CN112548982A - 一种自动搬运机器人装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自动搬运机器人装置及其驱动方法，包括车型底座、六自由度机械臂和控制器；还包括置于所述六自由度机械臂底部的自稳云台，所述自稳云台包括上层圆盘和所述中层圆盘之间安装单轴陀螺稳定器以及转动电机，所述底层圆盘与所述车型底座连接固定；所述控制器设于车型底座上，用于控制车型底座和六自由度机械臂的工作。通过车型底座的移动和机械臂的夹装，实现物体的搬运，运用手机软件控制，简单方便；采用单轴陀螺稳定器，保持整个装置在运动过程中保持稳定，不干扰车型底座的移动。采用双目摄像头与激光雷达，通过两者传输的数据，控制器计算出最佳方案，实现完美避障，做到智能化搬运。

Description

一种自动搬运机器人装置及其驱动方法

技术领域

本申请涉及机器人领域，具体是一种自动搬运机器人装置及其驱动方法。

背景技术

机器人的应用，对国防、社会都有着重大意义，近几年，随着智能材料的应用以及传感器技术的发展，机器人的发展更加多元化、智能化以及普及化。目前市场上流行的主要为服务型机器人以及娱乐休闲式机器人，而能代替人力的机器人的功能性机器人，如实现物体搬运以及打包等功能的机器人，虽然市场需求较大，但是由于技术与成本原因，该类型机器人尚且处于研发试用阶段，并未投入大批量生产，普遍的搬运机器人通常只用于海关以及大型工厂。在其他领域应用较少。

近期，新型冠状病毒的肆虐给经济、医疗以及普通人的正常生活都造成了巨大的影响，尤其是医疗领域。医院较为特殊，人员较多，需要频繁运输药物等用品。目前这些的物资普遍都是由医院护工用推车靠人力拉入医院。且医院每天产生的医疗垃圾同样需要清理，医院在处理这些医疗垃圾时，也往往采用人工方式处理。许多医疗废品都带有病毒，稍有不慎，清理医疗垃圾的人就可能接触到这种病毒并且感染上，尤其是新冠肆虐时期。搬运机器人的作用就显得尤为重要，既能代替人工进行物资的搬运，节省人力，又能减少人们接触病毒、感染病毒的机会，虽然医院现有轨道式传输装置，但其较为简单，轨道单一，且仅能运输简单的物品，无法满足目前医院的需求，因而继续一种搬运机器人。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种自动搬运机器人装置及其驱动方法；使用者可以通过手机软件控制该机器人；该机器人能够通过相关控制系统控制机械臂夹住物体并且利用车型模块移动，实现物体的搬运;利用双目摄像头、激光雷达等实施传输数据，实现运送途中的精准行进，尤其可用于医院等复杂环境。

本申请供的技术方案是：一种自动搬运机器人装置，其特征在于：包括车型底座、六自由度机械臂和控制器；所述六自由度机械臂包括依次相连的机械大臂、机械小臂、机械手腕以及机械夹装手；还包括置于所述六自由度机械臂底部的自稳云台，所述自稳云台包括三层大小相同的从上至下依次设置的上层圆盘、中层圆盘和下层圆盘，所述上层圆盘和所述中层圆盘之间安装单轴陀螺稳定器以及转动电机，所述中层圆盘与下层圆盘之间采用四根螺栓螺母支撑固定；所述底层圆盘与所述车型底座连接固定；所述控制器设于车型底座上，用于控制车型底座和六自由度机械臂的工作。

进一步地，所述机械夹装手呈对称式剪刀手结构，底部安装有电机架一以及电机一，用于驱动机械夹装手的张开和闭合，所述机械夹装手的后端与固定在电机架一上方的电机一输出轴连接，电机架一通过固定在机械手腕下方。

进一步地，所述机械手腕的上侧同样固定安装一个电机架二与电机二，所述电机架二的两侧用螺丝固定安装在所述机械小臂上。

进一步地，所述机械小臂的末端与电机三输出轴相连，该电机三左右两侧固定在所述机械大臂的上端，所述机械大臂的下端与电机架四和电机四固定；电机架四的底部与自稳云台的上层圆盘固定连接。

进一步地，所述车型底座包括车底层、车二层、车顶层以及车轮；所述车顶层固定安装摄像头支撑轴以及双目摄像头，在所述车顶层的四周用连接件固定在车二层上方；所述车二层中央放置激光雷达，所述车二层的后侧安装机械臂控制器；所述车二层的四周用连接件与所述车底层连接。

进一步地，所述车底层两条长边各安装两个驱动电机，所述驱动电机的输出轴上各安装一个车轮。

进一步地，车底层的正上方安装控制板以及电池。

进一步地，所述机械夹装手的末端用强力胶水黏上防滑橡胶。

进一步地，所述自稳云盘上层云盘和所述机械臂小臂的转动角度为360度。

进一步地，控制板为STM32，电池为12V锂电池。

进一步地，所述电机通过螺栓螺母固定在电机架上。

进一步地，所述机械臂大臂的旋转角度为180度。

进一步地，所述机械夹装手能允许张开的最大角度为160度。

进一步地，双目摄像头允许的转动角度为-90度到90度。

进一步地，机械手控制板的位置处于机械臂的下方，用导线连接控制板与机械臂各部分的电机。

进一步地，车底板、车二层以及车顶层的四周都采用圆角设计。

进一步地，一种控制如上述任一项所述的搬运机器人的方法，其特征在于：所述搬运机器人，包括电机、锂电池、控制板、机械臂控制板、激光雷达以及双目摄像头和单轴陀螺稳定器；（1）打开控制开关，机器人完成开机。用户在手机上；（2）采用手机软件下达命令，告知机器人目的地、目标物以及搬运的指定地点；（3）机器人控制器接收到来自手机的指令，开始处理，STM32控制板控制电驱动车轮前进；雷达探测器探测周围以及前方障碍物，以及障碍物的距离，将数据传回手机云端以及STM32控制器；STN32控制器分析所得到的数据，依据自身的控制编程，避开障碍物，计算出前进的最佳路线；在与障碍物达到规定的安全距离时，STM32控制板控制前面两个车轮的电机，驱动车轮旋转一定角度再继续前进，成功避开障碍物；

（4）双目摄像头拍摄周围以及前方的画面，并将拍摄到的彩图传输回手机云端以及STM32控制板，STM32控制板根据彩图判断前方物体是否为障碍物，若判断结果为否，STM32控制板将其视为障碍物进行避障活动；若判断结果为是，就继续朝目标物前进，根据激光雷达的实时监测与数据传输，机器人到达距离目标物最近的安全距离后，机器人停止移动；同时STM32控制板给机械臂控制板一个信号；

（5）机械臂控制板接收到信号后，机械臂开始工作；激光雷达将目标物的距离传送给机械臂控制板，机械臂控制板依据D-H参数以及实时数据，计算出机械臂末端坐标系以及目标物坐标系，得到机械臂的关节多项式变量，从而计算出各个关节的最佳移动方式；机械臂控制板控制安装在机械臂各个关节的电机，电机驱动各个关节旋转对应角度、平移相关距离，机械臂的夹装手张开并处于目标物的两侧后，机械夹装手合拢并且机械臂反向移动、旋转，将目标物抬离地面；机械臂各关节活动期间，单轴陀螺稳定器时刻工作并将倾斜数据传输至机械臂控制板，机械臂控制板根据相关数据调节机械臂整体位置，减少机械臂对整体装置的干扰；

（6）机械臂的活动停止，STM32控制板控制装置重新规划路线朝指定地点移动，到达指定地点后；

（7）机械臂控制板控制机械臂放下目标物，完成此次物体搬运。

所述12V锂电池用于整个装置的供电，各个相关控制板、电池以及电机之间用导线相互连接。

车型底座启动后，用户可以直接通过手机传送指令，告知机器人所需要到达的地方以及需要搬运的物体。机器人启动双目摄像头和激光雷达，控制板规划好路线，双目摄像头将拍摄到的彩图实时传输至控制板中，由控制板判断前方物体是否为目标物，若不是，控制板将前方物体规划为障碍物，实时更改最佳路线实现避障，并继续寻找目的地；若判断结果为是，传输指令给机械臂控制板，机械臂控制板控制机械臂将物体抓取，然后搬运至需要到达的目的地，完成此次搬运活动。

本申请的工作原理是：按下控制开关，12V锂电池给整个装置供电，STM32控制板根据双目摄像头以及激光雷达实时传输的数据规划好最佳路线，控制车轮运转，令整个装置前进移动。机械臂控制板控制机械臂各个关节的相关运动，实现物体的夹装与搬运；并且通过自稳云台装置，减少机械臂的运动对装置整体的干扰，维护装置的平稳运行。

本申请所达到的有益效果：本申请结合车型底座与机械臂，通过车型底座的移动和机械臂的夹装，实现物体的搬运。运用手机软件控制，简单方便；采用单轴陀螺稳定器，保持整个装置在运动过程中保持稳定，不干扰车型底座的移动。采用双目摄像头与激光雷达，通过两者传输的数据，控制器计算出最佳方案，实现完美避障，做到智能化搬运。控制器采用机械臂控制板与STM32控制板并用，控制简单易操作。本申请结构简单明了，对机械臂的研究做了更加深入的研究，同时也为可用于医院搬运机器人做了理论支持与实践支持。

附图说明

图1为本申请的整体装置结构图。

图2为本申请的自动搬运机器人装置分层图。

图3为本申请的自动搬运机器人装置底部结构图。

其中：1-车底板； 2-STM32 控制板； 3-车二层； 4-车顶层； 5-双目摄像头； 6-激光雷达； 7-机械臂控制板； 8-六自由度机械臂； 9-12V锂电池 ； 10-连接件； 11-车轮；12-电机。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1-3所示，一种自动搬运机器人装置包括车型底座和六自由度机械臂8。六自由度机械臂8包括机械大臂、机械小臂、机械手腕以及机械夹装手。机械夹装手呈对称式剪刀手结构，用于抓取物体；底部用螺栓螺母固定安装电机架以及电机，电机驱动机械夹装手的张开和闭合，最大允许张开角度为160度。机械夹装手的末端用强力胶水固定防滑橡胶，用于更好的抓取目标物体。机械夹装手的后端与固定在电机架一上方的电机一输出轴连接，通过电机一转动带动整个机械夹装手旋转，可允许旋转角度为360度，电机架一通过固定在机械手腕下方。机械手腕的上侧同样固定安装一个电机架二与电机二，该电机二用于控制机械手腕活动。电机架二的两侧用螺丝固定安装在机械小臂上，机械小臂的末端与电机三输出轴相连，电机三驱动小臂翻折，允许翻折角度为180度。电机三左右两侧固定在机械大臂的上端，机械大臂的下端与另一电机架四和电机四固定，该电机四驱动整个机械大臂翻折，可允许翻折角度为180度。电机架四的底部与自稳云台的上层圆盘固定连接。

自稳云台包括三层大小相同的圆盘，上层圆盘和中层圆盘之间安装单轴陀螺稳定器以及转动电机（图中省略单轴陀螺稳定器和转动电机），转动电机驱动上层圆盘转动，单轴陀螺稳定器用于控制整个装置的平衡性。上层圆盘与中层圆盘、中层圆盘与下层圆盘之间采用四根螺栓螺母支撑固定。底层圆盘与车二层3之间采用连接件10连接固定。

如图1-2所示，车型底座包括车底板1、车二层3、车顶层4以及四个车轮11。车顶层4固定安装摄像头支撑轴以及双目摄像头5，摄像头支撑轴支撑双目摄像头5，同时维持双目摄像头5平衡，避免拍摄出来的画面过于晃动，影响控制器分析；摄像头支撑轴能够支持180度旋转，可以将周围的场景全面地被拍摄。在车顶层4的四周用四根连接件10固定在车二层3上方，车二层3的四周用四根连接件10与车底板1连接，三层车板均采用圆角设计，增加装置的安全性。车二层3中央放置激光雷达6，监测周围的障碍物，判断机器人与障碍物之间的距离。车二层3的后侧安装机械臂控制器，用于控制安装在机械臂上的各个电机工作。车底板1两条长边各在底下安装两个驱动电机12（如图3所示），电机12的输出轴上各安装一个车轮11，用于控制车轮11的前进方向与前进速度。车底板1的正上方安装STM32控制板2以及12V锂电池9。STM32控制板2控制整个装置的移动，驱动控制车轮11的四个电机12。同时接收、处理双目摄像头5与激光雷达6传送来的数据，分析最佳前进路线以及判断前方物体是否为目标物。

搬运机器人的控制方法为：打开控制开关（图中省略未表示），机器人完成开机。用户在手机上，采用手机软件下达命令，告知机器人目的地、目标物以及搬运的指定地点。机器人控制器接收到来自手机的指令，开始处理，STM32控制板2控制电机12驱动车轮11前进。雷达探测器探测周围以及前方障碍物，以及障碍物的距离，将数据传回手机云端以及STM32控制器，STN32控制器分析所得到的数据，依据自身的控制编程，避开障碍物，计算出前进的最佳路线。在与障碍物达到规定的安全距离时，STM32控制板2控制前面两个车轮11的电机12，驱动车轮11旋转一定角度再继续前进，成功避开障碍物。

双目摄像头5拍摄周围以及前方的画面，并将拍摄到的彩图传输回手机云端以及STM32控制板2，STM32控制板2根据彩图判断前方物体是否为障碍物，若判断结果为否，STM32控制板2将其视为障碍物进行避障活动；若判断结果为是，就继续朝目标物前进，根据激光雷达6的实时监测与数据传输，机器人到达距离目标物最近的安全距离后，机器人停止移动；同时STM32控制板2给机械臂控制板7一个信号。

机械臂控制板7接收到信号后，机械臂开始工作。激光雷达6将目标物的距离传送给机械臂控制板7，机械臂控制板7依据D-H参数以及实时数据，计算出机械臂末端坐标系以及目标物坐标系，得到机械臂的关节多项式变量，从而计算出各个关节的最佳移动方式。机械臂控制板7控制安装在机械臂各个关节的电机，电机驱动各个关节旋转对应角度、平移相关距离，机械臂的夹装手张开并处于目标物的两侧后，机械夹装手合拢并且机械臂反向移动、旋转，将目标物抬离地面。机械臂各关节活动期间，单轴陀螺稳定器时刻工作并将倾斜数据传输至机械臂控制板7，机械臂控制板7根据相关数据调节机械臂整体位置，减少机械臂对整体装置的干扰。机械臂的活动停止，STM32控制板2控制装置重新规划路线朝指定地点移动，到达指定地点后，机械臂控制板7控制机械臂放下目标物，完成此次物体搬运。

本申请所达到的有益效果：本申请结合车型底座与机械臂，通过车型底座的移动和机械臂的夹装，实现物体的搬运。运用手机软件控制，简单方便；采用单轴陀螺稳定器，保持整个装置在运动过程中保持稳定，不干扰车型底座的移动。采用双目摄像头与激光雷达，通过两者传输的数据，控制器计算出最佳方案，实现完美避障，做到智能化搬运。控制器采用机械臂控制板与STM32控制板并用，控制简单易操作。本申请结构简单明了，对机械臂的研究做了更加深入的研究，同时也为可用于医院搬运机器人做了理论支持与实践支持。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动搬运机器人装置，其特征在于：包括车型底座、六自由度机械臂和控制器；所述六自由度机械臂包括依次相连的机械大臂、机械小臂、机械手腕以及机械夹装手；还包括置于所述六自由度机械臂底部的自稳云台，所述自稳云台包括三层大小相同的从上至下依次设置的上层圆盘、中层圆盘和下层圆盘，所述上层圆盘和所述中层圆盘之间安装单轴陀螺稳定器以及转动电机，所述中层圆盘与所述底层圆盘连接，所述底层圆盘与所述车型底座连接固定；所述控制器设于车型底座上，用于控制车型底座和六自由度机械臂的工作。

2.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述机械夹装手呈对称式剪刀手结构，底部安装有电机架一以及电机一，用于驱动机械夹装手的张开和闭合，所述机械夹装手的后端与固定在电机架一上方的电机一输出轴连接，电机架一通过固定在机械手腕下方。

3.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述机械手腕的上侧同样固定安装一个电机架二与电机二，所述电机架二的两侧用螺丝固定安装在所述机械小臂上。

4.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述机械小臂的末端与电机三输出轴相连，该电机三左右两侧固定在所述机械大臂的上端，所述机械大臂的下端与电机架四和电机四固定；电机架四的底部与自稳云台的上层圆盘固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述车型底座包括车底层、车二层、车顶层以及车轮；所述车顶层固定安装摄像头支撑轴以及双目摄像头，在所述车顶层的四周用连接件固定在车二层上方；所述车二层中央放置激光雷达，所述车二层的后侧安装机械臂控制器；所述车二层的四周用连接件与所述车底层连接。

6.根据权利要求5所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述车底层两条长边各安装两个驱动电机，所述驱动电机的输出轴上各安装一个车轮。

7.根据权利要求5所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：车底层的正上方安装控制板以及电池。

8.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述机械夹装手的末端用强力胶水黏上防滑橡胶。

9.根据权利要求1所述的一种自动搬运机器人装置，其特征在于：所述自稳云盘上层云盘和所述机械臂小臂的转动角度为360度。

10.一种控制如上述权利要求1-9任一项所述的搬运机器人的方法，其特征在于，包括：（1）打开控制开关，机器人完成开机；

采用手机软件下达命令，告知机器人目的地、目标物以及搬运的指定地点；

机器人控制器接收到来自手机的指令，开始处理，STM32控制板控制电驱动车轮前进；雷达探测器探测周围以及前方障碍物，以及障碍物的距离，将数据传回手机云端以及STM32控制器；STN32控制器分析所得到的数据，依据自身的控制编程，避开障碍物，计算出前进的最佳路线；在与障碍物达到规定的安全距离时，STM32控制板控制前面两个车轮的电机，驱动车轮旋转一定角度再继续前进，成功避开障碍物；

（4）双目摄像头拍摄周围以及前方的画面，并将拍摄到的彩图传输回手机云端以及STM32控制板，STM32控制板根据彩图判断前方物体是否为障碍物，若判断结果为否，STM32控制板将其视为障碍物进行避障活动；若判断结果为是，就继续朝目标物前进，根据激光雷达的实时监测与数据传输，机器人到达距离目标物最近的安全距离后，机器人停止移动；同时STM32控制板给机械臂控制板一个信号；

（5）机械臂控制板接收到信号后，机械臂开始工作；激光雷达将目标物的距离传送给机械臂控制板，机械臂控制板依据D-H参数以及实时数据，计算出机械臂末端坐标系以及目标物坐标系，得到机械臂的关节多项式变量，从而计算出各个关节的最佳移动方式；机械臂控制板控制安装在机械臂各个关节的电机，电机驱动各个关节旋转对应角度、平移相关距离，机械臂的夹装手张开并处于目标物的两侧后，机械夹装手合拢并且机械臂反向移动、旋转，将目标物抬离地面；机械臂各关节活动期间，单轴陀螺稳定器时刻工作并将倾斜数据传输至机械臂控制板，机械臂控制板根据相关数据调节机械臂整体位置，减少机械臂对整体装置的干扰；

（6）机械臂的活动停止，STM32控制板控制装置重新规划路线朝指定地点移动，到达指定地点后；

（7）机械臂控制板控制机械臂放下目标物，完成此次物体搬运。

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