CN216731811U - 一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统，包括固定座、蛇形结构机身、多功能舵机支架、爪子及摄像头，所述蛇形机械臂的顶端支架与固定座固定连接，整个系统被悬挂于一定高度；蛇形机械臂由4个关节、8个完全相同的模块组成，每个模块均由宽U支架、双轴总线舵机及窄U支架构成；爪子和控制爪子运动舵机通过多功能舵机支架固定于蛇形机械臂末端；摄像头采用“眼在手”模式也安装于机械臂末端，用于物体目标识别、定位。本实用新型提供了一种体积小、结构简单、成本低、可以实现任意方向转动的平面或空间运动的自主进行物体抓取系统。

Description

一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统

技术领域

本实用新型属于机器人及自动控制领域，具体而言，涉及一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统。

背景技术

随着生物仿生学的不断发展，蛇形结构作为一种多自由度的机构，具有前进、转向及弯曲的能力，因而拥有灵活多变的运动方式，使得其在机器人领域的研究应用意义非凡。

目前国内传统的机械臂，一般自由度较少，活动灵活性差，运动范围有一定的局限性，且抓取物体过程中容易造成物件的损坏。

蛇形机械臂比传统机械臂在运动范围和精度方面可以满足更高要求，而且在非结构化、未知环境的接触中突显出其“柔顺”特性，在航海、航天、救援和未知危险区域探索等其他领域皆发挥着不可忽视的作用。

国内外对蛇形机械臂的结构设计和驱动方式的研究成果缺乏多样性，有的结构复杂，整体比较笨重，不利于有效进行物体的抓取。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有问题的不足，提供一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统，结构简单，平稳抓取，便于操纵，具有九个自由度。

为实现上述目的，本实用新型提供的方案是：一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统，该物体抓取系统核心结构包括蛇形机械臂和末端物体抓取结构。

第一方面，所述蛇形机械臂有8个完全一样的模块单元组成，每个模块单元均有宽U支架、舵机、窄U支架组成。蛇形机械臂的两端为宽U支架，一端与固定座相连，使整体处于悬挂状态，另一端与多功能舵机支架连接；在一个模块单元中，舵机和窄U型支架固定连接，舵机和宽U型支架同轴连接，每个模块单元是一个自由度的结构，每个舵机靠自身的内置电机驱动，一个舵机就是一个自由度，每个模块单元的舵机结构可以独立的作为驱动系统。当蛇形结构需要做空间转动时，电机的输出力矩通过舵机转动轴直接传递到宽U支架并驱动其转动，而转动的角度和速度由舵机进行控制；模块单元之间通过宽U支架相互配合构成模块间的十字轴万向节连接，两个舵机结构正交连接，相邻两个宽U支架固定连接，用这种方式连接的两个模块单元构成一个关节，具有两个自由度，采用正交连接的蛇形结构存在三种约束：相邻两个舵机的旋转轴互相垂直、相邻两个舵机的旋转轴与关节连接轴互相垂直、奇数号（偶数号）的舵机旋转轴的指向相同；整体结构共计4个相同但相互独立的关节，这种连接方式既可以实现模块单元间灵活的水平和垂直异向运动，具有很强的空间运动能力，不仅拥有在二维平面上任意方向转向的能力，而且可以在三维空间中以任意姿态的形状运动，此外，可以实现前一个模块单元的运动带动后一个模块单元的运动，但是不会影响模块单元之间的运动。

第二方面，末端物体抓取结构由爪子、摄像头、舵机组成。蛇形机械臂通过多功能舵机支架与末端物体抓取结构固定连接，多功能舵机支架与舵机固定连接，整个爪子结构一侧固定连接多功能支架，另一侧与舵机同轴连接，由舵机控制爪子的张紧；摄像头固定连接支架，获取场景图像信息，进行目标识别、定位。

综上所述，基于蛇形机械臂的物体抓取系统主要包括蛇形机械臂和末端物体抓取结构。其中蛇形机械臂采取模块化设计思路，由宽U支架、窄U支架、舵机组成，共计8个模块单元，4个活动关节，关节之间采用一种新型的十字轴万向节连接方式，十字轴万向节具有2个自由度，并且两个自由度机构呈正交的方式连接，实现水平或垂直方向的转动，均用舵机进行驱动控制。机构两端均为宽U支架，一端固定在基座上，另一端连接末端物体抓取结构；末端物体抓取结构由爪子、摄像头、舵机组成，舵机控制爪子的张紧程度，摄像头获取场景图像信息。

本实用新型的有益效果主要表现在：整体结构设计简单，成本低；采用双轴总线舵机，便于操控，具有平面运动和空间运动两种形式；蛇形机械臂由8个完全相同的模块单元组成，每个模块具有一个自由度，在使用过程中，可以根据要求选择合适的模块数量进行重构，以适应复杂环境要求；由单独舵机驱动控制爪子张紧程度，以免抓取过程导致物件的损坏；摄像头位于结构末端，根据实时采集物体图像信息，经计算机处理后，进行物体精确定位，蛇形机械臂各关节角度计算，提高物体抓取成功率；摄像头拍摄图像信息可以上传到上位机进行人机交互，尤其在狭小、密闭空间抓取物体时，进一步取得良好抓取控制效果。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图。

图2是本实用新型蛇形机械臂示意图。

图3是本实用新型蛇形机械臂单一关节示意图。

图4是本实用新型末端物体抓取结构示意图。

图5是本实用新型进行二维平面物体抓取示意图。

图6是本实用新型进行三维空间物体抓取示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进,因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

参照图1~图3，一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统，包括固定基座1、蛇形机械臂2、末端物体抓取结构3，所述固定基座1与蛇形机械臂2一端的宽U型支架4通过螺钉铰接，蛇形机械臂悬挂于一定高度，共由8个模块单元组成，每个模块单元均由宽U型支架4、双轴总线舵机5、窄U型支架6组成，舵机和窄U型支架固定连接，舵机和宽U型支架同轴连接；相邻模块单元之间通过各自的宽U型支架7、8相互固定配合构成模块间的十字轴万向节连接，两个舵机结构正交连接，用这种方式连接的两个模块单元构成一个关节，具有两个自由度，采用正交连接的关节处13存在三种几何约束：相邻两个舵机9、10的旋转轴互相垂直、相邻两个舵机9、10的旋转轴与关节连接轴互相垂直、奇数号（偶数号）的舵机旋转轴的指向相同；如图1和图4所示，多功能舵机支架15是蛇形机械臂2和末端物体抓取结构3固定连接的桥梁，末端物体抓取结构由爪子14、摄像头17、单轴总线舵机16组成，多功能舵机支架与摄像头、舵机固定连接，整个爪子结构分为固定部分和抓取部分，固定部分固定连接多功能支架，抓取部分与舵机同轴连接。

本实用新型的控制方式如下：

当通过摄像头检测到物体位于蛇形机械臂正前、后、左、右位置时，只需自主选择简单的二维平面物体抓取模式，只需水平或垂直转动模块单元，即只需奇数号（或偶数号）舵机单独驱动转动，每一个模块的转动以前一个模块作为参考点。如图5所示，物体位于正左方向同一平面位置，偶数号双轴总线舵机由电机的输出力矩通过舵机转动轴直接传递到宽U支架并驱动其转动，而转动的角度和速度经公式计算后由舵机进行控制，奇数号双轴总线舵机不进行角度偏转，同时控制爪子舵机将爪子张开，到达物体位置后，根据摄像头所拍摄物体图像，人工控制爪子咬紧力及角度大小。

当通过摄像头检测到物体位于蛇形机械臂的其他可到达位置时，则需自主选择复杂的三维空间物体抓取模式，空间转动就需要水平转动与垂直转动的配合才能实现，即奇数号舵机和偶数号舵机都需要在各自平面内根据要求转动不同的角度。如图6所示，根据摄像头检测的物体位于左前方具体位置信息，各双轴总线舵机均通过转动轴驱动宽U支架按公式计算的角度经算法择优后进行转动，前一个模块单元的运动带动后一个模块单元的运动，每个模块单元均进行独自的角度偏转，耦合作用转动后到达物体位置，具体爪子抓取控制与二维平面物体抓取模式类似。

在进行物体抓取工作时，由于物体位置的随机性，普通机械臂自由度较少，导致运动范围受限或抓取不平稳等，而蛇形机械臂作为连续性机器人的典型代表，以自然界中具有柔韧、灵活度高的动物为模仿对象，可有效解决以上问题。本实用新型设计的是结构简单的多自由度机构，不仅拥有在二维平面上任意方向转向的能力，而且可以在三维空间中以任意姿态的形状运动，灵活多变，相比传统普通机械臂对外界环境有更强的适应能力，在运动范围和精度方面可以满足更高要求，在非结构化、未知环境的接触中突显出其“柔顺”特性，结合末端摄像头精确定位识别的高度辅助功能，从而实现物体高效、准确的抓取工作，降低了成本，减轻了人力，保护了物件。

Claims (3)

1.一种基于蛇形机械臂的物体抓取系统，其特征在于：在设计蛇形结构时，采用了模块化设计的思路，将舵机、宽U支架、窄U支架作为整体来处理作为一个模块单元，舵机和窄U型支架固定连接，舵机和宽U型支架同轴连接，整体结构共由8个完全一样的模块单元组成；相邻模块单元之间采用正交连接，这样的蛇形结构存在三种约束：相邻两个舵机的旋转轴互相垂直、相邻两个舵机的旋转轴与关节连接轴互相垂直、奇数号的舵机旋转轴的指向相同，偶数号的舵机旋转轴的指向相同；每个舵机靠自身的内置电机驱动，一个舵机就是一个自由度，每个模块单元的舵机结构可以独立的作为驱动系统，前一个模块单元的运动带动后一个模块单元的运动，但是不会影响模块单元之间的运动，具体转动的角度和速度由舵机进行控制，奇数号模块单元和偶数号模块单元由于舵机转动轴方向正交的位置关系，因而具有水平和垂直两个方向的转动形式；蛇形机械臂末端爪子的张紧程度经摄像头判断处理后，由单独的舵机进行驱动控制。

2.根据权利要求1所述的基于蛇形机械臂的物体抓取系统，其特征在于：相邻模块之间采用十字轴正交连接方式，存在三种几何约束，产生水平和垂直两种转动形式。

3.根据权利要求1所述的基于蛇形机械臂的物体抓取系统，其特征在于：蛇形机械臂末端爪子的张紧程度是可控的，根据摄像头拍摄图像对物体进行识别、定位，判断处理后，再由舵机进行角度和角速度的具体控制。

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