CN102105276B - 用于运载机械臂的气垫平台以及可移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运载机械臂（12）的气垫平台（10），所述气垫平台（10）具有：基部（26），在所述基部（26）的底部附接有用于将所述基部（26）从固定位置提升到地面（34）上方的移动位置的气垫系统（32）；至少一个设置在所述基部（26）上的致动装置（22），所述致动装置（22）选择性地持续与所述地面（34）接触从而在所述地面（34）上移动所述基部（26）；以及控制器，所述控制器与所述气垫系统（32）以及所述至少一个致动装置（22）连接，从而仅当所述气垫平台（10）位于移动位置时驱动所述致动装置（22）。本发明进一步提供了一种特别用于器具（14a，14b）的可控引导的可移动机器人，所述可移动机器人包括：所述气垫平台（10）；基架（16），所述基架（16）被设置在所述气垫平台（10）上并且借此被可移动地支撑；以及机械臂（12），所述机械臂（12）具有紧固到所述基架（16）的一个端部和运载器具（14a，14b）的另一个端部（30）。

Description

用于运载机械臂的气垫平台以及可移动机器人

本发明涉及一种用于运载机械臂的气垫平台，并且涉及一种用于器具（特别是电影摄影机）的可控引导的可移动机器人。

在生产电影和电视节目时，经常使用虚拟场景，在虚拟场景中主角例如演员或新闻广播员被录制。这种技术特别地被称为是蓝屏或绿屏技术。当使用摄影机拍摄时为了能过后使用正确的透视法将该虚拟场景与真实图像合适地匹配，必须要知道摄影机的焦点的准确位置以及焦点所指示的方位，换句话说就是在空间中的方位。为了实现此目的，使用具有伺服轴的机器人，伺服轴具有轴编码器，其中在任何时间（例如在4毫秒的周期内）都能询问单个轴的位置并且因此摄影机的位置及其方位被确定。

但是，使用这种技术，机械臂的延伸范围受到限制从而使得例如任何时间内能确定位置和方位的拉推镜头是不可能。由于机械臂和摄影机的很大的重量，此外直接使用通常的设置有机械臂和摄影机的精致致动装置也是不可能或仅在非常贵的情况可使用。

此外通常用手能够移动的气垫平台在现有技术中也是已知的。另外存在用于气垫平台的外部电机驱动，外部电机驱动能被嵌入气垫平台从而通过高功率电机驱动的圆柱形驱动移动气垫平台。但是使用这些系统位置的可重复的变化是不可能的。

本发明的目的是提供一种用于运载机械臂的气垫平台以及一种可移动机器人，使用该气垫平台能实现准确的和可重复的位置变化。

本发明的目的通过本发明所述的气垫平台可移动机器人来实现。本发明优选的实施方式和进一步的改进在随后的段落中被描述。

根据本发明，提供了一种用于运载机械臂的气垫平台，其具有：基部，在所述基部的底部附接有用于将所述基部从固定位置提升到地面上方的移动位置的气垫系统；至少一个紧固在所述基部上的致动装置，所述致动装置持续地（in constant）或选择性地持续与地面接触从而在地面上移动所述基部；以及控制器，所述控制器与气垫系统以及所述至少一个致动装置连接，从而仅当所述气垫平台位于移动位置时驱动所述致动装置。

因此提供了一种用于运载机械臂的气垫系统，这种机械臂能沿地面平稳地通过气垫系统移动重的载荷，另外在气垫平台上设置有致动装置，致动装置适于当气垫系统运转时将气垫平台移动到准确的位置。

当气垫平台的基部不以平板的方式被设计，而是具有至少三个脚时，如电视三脚架、泵（pump）或基架的情况,或气垫系统不昂贵的情况，优选地，气垫系统包括至少三个围绕气垫平台的重心附接的空气提升垫。

在气垫平台的底部上的重量分配不均匀的情况下，为了实现设置在气垫系统内的平衡压力，特别优选地气垫系统包括具有单个气垫的垫盘或具有多个相互连接的气垫的气垫系统。

为了简化本发明气垫平台，所述至少一个致动装置包括设置基部上从而能通过滑动导向装置被垂直地移动的电机装置。

因此优选地，滑动导向装置包括：具有第一臂和第二臂的紧固支架，第二臂与第一臂垂直，并且所述第一臂适于将所述滑动导向装置紧固到基部；导轨元件，所述导轨元件与所述紧固支架的第二臂连接；以及滑架，所述滑架以滑动方式被设置在所述导轨元件上并且与所述电机装置连接。

为了实现气垫平台可重复地移动到准确位置，因此优选地，电机装置包括直流齿轮电机，直流齿轮电机被设计成伺服电机并且具有编码器，并且电机装置包括至少一个驱动轮，至少一个驱动轮与直流齿轮电机的电机轴连接并且通过紧固到基部的致动装置持续地与地面接触。

为了防止由于来自侧边或上方的冲击损坏电机装置，优选地，电机装置还具有轮壳和电机保护支架以保护所述至少一个驱动轮和电机。

为了驱动轮与地面的无滑倒地接触，因此优选地，通过可操作地被设置在电机装置和基部之间的弹簧将电机装置相对地面压紧。

但是，也可能是电机装置具有额外的重量，额外的重量被设置在所述至少一个驱动轮的上方从而由于额外重量的重力保持驱动轮与地面接触。

为了能够可靠地鉴别、分类、测量和探测环境、附接到地面的参考点、或物体的位置，从而能够确定气垫平台关于参考点的独立位置和方位，或者从而能避免碰撞位于空间内的物体（例如桌子、器具或人），特别优选地，气垫平台包括用于位置探测的传感器，例如激光扫描器。

当用于位置探测的传感器本身重量很大时，优选地，用于位置探测的传感器作为额外的重量。

在普通驱动轮的情况下，如果电机装置被旋转地和枢转地安装在滑动导向装置上，对于气垫平台的行进方向上的变化是有利的。

但是，也可能是将电机非旋转地和非枢转地安装在滑动导向装置上。此处特别优选地，所述至少一个驱动轮对应一对全向轮（omni wheel），优选地在基部上以圆周的形式设置三个致动装置并且三个致动装置相互之间成120°的角度，电机装置的三个电机轴的共同交叉点是整个系统的近似重心。

另外，根据本发明提供了一种特别用于器具的可控引导的可移动机器人，其包括：本发明气垫平台；基架，所述基架被设置在所述气垫平台上并且通过所述气垫平台以基架能移动的方式被运载；机械臂，所述机械臂使用其一个端部被紧固到所述基架上并且使用其另一个端部（或把手）运载器具。

在本发明的实施方式中，此处器具是电影摄影机，但是，在本发明的其他实施方式中，所述器具也能是夹紧爪。

为了防止在移动操作中机械臂在气垫平台上的移动损坏驱动轮，优选地，气垫平台的控制器与到机器人的控制器连接从而仅当气垫平台位于固定位置时驱动机器人。

下文中通过实施例参考附图更加详细地阐明本发明。

图1A显示了具有机械臂的机器人的非常简化的示意性侧视图，所述机器人在电视演播室使用本发明气垫平台运载电影摄影机。

图1B显示了采用本发明气垫平台的机器人的非常简化的示意性侧视图，所述机器人具有机械臂，而所述机械臂具有夹紧爪。

图2A显示了具有设置在其上的机械臂的本发明气垫平台的立体图。

图2B显示了图2A所述的结构的侧视图。

图2C显示了图2A所示的结构的俯视图。

图3A显示了本发明致动装置的详细立体图。

图3B显示了图3A中的本发明致动装置的侧视图。

图3C显示了图3A中的本发明致动装置的仰视图。

图4显示了在本发明气垫平台上排列致动装置的实施方式。

在附图的不同图中，相应的结构元件具有相同的标记数字。

在图1A中以非常简化的图示的方式显示了气垫平台10的实施方式，在气垫平台10上，具有摄影机14a的机械臂12被设置在基架16上，并且气垫平台10被设立在电视演播室内。用于通过供给管路20向气垫平台10供给空气的供给/控制单元18也与气垫平台10结合。另外，控制线路也被集成在供给管路20内，从而向气垫平台10、机械臂12、摄影机14a以及致动装置22供给电流并且控制其。

在图1A所描述的方案中，摄影机14a指向新闻广播员的桌子24从而在虚拟场景前拍摄新闻广播员。根据本发明的设计，此处可采用可控制的方式使用机械臂12和致动装置22移动摄影机14a，从而在任何时间都能探测摄影机的位置和方位。，可使用该设计将移动气垫平台10至预先确定的位置，从而获得关于虚拟场景的界定的立体图像。

但是，如图1B所示，也可能是在机械臂12上设置有夹紧爪14b从而以限定的方式从一个位置运载物品25至另一位置，，而不是在机械臂12上安装摄影机14a。在下文中进一步阐述了具有机械臂12－机械臂12具有摄影机14a－的气垫10的设计，但是下面的实施方式也适用于这样的气垫平台10，其中机械臂携带气动夹紧爪14b或例如测量仪器（用于扫描轮廓的激光扫描器）、用于运载易碎容器（例如试验架上的试管）的特殊夹具或焊接臂等器具。

在图2A至2C中，显示了气垫平台10的侧视图和俯视图，气垫平台10具机械臂12和设置在机械臂12上的摄影机14a。

气垫平台10具有基部26，在本发明具体实施方式中，基部26被设计成优选地由钢制成的基座板。在所示的实施方式中是平行六面体的钢制基架16被设置在基部26的中央，但是钢基架16也能被设计成垂直管状基架。机械臂12进而被设置或栓接在基架16上并且具有四个关节28a至28d以及把手区域内的两个另外的关节（未示），作为其结果，连接至把手或托架30的摄影机14a能在六个空间自由度内移动。另外，摄影机14a可能被设置在面板/斜面（未示）上，面板/斜面在摄影机14a移动时提供额外的自由度。此处摄影机14a是标准的电影摄影机，重量为2和5kg。摄影机14a能通过供给管路20（图1）内的控制线路被控制或被无线地控制。机械臂的质量约为250kg，但是对于具有更高承载力的机械臂可以是750kg。包括被设计成基部26的钢制基座板的钢基架的质量约360kg。基部26的表面面积为1.5x1.5m²。

通过基部26下方产生的气垫将气垫平台10从固定位置移动到移动位置的气垫系统32（图2B）被附接到基部26的下面，作为其结果，气垫平台10能在地面34上被平稳地移动。地面34（在本案中是电视演播室的地面）优选地是光滑的和平坦的地面，该地面的上表面由金属或塑料制成并且涂有清漆。

在图2B所示的具体实施方式中，气垫系统32被设计成单个垫盘，多个小气垫被连接至垫盘，多个小气垫通过管道连接并且每个都具有直流阀。在重量分配不均匀的情况下，因此能够在基部26的不同点自动地实现合适的压力调整，作为其结果，由气垫平台10以及机械臂12和基架16的结构组成的可移动机器人以平稳的方式操作。但是，也可能是将由四个单独的小空气提升垫组成的气垫系统设置在基部26的下面，所述四个单独的小空气提升垫被设置在基部26的转角处，作为其结果，可减少结构的成本。但是在重量分配不均匀的情况下，会出现空气提升垫的过载或载重不足的空气提升垫的起跳（lifting-off），并伴随有振动，这就是为什么优选气垫垫盘。

如图2A至2C所示，在气垫平台10的固定位置和移动位置持续地与地面34接触的致动装置22被设置在基部26的边缘。但是也可能以这样一种方式设置致动装置22，即它们仅选择性地持续与地面34接触，换句话说，能被向上折叠。

在图3A至3C中以立体图、侧视图以及仰视图的方式显示了致动装置22的详细表示。

致动装置22具有滑动导向装置36和电机装置38。此处滑动导向装置36包括紧固支架40，紧固支架40具有第一臂41a和第二臂41b，第二臂41b与第一臂41a平行，第一臂41a具有钻孔42a和42b，通过钻孔42a和42b紧固支架40能被栓接基部26的边缘区域，优选地栓接在其上侧。此处紧固支架40被设计成角形物，第二臂41b被连接到导轨元件44，导轨元件44具有两个圆柱形导轨46a和46b，当滑动导向装置36被设置在基部26上时，两个圆柱形导轨46a和46b沿垂直方向延伸。滑架48被设置在导轨元件44上从而使得滑架48能够滑动并且具有滑架元件50，滑架元件50包围被圆柱形地设计的导轨46a和46b并且在其上滑动。塑料元件52作为滑架元件50与导轨46a和46b之间的滑动元件而被设置，滑动元件额外地减少摩擦阻力。因此，使用滑动导向装置36，在安装状态下滑架48能沿垂直方向在基部26上自由地移动，并且由于滑架元件50与导轨46a、46b之间的刚性连接，滑架48沿水平方向被牢固地固定到基部26。

根据滑动导向装置－滑动导向装置是“干燥”滑动导向装置－的材料，硬质阳极氧化铝适于作为导轨的材料并且能提供最好的摩擦和磨损性能。因为无需任何的对系统的润滑，因此系统对具有非常低的敏感度并且因此不需要维护。例如Iglidur J/J200材料适于作为滑动塑料元件52，Iglidur J/J200材料允许15m/s的最大滑动速度和-40°C至90°C的应用温度。虽然在本具体实施方式中，滑动导轨46a和46b是圆柱形的设计，但它们并不限于这种形状，而可以是任何的能通过滑架元件50被相应地包围的横截面形状。

电机装置38被紧固在滑架48上。电机装置38具有电机54，电机54具有齿轮55并且被设计成直流齿轮电机。此处电机54作为伺服电机从而能通过预先确定数量的旋转到达预先确定的位置。电机54通过齿轮55被连接到电机轴56，在电机轴56上不可旋转地设置有一对驱动轮58a和58b。电机轴56因此在其面向滑动导向装置36的一侧被容纳在轮壳62上的容纳孔60内，轮壳62具有U行横截面，电机54被设置在轮架62的远离滑动导向装置36的一侧。电机54因此通过成角的电机保护支架64电机54被保护以防止在移动气垫平台10时来自上方或侧面的冲击作用，电机保护支架64通过销形紧固元件66被固定到轮壳62上。电机54在外侧的设置以及在滑动导向装置36附近连接到电机54的驱动轮58a和58b的设置具有这样的优点，当移动基部26时施加在滑动导向装置36上的力保持很小，这是由于驱动轮和滑动轴承之间小的杠杆（lever）。

优选使用的电机54具有齿轮减速为1/100的齿轮55，其中其驱动速度约每分钟60转、功率消耗为1至100W的（优选地为1至10W）、以及最大扭矩为150至500Ncm。驱动轮58a和58b被设计成全向轮，全向轮在现有技术中被称为Swedish轮或Mecanum轮。这些全向轮是特殊设计的轮，在主轮的圆周表面，其通常进一步具有圆筒形辅助轮，辅助轮的旋转轴例如与主轮的旋转轴成直角。在使用时，这使得也能以非平行的方式使用这些轮，而相互之间不妨碍，其结果是不需要差动（differential）。在所示的成对设置的全向轮58a和58b的情况下，全向轮58a和58b相互之间以一种方式被设置在电机轴56上，这种方式使得轮58a和58b相互之间偏移45°，从而能确保光滑和平稳的移动。轮58a和58b的直径此处约为60mm，而轴的直径约为8mm，其中后者的最大承载力为20kg。虽然为了平稳的移动优选为成对设置的轮58a和58b，但是在每种情况下也可能在电机轴56上仅设置一个Mecanum型的全向轮。

当全向轮被用作驱动轮58a和58b时，如图4所示，致动装置22优选地以圆周的形式被设置在基部26的三侧并且相互之间成120°，三个电机轴56的假想延伸的共同交叉点68同时地是整个系统的近似重心。基部26因此能在任何时间沿任何方向移动并且另外能绕共同交叉点68旋转。

虽然图中所示的具有刚性地连接到基部26并且使用全向轮58a和58b的致动装置的具体实施方式是特别优选的，但是也可能使用普通的驱动轮，其中要么驱动轮通过旋转万向轴被连接到电机54，要么整个致动装置22或电机装置38被设置从而使得其能在水平方向上关于基座26旋转。在这两种情况下，需要提供另外的调节万向轴或电机装置的偏转的致动器。

当所使用的电机54是小的并且相应地是轻的，而且电机装置38同样也不是非常重，必须额外地附接另外的重量（未示）从而将电机装置38适当有力地相对地面压紧。因此优选地尽可能接近滑动导向装置36地将该重量附接在电机装置38上，换句话说就是附接在驱动轮58a和58b上方，从而使得当电机装置38下降或上升时不会干扰滑动导向装置36。也可不附接简单的固体重量，而是使用能够执行一定功能的重量，也即是智能的。例如激光扫描器或工业安全系统或监视系统适于该目的。一旦有人接近气垫平台10，该系统能够察觉并且关闭驱动，从而防止碰撞。另一方面，可使用另外的能实现位置探测的传感器，从而确定气垫平台10关于地面34上预先确定的参考系统的位置和方位。但是，也可能是通过弹簧将电机装置38相对地面压紧，弹簧被可操作地设置在基部26和电机装置38之间。

本发明气垫平台10还具有控制装置（未示），控制装置能控制三个致动装置22的交互（如图4所示的）并且另外能确保当气垫平台10没有位于驱动位置时（当气垫系统为非运转时）致动装置22不运转。在所示的具体实施方式中，使用三个致动装置22，但是也可使用多于三个的致动装置22，其中，例如在四个致动装置22的情况下，它们均被成对地设置在基部26的相对侧。但是，也可能是仅设置两个致动装置22，两个致动装置22的连接线经过整个系统的近似重心。

另外，本发明并不限于使用垂直地可移动的滑动导向装置，这是特别优选的。因此，例如，在一对全向轮的情况下能通过双结合点将电机装置38固定到基部26或在单个全向轮的情况下通过单个结合点固定。

在所描述的具体实施方式中，电机54仅用于气垫平台10的加速，因为由于气垫，在地面34和基部26之间本质上不再存在需要通过电机动力54克服的摩擦。因此，通过使用气垫平台，可使用致动装置，这些致动装置在构造上通常是精致的从而因此能将重量超过500kg的摄影机平台移动到准确的位置。但是，因此上述控制器也有必要确保在行进中机械臂不移动，因为由于高的承载力，机械臂的运动将给驱动轮58a和58b施加过高的力，作为其结果轮58a、58b要么滑倒要么被损坏。但是如果设置耐用的致动装置，这种控制就不是必须的。

Claims (19)

1.一种用于运载机械臂（12）的气垫平台（10），所述气垫平台（10）具有：

-基部（26），在所述基部（26）的底部附接有用于将所述基部（26）从固定位置提升到地面（34）上方的移动位置的气垫系统（32）,

-至少一个紧固在所述基部（26）上的致动装置（22），所述致动装置（22）选择性地持续与所述地面（34）接触从而在所述地面（34）上移动所述基部（26），以及

-控制器，所述控制器与所述气垫系统（32）以及所述至少一个致动装置（22）连接，从而仅当所述气垫平台（10）位于移动位置时驱动所述致动装置（22），

其中所述至少一个致动装置（22）包括设置在基部（26）上从而能通过滑动导向装置（36）被垂直地移动的电机装置（38）。

2.根据权利要求1所述的气垫平台（10），其特征在于，所述气垫系统(32)包括至少三个围绕所述气垫平台（10）的重心附接的空气提升垫。

3.根据权利要求1或2所述的气垫平台（10），其特征在于，所述气垫系统（32）包括具有单个气垫的垫盘或具有多个相互连接的气垫的气垫系统。

4.根据权利要求1所述的气垫平台（10），其特征在于，所述滑动导向装置（36）包括：

-具有第一臂（41a）和第二臂（41b）的紧固支架（40），所述第二臂（41b）与所述第一臂（41a）垂直，并且所述第一臂（41a）适于将所述滑动导向装置（36）紧固到所述基部（26），

-导轨元件（44），所述导轨元件（44）与所述紧固支架（40）的第二臂（41b）连接，以及

-滑架（48），所述滑架（48）以滑动的方式被设置在所述导轨元件（44）上并且与所述电机装置（38）连接。

5.根据权利要求1所述的气垫平台（10），其特征在于，所述电机装置（38）包括：

-直流齿轮电机（54），所述直流齿轮电机（54）被设计成伺服电机并且具有编码器，以及

-至少一个驱动轮（58a，58b），所述至少一个驱动轮与所述直流齿轮电机（54）的电机轴（56）连接并且通过紧固到所述基部（26）的致动装置（22）持续地与所述地面（34）接触。

6.根据权利要求5所述的气垫平台（10），其特征在于，所述电机装置（38）还具有轮壳（62）和电机保护支架（64）以保护所述至少一个驱动轮（58a，58b）和所述电机（54）。

7.根据权利要求1所述的气垫平台（10），其特征在于，所述电机装置（38）通过可操作地附接在所述电机装置（38）和所述基部（26）之间的弹簧被相对所述地面（34）压紧。

8.根据权利要求5所述气垫平台（10），其特征在于，所述电机装置（38）具有额外的重量，所述额外的重量被设置在至少一个驱动轮（58a，58b）上方，从而通过所述额外重量的重力保持所述至少一个驱动轮（58a，58b）与所述地面（34）接触。

9.根据前述权利要求1所述的气垫平台（10），所述气垫平台（10）还具有用于位置探测的传感器。

10.根据权利要求9所述的气垫平台(10)，其特征在于，所述用于位置探测的传感器为激光扫描器。

11.根据权利要求9或10所述的气垫平台（10），其特征在于，所述用于位置探测的传感器被用作额外的重量。

12.根据权利要求1所述的气垫平台（10），其特征在于，所述电机装置（38）被旋转地或枢转地设置在所述滑动导向装置（36）上。

13.根据权利要求5所述的气垫平台（10），其特征在于，所述至少一个驱动轮（58a，58b）是一对全向轮。

14.根据权利要求13所述的气垫平台（10），其特征在于，在所述基部（26）上以圆周形式设置有三个致动装置（22）并且所述三个致动装置（22）相互之间成120°的角度，所述电机装置（38）的三个电机轴（56）的共同交叉点（68）为整个系统的近似重心。

15.一种用于器具（14a，14b）的可控引导的可移动机器人，所述可移动机器人具有：

-根据前述权利要求的其中一项所述的气垫平台（10），

-基架（16），所述基架（16）被设置在所述气垫平台（10）上并且通过所述气垫平台（10）以基架（16）能移动的方式被运载，以及

-机械臂（12），所述机械臂（12）使用其一个端部被紧固到所述基架（16）上并且使用其另一个端部（30）运载器具（14a，14b）。

16.根据权利要求15所述的可移动机器人，其特征在于，所述机械臂（12）在其另一端部（30）与所述器具（14a，14b）之间具有与所述器具（14a，14b）结合的面板/倾斜单元。

17.根据权利要求15或16所述的可移动机器人，其特征在于，所述器具（14a，14b）是电影摄影机（14a）。

18.根据权利要求15或16所述的可移动机器人，其特征在于，所述器具（14a，14b）是夹紧爪（14b）。

19.根据权利要求15或16所述的可移动机器人，其特征在于，所述气垫平台（10）的控制器与机器人的控制器连接从而仅当所述气垫平台（10）位于固定位置时驱动所述机器人。

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