CN110154033A - 全向移动双臂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向移动双臂机器人，包括车体、旋转升降台、激光雷达、第一机械臂、第二机械臂、相机、多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机；旋转升降台能够旋转的安装在车体顶面，激光雷达能够旋转的安装在旋转升降台的顶端，第一机械臂和第二机械臂能够上下移动的安装在旋转升降台上。本发明的有益效果：该机器人具有两个旋转自由度和垂向自由度，可以大大提高全向移动机器人的操作空间，减少作业盲区，通过双臂协作可以进行更复杂的作业任务；提高导航和定位精度，提升导航系统的可靠性和鲁棒性；提高系统的避障性能。

Description

全向移动双臂机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及的是一种全向移动双臂机器人。

背景技术

随着工业4.0和中国智造2025的不断推进，对机器人的功能和性能又提出了新的要求。移动机器人作为一种移动平台，通常有非全向移动和全向移动两种结构。非全向移动机器人一般采用两轮驱动、四轮驱动或者多轮驱动，其特点是运动学模型简单，易于控制，但是不能适用于狭隘的运动空间。全向移动机器人在工作平面内有3个自由度，一般采用三轮(omni轮)、四轮等对称安装的多驱动轮结构，轮子一般采用omni轮或者mecanum轮。全向移动机器人可以实现在狭隘空间内任意角度及半径转向、平移、直行等运动，较非全向移动机器人，具有更大的作业空间和更灵活的运动方式。但是，本体结构的特点决定全向移动机器人不能完成复杂的工作和任务，应用范围有限。

机械臂是一种具有多自由度的机器人，其作业能力强、控制精度高，被广泛应用于智慧工厂、物流分拣等领域。但是，机械臂通常固定于桌面上，这极大地限制了其操作空间和应用场所。

“一种视觉引导的全向移动双臂机器人及其全向移动方法(申请号201610606943.X)”提出了一种基于视觉引导的全向移动双臂机器人，但是该专利中将机械臂固定于垂直框体上，且采用垂直安装的方式，其工作空间依然有限，作业盲区多，而且基于视觉导航的运动系统受光线影响大，实现难度高、可测距离短，因此实际应用场景有限。

现有的技术中，在静态且简单的环境中，激光SLAM定位总体来讲优于视觉SLAM；但在较大尺度且动态的环境中，视觉SLAM因为其具有的纹理信息，表现出更好的效果。激光SLAM和视觉SLAM各擅胜场，单独使用都有其局限性，而融合使用则可能具有巨大的取长补短的潜力。

总之，现有移动双臂机器人操作方式不够灵活，作业空间有限，导航方式单一，不能满足复杂的任务和复杂的工作环境的应用需求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决全向移动双臂机器人作业空间有限、盲区多的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明公开全向移动双臂机器人，其特征在于，包括车体、旋转升降台、激光雷达、第一机械臂、第二机械臂、相机、多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机；

旋转升降台能够旋转的安装在车体顶面，激光雷达能够旋转的安装在旋转升降台的顶端，第一机械臂和第二机械臂能够上下移动的安装在旋转升降台上；

嵌入式主机、相机和激光雷达分别与工控主机电气连接；

车体、第一机械臂、第二机械臂、多个超声波传感器模块分别与嵌入式主机电气连接；

车体、旋转升降台、激光雷达、第一机械臂、第二机械臂、相机、多个超声波传感器模块、嵌入式主机、工控主机均与电源系统电性连接；

多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机均安装在车体上；

车体底部设有多个车轮，并设有多个驱动装置，驱动装置驱动连接车轮，驱动装置电性连接工控主机。

本发明中的全向移动机器人的旋转升降台处具有2个旋转自由度和垂向自由度，再通过将第一机械臂至第二机械臂沿水平方向固定在旋转升降台上，可以大大提高全向移动机器人的操作空间，减少作业盲区，通过双臂协作可以进行更复杂的作业任务；采用相机和激光雷达可以实现VSLAM和激光SLAM导航信息融合,可以有效解决导航方式的单一性问题，增加导航的适用场景，提高导航和定位精度，提升导航系统的可靠性和鲁棒性，从而可以适应更加复杂的应用环境；多个超声波传感器模块，可以解决超声波模组测距视角偏小引起的避障盲区，提高系统的避障性能。

优选的，所述车体包括上下间隔设置的顶板、底盘，顶板与底盘通过多个立杆固定连接，旋转升降台安装在顶板上，激光雷达安装在底盘上，多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机均安装在底盘上。

顶板与底盘之间构成车体上的容纳空间，使得整个装置紧凑、整齐。

优选的，所述旋转升降台包括基座、第一电机、第二电机、中空旋转平台、第一伞形齿轮、第二伞型齿轮，基座的底端安装在中空旋转平台上，第一电机驱动连接中空旋转平台，第一伞形齿轮固定在基座上，第二伞形齿轮与第一伞形齿轮啮合，第二电机安装在基座上并驱动连接第二伞形齿轮，第一电机、第二电机、舵机分别与嵌入式主机电气连接。

优选的，所述基座包括第一旋转台、第二旋转台、直线导轨、滑块，直线导轨的顶端固定在第一旋转台的底面，直线导轨的底端连接在第一伞形齿轮上，第一伞形齿轮固定在第二旋转台上，第二电机安装在第二旋转台上，滑块能够沿直线导轨移动的连接在直线导轨上，第一机械臂、第二机械臂能够转动的连接在滑块的两端。

通过第一电机驱动中空旋转平台实现基座的360°旋转，实现机械臂水平方向上的旋转运动，通过第二电机驱动连接第二伞形齿轮，进而通过第二伞形齿轮与第一伞形齿轮啮合，驱动安装在第一伞形齿轮的直线导轨旋转，带动滑块实现直线上下运动，从而实现安装在滑块上第一机械臂和第二机械臂的上下运动。

优选的，还包括两根竖直设置的导向杆、一个立板，导向杆和立板的顶端均固定在第一旋转台的底面，导向杆和立板的底端固定在第二旋转台的顶面。导向杆与立板增加基座的稳定性。

优选的，还包括舵机，所述舵机安装在第一旋转台的顶面，舵机安装在第一旋转台的顶端，舵机驱动连接相机，舵机与嵌入式主机电气连接。舵机可以实现相机的360°旋转，实现视角更广，无盲区。

优选的，所述超声波传感器模块为六个，分别安装在车体的正前方、左前方、右前方、正后方、左后方以及右后方。实现多层、多方位的信息获取。

优选的，所述车轮为全向轮，数量为四个，对称的安装在车体两侧。

优选的，所述驱动装置为四个，驱动装置为直流电机，四个驱动装置分别通过四个联轴器分别驱动连接四个全向轮。

优选的，所述相机为3D深度相机。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明中设有具有2个旋转自由度和垂向自由度的旋转升降台，再通过将第一机械臂至第二机械臂沿水平方向固定在旋转升降台上，可以大大提高全向移动机器人的操作空间，减少作业盲区，通过双臂协作可以进行更复杂的作业任务，操作灵活度高；采用相机和激光雷达可以实现VSLAM和激光SLAM导航信息融合,可以有效解决导航方式的单一性问题，增加导航的适用场景，提高导航和定位精度，提升导航系统的可靠性和鲁棒性，从而可以适应更加复杂的应用环境；多个超声波传感器模块模组，可以解决超声波模组测距视角偏小引起的避障盲区，提高系统的避障性能。

附图说明

图1是本发明实施例全向移动双臂机器人的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的左视图；

图4是图3中A处放大图；

图5是图1的俯视图。

图中标号：车体100、顶板101、底盘102、全向轮103、驱动装置104、联轴器105、

旋转升降台200、第一电机201、第二电机202、中空旋转平台203、第一伞形齿轮204、第二伞型齿轮205、第一旋转台206、第二旋转台207、直线导轨208、滑块209、导向杆210、立板211、激光雷达300、第一机械臂400、第二机械臂500、相机600、超声波传感器模块700、电源系统800、嵌入式主机900、工控主机1000、舵机1100。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

如图1、2所示，结合图3-5，本实施例全向移动双臂机器人，包括车体100、旋转升降台200、激光雷达300、第一机械臂400、第二机械臂500、相机600、多个超声波传感器模块700、电源系统800、嵌入式主机900、工控主机1000；

旋转升降台200能够旋转的安装在车体100顶面，激光雷达300能够旋转的安装在旋转升降台200的顶端，第一机械臂400和第二机械臂500能够上下移动的安装在旋转升降台200上；

嵌入式主机900、相机600和激光雷达300分别与工控主机1000电气连接；

车体100上的电机、第一机械臂400、第二机械臂500、多个超声波传感器模块700分别与嵌入式主机900电气连接；

车体100、旋转升降台200、激光雷达300、第一机械臂400、第二机械臂500、相机600、多个超声波传感器模块700、嵌入式主机900、工控主机1000均与电源系统800电性连接，均由电源系统800进行供电，实现操作；

其中，车体100包括上下间隔设置的顶板101、底盘102，顶板101与底盘102通过多个立杆或其他固定结构固定连接，顶板101、底板102根据需求进行适应性设计，旋转升降台200安装在顶板101上，激光雷达300安装在底盘102上的一端，图1中为左前端，多个超声波传感器模块700、电源系统800、嵌入式主机900、工控主机1000均安装在底盘102上，本实施例中，电源系统800安装在底盘上远离激光雷达300的位置，工控主机1000固定在电源系统800的上方，嵌入式主机900固定在底盘102大致中心的位置，本实施例仅为一种摆放方式，具体的可以根据实际情况，各部件的尺寸大小进行调整；顶板101与底盘102之间构成车体100上的容纳空间，使得整个装置紧凑、整齐。

本实施例中，车体100底部设有四个全向轮103，对称的安装在车体100两侧，并设有四个驱动装置104，驱动装置104驱动连接全向轮103，驱动装置104电性连接嵌入式主机900和电源系统800，四个驱动装置104分别通过四个联轴器105分别驱动连接四个全向轮103。驱动装置104为驱动编码器一体化直流电机，由于直接将电机输出轴和全向轮法兰连接会增加电机的轴向力，从而影响电机寿命，因此，考虑设计了一种法兰和联轴器一体化结构可以消除电机的轴向力，即将全向轮的法兰与联轴器采用现有技术加工成一体化结构。

本实施例中，第一机械臂400、第二机械臂500的结构可以采用现有技术中的结构，超声波传感器模块700、电源系统800、嵌入式主机900、工控主机1000根据工况需求择优选择其型号。所述相机600为3D深度相机，根据工况需求择优选择其型号，3D深度相机一方面可以应用于全向移动机械人在复杂运动环境中激光SLAM和VSLAM信息融合，另一方面可以应用3D深度相机的深度信息结合机械臂实现视觉抓取任务，提升机器人的智能性。

除此之外，还可以根据需求选择安装蓝牙模块、Wifi模块、电源电量显示模块，可采用现有技术中的型号与安装连接方式。

本发明中具有2个旋转自由度和垂向自由度的旋转升降台200，再通过将第一机械臂400和第二机械臂500沿水平方向固定在旋转升降台200上，可以大大提高全向移动机器人的操作空间，减少作业盲区，通过双臂协作可以进行更复杂的作业任务；采用相机600和激光雷达300可以实现VSLAM和激光SLAM导航信息融合,融合过程可有3D深度相机完成，可以有效解决导航方式的单一性问题，增加导航的适用场景，提高导航和定位精度，提升导航系统的可靠性和鲁棒性，从而可以适应更加复杂的应用环境；多个超声波传感器模块700，可以解决超声波模组测距视角偏小引起的避障盲区，提高系统的避障性能。

另外本发明仅提供支持全向移动双臂机器人的结构，其中存在的程序、电路连接、算法等为本领域根据该结构容易实现的，此处不做赘述。

实施例二：

本实施例二与实施例一的区别在于：细化了旋转升降台200的具体结构。

如图1-5所示，所述旋转升降台200包括基座、第一电机201、第二电机202、中空旋转平台203、第一伞形齿轮204、第二伞型齿轮205，其中，所述基座包括第一旋转台206、第二旋转台207、直线导轨208、滑块209，第二旋转台207安装在中空旋转平台203上，中空旋转平台203安装在顶板101上，第一电机201驱动连接中空旋转平台203，第一电机201安装在顶板101的底面上，第一伞形齿轮204固定在第二旋转台207上，第二电机202水平安装在第二旋转台207上，第二伞形齿轮205也为水平安装，第二伞形齿轮205与第一伞形齿轮204啮合，二者为正交设置，第二电机202驱动连接第二伞形齿轮205，第一电机201、第二电机202分别与嵌入式主机900电气连接，直线导轨208的顶端固定在第一旋转台206的底面，直线导轨208的底端连接在第一伞形齿轮204上，滑块209能够沿直线导轨208移动的连接在直线导轨208上，第一机械臂400、第二机械臂500能够转动的连接在滑块209的两端。

直线导轨208为导轨丝杆，滑块209能够与其螺纹配合连接，第一电机201、第二电机202均为驱控一体化步进电机。

通过第一电机201驱动中空旋转平台203实现旋转升降台200的360度的旋转，从而实现机械臂在水平方向空间的整体旋转运行，可以提升水平空间的作业能力，通过第二电机202驱动连接第二伞形齿轮205，进而通过第二伞形齿轮205与第一伞形齿轮204啮合，驱动安装在第一伞形齿轮204的直线导轨208旋转，带动滑块209实现直线上下运动，从而实现安装在滑块209上第一机械臂400和第二机械臂500的上下运动。

本实施例中，还包括两根竖直设置的导向杆210和一个立板211，立板211和导向杆210的顶端固定在第一旋转台的底面，立板211和导向杆210的底端固定在第二旋转台的顶面。导向杆210为圆柱形长杆，两根导向杆210对称设置，立板211为直板或折弯板，对称安装，立板211、导向杆210可以增加机械臂安装在滑块上的稳定性。当然除此之外，也可由电机直接带动直线导轨208旋转，或其他间接的方式带动直线导轨208旋转。

实施例三：

实施例三与实施二的区别在于：

如图1-5所示，本实施例中，还包括舵机1100，所述舵机1100安装在第一旋转台206的顶端，舵机1100驱动连接相机600，舵机1100与嵌入式主机900电气连接。舵机1100为可以实现相机600的360°旋转的伺服舵机，固定在舵机1100末端的3D深度相机的360度旋转运动，有效提高3D深度相机的取像视角，以适应更多的应用环境实。

实施例四：

在实施例三的基础上，本实施例中，所述超声波传感器模块700为六个，分别安装在车体100的正前方、左前方、右前方、正后方、左后方以及右后方，由图4所示，整个机器人在某一静止状态时，可以是中心对称的结构，可以看出，处于两端的(即正前方、正后方)的超声波传感器模块700安装在底盘102的两端，其余四个对称的安装在顶板101的四个角的位置，实现多层、多方位，避免盲区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.全向移动双臂机器人，其特征在于，包括车体、旋转升降台、激光雷达、第一机械臂、第二机械臂、相机、多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机；

旋转升降台能够旋转的安装在车体顶面，激光雷达能够旋转的安装在旋转升降台的顶端，第一机械臂和第二机械臂能够上下移动的安装在旋转升降台上；

嵌入式主机、相机和激光雷达分别与工控主机电气连接；

车体、第一机械臂、第二机械臂、多个超声波传感器模块分别与嵌入式主机电气连接；

车体、旋转升降台、激光雷达、第一机械臂、第二机械臂、相机、多个超声波传感器模块、嵌入式主机、工控主机均与电源系统电性连接；

多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机均安装在车体上；

车体底部设有多个车轮，并设有多个驱动装置，驱动装置驱动连接车轮，驱动装置电性连接工控主机。

2.根据权利要求1所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述车体包括上下间隔设置的顶板、底盘，顶板与底盘通过多个立杆固定连接，旋转升降台安装在顶板上，激光雷达安装在底盘上，多个超声波传感器模块、电源系统、嵌入式主机、工控主机均安装在底盘上。

3.根据权利要求1所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述旋转升降台包括基座、第一电机、第二电机、中空旋转平台、第一伞形齿轮、第二伞型齿轮，基座的底端安装在中空旋转平台上，第一电机驱动连接中空旋转平台，第一伞形齿轮固定在基座上，第二伞形齿轮与第一伞形齿轮啮合，第二电机安装在基座上并驱动连接第二伞形齿轮，第一电机、第二电机分别与嵌入式主机电气连接。

4.根据权利要求3所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述基座包括第一旋转台、第二旋转台、直线导轨、滑块，直线导轨的顶端固定在第一旋转台的底面，直线导轨的底端连接在第一伞形齿轮上，第一伞形齿轮固定在第二旋转台上，第二电机安装在第二旋转台上，滑块能够沿直线导轨移动的连接在直线导轨上，第一机械臂、第二机械臂能够转动的连接在滑块的两端。

5.根据权利要求4所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，还包括两根竖直设置的导向杆、一个立板，导向杆和立板的顶端均固定在第一旋转台的底面，导向杆和立板的底端固定在第二旋转台的顶面。

6.根据权利要求4所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，还包括舵机，所述舵机安装在第一旋转台的顶面，舵机安装在第一旋转台的顶端，舵机驱动连接相机，舵机与嵌入式主机电气连接。

7.根据权利要求1所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述超声波传感器模块为六个，分别安装在车体的正前方、左前方、右前方、正后方、左后方以及右后方。

8.根据权利要求1所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述车轮为全向轮，数量为四个，对称的安装在车体两侧。

9.根据权利要求8所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述驱动装置为四个，驱动装置为直流电机，四个驱动装置分别通过四个联轴器分别驱动连接四个全向轮。

10.根据权利要求1所述的全向移动双臂机器人，其特征在于，所述相机为3D深度相机。