CN102581836A - 多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人 - Google Patents

多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人 Download PDF

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徐贺
沈义平
刘朝杰
刘星
薛开
郭保腾
孙霖
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Abstract

本发明的目的在于提供多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人，包括摇臂、轮、机械臂，轮安装在摇臂上，所述的机械臂包括依次相连的基座、后臂、中臂、前臂、机械手爪，基座与摇臂中心固定相连，基座、后臂、中臂、前臂形成三个关节，每个关节处各安装驱动电机，机械手爪上安装舵机并由舵机带动实现开合动作，机械臂共有两个分别安装在移动机器人本体的两侧。本发明适应多种崎岖不平稳地形，可协助机器人通过凸起障碍、垂直障碍、壕沟、凹坑等多种地况，同时保证通过过程中机器人车身平稳，姿态变化小，车体速度变化均匀。

Description

多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人
技术领域
本发明涉及的是一种移动机器人。
背景技术
近年来轮式移动机器人应用越来越广泛，尤其是航天、服务娱乐等领域，然而轮式移动机器人对地形的适应性较差，尤其在崎岖不平的地形中它的活动受到极大限制，这阻碍了轮式移动机器人的功能发挥。
为了解决这一问题，人们采取多种改进方法。一种方法是通过增加轮子数量来提高对地形的适应性，但是会带来机器人体积过于庞大，质量过重等缺点，如公开号为CN1597316的专利“八轮对称悬架式车载机构”；也有人考虑到结合腿式移动机器人对地形适应能力强的特点，设计出轮腿式移动机器人，轮腿式机器人越障能力强，但是机器人结构设计复杂，通过凹陷地面能力不如其通过凸起障碍能力，而且通过过程中机器人车身姿态变化大，车体振动摇晃现象明显，如公开号为CN1317397的专利“翻滚型轮腿式移动机器人”和公开号为CN1836838的专利“基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人”。
此外，人们一般通过额外给移动机器人添加设计机械臂的方法来使移动机器人不仅具备移动的能力，还具有抓取物体、采集土壤样本等功能。
发明内容
本发明的目的在于提供同时具备了机械臂和机械腿两种功能的多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人。
本发明的目的是这样实现的：
本发明多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人，其特征是：包括摇臂、轮、机械臂，轮安装在摇臂上，所述的机械臂包括依次相连的基座、后臂、中臂、前臂、机械手爪，基座与摇臂中心固定相连，基座、后臂、中臂、前臂形成三个关节，每个关节处各安装驱动电机，机械手爪上安装舵机并由舵机带动实现开合动作，机械臂共有两个分别安装在移动机器人本体的两侧。
本发明的优势在于：本发明的机械臂实现了功能复用：同时具备了机械臂和机械腿两种功能，大大简化了移动机器人的机械结构设计，与以往添加机械臂和机械腿的同类设计相比，减轻了机器人的体积增大和质量增重问题；本发明适应多种崎岖不平稳地形，可协助机器人通过凸起障碍、垂直障碍、壕沟、凹坑等多种地况，同时保证通过过程中机器人车身平稳，姿态变化小，车体速度变化均匀；因为机器人在平稳地面行驶时，机械臂执行物体抓取、采集样本任务，此时机器人完全发挥出轮式移动机器人机动灵活、行驶速度快的特点，与同类越障机器人或提高通过能力的机器人相比，本发明中机器人执行任务时快速灵活，效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的三维图，图2a为立体图，图2b为侧视图，图2c为俯视图；
图3为本发明通过凸起障碍时的运动过程原理图，图3a为过程1，图3b为过程2，图3c为过程3。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～3，本发明中机械臂3具有三个自由度关节，三个驱动电机分别安装在各关节转动轴线处，前臂3-d末端固定连接机械手爪，机械手爪由舵机带动实现开合动作，基座3-a与摇臂2中心O处固定连接。机械臂3安装有三个力矩传感器，分别与上述三个驱动电机级联，与电机减速器和执行机构相连接，作为传动装置及检测装置；同时机械手爪前端安装有压力传感器，检测机械手爪与地面之间的作用力。
当机器人1通过崎岖不平稳地面时，车身和摇臂姿态改变，依据运动学和动力学的相关理论，同时利用机械臂3中的力矩传感器、压力传感器以及车体中惯性测量单元和加速度计等传感器反馈回的数据，固定连接于摇臂2中心O处的双机械臂3相应调整后臂3-b、中臂3-c及前臂3-d的位姿，保持机械臂3抓地施加的作用力与车轮驱动力相协调，两机械臂3换臂动作时序与车轮前进速度相协调。
多功能机械臂协同车轮提高移动机器人通过能力的方法步骤：
当机器人1通过凸起障碍或凹陷地面等崎岖不平稳地面时，两侧机械臂3支撑地面，前端手爪张开抓地，与车轮一起承担车体重量，减少车轮承受压力及它与地面接触产生的摩擦阻力；机械臂3中臂3-c、前臂3-d绕关节向后转动，带动手爪向地面施加一定后推力，在原来依靠车轮前进基础上增加了机器人1牵引力；手爪超过作用力范围后，后臂3-b带动中臂3-c及前臂3-d抬起然后机械臂3伸向下一目标地面接触点，重复之前抓地施力过程；两机械臂3依次换臂前移抓地助行，类似于人双腿走路前行动作，与车轮一起有效增加了机器人在崎岖地面的通过能力，并保证在通过过程中车体姿态平稳，行进速度均匀。
如图(3-a)所示，当机器人1开始通过凸起障碍时，后臂3-b与基座3-a连接关节处驱动电机转动，带动后臂3-b往前进方向顺时针转动，同时另两处关节的驱动电机旋转带动中臂3-c和前臂3-d顺时针转动，使前端机械手爪着地，两机械臂3支撑地面，左机械臂3(L)相对于右机械臂3(R)靠后，其中机械手爪地面支撑点位置、机械臂3的后臂3-b相对于基座3-a的旋转角度、中臂3-c相对于后臂3-b的旋转角度、前臂3-d相对于中臂3-c的旋转角度以及左机械臂3(L)与右机械臂3(R)的相对距离依据运动学和动力学的相关理论和机械臂3与车体上各个传感器反馈回的数据共同计算确定，保证车身及机械臂3整体重心平稳，而且机械臂3能对地面施加较大后推力；通过两机械臂3支撑地面，机器人1两前轮因机器人重力所受的正压力减小，从而减小与凸起障碍接触产生的摩擦阻力，有利于车轮前行，同时中臂3-c和前臂3-d通过驱动电机转动绕关节顺时针转动，带动手爪向地面施加后推力，地面因此对机器人1整体产生方向朝前进方向的反作用力，加上之前地面施加给车轮的推动力，大大增加了机器人1的牵引力，推动机器人1在凸起障碍地面持续前进；机器人1前进过程中机械臂3姿态也跟随调整，左机械臂3(L)的机械手爪达到施力作用距离后，机械臂3三个关节处的驱动电机逆时针旋转依次带动后臂3-b、中臂3-c和前臂3-d抬起一定高度，然后重复之前机械臂3着地抓地过程，左机械臂3(L)的机械手爪向前在下一个目标地点抓地施加作用力，此时右机械臂3(R)机械手爪仍在原抓地点施力作用距离内活动，如图(3-b)所示。同理，一段时间后右机械臂3(R)抬起往前在下一个目标点着地，如图(3-c)所示。两机械臂3协助机器人通过凸起障碍的整个过程类似于人双腿行走过程，既增加了机器人1的牵引力，又保证通过过程中车身平稳，姿态变化小，车体速度变化均匀。
机械臂3协助轮式移动机器人1通过垂直障碍、壕沟、凹坑等其他崎岖地面时的协助过程与通过凸起障碍时基本一致。

Claims (1)

1.多功能机械臂协同车轮牵引移动机器人，其特征是：包括摇臂、轮、机械臂，轮安装在摇臂上，所述的机械臂包括依次相连的基座、后臂、中臂、前臂、机械手爪，基座与摇臂中心固定相连，基座、后臂、中臂、前臂形成三个关节，每个关节处各安装驱动电机，机械手爪上安装舵机并由舵机带动实现开合动作，机械臂共有两个分别安装在移动机器人本体的两侧。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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