專利名稱：移動機械手系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種移動機械手系統(tǒng)，特別是包含一個3自由度全方位移動平臺和5自由度機械手，用來實現(xiàn)大范圍移動操作的移動機械手系統(tǒng)。
背景技術：
移動機械手系統(tǒng)是由機械手固定在移動平臺上構成。機械手用來實現(xiàn)一些動作如抓取、操作等，通過平臺的移動來擴大機械手的工作空間，使機械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務。移動機械手非常適合于代替人工作在各種危險場合，如排除炸藥、垃圾處理、野外探險和太空作業(yè)等，適合于處理各種復雜的工業(yè)問題如大型船殼體的移動機械手焊接制造等，適合于擴展與人交互合作的服務范圍，如操作電梯、開門、搬運物體等。近些年來相繼研制成功的火星探路者、排險機械手、移動焊接機械手、辦公室送信移動機器人等，都屬于典型的移動機械手系統(tǒng)。隨著相關的機器人、自動控制、計算機視覺等技術的日益成熟，移動機械手將在更廣泛的領域會發(fā)揮重要的作用。
移動機械手系統(tǒng)一般包括移動平臺、機械手、傳感器和控制系統(tǒng)等。在辦公室等平坦路面環(huán)境中工作的移動平臺多采用輪式驅動，若能實現(xiàn)平面上全部3個自由度(前后、左右、自轉)的運動則為全方位移動平臺，否則為非全方位移動平臺。機械手的結構可以很簡單，也可以采用6自由度的關節(jié)式工業(yè)機械手來實現(xiàn)任意姿態(tài)的抓取和操作任務。傳感器通常包括超聲波、紅外、視覺傳感器等，用來感知外部環(huán)境信息實現(xiàn)定位、避障等功能?？刂葡到y(tǒng)通常由計算機和控制卡等組成，實現(xiàn)傳感器的信號處理，移動平臺和機械手的協(xié)調控制。
在移動機械手的系統(tǒng)構建上，一般是將移動平臺和機械手簡單地組合在一起，并沒有考慮整體系統(tǒng)結構和性能的優(yōu)化。一種簡單的移動機械手系統(tǒng)包括移動平臺和簡單的夾持器，基本結構和功能類似叉車。如V.Kumar等(T.G.Sugar，and V.Kumar，Control of cooperating mobilemanipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation，2002，18(1)94-103)研制的系統(tǒng)包括一個全方位移動平臺和一個夾子，以及在平面運動的3自由度柔性機械手，可以用來實現(xiàn)簡單的物體搬運功能。這種移動機械手大多功能單一，操作空間有限，在移動平臺固定時機械手很難發(fā)揮作用。
機械手的運動精度一般情況下要優(yōu)于移動平臺，因此若目標在機械手的工作空間范圍內，可以只通過操作機械手來完成任務，這就要求機械手具有復雜的結構和豐富的功能。一種簡單思路就是將成熟的工業(yè)機械手產品同移動平臺結合起來。N.Xi等(J.D.Tan，and N.Xi，Unifiedmodel approach for planning and control of mobile manipulators.Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Roboticsand Automation，2001，33145-3152)所采用的移動機械手由工業(yè)機械手Puma560固定在全方位移動平臺上構成。K.Tanie等(T.Takubo，H.Arai，and K.Tanie，Control of mobile manipulator using a virtualimpedance wall.Proceedings of the IEEE Internat ional Conferenceon Robotics and Automation，2002，43571-3576)采用一個全方位移動平臺和7個自由度的機械手構成移動機械手。Kim等(Kim，etc.Visualsensing and recognition of welding environment for intelligentshipyard welding robots.IEEE Int.Conf.on Intelligent Robots andSystems，2000，32159-2165)則將這種類似的系統(tǒng)應用到大型船舶殼體的建造上，在機械手末端安裝了三維結構光傳感器來實現(xiàn)軌跡的識別和跟蹤。以上方法由于采用了成熟的工業(yè)機械手技術，充分實現(xiàn)了移動機械手的移動操作功能。但也存在一些問題在移動平臺上找不到合適的視覺系統(tǒng)的安裝位置，不是被機械手遮擋住視角范圍，就是同機械手的工作空間沖突，若缺少視覺系統(tǒng)則很難實現(xiàn)移動機械手的準確的全局定位，若將視覺系統(tǒng)安裝在機械手末端，則很大程度上限制了視覺系統(tǒng)的視角范圍和作用；工業(yè)機械手質量大、運動速度快，運動過程中會產生很大的耦合力作用在移動平臺上，影響平臺的穩(wěn)定，容易引起平臺振動或傾翻；工業(yè)機械手的能源消耗很大，是移動平臺車載能源的主要負擔。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種移動機械手系統(tǒng)，通過機械手與移動平臺的協(xié)調控制，實現(xiàn)移動操作的功能。
為實現(xiàn)上述目的，一種移動機械手系統(tǒng)，包括一個3自由度移動平臺，一個5自由度機械手，攝像機安裝在機械手直線導軌5的頂端。
移動機械手由3自由度的全方位移動平臺和5自由度的機械手組成，可以實現(xiàn)大范圍的移動操作功能，如在各個辦公室之間移動傳遞文件，操作電梯按鈕使機器人在各個樓層間移動等。采用具有旋轉、俯仰功能的攝像機，并安裝在直線導軌的頂端。使得在移動平臺不動的情況下通過攝像機的高精度旋轉實現(xiàn)對周圍景物的觀察。當機械手處于低的工作位置時，可以控制攝像機俯視，保證機械手末端在攝像機的視角范圍內。


圖1是本發(fā)明移動機械手系統(tǒng)結構圖；圖2是本發(fā)明移動機械手的初始復位狀態(tài)俯視圖。
具體實施例方式
移動平臺的3個自由度是指其在平面上的前后、左右和自轉的3種運動形式，實現(xiàn)在平面上的全方位移動，尤其在狹窄的空間中也能行動自如，因此，能確保機械手操作時處于有利的方向。除了輪子、電機、驅動器和驅動電源外，移動平臺還包括超聲傳感器和紅外傳感器等，可以用來實現(xiàn)移動平臺的初步定位。
機械手由以下幾部分組成軀干、肩部、上臂、前臂、腕部和手。以及連接各部分的關節(jié)，包括1個移動關節(jié)，如直線導軌(軀干)上滑塊的上下移動，和4個轉動關節(jié)如肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕部自轉關節(jié)和腕部擺動關節(jié)，共5個自由度。通過各個關節(jié)的協(xié)調運動，可以控制機械手末端(手)運動到指定位置，實現(xiàn)抓取和操作的功能。在移動平臺向目標大范圍運動時，機械手的各個連桿要處于初始復位位置，其各部分都不超出移動平臺以避免同外界環(huán)境碰撞。在移動平臺的運動過程中由視覺系統(tǒng)對待操作物體進行定位。若物體在機械手的操作空間內，則機械手開始運動執(zhí)行任務。若單獨靠機械手的運動無法有效完成任務，則控制移動平臺協(xié)調運動。
完成移動操作的另外一個重要部分為視覺系統(tǒng)，安裝在機械手的軀干上，攝取外界環(huán)境的圖像，通過圖像處理的方法獲得待操作物體的位置信息，并提供給移動機械手的控制系統(tǒng)，作為輸出控制動作的依據。
以下結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
全方位移動平臺6，可以實現(xiàn)在平面上前后、左右和自轉的3個自由度的運動，其中超聲傳感器、紅外傳感器等安裝在移動平臺6的四周，用來檢測外界環(huán)境信息，實現(xiàn)移動平臺的運動規(guī)劃、避障等功能。在機械手的設計過程中考慮到移動平臺結構和運動特性，引入了移動關節(jié)和轉動關節(jié)相結合的方式，這是本發(fā)明的主要特點之一。由于機械手的肩和肘關節(jié)都繞垂直軸在水平面內轉動，因此確保了攝像機9的視角不被機械手所遮擋，便于在機械手操作時由視覺系統(tǒng)準確判斷出機械手的末端位姿，由直線導軌5作為機械手的軀干，導軌滑塊4可以在直線導軌5上作上下移動。直線導軌5同時可以作為攝像機9的支座，使攝像機9的位置相對于移動平臺6固定，避免了視覺系統(tǒng)安裝在機械手末端時，由于視角受限和運動振動等而產生的對定位精度的影響。肩部3固定在導軌滑塊4上，上臂2和肩部3的連接處為肩關節(jié)，使上臂2可以繞垂直軸在水平面轉動。若肩關節(jié)與移動平臺6的轉動中心的距離等于零，則移動平臺6轉動自由度同肩關節(jié)轉動自由度重合，出現(xiàn)奇異現(xiàn)象。但在本設計方案中，直線導軌5的中心與移動平臺6的轉動中心重合，肩關節(jié)離直線導軌5中心的距離大于零，從而避免了奇異現(xiàn)象。前臂1和上臂2之間的連接處為肘關節(jié)，使前臂1同樣可以繞垂直軸在水平面轉動。前臂1和腕部8的連接處為腕部自轉關節(jié)，其轉動軸方向同前臂1軸線方向一致，同肩和肘關節(jié)的軸線方向垂直。腕部8和手7的連接處為腕部擺動關節(jié)，其轉動軸同腕部自轉關節(jié)軸線方向垂直。在腕部自轉角為零時，肩、肘關節(jié)同腕部擺動關節(jié)的軸線平行。圖1中所示的機械手姿態(tài)為腕部自轉關節(jié)轉動了90度，腕部擺動關節(jié)轉動了45度。
若機械手的腕部自轉關節(jié)角固定為零，則機械手相當于一種典型的SCARA機械手，包括1個上下移動和3個繞垂直軸在水平面內轉動的自由度。機械手向前的工作空間最大可以達到以肩關節(jié)為軸線，手臂長度為半徑，滑塊4運動行程為高度的圓柱空間。SCARA機械手被廣泛應用在流水生產線產品的抓取操作上，其主要優(yōu)點包括移動機械手在水平面的轉動可以避免重力對機械手的作用，有效地減少運動振動，獲得很高的定位精度和理想的機械手動力學特性；也不需要很大功率和扭矩的驅動電機，減輕了電機和的質量、手臂的質量、以及整個機械手的質量，減少了移動平臺6驅動能源的負擔。
若機械手的腕部自轉關節(jié)角變化，同腕部擺動關節(jié)的配合可以改變機械手末端的姿態(tài)，不局限于水平指向，因此能夠以更合適的姿態(tài)來操作表面方向不垂直的物體，如按動水平面上的按鈕、與人握手等。還可以實現(xiàn)操作高度的細微調節(jié)，而不必驅動滑塊4來調整機械手的高度，有效地減少了驅動能源的消耗。
在機械手不工作時復位到初始狀態(tài)，如圖2，整個機械手都收回到移動平臺6內，便于移動平臺6朝向遠距離目標的快速移動，而不會使機械手同外界環(huán)境碰撞。其中上臂2旋轉到同前向垂直的位置，上臂2的長度小于移動平臺6半徑，以保證在復位位置時上臂2的任意部分都在平臺內。前臂1收縮到同上臂2不發(fā)生碰撞的最大位置，前臂1的長度大于上臂2長度，在手臂幾個連桿中為最長，前臂1和肘部的長度和不超過移動平臺6。腕部8自轉角為零，手7同樣向內收縮到不同腕部8碰撞的最大位置，手的長度可以在很大范圍內變化，以滿足收回時不超過移動平臺6為標準。各個連桿的長度基本上同人體的手臂尺寸相當。
視覺系統(tǒng)采用具有旋轉、俯仰功能的攝像機9。使得在移動平臺6不動的情況下通過攝像機9的高精度旋轉實現(xiàn)對周圍景物的觀察。當機械手處于低的工作位置時，可以控制攝像機9俯視，保證機械手末端在攝像機9的視角范圍內。若通過天棚燈光進行全局定位，也可以控制攝像機9仰角，拍攝移動機械手上前方的圖像。
計算機控制系統(tǒng)安裝在移動平臺的內部，用來進行超聲、紅外傳感器信號的處理，和視覺圖像的處理，計算出目標的位置，并輸出移動平臺和機械手協(xié)調運動的控制命令，使之有效完成移動操作的功能。
計算機控制系統(tǒng)的顯示器11，安裝在機械手的背面，可以用來顯示攝像機9拍攝的動態(tài)圖像，以及移動平臺在整個環(huán)境中的位置信息等，便于操作人員對整個系統(tǒng)的監(jiān)控調試。
權利要求
1.一種移動機械手系統(tǒng)，包括一個3自由度全方位移動平臺，一個5自由度機械手，視覺系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。
2.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述移動平臺為3自由度全方位移動平臺，移動平臺上安裝有檢測環(huán)境信息的超聲、紅外傳感器。
3.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述機械手包括1個移動關節(jié)和4個轉動關節(jié)。
4.按權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的上下移動關節(jié)由直線導軌(5)和導軌滑塊(4)構成。
5.按權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述4個轉動關節(jié)包括肩關節(jié)和、肘關節(jié)、腕部自轉關節(jié)和腕部擺動關節(jié)。
6.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于直線導軌(5)的中心與移動平臺(6)的轉動中心重合，機械手的肩關節(jié)離移動平臺(6)的轉動中心的距離大于零。
7.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的攝像機是具有旋轉、俯仰功能的攝像機。
8.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述機械手在初始狀態(tài)時位于移動平臺(6)內。
9.按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于由安裝在移動平臺內部的計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)數字信號處理和控制命令輸出，控制移動機械手完成移動操作的功能。
全文摘要
一種移動機械手系統(tǒng)，包括一個3自由度移動平臺，一個5自由度機械手，視覺系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。攝像機安裝在機械手直線導軌(5)的頂端。移動平臺可以實現(xiàn)平面上前后、左右、自轉3個自由度的全方位運動。5自由度機械手由1個移動關節(jié)和4個轉動關節(jié)構成，操作靈活。移動機械手可以實現(xiàn)大范圍的移動操作功能，如在各個辦公室之間移動傳遞文件，操作電梯按鈕使機器人在各個樓層間移動等。采用具有旋轉、俯仰功能的攝像機，并安裝在直線導軌的頂端。使得在移動平臺不動的情況下通過攝像機的高精度旋轉實現(xiàn)對周圍景物的觀察。當機械手處于低的工作位置時，可以控制攝像機俯視，保證機械手末端在攝像機的視角范圍內。
文檔編號B25J13/08GK1611331SQ20031010446
公開日2005年5月4日 申請日期2003年10月29日 優(yōu)先權日2003年10月29日
發(fā)明者趙冬斌, 易建強, 宋佐時, 鄧旭玥 申請人:中國科學院自動化研究所