移動機械手系統的製作方法

2023-10-06 12:22:49 1

專利名稱：移動機械手系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種移動機械手系統，特別是包含一個3自由度全方位移動平臺和5自由度機械手，用來實現大範圍移動操作的移動機械手系統。
背景技術：
移動機械手系統是由機械手固定在移動平臺上構成。機械手用來實現一些動作如抓取、操作等，通過平臺的移動來擴大機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態執行任務。移動機械手非常適合於代替人工作在各種危險場合，如排除炸藥、垃圾處理、野外探險和太空作業等，適合於處理各種複雜的工業問題如大型船殼體的移動機械手焊接製造等，適合於擴展與人交互合作的服務範圍，如操作電梯、開門、搬運物體等。近些年來相繼研製成功的火星探路者、排險機械手、移動焊接機械手、辦公室送信移動機器人等，都屬於典型的移動機械手系統。隨著相關的機器人、自動控制、計算機視覺等技術的日益成熟，移動機械手將在更廣泛的領域會發揮重要的作用。
移動機械手系統一般包括移動平臺、機械手、傳感器和控制系統等。在辦公室等平坦路面環境中工作的移動平臺多採用輪式驅動，若能實現平面上全部3個自由度(前後、左右、自轉)的運動則為全方位移動平臺，否則為非全方位移動平臺。機械手的結構可以很簡單，也可以採用6自由度的關節式工業機械手來實現任意姿態的抓取和操作任務。傳感器通常包括超聲波、紅外、視覺傳感器等，用來感知外部環境信息實現定位、避障等功能。控制系統通常由計算機和控制卡等組成，實現傳感器的信號處理，移動平臺和機械手的協調控制。
在移動機械手的系統構建上，一般是將移動平臺和機械手簡單地組合在一起，並沒有考慮整體系統結構和性能的優化。一種簡單的移動機械手系統包括移動平臺和簡單的夾持器，基本結構和功能類似叉車。如V.Kumar等(T.G.Sugar，and V.Kumar，Control of cooperating mobilemanipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation，2002，18(1)94-103)研製的系統包括一個全方位移動平臺和一個夾子，以及在平面運動的3自由度柔性機械手，可以用來實現簡單的物體搬運功能。這種移動機械手大多功能單一，操作空間有限，在移動平臺固定時機械手很難發揮作用。
機械手的運動精度一般情況下要優於移動平臺，因此若目標在機械手的工作空間範圍內，可以只通過操作機械手來完成任務，這就要求機械手具有複雜的結構和豐富的功能。一種簡單思路就是將成熟的工業機械手產品同移動平臺結合起來。N.Xi等(J.D.Tan，and N.Xi，Unifiedmodel approach for planning and control of mobile manipulators.Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Roboticsand Automation，2001，33145-3152)所採用的移動機械手由工業機械手Puma560固定在全方位移動平臺上構成。K.Tanie等(T.Takubo，H.Arai，and K.Tanie，Control of mobile manipulator using a virtualimpedance wall.Proceedings of the IEEE Internat ional Conferenceon Robotics and Automation，2002，43571-3576)採用一個全方位移動平臺和7個自由度的機械手構成移動機械手。Kim等(Kim，etc.Visualsensing and recognition of welding environment for intelligentshipyard welding robots.IEEE Int.Conf.on Intelligent Robots andSystems，2000，32159-2165)則將這種類似的系統應用到大型船舶殼體的建造上，在機械手末端安裝了三維結構光傳感器來實現軌跡的識別和跟蹤。以上方法由於採用了成熟的工業機械手技術，充分實現了移動機械手的移動操作功能。但也存在一些問題在移動平臺上找不到合適的視覺系統的安裝位置，不是被機械手遮擋住視角範圍，就是同機械手的工作空間衝突，若缺少視覺系統則很難實現移動機械手的準確的全局定位，若將視覺系統安裝在機械手末端，則很大程度上限制了視覺系統的視角範圍和作用；工業機械手質量大、運動速度快，運動過程中會產生很大的耦合力作用在移動平臺上，影響平臺的穩定，容易引起平臺振動或傾翻；工業機械手的能源消耗很大，是移動平臺車載能源的主要負擔。

發明內容
本發明的目的是提供一種移動機械手系統，通過機械手與移動平臺的協調控制，實現移動操作的功能。
為實現上述目的，一種移動機械手系統，包括一個3自由度移動平臺，一個5自由度機械手，攝像機安裝在機械手直線導軌5的頂端。
移動機械手由3自由度的全方位移動平臺和5自由度的機械手組成，可以實現大範圍的移動操作功能，如在各個辦公室之間移動傳遞文件，操作電梯按鈕使機器人在各個樓層間移動等。採用具有旋轉、俯仰功能的攝像機，並安裝在直線導軌的頂端。使得在移動平臺不動的情況下通過攝像機的高精度旋轉實現對周圍景物的觀察。當機械手處於低的工作位置時，可以控制攝像機俯視，保證機械手末端在攝像機的視角範圍內。


圖1是本發明移動機械手系統結構圖；圖2是本發明移動機械手的初始復位狀態俯視圖。
具體實施例方式
移動平臺的3個自由度是指其在平面上的前後、左右和自轉的3種運動形式，實現在平面上的全方位移動，尤其在狹窄的空間中也能行動自如，因此，能確保機械手操作時處於有利的方向。除了輪子、電機、驅動器和驅動電源外，移動平臺還包括超聲傳感器和紅外傳感器等，可以用來實現移動平臺的初步定位。
機械手由以下幾部分組成軀幹、肩部、上臂、前臂、腕部和手。以及連接各部分的關節，包括1個移動關節，如直線導軌(軀幹)上滑塊的上下移動，和4個轉動關節如肩關節、肘關節、腕部自轉關節和腕部擺動關節，共5個自由度。通過各個關節的協調運動，可以控制機械手末端(手)運動到指定位置，實現抓取和操作的功能。在移動平臺向目標大範圍運動時，機械手的各個連杆要處於初始復位位置，其各部分都不超出移動平臺以避免同外界環境碰撞。在移動平臺的運動過程中由視覺系統對待操作物體進行定位。若物體在機械手的操作空間內，則機械手開始運動執行任務。若單獨靠機械手的運動無法有效完成任務，則控制移動平臺協調運動。
完成移動操作的另外一個重要部分為視覺系統，安裝在機械手的軀幹上，攝取外界環境的圖像，通過圖像處理的方法獲得待操作物體的位置信息，並提供給移動機械手的控制系統，作為輸出控制動作的依據。
以下結合附圖對本發明做進一步描述。
全方位移動平臺6，可以實現在平面上前後、左右和自轉的3個自由度的運動，其中超聲傳感器、紅外傳感器等安裝在移動平臺6的四周，用來檢測外界環境信息，實現移動平臺的運動規劃、避障等功能。在機械手的設計過程中考慮到移動平臺結構和運動特性，引入了移動關節和轉動關節相結合的方式，這是本發明的主要特點之一。由於機械手的肩和肘關節都繞垂直軸在水平面內轉動，因此確保了攝像機9的視角不被機械手所遮擋，便於在機械手操作時由視覺系統準確判斷出機械手的末端位姿，由直線導軌5作為機械手的軀幹，導軌滑塊4可以在直線導軌5上作上下移動。直線導軌5同時可以作為攝像機9的支座，使攝像機9的位置相對於移動平臺6固定，避免了視覺系統安裝在機械手末端時，由於視角受限和運動振動等而產生的對定位精度的影響。肩部3固定在導軌滑塊4上，上臂2和肩部3的連接處為肩關節，使上臂2可以繞垂直軸在水平面轉動。若肩關節與移動平臺6的轉動中心的距離等於零，則移動平臺6轉動自由度同肩關節轉動自由度重合，出現奇異現象。但在本設計方案中，直線導軌5的中心與移動平臺6的轉動中心重合，肩關節離直線導軌5中心的距離大於零，從而避免了奇異現象。前臂1和上臂2之間的連接處為肘關節，使前臂1同樣可以繞垂直軸在水平面轉動。前臂1和腕部8的連接處為腕部自轉關節，其轉動軸方向同前臂1軸線方向一致，同肩和肘關節的軸線方向垂直。腕部8和手7的連接處為腕部擺動關節，其轉動軸同腕部自轉關節軸線方向垂直。在腕部自轉角為零時，肩、肘關節同腕部擺動關節的軸線平行。圖1中所示的機械手姿態為腕部自轉關節轉動了90度，腕部擺動關節轉動了45度。
若機械手的腕部自轉關節角固定為零，則機械手相當於一種典型的SCARA機械手，包括1個上下移動和3個繞垂直軸在水平面內轉動的自由度。機械手向前的工作空間最大可以達到以肩關節為軸線，手臂長度為半徑，滑塊4運動行程為高度的圓柱空間。SCARA機械手被廣泛應用在流水生產線產品的抓取操作上，其主要優點包括移動機械手在水平面的轉動可以避免重力對機械手的作用，有效地減少運動振動，獲得很高的定位精度和理想的機械手動力學特性；也不需要很大功率和扭矩的驅動電機，減輕了電機和的質量、手臂的質量、以及整個機械手的質量，減少了移動平臺6驅動能源的負擔。
若機械手的腕部自轉關節角變化，同腕部擺動關節的配合可以改變機械手末端的姿態，不局限於水平指向，因此能夠以更合適的姿態來操作表面方向不垂直的物體，如按動水平面上的按鈕、與人握手等。還可以實現操作高度的細微調節，而不必驅動滑塊4來調整機械手的高度，有效地減少了驅動能源的消耗。
在機械手不工作時復位到初始狀態，如圖2，整個機械手都收回到移動平臺6內，便於移動平臺6朝向遠距離目標的快速移動，而不會使機械手同外界環境碰撞。其中上臂2旋轉到同前向垂直的位置，上臂2的長度小於移動平臺6半徑，以保證在復位位置時上臂2的任意部分都在平臺內。前臂1收縮到同上臂2不發生碰撞的最大位置，前臂1的長度大於上臂2長度，在手臂幾個連杆中為最長，前臂1和肘部的長度和不超過移動平臺6。腕部8自轉角為零，手7同樣向內收縮到不同腕部8碰撞的最大位置，手的長度可以在很大範圍內變化，以滿足收回時不超過移動平臺6為標準。各個連杆的長度基本上同人體的手臂尺寸相當。
視覺系統採用具有旋轉、俯仰功能的攝像機9。使得在移動平臺6不動的情況下通過攝像機9的高精度旋轉實現對周圍景物的觀察。當機械手處於低的工作位置時，可以控制攝像機9俯視，保證機械手末端在攝像機9的視角範圍內。若通過天棚燈光進行全局定位，也可以控制攝像機9仰角，拍攝移動機械手上前方的圖像。
計算機控制系統安裝在移動平臺的內部，用來進行超聲、紅外傳感器信號的處理，和視覺圖像的處理，計算出目標的位置，並輸出移動平臺和機械手協調運動的控制命令，使之有效完成移動操作的功能。
計算機控制系統的顯示器11，安裝在機械手的背面，可以用來顯示攝像機9拍攝的動態圖像，以及移動平臺在整個環境中的位置信息等，便於操作人員對整個系統的監控調試。
權利要求
1.一種移動機械手系統，包括一個3自由度全方位移動平臺，一個5自由度機械手，視覺系統和計算機控制系統。
2.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述移動平臺為3自由度全方位移動平臺，移動平臺上安裝有檢測環境信息的超聲、紅外傳感器。
3.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述機械手包括1個移動關節和4個轉動關節。
4.按權利要求3所述的系統，其特徵在於所述的上下移動關節由直線導軌(5)和導軌滑塊(4)構成。
5.按權利要求3所述的系統，其特徵在於所述4個轉動關節包括肩關節和、肘關節、腕部自轉關節和腕部擺動關節。
6.按權利要求1所述的系統，其特徵在於直線導軌(5)的中心與移動平臺(6)的轉動中心重合，機械手的肩關節離移動平臺(6)的轉動中心的距離大於零。
7.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述的攝像機是具有旋轉、俯仰功能的攝像機。
8.按權利要求1所述的系統，其特徵在於所述機械手在初始狀態時位於移動平臺(6)內。
9.按權利要求1所述的系統，其特徵在於由安裝在移動平臺內部的計算機控制系統實現數位訊號處理和控制命令輸出，控制移動機械手完成移動操作的功能。
全文摘要
一種移動機械手系統，包括一個3自由度移動平臺，一個5自由度機械手，視覺系統和計算機控制系統。攝像機安裝在機械手直線導軌(5)的頂端。移動平臺可以實現平面上前後、左右、自轉3個自由度的全方位運動。5自由度機械手由1個移動關節和4個轉動關節構成，操作靈活。移動機械手可以實現大範圍的移動操作功能，如在各個辦公室之間移動傳遞文件，操作電梯按鈕使機器人在各個樓層間移動等。採用具有旋轉、俯仰功能的攝像機，並安裝在直線導軌的頂端。使得在移動平臺不動的情況下通過攝像機的高精度旋轉實現對周圍景物的觀察。當機械手處於低的工作位置時，可以控制攝像機俯視，保證機械手末端在攝像機的視角範圍內。
文檔編號B25J13/08GK1611331SQ20031010446
公開日2005年5月4日 申請日期2003年10月29日 優先權日2003年10月29日
發明者趙冬斌, 易建強, 宋佐時, 鄧旭玥 申請人:中國科學院自動化研究所