CN115958575A - 类人灵巧操作移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种类人灵巧操作移动机器人，涉及机器人技术领域，包括：支撑底盘、移动单元、摄像单元、激光雷达单元、躯干单元和控制单元，移动单元、摄像单元、激光雷达单元和躯干单元均连接至支撑底盘，躯干单元包括躯干本体和仿人手臂，仿人手臂连接至躯干本体，仿人手臂包括手部组件。手部组件包括掌部基板、拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构、小指机构和驱动装置。移动单元、摄像单元、激光雷达单元和躯干单元均与控制单元电连接。由此，操作员可以控制该机器人灵活地执行各种复杂的任务。该机器人具备类人灵巧操作能力及移动能力，同时配置有相机和激光雷达，其能够在复杂危险的环境下辅助或者替代人类执行各种危险的任务。

Description

类人灵巧操作移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种类人灵巧操作移动机器人。

背景技术

随着科技的进步，机器人技术获得的快速发展，越来越多的机器人出现在社会生活中并能够代替人类解决一些复杂繁琐的技术问题。其中，利用机器人代替或者辅助人类从事危险场景的作业任务，是机器人领域的重要发展目标。

相关技术中，部分机器人仿照人类的身体结构进行设计，这些机器人具有类似于手指的末端抓取结构，可以完成简单的抓取、放置、转运等基本动作及任务。然而，目前国内外能够进行移动作业的机器人，其末端抓取结构主要以二指、三指为主，能够实现的动作有限，在一些危险复杂的工作场景下无法像人类的手指一样灵活地实现各种操作任务。

对此，面对部分危险复杂的工作场景，有必要提供一种类人灵巧操作移动机器人，使其能够在操作员的控制下或者自行移动至预定位置，并且具备类人的灵巧操作能力来执行复杂性和风险性较高的任务。

发明内容

本发明提供一种类人灵巧操作移动机器人，用以解决现有技术中部分机器人的末端抓取结构过于简单，无法在危险复杂的场景下执行复杂任务的缺陷，通过在机器人上设置具有拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小指机构的手部组件，使得该机器人的手部组件能够像人类的手指一样执行复杂性和风险性较高的任务。

本发明提供一种类人灵巧操作移动机器人，包括：支撑底盘、移动单元、摄像单元、激光雷达单元、躯干单元和控制单元，所述移动单元、所述摄像单元、所述激光雷达单元和所述躯干单元均连接至所述支撑底盘，所述躯干单元包括躯干本体和仿人手臂，所述躯干本体连接至所述支撑底盘，所述仿人手臂连接至所述躯干本体，所述仿人手臂包括手部组件，其中，

所述手部组件包括掌部基板、拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构、小指机构和驱动装置，所述拇指机构、所述食指机构、所述中指机构、所述无名指机构和所述小指机构均连接至所述掌部基板，所述拇指机构包括多个依次相连的拇指指节，相邻的所述拇指指节之间相互连接并形成拇指关节，所述食指机构、所述中指机构、所述无名指机构、所述小指机构均包括多个依次相连的手指指节，相邻的所述手指指节之间相互连接并形成手指关节，所述驱动装置与所述拇指关节和所述手指关节驱动连接；

所述控制单元设置在所述支撑底盘的内部，所述移动单元、所述摄像单元、所述激光雷达单元和所述躯干单元均与所述控制单元电连接，所述控制单元配置为：基于所述摄像单元和所述激光雷达单元获取的环境信息，控制所述移动单元移动并控制所述躯干单元的所述仿人手臂执行任务。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述控制单元包括：

路径规划模块，所述路径规划模块用于根据设定的目标位置以及所述摄像单元和所述激光雷达单元感测到的环境信息，对移动路径进行规划；

感知增强模块，所述感知增强模块用于在所述移动单元移动的过程中，根据所述路径规划模块规划的移动路径，以及所述摄像单元和所述激光雷达单元实时获取的周边环境信息，对周边环境进行分析，并在周边环境出现干涉时发出预警信息；

紧急避障与驾驶权切换模块，所述紧急避障与驾驶权切换模块用于在所述移动单元移动的过程中，根据所述感知增强模块对周边环境的分析结果判断路况，其中，在人工操作模式下检测到当前路况超出人工控制能力范围时，将人工操作模式切换为智能操作模式，在智能操作模式下检测到当前路况超出智能控制能力范围时，将智能操作模式切换为人工操作模式。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述仿人手臂还包括依次连接的肩部组件、手臂组件和腕部组件，所述肩部组件连接至所述躯干本体，所述腕部组件与所述手部组件连接。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述肩部组件包括依次连接的第一肩结构和第二肩结构，所述第一肩结构连接至所述躯干本体，所述第二肩结构连接至所述手臂组件，所述第一肩结构与所述躯干本体之间形成第一肩关节，所述第一肩结构和所述第二肩结构之间形成第二肩关节，所述第二肩结构和所述手臂组件之间形成第三肩关节，所述第一肩关节具有旋转自由度，所述第二肩关节具有摆动自由度，所述第三肩关节具有旋转自由度。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述手臂组件包括依次连接的上臂、第一肘结构、第二肘结构和下臂，所述上臂连接至所述肩部组件，所述下臂连接至所述腕部组件，所述第一肘结构和所述第二肘结构之间形成第一肘关节，所述第二肘结构和所述下臂之间形成第二肘关节，所述第一肘关节具有屈伸自由度，所述第二肘关节具有旋转自由度。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述腕部组件包括依次连接的腕部法兰、腕部托架和掌腕连接机构，所述腕部法兰连接至所述手臂组件，所述掌腕连接机构连接至所述手部组件，所述腕部法兰和所述腕部托架之间形成第一腕关节，所述腕部托架和所述掌腕连接机构之间形成第二腕关节，所述第一腕关节具有侧摆自由度，所述第二腕关节具有屈伸自由度。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述驱动装置包括多个驱动机构，多个所述驱动机构与所述拇指关节和所述手指关节一一对应设置，每一所述驱动机构包括驱动电机和两根驱动腱绳，所述驱动电机通过两根所述驱动腱绳与所述拇指关节和所述手指关节中对应的一个关节驱动连接。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述躯干单元还包括腰部机构，所述躯干本体经由所述腰部机构连接至所述支撑底盘，所述腰部机构与所述支撑底盘之间形成第一腰关节，所述腰部机构与所述躯干本体之间形成第二腰关节，所述第一腰关节具有旋转自由度，所述第二腰关节具有弯曲自由度。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述躯干单元还包括3D-RGB相机和红外测温热像仪，所述3D-RGB相机和所述红外测温热像仪设置在所述躯干本体的顶部。

根据本发明提供的一种类人灵巧操作移动机器人，所述摄像单元包括前向RGB相机和全景RGB相机，所述支撑底盘设置有沿其高度方向向上延伸的支撑杆，所述前向RGB相机和所述全景RGB相机设置在所述支撑杆的顶部；和/或所述移动单元包括两个履带式移动底盘，两个所述履带式移动底盘分别设置在所述支撑底盘的两侧。

本发明提供的类人灵巧操作移动机器人具备类似于人类的手臂和手掌结构，操作员可以控制该机器人灵活地执行各种复杂的任务。同时，该机器人配置有相机、激光雷达和红外测温热像仪，其能够在复杂危险的环境下辅助或者替代人类执行各种危险的任务。

此外，本发明中的类人灵巧操作移动机器人，还可以配置控制单元，使其能够根据目标任务具备一定的自主运动规划和避障能力，从而能够在人-机协同的状态下完成任务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的第一个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人的结构示意图；

图2是图1中所示类人灵巧操作移动机器人中的仿人手臂的结构示意图；

图3是图2中所示的仿人手臂又一个视角的结构示意图；

图4是图2中所示的仿人手臂中的手部组件的结构示意图；

图5是图3中所示的手部组件的骨架模型及关节分布示意图；

图6是图4中所示手部组件中的拇指机构的结构示意图；

图7是图4中所示手部组件中的食指机构的结构示意图；

图8根据本发明的一个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人中的控制单元的连接示意图；

图9是根据本发明的第二个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人中的移动单元的结构示意图；

图10是根据本发明的第三个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人中的移动单元的结构示意图；

图11是根据本发明的第四个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人中的移动单元的结构示意图；

图12是根据本发明的第五个实施方式中的类人灵巧操作移动机器人中的移动单元的结构示意图。

附图标记：

1、躯干单元；11、躯干本体；12、仿人手臂；121、手部组件；1211、掌部基板；1212、拇指机构；1213、食指机构；1214、中指机构；1215、无名指机构；1216、小指机构；122、肩部组件；1221、第一肩结构；1222、第二肩结构；1223、第一肩关节；1224、第二肩关节；1225、第三肩关节；123、手臂组件；1231、上臂；1232、第一肘结构；1233、第二肘结构；1234、下臂；1235、第一肘关节；1236、第二肘关节；124、腕部组件；1241、腕部法兰；1242、腕部托架；1243、掌腕连接机构；1244、第一腕关节；1245、第二腕关节；13、腰部机构；14、3D-RGB相机；15、红外测温热像仪；2、支撑底盘；3、移动单元；4、摄像单元；41、前向RGB相机；42、全景RGB相机；5、激光雷达单元；61、拇指近指节；62、拇指中指节；63、拇指远指节；64、拇指近关节；65、拇指远关节；66、拇指掌指关节； 71、手指近指节；72、手指中指节；73、手指远指节；74、手指近关节；75、手指远关节；76、手指掌指关节；81、驱动电机；82、驱动腱绳；110、控制单元；101、路径规划模块；102、感知增强模块；103、紧急避障与驾驶权切换模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在根据本发明的第一个实施方式中，提供了一种类人灵巧操作移动机器人，该机器人具有仿人手臂，仿人手臂的手部组件仿照人类五指设计而成，借助该机器人可以在复杂危险的环境中灵活地执行复杂性和风险性较高的任务。以下结合图1至图8所示进一步地描述本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人。

如图1所示，本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人包括：支撑底盘2、移动单元3、摄像单元4、激光雷达单元5、躯干单元1和控制单元。移动单元3、摄像单元4、激光雷达单元5和躯干单元1均连接至支撑底盘2。

在本实施方式中，移动单元3可以连接至支撑底盘2的底部，其能够实现机器人的移动。示例性地，为了能够在各种复杂的地形中移动，如图1所示，本实施方式中的移动单元3可以包括两个履带式移动底盘，该两个履带式移动底盘分别设置在支撑底盘2的两侧。

可选地，如图9所示，在根据本发明的第二个实施方式中，类人灵巧操作移动机器人中的移动单元可以构造为双摆臂履带式移动底盘，类人灵巧操作移动机器人中的支撑底盘可以连接至该移动底盘的顶部。

可选地，如图10所示，在根据本发明的第三个实施方式中，类人灵巧操作移动机器人中的移动单元可以构造为轮式移动底盘，类人灵巧操作移动机器人中的支撑底盘可以连接至该移动底盘的顶部。

可选地，如图11所示，在根据本发明的第四个实施方式中，类人灵巧操作移动机器人中的移动单元可以构造为四足移动底盘，类人灵巧操作移动机器人中的支撑底盘可以连接至该移动底盘的顶部。

可选地，如图12所示，在根据本发明的第五个实施方式中，类人灵巧操作移动机器人中的移动单元可以构造为双足移动底盘，类人灵巧操作移动机器人中的支撑底盘可以连接至该移动底盘的顶部。

可以理解，根据本发明的类人灵巧操作移动机器人中的移动单元可以构造为多种形态，从而使得该机器人能够在不同的使用场景中基于各种不同的任务进行移动，以便于更加灵活地执行任务，拓展作业领域及范围。

摄像单元4可以拍摄机器人周边的环境，其可以为机器人以及控制机器人移动的操作员提供机器人的周边环形信息，以便于让机器人在执行任务的过程中能够有效地规避各种环境障碍，使得机器人能够稳定可靠地执行任务。示例性地，为了能够拍摄到足够的环境信息，如图1所示，本实施方式中的摄像单元4可以包括前向RGB相机41和全景RGB相机42，而且，支撑底盘2设置有沿其高度方向延伸的支撑杆，前向RGB相机41和全景RGB相机42设置在支撑杆的顶部。

在本实施方式中，前向RGB相机41能够拍摄机器人前进方向前方的环境，全景RGB相机42能够拍摄机器人左右两侧以及后方的环境，同时，支撑杆具有一定的高度，可以使得前向RGB相机41和全景RGB相机42具备足够的拍摄高度，可以减少拍摄盲点，方便获取足够的环境信息。

激光雷达单元5同样可以感知机器人周边的环境。示例性地，如图1所示，激光雷达单元5可以包括多线激光雷达，并能够设置在支撑底盘2移动方向的前端。作为一种实现方式，激光雷达单元5可以通过发射激光束探测机器人前方目标的位置、速度等特征量。

进一步地，为了有效地执行任务，在本实施方式中，如图1、图2和图3所示，躯干单元1包括躯干本体11和仿人手臂12，躯干本体11连接至支撑底盘2，仿人手臂12连接至躯干本体11，仿人手臂12包括手部组件121。仿人手臂12即仿照人类的手臂设计而成，相应地，手部组件121仿照人类的手掌设计而成。

优选地，仿人手臂12的数量为两个，该两个仿人手臂12对称地设置在躯干本体11的左右两侧。而且，该两个仿人手臂12的结构相同，为简洁起见，以下仅以其中一个仿人手臂12进行说明。

具体而言，如图4和图5所示，手部组件121包括掌部基板1211、拇指机构1212、食指机构1213、中指机构1214、无名指机构1215、小指机构1216和驱动装置，拇指机构1212、食指机构1213、中指机构1214、无名指机构1215、小指机构1216均连接至掌部基板1211，拇指机构1212包括多个依次相连的拇指指节，相邻的拇指指节之间相互连接并形成拇指关节，食指机构1213、中指机构1214、无名指机构1215和小指机构1216均包括多个依次相连的手指指节，相邻的手指指节之间相互连接并形成手指关节，驱动装置与拇指关节和手指关节驱动连接。

在一个具体的实施例中，如图5和图6所示，对于拇指机构1212而言，多个依次相连的拇指指节包括依次相连的拇指近指节61、拇指中指节62和拇指远指节63，拇指近指节61和拇指中指节62之间的连接处形成拇指近关节64，拇指中指节62和拇指远指节63之间的连接处形成拇指远关节65。其中，拇指近关节64具有屈伸自由度和环转自由度，拇指远关节65具有屈伸自由度。

进一步地，拇指近指节61与掌部基板1211相互连接并形成拇指掌指关节66，拇指掌指关节66具有屈伸自由度和环转自由度。

由此，拇指近指节61可以相对于掌部基板1211做回转运动和屈伸运动，拇指中指节62可以相对于拇指近指节61做回转运动和屈伸运动，拇指远指节63可以相对于拇指中指节62做屈伸运动。

示例性地，拇指近指节61相对于掌部基板1211做回转运动的旋转轴和做屈伸运动的旋转轴相互垂直，拇指中指节62相对于拇指近指节61做回转运动的旋转轴和做屈伸运动的旋转轴相互垂直，拇指近指节61相对于掌部基板1211做回转运动的旋转轴与拇指中指节62相对于拇指近指节61做回转运动的旋转轴相交。

可以理解，在本实施方式中，拇指近关节64、拇指远关节65和拇指掌指关节66均能够由驱动装置进行驱动，由此可以实现整个拇指机构1212的屈伸运动和回转运动，进而便于根据需要灵活地执行抓取、放置等任务。

本实施方式中，食指机构1213、中指机构1214、无名指机构1215和小指机构1216的结构相同，为了简洁起见，在本实施方式中仅以食指机构1213为例来说明该四个手指机构的结构。

如图5和图7所示，对于食指机构1213而言，多个依次相连的手指指节包括依次相连的手指近指节71、手指中指节72和手指远指节73，手指近指节71和手指中指节72之间相互连接并形成手指近关节74，手指中指节72和手指远指节73之间相互连接并形成手指远关节75。其中，手指近关节74具有屈伸自由度，手指远关节75具有屈伸自由度。

进一步地，手指近指节71与掌部基板1211相互连接并形成手指掌指关节76，手指掌指关节76具有屈伸自由度和环转自由度。可以理解，中指机构1214、无名指机构1215和小指机构1216也可以经由各自的手指掌指关节连接至掌部基板1211。

由此，手指近指节71可以相对于掌部基板1211做回转运动和屈伸运动，手指中指节72可以相对于手指近指节71做屈伸运动，手指远指节73可以相对于手指中指节72做屈伸运动。

示例性地，手指近指节71相对于掌部基板1211做回转运动的旋转轴和做屈伸运动的旋转轴相互垂直，手指中指节72相对于手指近指节71做屈伸运动的旋转轴和手指远指节73相对于手指中指节72做屈伸运动的旋转轴相互垂直。

可以理解，在本实施方式中，手指近关节74、手指远关节75和手指掌指关节76均能够由驱动装置进行驱动，从而可以实现整个食指机构1213的屈伸运动和回转运动，进而便于根据需要灵活地执行抓取、放置等任务。

在一个实施例中，掌部基板1211包括基板本体、第一连接部和第二连接部，第一连接部连接至基板本体，第二连接部连接至第一连接部，其中，第一连接部和基板本体之间形成第一掌关节，第二连接部和第一连接部之间形成第二掌关节，第一掌关节和第二掌关节均具有相对基板本体屈伸的自由度，第一掌关节的旋转轴线和第二掌关节的旋转轴线呈角度设置。

拇指机构1212、食指机构1213、中指机构1214和无名指机构1215均连接至基板本体，小指机构1216连接至第二连接部。

进一步地，控制单元110设置在支撑底盘2的内部，如图8所示，移动单元3、摄像单元4、激光雷达单元5和躯干单元1均与控制单元110电连接，控制单元110配置为：基于摄像单元4和激光雷达单元5获取的环境信息，控制移动单元3移动并控制躯干单元1的仿人手臂12执行任务。

示例性地，支撑底盘2的内部可以设置有供电系统，供电系统连接至控制单元110并能够对其进行供电，控制单元110能够基于外部输入的控制程序或者内部存储的控制程序执行任务。

在机器人执行任务的过程中，摄像单元4和激光雷达单元5能够将实时地获取机器人的周边环境信息传输给控制单元110，由此，控制单元110能够基于任务指令和接收的周边环境信息控制移动单元3移动以及控制躯干单元1的仿人手臂12执行任务。

由此可见，本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人能够在危险复杂的工作场景中辅助或者代替人类进行工作，而且该机器人具有仿人手臂12，仿人手臂12具有类人的手部组件121，从而可以灵活地执行复杂性和风险性较高的任务。

进一步地，在本实施方式中，控制单元110包括：路径规划模块101、感知增强模块102和紧急避障与驾驶权切换模块103。

其中，路径规划模块101用于根据设定的目标位置以及摄像单元4和激光雷达单元5感测到的环境信息，对移动路径进行规划。

示例性地，本实施方式中的控制单元110能够获取操作员输入的目标位置，例如，操作员可以直接对控制单元110输入目标位置，或者控制单元110还可以包括无线传输模块，操作员能够借助外部遥控设备与无线传输模块建立通信连接，从而可以借助该无线传输模块向控制单元110输入目标位置。

由此，该类人灵巧操作移动机器人能够基于获取的目标位置和实时感测到的环境信息，对其从当前位置移动至目标位置的路径进行规划。

可选地，当操作员借助外部遥控设备与控制单元110的无线传输模块建立通信连接时，控制单元110还能够将路径规划模块101规划的移动路径展示给操作员，例如可以通过无线传输模块发送给操作员的外部遥控设备，从而让操作员能够对该移动路径的规划结果进行判断和修正，并将对应修正后的路径规划结果反馈至控制单元110。相应地，为了让操作员及时地获知机器人周边的环境信息，控制单元110还能够将摄像单元4和激光雷达单元5感测的环境信息通过无线传输模块发送给操作员的外部遥控设备。

感知增强模块102用于在移动单元3移动的过程中，根据路径规划模块101规划的移动路径，以及摄像单元4和激光雷达单元5实时获取的周边环境信息，对周边环境进行分析，并在周边环境出现干涉影响机器人移动时发出预警信息。

示例性地，本实施方式中的控制单元110能够基于路径规划模块101规划的移动路径控制移动单元3运行，从而让该类人灵巧操作移动机器人可以移动至目标位置。在其移动的过程中，摄像单元4和激光雷达单元5能够实时地获取机器人周边的环境信息，当判断到周边的环境状态会对机器人的移动产生干涉时，例如，摄像单元4检测到移动路径上出现干扰物影响机器人的移动，或者激光雷达单元5检测到移动路径上出现障碍物阻碍机器人前进时，感知增强模块102可以及时地发出预警信息，以便于提醒操作员，降低安全隐患。

在一个实施例中，当操作员借助外部遥控设备与控制单元110的无线传输模块建立通信连接，控制单元110还能够将感知增强模块102对周边环境的分析结果发送给操作员，例如可以通过无线传输模块发送给操作员，从而让操作员能够获取更加全面的环境信息。

紧急避障与驾驶权切换模块103用于在移动单元3移动的过程中，根据感知增强模块102对周边环境的分析结果判断路况，其中，在人工操作模式下检测到当前路况超出人工控制能力范围时，将人工操作模式切换为智能操作模式，在智能操作模式下检测到当前路况超出智能控制能力范围时，将智能操作模式切换为人工操作模式。

示例性地，在本实施方式中，操作员能够借助外部遥控设备与控制单元110建立通信连接，如上所述，控制单元110可以包括无线传输模块，外部遥控设备能够与无线传输模块连接通信连接。

在一个实施例中，类人灵巧操作移动机器人具备人工操作模式和智能操作模式。

对于人工操作模式而言，操作员能够借助外部遥控设备直接控制该类人灵巧操作移动机器人移动，在该模式下，操作员在控制机器人移动的过程中能够实时地获取摄像单元4和激光雷达单元5感测的原始环境信息，例如，可以以摄像单元4的前向RGB相机41拍摄的图像信息为主，操作员可以对该原始环境信息进行分析，并通过外部遥控设备对机器人下发加速、减速、转向、停止等指令，从而使得该机器人能够根据指令移动。

对于智能操作模式而言，该机器人的控制单元110能够基于设定的目标位置和路径规划模块101规划的移动路径进行移动。

可以理解，无论是人工操作模式，还是智能操作模式，在该机器人移动的过程中，感知增强模块102均可以保持实时地获取并分析机器人的周边环境，而且，当出现干涉等意外情况时，也能够及时地发出预警信息。

在本实施方式中，由于紧急避障与驾驶权切换模块103能够根据感知增强模块102对周边环境的分析结果判断路况，由此，当在人工操作模式下检测到当前路况超出人工控制能力范围时，该紧急避障与驾驶权切换模块103可以将人工操作模式直接切换为智能操作模式，例如，在人工操作模式下，当感知增强模块102感测到周边环境出现意外的干涉物，同时紧急避障与驾驶权切换模块103判断到以人工操作的方式无法及时地避开，此时，紧急避障与驾驶权切换模块103可以及时地将人工操作模式切换为智能操作模式，让机器人自动运行，从而及时地避开该干涉。

相应地，在智能操作模式下，当检测到当前路况超出智能控制能力范围时，该紧急避障与驾驶权切换模块103可以将智能操作模式切换为人工操作模式，例如，在智能操作模式下，当感知增强模块102感测到周边环境出现较大的障碍物，同时紧急避障与驾驶权切换模块103判断到以智能操作的方式无法避开，此时，紧急避障与驾驶权切换模块103可以及时地将智能操作模式切换为人工操作模式，唤醒操作员并将机器人的控制权转移给操作员，由此，让操作员选择以合理的方式避开该障碍物。

进一步地，本实施方式中，仿人手臂12主要仿照人类的手臂进行设计，对此，如图1、图2和图3所示，仿人手臂12还包括依次连接的肩部组件122、手臂组件123和腕部组件124，肩部组件122连接至躯干本体11，腕部组件124与手部组件121连接。

具体而言，如图3所示，肩部组件122包括依次连接的第一肩结构1221和第二肩结构1222，第一肩结构1221连接至躯干本体11，第二肩结构1222连接至手臂组件123，第一肩结构1221与躯干本体11之间形成第一肩关节1223，第一肩结构1221和第二肩结构1222之间形成第二肩关节1224，第二肩结构1222和手臂组件123之间形成第三肩关节1225，第一肩关节1223具有旋转自由度，第二肩关节1224具有摆动自由度，第三肩关节1225具有旋转自由度。

示例性地，如图3所示，第一肩结构1221能够以第一旋转轴线为旋转轴可转动地连接至躯干本体11，第二肩结构1222能够以第二旋转轴线为旋转轴可转动地连接至第一肩结构1221，同时第二肩关节1224能够以第三旋转轴线为旋转轴可转动地连接至手臂组件123，并且第一旋转轴线、第二旋转轴线和第三旋转轴线彼此相互垂直。

由此，肩部组件122能够实现旋转和屈伸动作。

作为一种实现方式，肩部组件122还包括多个肩部驱动电机，该多个肩部驱动电机能够分别驱动第一肩关节1223、第二肩关节1224和第三肩关节1225进行运行，而且该多个肩部驱动电机电连接至控制单元110。由此，控制单元110能够根据任务指令控制肩部组件122运动。

示例性地，其中一个肩部驱动电机可以设置在躯干本体11中，其输出端连接至第一肩结构1221，从而能够驱动第一肩结构1221转动。

进一步地，手臂组件123包括依次连接的上臂1231、第一肘结构1232、第二肘结构1233和下臂1234，上臂1231连接至肩部组件122，下臂1234连接至腕部组件124，第一肘结构1232和第二肘结构1233之间形成第一肘关节1235，第二肘结构1233和下臂1234之间形成第二肘关节1236，第一肘关节1235具有屈伸自由度，第二肘关节1236具有旋转自由度。

示例性地，如图3和图4所示，第一肘结构1232的一端固定连接至上臂1231，第一肘结构1232的另一端能够以第四旋转轴线为旋转轴可转动地连接至第二肘结构1233的一端，第二肘结构1233的另一端能够以第五旋转轴线为旋转轴可转动地连接至下臂1234，并且第四旋转轴线和第五旋转轴线相互垂直。

由此，手臂组件123能够实现侧摆和屈伸动作。

作为一种实现方式，手臂组件123还包括多个臂部驱动电机，该多个臂部驱动电机能够分别驱动第一肘关节1235和第二肘关节1236进行运行，而且该多个臂部驱动电机电连接至控制单元110。由此，控制单元110能够根据任务指令控制手臂组件123运动。

示例性地，其中一个臂部驱动电机可以设置在下臂1234中，其输出端连接至第二肘结构1233，从而能够驱动第二肘结构1233转动。

进一步地，如图1至图5所示，腕部组件124包括依次连接的腕部法兰1241、腕部托架1242和掌腕连接机构1243，腕部法兰1241连接至手臂组件123，掌腕连接机构1243连接至手部组件121，腕部法兰1241和腕部托架1242之间形成第一腕关节1244，腕部托架1242和掌腕连接机构1243之间形成第二腕关节1245，第一腕关节1244具有侧摆自由度，第二腕关节1245具有屈伸自由度。

示例性地，如图4所示，腕部托架1242能够以第六旋转轴线为旋转轴可转动地连接至腕部法兰1241，掌腕连接机构1243以第七旋转轴线为旋转轴可转动地连接至腕部托架1242，并且第六旋转轴线和第七旋转轴线相互垂直。

由此，腕部组件124能够实现侧摆和屈伸动作。

作为一种实现方式，腕部组件124还包括多个腕部驱动电机，该多个腕部驱动电机能够分别驱动第一腕关节1244和第二腕关节1245进行运行，而且该多个腕部驱动电机电连接至控制单元110。由此，控制单元110能够根据任务指令控制腕部组件124运动。

示例性地，其中一个腕部驱动电机可以设置在手臂组件123的下臂1234中，其输出端连接至腕部法兰1241，从而能够驱动腕部法兰1241转动。

进一步地，驱动装置包括多个驱动机构，多个驱动机构与拇指关节和手指关节一一对应设置，每一驱动机构包括驱动电机81和两根驱动腱绳82，驱动电机81通过两根驱动腱绳82与拇指关节和手指关节中对应的一个关节驱动连接。例如，对于同一个驱动机构而言，两根驱动腱绳82的端部可以分别连接至对应关节的两个相反的运动方向，当驱动电机81拉动其中一根驱动腱绳82时，可以使得该对应关节沿一个方向运动，当驱动电机81拉动其中另一根驱动腱绳82时，可以使得该对应关节沿另一个反方向运动。

可以理解，在本实施方式中，当需要驱动该手部组件121的拇指机构1212以及多个手指机构运动时，通过控制对应的驱动电机81拉动对应的驱动腱绳82，即可以使对应关节进行屈伸、侧摆或回转运动，从而实现相应动作。

在一个实施例中，每一根驱动腱绳82上设有腱绳拉力传感器，用于检测腱绳的拉力。其中，该手部组件121还包括预紧机构，驱动电机81与对应的驱动腱绳82之间设置有预紧机构，以保持驱动腱绳82时刻保持张紧状态，不脱离对应的导向轮。

在其中一具体实施例中，每个仿人手臂12对应设置的驱动机构的数量为21个，分别对应驱动拇指机构1212的三个关节（拇指近关节64具有两个自由度、拇指远关节65具有一个自由度、拇指掌指关节66具有两个自由度）、其他四指的各个关节（手指近关节74具有一个自由度、手指远关节75具有一个自由度、手指掌指关节具有两个自由度）、掌部基板1211的2个关节（第一掌关节具有一个自由度、第二掌关节具有一个自由度）以及腕部组件124的2个关节（第一腕关节具有一个自由度、第二腕关节具有一个自由度）。即每个仿人手臂12中的驱动装置共连接有42根驱动腱绳，用以驱动该手部组件的多个关节运动。

在一个实施例中，驱动装置还包括外罩，驱动机构设置于外罩内。外罩连接于手臂组件123。外罩朝向手臂组件123的端部可转动安装有与多个腱绳导槽一一对应的导轮。其中，来自于手部组件121的驱动腱绳82一一对应经导轮的轮槽后穿入外罩与对应的驱动电机81连接。第一腕关节的驱动腱绳穿入外罩与另一驱动单元连接。

进一步地，躯干单元1还包括腰部机构13，躯干本体11经由腰部机构13连接至支撑底盘2，腰部机构13与支撑底盘2之间形成第一腰关节，腰部机构13与躯干本体11之间形成第二腰关节，第一腰关节具有旋转自由度，第二腰关节具有弯曲自由度。

示例性地，如图1所示，腰部机构13的一端能够以第八旋转轴线为旋转轴可转动地连接至支撑底盘2，腰部机构13的另一端以第九旋转轴线为旋转轴可转动地连接至躯干本体11，并且第八旋转轴线和第九旋转轴线相互垂直。

由此，腰部机构13能够实现侧摆和屈伸动作。

进一步地，为了让操作员更加有效地观测仿人手臂12的运动状态，在本实施方式中，如图1所示，躯干单元1还包括3D-RGB相机14和红外测温热像仪15，3D-RGB相机14和红外测温热像仪15设置在躯干本体11的顶部。

由此可见，本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人具有以下优点：

本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人具备类似于人类的手臂和手掌结构，操作员可以控制该机器人灵活地执行各种复杂的任务。同时，该机器人配置有相机、激光雷达和红外测温热像仪，其能够在复杂危险的环境下辅助或者替代人类执行各种危险的任务。

此外，本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人，还可以配置控制单元，使其能够根据目标任务具备一定的自主运动规划和避障能力，从而能够在人-机协同的状态下完成任务。

在一个具体的应用场景中，本实施方式中的类人灵巧操作移动机器人可以采取如下方式进行操作，可以理解，在执行任务之前，可以将该机器人移动至目标对象的操作区域中：

首先，机器人借助摄像单元、激光雷达单元、3D-RGB相机和红外测温热像仪感知周边的环境信息，控制单元将相应的数据信息发送至操作员的外部遥控设备中；

然后，操作员基于当前的环境信息和所需要执行的任务，借助外部遥控设备向机器人发送包括仿人手臂末端位姿、五个手指各关节角度等在内的操作控制指令；

接着，控制单元接收到相应的操作控制指令之后，进行各个部位的运动规划，最终生成针对仿人手臂关节以及手部关节的控制信号，并由此对各个部位进行控制。

在可选的实施例中，控制单元中可以存储有操作感知与决策学习系统，该系统能够存储并分析操作员的控制数据，当控制单元接收到操作控制指令之后，借助该系统可以结合操作员的控制数据并最终生成具体的控制信号。也就是说，该操作感知与决策学习系统能够与操作员的不确定问题分析与响应的高级认知能力相结合，从而构成“1+1>2”的人机融合智能增强的灵巧操作能力。

在又一个实施例中，该类人灵巧操作机器人的人-机协同智能增强的灵巧操作技术路线包括三个环节：

操作员专家示教：操作员根据目标任务以及实时状态，通过外部遥控设备远程操作控制机器人完成相应的目标任务，机器人能够将相应的操作数据反馈保存到学习模型的训练数据集中；

机器人进行学习：利用训练数据集中的数据，使用机器学习算法对操作数据反馈进行学习，训练得到感知模型和决策模型；

操作员专家调整：将当前操作状态数据输入至训练得到感知模型和决策模型中，得到预测值和相应的预测置信度，当检测到预测置信度较低时，操作员主动介入调整感知模型和决策模型的参数，并给出合理正确的问题求解，构成提升智能水平的反馈回路，并将调整的操作数据反馈保存到训练数据集中。

由此，通过把操作员专家的作用引入灵巧操作智能系统的计算回路，把人对模糊、不确定问题分析与响应的高级认知机制与机器智能系统紧密耦合，使两者相互适应，协同工作，形成双向的信息交流与控制，从而形成人机融合智能增强的灵巧操作能力。

进一步地，在机器人执行任务的作业过程中，通过实时人机交互控制，可以将人类的操作经验与实时决策融入类人灵巧操作机器人的控制中，由此，能够最大程度保障任务的成功率与安全性。

在又一个实施例中，类人灵巧操作移动机器人的人机交互系统可以从视觉、力觉、触觉等方面进行实时感知反馈，以帮助远端的操作员更立体、准确、快速地判断当前处置情况，同时也可以让远端的操作员更加精确地对机器人进行控制，以便于完成精细操作任务。

示例性地，类人灵巧操作移动机器人的人机交互能力主要包括：机器人移动感知与控制交互能力、机器人操作感知与控制交互能力。

对于机器人移动感知与控制交互能力而言，在机器人作业过程中，机器人需要从控制室移动到操作位置，移动距离大且存在非结构环境、有障碍物等问题。因此，在移动控制的交互中，首先可以利用前向RGB相机实时采集机器人行进过程中前向视角的图像，该图像可以实时地显示在操作员的外部遥控设备中，以辅助操作员进行控制。

与此同时，机器人上配置的激光雷达单元及全景RGB相机也能够实时检测机器人周围环境状态，从而可以提供避障报警、突发情况检测等辅助功能，全方位保障机器人移动过程的安全性。

机器人的人机交互所需感知设备与机器人视觉感知系统共用，即前向RGB相机、全景RGB相机和激光雷达单元。操作员可以通过外部遥控设备对机器人实现精准操控，以便于让其能够安全迅速到达指定作业地点。

对于机器人操作感知与控制交互能力而言，机器人到达指定作业地点后，即可开展处置、采样等一系列作业任务。机器人灵巧操作的交互包含臂部的交互以及手部的交互。

在臂部操作交互中，外部遥控设备可以采集操作员腕部的运动信息，由此可以控制机器人上仿人手臂末端的运动。作为一种实现方式，外部遥控设备可以通过无线动作捕捉装置精确采集操作员腕部信息，例如，动作捕捉装置通过惯性传感器感知操作员腕部的三维位姿变化，包含加速度、角速度以及磁力值等数据，通过无线传输方式实时传输给机器人，从而精准控制仿人手臂完成操作任务。

在手部操作交互中，外部遥控设备可以通过数据手套采集操作员各手指关节的角度变化数据，实时操控机器人的手部组件完成相应操作任务。同时，机器人的手部组件可以配置有力觉、触觉传感器，以便于将手部组件感知的力觉、触觉信号实时反馈给操作员，外部遥控设备的数据手套上可以配置有外骨骼执行器，其能够将手部组件的抓握力反馈给操作员，从而使得操作员更直接立体的感知当前操作状态，做出精准判断。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，包括：支撑底盘、移动单元、摄像单元、激光雷达单元、躯干单元和控制单元，所述移动单元、所述摄像单元、所述激光雷达单元和所述躯干单元均连接至所述支撑底盘，所述躯干单元包括躯干本体和仿人手臂，所述躯干本体连接至所述支撑底盘，所述仿人手臂连接至所述躯干本体，所述仿人手臂包括手部组件，其中，

所述手部组件包括掌部基板、拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构、小指机构和驱动装置，所述拇指机构、所述食指机构、所述中指机构、所述无名指机构和所述小指机构均连接至所述掌部基板，所述拇指机构包括多个依次相连的拇指指节，相邻的所述拇指指节之间相互连接并形成拇指关节，所述食指机构、所述中指机构、所述无名指机构、所述小指机构均包括多个依次相连的手指指节，相邻的所述手指指节之间相互连接并形成手指关节，所述驱动装置与所述拇指关节和所述手指关节驱动连接；

所述控制单元设置在所述支撑底盘的内部，所述移动单元、所述摄像单元、所述激光雷达单元和所述躯干单元均与所述控制单元电连接，所述控制单元配置为：基于所述摄像单元和所述激光雷达单元获取的环境信息，控制所述移动单元移动并控制所述躯干单元的所述仿人手臂执行任务。

2.根据权利要求1所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述控制单元包括：

路径规划模块，所述路径规划模块用于根据设定的目标位置以及所述摄像单元和所述激光雷达单元感测到的环境信息，对移动路径进行规划；

感知增强模块，所述感知增强模块用于在所述移动单元移动的过程中，根据所述路径规划模块规划的移动路径，以及所述摄像单元和所述激光雷达单元实时获取的周边环境信息，对周边环境进行分析，并在周边环境出现干涉时发出预警信息；

紧急避障与驾驶权切换模块，所述紧急避障与驾驶权切换模块用于在所述移动单元移动的过程中，根据所述感知增强模块对周边环境的分析结果判断路况，其中，在人工操作模式下检测到当前路况超出人工控制能力范围时，将人工操作模式切换为智能操作模式，在智能操作模式下检测到当前路况超出智能控制能力范围时，将智能操作模式切换为人工操作模式。

3.根据权利要求1所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述仿人手臂还包括依次连接的肩部组件、手臂组件和腕部组件，所述肩部组件连接至所述躯干本体，所述腕部组件与所述手部组件连接。

4.根据权利要求3所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述肩部组件包括依次连接的第一肩结构和第二肩结构，所述第一肩结构连接至所述躯干本体，所述第二肩结构连接至所述手臂组件，所述第一肩结构与所述躯干本体之间形成第一肩关节，所述第一肩结构和所述第二肩结构之间形成第二肩关节，所述第二肩结构和所述手臂组件之间形成第三肩关节，所述第一肩关节具有旋转自由度，所述第二肩关节具有摆动自由度，所述第三肩关节具有旋转自由度。

5.根据权利要求3所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述手臂组件包括依次连接的上臂、第一肘结构、第二肘结构和下臂，所述上臂连接至所述肩部组件，所述下臂连接至所述腕部组件，所述第一肘结构和所述第二肘结构之间形成第一肘关节，所述第二肘结构和所述下臂之间形成第二肘关节，所述第一肘关节具有屈伸自由度，所述第二肘关节具有旋转自由度。

6.根据权利要求3所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述腕部组件包括依次连接的腕部法兰、腕部托架和掌腕连接机构，所述腕部法兰连接至所述手臂组件，所述掌腕连接机构连接至所述手部组件，所述腕部法兰和所述腕部托架之间形成第一腕关节，所述腕部托架和所述掌腕连接机构之间形成第二腕关节，所述第一腕关节具有侧摆自由度，所述第二腕关节具有屈伸自由度。

7.根据权利要求3所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述驱动装置包括多个驱动机构，多个所述驱动机构与所述拇指关节和所述手指关节一一对应设置，每一所述驱动机构包括驱动电机和两根驱动腱绳，所述驱动电机通过两根所述驱动腱绳与所述拇指关节和所述手指关节中对应的一个关节驱动连接。

8.根据权利要求1所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述躯干单元还包括腰部机构，所述躯干本体经由所述腰部机构连接至所述支撑底盘，所述腰部机构与所述支撑底盘之间形成第一腰关节，所述腰部机构与所述躯干本体之间形成第二腰关节，所述第一腰关节具有旋转自由度，所述第二腰关节具有弯曲自由度。

9.根据权利要求1所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述躯干单元还包括3D-RGB相机和红外测温热像仪，所述3D-RGB相机和所述红外测温热像仪设置在所述躯干本体的顶部。

10.根据权利要求1所述的类人灵巧操作移动机器人，其特征在于，所述摄像单元包括前向RGB相机和全景RGB相机，所述支撑底盘设置有沿其高度方向向上延伸的支撑杆，所述前向RGB相机和所述全景RGB相机设置在所述支撑杆的顶部；和/或所述移动单元包括两个履带式移动底盘，两个所述履带式移动底盘分别设置在所述支撑底盘的两侧。

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