一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊的製作方法
2023-09-10 05:39:30 5
專利名稱：一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人的自動檢測技術領域，特別涉及一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊。
背景技術：
獲取夾持器相對於杆件的位置和姿態，是引導夾子無碰撞可靠夾持的必要條件。由於基座誤差、機器人本體關節間隙誤差以及圖像誤差等系統誤差，用於抓夾的工業機器人，以及手爪/足爪交替抓夾目標物的主流爬杆機器人包括W00DY、CPR、Shady3D、ASTERISK、3DCUMBER、Treebot和Climbot等面臨一個共性的問題，末端抓夾工具不能很好地對正杆件，需要做適當的校正才能可靠抓夾杆件。
大多數工業機器人和爬杆機器人並沒有對校正抓夾誤差做太多的工作，而是依靠機器人本身的精度或者人為調整來保證抓夾的可靠性。3DCUMBER儘管對校正抓夾誤差上做了一些工作，但是它還如下不足1)夾持器目標位姿事先精確給定，只有在結構化的精確環境中才有意義，在自主攀爬中很難滿足；2) 3DCLIMBER在單步攀爬中實際上只有平面三個自由度，只檢測和調整一個位移參數和一個角度參數，對3D環境中的攀爬遠遠不夠；3)通過兩端紅外對射來對正並測距的可行性和實際效果令人懷疑；4)檢測和校正都以機器人本身為中心，需要知道機器人固定端的傾斜和機器人本身的誤差，導致解決問題的複雜化。因此，對自主抓夾而言，應該以杆件為參考和基準，以手爪相對於杆件的位姿檢測和控制為中心，這方面的技術還是空白。
發明內容
本發明的發明目的是針對現有機器人自動檢測的技術不足，提供一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊。為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為
提供一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，包括夾持部、控制系統、殼體及設於殼體外表面的位姿自主檢測部；所述夾持部包括兩個相對設置的手爪與用於驅動手爪的傳動部；其中，手爪設於殼體上方，傳動部設於殼體內；所述控制系統控制系統與位姿自主檢測部電連接從而通過位姿自主檢測部獲取待夾物品信息，控制系統與傳動部電連接從而通過獲取的待夾物品信息驅動傳動部。優選地，所述傳動部還包括蝸輪、盤式電機、電機軸套、盤式諧波減速器、盤式諧波減速器輸出過渡盤與蝸杆；盤式電機的輸出軸通過電機軸套與盤式諧波減速器的波發生器相連；電機軸套與波發生器之間通過平鍵傳遞扭矩，盤式諧波減速器的輸入鋼輪和輸出鋼輪則通過螺釘分別與殼體內側底部及諧波減速器輸出過渡盤軸向固定；諧波減速器輸出過渡盤與蝸杆通過花鍵配合連接且軸向通過螺釘固定；蝸杆兩端則分別通過角接觸球軸承安裝於殼體內；兩個蝸輪對稱於蝸杆中心線並通過角接觸球軸承安裝於殼體內，兩個蝸輪之間的支承中心線與蝸杆中心線垂直；盤式電機、電機軸套、盤式諧波減速器、諧波減速器輸出過渡盤的中心線與蝸杆中心線共線；蝸杆與兩個蝸輪之間分別嚙合，從而傳遞運動和力矩。優選地，所述傳動部還包括從動杆；每個蝸輪上設有一個外延杆，每個外延杆的末端鉸接有一個手爪，且兩個手爪對稱於蝸杆中心線設置；每個從動杆的一端通過圓柱銷鉸接於殼體中部，另一端分別通過圓柱銷與同側的手爪鉸接，且兩個從動杆對稱於蝸杆中心線設置；其中，兩個蝸輪、兩個從動杆、兩個手爪分別與殼體構成平行四桿機構，手爪則在蝸輪的驅動下平行地閉合或者張開。優選地，所述手爪為相對設置的V型手爪，兩個V型手爪之間形成第一溝槽與第二溝槽，所述第一溝槽的開口向上逐漸縮小，所述第二溝槽的開口向下逐漸縮小，從而使得夾持器模塊可從兩個不同的方向抓取和夾持待夾物品。優選地，所述殼體包括電機座、主基殼與副基殼；所述盤式電機安裝於電機座內，兩者共軸線並通過螺釘在結合端面固定；所述電機軸套、盤式諧波減速器及諧波減速器輸 出過渡盤安裝於主基殼內；所述蝸杆及蝸輪安裝於副基殼內；且所述電機座的中心線也與蝸杆中心線共線。優選地，所述蝸杆兩端則分別通過角接觸球軸承安裝於主基殼內，並由設置在主基殼內的方型軸承端蓋壓緊固定；所述蝸輪均通過角接觸球軸承安裝於副基殼內，並由設置在副基殼外表面的圓軸承端蓋壓緊固定。優選地，所述控制系統包括電機控制驅動器安裝盒、電機控制驅動器及主控系統；所述電機控制驅動器安裝盒通過螺栓固定在殼體外表面，所述電機控制驅動器則通過螺栓與螺母固定於電機控制驅動器安裝盒內，該電機控制驅動器分別與盤式電機及主控系統電連接，主控系統還與位姿自主檢測部電連接。優選地，所述位姿自主檢測部包括超聲波傳感器、攝像頭、傳感器數據採集模塊安裝盒、雷射區域掃描儀、傳感器支架與傳感器數據採集模塊；兩個傳感器支架通過螺栓對稱設置於主基殼外表面，每個傳感器支架設有一個超聲波傳感器；每個超聲波傳感器發射聲波的方向沿著蝸杆軸線且朝向V型手爪；雷射區域掃描儀則通過螺栓安裝於主基殼外表面一側，其掃描平面垂直於蝸輪的旋轉軸線；與雷射區域掃描儀相對，主基殼外表面另一側設有攝像頭球鉸支架，攝像頭鉸接於攝像頭球鉸支，攝像頭的拍攝方向由攝像頭球鉸支架控制；傳感器數據採集模塊通過螺栓安裝於傳感器數據採集模塊安裝盒內，而傳感器數據採集模塊安裝盒通過螺栓和螺母安裝於傳感器支架上；攝像頭、雷射掃描儀和超聲波傳感器共同測量夾持器模塊相對於杆件的位姿。優選地，所述位姿自主檢測部包括超聲波傳感器、攝像頭、傳感器數據採集模塊安裝盒、雷射區域掃描儀、傳感器支架及傳感器數據採集模塊；兩個傳感器支架通過螺栓對稱設於主基殼外表面，每個傳感器支架上設有一個超聲波傳感器；每個超聲波傳感器發射聲波的方向沿著蝸杆軸線且朝向手爪；雷射區域掃描儀則通過螺栓安裝於副基殼外表面一偵U，其掃描平面垂直於蝸輪的旋轉軸線；與雷射區域掃描儀相對，副基殼外表面另一側設有攝像頭球鉸支架，攝像頭鉸接於攝像頭球鉸支架，攝像頭的拍攝方向由攝像頭球鉸支架控制；傳感器數據採集模塊通過螺栓安裝於傳感器數據採集模塊安裝盒內，而傳感器數據採集模塊安裝盒通過螺栓和螺母安裝於傳感器支架上；攝像頭、雷射掃描儀和超聲波傳感器共同測量夾持器模塊相對於杆件的位姿。
當該夾持器模塊靠近待抓夾杆狀對象時，通過雷射掃描儀掃描測量和計算得到杆在夾持器坐標系中Y軸和Z軸(見圖3)的位置；通過攝像頭對杆特徵進行提取和計算得到杆在夾持器坐標系中繞Z軸的姿態；兩個超聲波傳感器測距可得到杆在夾持器坐標系中繞Y軸的姿態；從而實現杆相對於夾持器模塊Y軸和Z軸的位置和姿態四個量的自主檢測。優選地，所述主控系統包括上位機及基於單片機的主控制器，所述超聲波傳感器通過 J2C總線接入基於單片機的主控制器；所述傳感器數據採集模塊通過CAN總線接入上位機，所述雷射區域掃描儀和攝像頭通過USB Hub接入上位機。本發明相對於現有技術，具有以下有益效果本發明面向杆件的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊集成夾持功能和位姿自主檢測功能，結構緊湊、實施簡單可靠，完整獨立的模塊化設計，便於應用和擴展。其中，特殊設計的V型手爪可實現兩個方向的抓取和夾持，並可自適應杆件的大小和形狀，通過平行四桿機構平行地張開和閉合；另外，通過三種 傳感器有機組合，實現自主地對杆件的位置和姿態進行檢測，可為自主抓取和夾持提供靠近杆件的引導信息。該夾持器模塊應用於爬杆機器人或者工業機器人中，在機器人末端靠近杆件時，啟動傳感器檢測系統，逐步得到杆件相對於夾持器的位姿；再運用逆運動學求解出夾持器運動到可靠夾持點的各關節的調節量，實現在運動過程中自主檢測和校正夾持器相對於杆件的位姿，使夾持器可靠夾持杆件，可有效解決爬杆機器人在同一直杆或者兩交錯杆件間過渡等難題，是實現爬杆機器人在杆件環境中自主攀爬的基礎。
圖I是本發明夾持器模塊的主視半剖視 圖2是本發明夾持器模塊的左視 圖3是本發明夾持器模塊夾持圓杆示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明的發明目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發明的實施方式並不因此限定於以下實施例。除非特別說明，本發明採用的材料和加工方法為本技術領域常規材料和加工方法。如圖I、圖2與圖3所示，一種面向杆件的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其主要零部件包括V型手爪01、圓柱銷02、扇狀蝸輪03、從動杆04、右圓軸承端蓋05、內六角圓柱頭螺釘06、副基殼07、主基殼08、電機座09、盤式電機10、電機軸套11、平鍵12、盤式諧波減速器13、盤式諧波減速器輸出過渡盤14、齒輪軸擋環15、十字螺釘16、方型軸承端蓋17、角接觸球軸承18、蝸杆19、傳感器支架20、左圓軸承端蓋21、超聲波傳感器22、攝像頭23、攝像頭球鉸支架24、傳感器數據採集模塊安裝盒25、雷射區域掃描儀26、電機控制驅動器安裝盒27、傳感器數據採集模塊與電機控制驅動器。盤式電機10安裝於電機座09中，兩者共軸線並通過螺釘在結合端面固定。盤式電機10的輸出軸通過電機軸套11與盤式諧波減速器13的波發生器相連，電機軸套11與波發生器之間通過平鍵12傳遞扭矩。盤式諧波減速器13的輸入鋼輪和輸出鋼輪則通過螺釘分別與電機座09內側底部和諧波減速器輸出過渡盤14軸向固定。諧波減速器輸出過渡盤14與蝸杆19採用花鍵配合連接，軸向由螺釘固定。蝸杆19兩端則分別通過角接觸球軸承18支承於主基殼08內，並由設置在主基殼08內的方型軸承端蓋17壓緊固定。電機座09與主基殼08的圓形輸入端通過螺釘固定連接。因此在結構上，電機座09、盤式電機10、電機軸套11、盤式諧波減速器13、諧波減速器輸出過渡盤14的中心線與蝸杆中心線共線；另外，電機軸套11、盤式諧波減速器13、諧波減速器輸出過渡盤14安裝於主基殼08內。主基殼08與副基殼07外形上相互配對，通過螺釘06固定。在副基殼07內且對稱於蝸杆09中心線安裝有兩個扇狀蝸輪03，該兩個扇狀蝸輪03均由角接觸球軸承18支承於副基殼07對應的軸承孔上，該兩個扇狀蝸輪03之間的支承中心線與蝸杆中心線垂直，並由設置在副基殼07外表面的圓軸承端蓋05、21壓緊。蝸杆09與兩個扇狀蝸輪03之間分別嚙合，從而傳遞運動和力矩。主基殼08外表面兩側且對稱於蝸杆中心線各安裝有一個從動杆04。每個扇狀蝸輪03上設有一個外延杆，每個外延杆的末端鉸接有一個V型手爪01，且兩個V型手爪對稱於蝸杆中心線設置。每個從動杆04 —端通過圓柱銷02鉸接于于主基殼08上，即從動杆04 可繞該圓柱銷02相對於主基殼08轉動；從動杆04另一端通過圓柱銷02與V型手爪01鉸接。因此，兩個扇狀蝸輪03、兩個從動杆04、兩個V型手爪01分別與主基殼08構成平行四桿機構，V型手爪01則在扇狀蝸輪03的驅動下平行地閉合或者張開。兩個V型手爪之間形成第一溝槽28與第二溝槽29，所述第一溝槽28的開口向上逐漸縮小，所述第二溝槽29的開口向下逐漸縮小，從而使得夾持器模塊可從兩個不同的方向抓取和夾持待夾物品。電機控制驅動器安裝盒27通過螺栓固定在主基殼08外表面，電機控制驅動器29則通過螺栓與螺母固定於電機控制驅動器安裝盒27內；盤式電機10與電機控制驅動器電連接。傳感器支架20通過螺栓固定在主基殼08外表面且靠近V型手爪01，兩個超聲波傳感器22分別於主基殼08外表面對稱分布並通過螺栓固定於傳感器支架20上,超聲波傳感器22發射聲波的方向沿著蝸杆19軸線且向著V型手爪01，亦即圖3所示Z軸方向。傳感器數據採集模塊通過螺栓固定於傳感器數據採集模塊安裝盒25內，而傳感器數據採集模塊安裝盒25通過螺栓和螺母固定於傳感器支架20上。雷射區域掃描儀26則通過螺栓固定於主基殼外表面的一側，其掃描平面垂直於蝸輪的旋轉軸線，亦即圖3所示YOZ平面。攝像頭23則由攝像頭球鉸支架24支承，攝像頭球鉸支架24通過螺栓固定於主基殼外表面的另一側，即相對雷射區域掃描儀26的另一側。攝像頭23的拍攝方向由攝像頭球鉸支架24控制。因此，本實施例中，電機控制驅動器安裝盒27、電機控制驅動器、雷射區域掃描儀26、攝像頭23、傳感器數據採集模塊、傳感器數據採集模塊安裝盒25分別分布於主基殼08兩側；攝像頭23、雷射掃描儀26和超聲波傳感器22共同通過一定步驟測量夾持器模塊相對於杆件的位姿。主控系統與電機控制驅動器電連接。主控系統採用C8051RM0單片機(不限於此)，C8051F040單片機用於控制傳感器數據採集模塊；超聲波傳感器22通過J2C總線接入C8051F040單片機，且傳感器數據採集模塊通過CAN總線接入上位機(例如工控機等，圖中未畫出)並傳輸超聲波傳感器22的測距信息。雷射區域掃描儀26和攝像頭23通過USB Hub接入上位機，直接與上位機通訊。因此，上述三種傳感器最終可以將檢測到的數據信息傳輸到上位機中。當該夾持器模塊靠近待抓夾杆狀對象時，通過雷射掃描儀26掃描測量和計算得到杆在夾持器坐標系中Y軸和Z軸，如圖3的位置。通過攝像頭23對杆特徵進行提取和計算得到杆在夾持器坐標系中繞Z軸的姿態；兩個超聲波傳感器22測距可得到杆在夾持器坐標系中繞Y軸的姿態，從而實現杆相對於夾持器模塊Y軸和Z軸的位置和姿態四個量的自主檢測。 該夾持器模塊可實現兩個主要功能夾持杆件和位姿自主檢測，可望在機器人領域和杆件、管道環境的作業中得以應用。就夾持功能而言，主要通過盤式諧波減速器和蝸杆蝸輪結構減速，由平行四桿機構實現手爪的平行張開和閉合。就位姿自主檢測功能而言，主要通過雷射掃描儀得到杆在夾持器模塊坐標系中的YOZ平面(見圖3)的坐標；攝像頭對杆件特徵進行提取和計算得到杆件在夾持器模塊坐標系中XOY平面內與X軸的夾角；兩個超聲波傳感器測距可得到杆件在夾持器模塊坐標系中XOZ平面內與X軸的夾角和Z軸坐標，綜合即可得到杆件相對於夾持器的位姿，從而實現對Y軸、Z軸、繞Y軸、繞Z軸四個自由度的檢測，為可靠無碰撞抓取或者夾持杆件提供必要的環境信息。該夾持器模塊應用於爬杆機器人或者工業機器人中，在機器人末端靠近杆件時，啟動傳感器檢測系統，逐步得到杆件相對於夾持器的位姿；再運用逆運動學求解出夾持器運動到可靠夾持點的各關節的調節量，實現在運動過程中自主檢測和校正夾持器相對於杆件的位姿，使夾持器可靠夾持杆件，可有效解決爬杆機器人在同一直杆或者兩交錯杆件間過渡等難題，是實現爬杆機器人在杆件環境中自主攀爬的基礎。上述實施例僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍。即凡依本發明內容所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的範圍所涵蓋。
權利要求
1.一種具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於包括夾持部、控制系統、殼體及設於殼體外表面的位姿自主檢測部；所述夾持部包括兩個相對設置的手爪與用於驅動手爪的傳動部；其中，手爪設於殼體上方，傳動部設於殼體內；所述控制系統控制系統與位姿自主檢測部電連接從而通過位姿自主檢測部獲取待夾物品信息，控制系統與傳動部電連接從而通過獲取的待夾物品信息驅動傳動部。
2.根據權利要求I所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述傳動部還包括蝸輪、盤式電機、電機軸套、盤式諧波減速器、盤式諧波減速器輸出過渡盤與蝸杆；盤式電機的輸出軸通過電機軸套與盤式諧波減速器的波發生器相連；電機軸套與波發生器之間通過平鍵傳遞扭矩，盤式諧波減速器的輸入鋼輪和輸出鋼輪則通過螺釘分別與殼體內側底部及諧波減速器輸出過渡盤軸向固定；諧波減速器輸出過渡盤與蝸杆通過花鍵配合連接且軸向通過螺釘固定；蝸杆兩端則分別通過角接觸球軸承安裝於殼體內；兩個蝸輪對稱於蝸杆中心線並通過角接觸球軸承安裝於殼體內，兩個蝸輪之間的支承中心線與蝸杆中心線垂直；盤式電機、電機軸套、盤式諧波減速器、諧波減速器輸出過渡盤的中心線與蝸杆中心線共線；蝸杆與兩個蝸輪之間分別嚙合，從而傳遞運動和力矩。
3.根據權利要求2所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述傳動部還包括從動杆；每個蝸輪上設有一個外延杆，每個外延杆的末端鉸接有一個手爪，且兩個手爪對稱於蝸杆中心線設置；每個從動杆的一端通過圓柱銷鉸接於殼體中部，另一端分別通過圓柱銷與同側的手爪鉸接，且兩個從動杆對稱於蝸杆中心線設置。
4.根據權利要求3所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述手爪為相對設置的V型手爪，兩個V型手爪之間形成第一溝槽與第二溝槽，所述第一溝槽的開口向上逐漸縮小，所述第二溝槽的開口向下逐漸縮小。
5.根據權利要求2-4任一項所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述殼體包括電機座、主基殼與副基殼；所述盤式電機安裝於電機座內，兩者共軸線並通過螺釘在結合端面固定；所述電機軸套、盤式諧波減速器及諧波減速器輸出過渡盤安裝於主基殼內；所述蝸杆及蝸輪安裝於副基殼內；且所述電機座的中心線也與蝸杆中心線共線。
6.根據權利要求5所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述蝸杆兩端則分別通過角接觸球軸承安裝於主基殼內，並由設置在主基殼內的方型軸承端蓋壓緊固定；所述蝸輪均通過角接觸球軸承安裝於副基殼內，並由設置在副基殼外表面的圓軸承端蓋壓緊固定。
7.根據權利要求I或6所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述控制系統包括電機控制驅動器安裝盒、電機控制驅動器及主控系統；所述電機控制驅動器安裝盒通過螺栓固定在殼體外表面，所述電機控制驅動器則通過螺栓與螺母固定於電機控制驅動器安裝盒內，該電機控制驅動器分別與盤式電機及主控系統電連接，主控系統還與位姿自主檢測部電連接。
8.根據權利要求7所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述位姿自主檢測部包括超聲波傳感器、攝像頭、傳感器數據採集模塊安裝盒、雷射區域掃描儀、傳感器支架與傳感器數據採集模塊；兩個傳感器支架通過螺栓對稱設置於主基殼外表面，每個傳感器支架設有一個超聲波傳感器；每個超聲波傳感器發射聲波的方向沿著蝸杆軸線且朝向V型手爪；雷射區域掃描儀則通過螺栓安裝於主基殼外表面一側，其掃描平面垂直於蝸輪的旋轉軸線；與雷射區域掃描儀相對，主基殼外表面另一側設有攝像頭球鉸支架，攝像頭鉸接於攝像頭球鉸支，攝像頭的拍攝方向由攝像頭球鉸支架控制；傳感器數據採集模塊通過螺栓安裝於傳感器數據採集模塊安裝盒內，而傳感器數據採集模塊安裝盒通過螺栓和螺母安裝於傳感器支架上；攝像頭、雷射掃描儀和超聲波傳感器共同測量夾持器模塊相對於杆件的位姿。
9.根據權利要求7所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述位姿自主檢測部包括超聲波傳感器、攝像頭、傳感器數據採集模塊安裝盒、雷射區域掃描儀、傳感器支架及傳感器數據採集模塊；兩個傳感器支架通過螺栓對稱設於主基殼外表面，每個傳感器支架上設有一個超聲波傳感器；每個超聲波傳感器發射聲波的方向沿著蝸杆軸線且朝向手爪；雷射區域掃描儀則通過螺栓安裝於副基殼外表面一側，其掃描平面垂直於蝸輪的旋轉軸線；與雷射區域掃描儀相對，副基殼外表面另一側設有攝像頭球鉸支架，攝像頭鉸接於攝像頭球鉸支架，攝像頭的拍攝方向由攝像頭球鉸支架控制；傳感器數據採集模塊通過螺栓安裝於傳感器數據採集模塊安裝盒內，而傳感器數據採集模塊安裝盒通過螺栓和螺母安裝於傳感器支架上；攝像頭、雷射掃描儀和超聲波傳感器共同測量夾持器模塊相對於杆件的位姿。
10.根據權利要求8或9所述的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，其特徵在於所述主控系統包括上位機及基於單片機的主控制器，所述超聲波傳感器通過J2C總線接入基於單片機的主控制器；所述傳感器數據採集模塊通過CAN總線接入上位機，所述雷射區域掃描儀和攝像頭通過USB Hub接入上位機。
全文摘要
本發明公開了一種面向杆件的具有位姿自主檢測功能的夾持器模塊，包括夾持部、控制系統、殼體及設於殼體外表面的位姿自主檢測部；夾持部包括兩個相對設置的手爪與用於驅動手爪的傳動部；其中，手爪設於殼體上方，傳動部設於殼體內；控制系統控制系統與位姿自主檢測部電連接從而通過位姿自主檢測部獲取待夾物品信息，控制系統與傳動部電連接從而通過獲取的待夾物品信息驅動傳動部。就夾持功能而言，主要通過盤式諧波減速器和蝸杆蝸輪結構減速，由平行四桿機構實現手爪的平行張開和閉合。
文檔編號B25J15/08GK102825612SQ201210302849
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者管貽生, 肖志光, 朱海飛, 吳俊君, 吳文強, 張宏 申請人:華南理工大學