CN114803952A - 具有高地形适应性的可协作搬运机器人及协作搬运方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人及协作搬运方法，包括底盘模块、三向举升模块、高适应性托举模块和感知模块。所述底盘模块用于驱动机器人行走和转向，所述三向举升模块用于控制货物三个方向的平移和三个方向的转动，高适应性托举模块承载货物并进行角度微调，通过感知模块用于引导机器人行走，判断货物姿态及位置，可平稳、安全的对货物进行搬运。本发明的可协作搬运机器人可采用单机作业，也可采用多个机器人的协同作业，并且其地形适应性好，即便路面条件较差时，也能保持货物稳定和安全。

Description

具有高地形适应性的可协作搬运机器人及协作搬运方法
技术领域
本发明涉及搬运设备技术领域，具体为一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人及协作搬运方法。
背景技术
搬运设备被广泛应用于生产生活中的许多领域。传统的叉车和起重机在平整路面能够满足大部分货物的搬运工作，但是存在以下几点不足之处：
1.传统的叉车和起重机体积相对货物较庞大，需要较大的工作空间，在一些狭窄的地方操作不便。
2.其设备本身的远距离运输也较为困难。
3.对于体积或重量超过单个叉车或起重机搬运能力的货物，通过多个设备协作完成货物的举升或搬运较为困难，只能采用更大吨位的叉车或起重机。
4.在路面条件较差情况下，尤其高地形下，难以保证被托举货物的稳定。
因此，设计一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人是有必要的。
发明内容
为此，本发明提供一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人及协作搬运方法，通过多个机器人协作工作解决上述背景技术中提出的问题，在大型举升设备无法作业的工况下，通过多个搬运机器人具有的多自由度，协作完成货物的搬运，并且其地形适应性好，在路面条件较差时，通过协同作业能够保持货物搬运的稳定性和安全性。
本发明第一方案提供一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述可协作搬运机器人包括底盘模块、三向举升模块、高适应性托举模块和感知模块；
所述底盘模块与三向举升模块连接；
所述三向举升模块与高适应性托举模块连接，所述高适应性托举模块承载货物；
所述感知模块设置在高适应性托举模块下方；
所述底盘模块包括行走控制组件和转向控制组件；
所述三向举升模块具有X、Y、Z三个方向平移自由度；
所述高适应性托举模块具有球铰机构。
进一步地：
所述三向举升模块包括X方向举升单元、Z方向举升单元、Y方向举升单元；
所述X方向举升单元底部和底盘模块连接；所述Z向举升单元固定在X方向举升单元顶部；所述Y方向举升单元固定在Z方向举升单元的举升支架上；所述Y方向举升单元上固定高适应托举模块；
每个所述举升单元内部分别设置有独立的驱动装置。
进一步地：
所述高适应性托举模块包括支架、托头、锁止销；
所述支架与托头通过球铰连接，所述托头和支架之间配合开设有销孔，所述锁止销可插拔于所述销孔中；
所述托头包括承载托盘和球头，所述承载托盘用于承载货物。
进一步地：
所述托头的承载托盘和球头上同步开设所述销孔，所述锁止销插入时贯穿所述球头。
进一步地：
所述托头的托盘和球头部位同步开设有销孔，用于插入所述锁止销。
进一步地：
所述感知模块包括视觉单元、姿态感知单元和测距单元；
所述视觉单元引导车辆行驶路线；
所述姿态感知单元检测承载货物的姿态；
所述测距单元感知货物与目标位置之间的距离。
本发明第二方案提供一种具有高地形适应性的协作搬运系统，其特征在于：包括所述的可协作搬运机器人；
当搬运体积小和/或质量轻的货物时，使用一台所述可协作搬运机器人；
当搬运体积大和/或质量重的货物时，使用多台所述可协作搬运机器人。
本发明第三方案提供一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人的协作搬运方法，采用所述的可协作搬运机器人，
当单一可协作搬运机器人搬运货物时，控制所述高适应性托举模块的球铰机构不动；
当多台可协作搬运机器人搬运货物时，控制所述高适应性托举模块的球铰机构可动。
进一步地：
当多台所述可协作搬运机器人搬运货物时：
调整货物沿X方向平移时，同步控制各个所述三向举升模块的X方向自由度，其他方向不动；
调整货物沿Y方向平移时，同步控制各个所述三向举升模块的Y方向自由度，其他方向不动；
调整货物沿Z方向升降时，同步控制各个所述三向举升模块的Z方向自由度，其他方向不动。
进一步地：
当多台所述可协作搬运机器人搬运货物时：
以目标地行驶方向为货物前方，
调整货物俯仰角度时，位于货物前方的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向上/向下平移，位于货物后方的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向下/向上平移；
调整货物侧倾角度时，位于货物右侧的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向上/向下平移，位于货物左侧的搬运机器人将货物向下/向上平移；
调整货物的横摆角度时，所有搬运机器人通过调整三向举升模块的X向和Y向自由度，使货物顺时针或逆时针转动。
本发明由于采取上述技术方案，其相比于现有技术体现了如下显著的技术效果：
1.本发明提出的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，所述的搬运机器人体积小，重量轻，便于运输，布置灵活。
2.本发明提出的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，小巧灵活，在大型举升设备无法作业的工况下，能通过多个机器人协作完成货物的搬运。
3.本发明提出的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，具有多自由度，其地形适应性好，在路面条件较差时，通过协同作业能够保持货物稳定和安全的搬运。
4.本发明提出的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，可应用于仓库、车间和野外等多种场景。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明示出的单一搬运机器人总体结构拆解示意图；
图2为本发明示出的三向举升模块结构拆解图；
图3-1为本发明示出的高适应性托举模块结构外观图；
图3-2为本发明示出的高适应性托举模块结构剖视图；
图4为本发明示出的托头结构剖视图；
图5为本发明示出的多个机器人协作搬运示意图。
图中：
1-底盘模块；2-三向举升模块；3-高适应性托举模块；4-感知模块。
21-X方向举升单元；22-Z方向举升单元；23-Y方向举升单元。
211-底板一；212-滑轨装置。
221-底座；222-升降装置；223-举升支架。
231-底板二；232-滑轨装置。
31-支架；32-托头；33锁止销。
321-承载托盘；322-球头；323-凹槽；324-销孔。
51-搬运机器人A；52-搬运机器人B；53-搬运机器人C；54-搬运机器人D。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人，如图1所示，可协作搬运机器人主要包括有底盘模块1、三向举升模块2、高适应性托举模块3和感知模块4，底盘模块1与三向举升模块2连接，三向举升模块2与适应性托举模块3连接，感知模块4设置在高适应性托举模块3的下方。所述底盘模块1，用于驱动搬运机器人行走，其他模块装配于其上；所述三向举升模块2设置三个方向的平移自由度，所述高适应性托举模块3承托货物，配合单一机器人或多机器人执行搬运动作，所述感知模块4感知货物放置状态及货物与目标位置的距离，各模块协同作业，实现对货物平稳和安全搬运。
底盘模块1
如图1所示，所述底盘模块1的顶部和三向举升模块2连接，所述底盘模块1包括控制车辆的行走控制组件和转向控制组件，底盘模块1具有行走、制动及转向的功能，用于控制搬运机器人行走、制动及转向。所述底盘模块1可采用轮式或履带式行走装置。本实施例以轮式行走为例，所有车轮可以90度转向。
三向举升模块2
如图1和2所示，所述三向举升模块2包括X方向举升单元21、Z方向举升单元22、Y方向举升单元23。
所述X方向举升单元21设置有底板一211和滑轨装置212，底板一211的底部和底盘模块1固定连接，底板一211的上表面安装滑轨装置212，滑轨装置212包括电机、导轨和滑块，在电机驱动下滑块在导轨上滑动。所述滑轨装置沿车辆X方向(纵向)布置。
所述Z方向举升单元22固定在X方向举升单元21顶部的滑块上，所述Z方向举升单元22设置有底座221、升降装置222和举升支架223，底座221安装在X方向举升单元21顶部的滑块上，升降装置222安装在底座221之上，举升支架223安装在升降装置222的侧面，升降装置222采用液压升降机构或者多级丝杠机构都行。
所述Y方向举升单元23固定在Z方向举升单元22的举升支架223上，所述举升支架223上设有多组固定装置，例如螺栓或锁止销，可在不同高度固定Y方向举升单元23。所述Y方向举升单元23同样设置有底板二231和滑轨装置232，原理同X方向举升单元21，所述Y方向举升单元23上固定高适应托举模块3，也可固定其他形式的托举装置。
每个举升单元内部分别设置有独立的驱动装置，如X方向举升单元21的滑轨装置212、Z方向举升单元22的升降装置222、Y方向举升单元23的滑轨装置232，所述三向举升模块2具有三个方向平移自由度，三个方向的平移自由度分别由每个驱动装置驱动各自的举升单元进行控制，即X方向、Z方向、Y方向三个方向。
所述搬运机器人三个方向的规定：所述搬运机器人坐标原点位于底盘中心位置，X方向平行于机器人底盘，X正方向指向货物。Z方向垂直于机器人底盘方向，Z正方向指向机器人上方。Y方向垂直于X方向和Z方向，Y正方向由右手法则确定。因此三向举升模块2具有三个方向平移自由度，这里既包括三个方向正方向的自由度移动，也包括三个方向负方向的自由度移动。
高适应性托举模块3
如图3-1、3-2和图4所示，所述高适应性托举模块3包括支架31、托头32、锁止销33。所述支架31通过螺栓固定在三向举升模块2的Y方向举升单元23上，所述托头32通过球铰与支架31连接，所述锁止销33安装在支架31和托头32之间的销孔324中。
如图4所示，所述托头32包括承载托盘321和球头322。
所述托头32的上部为承载托盘321，所述承载托盘321的中心位置有一凹槽323，所述凹槽323为圆形，凹槽323的开槽深度比锁止销33的头部稍高一些。所述凹槽323下边有销孔324，销孔324为通孔，一直贯穿整个托头32。所述凹槽323和销孔324的中心线为同一个中心线，凹槽323的直径大于销孔324的直径。所述锁止销33可插到凹槽323和销孔324中，所述锁止销33的头部与凹槽323装配，锁止销33的销体插到销孔324中，并穿过销孔324，使锁止销33的底部突出于支架31下方。
所述托头32的下部为球头322，所述球头322为球形，球头322与底部的支架31配合在一起形成球铰连接。当球铰连接时，球头322自由转动，就会带动所述托头32转动，即所述高适应性托举模块3转动。
当锁止销33插入凹槽323和销孔324中，即锁止销33穿过支架31和托头32时，插入的锁止销33限制托头32绕X方向和Y方向的转动，托头32只能绕Z方向转动，因此限值了托头32的自由转动，即限值了高适应性托举模块3的自由转动。
当锁止销33从凹槽323和销孔324中拔出，即锁止销33从支架31和托头32拔出时，托头32与支架31通过球铰连接，托头32能够实现相对X方向、Y方向、Z方向的自由转动，即高适应性托举模块3可以相对X方向、Y方向、Z方向自由转动。
当单一搬运机器人进行搬运工作时，需将锁止销33插入，限制了托头32的自由活动，使支架31和托头32相对固定，可搬运体积小、质量轻的货物。
当多个搬运机器人协作搬运体积大、质量大的货物时，需将锁止销33拔出，支架31和托头32能够实现相对转动，使托头32能够和货物搬运底面更好贴合。
感知模块4
所述感知模块4设置在高适应性托举模块3的承载托盘321的下方位置。
所述感知模块4包括视觉单元、姿态感知单元和测距单元。
所述视觉单元用来引导车辆行驶至目标位置。
所述姿态感知单元用来检测搬运过程中货物的姿态，避免货物发生倾覆。
所述测距单元用来感知货物与目标位置之间的距离。
本发明同时提供一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人的搬运方法。
单一搬运机器人搬运货物时：
当单一搬运机器人进行搬运工作时，将锁止销33插入到支架31和托头32中，此时托头32只能绕Z轴旋转，托头保持相对平稳，能够托住货物，即高适应性托举模块3相对稳定。
货物固定在承载托盘321上，通过控制三向举升模块2三个方向自由度，带动固定在举升单元上的高适应性托举模块3沿某一方向移动，进一步地，带动高适应性托举模块3上的承载托盘321沿某一方向移动，从而带动承载托盘321上的货物发生移动。
进一步地，搬运机器人通过感知模块4的视觉单元引导行驶到指定地点，通过感知模块4的测距单元获得与目标位置之间的距离，将货物移动到目标位置，完成搬运过程。
多个搬运机器人协作搬运货物时：
采用多个机器人协作工作时，首先多个机器人同时运动到货物附近，将锁止销33从支架31和托头32中取出，使支架31和托头32通过球铰连接，此时托头32相对自由转动，即高适应性托举模块3相对自由转动，使承载托盘321能与货物底部良好接触。
在搬运过程中，以目标地行驶方向定义为货物前方，调整货物俯仰角度时(使货物绕X轴转动)，位于货物前方的搬运机器人通过调整三向举升模块2将货物向上(或向下)平移，位于货物后方的搬运机器人通过调整三向举升模块2将货物相对于前方向相反方向平移(向下/向上)，从而调整货物的俯仰角度(使货物绕x轴转动)。
调整货物侧倾角度时(使货物绕Y轴转动)，位于货物右侧的搬运机器人通过调整三向举升模块2将货物向上(或向下)平移，位于货物左侧的搬运机器人将货物向相反方向平移，从而调整货物的侧倾角度(使货物绕Y轴转动)。
调整货物的横摆角度时，所有搬运机器人通过调整三向举升模块2，使货物顺时针或逆时针转动，从而调整货物的横摆角度(使货物绕Z轴转动)。
在搬运过程中，如果出现承载托盘321不能与货物底部良好接触，则通过调整高适应性托举模块3相对自由转动，使其接触。
在搬运过程中，通过感知模块4的姿态感知单元对货物的姿态进行监控，并通过高适应性托举模块3调整货物的姿态，防止货物脱落，通过感知模块4的视觉单元引导行驶到指定位置，通过感知模块4的测距单元判断货物与目标位置的距离，将货物移动到目标位置，完成搬运过程。
实施例
多个搬运机器人协作对货物进行六个自由度方向的调整，具体方法如下：
如图5所示，实施例的四个搬运机器人分别是：搬运机器人A51、搬运机器人B52、搬运机器人C53、搬运机器人D54，设置在货物的四个角处。
首先将锁止销33从支架31和托头32中取出，此时托头32相对自由转动，即高适应性托举模块3相对自由转动，与货物良好接触。四个搬运机器人同时控制各自的三向举升模块2，通过举升单元内的驱动装置驱动举升单元沿某一方向移动，从而带动固定在举升单元上的高适应性托举模块3沿某一方向移动，进一步地带动高适应性托举模块3上的承载托盘321沿某一方向移动，从而使承载托盘321上的货物也随着沿某一方向移动。
如果四个搬运机器人同时通过控制各自的三向举升模块2，使高适应性托举模块3沿X方向或Y方向移动时，则货物发生平移，如果四个搬运机器人同时通过控制各自的三向举升模块2，使高适应性托举模块3沿Z方向移动时，则货物发生升降。
当搬运机器人A51和搬运机器人B52的三向举升模块2不动，并且搬运机器人C53和搬运机器人D54控制各自的三向举升模块2的Z方向举升单元22同时动作时，带动搬运机器人C53和搬运机器人D54上的高适应性托举模块3向Z方向动作，从而使四个搬运机器人上承载的货物绕Y方向发生转动。
同理，当搬运机器人A51和搬运机器人C53的三向举升模块2不动，搬运机器人B52和搬运机器人D54控制各自的三向举升模块2的Z方向举升单元22同时动作时，带动搬运机器人B52和搬运机器人D54上的高适应性托举模块3向Z方向动作，从而使四个搬运机器人上承载的货物绕X方向发生转动。
同理，当搬运机器人A51和搬运机器人C53控制各自的三向举升模块2的X方向举升单元21同时沿X正方向动作，搬运机器人B52和搬运机器人D54控制各自的三向举升模块2的X方向举升单元21同时沿X负方向动作时，带动搬运机器人A51和搬运机器人C53上的高适应性托举模块3向X正方向动作，带动搬运机器人B52和搬运机器人D54上的高适应性托举模块3向X负方向动作，同时，搬运机器人A51和B52沿Y方向负向调整，搬运机器人C53和D54沿Y方向负向调整，从而使四个搬运机器人上承载的货物绕Z方向发生顺时针转动。逆时针旋转控制亦然。
所以，当多个机器人协作进行搬运时，通过多个机器人三个自由度的平移运动和X方向、Y方向、Z方向的旋转动作，实现对货物六个自由度方向调整，维持货物在举升、下落、搬运过程中的稳定性和安全性。

Claims (10)

1.一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：包括底盘模块、三向举升模块、高适应性托举模块和感知模块；
所述底盘模块与三向举升模块连接；
所述三向举升模块与高适应性托举模块连接，所述高适应性托举模块承载货物；
所述感知模块设置在高适应性托举模块下方；
所述底盘模块包括行走控制组件和转向控制组件；
所述三向举升模块具有X、Y、Z三个方向平移自由度；
所述高适应性托举模块具有球铰机构。
2.根据权利要求1所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述三向举升模块包括X方向举升单元、Z方向举升单元、Y方向举升单元；
所述X方向举升单元底部和底盘模块连接；所述Z向举升单元固定在X方向举升单元顶部；所述Y方向举升单元固定在Z方向举升单元的举升支架上；所述Y方向举升单元上固定高适应托举模块；
每个所述举升单元内部分别设置有独立的驱动装置。
3.根据权利要求1所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述高适应性托举模块包括支架、托头、锁止销；
所述支架与托头通过球铰连接，所述托头和支架之间配合开设有销孔，所述锁止销可插拔于所述销孔中；
所述托头包括承载托盘和球头，所述承载托盘用于承载货物。
4.根据权利要求3所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述托头的承载托盘和球头上同步开设所述销孔，所述锁止销插入时贯穿所述球头。
5.根据权利要求3或4所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述托头的托盘和球头部位同步开设有销孔，用于插入所述锁止销。
6.根据权利要求1所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人，其特征在于：
所述感知模块包括视觉单元、姿态感知单元和测距单元；
所述视觉单元引导车辆行驶路线；
所述姿态感知单元检测承载货物的姿态；
所述测距单元感知货物与目标位置之间的距离。
7.一种具有高地形适应性的协作搬运系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的可协作搬运机器人；
当搬运体积小和/或质量轻的货物时，使用一台所述可协作搬运机器人；
当搬运体积大和/或质量重的货物时，使用多台所述可协作搬运机器人。
8.一种具有高地形适应性的可协作搬运机器人的协作搬运方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任一项所述的可协作搬运机器人，
当单一可协作搬运机器人搬运货物时，控制所述高适应性托举模块的球铰机构不动；
当多台可协作搬运机器人搬运货物时，控制所述高适应性托举模块的球铰机构可动。
9.根据权利要求8所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人的协作搬运方法，其特征在于：
当多台所述可协作搬运机器人搬运货物时：
调整货物沿X方向平移时，同步控制各个所述三向举升模块的X方向自由度，其他方向不动；
调整货物沿Y方向平移时，同步控制各个所述三向举升模块的Y方向自由度，其他方向不动；
调整货物沿Z方向升降时，同步控制各个所述三向举升模块的Z方向自由度，其他方向不动。
10.根据权利要求8所述的具有高地形适应性的可协作搬运机器人的协作搬运方法，其特征在于：
当多台所述可协作搬运机器人搬运货物时：
以目标地行驶方向为货物前方，
调整货物俯仰角度时，位于货物前方的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向上/向下平移，位于货物后方的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向下/向上平移；
调整货物侧倾角度时，位于货物右侧的搬运机器人通过调整三向举升模块将货物向上/向下平移，位于货物左侧的搬运机器人将货物向下/向上平移；
调整货物的横摆角度时，所有搬运机器人通过调整三向举升模块的X向和Y向自由度，使货物顺时针或逆时针转动。
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