CN108748079A - 一种移动机械臂、控制实现方法及其遥控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机械臂、控制实现方法及其遥控系统，其包括机械臂和移动底盘，所述机械臂设置在所述移动底盘上，所述移动底盘上设置有：主控制器；驱动模块，连接所述主控制器，用于在所述主控制器的作用下控制所述移动底盘和机械臂的运动；无线通信模块，连接所述主控制器，用于与遥控装置无线连接。本发明移动机械臂及其遥控系统由于采用了设置在移动底盘上的机械臂，实现了对家庭服务的范围扩展，方便了对机械臂的应用，同时采用现有常见的部件组装，控制了其成本，能够极大地适应家庭市场需求。

Description

一种移动机械臂、控制实现方法及其遥控系统

技术领域

本发明涉及一种智能机械领域，尤其涉及一种移动机械臂、控制实现方法及其遥控系统的改进。

背景技术

近年来，随着机器人技术的迅猛发展，许多机器人进入教育、餐饮、零售、工业制造等各个领域中。

现有技术中，机器人在教育领域中目标人群是低幼儿或中小学生，通过组装、搭建、和运行机器人来对低幼儿或中小学生的教学，例如用于协助小学生完成游戏、互动交流、制作机器人模型或操作机器人来培养孩子的对科技的兴趣。

然而，上述机器人由于功能简单、单一且精密度低，所以无法满足大学生对机器人的高要求，且无法满足高校对高等教育的要求。目前，在移动机械臂教育方面的应用是，在机器人教育方面的产品的结构主要是模块拼接式，总体比较简单，偏向于低龄化，简单化。

在高端机器人教育领域尚无成熟产品，现有其他机器人控制不方便，操控运动不灵活。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动机械臂及其遥控系统，针对现有技术的高校教育要求，提供针对性的解决方案，实现移动机械臂，适应高校需求，以实现运动控制灵活，控制更方便的技术目的。

本发明的技术方案包括：

一种移动机械臂，其中，包括：机械臂和移动底盘，所述机械臂设置在所述移动底盘上，所述移动底盘上设置有：

主控制器；

驱动模块，连接所述主控制器，用于在所述主控制器的作用下控制所述移动底盘和所述机械臂的运动；

无线通信模块，连接所述主控制器，用于与遥控装置无线连接。

所述的移动机械臂，其中，所述移动底盘上还设置有用于惯性导航的陀螺仪结构，以及，用于避障的红外传感器、超声波传感器或碰撞开关。

所述的移动机械臂，其中，所述机械臂包括用于控制执行端运动的控制电路，所述控制电路与所述主控制器电连接。

所述的移动机械臂，其中，所述机械臂包括底座，所述控制电路安装于所述底座内，所述底座上设有连接至所述控制电路用于数据交换的接口。

所述的移动机械臂，其中，所述移动底盘上设有可供所述底座置入的固定槽。

所述的移动机械臂，其中，所述驱动模块包括设置在所述移动底盘上的驱动电机，用于对应驱动每一设置在所述移动底盘上的底轮，所述驱动电机采用直流微型马达，并设置具有磁编码器，用于根据驱动信息反馈所述驱动电机的位置从而得出速度和加速度，方便进行闭环控制。

一种所述移动机械臂的控制实现方法，其包括以下步骤：

A、所述主控制器通过所述无线通信模块接收所述遥控装置的数据，并判断是否是所述移动底盘数据；

B、如果是所述移动底盘数据，则发送给所述移动底盘，并由所述驱动模块根据相应控制数据控制底轮的转动；如果是位置速度，则将打包数据发送给所述机械臂的各控制单元。

所述的控制实现方法，其中，所述步骤B中的所述移动底盘数据处理还包括以下步骤：

B1、计算目标速度；

B2、计算反馈速度；

B3、进行比例积分微分控制PID运算；

B4、输出PWM信号给底轮的所述驱动电机控制单元。

一种移动机械臂遥控系统，其中，包括任一所述的移动机械臂，所述移动机械臂通过一遥控装置无线连接受控制，所述遥控装置用于向所述移动机械臂发送控制指令以控制所述移动机械臂及移动底盘的运动。

所述的移动机械臂遥控系统，其中，所述遥控装置采用游戏手柄或航模遥控器，并在所述遥控装置上同时设置对所述机械臂和所述移动底盘的不同控制按键组。

本发明所提供的一种移动机械臂及其遥控系统，由于采用了设置在移动底盘上的机械臂，实现了对高校教育的范围扩展，方便了对机械臂的应用，同时采用现有常见的部件组装，控制了其成本，能够极大地适应高校教育市场需求。

附图说明

图1为本发明一实施例中移动机械臂的系统组成示意图。

图2为本发明一实施例中遥控器示意图。

图3为本发明一实施例硬件模块结构示意图。

图4为本发明一实施例移动机械臂及其遥控系统的控制流程示意图。

图5和图6为本发明一实施例所述移动机械臂的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的移动机械臂及其遥控系统一实施例加以详细说明。

本发明所述移动机械臂及其遥控系统，主要是针对高校教育需求，降低成本和提升机械臂多功能性和精确性，以满足高校教育的高端机器人开发人群需要特点。移动机械臂具备全向移动、快速移动、遥控等功能，由dobot2.0机械臂，三轮全向底盘，无线游戏手柄等部件组成，具备可充电电池，采用模块化设计，方便进行维修替换。本发明所述移动机械臂作为一个整体工作装置，也可以应用于家庭使用需求，形成较为先进的家用智能机器人，所述移动机械臂可以用来做些替代性工作，例如捡拾整理物品等。

该移动机械臂采用桌面级机械臂，包括可以受控制被驱动的多轴机械臂110，如图1所示，例如可以三轴，其驱动需通过预先编程设计实现各种所需的功能。这种桌面级机械臂的成本低，控制方便，并且实现多功能性适用于高校教育。所述机械臂设置在一移动底盘上，在所述移动底盘上设置有电路功能模块，其中包括主控制器和驱动模块，所述驱动模块连接所述主控制器，用于在所述主控制器的作用下控制所述移动底盘和机械臂的运动；同时设置有无线通信模块，连接所述主控制器，用于与遥控装置无线连接，以实现对所述移动机械臂和移动底盘的操控。

本发明所述移动机械臂设置在所述移动底盘120上，如图1所示，该移动底盘120底部设置有底轮121，所述底轮121设置采用受控可多向移动的底轮结构，底轮可以设置为三个或四个，并采用麦克纳姆轮；所述底轮121中通过轮子进行差速转向，以便受控进行转向移动。麦克纳姆轮是在轮面上设置多个斜向触地的小滚轮，小滚轮的作用是可以在与大轮移动方向垂直的方向上移动，即横向移动，但因为小滚轮不能快速移动，横向移动只是用来调整位置，大轮滚动方向还是所述移动底盘120的主要移动方向。

因此，为实现任意自由的移动，本发明所述移动机械臂及其遥控系统中，所述底轮121也可以采用普通的脚轮，而通过轮轴上的转向机构实现转向移动，只是这种移动方式需要转弯半径，并不能如采用麦克纳姆轮方式可以实现平移。在本发明所述移动机械臂中设置了相应的控制系统，并且驱动方式在驱动程序界面中设置有开关，可以转换成普通轮的控制方式，或者采用麦克纳姆轮的控制方式。

所述麦克纳姆轮控制方式是指所述底轮121前进和横移方向的速度均会传入主控制器，将所述底轮121的速度分解算法分解到四个对应的驱动电机，完成所述底轮121的前进后退和左右平移。所述普通轮控制方式是指所述底轮121横移方向的速度会被直接设置为0，只有前进方向的速度才会输入到主控制器中，主控制器接收到速度信息后按照同样的速度分解算法分解到四个驱动电机，即可以让所述底轮121在普通轮模式下运动。

在采用麦克纳姆轮控制方式时，由于轮面上的小滚轮在大轮转动过程中与地面的接触并不平滑，会导致所述移动底盘120的震颤，振动幅度和频率与所述移动底盘120的移动速度和小滚轮的尺寸以及分布密度有关，因此为防止移动底盘的过于震颤，和保证所述移动机械臂的正常操作，在所述底轮121与所述移动底盘120的底板之间，还设置有避震系统。这些避震系统和转向系统的结构为现有技术所熟知实现方式，因此不再赘述。

在本发明的其中一个实施例中，所述移动底盘120须采用平板承载的底板结构，而底轮121就装配在所述底板上，可以设置为三个或四个，甚至更多，以实现对所述移动底盘120的移动支撑。

本发明所述移动机械臂其中一个实施例中，如图5和图6所示，所述移动底盘120设置采用一盒体结构，并可以在盒体结构底部设置一底部承载板，在盒体内设置有相应的主控电路，在对应位置设置有具有底轮121的安装位置123，具体的可以根据需要设置为三个或四个，如图5和图6所示为底轮121采用的是麦克纳姆轮。在所述盒体结构上还设置有显示单元，也可以通过其他外部设备进行显示，在所述盒体结构上还设置有一用于固定所述机械臂110底部底座111的固定槽124，较好的是设置所述底座111和所述固定槽124为对应的方形，从而能够形成稳固固定，并可以辅助以螺栓或卡扣结构固定，这种固定槽124也同时方便了对所述机械臂110的拆卸更换。

本发明一实施例的机械臂具备三个关节（即驱动轴向），并具有牢靠的臂结构；设置具有开放的控制接口，用户可以利用开发接口对机械臂进行控制。同时末端夹持机构有多种选择，可以是吸盘、激光、夹子等等部件，同样也可以通过开发接口进行控制。在本发明所述机械臂的控制系统中，还设置有可编程控制单元，用户可以通过可编程控制单元进行编程，系统中设置打开了相应的编程控制接口，通过编辑复杂的程序，让机器人完成各种各样的任务，由于本发明机械臂精确性高，可以完成激光雕刻等任务。

本发明一实施例的所述移动底盘具备全向移动、受控接收、机械臂控制等功能，其中主控制器为stm32高性能控制芯片，可以实现4路码盘信号采集，若干PWM输出通道，可以对移动底盘底轮的驱动电机进行闭环控制；所述驱动模块包括底盘上的对应底轮之驱动电机，该驱动电机采用的是直流微型马达，带磁编码器，可以通过驱动控制电路的处理，根据驱动信息反馈电机此时的位置，进一步可以得出速度和加速度，方便进行响应进行闭环控制；所述驱动器采用的是模块化产品，稳定可靠，兼容5v和3.3v输入，线性度良好。

本发明还提供了一移动机械臂遥控系统，对应采用上述各实施例的机械臂方案，所述遥控系统包括了遥控装置，用来通过无线通信模块与主控制器和驱动模块通信连接。如图1和图2所示，其遥控器130还设置采用了游戏手柄来实现遥控控制，利用游戏手柄的遥控技术和遥控编码，在所述主控制器的控制下，接受在游戏手柄上的操控该指令，通过预先对机械臂和移动底盘的不同组控制按键，实现对机械臂和移动底盘的同时控制。

例如图2所示的，在左上侧的上按键131设置为机械臂的X轴方向移动驱动，右按键132设置为机械臂的Y方向移动驱动按键，下按键133设置为机械臂的Z方向移动驱动按键；右侧的四个按键134用来控制机械臂端部的开合。所述游戏手柄的下方两个按键中，左侧按键135用来控制底盘旋转，并且以按键的上下左右摇动分别控制底盘的旋转方向，右侧按键136用来控制底盘的X移动方向或Y移动方向，也是通过摇动按键的上下左右来控制。

在本发明一个实施例的遥控系统中，可以通过切换控制模式，以使同样的按键可以完成不同的控制功能：在底盘控制模式下，摇杆可以完成底盘的运动控制；在手臂模式下，摇杆可以完成机械臂的控制。模式切换开关是遥控器上的某个按键，以方便切换使用。

采用游戏手柄或航模遥控器设置的遥控器方式，容易让熟悉游戏手柄或航模遥控器的用户群根据喜好选择熟悉的控制方式，较佳的，兼容sbus格式通信的航模遥控器，移动机械臂可以自动识别是游戏手柄还是航模遥控器，而且采用游戏手柄的产品配件，其市场成本大大降低。当然，本发明遥控器也可以采用其他形式的遥控器方式，而不限于游戏手柄。

本发明一实施例的所述移动机械臂及其遥控系统中，其工作过程如图3所示，包括：主控制器140接收到遥控装置即所述遥控器130的数据，将数据划分为底盘控制部分和机械臂控制部分，分别向不同的控制通道发送相应数据；底盘控制部分直接转化为底盘的控制量，机械臂控制部分则通过开发接口协议传输给所述机械臂110的关节驱动轴电机，实现机械臂和底盘的协调控制。如图3所示，所述主控制器140设置在移动底盘上，其控制主芯片上设置有用多个控制接口，分别用来控制连接所述遥控器130和对所述机械臂110的控制数据输出，同时设置了对移动底盘的各个底轮的独立控制接口和通道，其向底轮的驱动电机141不仅发送驱动参数，同时还通过PWM驱动控制方式向每个驱动电机的驱动单元142发送驱动信号，经过所述驱动单元142的驱动，以使电机能够正常工作。使同一按键可以在不同控制部分情况下完成不同功能。例如，在底盘控制部分下，一按键可以完成底盘的运动控制；在机械臂控制部分，同一按键可以完成机械臂的控制。

本发明移动机械臂及其遥控系统的一实施例产品中，可以实现的工作参数包括：室内无线遥控距离15m，连续运作时间0.5h，底盘速度1m/s，机械臂末端精度0.2mm的性能，可通过吸盘吸取小件物品，具备娱乐性、教育性，即使用户编辑的复杂的编程，也能完成规定任务。

本发明所述移动机械臂及其遥控系统一实施例中，其控制系统硬件由如下部分组成：

主控制器：stm32f103核心板，片上资源丰富，具有多路码盘采集通道和PWM输出通道，满足全向底盘的电机控制需求。

驱动模块：电机驱动单元，大功率直流电机驱动模块，具有PWM调速、正反转控制、5v输出、ESD防护等功能，采用半桥驱动芯片，稳定可靠，使用原装进口的大功率MOS管，驱动能力非常强。

电机：采用微型直流电机作为底盘驱动，电机带有码盘反馈，可以检测电机当前位置，获得电机速度等等。

如图4所示，是本发明所述移动机械臂及其遥控系统的驱动控制实现方法的流程示意图，在系统初始化后，主控制器通过无线通信模块接受无线遥控器即手柄的控制数据，由于无效遥控器上设置有对应对不同部分的控制按键或旋钮，用来控制机械臂的工作如方位和移动以及夹持与否等，以及，对底盘的运动控制如前进方向、距离和时间等，主控制器在接受到遥控器的数据后，须进行判断是否是底盘数据，如果是则发送給底盘，并相应依此计算目标速度，计算反馈速度，进行PID（Proportional-Integral-Differential control：比例积分微分控制）运算，输出PWM信号給驱动单元，用来控制相应的驱动电机工作，用来通过驱动马达控制对应的底轮工作，从而整体实现整个机械臂底盘的移动，由相应驱动模块根据相应控制数据控制所述底轮的转动；如果判断为不是底盘数据，则是计算位置速度等信息，并打包所有的驱动控制数据，发送給机械臂的各控制单元。

如图4所示，本发明所述步骤B中，底盘数据处理的过程还包括以下步骤：B1、计算目标速度；B2、计算反馈速度；B3、进行比例积分微分控制PID运算；B4、输出PWM信号給底轮的驱动电机控制单元。由此可以实现本发明所述底盘的运动控制，其控制反应更为灵活。

本发明所述移动机械臂遥控系统一实施例中，所述移动机械臂与游戏手柄的通信过程如下：

通信模块采用游戏手柄2.4G无线射频通信，可以保证数据传输的稳定可靠，有效传输距离达到15m以上。游戏手柄端具有16个通道，完全满足移动机械臂的控制需求，其中部分通道用于控制移动底盘，部分通道用于控制机械臂，剩余的通道闲置，在必要功能扩展时再进行使用。

与机械臂的通信：

与机械臂的通信物理层采用了UART接口，应用层通过机械臂API接口对其进行控制，可以控制机械臂沿着XYZ方向运动，也可以单独控制机械臂的每一个关节运动，还可以控制机械臂末端的夹持装置开合。

人机交互：

用户可以通过游戏手柄或航模遥控器实现移动底盘和机械臂的联动，以及增加上位机，实现实时显示移动底盘的3D轨迹，使得操作更为直观；通过游戏手柄或航模遥控器可以使所需操作更加清楚，在控制过程中可以同时控制移动底盘和机械臂的前后左右移动。针对某些固定的情况，例如可以预先设定流程，例如路线和动作，也可以在日常使用中通过人工控制进行操作，同时，对于预先的设定过程，也可以通过人工控制操作流程进行记录，由主控依照预先设定的时间和程序驱动机械臂的移动和操作。

在本发明所述机械臂的移动底盘上，还可以设置GPS定位系统，从而使系统的操作范围更宽，操控更加精确。为实现所述移动底盘运动的精确性，所述移动底盘上还可设置有陀螺仪，用来做陀螺仪导航。本发明所述机械臂及移动底盘上的各模块，包括底轮、机械臂等各部件都采用模块化的设计方式，从而可以方便对损坏部件的更换。所述移动底盘和所述机械臂可以随时拆分，底盘可以单独使用，机械臂也可以单独使用，二者合起来也可以一起使用。

此外，在所述底盘上还可以设置摄像头等，从而可以形成自动识别系统，以便在其移动过程中实现避障；避障也可以采用红外传感器或超声波传感器或者碰撞开关；在移动底盘上还可以设置云台结构，以便摄像更加稳定，从而可以设置成跟随功能，与GPS系统相配合，可以实现对自己位置的定位和信息收发。

本发明所述移动机械臂及其遥控系统的主要特点是能够提供一种用于高校教育的移动机械臂，其多功能性，安全性，精确性能够满足高校教育所用机器人的要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动机械臂，其特征在于，包括：机械臂和移动底盘，所述机械臂设置在所述移动底盘上，所述移动底盘上设置有：

主控制器；

驱动模块，连接所述主控制器，用于在所述主控制器的作用下控制所述移动底盘和所述机械臂的运动；

无线通信模块，连接所述主控制器，用于与遥控装置无线连接。

2.根据权利要求1所述的移动机械臂，其特征在于，所述移动底盘上还设置有用于惯性导航的陀螺仪结构，以及，用于避障的红外传感器、超声波传感器或碰撞开关。

3.根据权利要求1所述的移动机械臂，其特征在于，所述机械臂包括用于控制执行端运动的控制电路，所述控制电路与所述主控制器电连接。

4.根据权利要求3所述的移动机械臂，其特征在于，所述机械臂包括底座，所述控制电路安装于所述底座内，所述底座上设有连接至所述控制电路用于数据交换的接口。

5.根据权利要求4所述的移动机械臂，其特征在于，所述移动底盘上设有可供所述底座置入的固定槽。

6.根据权利要求1所述的移动机械臂，其特征在于，所述驱动模块包括设置在所述移动底盘上的驱动电机，用于对应驱动每一设置在所述移动底盘上的底轮，所述驱动电机采用直流微型马达，并设置具有磁编码器，用于根据驱动信息反馈所述驱动电机的位置从而得出速度和加速度，方便进行闭环控制。

7.一种如权利要求1所述移动机械臂的控制实现方法，其包括以下步骤：

A、所述主控制器通过所述无线通信模块接收所述遥控装置的数据，并判断是否是所述移动底盘数据；

B、如果是所述移动底盘数据，则发送给所述移动底盘，并由所述驱动模块根据相应控制数据控制底轮的转动；如果是位置速度，则将打包数据发送给所述机械臂的各控制单元。

8.根据权利要求7所述的控制实现方法，其特征在于，所述步骤B中的所述移动底盘数据处理还包括以下步骤：

B1、计算目标速度；

B2、计算反馈速度；

B3、进行比例积分微分控制PID运算；

B4、输出PWM信号给所述底轮的驱动电机控制单元。

9.一种移动机械臂遥控系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一所述的移动机械臂，所述移动机械臂通过一遥控装置无线连接受控制，所述遥控装置用于向所述移动机械臂发送控制指令以控制所述移动机械臂及所述移动底盘的运动。

10.根据权利要求9所述的移动机械臂遥控系统，其特征在于，所述遥控装置采用游戏手柄或航模遥控器，并在所述遥控装置上同时设置对所述机械臂和所述移动底盘的不同控制按键组。