CN114589680A - 操控装置、特种机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人控制技术领域，提供一种操控装置、特种机器人系统及其控制方法。该操控装置包括第一显示屏、第二显示屏、多维操控器和操控系统，操控系统通信连接于特种机器人，操控系统用于从特种机器人处获取反映特种机器人的周围环境的图像信息，以及特种机器人的工作状态；第一显示屏用于显示图像信息，第二显示屏用于显示特种机器人的工作状态。本发明提供的操控装置及特种机器人系统，通过第一显示屏获悉特种机器人周围环境，通过第二显示屏获悉特种机器人的工作状态，解决了现有的操控装置存在的操控安全性低的技术问题，从而提高了操控方式的安全性和可靠性。

Description

操控装置、特种机器人系统及其控制方法

本申请要求于2021年5月8日提交国家知识产权局、申请号为202110499300.9(申请名称为“操控装置及特种机器人系统”)，以及于2021年5月8日提交国家知识产权局、申请号为202110499773.9(申请名称为“特种机器人及其控制方法”)的两件中国专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其是涉及一种操控装置、特种机器人系统及其控制方法。

背景技术

特种机器人是近年来得到快速发展和广泛应用的一类机器人，在我国国民经济各行业均有应用，其应用范围主要包括：农业、电力、建筑、物流、医疗、护理、康复、安防与救援、军用、核工业、矿业、石油化工、市政工程等。

传统特种机器人多以实现巡检功能为主，如电力巡检、管廊巡检、园区巡检和危化工厂巡检机器人，此类机器人不具备机械臂或只搭载单机械臂，能够执行的作业种类少。在特种环境下面临检修或运维工作需求时，传统巡检类机器人无法有效替代人工进行现场物理作业，此类特种机器人以“监控”功能为主，但并不能实际解决问题。

在发明人了解到的现有专利中，请参考图1，申请号为“201810739677.5”的中国发明专利，提供一种高自由度排爆机器人及其控制方法的技术方案。该高自由度排爆机器人包括移动底盘1和机械臂2，移动底盘1设置有行驶轮10和纵向支架31，全局视觉传感器3连接于纵向支架31，多自由度机械臂2的前端均连接有末端执行器21和末端视觉传感器22。机械臂2具有多个关节，该高自由度排爆机器人需要操作人员先选中机械臂2的对应关节的按键，分别单独控制各个关节，以控制机械臂的移动。然而，操作人员操控时不掌握机器人的工作状态，容易出现操作失误，操控安全性低。因此，现有的操控装置存在着操控安全性低的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种操控装置、特种机器人系统及其控制方法，旨在解决现有的操控装置存在的操控安全性低的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种操控装置，应用于特种机器人，所述操控装置包括第一显示屏、第二显示屏、多维操控器和操控系统，所述操控系统用于与所述特种机器人通信连接，所述第一显示屏、所述第二显示屏和所述多维操控器分别与所述操控系统电性连接，所述操控系统用于从所述特种机器人处获取反映所述特种机器人的周围环境的图像信息，以及所述特种机器人的工作状态；所述第一显示屏用于显示所述图像信息，所述第二显示屏用于显示所述特种机器人的工作状态，所述多维操控器用于将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送给所述操控系统，所述操控系统用于根据所述多维数据向所述特种机器人发送多维位姿控制指令。

在其中一个实施例中，所述多维操控器为3D鼠标，所述3D鼠标基于操作人员的操作动作产生所述多维数据。

在其中一个实施例中，所述操控装置还包括操控面板，所述第二显示屏安装于所述操控面板，所述操控面板具有臂操控区，所述多维操控器安装于所述臂操控区；

在其中一个实施例中，所述特种机器人包括控制器，所述操控系统具体用于根据所述多维数据向所述控制器发送多维位姿控制指令。

在其中一个实施例中，所述操控装置还包括安装于所述臂操控区的运动速度调节开关，所述运动速度调节开关用于调节所述特种机器人的机械臂的运动速度的档位。

在其中一个实施例中，所述操控装置还包括安装于所述臂操控区的运动模式调节开关，所述运动模式调节开关用于调节所述特种机器人的机械臂的运动模式，所述运动模式包括全局运动模式、平动运动模式和绕点运动模式中的至少两个。

在其中一个实施例中，所述操控装置还包括安装于所述臂操控区的复位键，所述复位键用于控制所述特种机器人的机械臂复位至预设作业姿态。

本申请还提供了一种特种机器人系统，包括特种机器人和上述任意一项操控装置，所述特种机器人用于向所述操控装置提供用于反映所述特种机器人的周围环境的图像信息，以及所述特种机器人的工作状态。

本申请还提供了一种特种机器人系统的控制方法，应用于上述任意一项所述的特种机器人系统，包括：

多维操控器将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送至操控系统；

所述操控系统根据所述多维数据向特种机器人的控制器发送多维位置控制指令；

所述控制器根据所述多维位姿控制指令和机械臂的当前姿态计算出各个关节驱动件的驱动指令；

所述控制器将所述驱动指令发送至对应的所述关节驱动件。

在其中一个实施例中，所述多维位姿控制指令周期性发送到所述控制器，所述控制器在单个周期内完成当前所述驱动指令的计算及发送，所述关节驱动件接收到当前所述驱动指令后立即按当前所述驱动指令运行。

本申请提供的操控装置、特种机器人系统及其控制方法的有益效果是：操作人员通过第一显示屏直观感知特种机器人的周围环境，这样可以辅助操作人员在操作多维操控器时，输入一些避免机械臂撞击到周围障碍物的多维数据，实现安全、准确地操控机械臂；由于第二显示屏用于显示所述特种机器人的工作状态，因此操作人员通过第二显示屏可以及时获悉特种机器人的工作状态，如特种机器人的负载情况，这样操作人员可以借助多维操控器去提前规避因关节驱动件负载过大而出现操控失误，解决了现有的操控装置存在的操控安全性低的技术问题，从而提高了操控方式的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的排爆机器人的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的特种机器人的侧视图；

图3为图2中的特种机器人的立体图；

图4为图2中的特种机器人的又一视角图；

图5为图4中的特种机器人的机械臂的结构示意图；

图6为图5中的机械臂的第四旋转关节的结构示意图；

图7为图4中的特种机器人的末端执行器的结构示意图；

图8为图4中的末端执行器的执行安装部与机械臂的腕部的连接图；

图9为图8中的分解视图；

图10为图8的另一视角的分解视图；

图11为本申请实施例中的操控装置的结构示意图；

图12为图11中的操控装置的操控面板的示意图；

图13为图11中的操控面板的机械臂操控区的示意图；

图14为实施方式中的特种机器人系统的控制方法的流程示意图。

其中，图中各附图标记：

1、移动底盘；10、行驶轮；2、多自由度机械臂；21、末端执行器；22、末端视觉传感器；3、全局视觉传感器；31、纵向支架；

X1、第一竖直轴线；X2、第二竖直轴线；Y1、第一水平轴线；Y2、第二水平轴线；

100、底盘；110、舱体；120、行走机构；

200、身部主体；201、支座；

300、机械臂；301、第一旋转关节；302、第一摆动关节；303、第二旋转关节；304、第二摆动关节；305、第三旋转关节；306、第三摆动关节；307、第四旋转关节；308、活动关节；310、肩部；320、大臂；330、肘部；340、小臂；350、腕部；351、腕壳体；3511、第一复位线；352、旋转转接件；3521、第二复位线；353、旋转安装部；3531、第一安装槽；3532、第二安装孔；354、胶套；361、力传感器；362、关节驱动件；363、减速器；364、编码器；365、制动器；

410、第一摄像头；411、第一电动云台；420、第二摄像头；421、第二电动云台；430、立柱；440、第三摄像头；450、第四摄像头；460、第五摄像头；

500、末端执行器；510、执行器安装部；511、安装片；512、第一安装孔；513、限位片；520、执行器工作部；521、第一夹指；522、第二夹指；

600、操控装置；601、第一显示屏；602、操控面板；610、第二显示屏；620、臂操控区；621、多维操控器；622、运动速度调节开关；623、运动模式调节开关；624、复位键；625、执行器工作按键；626、执行器旋转按键；630、视觉装置操控区；631、第一操纵杆；632、第二操纵杆；633、切换按键；640、开关接线区；650、底盘操控区。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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。

实施例一

请参考图2至图4，本实施例提供的特种机器人包括底盘100、身部主体200、机械臂300、视觉装置和控制器，身部主体200安装于底盘100。机械臂300的一端安装于身部主体200，机械臂300的另一端安装有末端执行器500，机械臂300具有多个活动关节308，活动关节308包括关节驱动件362(见图6)。

视觉装置用于感知特种机器人的自身姿态和周边环境。控制器分别与视觉装置、多个关节驱动件362电性连接。视觉装置可以单独安装，也可以选择安装于底盘100、身部主体200或机械臂300上。

在一具体实施例中，请参考图3，机械臂300的数量两个。两个机械臂300分别安装于身部主体200的两侧。

在又一具体实施例中，请参考图5，机械臂300包括依次连接的肩部310、大臂320、肘部330、小臂340和腕部350，活动关节308共有七个，七个活动关节308依次分别为连接身部主体200和肩部310的第一旋转关节301、肩部310具有的第一摆动关节302、连接大臂320和肘部330的第二旋转关节303、肘部330具有的第二摆动关节304、连接小臂340和腕部350的第三旋转关节305、腕部350具有的第三摆动关节306、以及腕部350末端具有的第四旋转关节307。

其中，活动关节308包括第一旋转关节301、第一摆动关节302、第二旋转关节303、第二摆动关节304、第三旋转关节305、第三摆动关节306、以及第四旋转关节307。大臂320固定安装于肩部310。小臂340固定安装于肘部330。

如此，机械臂300既具有摆动关节，又具有旋转关节，具有更大的运动自由度，可实现多方面的作业需求，能够灵活地带动末端执行器500作业，实现复杂的单臂或双臂协同作业，执行多样化的现场作业任务。

可选地，相邻两个活动关节308的转动轴线相互垂直。

在又一具体实施例中，请参考图7至图9，末端执行器500可拆卸地安装于腕部350，以便于操作人员根据现场工况能够快速更换末端执行器500，如夹爪、剪钳、破拆器和激光头等。

具体地，请参考图7至图10，末端执行器500包括执行器安装部510和安装于执行器安装部510的执行器工作部520，执行器安装部510具有朝向第四旋转关节307延伸的安装片511，安装片511具有贯穿安装片511的第一安装孔512，执行器安装部510还具有朝向第四旋转关节307延伸的限位片513。

其中，第四旋转关节307包括腕壳体351和旋转安装部353。旋转安装部353可转动地安装于腕壳体351。旋转安装部353具有供安装片511插设的第一安装槽3531，旋转安装部353的侧壁具有位置与第一安装孔512的位置相对应的第二安装孔3532，旋转安装部353还具有供限位片513插设的限位槽(图未示)。

当末端执行器500需要安装到机械臂300时，操作人员将末端执行器500的安装片511插设到旋转安装部353的第一安装槽3531内，且限位片513插设于限位槽内，然后将紧固件从机械臂300的周向外侧插设到第一安装孔512和第二安装孔3532中。

具体地，腕壳体351通过旋转转接件352与旋转安装部353连接。

如此，安装片511插设到第一安装槽3531内，从而末端执行器500在旋转安装部353的周向上受到限位，限位片513对末端执行器500在旋转安装部353的径向进行限位，而紧固件插设到第一安装孔512和第二安装孔3532内，使得末端执行器500在旋转安装部353的轴向受到限制，实现末端执行器500与旋转安装部353紧固连接，且末端执行器500能够随着旋转安装部353及旋转转接件352相对于腕壳体351的轴线旋转。

具体地，请参考图9和图10，腕壳体351的外表面具有第一复位线3511，旋转转接件352的外表面具有第二复位线3521，以使第一复位线3511与第二复位线3521对准时，旋转转接件352处于初始状态。第一复位线3511与第二复位线3521的设置，便于旋转转接件352及与之连接的末端执行器500准确复位。

对于特种机器人而言，当作业结束或作业某一阶段工序结束，末端执行器500需要复位，以便后续作业时，操控装置600基于复位状态给出末端执行器500的多维位移控制指令。

在本申请的一个具体实施例中，请参考图6，第四旋转关节307还包括力传感器361，力传感器361分别与关节驱动件362的输出轴和末端执行器500连接，力传感器361用于检测关节驱动件362和末端执行器500之间的连接应力信息，力传感器361与控制器电性连接，以向控制器发送连接应力信息。控制器能够在连接应力超过告警应力值前，提前调整机械臂300的姿势或更换合适的末端执行器500，避免末端执行器500作业过程中因应力过大而断裂。

特别地，关节驱动件362通过减速器363与力传感器361连接。关节驱动件362通过编码器364与控制器电性连接。

具体地，请结合图6，活动关节308还包括与关节驱动件362的驱动器电性连接的制动器365，关节驱动件362的驱动器与控制器连接，控制器用于向关节驱动件362的驱动器发送制动指令，制动指令用于使制动器365机械锁死关节驱动件362。当特种机器人发生断电或意外报警时，制动器365实现机械强制锁死关节驱动件362。

其中，制动器365可选地电磁制动器。在第四旋转关节307中，关节驱动件362安装于腕壳体351的内部。

可选地，关节驱动件362为伺服电机。

在又一具体实施例中，请参考图2至图4，视觉装置包括第一摄像头410、第二摄像头420和立柱430，第一摄像头410通过第一电动云台411围绕第一竖直轴线X1可旋转地安装于身部主体200的顶部，立柱430安装于底盘100，第二摄像头420通过第二电动云台421围绕第二竖直轴线X2可旋转地安装于立柱430的顶部，控制器分别与第一摄像头410、第二摄像头420、第一电动云台411和第二电动云台421电性连接。

第一摄像头410符合作业人员作业时的人眼视角，用于直观地感知位于该特种机器人前方的作业空间，第二摄像头420用于感知位于该特种机器人两侧或后侧的周边环境，提高作业安全性。控制器获取第一摄像头410和第二摄像头420拍摄的图像信息，并能够通过控制第一电动云台411和第二电动云台421，控制第一摄像头410和第二摄像头420旋转，获取更广视角的图像信息，构建出特种机器人的有效作业空间。

其中，作业空间是指特种机器人的机械臂300及末端执行器500能够到达的目标点的集合，包括位于特种机器人前方的作业空间、位于特种机器人侧方和后方的作业空间。约束空间是指特种机器人本身因环境约束(比如周围环境中的墙、其他阻挡物)而减少的作业空间。有效作业空间是指作业空间减去约束空间后剩下的作业空间。机械臂300在有效作业空间内活动，能够确保安全性。

可选地，请参考图3，第一电动云台411还能驱动第一摄像头410围绕第一水平轴线Y1做俯仰运动。第二电动云台421还能驱动第二摄像头420围绕第二水平轴线Y2做俯仰运动。

可选地，第一摄像头410和第二摄像头420均为高清红外摄像头。

在又一具体实施例中，请参考图7，执行器工作部520包括均转动设置的第一夹指521和第二夹指522。

可选地，视觉装置还包括安装于执行器工作部520的第三摄像头440。

进一步地，第三摄像头440倾斜安装于末端执行器500，以朝向末端执行器500的前部，即朝向末端执行器500的运动执行部位，从而末端执行器500的工作位置位于第三摄像头440拍摄图像的中心，便于操作人员近景观察。

在又一具体实施例中，底盘100包括舱体110和用于驱动舱体110行走的行走机构120，控制器安装于舱体110内，控制器与行走机构120电性连接，特种机器人还包括分别与控制器电性连接的第四摄像头450和第五摄像头460，第四摄像头450安装于舱体110的前侧，第五摄像头460安装于舱体110的后侧。

第四摄像头450用于观察特种机器人的前进以及近地面作业任务的辅助引导。

第五摄像头460用于观察特种机器人的后退以及近地面作业任务的辅助引导。

可选地，第四摄像头450为红外夜视摄像头。

可选地，第五摄像头460为红外夜视摄像头。

可选地，行走机构120为履带机构、滚轮机构或足腿机构。

在又一具体实施例中，请参考图3，身部主体200通过支座201摆动安装于底盘100。如此，身部主体200能够带动机械臂300整体进行俯仰，以便于进行俯仰作业，同时，在俯仰场景作业时，第一摄像头410保持平视，有利于操作人员清晰地观察作业空间，引导机械臂300进行精细操作。

在又一具体实施例中，可参考图3，身部主体200通过航向关节可转动地安装于底盘100。如此，身部主体200能够绕垂直于底盘100的轴线旋转。

具体地，航向关节位于支座201和身部主体200之间。

实施例二

请参考图11至图13，本实施例提供了一种操控装置600，应用于实施例一中任意一种特种机器人。请回顾图4至图6，该特种机器人包括底盘100、身部主体200、机械臂300、视觉装置和控制器，身部主体200安装于底盘100。机械臂300的一端安装于身部主体200，机械臂300的另一端安装有末端执行器500，机械臂300具有多个活动关节308，活动关节308包括关节驱动件362。控制器与多个关节驱动件362电性连接，控制器能够用于获取各个关节驱动件362的当前状态，包括各个关节驱动件362的负载情况、当前位置和当前转动角度，从而获取特种机器人的工作状态。视觉装置用于感知特种机器人的周边环境。控制器与视觉装置电性连接，控制器通过视觉装置获取特种机器人的周围环境的图像信息。

具体地，操控装置600包括第一显示屏601、第二显示屏610、多维操控器和操控系统。操控系统通信连接于特种机器人，具体地，操控系统与特种机器人的控制器通信连接。第一显示屏601、第二显示屏610和多维操控器621分别与操控系统电性连接。操控系统用于从特种机器人处获取反映特种机器人的周围环境的图像信息，以及特种机器人的工作状态。第一显示屏601用于图像信息，第二显示屏610用于显示特种机器人的工作状态，特种机器人的工作状态包括活动关节308的关节驱动件362的当前状态，比如关节驱动件362的负载情况、当前位置和当前转动角度，以及特种机器人的电池状态等中的至少一种。当特种机器人还包括制动器365、力传感器361和电动云台时，特种机器人的工作状态还包括制动器365的工作状态、力传感器361检测到的连接应力信息、电动云台的转动角度等。当特种机器人还包括其他关节时，特种机器人的工作状态还可以包括其他关节的当前状态。

多维操控器621用于将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送给操控系统。操控系统用于根据多维数据向特种机器人发送多维位姿控制指令。多维位姿控制指令包括特种机器人的末端的移动终止位置信息。多维位姿控制指令用于控制特种机器人的机械臂末端移动的终止位置。

本实施例提供的操控装置600的有益效果是，操作人员通过第一显示屏601直观感知特种机器人的自身姿态和周围环境，这样可以辅助操作人员在操作多维操控器621时，输入一些避免机械臂300撞击到周围障碍物的多维数据。由于第二显示屏610用于显示特种机器人的工作状态，因此操作人员可以通过第二显示屏610及时获悉特种机器人的工作状态，包括负载情况、报警情况或供电情况，了解各个活动关节308的工作状态，这样操作人员可以借助多维操控器621去提前规避因关节驱动件362负载过大、断电或其他异常报警而出现操控失误，解决了现有的操控装置600存在的操控安全性低的技术问题，从而提高了操控方式的安全性和可靠性。

其中，多维位姿控制指令包括特种机器人的末端的移动终止位置信息，控制器根据末端的移动终止位置信息计算出具体的移动路径。具体地，特种机器人的控制器能根据多维位姿控制指令计算出各个关节驱动件362的驱动指令，并将驱动指令发送至对应的关节驱动件362。操作人员不需要发送用于控制各个活动关节308对应的具体驱动指令，无需繁琐地单独控制各个活动关节308，操控效率高，操控难度小。

其中，多维操控器621是指能独立输出空间三维平移变量和三维转动变量的设备。多维操控器621可以是3D鼠标或三维座标输入控制器。

在一具体实施例中，请参考图11和图12，多维操控器621为3D鼠标，3D鼠标基于操作人员的操作动作产生多维数据。

其中，多维数据包括增量式多维数据和绝对式多维数据。增量式多维数据是指根据操作人员的操作动作，基于末端执行器500的当前位置，新增的位移距离。比如，操作人员将3D鼠标朝左下方移动距离S，则增量式多维数据表示末端执行器500基于当前位置，还需要朝左下方移动距离M。移动距离S和移动距离M存在线性比例关系。特别地，移动距离S等于移动距离M。

如此，操作人员通过3D鼠标输入多维数据，操控系统基于该多维数据，生成多维位姿控制指令并发送至特种机器人的控制器，控制器自动计算出各个活动关节308所需的转动角度，并向各个关节驱动件362发送对应的转动指令，使得末端执行器500到达操作人员指定的位置，大大降低了操控装置600的使用难度。

在一具体实施例中，请参考图12，操控装置600还包括操控面板602，第二显示屏610安装于操控面板602，操控面板602具有臂操控区620，多维操控器621安装于臂操控区620。操作人员能够在臂操控区620内完成机械臂300的操控。

可选地，臂操控区620的数量与机械臂300的数量一一对应。

具体地，请参考图13，操控装置600还包括安装于臂操控区620的运动速度调节开关622，运动速度调节开关622用于调节机械臂300的运动速度的档位。

比如，运动速度调节开关622为三挡旋钮开关，包括机械臂300的运动速度依次下降的第一速度档位、第二速度档位和第三速度档位。

具体地，请参考图12，操控装置600还包括安装于臂操控区620的运动模式调节开关623，运动模式调节开关623用于调节机械臂300的运动模式，运动模式包括全局运动模式、平动运动模式和绕点运动模式中的至少两个。

比如，运动模式调节开关623为三档旋钮开关，具有全局运动模式、平动运动模式和绕点运动模式。

当操作人员将运动模式调节开关623指向全局运动模式时，多维操控器621输入包含六个自由度的多维数据，能控制机械臂300的末端在有效作业空间内做全局运动。

当操作人员将运动模式调节开关623指向平动运动模式时，多维操控器621输入包含六个自由度的多维数据，操控系统保留三维坐标系中的沿三轴的平移数据和绕竖直轴(Z轴)的旋转数据，忽略两个水平轴线(X轴和Y轴)的旋转数据，即控制机械臂300的末端只能平移和绕竖直轴旋转。比如，当末端执行器500夹持被作业物体时，在平动运动模式下，末端执行器500不会发生倾覆，防止被作业物体内的液体洒落或物体掉落。

当操作人员将运动模式调节开关623指向绕点运动模式时，多维操控器621输入包含六个自由度的多维数据，操控系统保留三维坐标系中的绕三轴的旋转数据，忽略沿三轴的平移数据，即可控制机械臂300的末端只能旋转、不能平移。比如，特种机器人进行排爆作业，需要剪线操作时，在绕点运动模式下，末端执行器500将保持三维空间内指向此点，绕此点的空间旋转运动，实现特殊环境和功能要求下的精细操作。

当机械臂300的数量为两个时，运动模式还包括双臂联合同步运动模式。在双臂联合同步运动模式下，操作人员操作一个多维操控器621，输入多维数据，则两个机械臂300的末端同步按照该多维数据进行运动。比如，两个机械臂300共同夹持某一被作业物体，在双臂联合同步运动模式下，两个机械臂300同步运动，避免因两个机械臂300运动不同步、分离造成被作业物体掉落。

具体地，请参考图13，操控装置600还包括安装于臂操控区620的复位键624，复位键624用于控制机械臂300复位至预设作业姿态。

比如，复位键624的数量为四个，操作人员能够设置四种预设作业姿态。举个例子，其中一个复位键624对应机械臂300的预设作业姿态为末端执行器500复位，操作人员按动该复位键624时，此时腕壳体351的第一复位线3511和旋转转接件352的第二复位线3521对准，实现末端执行器500快速复位。再举个例子，有一个复位键624对应机械臂300的预设作业姿态为如图3所示的初始姿态，操作人员按动该复位键624时，整个机械臂300复位至初始姿态。

具体地，请参考图13，操控装置600还包括安装于臂操控区620的执行器工作按键625，执行器工作按键625用于控制末端执行器500的张开和并拢。

具体地，请参考图13，操控装置600还包括安装于臂操控区620的执行器旋转按键626，执行器旋转按键626用于控制第四旋转关节307正转和反转，以实现末端执行器500外旋和内旋。

在一具体实施例中，请参考图13，操控面板602还具有开关接线区640、底盘操控区650和视觉装置操控区630，开关接线区640设置有电源开关及一些接线插座。底盘操控区650用于输入控制底盘100的行走机构120的行走操纵杆和行走按键。

实施例三

本申请还提供了一种特种机器人系统，包括实施例一中任意一具体实施例中的特种机器人和实施例二中任意一具体实施例中的操控装置600。

请回顾图4至图6，该特种机器人包括底盘100、身部主体200、机械臂300、视觉装置和控制器，身部主体200安装于底盘100。机械臂300的一端安装于身部主体200，机械臂300的另一端安装有末端执行器500，机械臂300具有多个活动关节308，活动关节308包括关节驱动件362。视觉装置用于感知特种机器人的周边环境。控制器分别与视觉装置、多个关节驱动件362电性连接。控制器用于获取各关节驱动件362的当前状态，以及接收来自操控系统的多维位姿控制指令。

请回顾图11至图13，操控装置600包括第一显示屏601、第二显示屏610、多维操控器和操控系统，操控系统通信连接于特种机器人的控制器，第一显示屏601、第二显示屏610和多维操控器621分别与操控系统电性连接，第一显示屏601用于显示视觉装置拍摄的图像信息，第二显示屏610用于显示特种机器人的工作状态。多维操控器621用于输入控制机械臂300的末端移动的多维数据。操控系统根据多维数据向控制器发送多维位姿控制指令。

其中，操作人员通过第一显示屏601直观感知特种机器人的周围环境，避免机械臂300撞击到周围障碍物，以便准确操控机械臂300，通过第二显示屏610及时获悉特种机器人的工作状态，解决了现有的操控装置600存在的操控失灵的技术问题，从而提高了操控方式的安全性和可靠性。

在一具体实施例中，机械臂300还包括与末端执行器500连接的力传感器361，力传感器361用于检测机械臂300和末端执行器500之间的连接应力信息，第二显示屏610还用于显示连接应力信息，从而操作人员能够及时了解机械臂300和末端执行器500之间的受力情况，以准确、安全地输入多维数据。

在一具体实施例中，活动关节308还包括与关节驱动件362电性连接的制动器365，控制器用于向关节驱动件362发送制动指令，以使制动器365机械锁定关节驱动件362。

在一具体实施例中，请参考图3，视觉装置包括多个摄像头，摄像头安装于底盘100、身部主体200或机械臂300，至少一个摄像头通过电动云台安装于底盘100、身部主体200或机械臂300，多个摄像头可以是实施例一中介绍的第一摄像头410、第二摄像头420、第三摄像头440、第四摄像头450和第五摄像头460中的任意三个以上。具体地，第一摄像头410和第二摄像头420通过电动云台安装。

在一具体实施例中，请参考图12，操控面板602安装有切换按键633和操纵杆，切换按键633用于控制第一显示屏601切换显示不同摄像头拍摄到的图像内容，从而第一显示屏601切换至第一摄像头410、第二摄像头420、第三摄像头440、第四摄像头450或第五摄像头460拍摄到的图像内容。操纵杆用于操纵电动云台做旋转运动及俯仰运动，操纵杆还用于操纵电动云台的使能。比如，操纵杆左右移动，表示电动云台做正反旋转；操纵杆上下移动，表示电动云台做俯仰运动。

可选地，操纵杆包括用于操控第一电动云台411的第一操纵杆631和用于操控第二电动云台421的第二操纵杆632。

可选地，请参考图11，操作人员通过切换按键633，实现第一显示屏601切换显示单个摄像头或同时显示至少两个摄像头拍摄的图像。

此外，第一显示屏601还能用于对显示图像进行放大或缩小。

在一具体实施例中，请参考图11和图12，机械臂300的数量为两个以上，多维操控器621的数量与机械臂300的数量相同，多维操控器621与机械臂300一一对应设置。

实施例四

请参考图14，本申请还提供了一种特种机器人系统的控制方法，应用于上述任意一项特种机器人系统，包括：

S100：多维操控器621将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送至操控系统；

S200：操控系统根据多维数据向特种机器人的控制器发送多维位置控制指令。

S300：控制器根据多维位姿控制指令和机械臂的当前姿态计算出各个关节驱动件362的驱动指令。

S400：控制器将驱动指令发送至对应的关节驱动件362。

如此，操控人员只需通过多维操控器621输入多维数据，控制器自动计算出对应的关节驱动件362的驱动指令，使得末端执行器500实现到达操控人员指定的目标位置，提高了特种机器人的操控便捷性，降低操控难度，为操控人员提供了一种简洁高效的操控方式。

其中，上述步骤的执行主体是控制器。控制器还可以根据机械臂300的当前状态和多维位姿控制指令计算出各个关节驱动件362的驱动指令。机械臂300的当前状态包括机械臂300的当前位姿、各活动关节308的转动角度、驱动电机的负载状态中的一个或多个。

在具体实施例中，该特种机器人还包括第一摄像头410、第二摄像头420和立柱430，第一摄像头410通过第一电动云台411可旋转地安装于身部主体200的顶部，立柱430安装于底盘100，第二摄像头420通过第二电动云台421可旋转地安装于立柱430的顶部。上述控制方法还包括：

接收操控装置600发送的第一矢量指令，根据第一矢量指令和第一电动云台411的当前状态计算出第一运动指令，并将第一运动指令发送至第一电动云台411。

接收操控装置600发送的第二矢量指令，根据第二矢量指令和第二电动云台421的当前状态计算出第二运动指令，并将第二运动指令发送至第二电动云台421。

如此，操作人员通过操控装置600的操纵杆，便捷地控制第一电动云台411和第二电动云台421的旋转运动和俯仰运动。

在其中一个实施例中，底盘100包括舱体110和用于驱动舱体110行走的行走机构120，控制器与行走机构120电性连接。

本申请提供的控制方法还包括：控制器接收操控装置600发送的用于底盘100运动控制的第三矢量指令，控制器计算出第三运动指令并发送至底盘100。如此，操作人员通过操控装置600的底盘操控区650的操控杆及按钮，便捷地控制底盘100的行走机构120行走。

在其中一个实施例中，身部主体200摆动安装于底盘100。

本申请提供的控制方法还包括：控制器还接收操控装置600发送的用于控制身部主体200的第四矢量指令，控制器根据第四矢量指令计算出第四运动指令并发送至身部主体200，以控制身部主体200的俯仰运动及旋转运动。

本实施例中，控制器以高刷新率、周期性下发至各关节驱动件362、底盘100、第一电动云台411、第二电动云台421和身部主体200，控制其实现对应指令运动，完成特种机器人控制的整个流程。

在其中一个实施例中，操控装置600将多维位姿控制指令周期性发送到控制器，控制器在单个周期内完成当前驱动指令的计算及发送，关节驱动件362接收到当前驱动指令后立即按当前驱动指令运行。

即，控制器在单个周期内完成机械臂300的运动轨迹计算、作业空间判断、报警信息处理或驱动指令的计算及下发，关节驱动件362在接收到驱动指令的第一时间开始按照驱动指令运行；在下一个周期，新的多维位姿控制指令到来并完成所述流程，将新的驱动指令发送至关节驱动件362时，无论关节驱动件362前一指令周期收到的驱动指令是否执行完毕，均立即开始执行最新接收到的驱动指令，以此实现低延迟的实时控制。

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

Claims (10)

1.一种操控装置，应用于特种机器人，其特征在于：所述操控装置包括第一显示屏、第二显示屏、多维操控器和操控系统；

所述操控系统用于与所述特种机器人通信连接，所述操控系统用于从所述特种机器人处获取反映所述特种机器人的周围环境的图像信息，以及所述特种机器人的工作状态；所述操控系统分别与所述第一显示屏、所述第二显示屏和所述多维操控器电性连接；

所述第一显示屏用于显示所述图像信息；

所述第二显示屏用于显示所述特种机器人的工作状态；

所述多维操控器用于将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送给所述操控系统；

所述操控系统用于根据所述多维数据向所述特种机器人发送多维位姿控制指令。

2.根据权利要求1所述的操控装置，其特征在于：所述操控装置还包括操控面板，所述第二显示屏安装于所述操控面板，所述操控面板具有臂操控区，所述多维操控器安装于所述臂操控区；

所述特种机器人包括控制器，所述操控系统用于根据所述多维数据向所述控制器发送多维位姿控制指令。

3.根据权利要求2所述的操控装置，其特征在于：所述操控装置还包括以下中的至少一个：

安装于所述臂操控区的运动速度调节开关，所述运动速度调节开关用于调节所述特种机器人的机械臂的运动速度的档位；

安装于所述臂操控区的运动模式调节开关，所述运动模式调节开关用于调节所述特种机器人的机械臂的运动模式，所述运动模式包括全局运动模式、平动运动模式和绕点运动模式中的至少两个；

安装于所述臂操控区的复位键，所述复位键用于控制所述特种机器人的机械臂复位至预设作业姿态。

4.一种特种机器人系统，其特征在于：包括特种机器人和权利要求1～3任一项所述的操控装置，所述特种机器人用于向所述操控装置提供用于反映所述特种机器人的周围环境的图像信息，以及所述特种机器人的工作状态。

5.根据权利要求4所述的特种机器人系统，其特征在于：所述特种机器人包括底盘、身部主体、机械臂、视觉装置和控制器，所述身部主体安装于所述底盘，所述机械臂的一端安装于所述身部主体，所述机械臂的另一端安装有末端执行器，所述机械臂具有多个活动关节，所述活动关节包括关节驱动件，所述视觉装置用于感知所述特种机器人的自身姿态和周围环境，所述控制器分别与所述视觉装置、多个所述关节驱动件电性连接，所述控制器用于获取各所述关节驱动件的当前状态，以及接收来自所述操控系统的多维位姿控制指令。

6.根据权利要求5所述的特种机器人系统，其特征在于：所述机械臂还包括与所述末端执行器连接的力传感器，所述力传感器用于检测所述机械臂和所述末端执行器之间的连接应力信息，所述第二显示屏还用于显示所述连接应力信息。

7.根据权利要求5所述的特种机器人系统，其特征在于：所述活动关节还包括与所述关节驱动件电性连接的制动器，所述控制器用于向所述关节驱动件发送制动指令，所述制动指令用于使所述制动器机械锁定所述关节驱动件。

8.根据权利要求5至7任意一项所述的特种机器人系统，其特征在于：所述视觉装置包括安装于所述底盘、所述身部主体或所述机械臂的多个摄像头，至少一个所述摄像头通过电动云台安装，所述操控装置还包括操控面板以及安装于所述操控面板的切换按键和操纵杆，所述切换按键用于控制所述第一显示屏切换显示不同所述摄像头拍摄到的图像内容，所述操纵杆用于操纵所述电动云台做旋转运动及俯仰运动，所述操纵杆还用于操纵所述电动云台的使能。

9.一种特种机器人系统的控制方法，应用于权利要求4至8任意一项所述的特种机器人系统，其特征在于，包括：

多维操控器将基于操作人员的输入动作产生的多维数据发送至操控系统；

所述操控系统根据所述多维数据向特种机器人的控制器发送多维位置控制指令；

所述控制器根据所述多维位姿控制指令和机械臂的当前姿态计算出各个关节驱动件的驱动指令；

所述控制器将所述驱动指令发送至对应的所述关节驱动件。

10.根据权利要求9所述的特种机器人系统的控制方法，其特征在于：所述多维位姿控制指令周期性发送到所述控制器，所述控制器在单个周期内完成当前所述驱动指令的计算及发送，所述关节驱动件接收到当前所述驱动指令后立即按当前所述驱动指令运行。

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