CN108081270B - 一种用于危险物品处理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于危险物品处理系统及控制方法，包括主控计算机、控制器和机械臂装置；机械臂装置包括腰关节，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，第一连杆的轴向一端通过大臂I关节转动连接设于腰关节的侧壁上、轴向另一端通过大臂II关节与第二连杆的轴向一端转动连接，第二连杆的轴向另一端通过大臂III关节与第三连杆的轴向一端转动连接，第三连杆的轴向另一端通过大臂IV关节与第四连杆转动连接，所述第四连杆的轴向末端设有爪关节。本发明具有作用距离远、自由度多、操作方式灵活等优点，可以在多种场合下应用，尤其适用于处理危险、易爆等物品。

Description

一种用于危险物品处理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种军用工程装备，具体涉及一种用于危险物品处理系统及控制方法。

背景技术

随着科学技术的进步，机械臂技术已经成为高新技术领域的一个重要方面，机械臂在各个领域得到了广泛的应用，由于机械臂代替人员执行危险物品的搬运和处置任务时能够最大限度的保障操作者的安全，因此近些年来机械臂在反恐排爆等安全领域的作用越来越受到人们的重视。此外机械臂在功能性、实时性、稳定性、机械机体轻便等方面都有了长足的发展，因此使用机械臂代替人员执行危险物品搬运和处置不失为一种理想的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的机械臂结构操作距离较短，自由度少，灵活性较差，机械臂自重与作业范围之间存在较大的矛盾，目的在于提供一种用于危险物品处理系统及控制方法，具有作用距离远、自由度多、操作方式灵活等优点，可以在多种场合下应用，尤其适用于处理危险、易爆等物品。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于危险物品处理系统，包括主控计算机、控制器和机械臂装置；所述主控计算机用于完成机械臂装置的运动学模型解算、以及机械臂装置的运动路径规划，主控计算机将解算后的结果发送至控制器，所述运动学模型结算包括运动学正解和运动学逆解；所述控制器依据所述解算结果实现对机械臂装置的操作控制；所述机械臂装置包括腰关节，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆的轴向一端通过大臂I关节转动连接设于腰关节的侧壁上、轴向另一端通过大臂II关节与第二连杆的轴向一端转动连接，第二连杆的轴向另一端通过大臂III关节与第三连杆的轴向一端转动连接，第三连杆的轴向另一端通过大臂IV关节与第四连杆转动连接，所述第四连杆的轴向末端设有爪关节；所述腰关节、大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节、大臂IV关节内均设有驱动器和执行电机；所述驱动器用于接收控制器的运动控制指令以驱动执行电机完成相应的动作。

优选地，所述腰关节、大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节和大臂IV关节均为圆柱关节；所述腰关节转动的轴心线方向与大臂I关节的转动轴心线方向、大臂II关节的转动轴心线方向、大臂III关节的转动轴心线方向、以及大臂IV关节的转动轴心线方向垂直；所述大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节和大臂IV关节中任意一个的转动轴心线方向与第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆中任意一个的轴线方向垂直。

优选地，所述腰关节的转动轴心线、第二连杆的轴线、第四连杆的轴线均在同一平面内，所述第一连杆的轴线、第三连杆的轴线均在同一平面内；所述腰关节的转动轴心线、第二连杆的轴线、第四连杆的轴线所在的平面与所述第一连杆的轴线、第三连杆的轴线所在的平面相互平行，且两个平行平面之间的距离大于零。

优选地，所述两个平行平面之间的距离大于零且小于第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆任一个的轴向长度。

优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆均采用中空管状结构。

优选地，所述腰关节、大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节、大臂IV关节内还设有编码器，所述编码器用于将各关节当前位置实时反馈至控制器。

基于上述一种用于危险物品处理系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，选择对机械臂的操作模式，所述操作模式包括单轴操作模式、复合轴操作模式和指定坐标点操作模式；

步骤2，通过主控计算机建立对机械臂装置的运动学模型，对机械臂装置进行运动学正解和逆解运算、并规划机械臂装置的运动轨迹；再通过控制器依据所述主控计算机的解算结果得到机械臂装置的各关节应转动到达的目标角度，并控制机械臂装置各关节的驱动器和其对应的执行电机将机械臂装置的各关节运动至指定角度。

优选地，所述单轴操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，选择单轴操作模式后，在机械臂装置中选择单轴操作的轴系，通过在腰关节、大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节、大臂IV关节和爪关节中选择一个关节作为操作对象以实现对单轴操作轴系的选取；

步骤(2)，选择单轴操作的轴系后，选择对对应关节的正转或反转操作从而控制机械臂装置完成相应的动作。

优选地，所述复合轴操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，选择复合轴模式后，通过机械臂装置的各关节进行复合运动以保证爪关节按照指定的方向运动，复合运动的操作分为向前/向后/向左/向右/向上/向下六种运动方式；

步骤(2)，选择机械臂装置各关节对应的运动方式，对爪关节的空间坐标进行插补，并通过主控计算机对机械臂进行运动学逆解，得到机械臂装置各关节应到达的位置；

步骤(3)，将主控计算机逆解得到的机械臂装置各关节的位置值发送至控制器，由控制器实现对机械臂装置各关节驱动器进行控制，最终驱动各关节运动之指定位置。

优选地，所述指定坐标操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，当选择指定坐标点操作方式后，主控计算机将当前爪关节所在位置设置为起点，将目标位置设置为终点，确定起点与终点的直线方程；

步骤(2)，对两点间的直线段按照最小偏差法进行补插，得到补插点的空间坐标，并通过运动学逆解将补插点的空间坐标换算至机械臂装置的各关节对应角度；

步骤(3)，主控计算机将计算得到的各关节的角度值发送至控制器，由控制器实现对机械臂装置各关节驱动器进行控制，从而将爪关节按照设定轨迹运动至指定位置。

优选地，所述控制方法的步骤1中，在选择对机械臂的操作模式之前还包括系统自检步骤：

机械臂系统通电之后，对机械臂系统的电机、驱动器、主控计算机，控制器进行自检，若无故障，执行所述步骤1的操作内容；若有故障，则机械臂系统停止运行，将故障信息在主控计算机上进行显示。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种用于危险物品处理系统，通过改进机械臂装置各关节和连杆排布方式，在通过关节爪抓起危险物品的时候，存在两条受力主线，即腰关节的转动轴心线、第二连杆的轴线、第四连杆的轴线所在的平面内的受力主线与所述第一连杆的轴线、第三连杆的轴线所在的平面内的受力主线，在延长机械臂装置作用距离的同时，保障机械臂装置仍具有良好的承重能力；若腰关节、大臂I关节、大臂II关节、大臂III关节、大臂IV关节中任意关节偏离所在平面，则会引起对应关节处受力不平衡而损坏，降低承重能力、降低使用寿命；且两个平行平面之间的距离在提供的首选范围内，利于保障机械臂装置整体具有较高的称重能力；

2、本发明一种用于危险物品处理系统的控制方法，本发明采用最小偏差法进行插补，具有运行效率较高的优点和插补点偏差小的有益效果；此外控制的工作模式包括单轴操作模式、复核轴操作模式和指定坐标点操作模式三种模式供选择，这些操作模式大大提升了实际工作过程中操作的便利性，人机交互性强；

3、本发明一种用于危险物品处理系统及控制方法，具有作用距离远，自由度多，操作方式灵活等优点，因此，该机械臂系统可以在多种场合下应用，尤其适用于处理危险、易爆等物品或放置地雷标识物等情况下，由于存在两条并排的受力主线，作业范围较宽，适用于对空间较宽敞范围内的排爆、危险作业；此外，现有的机械臂结构复杂、体积笨重可达几百公斤，而本发明整体重量可至50公斤左右，体积较轻，方便车载搬运，操作灵活，适用性强；

特别是随着目前无人平台的迅速发展，迫切需要一种能够安装于无人平台的机械臂装置，区别于一般工业机械臂装置，该车载机械臂装置要求具有重量轻、作业范围广、作业灵活度大的特点。由于该种机械臂装置不但可以固定安装，还能够安装于各型移动平台上，安装方式更加灵活，使用范围也更加广泛，因此也代表了机械臂的一种新的发展趋势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明机械臂系统结构示意图；

图2为本发明机械臂装置正视结构示意图；

图3为本发明控制方法流程图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-主控计算机，12-控制器，13-机械臂装置，130-腰关节，131-大臂I关节，132-大臂II关节，133-大臂III关节，134-大臂IV关节，135-爪关节，136-第一连杆，137-第二连杆，138-第三连杆，139-第四连杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提供了一种用于危险物品处理系统，包括主控计算机11、控制器12和机械臂装置13。主控计算机11用于完成机械臂装置13的运动学模型解算、以及机械臂装置13的运动路径规划，主控计算机11将解算后的结果发送至控制器12，运动学模型结算包括运动学正解和运动学逆解；控制器12依据所述解算结果实现对机械臂装置13的操作控制；机械臂装置13包括腰关节130，第一连杆136、第二连杆137、第三连杆138和第四连杆139，第一连杆136的轴向一端通过大臂I关节131转动连接设于腰关节130的侧壁上、轴向另一端通过大臂II关节132与第二连杆137的轴向一端转动连接，第二连杆137的轴向另一端通过大臂III关节133与第三连杆138的轴向一端转动连接，第三连杆138的轴向另一端通过大臂IV关节134与第四连杆139转动连接，第四连杆139的轴向末端设有爪关节135；腰关节130、大臂I关节131、大臂II关节132、大臂III关节133、大臂IV关节134内均设有驱动器和执行电机；驱动器用于接收控制器12的运动控制指令以驱动执行电机完成相应的动作。腰关节135设于安装板上，通过安装板实现对机械臂装置13的悬挂安装。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述腰关节130、大臂I关节131、大臂II关节132、大臂III关节133和大臂IV关节134均为圆柱关节；所述腰关节130转动的轴心线方向与大臂I关节131的转动轴心线方向、大臂II关节132的转动轴心线方向、大臂III关节133的转动轴心线方向、以及大臂IV关节134的转动轴心线方向垂直；所述大臂I关节131、大臂II关节132、大臂III关节133和大臂IV关节134中任意一个的转动轴心线方向与第一连杆136、第二连杆137、第三连杆138和第四连杆139中任意一个的轴线方向垂直。腰关节130的转动轴心线、第二连杆137的轴线、第四连杆139的轴线均在同一平面内，所述第一连杆136的轴线、第三连杆138的轴线均在同一平面内；所述腰关节130的转动轴心线、第二连杆137的轴线、第四连杆139的轴线所在的平面与所述第一连杆136的轴线、第三连杆138的轴线所在的平面相互平行，且两个平行平面之间的距离为第一连杆136的轴向长度的1/5，第二连杆137、第三连杆138的轴向长度与第一连杆136的轴向长度相等，第四连杆139的轴向长度为第一连杆136的轴向长度的1/4。

此外，进一步优选，第一连杆136、第二连杆137、第三连杆138和第四连杆139均采用中空管状结构；腰关节130、大臂I关节131、大臂II关节132、大臂III关节133、大臂IV关节134内还设有编码器，编码器用于将各关节当前位置实时反馈至控制器12，实现对机械臂装置13的位置闭环控制。

实施例3

如图3所示，基于实施例2提供的五自由度机械臂系统的控制方法，具体步骤为：机械臂系统通电之后进行如下工作：

步骤301，对机械臂系统的电机、驱动器、主控计算机11，控制器12进行自检；

步骤302，检查系统是否存在故障；若存在故障执行步骤303操作，若不存在故障执行步骤304操作；

步骤303，机械臂系统停止运行，将故障信息在主控计算机11上进行显示；

步骤304，选择工作模式：若选择单轴操作模式，则依次执行步骤305～307；若选择复合轴操作模式，则依次执行步骤308～311；若选择指定坐标点操作模式，则依次执行步骤步骤312～316；

步骤305，选择单轴操作模式；

步骤306，进一步选择机械臂的轴系，即选择将要运行的机械臂装置13上的腰关节130、大臂I关节131、大臂II关节132、大臂III关节133、大臂IV关节134和爪关节135中的一个关节；

步骤307，选定关节内的驱动器根据主控计算机11和控制器12的控制指令，驱动执行电机转动，实现选定的关节执行相应正转或逆转动作；

步骤308，选择复合轴操作模式；

步骤309，主控计算机11根据所选的运动方向进行路径规划和插补计算；

步骤310，将插补点的空间坐标通过运动学逆解得到插补点对应的机械臂装置13上各关节的角度量；

步骤311，通过控制器12控制机械臂装置13的各关节运动至指定角度，即完成机械臂装置13在一个控制周期内的复合运动；

步骤312，选择指定坐标点操作模式；

步骤313，首先要在当前点和目标点之间规划一条机械臂运动路径，即主控计算机11将当前爪关节135所在位置设置为起点，将目标位置设置为终点，确定起点与终点的直线方程；

步骤314，其次按照最小偏差法在步骤313规划的路径上进行点插补运算；

步骤315，然后通过机械臂装置13的运动学逆解对各插补点计算其对应的机械臂装置13的各关节的角度量；

步骤316，最后通过控制器12控制机械臂装置13各关节运动至指定角度，按照周期执行步骤313～316即可实现将机械臂运动至指定坐标点位置。

本发明提供的五自由度机械臂系统，机械臂装置的整体长度最长可达3m，延长了机械臂装置的作用距离，而现有的机械臂长度一般为1.8～2.0m；此外，依据杠杆原理，在阻力臂和阻力一定的情况下，动力臂越长，动力越小；直接采用长度为1m的中空管状连杆横置，作用力方向与阻力方向垂直，可承受10公斤的重量，而若将三根1m长的中空管通过大臂关节首尾连接呈直线的3m长的中空管状连杆最高只可承受不到1公斤的重量，本发明通过改进各关节和连杆的位置的排布方式，这种情况下可使机械臂最高可承受3公斤的重量。

此外，实际操作过程中，控制器12控制各关节转动以实现向前、向后、向左、向右、向上或向下各方向运动，在达到上述目过程中，还可通过选择不同的关节转动，以使机械臂装置终端即关节爪135输出与操作对象重量相匹配的作用力，操作灵活度大。

例如：将腰关节130悬挂，在未使用状态下，腰关节130、第二连杆137、第四连杆139和爪关节135处于一条竖直向下的直线方向上，大臂I关节131、第一连杆136、第三连杆138处于一条竖直向下的直线方向上。控制器12控制大臂I关节131内的电机不发生转动，第一连杆136的轴线方向与腰关节130的轴线方向平行；控制大臂II关节132向前转动20°，控制大臂III关节133向后转动80°，控制关节爪135将物品向后上方夹起，此时可称重5公斤；

控制器12控制大臂I关节131内的电机不发生转动，第一连杆136的轴线方向与腰关节130的轴线方向平行；控制大臂II关节132向前转动80°，控制大臂III关节133向后转动20°，控制关节爪135将物品向后上方夹起，此时可称重5.5公斤。因此可在关节爪135处设置称重传感器，所述称重传感器用于检测关节爪135抓起的物品重量，并将检测信息发送至主控计算机11，通过主控计算机11依据物品重量、规划路径，选择需要转动的关节及对应转动角度。

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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (9)

1.一种用于危险物品处理系统，其特征在于，包括主控计算机(11)、控制器(12)和机械臂装置(13)；所述主控计算机(11)用于完成机械臂装置(13)的运动学模型解算、以及机械臂装置(13)的运动路径规划，主控计算机(11)将解算后的结果发送至控制器(12)，所述运动学模型结算包括运动学正解和运动学逆解；所述控制器(12)依据所述解算结果实现对机械臂装置(13)的操作控制；所述机械臂装置(13)包括腰关节(130)，第一连杆(136)、第二连杆(137)、第三连杆(138)和第四连杆(139)，所述第一连杆(136)的轴向一端通过大臂I关节(131)转动连接设于腰关节(130)的侧壁上、轴向另一端通过大臂II关节(132)与第二连杆(137)的轴向一端转动连接，第二连杆(137)的轴向另一端通过大臂III关节(133)与第三连杆(138)的轴向一端转动连接，第三连杆(138)的轴向另一端通过大臂IV关节(134)与第四连杆(139)转动连接，所述第四连杆(139)的轴向末端设有爪关节(135)；所述腰关节(130)、大臂I关节(131)、大臂II关节(132)、大臂III关节(133)、大臂IV关节(134)内均设有驱动器和执行电机；所述驱动器用于接收控制器(12)的运动控制指令以驱动执行电机完成相应的动作；

所述腰关节(130)、大臂I关节(131)、大臂II关节(132)、大臂III关节(133)和大臂IV关节(134)均为圆柱关节；所述腰关节(130)转动的轴心线方向与大臂I关节(131)的转动轴心线方向、大臂II关节(132)的转动轴心线方向、大臂III关节(133)的转动轴心线方向、以及大臂IV关节(134)的转动轴心线方向垂直；所述大臂I关节(131)、大臂II关节(132)、大臂III关节(133)和大臂IV关节(134)中任意一个的转动轴心线方向与第一连杆(136)、第二连杆(137)、第三连杆(138)和第四连杆(139)中任意一个的轴线方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种用于危险物品处理系统，其特征在于，所述腰关节(130)的转动轴心线、第二连杆(137)的轴线、第四连杆(139)的轴线均在同一平面内，所述第一连杆(136)的轴线、第三连杆(138)的轴线均在同一平面内；所述腰关节(130)的转动轴心线、第二连杆(137)的轴线、第四连杆(139)的轴线所在的平面与所述第一连杆(136)的轴线、第三连杆(138)的轴线所在的平面相互平行，且两个平行平面之间的距离大于零。

3.根据权利要求2所述的一种用于危险物品处理系统，其特征在于，所述两个平行平面之间的距离大于零且小于第一连杆(136)、第二连杆(137)、第三连杆(138)和第四连杆(139)任一个的轴向长度。

4.根据权利要求1所述的一种用于危险物品处理系统，其特征在于，所述第一连杆(136)、第二连杆(137)、第三连杆(138)和第四连杆(139)均采用中空管状结构。

5.基于权利要求1至4任一项所述的一种用于危险物品处理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选择对机械臂的操作模式，所述操作模式包括单轴操作模式、复合轴操作模式和指定坐标点操作模式；

步骤2，通过主控计算机(11)建立对机械臂装置(13)的运动学模型，对机械臂装置(13)进行运动学正解和逆解运算、并规划机械臂装置(13)的运动轨迹；再通过控制器(12)依据所述主控计算机(11)的解算结果得到机械臂装置(13)的各关节应转动到达的目标角度，并控制机械臂装置(13)各关节的驱动器和其对应的执行电机将机械臂装置(13)的各关节运动至指定角度。

6.根据权利要求5所述的一种用于危险物品处理系统的控制方法，其特征在于，所述单轴操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，选择单轴操作模式后，在机械臂装置(13)中选择单轴操作的轴系，通过在腰关节(130)、大臂I关节(131)、大臂II关节(132)、大臂III关节(133)、大臂IV关节(134)和爪关节(135)中选择一个关节作为操作对象以实现对单轴操作轴系的选取；

步骤(2)，选择单轴操作的轴系后，选择对对应关节的正转或反转操作从而控制机械臂装置(13)完成相应的动作。

7.根据权利要求5所述的一种用于危险物品处理系统的控制方法，其特征在于，所述复合轴操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，选择复合轴模式后，通过机械臂装置(13)的各关节进行复合运动以保证爪关节(135)按照指定的方向运动，复合运动的操作分为向前/向后/向左/向右/向上/向下六种运动方式；

步骤(2)，选择机械臂装置(13)各关节对应的运动方式，对爪关节(135)的空间坐标进行插补，并通过主控计算机(11)对机械臂进行运动学逆解，得到机械臂装置(13)各关节应到达的位置；

步骤(3)，将主控计算机(11)逆解得到的机械臂装置(13)各关节的位置值发送至控制器(12)，由控制器(12)实现对机械臂装置(13)各关节驱动器进行控制，最终驱动各关节运动之指定位置。

8.根据权利要求5所述的一种用于危险物品处理系统的控制方法，其特征在于，所述指定坐标操作模式的具体步骤为：

步骤(1)，当选择指定坐标点操作方式后，主控计算机(11)将当前爪关节(135)所在位置设置为起点，将目标位置设置为终点，确定起点与终点的直线方程；

步骤(2)，对两点间的直线段按照最小偏差法进行补插，得到补插点的空间坐标，并通过运动学逆解将补插点的空间坐标换算至机械臂装置(13)的各关节对应角度；

步骤(3)，主控计算机(11)将计算得到的各关节的角度值发送至控制器(12)，由控制器(12)实现对机械臂装置(13)各关节驱动器进行控制，从而将爪关节(135)按照设定轨迹运动至指定位置。

9.根据权利要求5所述的一种用于危险物品处理系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法的步骤1中，在选择对机械臂的操作模式之前还包括系统自检步骤：

机械臂系统通电之后，对机械臂系统的电机、驱动器、主控计算机(11)，控制器(12)进行自检，若无故障，执行所述步骤1的操作内容；若有故障，则机械臂系统停止运行，将故障信息在主控计算机(11)上进行显示。

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