CN106363612A - 一种视觉引导的全向移动双臂机器人及其全向移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉引导的全向移动双臂机器人及其全向移动方法，全向移动双臂机器人包含车体、上位机、支撑骨架、深度摄像头、第一至第四超声波传感器模块、以及第一至第二机械臂；上位机和支撑骨架均固定在车体上；深度摄像头、第一至第二机械臂均设置在支撑骨架上；深度摄像头和上位机电气相连；车体包含底盘、车盖、第一至第四直流电机、第一至第四电机驱动模块、第一至第四联轴器、第一至第四全向轮、下位机和蓝牙模块。本发明增大了机器人的工作空间范围，提高了其灵活性，具有较大的实用价值。

Description

一种视觉引导的全向移动双臂机器人及其全向移动方法

技术领域

本发明涉及一种移动双臂机器人，尤其是一种能够进行视觉引导的具有全向运动能力的移动双臂机器人及其全向移动方法。

背景技术

移动机器人因其运动灵活、工作空间大在工程领域备受青睐，按移动特性可分为非全向和全向两种。非全向轮式移动机器人结构简单、运动控制方便，已经广泛的应用工业各个领域。然而随着移动机器人应用范围的不断扩大，对于工作空间狭窄以及机动性要求高的场合，非全向轮式移动机器人已经很难满足要求。全向移动机器人是一种满足完整约束条件，并具有平面内三个自由度的机器人。与非全向轮式移动机器人相比，全向移动机器人可以在保持车体姿态不变的情况下，从当前位置向工作平面上的任意位置和方向运动。它能够通过狭窄的通道、直角弯道，能够在需要精确定位和高精度轨迹跟踪的场合进行自身位姿的细微调整。此外，全向移动机器人摆脱了转弯半径的限制，能够实现零曲率半径运动。然而，全向移动机器人并不能像机械操作臂一样进行复杂的操作任务，这也就限制了其应用范围。

机械操作臂具有工作效率高，重复精度好，功能强大等优点，因而被广泛应用到了生产加工、服务运输等各个领域。但由于固定在操作台上的操作臂的工作空间十分有限，极大地制约了机械操作臂功能的拓展。虽然专利“超冗余全方位移动操作臂”(专利号CN101428420)中提出了在全向移动机器人上加上单个机械臂，提高了机器人的性能，但是对于需要协调操作、复杂精密的操作任务依然很难胜任。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种视觉引导的全向移动双臂机器人及其全向移动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种视觉引导的全向移动双臂机器人，包含车体、上位机、支撑骨架、深度摄像头、第一至第四超声波传感器模块、以及第一至第二机械臂；

所述上位机和支撑骨架均固定在车体上；所述深度摄像头、第一至第二机械臂均设置在支撑骨架上；

所述深度摄像头和所述上位机电气相连，用于拍摄全向移动双臂机器人正面的图像并将其传递给所述上位机；

所述车体包含底盘、车盖、第一至第四直流电机、第一至第四电机驱动模块、第一至第四联轴器、第一至第四全向轮、下位机和蓝牙模块；

所述第一至第四直流电机均固定在底盘上，其输出轴分别通过第一至第四联轴器与第一至第一至第四全向轮的输入轴对应相连；

所述第一至第四直流驱动模块分别和第一至第四直流电机对应相连，用于驱动其对应的直流电机；

所述车盖设置在底盘上、呈长方体；

所述第一至第四超声波传感器模块分别对应设置在车盖的四个侧面上，用于测量车盖四个侧面和障碍物之间的距离；

所述蓝牙模块和所述上位机基于无线通信；

所述下位机分别和第一至第四电机驱动模块、第一至第四超声波传感器模块、第一至第二机械臂、蓝牙模块电气相连，用于将第一至第四超声波传感器模块的感应数据传递给所述上位机、并根据接收到的上位机的控制命令控制第一至第四电机驱动模块以及第一至第二机械臂工作；

所述上位机用于根据深度摄像头拍摄的图像、第一至第四超声波传感器模块的感应数据、以及外部输入的工作指令发送控制命令给所述下位机。

作为本发明一种视觉引导的全向移动双臂机器人进一步的优化方案，所述第一至第二机械臂均包含三个用于控制机械臂运动方向的旋转驱动单元和一个机械手爪；其中，所述机械手爪通过三个旋转驱动单元和所述固定骨架连接；所述三个旋转驱动单元、机械手爪均和所述下位机电气相连。

作为本发明一种视觉引导的全向移动双臂机器人进一步的优化方案，所述机械手爪的夹持面上设有和所述下位机电气相连的触觉传感器。

作为本发明一种视觉引导的全向移动双臂机器人进一步的优化方案，所述底盘包含前底盘和后底盘，所述前底盘和后底盘之间通过连接轴固连；

所述第一至第二直流电机设置在前底盘上，第三至第四直流电机设置在后底盘上；

所述后底盘上设有四根支撑柱，所述车盖通过螺栓与所述四根支撑柱的顶端固连。

作为本发明一种视觉引导的全向移动双臂机器人进一步的优化方案，所述第一至第四超声波传感器模块均包含超声波发射单元和超声波接收单元；

所述车盖的四个侧面上均设有两个安装有橡胶套的孔洞；

所述第一至第四超声波传感器模块的超声波发射单元和超声波接收单元分别对应设置在车盖四个侧面的孔洞中。

本发明还公开了基于该视觉引导的全向移动双臂机器人的全向控制方法，包含以下步骤：

以底盘中心为原点、前进方向为X轴、X轴的顺时针方向90度为Y轴建立坐标系，得到底盘的正向运动学方程：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q}=J\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}\\ J=R/4\left[\begin{array}{cccc}-1& 1& 1& -1\\ 1& 1& 1& 1\\ -1/a& 1/a& -1/a& 1/a\end{array}\right]\\ a=l_1+l_2\end{array}\right.$

式中，为底盘在坐标系下的位姿矢量，v_x为底盘在X轴的速度、v_y为底盘在Y轴的速度，ω_z为底盘在坐标系下的旋转角速度，为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮在该坐标系下的角速度矢量，J为底盘速度与轮子转速之间的映射雅克比矩阵，l₁和l₂分别为轮毂轴心与O点的横向和纵向距离，R为轮子半径，逆时针转动为正方向；

若使机器人向X方向运动，控制且机器人的速度为v_y＝0，ω_z＝0；

若使机器人向Y方向运动，控制且机器人的速度为v_x＝0，ω_z＝0；

若使机器人原地旋转，控制且机器人的速度为v_x＝0，v_y＝0，

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明视觉引导的全向移动双臂机器人集视觉、触觉及测距等多传感器于一体，具有与人类似的灵敏的外界环境感知能力，不仅能够实现任意方向的平动以及任意半径的转动，而且通过双臂的相互协调配合，能够较好地完成复杂环境下的避障、自主导航、柔性化装配等任务要求，从而更好地增大了机器人的工作空间范围，提高了其灵活性。此外，深度摄像头能够捕捉人体手臂动作来控制机械臂的运动，进行示教，同时还能采集环境图像数据，构建点云地图从而进行视觉导航。

附图说明

图1为本发明视觉引导的全向移动双臂机器人位于初始状态下的结构示意图；

图2为本发明中车盖部件在拆装状态下的结构示意图；

图3为本发明中不含车盖的车体的结构示意图；

图4为本发明视觉引导的全向移动双臂机器人位于工作状态下的结构示意图；

图5为本发明视觉引导的全向移动双臂机器人的控制系统结构图；

图6为本发明中底盘的坐标系统。

图中，1-车体，2-上位机，3-支撑骨架，4-深度摄像头，5-机械臂，6-车盖，7-车盖，8-橡胶套，9-超声波传感器模块，10-安装孔，11-底盘，12-直流电机，13-联轴器，14-后底盘，15-连接轴，16-前底盘，17-全向轮，18-电机驱动模块，19-下位机，20-蓝牙模块，21-支撑柱，22-旋转驱动单元，23-机械手爪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1至图4所示，本发明公开了一种视觉引导的全向移动双臂机器人，包含车体、上位机、支撑骨架、深度摄像头、第一至第四超声波传感器模块、以及第一至第二机械臂；

所述上位机和支撑骨架均固定在车体上；所述深度摄像头、第一至第二机械臂均设置在支撑骨架上；

所述深度摄像头和所述上位机电气相连，用于拍摄全向移动双臂机器人正面的图像并将其传递给所述上位机；

所述车体包含底盘、车盖、第一至第四直流电机、第一至第四电机驱动模块、第一至第四联轴器、第一至第四全向轮、下位机和蓝牙模块；

所述第一至第四直流电机均固定在底盘上，其输出轴分别通过第一至第四联轴器与第一至第一至第四全向轮的输入轴对应相连；

所述第一至第四直流驱动模块分别和第一至第四直流电机对应相连，用于驱动其对应的直流电机；

所述车盖设置在底盘上、呈长方体；

所述第一至第四超声波传感器模块分别对应设置在车盖的四个侧面上，用于测量车盖四个侧面和障碍物之间的距离；

所述蓝牙模块和所述上位机基于无线通信；

所述下位机分别和第一至第四电机驱动模块、第一至第四超声波传感器模块、第一至第二机械臂、蓝牙模块电气相连，用于将第一至第四超声波传感器模块的感应数据传递给所述上位机、并根据接收到的上位机的控制命令控制第一至第四电机驱动模块以及第一至第二机械臂工作；

所述上位机用于根据深度摄像头拍摄的图像、第一至第四超声波传感器模块的感应数据、以及外部输入的工作指令发送控制命令给所述下位机。

所述第一至第二机械臂均包含三个用于控制机械臂运动方向的旋转驱动单元和一个机械手爪；其中，所述机械手爪通过三个旋转驱动单元和所述固定骨架连接；所述三个旋转驱动单元、机械手爪均和所述下位机电气相连。

所述机械手爪的夹持面上设有和所述下位机电气相连的触觉传感器。

所述底盘包含前底盘和后底盘，所述前底盘和后底盘之间通过连接轴固连；

所述第一至第二直流电机设置在前底盘上，第三至第四直流电机设置在后底盘上；

所述后底盘上设有四根支撑柱，所述车盖通过螺栓与所述四根支撑柱的顶端固连。

所述第一至第四超声波传感器模块均包含超声波发射单元和超声波接收单元；

所述车盖的四个侧面上均设有两个安装有橡胶套的孔洞；

所述第一至第四超声波传感器模块的超声波发射单元和超声波接收单元分别对应设置在车盖四个侧面的孔洞中。

如图5所示的视觉引导的全向移动双臂机器人的控制系统结构图，下位机分别与旋转驱动单元、蓝牙模块、超声波传感器模块以及电机驱动模块通过端口导线连接，并均由所述下位机发送控制指令，实现相应的功能；其中，所述旋转驱动单元通过自身旋转来驱动机械臂运动；所述电机驱动模块用来驱动直流电机转动；所述超声波传感器模块用来实时探测环境障碍物到自身的距离；所述蓝牙模块用于传递感应数据和接收上位机发送的控制指令；深度摄像头通过自身携带的信号线与上位机的USB端口连接通讯，并由上位机控制其实现环境图像数据的获取。

为了控制全向移动双臂机器人进行全方位移动，需要对车体进行运动学分析。以底盘中心为原点、前进方向为X轴、X轴的顺时针方向为Y轴90度建立如图6所示的底盘的坐标系统，通过对机器人的轮子转速和车体速度之间关系进行分析，可得到底盘的正向运动学方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q}=J\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}\\ J=R/4\left[\begin{array}{cccc}-1& 1& 1& -1\\ 1& 1& 1& 1\\ -1/a& 1/a& -1/a& 1/a\end{array}\right]\\ a=l_1+l_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：为底盘在坐标系下的位姿矢量，v_x为底盘在X轴的速度、v_y为底盘在Y轴的速度，ω_z为底盘在坐标系下的旋转角速度，为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮在该坐标系下的角速度矢量，J为底盘速度与轮子转速之间的映射雅克比矩阵，l₁和l₂分别为轮毂轴心与O点的横向和纵向距离，R为轮子半径，逆时针转动为正方向。

由于雅克比矩阵J的秩Rank(J)＝3，故MWSR不存在奇异位形，利用广义逆运算即可求得逆向运动学方程。由式(1)可知，若使机器人向X方向运动，则应满足且机器人的速度为v_y＝0，ω_z＝0；若使机器人向Y方向运动，应满足且机器人的速度为v_x＝0，ω_z＝0；若使机器人原地旋转，应满足且机器人的速度为v_x＝0，v_y＝0，

在移动过程中，超声波传感器模块会实时探测环境障碍物到自身的距离并给予反馈，同时深度摄像头也会采集环境图像点云数据，由上位机进行三维重构，再对目标进行识别，根据识别的物体类型来引导机器人进行移动、抓取或双臂协同操作等。在本实施方式中，当探测到前方是障碍物并小于安全距离时，下位机会发送控制指令，使图6中的左前轮和右后轮顺时针转动，而右前轮和左后轮逆时针转动，这样驱动机器人向后移动达到安全区域，或者左前轮和左后轮逆时针转动，右前轮和右后轮顺时针转动，使得机器人原地转向朝其他安全区域移动等等，在实际运动过程中，不局限与上述运动方式，而是根据环境的复杂程度，选择运动量最少的运动方向；而当探测到前方是目标物体时，下位机会发送控制指令，控制旋转驱动单元驱动机械臂运动，并通过机械手爪进行抓取目标操作，对于需要协调操作的任务，也可控制两个机械臂同时操作。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种视觉引导的全向移动双臂机器人，其特征在于，包含车体、上位机、支撑骨架、深度摄像头、第一至第四超声波传感器模块、以及第一至第二机械臂；

所述上位机和支撑骨架均固定在车体上；所述深度摄像头、第一至第二机械臂均设置在支撑骨架上；

所述深度摄像头和所述上位机电气相连，用于拍摄全向移动双臂机器人正面的图像并将其传递给所述上位机；

所述车体包含底盘、车盖、第一至第四直流电机、第一至第四电机驱动模块、第一至第四联轴器、第一至第四全向轮、下位机和蓝牙模块；

所述第一至第四直流电机均固定在底盘上，其输出轴分别通过第一至第四联轴器与第一至第四全向轮的输入轴对应相连；

所述第一至第四直流驱动模块分别和第一至第四直流电机对应相连，用于驱动其对应的直流电机；

所述车盖设置在底盘上、呈长方体；

所述第一至第四超声波传感器模块分别对应设置在车盖的四个侧面上，用于测量车盖四个侧面和障碍物之间的距离；

所述蓝牙模块和所述上位机基于无线通信；

所述下位机分别和第一至第四电机驱动模块、第一至第四超声波传感器模块、第一至第二机械臂、蓝牙模块电气相连，用于将第一至第四超声波传感器模块的感应数据传递给所述上位机、并根据接收到的上位机的控制命令控制第一至第四电机驱动模块以及第一至第二机械臂工作；

所述上位机用于根据深度摄像头拍摄的图像、第一至第四超声波传感器模块的感应数据、以及外部输入的工作指令发送控制命令给所述下位机。

2.根据权利要求1所述的视觉引导的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述第一至第二机械臂均包含三个用于控制机械臂运动方向的旋转驱动单元和一个机械手爪；其中，所述机械手爪通过三个旋转驱动单元和所述固定骨架连接；所述三个旋转驱动单元、机械手爪均和所述下位机电气相连。

3.根据权利要求2所述的视觉引导的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述机械手爪的夹持面上设有和所述下位机电气相连的触觉传感器。

4.根据权利要求1所述的视觉引导的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述底盘包含前底盘和后底盘，所述前底盘和后底盘之间通过连接轴固连；

所述第一至第二直流电机设置在前底盘上，第三至第四直流电机设置在后底盘上；

所述后底盘上设有四根支撑柱，所述车盖通过螺栓与所述四根支撑柱的顶端固连。

5.根据权利要求1所述的视觉引导的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述第一至第四超声波传感器模块均包含超声波发射单元和超声波接收单元；

所述车盖的四个侧面上均设有两个安装有橡胶套的孔洞；

所述第一至第四超声波传感器模块的超声波发射单元和超声波接收单元分别对应设置在车盖四个侧面的孔洞中。

6.基于权利要求1所述的视觉引导的全向移动双臂机器人的全向控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

以底盘中心为原点、前进方向为X轴、X轴的顺时针方向90度为Y轴建立坐标系，得到底盘的正向运动学方程：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q}=J\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}\\ J=R/4\left[\begin{array}{cccc}-1& 1& 1& -1\\ 1& 1& 1& 1\\ -1/a& 1/a& -1/a& 1/a\end{array}\right]\\ a=l_1+l_2\end{array}\right.$

式中，为底盘在坐标系下的位姿矢量，v_x为底盘在X轴的速度、v_y为底盘在Y轴的速度，ω_z为底盘在坐标系下的旋转角速度，为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮在坐标系下的角速度矢量，J为底盘速度与轮子转速之间的映射雅克比矩阵，l₁和l₂分别为轮毂轴心与O点的横向和纵向距离，R为轮子半径，逆时针转动为正方向；

若使机器人向X方向运动，控制且机器人的速度为v_y＝0，ω_z＝0；

若使机器人向Y方向运动，控制且机器人的速度为v_x＝0，ω_z＝0；

若使机器人原地旋转，控制且机器人的速度为v_x＝0，v_y＝0，