐显得非常有意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种箭矢抛射机器人及抛射方法，它能使参与者在与射箭机器人的射箭比试中得到知识和快乐，有利于射箭运动的推广。

本发明的技术方案是：箭矢抛射机器人，包括可移动机架、箭矢衔取转移机构、箭矢抛射机构及箭矢角度调整机构；

可移动机架包括机架、前轮、前轮驱动机构、后轮及后轮驱动机构；机架为方形框架，其前端两角和后端两角处分别设有轮子安装区域；两个前轮分别设在机架前端两角处的轮子安装区域内；两组前轮驱动机构分别与两个前轮关联，以驱动两个前轮独立转动；两个后轮分别设在机架后端两角处的轮子安装区域内；两组后轮驱动机构分别与两个后轮关联，以驱动两个后轮独立转动；

箭矢衔取转移机构包括承载框架、升降板、旋转驱动组件、升降驱动组件、多自由度机械臂及夹爪；承载框架包括上板、中板、下板和导向杆，上板、中板和下板从上至下间隔布置，导向杆的数量有多根，所有的导向杆均平行且竖直布置，导向杆从上至下分别与上板、中板和下板固接，从而连接成一个整体的承载框架，承载框架在上板与中板之间设有可供升降板移动的动作区域；升降板上设有多个导向孔，升降板通过其上的导向孔与所有的导向杆滑动配合安装，并位于承载框架的动作区域内；旋转驱动组件位于承载框架下端，并与承载框架关联，其用于驱动承载框架旋转；升降驱动组件安装承载框架上，并与升降板关联，以驱动升降板沿导向杆做升降移动；多自由度机械臂后端与升降板固连，前端与夹爪连接；夹爪内设有用于抓取箭矢的夹取工位；

箭矢抛射机构设在机架上，其上设有用于挂放箭矢的箭矢挂放位，其用于将箭矢挂放位上挂放的箭矢抛射出去；

箭矢角度调整机构设在机架上，并位于箭矢抛射机构的下端，其用于调整箭矢挂放位上挂放的箭矢的角度。

本发明进一步的技术方案是：箭矢抛射机构包括抛射架、转轴A、驱动电机A及支架；抛射架一端为后端，另一端为前端，抛射架在前端设有用于挂放箭矢的U形缺口；转轴A呈水平布置，并与抛射架固定连接，转轴A一端通过轴承活动安装在机架上，转轴A另一端通过联轴器与驱动电机A的机轴连接；驱动电机A固定安装在机架上，其机轴转动驱动转轴A转动，进而带动抛射架在竖直平面内转动；支架固定安装在机架上，并处在抛射架的转动路径上，当支架与抛射架中部下端相抵时，抛射架呈水平状态；所述箭矢挂放位为U形缺口。

本发明再进一步的技术方案是：箭矢角度调整机构包括舵机、连接杆和C形托手；舵机直接或间接固定安装在机架上，舵机的机轴与连接杆的前端连接；C形托手位于抛射架前端的正下方，其一端开口，另一端封闭，其封闭端连接在连接杆的后端，C形托手在舵机的驱动下在竖直平面内转动。

本发明更进一步的技术方案是：夹爪包括基座、C形半边爪、齿轮及开合驱动电机；基座固定安装在多自由度机械臂的前端；C形半边爪一侧设有内弧面，另一侧设有外弧面，一端设有转轴B，另一端间隔布置有多个齿，相邻的齿之间设有缝，两个C形半边爪分别通过转轴B可转动安装在基座两侧，并内弧面相对布置；当两个C形半边爪相向转动合拢时，两个C形半边爪的齿和缝交错插接；当两个C形半边爪背向转动打开时，两个C形半边爪的齿相互分离而形成开口；两个齿轮分别固定安装在两根C形半边爪上，并相互啮合，并分别与两根转轴B同轴布置；开合驱动电机固定安装在基座上，并与两根转轴B中的一根关联，以驱动转轴B和与该转轴B连接C形半边爪同步转动，并通过两个齿轮的啮合带动另一根转轴B和另一个C形半边爪同步转动；所述抓取工位位于两个C形半边爪之间。

本发明更进一步的技术方案是：旋转驱动组件包括盘式电机、平面轴承及底板；盘式电机固定安装在底板上，其机轴竖直向上伸出，穿过承载框架的下板后，固连在承载框架的中板下端；平面轴承设在底板与承载框架的下板之间，平面轴承的上半部分与承载框架的下板固连，平面轴承的下半部分与底板固连。

本发明更进一步的技术方案是：升降驱动组件包括驱动电机B、主动轮、从动轮、同步带和L形连接座；驱动电机B固定安装在承载框架的中板的上表面上；主动轮固定安装在驱动电机B的机轴上；从动轮通过轴承和轴承座活动安装在承载框架的上板上，同步带张紧绕设在主动轮与从动轮之间；L形连接座一端与同步带固连，另一端与升降板固连。

本发明更进一步的技术方案是：C形托手转动路径所扫过的竖直平面与抛射架转动路径所扫过的竖直平面重合。

本发明再进一步的技术方案是：前轮驱动机构包括电机A和联轴器A，电机A固定安装在机架上，其机轴通过联轴器A与前轮连接；后轮驱动机构包括拱形架、导向杆、浮动板、减震弹簧、电机B及联轴器B；拱形架固定安装在机架上；导向杆穿过浮动板，并在上下两端分别与拱形架和机架固定连接；浮动板活动套装在导向杆上，并位于拱形架与机架之间；减震弹簧套装在导向杆上，并位于拱形架与浮动板之间，其通过弹力使浮动板保持向下压紧在机架上；电机B固定安装在浮动板上，其机轴通过联轴器B与后轮连接；前轮和后轮均为全向轮，任意两个相邻的全向轮之间的夹角为90°。

本发明的技术方案是：一种箭矢抛射方法，应用于上述的箭矢抛射机器人，在执行自动抛射操作之前，箭矢抛射机器人处在初始状态，在初始状态下：

a、连接杆转动至竖直状态，并位于舵机下端；

b、抛射架中部下端与支架相抵；

c、夹爪的两个C形半边爪的齿相互分离而形成开口；

抛射方法如下：

S01，抓取箭矢：

a、一方面启动驱动电机B，通过同步带的运转带动升降板沿导向杆竖直移动，另一方面调整多自由度机械臂的姿态，实现夹爪位姿的调整，使夹爪的开口正对目标箭矢的箭杆；

b、开合驱动电机启动，使夹爪的两个C形半边爪合拢，将箭杆牢固夹持在夹爪的两个C形半边爪之间；

S02，将箭矢挂放在抛射架上：

a、一方面启动驱动电机B，通过同步带的运转带动升降板沿导向杆竖直移动，另一方面调整多自由度机械臂的姿态，实现夹爪位姿的调整，使箭杆伸入抛射架的U形缺口中；

b、开合驱动电机启动，使夹爪的两个C形半边爪分开，箭矢即通过箭头与箭杆之间的台阶面挂放在抛射架的U形缺口中，并呈竖直状态；

S03，调整箭矢的挂放姿态：舵机启动，带动连接杆转动，通过C形托手调整箭矢与水平面所成夹角；

S04，抛射箭矢：

驱动电机A启动，带动抛射架的前端向机架前上方转动，当抛射架停止转动的瞬间，放在抛射架上的箭矢被抛射出去；

本步骤中，抛射架的转速越快，则抛射距离越远，反之越近。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、可实现箭矢的自动抓取、转移及发射，整个射箭流程无需人工干预，智能化和自动化程度较高，能使参与者在与射箭机器人的射箭比试中得到知识和快乐，有利于射箭运动的推广。

2、C形托手拨动箭杆以调整箭矢在抛射架上的挂放姿态，使箭矢保持抛射之前的稳定姿态，避免箭矢在抛射架上晃荡，导致抛射方向不精确，还可起到调节箭矢抛射轨迹的效果。

3、平面轴承设置在承载框架与底板之间，一方面通过平面轴承保证了承载框架的转动平稳性，另一方面为盘式电机分担了大部分承载框架的重量，对盘式电机起到保护作用。

4、旋转驱动组件、升降驱动组件、多自由度机械臂三方可分别动作，共同用于调节夹爪的空间姿态，操纵方式灵活多变，实现了多自由度调整夹爪的空间位姿。

5、两个后轮采用“浮动式”安装结构安装在机架上(后轮连接在电机B上，电机B安装在浮动板上，浮动板通过减震弹簧与机架关联)。一方面，抛射架上扬和下放时会对机架产生较大的冲击，该结构可有效卸载传导至机架上的冲击或震动，避免安装在机架上的部件因冲击或震动而损伤，延长了安装在机架上的部件的使用寿命。另一方面，两个后轮所采用的“浮动式”安装结构保证了两个前轮和两个后轮能全部接触地面，降低了前轮和后轮的安装精度要求，避免了因为某个全向轮接触不到地面而导致机架移动控制失效，保证了发球机的使用可靠性。

6、四个全向轮两两成90°夹角，相比传统的前轮后轮平行布置的方式，该结构一方面可实现机架在静止状态下的自锁，避免机架在静止时出现滑移，另一方面通过单独控制每个全向轮的转速，可实现机架的全方向自由移动。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为旋转驱动组件的结构原理图；

图3为机架的结构示意图；

图4为后轮驱动机构的结构示意图；

图5夹爪的结构示意图；

图6为箭矢抛射方法S01步骤结束时的状态图；

图7为箭矢抛射方法S02步骤结束时的状态图；

图8为箭矢抛射方法S03步骤结束时的状态图；

图9为箭矢抛射方法S04步骤结束时的状态图。

图例说明：机架11；轮子安装区域111；前轮12；电机A131；联轴器A132；后轮14；拱形架151；导向杆152；浮动板153；减震弹簧154；电机B155；联轴器B156；上板211；中板212；下板213；导向杆214；升降板22；盘式电机231；平面轴承232；底板233；电机B241；主动轮242；从动轮243；同步带244；L形连接座245；多自由度机械臂25；夹爪26；基座261；C形半边爪262；齿轮263；开合驱动电机264；抛射架31；U形缺口311；转轴32；驱动电机A33；支架34；舵机41；连接杆42；C形托手43。

具体实施方式

实施例1：

如图1-5所示，箭矢抛射机器人，包括可移动机架、箭矢衔取转移机构、箭矢抛射机构及箭矢角度调整机构。

可移动机架包括机架11、前轮12、前轮驱动机构、后轮14及后轮驱动机构。机架11为方形框架，其前端两角和后端两角处分别设有轮子安装区域111。两个前轮12分别设在机架11前端两角处的轮子安装区域111内。两组前轮驱动机构分别与两个前轮12关联，以驱动两个前轮12独立转动。前轮驱动机构包括电机A131和联轴器A132，电机A131固定安装在机架11上，其机轴通过联轴器A132与前轮12连接。两个后轮14分别设在机架11后端两角处的轮子安装区域111内。两组后轮驱动机构分别与两个后轮14关联，以驱动两个后轮14独立转动。后轮驱动机构包括拱形架151、导向杆152、浮动板153、减震弹簧154、电机B155及联轴器B156。拱形架151固定安装在机架11上。导向杆152穿过浮动板153，并在上下两端分别与拱形架151和机架11固定连接。浮动板153活动套装在导向杆152上，并位于拱形架151与机架11之间。减震弹簧154套装在导向杆152上，并位于拱形架151与浮动板153之间，其通过弹力使浮动板保持向下压紧在机架11上。电机B155固定安装在浮动板153上，其机轴通过联轴器B156与后轮14连接。

箭矢衔取转移机构包括承载框架、升降板22、旋转驱动组件、升降驱动组件、多自由度机械臂25及夹爪26。承载框架包括上板211、中板212、下板213和导向杆214，上板211、中板212和下板213从上至下间隔布置，导向杆214的数量有多根，所有的导向杆214均平行且竖直布置，导向杆214从上至下分别与上板211、中板212和下板213固接，从而连接成一个整体的承载框架，承载框架在上板211与中板212之间设有可供升降板移动的动作区域215。升降板22上设有多个导向孔，升降板22通过其上的导向孔与所有的导向杆214滑动配合安装，并位于承载框架的动作区域215内。旋转驱动组件位于承载框架下端，并与承载框架关联，其用于驱动承载框架旋转。升降驱动组件安装承载框架上，并与升降板22关联，以驱动升降板22沿导向杆214做升降移动。多自由度机械臂25后端与升降板22固连，前端与夹爪26连接。夹爪26内设有用于抓取箭矢的夹取工位。

箭矢抛射机构设在机架11上，其上设有用于挂放箭矢的箭矢挂放位，其用于将箭矢挂放位上挂放的箭矢抛射出去。所述箭矢挂放位为U形缺口311。箭矢抛射机构包括抛射架31、转轴32、驱动电机A33及支架34。抛射架31一端为后端，另一端为前端，抛射架31在前端设有用于挂放箭矢的U形缺口311。转轴32呈水平布置，并与抛射架31固定连接，转轴32一端通过轴承活动安装在机架11上，转轴32另一端通过联轴器与驱动电机A33的机轴连接。驱动电机A33固定安装在机架11上，其机轴转动驱动转轴32转动，进而带动抛射架31在竖直平面内转动。支架34固定安装在机架11上，并处在抛射架31的转动路径上，当支架34与抛射架31中部下端相抵时，抛射架31呈水平状态，并无法向下转动。

箭矢角度调整机构设在机架11上，并位于箭矢抛射机构的下端，其用于调整箭矢挂放位上挂放的箭矢的角度。箭矢角度调整机构包括舵机41、连接杆42和C形托手43。舵机41间接固定安装在机架11上，舵机41的机轴与连接杆42的前端连接。C形托手43位于抛射架31前端的正下方，其一端开口，另一端封闭，其封闭端连接在连接杆42的后端，C形托手43在舵机41的驱动下在竖直平面内转动。

优选，前轮12和后轮14均为全向轮，任意两个相邻的全向轮13之间的夹角为90°。该结构一方面可实现机架11在静止状态下的自锁，避免机架11在静止时出现滑移，另一方面通过单独控制每个全向轮的转速，可实现机架11的全方向自由移动。

优选，旋转驱动组件包括盘式电机231、平面轴承232及底板233。盘式电机231固定安装在底板233上，其机轴竖直向上伸出，穿过承载框架的下板213后，固连在承载框架的中板212下端。平面轴承232设在底板233与承载框架的下板213之间，平面轴承232的上半部分与承载框架的下板213固连，平面轴承232的下半部分与底板233固连。该结构设计在实现旋转功能的同时，可避免盘式电机231的机轴承重过大，可将载荷分散至平面轴承232和底板233上。

优选，升降驱动组件包括驱动电机B241、主动轮242、从动轮243、同步带244和L形连接座245。驱动电机B241固定安装在承载框架的中板212的上表面上。主动轮242固定安装在驱动电机B241的机轴上。从动轮243通过轴承和轴承座活动安装在承载框架的上板211上，同步带244张紧绕设在主动轮242与从动轮243之间。L形连接座245一端与同步带244固连，另一端与升降板22固连。

优选，夹爪26包括基座261、C形半边爪262、齿轮263及开合驱动电机264。基座261固定安装在多自由度机械臂25的前端。C形半边爪262一侧设有内弧面，另一侧设有外弧面，一端设有转轴，另一端间隔布置有多个齿，相邻的齿之间设有缝，两个C形半边爪262分别通过转轴可转动安装在基座261两侧，并内弧面相对布置。当两个C形半边爪262相向转动合拢时，两个C形半边爪262的齿和缝交错插接。当两个C形半边爪262背向转动打开时，两个C形半边爪262的齿相互分离而形成开口。两个齿轮263分别固定安装在两根C形半边爪262上，并相互啮合，并分别与两根转轴同轴布置。开合驱动电机264固定安装在基座261上，并与两根转轴中的一根关联，以驱动转轴和与该转轴连接C形半边爪262同步转动，并通过两个齿轮的啮合带动另一根转轴和另一个C形半边爪262同步转动。所述夹取工位位于两个C形半边爪262之间。

优选，C形托手43转动路径所扫过的竖直平面与抛射架31转动路径所扫过的竖直平面重合。基于该结构，当C形托手43调整箭矢角度时，调整后的箭矢也会处在抛射架31转动路径所扫过的竖直平面上，这有利于保持发射箭矢的稳定性和精准性。

一种箭矢抛射方法，基于上述箭矢抛射机器人，在执行自动抛射操作之前，箭矢抛射机器人处在初始状态，在初始状态下：

a、连接杆42转动至竖直状态，并位于舵机41下端；

b、抛射架31中部下端与支架34相抵；

c、夹爪26的两个C形半边爪262的齿相互分离而形成开口。

S01，抓取箭矢：

a、一方面启动驱动电机B241，通过同步带244的运转带动升降板22沿导向杆214竖直移动，另一方面调整多自由度机械臂25的姿态，实现夹爪26位姿的调整，使夹爪26的开口正对目标箭矢的箭杆；

b、开合驱动电机4234启动，使夹爪26的两个C形半边爪262合拢，将箭杆牢固夹持在夹爪26的两个C形半边爪262之间。

S02，将箭矢挂放在抛射架上：

a、一方面启动驱动电机B241，通过同步带244的运转带动升降板22沿导向杆214竖直移动，另一方面调整多自由度机械臂25的姿态，实现夹爪26位姿的调整，使箭杆伸入抛射架31的U形缺口311中；

b、开合驱动电机4234启动，使夹爪26的两个C形半边爪262分开，箭矢即通过箭头与箭杆之间的台阶面挂放在抛射架31的U形缺口311中，并呈竖直状态。

S03，调整箭矢的挂放姿态：舵机41启动，带动连接杆42转动，通过C形托手43调整箭矢与水平面所成夹角。

S04，抛射箭矢：驱动电机A33启动，带动抛射架31的前端向上方转动，当抛射架31停止转动的瞬间，放在抛射架31上的箭矢被抛射出去；

本步骤中，抛射架31的转速越快，则抛射距离越远，反之越近。