CN108098731A - 具有执行机构的智能移动设备及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有执行机构的智能移动设备及驱动方法，包括移动平台、并联承载装置、机械手、地形匹配控制系统，移动平台具有轮履变换机构，并联承载装置与移动平台联接，机械手固定在并联承载装置的回转安装座上，并联承载装置的上平台和下平台之间设置有刚度支撑杆。本发明的智能移动设备，基于并联机构和串联机构的优点，刚度高、工作空间大、结构稳定、作业灵活，通过轮履变换机构能够实现不同路面工况下移动平台的运动模式选取，本发明能匹配平整地面、颠簸地面、斜坡地面的运动环境，始终处于最佳状态。

Description

具有执行机构的智能移动设备及驱动方法

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种具有地形匹配功能的混联式移动机械手，具体为具有执行机构的智能移动设备及驱动方法。

背景技术

智能移动设备被广泛应用到生产加工、服务运输等各个领域，具有工作效率高、重复精度好、功能强大等优点，具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合在复杂的非结构化环境中工作，集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体，因此其应用范围和功能都大为拓展和提高，在军事、民用和科学研究中得到广泛应用，包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、农林、商业服务和灾害救护等。

然而，现有智能移动设备多是仅具有承载功能，缺乏操作功能，因此难以实现大范围的操作作业。在操作机构方面，固定式机械手，由于其工作空间十分有限，极大地制约了机械手功能的拓展。移动机械手是将机械手安装在移动机器人上，集成了移动平台和机械手两个子系统，这种结构使其拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，同时具有移动和操作功能，使其能够在更短的时间内，以更优的位姿完成更大范围内的任务，优于传统的机械手和移动机器人。文章《带有机械臂的全方位移动机器人的研制》采用全方位移动机构设计了一种全方位移动机械臂，但是其刚度和稳定性较低。专利CN201510206946.8公开了一种重载搬运装配移动机器人，采用移动平台和Stewart 并联平台，实现系统的搬运、装配作业，但是其系统的工作空间和作业灵活性明显受到限制。可以看出，现有技术中移动机械手的移动平台多是作为运动载体，其上搭载的机械手臂通常采用串联关节臂，这存在以下问题：单纯的基于串联机构的移动机械手，整体系统的刚度和稳定性较低，难以完成高强度的搬运作业，尤其是在负载变化或执行大负载抓取以及重载搬运作业时极易导致失稳，而此时仅仅具有运动载体功能的移动平台难以进行有效的反馈调节进行匹配，因而容易造成整车倾覆事故，影响移动机械手的高效稳定作业，增加了作业失败的可能性。而单纯的并联机构其系统的工作空间和作业灵活性明显受到限制。随着作业领域的不断拓展，移动机械手逐步被应用于野外、山区丘陵等更多领域的作业，此时系统需要具备适应不同作业环境和地面工况的能力，尤其在崎岖地面和倾斜地面行驶时，在地形变化和地面激励的作用下，应能够保证系统的运动平衡和良好的动态性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供具有执行机构的智能移动设备及驱动方法。所述智能移动设备是具有自行走功能的移动平台，执行机构包括但不限于混联式移动机械手，本发明兼顾并联机构和串联机构的优点，是一种刚度高、工作空间大、结构稳定、作业灵活的新型移动机械手，同时能够在作业环境和地面工况变化时，保证系统的运动平衡良好的动态性能。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

具有执行机构的智能移动设备，包括移动平台1、并联承载装置3、机械手2。

在移动平台1上设有并联承载装置3。在并联承载装置3上设有机械手2。

所述移动平台1负责实现在平整地形和/或崎岖地形上的移动。在移动平台1的底部设有轮胎。在移动平台1的侧面设有轮履变换机构13。所述轮履变换机构13负责实现移动平台1的运动方式在轮式运动模式和履带式运动模式之间转换。所述轮履变换机构13含有履带134。轮履变换机构13能够相对于移动平台1的竖直方向升起或下降。

在轮履变换机构（13）的作用下，当履带134下降与地面接触，轮胎拖离地面时，移动平台1的运动模式由轮式转为履带式。当履带134上升复位，轮胎与地面接触时，移动平台1的运动模式由履带式转为轮式。

所述并联承载装置3负责机械手2姿态的调整。进一步说，所述机械手2具有3个以上的自由度，

进一步说，本具有执行机构的智能移动设备，其技术特征还在于：

上平台31的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313，在回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。回转支撑3131的内齿与圆柱齿轮3132的外齿啮合，圆柱齿轮3132带动回转支撑3131实现转动。

在上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。加强筋板312和球铰安装座311均为3个以上，均对称分布在上平台31的底面，支撑架37固定在上平台31的底面的中心位置。

通过连接铰二362将支撑架37的底部与刚度支撑杆36相连接。通过连接铰一361将下平台32的顶面与刚度支撑杆36相连接。

移动平台1呈n形。移动平台1由一个矩形顶板与两个侧板构成。在每个侧板的内侧、长度方向的端部均设有轮胎。

轮履变换机构13还包括主动轮131、从动轮132、减振缓冲弹簧133和液压缸135。其中，在每个侧板的外侧均设有主动轮131和从动轮132。

主动轮131与相邻的侧壁固定连接。减振缓冲弹簧133设置在侧板的外侧，位于侧板的挂钩1331和从动轮132的连接板1332之间。

位于同一个侧板上主动轮131和从动轮132均与一条履带134啮合，工作时通过主动轮131驱动，从而带动从动轮132运转，实现移动平台1的履带式运动。

在移动平台1上设有地形匹配控制系统4。

所述地形匹配控制系统4负责移动平台1运动过程中的地形监测和性能分析，以及和移动平台1、机械手2和并联承载装置3的反馈控制。

地形匹配控制系统4分别与移动平台1、机械手2的运动、并联承载装置3相连接。

本发明所述的具有执行机构的智能移动设备的驱动方法，按如下步骤进行：

步骤1：建立动态性能数据库：

由移动平台1与地面激励信号构建运动映射关系。

由并联承载装置3与机械手2构建姿态映射关系。

根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库。

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统5，实现数据的实时通讯。由动态分析系统5对采集到的信号进行处理。进一步说，动态分析系统5负责数据采集与判断，通过采用现有的商业软件对获取的信号进行建模、仿真和稳定性判断。更进一步说，动态分析系统5是采用稳定性算法对本智能移动设备的稳定性进行判断。

步骤3：通过视觉传感器411检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器6，确定移动平台1采用轮式运动模式或履带式运动模式进行运行。

步骤4：在移动平台1运动前，调整机械手2的姿态，使本智能移动设备处于平衡状态。

步骤5：视觉传感器411实时检测路况信息，将路况信息反馈给定轮履变换控制器6。通过轮履变换控制器6对液压缸135同步操作，实现移动平台1运动模式的转换。

步骤6：对于斜坡地面，当姿态传感器412实时检测移动平台1的倾斜角度，并反馈给动态分析系统5。当检测移动平台1的倾斜角度超过人工设定值时，由动态分析系统5和运动控制器7共同控制并联承载装置3实现姿态的调整。

为了更清晰地解释本发明的结构特点，先换一角度阐述本发明的结构特点：

本发明包括移动平台、并联承载装置、机械手、地形匹配控制系统：移动平台具有轮履变换机构，轮履变换机构位于移动平台的左右两侧，轮履变换机构具有主动轮和从动轮，主动轮固定，从动轮沿着轮履变换机构的侧面具有上下滑动的运动，轮履变换机构的调整机构上安装有减振缓冲弹簧。并联承载装置具有上平台和下平台，并联承载装置的上平台的中部为网状辐射盘面，网状辐射盘面的中心设置有回转安装座，回转安装座上设置有回转支撑和圆柱齿轮，上平台的底面设置有加强筋板、球铰安装座和支撑架，并联承载装置的驱动元件通过球铰安装座安装在并联承载装置的上平台和下平台之间，上平台和下平台之间设置有刚度支撑杆，并联承载装置的下平台与移动平台的上表面通过移动副联接，机械手的底座固定在并联承载装置的上平台的回转安装座上，安装座上设置有回转支撑和圆柱齿轮，机械手第一关节的驱动元件安装在并联承载装置的支撑架内部。地形匹配控制系统包括监测系统、动态分析系统、轮履变换控制器、运动控制器，监测系统包括视觉传感器、姿态传感器和振动传感器，监测系统与动态分析系统进行通信，动态分析系统与轮履变换控制器和运动控制器进行通信。

所述的视觉传感器、姿态传感器和振动传感器固定在移动平台上。

所述的并联承载装置的下平台的底面设置有移动导轨和传动螺母，下平台的表面设置有刚度支撑杆的连接铰一。

所述的移动平台的上表面设置有导轨槽，导轨槽的一端为通槽，另一端为盲槽，移动平台的上表面与并联承载装置的下平台采用导轨副联接。

所述的加强筋板和球铰安装座在并联承载装置的上平台的底面成中心对称布置。

所述的加强筋板和球铰安装座均为3个，所述的每个球铰安装座均具有两个球窝。

所述的支撑架的底面设置有刚度支撑杆的连接铰二。

所述的轮履变换机构的驱动元件为液压缸，对称安装在轮履变换机构的内侧。

所述的并联承载装置的驱动元件为电机驱动。

所述的机械手的驱动元件为电机驱动，具有单个或多个自由度。

所述的具有地形匹配功能的混联式移动机械手的控制方法，主要针对平整地面、颠簸地面、斜坡地面，具体包括以下步骤：

步骤1：建立动态性能数据库，具体包括：建立混联式移动机械手的动力学方程，在求解分析软件中模拟得到移动平台的运动模式和运动速度与地面激励信号间的运动映射关系，以及并联承载装置的姿态与机械手的动态性能间的姿态映射关系，根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库。

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统，实现数据的实时通讯。

步骤3：通过视觉传感器检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器，通过控制轮履变换机构的液压缸实现移动平台的轮式运动模式或履带式运动模式的选取。

步骤4：调整机械手的姿态，调整过程中通过姿态传感器检测移动平台的姿态，使整个系统处于平衡状态。

步骤5：移动平台运动过程中，视觉传感器实时检测路况信息，当路况变化时，将路况信息反馈给定轮履变换控制器，通过轮履变换控制器发出指令，驱动轮履变换机构的液压缸同步操作，实现移动平台运动模式的转换。振动传感器实时检测移动平台的振动信号，并传送给动态分析系统，动态分析系统根据动态性能数据库分析确定移动平台的最佳运动速度和并联承载装置的最佳姿态，并将确定的最佳运动速度数据和最佳姿态数据反馈给运动控制器，运动控制器控制移动平台实现速度的调节，同时控制并联承载装置实现姿态的调整。

步骤6：对于斜坡地面，姿态传感器实时检测移动平台的倾斜角度，并反馈给动态分析系统，动态分析系统首先通过稳定性算法判定使得系统稳定的并联承载装置的最佳姿态，运动控制器控制并联承载装置实现姿态的调整。然后，根据动态性能数据库确定移动平台的斜坡运动速度，运动控制器控制移动平台实现运动速度的调节。

步骤5所述的移动平台的最佳运动速度和并联承载装置的最佳姿态确定的原则是综合考虑系统的稳定性和振动能量最小，系统的稳定性通过稳定性算法判定，系统振动能量包括移动平台的振动激励和机械手的振动响应，其中移动平台的振动激励通过固定在移动平台上振动传感器直接测试得到，机械手的振动响应通过固定在移动平台上振动传感器的测试信号转换得到，具体的：根据步骤1建立的混联式移动机械手的动力学方程，得到移动平台的振动激励与机械手的振动响应间的关系，然后，根据移动平台的振动激励和步骤1建立的动态性能数据库，得到机械手的振动响应。

本发明的优点在于：

本发明的具有执行机构的智能移动装备，能够集移动与操作功能于一体，综合了并联机构和串联机构的双重优点，提高了系统的刚度、工作空间、结构稳定性和作业灵活性。采用的并联承载装置能够实现姿态的调整，有利于增加机械手与作业对象间的定位协调，增大了系统的工作空间和灵活性，使系统几乎拥有无限大的工作空间。通过监测系统能够实时检测当前路况信息、移动平台的姿态和振动信号，通过轮履变换机构能够实现不同路面工况下移动平台的运动模式选取，降低地面对系统的激励，通过给机械手配置不同的操作工具，可执行不同的操作任务，可执行任务的场合更为广泛。另外，本发明的控制方法，通过动态分析系统和动态性能数据库，能够综合考虑系统的稳定性和振动能量最小，得到移动平台的最佳运动速度和并联承载装置的最佳姿态，实现系统对平整地面、颠簸地面、斜坡地面的匹配，使得系统处于最佳状态。

附图说明

图1 本发明的智能移动设备的结构图。

图2本发明的移动平台的轮履变换机构结构图。

图3 本发明的移动平台的轮履变换机构的局部图。

图4本发明的移动平台的轮式运动模式。

图5本发明的液压缸与侧板的联接图。

图6 本发明的移动平台上表面的结构图。

图7 本发明的智能移动设备的并联承载装置的俯视图。

图8 本发明的并联承载装置上平台的俯视图。

图9 本发明的并联承载装置上平台的底部结构图。

图10 本发明的并联承载装置的支撑架的结构图。

图11 本发明的并联承载装置下平台的结构图。

图12 本发明的智能移动设备的控制系统图。

图13是图4结构的另一角度示意图。

上述图中的标记为：移动平台1、导轨凹槽12、轮履变换机构13、主动轮131、从动轮132、减振缓冲弹簧133、履带134、液压缸135、机械手2、机械手底座21、机械手驱动电机22、并联承载装置3、并联承载装置的上平台31、球铰安装座311、加强筋板312、回转安装座313、回转支撑3131、圆柱齿轮3132、并联承载装置的下平台32、并联承载装置的驱动元件33、移动导轨34、传动螺母35、刚度支撑杆36、连接铰一361、连接铰二362、支撑架37、地形匹配控制系统4、监测系统41、视觉传感器411、姿态传感器412、振动传感器413、动态分析系统5、轮履变换控制器6、运动控制器7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构与优点做进一步说明：

具有执行机构的智能移动设备，包括移动平台1、并联承载装置3和机械手2。在移动平台1上设有并联承载装置3。在并联承载装置3上设有机械手2。

所述移动平台1负责实现在平整地形和/或崎岖地形上的移动。在移动平台1的底部设有轮胎。在移动平台1的侧面设有轮履变换机构13。所述轮履变换机构13负责实现移动平台1的运动方式在轮式运动模式和履带式运动模式之间转换。所述轮履变换机构13含有履带134。履带134连同与之相连的轮履变换机构13能够沿着竖直方向升起或下降。

在轮履变换机构13的作用下，当履带134下降且与地面接触，轮胎拖离地面时，移动平台1的运动模式由轮式转为履带式。当履带134上升复位，令轮胎与地面接触时，移动平台1的运动模式由履带式转为轮式。

所述并联承载装置3负责机械手2姿态的调整。所述机械手2具有3个以上的自由度。

进一步说，在移动平台1上设有地形匹配控制系统4。所述地形匹配控制系统4负责移动平台1运动过程中的地形监测和性能分析，以及和移动平台1、机械手2和并联承载装置3的反馈控制。地形匹配控制系统4分别与移动平台1、机械手2的运动、并联承载装置3相连接。进一步说，地形匹配控制系统4还具备控制移动平台1的速度、机械手2的运动、并联承载装置3的姿态调整。

进一步说，移动平台1呈n形。移动平台1由一个矩形顶板与两个侧板构成。在每个侧板的内侧、长度方向的端部均设有轮胎。

轮履变换机构13还包括主动轮131、从动轮132、减振缓冲弹簧133和液压缸135。其中，在每个侧板的外侧均设有主动轮131和从动轮132。

主动轮131与相邻的侧壁固定连接。在侧板的外侧设置有减振缓冲弹簧133。即减振缓冲弹簧133位于侧板的挂钩1331和从动轮132的连接板1332之间。

位于同一个侧板上主动轮131和从动轮132均与一条履带134啮合，工作时通过主动轮131驱动，从而带动从动轮132运转，实现移动平台1的履带式运动。

进一步说，在移动平台1每个侧板的内侧均设有液压缸135，液压缸135位于侧板的内侧与轮胎之间，液压缸135的推拉杆1351与侧板的内侧联接，通过液压缸135的推拉，能够实现移动平台1的轮式运动模式和履带式运动模式的变换。

进一步说，机械手2具有六自由度，且采用电机驱动。

进一步说，并联承载装置3包括并联承载装置的上平台31、并联承载装置的下平台32、并联承载装置的驱动元件33、移动导轨34、传动螺母35、刚度支撑杆36。其中，

在下平台32的底部设置有移动导轨34和传动螺母35。在下平台32的顶部设置有3个以上的并联承载装置的驱动元件33。所述并联承载装置的驱动元件33为电机驱动或液压驱动。并联承载装置的驱动元件33的顶部均与上平台31的底面相连接。在下平台32与上平台31之间设有刚度支撑杆36。

进一步说，上平台31的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313，在回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。回转支撑3131的内齿与圆柱齿轮3132的外齿啮合，圆柱齿轮3132带动回转支撑3131实现转动。

在上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。加强筋板312和球铰安装座311均为3个以上，且对称分布在上平台31的底面，支撑架37固定在上平台31的底面的中心位置。

进一步说，通过连接铰二362将支撑架37的底部与刚度支撑杆36相连接。通过连接铰一361将下平台32的顶面与刚度支撑杆36相连接。

本发明的优选方案是：具有执行机构的智能移动设备，包括移动平台1、并联承载装置3、机械手2。在移动平台1上设有并联承载装置3。在并联承载装置3上设有机械手2。

所述移动平台1负责实现在平整地形和/或崎岖地形上的移动。在移动平台1的底部设有轮胎。在移动平台1的侧面设有轮履变换机构13。所述轮履变换机构13负责实现移动平台1的运动方式在轮式运动模式和履带式运动模式之间转换。所述轮履变换机构13含有履带134。履带134及整个轮履变换机构13能够相对于移动平台1竖直方向升起或下降。

在轮履变换机构13的作用下，当履带134下降且与地面接触时，轮胎被拖离地面，移动平台1的运动模式由轮式转为履带式。当履带134上升复位，轮胎与地面接触时，移动平台1的运动模式由履带式转为轮式。

所述并联承载装置3负责机械手2姿态的调整。所述机械手2具有3个以上的自由度。

上平台31的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313，在回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。回转支撑3131的内齿与圆柱齿轮3132的外齿啮合，圆柱齿轮3132带动回转支撑3131实现转动。

在上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。加强筋板312和球铰安装座311均为3个以上，且对称分布在上平台31的底面，支撑架37固定在上平台31的底面的中心位置。

通过连接铰二362将支撑架37的底部与刚度支撑杆36相连接。通过连接铰一361将下平台32的顶面与刚度支撑杆36相连接。

移动平台1呈n形。移动平台1由一个矩形顶板与两个侧板构成。在每个侧板的内侧、长度方向的端部均设有轮胎。

轮履变换机构13还包括主动轮131、从动轮132、减振缓冲弹簧133和液压缸135。其中，在每个侧板的外侧均设有主动轮131和从动轮132。

主动轮131与相邻的侧壁固定连接。减振缓冲弹簧133设置在侧板的外侧，位于侧板的挂钩1331和从动轮132的连接板1332之间。

位于同一个侧板上主动轮131和从动轮132均与同侧的履带134啮合，工作时通过主动轮131驱动，从而带动从动轮132运转，实现移动平台1的履带式运动。

在移动平台1上设有地形匹配控制系统4。所述地形匹配控制系统4负责移动平台1运动过程中的地形监测和性能分析，以及和移动平台1、机械手2和并联承载装置3的反馈控制。地形匹配控制系统4分别与移动平台1、机械手2、并联承载装置3相连接。

进一步说，地形匹配控制系统4包括监测系统41、动态分析系统5、轮履变换控制器6和运动控制器7。其中，

监测系统41由视觉传感器411、姿态传感器412和振动传感器413组成。视觉传感器411、姿态传感器412和振动传感器413均固定在移动平台1上。

动态分析系统5、轮履变换控制器6和运动控制器7分别安装在移动平台1上。

监测系统41与动态分析系统5进行通信，动态分析系统5与轮履变换控制器6和运动控制器7进行通信。

进一步说，在移动平台1的上表面设置有导轨槽12。导轨槽12的一端为通槽，另一端为盲槽。移动平台1的上表面与并联承载装置3采用导轨副联接。

机械手2包含底座21和第一关节的驱动元件22。其中，机械手2通过底座21固定在回转安装座313上，第一关节的驱动元件22安装在并联承载装置3的内部。

所述的具有执行机构的智能移动设备的驱动方法，按如下步骤进行：

步骤1：建立动态性能数据库：

由移动平台1与地面激励信号构建运动映射关系。

由并联承载装置3与机械手2构建姿态映射关系。

根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库。

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统5，实现数据的实时通讯。由动态分析系统5对采集到的信号进行处理。进一步说，动态分析系统5负责数据采集与判断，通过采用现有的商业软件对获取的信号进行建模、仿真和稳定性判断。更进一步说，动态分析系统5是采用稳定性算法对本智能移动设备的稳定性进行判断。

步骤3：通过视觉传感器411检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器6，确定移动平台1采用轮式运动模式或履带式运动模式进行运行。

步骤4：在移动平台1运动前，调整机械手2的姿态，使本智能移动设备处于平衡状态。

步骤5：视觉传感器411实时检测路况信息，将路况信息反馈给定轮履变换控制器6。通过轮履变换控制器6对液压缸135同步操作，实现移动平台1运动模式的转换。

步骤6：对于斜坡地面，当姿态传感器412实时检测移动平台1的倾斜角度，并反馈给动态分析系统5。当检测移动平台1的倾斜角度超过人工设定值时，由动态分析系统5和运动控制器7共同控制并联承载装置3实现姿态的调整。

进一步说，本驱动方法按如下步骤进行：

步骤1：建立动态性能数据库，具体包括：

1.1建立智能移动装备的动力学方程，在求解分析软件中模拟得到移动平台1的运动模式和运动速度与地面激励信号间的运动映射关系。

1.2建立并联承载装置3的姿态与机械手2的动态性能间的姿态映射关系。

1.3根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库。

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统5，实现数据的实时通讯。

步骤3：通过视觉传感器411检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器6，通过控制轮履变换机构13的液压缸135实现移动平台1的轮式运动模式或履带式运动模式的选取。

步骤4：调整机械手2的姿态，调整过程中通过姿态传感器412检测移动平台1的姿态，使整个系统处于平衡状态。

步骤5：移动平台1运动过程中，视觉传感器411实时检测路况信息，当路况变化时，将路况信息反馈给定轮履变换控制器6，通过轮履变换控制器6发出指令，驱动轮履变换机构13的液压缸135同步操作，实现移动平台1运动模式的转换。振动传感器413实时检测移动平台1的振动信号，并传送给动态分析系统5，动态分析系统5根据动态性能数据库分析确定移动平台1的最佳运动速度和并联承载装置3的最佳姿态，并将确定的最佳运动速度数据和最佳姿态数据反馈给运动控制器7，运动控制器7控制移动平台1实现速度的调节，同时控制并联承载装置3实现姿态的调整。

步骤6：姿态传感器412实时检测移动平台1的倾斜角度，并反馈给动态分析系统5：

6.1动态分析系统5首先通过稳定性算法判定使得系统稳定的并联承载装置3的最佳姿态，运动控制器7控制并联承载装置3实现姿态的调整。

6.2根据动态性能数据库确定移动平台1的斜坡运动速度，运动控制器7控制移动平台1实现运动速度的调节。

进一步说，移动平台1的最佳运动速度和并联承载装置3的最佳姿态确定的原则是综合考虑系统的稳定性和振动能量最小，系统的稳定性通过稳定性算法判定获得的。

系统振动能量包括移动平台1的振动激励和机械手2的振动响应，其中移动平台1的振动激励通过固定在移动平台1上振动传感器413直接测试得到，机械手2的振动响应通过固定在移动平台1上振动传感器413的测试信号转换得到的。

换言之，根据步骤1建立的智能移动装备的动力学方程，得到移动平台1的振动激励与机械手2的振动响应间的关系，然后，根据移动平台1的振动激励和步骤1建立的动态性能数据库，得到机械手2的振动响应。

实施例1

如图1和图2所示，一种具有执行机构的智能移动装备，包括移动平台1、并联承载装置3、机械手2，机械手2具有六自由度，机械手2采用电机驱动，移动平台1具有轮履变换机构13，轮履变换机构13位于移动平台1的左右两侧，轮履变换机构13具有主动轮131和从动轮132，主动轮131固定，从动轮132沿着轮履变换机构13的侧面具有上下滑动的运动，轮履变换机构13的调整机构上安装有减振缓冲弹簧33133。如图3所示，轮履变换机构13的驱动元件液压缸35135对称安装在轮履变换机构13的内侧，通过控制轮履变换机构13的液压缸35135能够实现移动平台1的轮式运动模式和履带式运动模式的变换。

如图2所示为移动平台1的履带式运动模式，如图4所示为移动平台1的轮式运动模式。

如图5所示，并联承载装置3具有上平台31和下平台32。并联承载装置的下平台32设置有移动导轨34和传动螺母35，并联承载装置3的驱动元件33均匀分布安装在并联承载装置3的上平台31和下平台32之间，上平台31和下平台32之间设置有刚度支撑杆36。机械手2通过底座21固定在并联承载装置3的上平台31的回转安装座313上，其中第一关节的驱动元件22安装在并联承载装置3的内部。

如图6所示，移动平台1的上表面设置有导轨槽12，导轨槽12的一端为通槽，另一端为盲槽，移动平台1的上表面与并联承载装置3采用导轨副联接。

如图7、图8和图9所示，并联承载装置的上平台31的中部为网状辐射盘面，网状辐射盘面的中心设置有回转安装座313，回转安装座313上设置有回转支撑3131和圆柱齿轮3132。上平台31的底面设置有加强筋板312、球铰安装座311和支撑架37。

如图10所示，支撑架37的底面设置有刚度支撑杆36的连接铰二362，如图11所示，下平台32的表面设置有刚度支撑杆36的连接铰一361。

如图12所示，所述的混联式移动机械手，还具有地形匹配控制系统4，具体包括监测系统41、动态分析系统5、轮履变换控制器6、运动控制器7，监测系统41包括视觉传感器411、姿态传感器412和振动传感器413，均固定在移动平台上。监测系统41与动态分析系统5进行通信，动态分析系统5与轮履变换控制器6和运动控制器7进行通信。

针对平整地面、颠簸地面、斜坡地面，具有地形匹配功能的混联式移动机械手的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立动态性能数据库，具体包括：建立智能移动装备的动力学方程，在求解分析软件中模拟得到移动平台1的运动模式和运动速度与地面激励信号间的运动映射关系，以及并联承载装置3的姿态与机械手2的动态性能间的姿态映射关系，根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库。

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统5，实现数据的实时通讯。

步骤3：通过视觉传感器411检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器6，通过控制轮履变换机构13的液压缸35135实现移动平台1的轮式运动模式或履带式运动模式的选取。

步骤4：调整机械手2的姿态，调整过程中通过姿态传感器412检测移动平台1的姿态，使整个系统处于平衡状态。

步骤5：移动平台1运动过程中，视觉传感器411实时检测路况信息，当路况变化时，将路况信息反馈给定轮履变换控制器6，通过轮履变换控制器6发出指令，驱动轮履变换机构13的液压缸35135同步操作，实现移动平台1运动模式的转换。振动传感器413实时检测移动平台1的振动信号，并传送给动态分析系统5，动态分析系统5根据动态性能数据库分析确定移动平台1的最佳运动速度和并联承载装置3的最佳姿态，并将确定的最佳运动速度数据和最佳姿态数据反馈给运动控制器7，运动控制器7控制移动平台1实现速度的调节，同时控制并联承载装置3实现姿态的调整。

其中，移动平台1的最佳运动速度和并联承载装置3的最佳姿态确定的原则是综合考虑系统的稳定性和振动能量最小，系统的稳定性通过稳定性算法判定，系统振动能量包括移动平台1的振动激励和机械手2的振动响应，其中移动平台1的振动激励通过固定在移动平台1上振动传感器413直接测试得到，机械手2的振动响应通过固定在移动平台1上振动传感器413的测试信号转换得到，具体的：根据步骤1建立的混联式移动机械手的动力学方程，得到移动平台1的振动激励与机械手2的振动响应间的关系，然后，根据移动平台1的振动激励和步骤1建立的动态性能数据库，得到机械手2的振动响应。

步骤6：对于斜坡地面，姿态传感器412实时检测移动平台1的倾斜角度，并反馈给动态分析系统5，动态分析系统5首先通过稳定性算法判定使得系统稳定的并联承载装置3的最佳姿态，运动控制器7控制并联承载装置3实现姿态的调整。然后，根据动态性能数据库确定移动平台1的斜坡运动速度，运动控制器7控制移动平台1实现运动速度的调节。

本发明的具有执行机构的智能移动装备，能够集移动与操作功能于一体，综合了并联机构和串联机构的双重优点，提高了系统的刚度、工作空间、结构稳定性和作业灵活性，使系统几乎拥有无限大的工作空间。通过监测系统能够实时检测当前路况信息、移动平台的姿态和振动信号，通过轮履变换机构能够实现不同路面工况下移动平台的运动模式选取，降低地面对系统的激励，通过给机械手配置不同的操作工具，可执行不同的操作任务，可执行任务的场合更为广泛。通过动态分析系统和动态性能数据库，能够综合考虑系统的稳定性和振动能量最小，得到移动平台的最佳运动速度和并联承载装置的最佳姿态，实现系统对平整地面、颠簸地面、斜坡地面的匹配，使得系统处于最佳状态。

Claims (10)

1.具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：包括移动平台（1）、并联承载装置（3）和机械手（2）；在移动平台（1）上设有并联承载装置（3）；在并联承载装置（3）上设有机械手（2）；

所述移动平台（1）负责实现在平整地形和/或崎岖地形上的移动；在移动平台（1）的底部设有轮胎；在移动平台（1）的侧面设有轮履变换机构（13）；所述轮履变换机构（13）负责实现移动平台（1）的运动方式在轮式运动模式和履带式运动模式之间转换；所述轮履变换机构（13）含有履带（134）；轮履变换机构（13）能够相对于移动平台（1）竖直方向升起或下降；

当履带（134）下降与地面接触，轮胎拖离地面时，移动平台（1）的运动模式由轮式转为履带式；当履带（134）上升复位，轮胎与地面接触时，移动平台（1）的运动模式由履带式转为轮式；

所述并联承载装置（3）负责机械手（2）姿态的调整。

2.根据权利要求1所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：在移动平台（1）上设有地形匹配控制系统（4）；

所述地形匹配控制系统（4）负责移动平台（1）运动过程中的地形监测和性能分析，以及和移动平台（1）、机械手（2）和并联承载装置（3）的反馈控制；

地形匹配控制系统（4）分别与移动平台（1）、机械手（2）的运动、并联承载装置（3）相连接。

3.根据权利要求1所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：移动平台（1）由一个矩形顶板与两个侧板构成；在每个侧板的内侧、长度方向的端部均设有轮胎；

轮履变换机构（13）还包括主动轮（131）、从动轮（132）、减振缓冲弹簧（133）和液压缸（135）；其中，在每个侧板的外侧均设有主动轮（131）和从动轮（132）；

主动轮（131）与相邻的侧壁固定连接；在侧板的外侧设置有减振缓冲弹簧（133）；

位于同一个侧板上主动轮（131）和从动轮（132）均与一条履带（134）啮合，工作时通过主动轮（131）驱动，从而带动从动轮（132）运转，实现移动平台（1）的履带式运动。

4.根据权利要求1所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：并联承载装置（3）包括并联承载装置的上平台（31）、并联承载装置的下平台（32）、并联承载装置的驱动元件（33）、移动导轨（34）、传动螺母（35）、刚度支撑杆（36）；其中，

在下平台（32）的底部设置有移动导轨（34）和传动螺母（35）；在下平台（32）的顶部设置有3个以上的并联承载装置的驱动元件（33）；并联承载装置的驱动元件（33）的顶部均与上平台（31）的底面相连接；在下平台（32）与上平台（31）之间设有刚度支撑杆（36）。

5.根据权利要求4所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：上平台（31）的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座（313），在回转安装座（313）上设置有回转支撑（3131）和圆柱齿轮（3132）；回转支撑（3131）的内齿与圆柱齿轮（3132）的外齿啮合，圆柱齿轮（3132）带动回转支撑（3131）实现转动；

在上平台（31）的底面设置有加强筋板（312）、球铰安装座（311）和支撑架（37）；加强筋板（312）和球铰安装座（311）均为3个以上，且对称分布在上平台（31）的底面，支撑架（37）固定在上平台（31）的底面的中心位置。

6.根据权利要求5所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：通过连接铰二（362）将支撑架（37）的底部与刚度支撑杆（36）相连接；通过连接铰一（361）将下平台（32）的顶面与刚度支撑杆（36）相连接。

7.根据权利要求4所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：上平台（31）的中部为网状辐射盘面，在网状辐射盘面的中心设置有回转安装座（313），在回转安装座（313）上设置有回转支撑（3131）和圆柱齿轮（3132）；回转支撑（3131）的内齿与圆柱齿轮（3132）的外齿啮合，圆柱齿轮（3132）带动回转支撑（3131）实现转动；

在上平台（31）的底面设置有加强筋板（312）、球铰安装座（311）和支撑架（37）；加强筋板（312）和球铰安装座（311）均为3个以上，均对称分布在上平台（31）的底面，支撑架（37）固定在上平台（31）的底面的中心位置；

通过连接铰二（362）将支撑架（37）的底部与刚度支撑杆（36）相连接；通过连接铰一（361）将下平台（32）的顶面与刚度支撑杆（36）相连接；

移动平台（1）呈n形；移动平台（1）由一个矩形顶板与两个侧板构成；在每个侧板的内侧、长度方向的端部均设有轮胎；

轮履变换机构（13）还包括主动轮（131）、从动轮（132）、减振缓冲弹簧（133）和液压缸（135）；其中，在每个侧板的外侧均设有主动轮（131）和从动轮（132）；

主动轮（131）与相邻的侧壁固定连接；减振缓冲弹簧（133）设置在侧板的外侧，位于侧板的挂钩（1331）和从动轮（132）的连接板（1332）之间；

位于同一个侧板上主动轮（131）和从动轮（132）均与一条履带（134）啮合，工作时通过主动轮（131）驱动，从而带动从动轮（132）运转，实现移动平台（1）的履带式运动；

在移动平台（1）上设有地形匹配控制系统（4）；

所述地形匹配控制系统（4）负责移动平台（1）运动过程中的地形监测和性能分析，以及和移动平台（1）、机械手（2）和并联承载装置（3）的反馈控制；

地形匹配控制系统（4）分别与移动平台（1）、机械手（2）、并联承载装置（3）相连接。

8.根据权利要求7所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：地形匹配控制系统（4）包括监测系统（41）、动态分析系统（5）、轮履变换控制器（6）和运动控制器（7）；其中，

监测系统（41）由视觉传感器（411）、姿态传感器（412）和振动传感器（413）组成；视觉传感器（411）、姿态传感器（412）和振动传感器（413）均固定在移动平台（1）上；

动态分析系统（5）、轮履变换控制器（6）和运动控制器（7）分别安装在移动平台（1）上；监测系统（41）与动态分析系统（5）进行通信，动态分析系统（5）与轮履变换控制器（6）和运动控制器（7）进行通信。

9.根据权利要求8所述的具有执行机构的智能移动设备，其特征在于：在移动平台（1）的上表面设置有导轨槽（12）；导轨槽（12）的一端为通槽，另一端为盲槽；移动平台（1）的上表面与并联承载装置（3）采用导轨副联接；

机械手（2）包含底座（21）和第一关节的驱动元件（22）；其中，机械手（2）通过底座（21）固定在回转安装座（313）上，第一关节的驱动元件（22）安装在并联承载装置（3）的内部。

10.根据权利要求9所述的具有执行机构的智能移动设备的驱动方法，其特征在于：按如下步骤进行：

步骤1：建立动态性能数据库：

由移动平台（1）与地面激励信号构建运动映射关系；

由并联承载装置（3）与机械手（2）构建姿态映射关系；

根据运动映射关系和姿态映射关系建立动态性能数据库；

步骤2：将步骤1建立的动态性能数据库嵌入到动态分析系统（5），实现数据的实时通讯；由动态分析系统（5）对采集到的信号进行处理；

步骤3：通过视觉传感器（411）检测当前路况信息，并传送给轮履变换控制器（6），确定移动平台（1）采用轮式运动模式或履带式运动模式进行运行；

步骤4：在移动平台（1）运动前，调整机械手（2）的姿态，使本智能移动设备处于平衡状态；

步骤5：视觉传感器（411）实时检测路况信息，将路况信息反馈给定轮履变换控制器（6）；通过轮履变换控制器（6）对液压缸（135）同步操作，实现移动平台（1）运动模式的转换；

步骤6：对于斜坡地面，当姿态传感器（412）实时检测移动平台（1）的倾斜角度，并反馈给动态分析系统（5）；当检测移动平台（1）的倾斜角度超过人工设定值时，由动态分析系统（5）和运动控制器（7）共同控制并联承载装置（3）实现姿态的调整。