CN110625622A - 基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台 - Google Patents

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胡佳文
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Abstract

本发明属于机器人领域，提供一种基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台，包括AGV小车、蛇形机械臂和末端执行元件，所述AGV小车上安装有旋转台和气泵，旋转台通过电机带动旋转，旋转台上安装有支撑臂，支撑臂与握柄连接，握柄另一端通过撑杆和气缸安装在支撑臂上，握柄可通过撑杆的推动实现俯仰运动，握柄一端与气泵通过供气软管相连，为蛇形机械臂系统提供动力，握柄上安装有电机，电机上设有主动齿轮，主动齿轮与固连在气压控制器上的从动齿轮相啮合，当电机接收到指令时，可使蛇形机械臂以握柄为轴线旋转，所述末端执行元件包括末端安装架、照明灯、复眼相机和机械爪。本发明可自主运行进行地下管廊三维场景采集。

Description

基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台。
背景技术
按照《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2015的规定，管廊监控与报警系统宜分为环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统和统一管理信息平台等。而各类系统建设的离不开管廊本体及周边环境的基础数据信息。信息需求决定了数据采集的需求。通过综合分析管廊信息化建设的需求，需要采集管廊本体信息，包括管廊的走向、空间、坡向等基本信息，是管廊内部的地形图数据信息。
现有的地下管廊的监测通常是安装摄像头，工作人员通过观看视频来进行地下管廊的日常维护，但由于摄像头只能观察到一个局部位置或一个局部范围，难以观察到整体状况，更难以调度到局部问题或故障工位；如要全面监控上百层管路和上千公里的管廊，需要布置大量摄像头，即使是采用多屏观察技术，也会由于摄像头太多，无法常态观察。
现有的静态扫描仪需要事先进行导线布设，然后在布设的已知点上进行一站一站的扫描，处理数据时需要拼接点云，效率比较低。
现有的刚性结构的机械臂对环境的适应能力较差，在狭小和复杂环境的行动受到限制，约束了刚性机器人在某些领域的应用。
目前仿人机械臂的驱动装置主要采用电机与减速机构配合的方案，机器人的多自由度运动采用的是多电机联动实现，从而大大增加了机器人重量，降低了安全性，也使得传动机构更加复杂化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种可自主运行、可控制末端位置和整体姿态的基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台，包括AGV小车、蛇形机械臂和末端执行元件，所述AGV小车上安装有旋转台和气泵，旋转台通过电机带动旋转，实现本云台的第一个自由度，旋转台上安装有支撑臂，支撑臂与握柄连接，握柄另一端通过撑杆和气缸安装在支撑臂上，握柄可通过撑杆的推动实现俯仰运动，实现本云台的第二个自由度，握柄一端与气泵通过供气软管相连，为蛇形机械臂系统提供动力，握柄上安装有电机，电机上设有主动齿轮，主动齿轮与固连在气压控制器上的从动齿轮相啮合，当电机接收到指令时，可使蛇形机械臂以握柄为轴线旋转，实现本云台的第三个自由度。所述末端执行元件包括末端安装架、照明灯、复眼相机和机械爪，末端安装架安装在蛇形机械臂的末端，末端安装架上安装有复眼相机、照明灯和机械爪，复眼相机用于监测及采集三维场景信息，照明灯在黑暗环境中照明使用，机械爪可夹持各种工具应对一些简单的突发问题。
在上述技术方案中，所述蛇形机械臂由三段独立的驱动单元串联而成，第一段由六条McKibben气动人工肌肉构成，并安装在气压控制器上，McKibben气动人工肌肉是由外部包裹编织网的橡胶管和两端的接头连接构成，充气后可以实现轴向的收缩和径向的伸张它作为一种新型的拉伸气动执行元件，其力/长度特性和运动方式与生物肌肉相似，其初始拉伸力很大，随着收缩运动的进行，拉力逐渐减小，能够平稳地到达目标位置。McKibben气动人工肌肉内部设置有螺旋布置的供气管，为第二、第三段的蛇形机械臂提供动力，在这六条McKibben气动人工肌肉中间分布有若干个保持架一，其目的是使McKibben气动人工肌肉在伸缩时能够保持相对的位置；第二段与第一段结构相同，第二段与第一段之间通过连接板一组合在一起，第三段由三条McKibben气动人工肌肉构成，这三条McKibben气动人工肌肉之间布置有若干个保持架二，第三段与第二段之间通过连接板二组合在一起，在连接板一和连接板二上分布均布有3个红外测障传感器，用于检测障碍和实现在不可视的情况下自动运行。蛇形机械臂的每一段均可通过McKibben气动人工肌肉的伸缩来实现X、Y轴的弯曲和纵向伸长三个自由度的运动，因此蛇形机械臂共有9个自由度，连同蛇形机械臂基座的三个自由度，本云台共可实现12个自由度的运动。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1.本发明以AGV小车为基础，可通过自身的电磁或光学等自动导引装置，沿规定的导引路径行驶，从而实现自动采集三维场景信息；
2.本发明共有12个自由度，使其能够在末端保持不变的情况下，蛇形机械臂通过在流行内的变动满足各种二次目标，如规避奇异位形、躲避障碍等；
3.本发明中的蛇形机械臂通过多跟气动人工肌肉，控制每根肌肉的长短，实现弯曲动作，结构简单，可靠性强，具有一定的柔性，形成的弯曲弧度均匀，重量轻；
4.本发明在保持架及蛇形机械臂末端均布置有红外测障传感器，可以此测量机械臂至障碍物的距离，并进行躲避。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中蛇形机械臂的结构示意图。
图3为本发明实施例中人工肌肉的内部示意图。
其中：1.AGV小车；2.气泵；3.供气软管；4.旋转台；5.支撑臂；6.气缸；7.撑杆；8.握柄；9.电机；10.从动齿轮；11.主动齿轮；12.气压控制器；13.McKibben气动人工肌肉；14.供气管；15.保持架一；16.红外测障传感器；17.连接板一；18.连接板二；19.保持架二；20.末端安装架；21.照明灯；22.复眼相机；23.机械爪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的其中一个实施例，而不是全部的实施例。
如图1至图3所示，本实施例提供一种基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台，包括AGV小车、冗余机械臂和三维场景采集设备。
所述AGV小车1上安装有旋转台4和气泵2，旋转台4能够通过电机带动旋转，实现本云台的第一个自由度，旋转台4上安装有支撑臂5，支撑臂5与握柄8连接，握柄8另一端通过撑杆7和气缸6安装在支撑臂5上，握柄8可通过撑杆7的推动实现俯仰运动，实现本云台的第一个自由度；握柄8一端与气泵2通过供气软管3相连，为蛇形机械臂提供动力，握柄8上安装有电机9，电机9上带有主动齿轮11，主动齿轮11与固连在气压控制器12上的从动齿轮10相啮合，当电机9接收到指令时，可使蛇形机械臂以握柄8为轴线旋转，实现本云台的第三个自由度。
所述蛇形机械臂由三段独立的驱动单元串联而成，第一段由六条McKibben气动人工肌肉13构成，并安装在气压控制器12上，McKibben气动人工肌肉13内部设置有螺旋布置的供气管14，为第二、第三段的蛇形机械臂提供动力；在这六条McKibben气动人工肌肉13中间分布有若干个保持架一15，其目的是使McKibben气动人工肌肉13在伸缩时能够保持相对的位置；第二段与第一段结构相同，第二段与第一段之间通过连接板一17组合在一起，第三段由三条McKibben气动人工肌肉13构成，这三条McKibben气动人工肌肉13之间布置有若干个保持架二19，第三段与第二段之间通过连接板二18组合在一起。在连接板一17和连接板二18上分布均布有3个红外测障传感器16，用于检测障碍和实现在不可视的情况下自动运行。蛇形机械臂的每一段均可通过McKibben气动人工肌肉13的伸缩来实现X、Y轴的弯曲和纵向伸长三个自由度的运动，因此蛇形机械臂模块共有9个自由度，连同蛇形机械臂基座的三个自由度，本云台共可实现12个自由度的运动。
所述末端执行元件包括末端安装架20、照明灯21、复眼相机22和机械爪23。其中末端安装架20安装在蛇形机械臂的末端，末端安装架20上安装有复眼相机22、照明灯21和机械爪23，复眼相机22用于监测及采集三维场景信息，照明灯21在黑暗环境中照明使用，机械爪23可夹持各种工具应对一些简单的突发问题。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，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、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台，其特征在于：包括AGV小车、蛇形机械臂和末端执行元件，所述AGV小车上安装有旋转台和气泵，旋转台通过电机带动旋转，旋转台上安装有支撑臂，支撑臂与握柄连接，握柄另一端通过撑杆和气缸安装在支撑臂上，握柄一端与气泵通过供气软管相连，为蛇形机械臂系统提供动力，握柄上安装有电机，电机上设有主动齿轮，主动齿轮与固连在气压控制器上的从动齿轮相啮合，使蛇形机械臂以握柄为轴线旋转，所述末端执行元件包括末端安装架、照明灯、复眼相机和机械爪，末端安装架安装在蛇形机械臂的末端，末端安装架上安装有复眼相机、照明灯和机械爪。
2.根据权利要求1所述的基于蛇形机械臂的地下管廊三维场景采集云台，其特征在于：所述蛇形机械臂由三段独立的驱动单元串联而成，第一段由六条McKibben气动人工肌肉构成，并安装在气压控制器上，McKibben气动人工肌肉内部设置有螺旋布置的供气管，为第二、第三段的蛇形机械臂提供动力，在这六条McKibben气动人工肌肉中间分布有若干个保持架一，第二段与第一段结构相同，第二段与第一段之间通过连接板一组合在一起，第三段由三条McKibben气动人工肌肉构成，这三条McKibben气动人工肌肉之间布置有若干个保持架二，第三段与第二段之间通过连接板二组合在一起，在连接板一和连接板二上分布均布有3个红外测障传感器，蛇形机械臂的每一段均可通过McKibben气动人工肌肉的伸缩来实现X、Y轴的弯曲和纵向伸长三个自由度的运动。
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