CN104476550A - 全液压自主移动机械臂及其动作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全液压自主移动机械臂及其动作方法，属于机械臂技术领域。全液压自主移动机械臂包括全方位移动平台，全方位移动平台上设置有双机械臂、动力系统、视觉系统、以及感知与控制系统，其中：全方位移动平台上设置有回转腰身装置，双机械臂通过回转腰身装置设置在全方位移动平台上，双机械臂为具有多自由度的仿人双臂结构；动力系统采用发动机-液压驱动模式；视觉系统包括导航相机、大视场伺服相机和手眼相机；感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器，本发明能够满足大质量工件大范围移动作业的需求。

Description

全液压自主移动机械臂及其动作方法

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别是指一种全液压自主移动机械臂及其动作方法。

背景技术

过去30年，我国制造业在低成本劳动力优势下获得了快速发展和长足进步，成为了世界制造大国。但是，进入21世纪第二个10年以来，劳动力成本急剧上升，以80后、90后为主的劳动力人口对从事单调重复、工作环境差的产业工作的兴趣明显下降，制造业以机器人替代人工的诉求不断得到激发。

移动机械臂具有巨大的市场潜力，以轮胎制造业为例，我国轮胎产量约占全世界的50％，但硫化生产工艺中胎坯的运输、入库储存和成品轮胎在输送线上的拣选等工作还需要人工完成，胎坯到硫化机上的柔性安装也大量依靠人工，不仅劳动强度大，而且车间内硫化污染严重，对工人的职业健康造成了很大危害，致使轮胎企业大量出现用工荒，企业对移动机械臂的需求量在3000台左右，市场容量在50亿元左右；机械加工(锻件的夹持锻打，焊件的夹持焊接，大质量零部件的装配、拣选、运输等)、大型危险品及弹药作业、工程与市政施工等行业企业对液压驱动移动机械臂也有大量需求，市场总容量在200亿元以上。

液压驱动的大负载自主移动机械臂结合了移动机器人平台和机械臂的特点，同时具有自主移动和操作功能，使机械臂拥有了高度的运动冗余性和更大的工作空间，能在更短的时间内以更优的位姿完成更大范围内的任务，可以移动作业的形式广泛用于工件的装配、拣选、搬运，锻压件的锻打夹持和搬运，焊接件的夹持焊接，实现生产过程的自动化、高效化，代替人工完成环境恶劣、劳动强度大的工作，为工人职业健康水平的显著改善提供有力保障。

因此，针对较大型工件的装配、锻压件的锻打夹持和搬运、焊接件的夹持焊接，有必要研制一种能够满足该需求的全液压自主移动机械臂及其动作方法。

发明内容

本发明提供一种能够满足大质量工件大范围移动作业需求的全液压自主移动机械臂及其动作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种全液压自主移动机械臂，包括全方位移动平台，所述全方位移动平台上设置有双机械臂、动力系统、视觉系统、以及感知与控制系统，其中：

所述全方位移动平台上设置有回转腰身装置，所述双机械臂通过所述回转腰身装置设置在所述全方位移动平台上，所述双机械臂为具有多自由度的仿人双臂结构；

所述动力系统采用发动机-液压驱动模式；

所述视觉系统包括导航相机、大视场伺服相机和手眼相机；

所述感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器，所述关节力传感器和关节位置传感器设置在所述双机械臂的各关节处，所述六维力传感器设置在所述双机械臂的每条机械臂的末端。

进一步的，所述双机械臂的每条机械臂具有6个旋转关节，各旋转关节均由摆动油缸或液压马达驱动，所述回转腰身装置由液压马达驱动；所有液压马达均采用电液伺服阀控制。

进一步的，所述导航相机为2台彩色单目导航相机，分别设置在所述全方位移动平台的前后两端，所述大视场伺服相机设置在所述回转腰身装置的上方，所述手眼相机为2台彩色立体手眼相机，分别设置在所述双机械臂的每条机械臂的末端。

进一步的，所述动力系统采用以燃气为能源的机载发动机提供动力，所述全方位移动平台采用悬挂-驱动内置的液压主动轮，所述全方位移动平台的四周安装有用于探测障碍物的超声波传感器和广角相机。

进一步的，所述感知与控制系统还包括用于探测所述全方位移动平台的姿态、角速度和加速度的垂直陀螺仪组件、以及用于探测所述全方位移动平台的车轮转速的轮速传感器。

进一步的，所述双机械臂的控制器的带宽大于所述全方位移动平台的控制器的带宽。

一种全液压自主移动机械臂的动作方法，所述全液压自主移动机械臂具有第一动作模式，在所述第一动作模式下所述全方位移动平台运动、所述双机械臂静止，所述第一动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：对所跟踪的路径使用非完整约束条件进行规划；

步骤(2)：根据所述步骤(1)规划的路径，设定所述全方位移动平台的运动模式，所述运动模式包括Ackerman转向、双Ackerman转向或车轮同向运动模式；

步骤(3)：测量所述全方位移动平台的航向、位置和速度偏差；

步骤(4)：基于非完整全方位移动平台运动学模型，使用自抗扰控制方法计算所述全方位移动平台所需的转角和转速控制量；

步骤(5)：使用自抗扰控制方法实现所述全方位移动平台的转角和转速的底层控制。

一种全液压自主移动机械臂的动作方法，所述全液压自主移动机械臂还具有第二动作模式，在所述第二动作模式下所述全方位移动平台静止、所述双机械臂运动，所述第二动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：所述导航相机引导所述全方位移动平台以指定位姿进入作业工位，并制动、锁紧；

步骤(2)：所述大视场伺服相机搜索工件，引导所述双机械臂趋近工件；

步骤(3)：当所述双机械臂的末端到达工件附近一定距离、工件进入所述手眼相机的视场范围内时，执行步骤(4)，否则执行所述步骤(2)；

步骤(4)：所述双机械臂在所述大视场伺服相机的监控下，并在所述手眼相机的引导和视觉伺服控制器的控制下执行作业任务，如果工件脱离所述手眼相机的视场范围时，执行所述步骤(2)，将所述双机械臂再次引导回工件附近。

进一步的，选定原点在所述全方位移动平台的质心处、与世界坐标系平行的坐标系作为所述双机械臂和所述大视场伺服相机的冻结世界坐标系，该冻结世界坐标系与所述全方位移动平台一起运动。

一种全液压自主移动机械臂的动作方法，所述全液压自主移动机械臂还具有第三动作模式，在所述第三动作模式下所述全方位移动平台运动、所述双机械臂运动，所述第三动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：所述导航相机引导所述全方位移动平台移动至运动目标路径附近；

步骤(2)：所述大视场伺服相机搜索、监视运动目标的出现，运动目标一旦出现，所述大视场伺服相机对运动目标进行识别，若运动目标为待抓取的目标，则估计运动目标相对所述全方位移动平台的距离，否则继续搜索；

步骤(3)：将待抓取的运动目标的位置提供给所述双移动机械臂的控制系统，利用所述大视场伺服相机引导所述全方位移动平台向待抓取的运动目标运动，同时控制所述双移动机械臂朝向待抓取的运动目标运动，直至待抓取的运动目标完全处于所述双机械臂的任务空间内并有一定裕量时，控制所述全方位移动平台与待抓取的运动目标同步；

步骤(4)：所述大视场伺服相机引导所述双机械臂的末端趋近待抓取的运动目标，直至待抓取的运动目标处于所述手眼相机的视场内；

步骤(5)：在所述大视场伺服相机的监控下，利用所述手眼相机引导所述双机械臂对工件进行抓取。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的全液压自主移动机械臂，由于双机械臂通过回转腰身装置设置在全方位移动平台上，并且双机械臂具有多自由度的仿人双臂结构，能够完成“回转”、“俯仰”、“横滚”、“抓取”等动作，可以更好的适应移动作业的需要；视觉系统特有的导航相机、大视场伺服相机和手眼相机，为全方位移动平台的精准导航和精确安装，目标的精准判断和抓取提供了保证；动力系统采用发动机-液压驱动的模式，满足了双机械臂进行大质量工件装配、动目标抓取作业任务对高功率密度能量和高动态响应能力的要求；感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器，使得双机械臂具备力控制能力，实现了柔性装配功能。综上，本发明能够满足大质量工件大范围移动作业的需求，填补了轮胎制造业中生产过程的自动化的空白，为工人职业健康水平的显著改善提供了有力保障，带来了巨大的市场价值。

附图说明

图1为本发明的全液压自主移动机械臂的整体结构示意图；

图2为本发明的全液压自主移动机械臂的双机械臂的结构示意图；

图3为本发明的全液压自主移动机械臂的双机械臂运动闭环控制切换过程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种全液压自主移动机械臂，如图1至图2所示，包括全方位移动平台1，全方位移动平台1上设置有双机械臂2、动力系统、视觉系统、以及感知与控制系统，其中：

全方位移动平台1上设置有回转腰身装置11，双机械臂2通过回转腰身装置设置11在全方位移动平台1上，双机械臂2为具有多自由度的仿人双臂结构；

动力系统采用发动机-液压驱动模式；

视觉系统包括导航相机31、大视场伺服相机32和手眼相机33；

感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器41，关节力传感器和关节位置传感器设置在双机械臂2的各关节处，六维力传感器41设置在双机械臂2的每条机械臂的末端。

具体设计时，双机械臂构型设计以其负载能力、工作空间、控制精度和工作速度等性能指标，以大刚度、轻量化为主要设计原则；材料选择上使用质量轻，刚度高的硬制铝材料；结构设计上，采用薄板式结构连接，长筒使用薄管带法兰型机构，同时在保证双机械臂刚度的前提下，连接件处增加减重孔，另外将编码器连接在箱体的外端，这种连接方式大大减少了箱体所需的长度和半径，从而减轻了关节重量，减少了整个关节的惯性矩；优化设计上，在CAD建模基础上采用ANSYS分析软件对双机械臂的刚度和轻量化做进一步的校核和优化，从而确定各关节处满足刚度要求的前提下连接板的最小化厚度，并采用拓扑优化方法得到轻量化拓扑结构，考虑加工工艺，选取最佳的设计方案。

本发明的全液压自主移动机械臂，由于双机械臂通过回转腰身装置设置在全方位移动平台上，并且双机械臂具有多自由度的仿人双臂结构，能够完成“回转”、“俯仰”、“横滚”、“抓取”等动作，可以更好的适应移动作业的需要；视觉系统特有的导航相机、大视场伺服相机和手眼相机，为全方位移动平台的精准导航和精确安装，目标的精准判断和抓取提供了保证；动力系统采用发动机-液压驱动的模式，满足了双机械臂进行大质量工件装配、动目标抓取作业任务对高功率密度能量和高动态响应能力的要求；感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器，使得双机械臂具备力控制能力，利用六维力传感器检测柔性装配作业时工件的反作用力，实现了机械臂柔顺控制提供支持。综上，本发明能够满足大质量工件大范围移动作业的需求，填补了轮胎制造业中生产过程的自动化的空白，为工人职业健康水平的显著改善提供了有力保障，带来了巨大的市场价值。

作为本发明的一种改进，如图1至图2所示，双机械臂2的每条机械臂可以具有6个旋转关节，各旋转关节均由摆动油缸或液压马达驱动，回转腰身装置11可以由液压马达驱动；所有液压马达均优选采用电液伺服阀控制。这种结构满足了液压动力系统对续航时间和大驱动功率的要求。为满足双机械臂进行大质量工件装配、动目标抓取作业任务对高功率密度能量和高动态响应能力的要求，动力系统采用发动机-液压驱动模式，系统共有27个液压执行器，、1个主动悬架液压油缸和1个转向摆动油缸，每一条机械臂的6个旋转关节均有摆动油缸或液压马达驱动，两条机械臂的回转运动由1个液压马达驱动。为保证系统的高动态性，全部液压执行器均采用电液伺服阀控制。为满足液压动力系统对续航时间和大驱动功率的要求，液压系统由1台机载发动机提供动力；为满足室内长时间工作对低排放的要求，发动机以燃气为能源，构成燃气发动机-液压动力系统。

为了保证导航相机31在导航的过程中实现精确的导航，为视觉伺服控制提供基本信息，实现双机械臂2的快速定位、工件的快速识别、动目标的自主定位与抓取等功能，优选的，导航相机31为2台彩色单目导航相机，分别设置在全方位移动平台1的前后两端，大视场伺服相机32设置在回转腰身装置11的上方，手眼相机33为2台彩色立体手眼相机，分别设置在双机械臂2的每条机械臂的末端。具体的，从平台的通用性和对环境的高适应能力考虑，引动平台导航以视觉导航为主，平台前部和后部各安装1台彩色单目导航相机；双机械臂作业采用视觉伺服控制方案，在双机械臂腰身上方配置1台大视场伺服立体相机，该相机通过俯仰和方位二维云台与回转轴连接，可与腰身同步运动，也可异步运动，用于对静止工件、动目标的粗定位和对双机械臂运动的引导；在两条机械臂的末端各布置1台窄视场的彩色立体手眼相机，用于对工件和运动目标的识别、精确定位和双机械手的精确控制。2台导航相机、1台大视场伺服相机和2台窄现场的手眼相机共同为视觉伺服控制提供基本信息，实现双机械臂的快速定位、工件的快速识别、动目标的自主定位与抓取等功能；在移动平台左、右侧面各加装1台低成本大视场相机，并与前、后的导航相机构成安全防护视觉系统。

作为本发明的另一种改进，动力系统优选采用以燃气为能源的机载发动机提供动力，这样可以满足室内长时间工作对低排放的要求，发动机以燃气为能源，构成燃气发动机-液压动力系统；为了确保本发明能够全方位移动和具有高负载能力，全方位移动平台采用橡胶履带底盘，内置差速转向机构，履带接地面积大，具有减震效果。为了全方位的探测全方位移动平台周围的障碍物，全方位移动平台的四周可以安装有用于探测障碍物的超声波传感器和广角相机，广角相机可以监测超声波传感器无法感知的障碍物。具体的，在满足运动减震的同时尽量减小变形，将平台姿态与高度变化的不可控性控制到最小。连续工作的发动机、液压泵会形成高温热源，将其布置在平台一端的动力舱内，并通过隔热板与平台的其它部分隔离，控制热辐射对其它器件的影响；轮距、轴距、质量分布和车轮系统特性(驱动、悬挂、转向和轮胎特性)等关键参数的优化与移动机械臂整体优化一同进行。连续工作的发动机、液压泵会形成高温热源，将其布置在平台一端的动力舱内，并通过隔热板与平台的其它部分隔离，控制热辐射对其它器件的影响；轮距、轴距、质量分布和车轮系统特性(驱动、悬挂、转向和轮胎特性)等关键参数的优化与双机械臂移动整体优化一同进行。

本发明中，感知与控制系统还可以包括用于探测全方位移动平台1的姿态、角速度和加速度的垂直陀螺仪组件(未示出)、以及用于探测全方位移动平台的车轮转速的轮速传感器(未示出)。这样可以确保全方位移动平台的全方位移动和高负载能力，使得全方位移动平台能够安全运行。为实现柔性装配功能，双机械臂应具备力控制能力。为此，除在双机械臂的各关节上均安装1个关节位置传感器外，还在2条机械臂的末端各安装1个通用的六维力传感器，在机械臂的各关节上均安装1个关节力传感器。同时，在全方位移动平台上安装姿态传感器，简化双机械臂系统控制的复杂性。采用基于视觉和力觉伺服的机械臂-移动平台整体协调方法实现移动机械臂的协调与柔顺控制，控制系统体系结构采用以分层递阶为核心的混合式体系结构，硬件体系结构采用总线式分布结构，该体系结构由组织规划、协调和伺服三级结构组成，整体上是一种多级分布式结构。其中，“移动机械臂姿态和状态”由传感器与感知系统获取；“稳定性监控”按照特定的稳定判据对系统静态、动态稳定性进行判断，当发现系统出现不稳定趋势时，由“任务调度”中止正在进行中的作业任务，启动“稳定应急控制器”进行稳定控制；“安全防护监控”对除移动双机械臂稳定性之外的其它安全问题进行监控，包括碰撞、异物侵入、发动机温度异常升高、液压油输出压力/管路压力异常降低或升高等。

由于当移动双机械臂时，双机械臂和移动平台之间存在很强的非线性动力学耦合作用，所以双机械臂的控制器的带宽优选大于全方位移动平台的控制器的带宽。这样移动平台对双机械臂的影响远比双机械臂对移动平台的影响严重，可以将移动平台对双机械臂的影响降到最小，以此实现移动平台和双机械臂之间的解耦控制。

本发明采用CAN总线结构，构建分布式计算机控制系统，采用嵌入式工控机作为主控制器，实现组织规划级的任务调度、控制目标规划和稳定性监控等功能，采用DSP或者单片机作为分布式控制器，实现协调级中整体运动协调控制策略、整体柔顺控制策略、稳定应急控制策略等的生成，并实现伺服级中各伺服控制参考轨迹和控制策略的生成等任务。

以全液压自主移动机械臂在轮胎制造业中具体的工作过程为例，介绍本发明实施例的几种运动和作业模式下的控制方法。

A.移动平台运动，机械臂静止(PM-MS,Platform Move-ManipulatorMove)主要用于工件运输，机械臂初定位时有时也采用该模式，在该模式下对移动平台进行运动控制即可。

B.移动平台静止，机械臂运动(PM-MM,Platform Stop-ManipulatorMove)主要用于目标的定位与抓取，工件的柔顺装配，该模式需要对单机械臂、双机械臂和移动平台实施运动控制与柔顺控制。

C.移动平台运动，机械臂运动(PM-MS,Platform Move-ManipulatorMove)主要用于动目标的定位与抓取，该模式需要对移动平台和机械臂进行整体运动控制和柔顺控制。

①PM-MS模式下移动平台的运动控制方法

本发明研制的全方位移动平台最高运动速度3m/s，属低速运动，因此不必考虑轮胎的动力学，可直接使用运动学模型进行全方位移动平台的运动控制。

对于无机械臂参与的路径跟踪控制问题：

a.对所跟踪的路径使用非完整约束条件进行规划；

b.根据步骤(1)规划的路径，设定全方位移动平台的运动模式，运动模式包括Ackerman转向、双Ackerman转向或车轮同向运动模式；

c.测量所述全方位移动平台的航向、位置和速度偏差；

d.基于非完整全方位移动平台运动学模型，使用自抗扰控制方法计算所述全方位移动平台所需的转角和转速控制量；

e.使用自抗扰控制方法实现所述全方位移动平台的转角和转速的底层控制。

当工作空间受限时，使用模式调度方法进行运动模式切换控制，使移动平台从一种模式，如直行，切换到另一种模式，如横移、斜行、原地转向等，其中，横移、原地转向模式和其它运动模式之间的相互转换需要移动平台停止后再进行，即“stop-go”。

②PS-MM模式下机械臂控制

a.视觉伺服方案

本发明研制的全液压自主移动机械臂无需配置全局视觉相机，在此情况下，安装在腰身上方的大视场伺服相机用作机械臂的半全局伺服控制，为工件的初步识别、定位和机械臂的快速引导提供视觉反馈信息，构成基于位置的视觉伺服控制系统；安装在机械手末端的手眼相机用于工件的精确识别、定位和机械臂的精确引导，构成基于图像的视觉伺服控制系统。

b.基于视觉闭环的机械臂运动控制(PS-MM模式)

b.1基于视觉闭环的机械臂运动控制采用的是机械别-移动平台整体控制方案，除机械臂的8个(单臂)或15个(双臂)关节执行器外，4个车轮的4个独立悬架执行器也残余机械臂的运动控制；

b.2在伺服相机坐标系中，图像特征可隐含地包括目标速度信息，因此该控制方案既可控制机械臂趋近固定目标，也可控制机械臂趋近动目标；

b.3选定原点在移动平台质心处、与世界坐标系平行的坐标系作为机械臂和大视场伺服相机的“冻结”世界坐标系，该坐标系与平台一起移动；

b.4大视场伺服相机、手眼相机视觉系统的标定使用“视觉导航、目标识别与自主定位系统”中给出的方法，图像雅克比矩阵使用基于Kalman滤波的在线辨识方法进行估计；

b.5图像-视觉伺服控制器和图像-位置伺服控制器使用滑模变结构或自抗扰控制方法设计，这样可以有效克服图像雅克比矩阵估计误差，轮胎微小变形、关节摩擦力、未知负载等带来的不确定性和未建模动态的影响，并对重力、哥氏力等进行补偿，位置-视觉伺服控制器亦采用滑模变结构或自抗扰控制方法设计。

b.6机械臂运动闭环控制切换过程

如图3所示，(1)导航相机引导全方位移动平台以指定位姿进入作业工位，并制动、锁紧；

(2)大视场伺服相机搜索工件，引导双机械臂趋近工件；

(3)当双机械臂的末端到达工件附近一定距离、工件进入手眼相机的视场范围内时，执行步骤(4)，否则执行所述步骤(2)；

(4)双机械臂在所述大视场伺服相机的监控下，并在手眼相机的引导和视觉伺服控制器的控制下执行作业任务，如果工件脱离所述手眼相机的视场范围时，执行步骤(2)，将双机械臂再次引导回工件附近。

c.单臂柔顺控制

单臂柔顺控制使用大视场伺服相机或手眼相机反馈的位置信息、机械手末端六维力传感器反馈的操作力信息，采用视觉/力觉混合伺服控制方案，控制量选为关节速度或关节力/力矩，控制方法选用自抗扰控制方法。

d.双臂柔顺控制

针对冗余拟采用以下策略，该策略包括两个部分：位置协调控制和力协调控制。位置协调控制方法通过引入位置协调因子，实现操作物运动轨迹误差的控制、冗余关节阻抗的控制和双臂之间相对误差的控制；力协调主要结合协调操作的特点，引入力协调因子，建立双臂夹持载荷的动态分配机制，实现操作物内应力的大小的协调控制。

冗余双机械臂协调控制具体实现过程为：利用操作物动力学方程建立操作物抓取模型，根据抓取模型和协调约束关系得到双臂夹持载荷的初步分配以及期望的运动轨迹；然后根据协调操作的特点，建立基于空间弹簧阻尼并联模型的位置协调控制；最后引入变加权矩阵对载荷进行动态分配，使操作物内应力和驱动的总能量最小，最终的冗余双机械臂协调控制方法。

③PM-MM模式下移动平台-机械臂整体控制

该技术路线还描述了“动目标自主定位与抓取”关键技术的视觉伺服控制解决方案。

a.动目标自主定位与抓取视觉伺服控制方案

a.1移动平台伺服导航。如工作环境中设置有人工标志的导航路径，使用导航相机和里程计为移动平台导航，如果没有人工标志的导航路径，使用正在跟踪动目标的大视场伺服相机或手眼相机为移动平台导航，实现移动平台对动目标的同步跟踪运动。

a.2动目标搜索、识别。使用大视场伺服相机搜索动目标并进行初步识别，使用手眼相机对动目标进行精确识别；使用大视场伺服相机引导机械臂至动目标附件，使用手眼相机对机械臂进行精确引导，为动目标的抓取提供视觉伺服。

b.基于视觉闭环的移动机械臂运动控制(PM-MM模式)

b.1该控制方案要求手眼相机工作在基于位置的伺服模式下，实现对动目标位姿的识别、对抓取工具的精确引导，并对动目标在“冻结”参考坐标系中进行定位，计算移动平台和动目标之间的距离，引导移动平台跟踪动目标同步运动。

b.2除机械臂的8个(单臂)或15个(双臂)关节执行器、4个车轮的4个独立悬架执行器外，4个车轮的8个驱动执行器和转向执行器也参与控制；

b.3视觉闭环伺服控制过程

(1)根据环境地图、人工标记等信息，由移动平台导航相机引导将移动机械臂引导到动目标运动路径(比如输送带)附近；

(2)大视场伺服相机搜索、监视运动目标的出现，运动目标一旦出现，大视场伺服相机对运动目标进行识别，若运动目标为待抓取的目标，则估计运动目标相对全方位移动平台的距离，否则继续搜索；

(3)将待抓取的运动目标的位置提供给双移动机械臂的控制系统，利用大视场伺服相机引导全方位移动平台向待抓取的运动目标运动，同时控制双移动机械臂朝向待抓取的运动目标运动，直至待抓取的运动目标完全处于双机械臂的任务空间内并有一定裕量时，控制全方位移动平台与待抓取的运动目标同步；

(4)大视场伺服相机引导双机械臂的末端趋近待抓取的运动目标，直至待抓取的运动目标处于手眼相机的视场内；

(5)在大视场伺服相机的监控下，利用手眼相机引导双机械臂对工件进行抓取。

c.机械臂-移动平台动态耦合作用解耦控制

当移动机械臂运动时，机械臂和移动平台之间存在很强的非线性动力学耦合作用，但由于双机械臂的带宽比移动平台的带宽更大，移动平台对机械臂的影响远比机械臂对移动平台的影响严重。为此，本发明设计一个“快”(高带宽)控制器对机械臂运动进行控制，设计一个“慢”(低带宽)控制器对移动平台进行控制，将移动平台对双机械臂的影响降到最小，以此实现两者之间的解耦控制。

综上，本发明具有以下有益效果：

1、全液压自主移动机械臂的双机械臂具有15个自由度的仿人双臂结构，能够完成“回转”、“俯仰”、“横滚”、“抓取”等动作，更好的适应作业的需要。

2、全液压自主移动机械臂特有的手眼相机、导航相机和大视场伺服相机，为平台的精准导航和精确安装提供了保证。

3、全液压自主移动机械臂能够完全自主的完成轮胎制造生产过程中一系列工序，运行安全，安装精确，工作高效。

4、实现了全液压自主移动机械臂的控制，填补了轮胎制造业中生产过程的自动化中的空白，为工人职业健康水平的显著改善提供有力保障，带来巨大的市场价值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全液压自主移动机械臂，其特征在于，包括全方位移动平台，所述全方位移动平台上设置有双机械臂、动力系统、视觉系统、以及感知与控制系统，其中：

所述全方位移动平台上设置有回转腰身装置，所述双机械臂通过所述回转腰身装置设置在所述全方位移动平台上，所述双机械臂为具有多自由度的仿人双臂结构；

所述动力系统采用发动机-液压驱动模式；

所述视觉系统包括导航相机、大视场伺服相机和手眼相机；

所述感知与控制系统包括关节力传感器、关节位置传感器和六维力传感器，所述关节力传感器和关节位置传感器设置在所述双机械臂的各关节处，所述六维力传感器设置在所述双机械臂的每条机械臂的末端。

2.根据权利要求1所述的全液压自主移动机械臂，其特征在于，所述双机械臂的每条机械臂具有6个旋转关节，各旋转关节均由摆动油缸或液压马达驱动，所述回转腰身装置由液压马达驱动；所有液压马达均采用电液伺服阀控制。

3.根据权利要求1所述的全液压自主移动机械臂，其特征在于，所述导航相机为2台彩色单目导航相机，分别设置在所述全方位移动平台的前后两端，所述大视场伺服相机设置在所述回转腰身装置的上方，所述手眼相机为2台彩色立体手眼相机，分别设置在所述双机械臂的每条机械臂的末端。

4.根据权利要求1的全液压自主移动机械臂，其特征在于，所述动力系统采用以燃气为能源的机载发动机提供动力，所述全方位移动平台的四周安装有用于探测障碍物的超声波传感器和广角相机。

5.根据权利要求1所述的全液压自主移动机械臂，其特征在于，所述感知与控制系统还包括用于探测所述全方位移动平台的姿态、角速度和加速度的垂直陀螺仪组件、以及用于探测所述全方位移动平台的车轮转速的轮速传感器。

6.根据权利要求1至5中任一所述的全液压自主移动机械臂，其特征在于，所述双机械臂的控制器的带宽大于所述全方位移动平台的控制器的带宽。

7.权利要求1所述的全液压自主移动机械臂的动作方法，其特征在于，所述全液压自主移动机械臂具有第一动作模式，在所述第一动作模式下所述全方位移动平台运动、所述双机械臂静止，所述第一动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：对所跟踪的路径使用非完整约束条件进行规划；

步骤(2)：根据所述步骤(1)规划的路径，设定所述全方位移动平台的运动模式，所述运动模式包括Ackerman转向、双Ackerman转向或车轮同向运动模式；

步骤(3)：测量所述全方位移动平台的航向、位置和速度偏差；

步骤(4)：基于非完整全方位移动平台运动学模型，使用自抗扰控制(ADRC)方法计算所述全方位移动平台所需的转角和转速控制量；

步骤(5)：使用自抗扰控制方法实现所述全方位移动平台的转角和转速的底层控制。

8.权利要求1所述的全液压自主移动机械臂的动作方法，其特征在于，所述全液压自主移动机械臂还具有第二动作模式，在所述第二动作模式下所述全方位移动平台静止、所述双机械臂运动，所述第二动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：所述导航相机引导所述全方位移动平台以指定位姿进入作业工位，并制动、锁紧；

步骤(2)：所述大视场伺服相机搜索工件，引导所述双机械臂趋近工件；

步骤(3)：当所述双机械臂的末端到达工件附近一定距离、工件进入所述手眼相机的视场范围内时，执行步骤(4)，否则执行所述步骤(2)；

步骤(4)：所述双机械臂在所述大视场伺服相机的监控下，并在所述手眼相机的引导和视觉伺服控制器的控制下执行作业任务，如果工件脱离所述手眼相机的视场范围时，执行所述步骤(2)，将所述双机械臂再次引导回工件附近。

9.根据权利要求8所述的全液压自主移动机械臂的动作方法，其特征在于，选定原点在所述全方位移动平台的质心处、与世界坐标系平行的坐标系作为所述双机械臂和所述大视场伺服相机的冻结世界坐标系，该冻结世界坐标系与所述全方位移动平台一起运动。

10.权利要求1所述的全液压自主移动机械臂的动作方法，其特征在于，所述全液压自主移动机械臂还具有第三动作模式，在所述第三动作模式下所述全方位移动平台运动、所述双机械臂运动，所述第三动作模式对应的动作方法包括：

步骤(1)：所述导航相机引导所述全方位移动平台移动至运动目标路径附近；

步骤(2)：所述大视场伺服相机搜索、监视运动目标的出现，运动目标一旦出现，所述大视场伺服相机对运动目标进行识别，若运动目标为待抓取的目标，则估计运动目标相对所述全方位移动平台的距离，否则继续搜索；

步骤(3)：将待抓取的运动目标的位置提供给所述双移动机械臂的控制系统，利用所述大视场伺服相机引导所述全方位移动平台向待抓取的运动目标运动，同时控制所述双移动机械臂朝向待抓取的运动目标运动，直至待抓取的运动目标完全处于所述双机械臂的任务空间内并有一定裕量时，控制所述全方位移动平台与待抓取的运动目标同步；

步骤(4)：所述大视场伺服相机引导所述双机械臂的末端趋近待抓取的运动目标，直至待抓取的运动目标处于所述手眼相机的视场内；

步骤(5)：在所述大视场伺服相机的监控下，利用所述手眼相机引导所述双机械臂对工件进行抓取。