CN114102639A - 一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人 - Google Patents

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张灏东
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    • B25J5/02—Manipulators mounted on wheels or on carriages travelling along a guideway

Abstract

本申请公开了提供了一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，包括：吧台主体、两组相机组件、同步轨道、机械臂和双指夹持装置。两组相机组件分别安装吧台主体的两端外侧，每一相机组件的下方设有三自由度云台，并分别安装在高于吧台主体上表面的位置处；同步轨道设置于吧台主体的上表面一侧，同步轨道上设有一可移动的滑块；机械臂固定安装于滑块上；双指夹持装置安装于机械臂端部。本申请通过增加同步带轨道增加咖啡机器人的运动自由度，可横向大范围移动，实现吧台的多位置只有抓取物品。通过双目摄像头与深度摄像头的添加，可实现随机位置物品识别，通过识别为机械臂提供物品位姿信号，机械臂可依据程序进行位置调节，并且顺利抓取物品。

Description

一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人。
背景技术
目前已有咖啡机器人，通常是使用机械臂进行编程控制。目前的咖啡机器人多采用固定式结构，但是，固定式结构的机械臂工作面有限，且受限于机械臂的工作半径与自身尺寸，难以抓取到机械臂附近的咖啡杯以及相应的水壶装置，也难以实现大范围内的餐具抓取与成品递送。而且，目前的自动咖啡机器人采用固定编程路线进行运动，只能实现特定的动作，自主程度不高，一旦出现夹取物品不在预设位置的情况，咖啡机器人无法正常工作，需要有一定的人工干预进行操作，例如进行杯子以及水壶归位等。
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，包括：
吧台主体，具有轴向上的第一端和第二端；
两组相机组件，分别安装在所述第一端和所述第二端的外侧，每一相机组件的下方设有三自由度云台，并分别通过相机支撑基座安装在高于所述吧台主体上表面的位置处；
同步轨道，沿所述吧台主体的轴向方向设置于所述吧台主体的上表面一侧，所述同步轨道上设有一可沿所述同步轨道移动的滑块，所述同步轨道的一端设有一步进电机，用于控制所述滑块由所述同步轨道的一端移动至另一端；
机械臂，固定安装于所述滑块上；和
双指夹持装置，安装于所述机械臂的端部，用于夹持物品。
可选地，所述相机组件包括深度相机、双目相机以及用于安装所述深度相机和所述双目相机的相机组合外壳。
可选地，所述机械臂为六自由度机械臂，由六个关节环构成，且每一关节环均可实现360°非环绕旋转。
可选地，所述双指夹持装置包括：固定底座和主动指，所述主动指通过转轴设置在所述固定底座上，其数量为两个并相对设置，所述主动指由其内部舵机提供动力并可沿转轴进行旋转。
可选地，所述双指夹持装置还包括：从动指，所述从动指的数量为两个且分别安装在所述主动指的端部，所述从动指与所述主动指之间为弹性扭转连接。
可选地，两个所述从动指的相对侧以及两个所述主动指的相对侧均设有软性橡胶垫。
可选地，所述固定底座与所述机械臂相固定，并提供所述双指夹持装置的供电以及通讯连接。
可选地，所述三自由度云台包括水平旋转方向电机、滚转方向电机、俯仰方向电机和相机组合固定装置，所述水平旋转方向电机安装在所述相机支撑基座上，其通过一S型旋转臂与所述滚转方向电机相连，所述滚转方向电机端部安装所述俯仰方向电机，所述俯仰方向电机端部连接所述相机组合固定装置，所述相机组合固定装置用于固定安装所述相机组件。
可选地，还包括位于所述吧台主体上表面的咖啡机及用于盛放咖啡的物品。
可选地，所述相机支撑基座呈L型，其内侧开槽用于安装相机线路保护盒。
本申请的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，通过增加同步带轨道增加咖啡机器人的运动自由度，可以横向大范围移动，从而实现吧台的多位置只有抓取物品。通过双目摄像头与深度摄像头的添加，可以实现随机位置物品识别，并且通过识别为机械臂提供物品位姿信号，机械臂可以依据程序进行位置调节，并且顺利抓取物品。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的结构示意图；
图2是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的吧台主体的后视图；
图3是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的机械臂的结构示意图；
图4是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的双指夹持装置的结构示意图；
图5是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的相机组件的结构示意图；
图6是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的三自由度云台的结构示意图；
图7是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的同步轨道的结构示意图。
附图标记：
相机组件-1；相机支撑基座-2；相机线路保护盒-3；通用咖啡机-4；
吧台主体-5；机械臂-6；双指夹持装置-7；滑块-8；同步轨道-9；杯架-10；
杯子-11；托盘-12；热水壶-13；步进电机-14；三自由度云台-15；关节环-16；
转轴-17；扭簧-18；S型旋转臂-19；第一端-20；第二端-21；从动指-22；
主动指-23；固定底座-24；相机组合外壳-25；深度相机-26；双目相机-27；
水平旋转方向电机-28；滚转方向电机-29；俯仰方向电机-30；
相机组合固定装置-31。
具体实施方式
图1是根据本申请一个实施例的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的结构示意图。所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人一般性地可包括：吧台主体5、相机组件1、同步轨道9、机械臂6和双指夹持装置7。
如图1所示，吧台主体5具有轴向上的第一端20和第二端21。虽然图1中所示的第一端20在图示方向的左端，第二端21在图示方向的右端，但是，也可以将第一端20设置在图示方向的右端，第二端21设置在图示方向的左端。在本实施例中以图示方向为准。
两组相机组件1分别安装在所述第一端20和所述第二端21的外侧，与吧台的第一端20与第二端21保持有一段距离。每一相机组件1的下方设有三自由度云台15，并分别通过相机支撑基座2安装在高于所述吧台主体5上表面的位置处。
图2是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的吧台主体5的后视图。参见图2，同步轨道9沿所述吧台主体5的轴向方向设置于所述吧台主体5的上表面一侧。图7是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的同步轨道9的结构示意图。参见图7，所述同步轨道9上设有一可沿所述同步轨道9移动的滑块8，所述同步轨道9的一端设有一步进电机14，用于控制所述滑块8由所述同步轨道9的一端移动至另一端。在步进电机14的驱动下，滑块8可由吧台主体5的第一端20移动至第二端21，也可以由第二端21移动至第一端20。
机械臂6固定安装于所述滑块8上，滑块8在同步轨道9上移动时会带动机械臂6由吧台主体5的第一端20移动至第二端21或由第二端21移动至第一端20。在机械臂6需要夹持第一端20的物品时，同步轨道9带动滑块8移动到吧台主体5的第二端21，使机械臂6具有充足的伸展空间，可以夹持到物品。
图3是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的机械臂6的结构示意图。参见图3，所述机械臂6为六自由度通用机械臂6，由六个关节环16构成，且每一关节环16均可实现360°非环绕旋转，可以实现六自由度机械臂6在工作半径内的无死角自由运动。
图4是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的双指夹持装置7的结构示意图。参见图4，双指夹持装置7安装于所述机械臂6的端部，用于夹持物品。如图4所示，所述双指夹持装置7包括：固定底座24、主动指23和主动指23。固定底座24与机械臂6进行固定，并且提供双指夹持装置7的供电以及通讯连接。
参见图4，所述主动指23通过转轴17设置在所述固定底座24上，其数量为两个并相对设置。两个相对设置的主动指23之间的间距大致可设为一个杯子11外径的尺寸，用于夹持住杯子11并带着其移动。当然，两个相对设置的主动指23之间的间距也可设为杯子11把手的外径尺寸，用于夹持住杯子11把手并带着其移动。
参见图4，所述主动指23由其内部舵机提供动力并可沿转轴17进行旋转。所述从动指22的数量为两个且分别安装在所述主动指23的端部，所述从动指22与所述主动指23之间为弹性扭转连接。具体是采用扭簧18进行连接，在主动指23接触杯子11或杯子11把手的过程中由于杯子11或杯子11把手对所述的主动指23施加了向外扩张的压力，从而使得从动指22可以自动夹紧，实现双指夹持装置7对杯子11或杯子11把手的夹紧效果。
进一步的优选方案中，两个所述从动指22的相对侧以及两个所述主动指23的相对侧均设有软性橡胶垫。可以增加与夹持物品的摩擦力，并且可以保护夹持物品不受损坏。
图5是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的相机组件1的结构示意。参见图5，所述相机组件1包括深度相机26、双目相机27以及用于安装所述深度相机26和所述双目相机27的相机组合外壳25。在使用时，位于第一端20外侧的双目相机27可以识别物品特征与大略位置，驱动其下方的三自由度云台15针对机械臂6的运动位置进行跟踪，而位于第二端21外侧的相机组件1针对外部物品进行识别定位，对物品进行定位后，位于第一端20外侧的相机组件1跟随机械臂6进行锁定运动，避免机械臂6自动规划路径上具有遮挡，导致碰撞。
参见图1，每一相机组件1下方均设有一组三自由度云台15。图6是图1所示基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人的三自由度云台15的结构示意图。参见图6，所述三自由度云台15包括水平旋转方向电机28、滚转方向电机29、俯仰方向电机30和相机组合固定装置31，所述水平旋转方向电机28安装在所述相机支撑基座2上，其通过一S型旋转臂19与所述滚转方向电机29相连，所述滚转方向电机29端部安装所述俯仰方向电机30，所述俯仰方向电机30端部连接所述相机组合固定装置31，所述相机组合固定装置31用于固定安装所述相机组件1。
相机组件1被安装于述相机组合固定装置31上后，可以通过俯仰方向电机30的旋转来实现相机组件1的“仰头”或“低头”；在前述基础上，可以通过滚转方向电机29的滚转，带动相机组件1和俯仰方向电机30在以水平横轴为轴进行翻转；在前述基础上，可以通过水平旋转方向电机28的旋转，带动相机组件1、俯仰方向电机30和滚转方向电机29在以竖轴为轴进行翻转。
三自由度云台15主要为双目相机27锁定目标与搜寻目标提供角度支撑，使双目相机27可以获得更大的视野，同时双目相机27锁定机械臂6，并跟随机械臂6运动，三自由度云台15也可以提供运动支持。
参见图1，还包括位于所述吧台主体5上表面的咖啡机及用于盛放咖啡的物品，具体包括：通用咖啡机4、杯架10、杯子11、托盘12和热水壶13，满足泡咖啡、送咖啡的需求。
参见图1，所述相机支撑基座2呈L型，其内侧开槽用于安装相机线路保护盒3，可保证相机组件1及三自由度云台15的供电。
本申请不仅可以解决目前咖啡机器人机械臂6移动范围有限的问题，还可以解决目前咖啡机器人无法实现非预设任务，操作动作自由度不高的问题。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，包括：
吧台主体，具有轴向上的第一端和第二端；
两组相机组件，分别安装在所述第一端和所述第二端的外侧，每一相机组件的下方设有三自由度云台，并分别通过相机支撑基座安装在高于所述吧台主体上表面的位置处；
同步轨道，沿所述吧台主体的轴向方向设置于所述吧台主体的上表面一侧，所述同步轨道上设有一可沿所述同步轨道移动的滑块，所述同步轨道的一端设有一步进电机，用于控制所述滑块由所述同步轨道的一端移动至另一端；
机械臂，固定安装于所述滑块上；和
双指夹持装置，安装于所述机械臂的端部，用于夹持物品。
2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述相机组件包括深度相机、双目相机以及用于安装所述深度相机和所述双目相机的相机组合外壳。
3.根据权利要求1所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述机械臂为六自由度机械臂，由六个关节环构成，且每一关节环均可实现360°非环绕旋转。
4.根据权利要求1所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述双指夹持装置包括：固定底座和主动指，所述主动指通过转轴设置在所述固定底座上，其数量为两个并相对设置，所述主动指由其内部舵机提供动力并可沿转轴进行旋转。
5.根据权利要求4所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述双指夹持装置还包括：从动指，所述从动指的数量为两个且分别安装在所述主动指的端部，所述从动指与所述主动指之间为弹性扭转连接。
6.根据权利要求5所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，两个所述从动指的相对侧以及两个所述主动指的相对侧均设有软性橡胶垫。
7.根据权利要求6所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述固定底座与所述机械臂相固定，并提供所述双指夹持装置的供电以及通讯连接。
8.根据权利要求1所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述三自由度云台包括水平旋转方向电机、滚转方向电机、俯仰方向电机和相机组合固定装置，所述水平旋转方向电机安装在所述相机支撑基座上，其通过一S型旋转臂与所述滚转方向电机相连，所述滚转方向电机端部安装所述俯仰方向电机，所述俯仰方向电机端部连接所述相机组合固定装置，所述相机组合固定装置用于固定安装所述相机组件。
9.根据权利要求1所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，还包括位于所述吧台主体上表面的咖啡机及用于盛放咖啡的物品。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于视觉定位的高灵活度无人咖啡机器人，其特征在于，所述相机支撑基座呈L型，其内侧开槽用于安装相机线路保护盒。
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欧文（OWEN，A.E.）著、章慈定译: "《柔性装配系统》", 28 February 1991 *

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