CN108297083A - 机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂系统，包括：中控模块，用于产生操作目标的指令；视觉模块，用于接收所述指令，识别目标并实时获取所述目标的位姿信息，并将所述位姿信息输出至中控模块以确定轨迹；机械臂，用于根据所述轨迹移动，直至到达操作位置；以及触觉阵列模块，用于当所述机械臂在操作位置接触目标时，对目标进行接触式探索，将接触信息实时反馈给中控模块实现认知，同时能够实时反馈接触时的力信息，直至所述中控模块控制所述机械臂完成目标的操作。本发明的冗余机械臂触视融合系统，能够实现多传感器与机械臂的融合，充分发挥冗余机械臂灵巧操作的特性，面向多样和复杂环境，提高机械臂精细操作性、自主性以及人机协作的效率。

Description

机械臂系统

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种机械臂系统。

背景技术

机械臂系统是一类具备可编程功能、可实现多种操作的复杂机电系统，由于其可重复操作且能够在各类复杂及危险环境中灵活使用，在工业生产、加工装配、军事航天等领域中发挥着不可替代的作用。随着传感器技术的发展，机械臂系统的控制水平和智能化水平不断提升。

传感器是提升机械臂系统智能化水平的主要手段。目前，视觉传感器以其能够获取操作环境信息的优势，在感知、识别等领域应用非常广泛。然而值得注意的是，在许多环境下，通过视觉并不能准确地得到现场机械臂与环境作用的全部信息，例如机器人手爪可能会间断性地遮挡机器人的视线，使得视觉信息在操作过程中不完整；且当存在无照明、空间狭窄等视觉障碍时，视觉将无法发挥其感知识别能力，从而使得机械臂系统丧失获取环境信息的方法。

机械臂上也会使用一些力传感器，如六维力传感器、力矩传感器和压力传感器。然而关节力矩传感器和六维力传感器只能通过间接方式获取机械臂与物体的接触力情况，受到极大地受到实际运动的影响；而安装于手爪的单一压力传感器则只能反映一个点的接触力信息，对于不规则物体存在信息量不足的特点。且现存力传感器多为单一力觉反馈，缺乏对接触目标温度、硬度等形式的测量，而这些信息能够极大地提升机械臂系统的适用范围。

综上所述，依靠传统视觉与力传感器的机械臂系统已经越来越无法胜任其在各种领域中的应用，同时难以适应复杂场景和自主智能操作需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种机械臂系统，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种机械臂系统，包括：

中控模块，用于产生操作目标的指令；

视觉模块，用于接收所述指令，识别目标并实时获取所述目标的位姿信息，并将所述位姿信息输出至中控模块以确定轨迹；

机械臂，用于根据所述轨迹移动，直至到达操作位置；以及

触觉阵列模块，用于当所述机械臂在操作位置接触目标时，对目标进行接触式探索，并将接触信息实时反馈给中控模块实现认知，同时能够实时反馈接触时的力信息，直至所述中控模块控制所述机械臂完成目标的操作。

在本发明的一些实施例中，所述视觉模块包括：

全局视觉单元，用于获取所述目标的原始位姿信息，并将所述原始位姿信息输出至中控模块以确定一预定轨迹；以及

手眼视觉单元，用于在机械臂运动的过程中实时获取目标的变化位姿信息和机械臂的末端位姿，并将所述变化位姿信息和机械臂的末端位姿输出至中控模块以修正所述预定轨迹，确定修正后的轨迹。

在本发明的一些实施例中，所述全局视觉单元为可视范围为0.5-4.5m，可视水平角度为70°，可视垂直角度为60°，图像分辨率为1920×1080的深度相机；和/或

所述手眼视觉单元为基线距离为120mm，视野角度为150°，识别深度为0.5-20m的双目摄像机。

在本发明的一些实施例中，触觉阵列模块包括触觉传感阵列，用于感知所述机械臂在操作位置接触目标时所施加的力信息，该触觉传感阵列中的触觉传感单元为边长为4mm的方形单元间隔为4mm，测力范围为0～10N，测量精度为0.02N。

在本发明的一些实施例中，所述触觉阵列模块还包括扫描电路，所述扫描电路包括：

电源单元，用于为所述触觉传感阵列以及供电；

行列选择单元，用于分别对所述触觉传感阵列的各列进行扫描；

运算放大器，设置于触觉传感阵列的每一列的输出端，用于将所述触觉传感阵列每一列输出的电流信号转换成电压信号；

滤波单元，用于滤除所述电压信号中的干扰信号，确定滤波后的信号；以及

无线传输单元，用于将所述滤波后的信号输出至中控模块。

在本发明的一些实施例中，所述无线传输单元为zigbee无线传输单元、蓝牙无线传输单元、无线宽带传输单元或者超宽带传输单元。

在本发明的一些实施例中，所述中控模块包括：

识别认知单元，基于所述视觉模块与触觉阵列模块，完成操作物体及所处环境的认知与识别；

用户单元，用于产生操作目标的指令，以及根据用户的需求改变所述指令；

机械臂控制单元，基于所述指令、视觉模块与触觉阵列模块识别信息，完成机械臂的路径规划及轨迹跟踪控制，从而确定所述轨迹；

数据遥测单元，用于通过无线传输方式获取所述视觉模块输出的位姿信息、触觉阵列模块输出的力信息以及机械臂的状态；

数据同步单元，用于接收所述数据遥测单元输出的视觉模块输出的位姿信息、触觉阵列模块输出的力信息以及机械臂的状态，并产生控制所述视觉模块、机械臂和触觉传感阵列的同步信号；以及

三维仿真单元，用于建立所述机械臂的三维模型，模拟所述机械臂的移动。

在本发明的一些实施例中，所述机械臂的状态包括机械臂的末端位姿、机械臂的各个关节的角度和角速度。

在本发明的一些实施例中，所述机械臂的末端设有一线性执行器，用于实现对目标的操作。

在本发明的一些实施例中，所述机械臂为七自由度冗余机械臂。

(三)有益效果

本发明的机械臂系统，相较于现有技术，至少具有以下优点：

1、通过将中控模块和机械臂、视觉模块和触觉阵列模块结合在一起，形成冗余机械臂触视融合系统，能够实现多传感器与机械臂的融合，充分发挥冗余机械臂灵巧操作的特性，面向多样和复杂环境，提高机械臂精细操作性、自主性以及人机协作的效率，实现机械臂的精细柔顺操作。

2、视觉模块包括全局视觉单元和手眼视觉单元，能够在复杂环境中主动识别目标，并实时获取目标的原始位姿信息和变化位姿信息，并反馈至中控模块，中控模块能够在机械臂运动过程中实时获取并解算机械臂末端执行器的位姿信息，实现对机械臂位置的反馈控制。

3、触觉阵列模块包括触觉传感阵列和扫描电路，对目标进行接触式探索，并获取机械臂末端执行器与目标物体的接触时的力信息，实时反馈至中控模块，从而实现对机械臂的力反馈控制。

附图说明

图1为本发明实施例的机械臂系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的视觉模块的结构示意图。

图3为本发明实施例的触觉阵列模块的结构示意图。

图4为本发明实施例的扫描电路的结构示意图。

具体实施方式

现有技术依靠传统视觉与力传感器的机械臂系统已经越来越无法胜任其在各种领域中的应用，同时难以适应复杂场景和自主智能操作需求。有鉴于此，本发明提供了一种机械臂系统，在该机械臂系统中搭载了能够在视觉不足甚至失效时有效获取环境信息，感知和识别环境物体特征的传感子系统，同时还融入了多模态、阵列化、高密度化的传感器，能够测量多种触觉综合信息，并且反应灵敏，能够提供足够的鲁棒性和分辨率的要求，充分发挥了冗余机械臂灵巧操作的特性，面向多样和复杂环境，提高机械臂精细操作性、自主性以及人机协作的效率，实现机械臂系统的精细柔顺操作。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例的机械臂3系统的结构示意图，如图1所示，该机械臂3系统包括：中控模块1、视觉模块2、机械臂3和触觉阵列模块4。

其中，中控模块1，用于产生操作目标的指令。视觉模块2，用于接收中控模块1输出的指令，主动识别目标(包括通过目标的轮廓、颜色等来识别目标)并实时获取所述目标的位姿(包括位置和姿态)信息，并将所述位姿信息输出至中控模块1，中控模块1获取并解算该位姿信息，完成轨迹规划，从而确定轨迹，实现对机械臂的位置的反馈控制。机械臂3，用于根据视觉模块2输出的轨迹移动，直至到达操作位置。触觉阵列模块4，用于当所述机械臂3在操作位置接触目标时，对目标进行接触式探索以获取目标表面的粗糙度、硬度和表面温度等认知结果，并实时反馈力信息至中控模块1，直至所述中控模块1控制所述机械臂3完成目标的操作(例如抓取目标)，实现对机械臂的力反馈控制。如此，本发明的机械臂3系统能够通过这些模块的融合实现对目标的精确操作。

接着，就结合附图对这些模块进行详细描述。

图2为本发明实施例的视觉模块2的结构示意图，如图2所示，在本发明的一些实施例中，该视觉模块2可以包括全局视觉单元21和手眼视觉单元22，从而使得视觉模块2能够全面地获取目标的位姿信息。

全局视觉单元21，用于获取所述目标的原始位姿信息，并将所述原始位姿信息输出至中控模块1以确定一预定轨迹。全局视觉单元21可以为可视范围为0.5-4.5m，可视水平角度为70°，可视垂直角度为60°，图像分辨率为1920×1080的深度相机。

手眼视觉单元22，用于在机械臂3运动的过程中实时获取目标的变化位姿信息和机械臂3的末端位姿，并将所述变化位姿信息和机械臂3的末端位姿输出至中控模块1以修正所述预定轨迹，确定修正后的轨迹。该手眼视觉单元22可以为基线距离为120mm，视野角度为150°，识别深度为0.5-20m的双目摄像机。

在一些实施例中，图3为本发明实施例的触觉阵列模块4的结构示意图，如图3所示，触觉阵列模块4可以包括触觉传感阵列41和扫描电路42，从而获取机械臂3在接触目标时触觉传感阵列所感知到的力信息。

触觉传感阵列41，用于感知所述机械臂3在操作位置接触目标时所施加的力信息，该触觉传感阵列41中的触觉传感单元为边长为4mm的方形单元，单元间隔可以为4mm，测力范围为0～10N，测量精度为0.02N。当然，在其他实施例中，也可以根据实际情况选择与本实施例的触觉传感阵列41不同的触觉传感阵列。

图4为本发明实施例的扫描电路42的结构示意图，如图4所示，在该实施例中，扫描电路42可以包括电源单元421、行列选择单元422、运算放大器423、滤波单元424和无线传输单元425。

电源单元421(例如稳压芯片7805和电压转换芯片LTC660)，用于为触觉阵列模块4中的其他单元供电。

行列选择单元422，用于分别对所述触觉传感阵列41的各列进行扫描。行列选择单元422可以依靠常开模拟开关芯片和常闭模拟开关芯片。常开模拟开关芯片公共端接电路电源，输出接阵列NPN三极管基极，增强带负载能力。常闭的模拟开关芯片公共端接地，输出接每一行触感单元。

运算放大器423，置于触觉传感阵列41的每一列的输出端，用于将所述触觉传感阵列41每一列输出的电流信号转换成电压信号，并防止信号串扰。

滤波单元424，用于滤除所述电压信号中的干扰信号，确定滤波后的信号。

无线传输单元425，用于将所述滤波后的信号输出至中控模块1，其包括但不限于zigbee无线传输单元425、蓝牙无线传输单元425、无线宽带传输单元或者超宽带传输单元。可以理解的是，本发明选择无线传输单元425是为了防止放置有线传输时线缆的错综复杂。

扫描电路42的工作原理是通过程序控制的方式将常闭的模拟开关芯片的一路打开，将常开的模拟开关芯片的相应的那一路闭合，常开的模拟开关芯片的闭合的那一路输出为+5V，这时NPN的基极为高电平，集电极和发射极导通，那一行的电压因为NPN三极管的压降会在4.7V左右，其余的行因为常闭模拟开关芯片的作用都接地，这样可以避免行之间的干扰，为后续的精确测量打好基础。

在一些实施例中，该中控模块1可以包括识别认知单元、用户单元、机械臂控制单元、数据遥测单元、数据同步单元和三维仿真单元。

识别认知单元，基于所述视觉模块2与触觉阵列模块4，完成操作物体及所处环境的认知与识别，例如物体外围是否有阻碍物、机械臂3对该物体应该进行何种操作。

用户单元，用于产生操作目标的指令，以及根据用户的需求改变所述指令，从而进行人为干预，使得机械臂3能够根据用户的需求实现对目标的操作。

机械臂控制单元，基于所述指令、视觉模块2与触觉阵列模块4识别信息，完成机械臂3的路径规划及轨迹跟踪控制，从而确定所述轨迹。

数据遥测单元，用于通过无线传输方式获取所述视觉模块2输出的位姿信息、触觉阵列模块4输出的力信息以及机械臂3的状态，其中，机械臂3的状态主要指机械臂3的末端位姿、机械臂3的各个关节的角度和角速度。

数据同步单元，用于接收所述数据遥测单元输出的视觉模块2输出的位姿信息、触觉阵列模块4输出的力信息以及机械臂3的状态，并产生控制所述视觉模块2、机械臂3和触觉传感阵列41的同步信号。

三维仿真单元，用于建立所述机械臂3的三维模型，模拟所述机械臂3的移动。举例来说，该三维仿真单元可以建立冗余度机械臂3的1∶1三维模型，既可以预演机械臂3的运动，还可以通过反馈数据与机械臂3进行联动。

此外，还可以在机械臂3的末端设置一线性执行器，用于实现对目标的操作。在本发明实施例中，该线性执行器的最大行程为66cm，具备一个平移自由度，能够实现物体的夹持和转移。

本发明的机械臂3优选七自由度冗余机械臂3，能够更全面地控制机械臂3的操作。机械臂3由七个旋转关节组成，以串联的形式进行连接，具备空间运动七个自由度，各关节的运动范围如表1所示。

表1

关节	最小位置(°)	最大位置(°)
			1	-180	180
2	-135	135
			3	-180	180
4	-125	125
			5	-180	180
6	-115	115
			7	-170	170

综上，本发明的机械臂3系统通过将中控模块1和机械臂3、与视觉模块2和触觉阵列模块4结合在一起，形成冗余机械臂3触视融合系统，能够实现多传感器与机械臂3的融合，充分发挥冗余机械臂3灵巧操作的特性，面向多样和复杂环境，提高机械臂3精细操作性、自主性以及人机协作的效率，实现机械臂3的精细柔顺操作。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，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例而已，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 (10)

1.一种机械臂系统，包括：

中控模块，用于产生操作目标的指令；

视觉模块，用于接收所述指令，识别目标并实时获取所述目标的位姿信息，并将所述位姿信息输出至中控模块以确定轨迹；

机械臂，用于根据所述轨迹移动，直至到达操作位置；以及

触觉阵列模块，用于当所述机械臂在操作位置接触目标时，对目标进行接触式探索，并将接触信息实时反馈给中控模块实现认知，同时能够实时反馈接触时的力信息，直至所述中控模块控制所述机械臂完成目标的操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述视觉模块包括：

全局视觉单元，用于获取所述目标的原始位姿信息，并将所述原始位姿信息输出至中控模块以确定一预定轨迹；以及

手眼视觉单元，用于在机械臂运动的过程中实时获取目标的变化位姿信息和机械臂的末端位姿，并将所述变化位姿信息和机械臂的末端位姿输出至中控模块以修正所述预定轨迹，确定修正后的轨迹。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述全局视觉单元为可视范围为0.5-4.5m，可视水平角度为70°，可视垂直角度为60°，图像分辨率为1920×1080的深度相机；和/或

所述手眼视觉单元为基线距离为120mm，视野角度为150°，识别深度为0.5-20m的双目摄像机。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，触觉阵列模块包括触觉传感阵列，用于感知所述机械臂在操作位置接触目标时所施加的力信息，该触觉传感阵列中的触觉传感单元为边长为4mm的方形单元间隔为4mm，测力范围为0～10N，测量精度为0.02N。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述触觉阵列模块还包括扫描电路，所述扫描电路包括：

电源单元，用于为所述触觉传感阵列以及供电；

行列选择单元，用于分别对所述触觉传感阵列的各列进行扫描；

运算放大器，设置于触觉传感阵列的每一列的输出端，用于将所述触觉传感阵列每一列输出的电流信号转换成电压信号；

滤波单元，用于滤除所述电压信号中的干扰信号，确定滤波后的信号；以及

无线传输单元，用于将所述滤波后的信号输出至中控模块。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述无线传输单元为zigbee无线传输单元、蓝牙无线传输单元、无线宽带传输单元或者超宽带传输单元。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述中控模块包括：

识别认知单元，基于所述视觉模块与触觉阵列模块，完成操作物体及所处环境的认知与识别；

用户单元，用于产生操作目标的指令，以及根据用户的需求改变所述指令；

机械臂控制单元，基于所述指令、视觉模块与触觉阵列模块识别信息，完成机械臂的路径规划及轨迹跟踪控制，从而确定所述轨迹；

数据遥测单元，用于通过无线传输方式获取所述视觉模块输出的位姿信息、触觉阵列模块输出的力信息以及机械臂的状态；

数据同步单元，用于接收所述数据遥测单元输出的视觉模块输出的位姿信息、触觉阵列模块输出的力信息以及机械臂的状态，并产生控制所述视觉模块、机械臂和触觉传感阵列的同步信号；以及

三维仿真单元，用于建立所述机械臂的三维模型，模拟所述机械臂的移动。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述机械臂的状态包括机械臂的末端位姿、机械臂的各个关节的角度和角速度。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械臂的末端设有一线性执行器，用于实现对目标的操作。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械臂为七自由度冗余机械臂。