CN103144094A - 面向非规则物体的抓取机器人 - Google Patents
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Abstract
一种面向非规则物体的抓取机器人，涉及机器人领域。其由遥控移动平台、5自由度机械臂和末端执行器三个模块集成。通过远程遥控可操纵移动平台使抓取机器人进入非结构化工作环境下作业；摄像头和距离传感器用于检测非结构化工作环境下不规则物体的空间位姿与形状信息；力敏传感器用于实时感知非规则物体在两手指之间的受力与滑动信息；末端执行器手指支撑板上安装5行4列的中空螺钉和弹簧，可使手指在接触非规则物体后自动依据非规则物体的接触面形状自适应变形，从而使抓取机器人能够稳定抓取不同形状的非规则物体。本发明设计合理，新颖独特，集成化程度高，能够实现非结构化工作环境下不规则物体的稳定抓取。
Description
技术领域
本发明涉及抓取机器人领域，特别是一种针对非规则物体抓取的机器人。
背景技术
近年来，抓取机器人的应用范围日益扩大，其已不再局限于搬运、焊接以及大批量作业。如煤矿救援、海底打捞、军事侦察、核能利用和空间探测等领域对抓取机器人的需求亦日益增多。然而，非结构化的工作环境以及作业对象的非规则性是抓取机器人作业所面临的主要难点。现有的大多数工业抓取机器人集成化、自动化和智能化程度较低，作业时工作环境已知，作业对象固定且形状规则，作业过程程序化，难以完成危险环境或非结构化工作环境下不规则物体的抓取作业。
发明内容
为了克服现有抓取机器人集成化、自动化和智能化程度不高以及难以完成非结构化工作环境下不规则物体抓取的缺陷，本发明提供了一种面向非规则物体作业的抓取机器人，通过设计其遥控移动平台和机械臂、改进其末端执行器的机械结构、配置用于感知不规则物体的空间位姿和边界信息以及实时监测不规则物体在两手指间的受力与滑动状况的摄像头、距离传感器和微型力敏传感器，进而实现机器人面向非规则物体的抓取作业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将遥控移动平台、5自由度机械臂和1自由度末端执行器三个模块集成构成抓取机器人；通过远程遥控操纵移动平台使抓取机器人进入危险的非结构化工作空间内作业；利用5自由度机械臂扩大抓取机器人的灵活工作空间；利用摄像头和距离传感器检测非结构化工作环境下不规则物体的空间位姿与形状信息；采用微型力敏传感器实时感知不规则物体在两手指之间的受力与滑动信息；通过改进末端执行器的指面结构，即在支撑板上安装5行4列的中空螺钉和弹簧，使手指在接触非规则物体后自动依据非规则物体的接触面形状自适应变形，从而使机器人手指可以稳定抓取不同形状的非规则物体。
本发明的有益效果是：遥控移动平台、5自由度机械臂和1自由度末端执行器的集成设计以及摄像头、距离传感器和力敏传感器的采用提高了抓取机器人的集成化、自动化和智能化水平，使其能够进入非结构化工作环境下工作。末端执行器的独特式设计使抓取机器人能够实现对非规则物体的抓取作业。
附图说明
图1为本发明面向非规则物体的抓取机器人系统结构图，图2为图1所示结构中遥控移动平台的结构图，图3为图1所示结构中机械臂的结构图，图4为图1所示结构中末端执行器的结构图，图5为图4所示结构中手指的结构图。
图1中：1.遥控移动平台，2.机械臂，3.末端执行器，4.摄像头，5.距离传感器。
图2中：1-1.轮子，1-2.底盘，1-3.轮子，1-4.蓄电池，1-5.密封盖，1-6.步进电机，1-7.固定盘，1-8.回转轴承，1-9.拨叉，1-10.转盘，1-11.轮子，1-12.轮子，1-13.驱动器，1-14.控制器，1-15.铜柱，1-16.变压与稳压模块。
图3中：2-1.舵机，2-2.支架，2-3.轴承，2-4.右连杆，2-5.左连杆，2-6.轴承，2-7.舵机，2-8.右连杆，2-9.左连杆，2-10.轴承，2-11.舵机，2-12.摇臂，2-13.U型连杆，2-14.舵机，2-15.舵盘。
图4中：3-1.固定板，3-2.光轴，3-3.直线轴承，3-4.侧护板，3-5.连接板，3-6.三孔元母，3-7.手指，3-8.双向螺杆，3-9.直流电机，3-10.手指，3-11.三孔元母，3-12.齿轮，3-13.连接板，3-14.齿轮，3-15.侧护板，3-16.直线轴承，4.摄像头，5.距离传感器。
图5中：3-7-1.顶盖层，3-7-2.力敏传感器，3-7-3.中间层，3-7-4.弹簧，3-7-5.中空螺钉，3-7-6.支撑板，3-7-7.弹簧，3-7-8.中空螺钉，3-7-9.海绵层。
具体实施方式
面向非规则物体的抓取机器人（图1）由机械系统、运动控制系统、检测系统和供电系统组成，其中机械系统由遥控移动平台（1）、机械臂（2）和末端执行器（3）三个模块集成；运动控制系统由控制器（1-14）、驱动器（1-13）、舵机（2-1、2-7、2-11和2-14）、步进电机（1-6）、直流电机（3-9）以及拖动轮子（1-1、1-3、1-11和1-12）的4个直流电机组成；检测系统由摄像头（4）、距离传感器（5）以及安装于手指（3-7）上的力敏传感器（3-7-2）和安装于手指（3-10）上的力敏传感器组成；供电系统由蓄电池（1-4）和变压与稳压模块（1-16）组成。
遥控移动平台（1）如图2所示，包含轮子（1-1、1-3、1-11和1-12）、底盘（1-2）、蓄电池（1-4）、密封盖（1-5）、步进电机（1-6）、固定盘（1-7）、回转轴承（1-8）、拨叉（1-9）、转盘（1-10）、驱动器（1-13）、控制器（1-14）、铜柱（1-15）和变压与稳压模块（1-16）。蓄电池（1-4）的输出电压可通过变压与稳压模块（1-16）转化为抓取机器人系统中控制器（1-14）、驱动器（1-13）以及步进电机、直流电机和舵机的所需电压。控制器（1-14）可直接控制机械臂（2）中舵机（2-1、2-7、2-11和2-15）的运动；可通过驱动器（1-13）控制抓取机器人系统中步进电机和直流电机的运动；亦可采集与处理来自摄像头（4）、距离传感器（5）和力敏传感器（3-7-2）的检测信息。底盘（1-2）上固定有四个直流电机可分别通过联轴器拖动轮子（1-1、1-3、1-11和1-12）的转动。步进电机（1-6）、固定盘（1-7）、回转轴承（1-8）、拨叉（1-9）、转盘（1-10）和铜柱（1-15）组成转台；固定盘（1-7）通过铜柱（1-15）安装于密封盖（1-5）的上表面；回转轴承（1-8）安装于固定盘（1-7）上，同时与转盘（1-10）连接；步进电机（1-6）通过联轴器和拨叉（1-9），驱动安装在固定盘（1-7）上的回转轴承（1-8）带动转盘（1-10）旋转，可避免步进电机（1-6）承受同心度偏差带来的附加弯矩。
机械臂（2）如图3所示，包含舵机（2-1）、支架（2-2）、轴承（2-3）、右连杆（2-4）、左连杆（2-5）、轴承（2-6）、舵机（2-7）、右连杆（2-8）、左连杆（2-9）、轴承（2-10）、舵机（2-11）、摇臂（2-12）、U型连杆（2-13）、舵机（2-14）和舵盘（2-15）。支架（2-2）将舵机（2-1）固定在转盘（1-10）上，实现机械臂（2）与遥控移动平台（1）的连接。右连杆（2-4）和左连杆（2-5）分别通过摇臂和轴承（2-3）连接于舵机（2-1）的输出轴上，构成机械臂第一转动关节；右连杆（2-8）和左连杆（2-9）分别通过摇臂和轴承（2-6）连接于舵机（2-7）的输出轴上，构成机械臂第二转动关节；U型连杆（2-13）分别通过摇臂（2-12）和轴承（2-10）连接于舵机（2-11）的输出轴上，构成机械臂第三转动关节；舵机（2-14）固定于U型连杆（2-13）的底端，其输出轴安装舵盘（2-15）。
末端执行器（3）如图4所示，包含固定板（3-1）、光轴（3-2）、直线轴承（3-3）、侧护板（3-4）、连接板（3-5）、三孔元母（3-6）、手指（3-7）、双向螺杆（3-8）、直流电机（3-9）、手指（3-10）、三孔元母（3-11）、齿轮（3-12）、连接板（3-13）、齿轮（3-14）、侧护板（3-15）和直线轴承（3-16）。固定板（3-1）与舵盘（2-15）通过螺栓固定，从而实现末端执行器（3）与机械臂（2）之间的连接。直流电机（3-9）的输出轴安装有齿轮（3-14），通过与齿轮（3-12）之间的齿轮啮合传动以及三孔元母（3-6和3-11）与双向螺杆（3-8）之间的螺旋传动拖动连接板（3-5）和连接板（3-13）之间的开合，进而控制手指（3-7）与手指（3-10）之间的开合。光轴（3-2）是连接板（3-5）与连接板（3-13）之间开合的导向轴，通过中间元件直线轴承（3-3和3-16）减小导向时的滑动摩擦。侧护板（3-4和3-15）与固定板（3-1）之间通过L型支架连接紧固。
手指（3-7）如图5所示，包含顶盖层（3-7-1）、力敏传感器（3-7-2）、中间层（3-7-3）、弹簧（3-7-4）、中空螺钉（3-7-5）、支撑板（3-7-6）、弹簧（3-7-7）、中空螺钉（3-7-8）和海绵层（3-7-9）。支撑板（3-7-6）上有5行*4列的矩阵沉孔；在支撑板（3-7-6）右侧，弹簧（3-7-7）放置于相应沉孔，中空螺钉（3-7-8）放置于弹簧（3-7-7）中且保持同一中心轴；在支撑板（3-7-6）左侧，中空螺钉（3-7-5）放置于支撑板（3-7-6）表面，与中空螺钉（3-7-8）通过攻丝连接，且保持与相应沉孔同一中心轴，弹簧（3-7-4）放置于中空螺钉（3-7-5）上且保持同一中心轴。支撑板（3-7-6）右侧用海绵层（3-7-9）对弹簧（3-7-7）和中空螺钉（3-7-8）进行固定；顶盖层（3-7-1）、力敏传感器（3-7-2）、中间层（3-7-3）与支撑板（3-7-6）依次进行配合固定。手指（3-10）的结构与手指（3-7）相同。
抓取机器人作业时，通过远程遥控器操纵抓取机器人移动平台（1）进入危险或未知的非结构化工作环境下；摄像头（4）和距离传感器（5）检测抓取机器人所处环境信息和目标物形状与位姿信息并将之反馈给控制器（1-14）；控制器（1-14）对反馈信息进行处理后，控制机械臂（2）将末端执行器（3）送到待抓取的非规则物体附近；手指（3-7和3-10）张开后合拢，抓取非规则物体；非规则物体首先与手指（3-7）的最内层-海绵层（3-7-9）和手指（3-10）的海绵层接触，随接触力的增大，非规则物体通过海绵层压缩中空螺钉（3-7-8），迫使弹簧（3-7-7）收缩，矩阵式弹簧依据非规则物体的接触面形状自适应变形；手指（3-7和3-10）抓稳非规则物体后，依据预先规划路径返回，完成目标任务。中空螺钉（3-7-8）通过攻丝迫使中空螺钉（3-7-5）压缩弹簧（3-7-4），最终将非规则物体与手指之间的接触力传递至力敏传感器（3-7-2），力敏传感器（3-7-2）将检测到的接触力信息实时反馈给控制器（1-14）。若非规则物体在两手指之间出现滑动，力敏传感器实时检测到的力信号输出频率将产生大幅度波动，控制器（1-14）可依据该信息采取适当措施防止非规则物体在两手指之间滑动或跌落。
Claims (3)
1.一种面向非规则物体的抓取机器人，其特征在于：抓取机器人由机械系统、运动控制系统、检测系统和供电系统组成，其中机械系统由遥控移动平台（1）、机械臂（2）和末端执行器（3）三个模块集成；运动控制系统由控制器（1-14）、驱动器（1-13）、舵机（2-1、2-7、2-11和2-14）、步进电机（1-6）、直流电机（3-9）以及拖动轮子（1-1、1-3、1-11和1-12）的4个直流电机组成；检测系统由摄像头（4）、距离传感器（5）以及安装于手指（3-7）上的力敏传感器（3-7-2）和安装于手指（3-10）上的力敏传感器组成；供电系统由蓄电池（1-4）和变压与稳压模块（1-16）组成。
2.根据权利要求1所述的抓取机器人，其特征在于：末端执行器（3）包含固定板（3-1）、光轴（3-2）、直线轴承（3-3）、侧护板（3-4）、连接板（3-5）、三孔元母（3-6）、手指（3-7）、双向螺杆（3-8）、直流电机（3-9）、手指（3-10）、三孔元母（3-11）、齿轮（3-12）、连接板（3-13）、齿轮（3-14）、侧护板（3-15）和直线轴承（3-16）；固定板（3-1）与舵盘（2-15）通过螺栓固定，从而实现末端执行器（3）与机械臂（2）之间的连接；直流电机（3-9）的输出轴安装有齿轮（3-14），通过与齿轮（3-12）之间的齿轮啮合传动以及三孔元母（3-6和3-11）与双向螺杆（3-8）之间的螺旋传动拖动连接板（3-5）和连接板（3-13）之间的开合，进而控制手指（3-7）与手指（3-10）之间的开合；光轴（3-2）是连接板（3-5）与连接板（3-13）之间开合的导向轴，通过中间元件直线轴承（3-3和3-16）减小导向时的滑动摩擦；侧护板（3-4和3-15）与固定板（3-1）之间通过L型支架连接紧固。
3.根据权利要求1所述的抓取机器人，其特征在于：手指（3-7）包含顶盖层（3-7-1）、力敏传感器（3-7-2）、中间层（3-7-3）、弹簧（3-7-4）、中空螺钉（3-7-5）、支撑板（3-7-6）、弹簧（3-7-7）、中空螺钉（3-7-8）和海绵层（3-7-9）；支撑板（3-7-6）上有5行*4列的矩阵沉孔；在支撑板（3-7-6）右侧，弹簧（3-7-7）放置于相应沉孔，中空螺钉（3-7-8）放置于弹簧（3-7-7）中且保持同一中心轴；在支撑板（3-7-6）左侧，中空螺钉（3-7-5）放置于支撑板（3-7-6）表面，与中空螺钉（3-7-8）通过攻丝连接，且保持与相应沉孔同一中心轴，弹簧（3-7-4）放置于中空螺钉（3-7-5）上且保持同一中心轴；支撑板（3-7-6）右侧用海绵层（3-7-9）对弹簧（3-7-7）和中空螺钉（3-7-8）进行固定；顶盖层（3-7-1）、力敏传感器（3-7-2）、中间层（3-7-3）与支撑板（3-7-6）依次进行配合固定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130612 |