本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置。

背景技術(shù)：

移動(dòng)機(jī)器人“Mobipulator”車輪與機(jī)械手的一體化設(shè)計(jì)是一體化設(shè)計(jì)的雛形?！癠ni-Rover”的子模塊有應(yīng)用這種思想，然而機(jī)械設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，機(jī)械外形主要為一個(gè)輪子與一個(gè)可操縱機(jī)構(gòu)復(fù)合。國際上，“The integrated design of manipulation and combination”的設(shè)計(jì)理念主要在2009年IEEE國際會(huì)議論文IROS中有提及。(Shintaro Mizunuma,Kazuhiro Motomura&Shigeo Hirose.Development of the Arm-Wheel Hybrid Robot“Souki-II”(Total System Design and Basic Components),St.Louis,USA:The 2009IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,2009)，手臂輪混合機(jī)器人“Souki-II”是這種設(shè)計(jì)理念的體現(xiàn)。然而，其設(shè)計(jì)難度大，因?yàn)闄C(jī)械臂與輪體的比例問題，機(jī)械臂負(fù)載十分小，容易使得機(jī)器人主體傾覆。之后，也一直沒有人想到更好的設(shè)計(jì)來解決這個(gè)問題。在此之后的研究，還有“RLMA”的研究[2]([2]Yugang Liu&Guangjun Liu，Mobile Manipulation Using Tracks of a Tracked Mobile Robot,St.Louis,USA:The 2009IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,2009)。一個(gè)自重構(gòu)履帶式移動(dòng)機(jī)器人“RLMA”具有多地形適應(yīng)性，機(jī)器人“RLMA”是能夠穿越障礙，適合于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，且可以完成三種簡(jiǎn)單操縱模式。但是一體化程度仍不理想，并且履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的實(shí)用性并不突出，而且增加了移動(dòng)的負(fù)載。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)存在的問題，提供了一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置，解決了傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)不緊湊，不能靈活的通過狹窄的非結(jié)構(gòu)化空間，移動(dòng)時(shí)負(fù)載較多，影響了機(jī)器人的續(xù)航能力，任務(wù)類型單一的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)高機(jī)動(dòng)性及全地形適應(yīng)性以便適應(yīng)于不同的任務(wù)環(huán)境；具有仿人類式機(jī)械手臂，使其可以完成不同的任務(wù)要求；此外，緊湊的手足一體化設(shè)計(jì)，可以讓機(jī)器人可以在非結(jié)構(gòu)化的狹窄環(huán)境中低功耗、靈活運(yùn)動(dòng)。

為達(dá)到實(shí)用新型目的，提供一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置，所述裝置包括：一體化裝配模塊，用于通過多個(gè)總體參數(shù)將移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)械臂執(zhí)行裝配，形成一體化結(jié)構(gòu)；操控模塊，用于將所述一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)總體參數(shù)包括：所述手足一體化機(jī)器人的質(zhì)量、體積以及整體功率。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述移動(dòng)平臺(tái)采用四個(gè)呈正方形排列的全向輪步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述機(jī)械臂包括末端機(jī)械手、基座、大臂、小臂以及手腕五個(gè)部分。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述大臂與所述基座間之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；所述基座自身的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述大臂與所述小臂之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；所述手腕的腕部與所述小臂之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；所述手腕的腕部自身的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述機(jī)械臂以六自由度手臂結(jié)構(gòu)形式執(zhí)行操作，所述機(jī)械臂通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制操作。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路包括：真空隔膜泵、微型開關(guān)閥、氣動(dòng)回路和吸盤；所述真空隔膜泵，用于產(chǎn)生氣動(dòng)回路中的負(fù)壓；所述微型開關(guān)閥，用于消除氣動(dòng)回路中的負(fù)壓；所述吸盤由壓力傳感器以及觸覺傳感器組成，所述壓力傳感器，用于檢測(cè)氣動(dòng)回路中的負(fù)壓值；所述觸覺傳感器，用于檢測(cè)吸盤與壁面的接觸狀態(tài)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，用于通過所述真空隔膜泵以及所述微型開關(guān)閥產(chǎn)生真空泵和開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制兩吸盤足的吸附和釋放操作。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述將所述一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控包括：通過預(yù)設(shè)的所述氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行多種模式操控，其中，所述多種模式包括：足直立態(tài)、輪足直立態(tài)、全向移動(dòng)態(tài)以及挪動(dòng)橫行態(tài)。

本實(shí)用新型提供的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置。通過一體化裝配模塊使得多個(gè)總體參數(shù)將移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)械臂執(zhí)行裝配，形成一體化結(jié)構(gòu)；再通過操控模塊將一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控。該裝置解決了傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)不緊湊，不能靈活的通過狹窄的非結(jié)構(gòu)化空間，移動(dòng)時(shí)負(fù)載較多，影響了機(jī)器人的續(xù)航能力，任務(wù)類型單一的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)高機(jī)動(dòng)性及全地形適應(yīng)性以便適應(yīng)于不同的任務(wù)環(huán)境；具有仿人類式機(jī)械手臂，使其可以完成不同的任務(wù)要求；此外，緊湊的手足一體化設(shè)計(jì)，可以讓機(jī)器人可以在非結(jié)構(gòu)化的狹窄環(huán)境中低功耗、靈活運(yùn)動(dòng)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中的機(jī)械臂自由度示意圖；

圖3為本實(shí)用新型第一個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中足直立態(tài)示例圖；

圖4為本實(shí)用新型第二個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中輪足直立態(tài)示例圖；

圖5為本實(shí)用新型第三個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中全向移動(dòng)態(tài)示例圖；以及

圖6為本實(shí)用新型第四個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中挪動(dòng)橫行態(tài)示例圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型手足一體化機(jī)器人的操控裝置進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)有”、“置于”、“相連”、“連接”、“安裝”等應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。

如圖1所示，為一個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該手足一體化機(jī)器人的操控裝置10包括：一體化裝配模塊200以及操控模塊400。

其中，一體化裝配模塊200用于通過多個(gè)總體參數(shù)將移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)械臂執(zhí)行裝配，形成一體化結(jié)構(gòu)；操控模塊400用于將一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控。

本實(shí)用新型提供的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置。通過一體化裝配模塊200通過多個(gè)總體參數(shù)將移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)械臂執(zhí)行裝配，形成一體化結(jié)構(gòu)；再通過操控模塊400將一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控。該裝置解決了傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)不緊湊，不能靈活的通過狹窄的非結(jié)構(gòu)化空間，移動(dòng)時(shí)負(fù)載較多，影響了機(jī)器人的續(xù)航能力，任務(wù)類型單一的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)高機(jī)動(dòng)性及全地形適應(yīng)性以便適應(yīng)于不同的任務(wù)環(huán)境；具有仿人類式機(jī)械手臂，使其可以完成不同的任務(wù)要求；此外，緊湊的手足一體化設(shè)計(jì)，可以讓機(jī)器人可以在非結(jié)構(gòu)化的狹窄環(huán)境中低功耗、靈活運(yùn)動(dòng)。

為了更加清楚地理解與應(yīng)用本實(shí)用新型提出的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置，進(jìn)行以下示例。需要說明的是，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于以下示例。

具體的，基于傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)械臂，為了減少機(jī)械結(jié)構(gòu)的冗余和機(jī)械手移動(dòng)時(shí)候的負(fù)載，將移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械臂進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)，提出手足一體化的整體化設(shè)計(jì)理念。本實(shí)用新型機(jī)器人的機(jī)械臂仿照人的手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)以六自由度手臂為依托，采用舵機(jī)控制。機(jī)器人移動(dòng)行進(jìn)中，機(jī)械臂可切換成機(jī)器人的機(jī)械腿的模式以減少移動(dòng)模式中的載荷。機(jī)器人的機(jī)械腿和機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了吸盤式、輪式復(fù)合一體化的設(shè)計(jì)。機(jī)械腿和機(jī)械手兩種模式可以通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

綜上，通過上述結(jié)構(gòu)化改進(jìn)，仿人類機(jī)械手設(shè)計(jì)期望能夠接近或者實(shí)現(xiàn)人手臂的功能，具有明顯的操作靈活、工作空間廣等優(yōu)點(diǎn)。還可以提高人機(jī)交互的使用體驗(yàn)。本實(shí)用新型可擴(kuò)展性強(qiáng)，姿態(tài)變換豐富，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)越，可充分展示出全地形適應(yīng)能力。機(jī)器人有明顯的機(jī)動(dòng)性、靈活性，可跨越障礙、上下樓梯。除此之外，移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械臂的一體化設(shè)計(jì)，使運(yùn)動(dòng)的無效負(fù)載大幅度減少，增加了工作效率、提高了續(xù)航時(shí)間。

需要進(jìn)一步說明的是，人的手臂分為肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和手，本實(shí)施例的機(jī)械臂仿照人的手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期望能夠接近或者實(shí)現(xiàn)人手臂的功能。以六自由度手臂為依托，采用舵機(jī)控制。為了能夠滿足各種環(huán)境下的復(fù)雜任務(wù)，機(jī)器人機(jī)械手的關(guān)節(jié)工作空間內(nèi)的自由度形式如圖2所示。

根據(jù)上述自由度形式分析可知，手足一體化機(jī)器人的操作基本結(jié)構(gòu)主要由五部分構(gòu)成。其中，包括末端機(jī)械手、基座、大臂、小臂以及手腕。大臂與基座之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；基座自身的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大臂與小臂之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；腕部與小臂之間的運(yùn)動(dòng)形式為仰俯運(yùn)動(dòng)；還有腕部自身的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過將機(jī)器手臂設(shè)計(jì)為六自由度的形式，這種形式具有明顯的操作靈活、工作空間廣。

進(jìn)一步地，將一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控。其中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路包括：真空隔膜泵、微型開關(guān)閥、氣動(dòng)回路和吸盤；真空隔膜泵用于產(chǎn)生氣動(dòng)回路中的負(fù)壓；微型開關(guān)閥用于消除氣動(dòng)回路中的負(fù)壓；吸盤由壓力傳感器以及觸覺傳感器組成，壓力傳感器用于檢測(cè)氣動(dòng)回路中的負(fù)壓值；觸覺傳感器用于檢測(cè)吸盤與壁面的接觸狀態(tài)；且氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路用于通過真空隔膜泵以及微型開關(guān)閥產(chǎn)生真空泵和開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制兩吸盤足的吸附和釋放操作。

當(dāng)需要吸盤吸附壁面時(shí)，首先關(guān)閉開關(guān)閥，并根據(jù)觸覺傳感器的反饋信息調(diào)整吸盤使之與壁面完全接觸，然后控制器通過氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)泵電機(jī),真空隔膜泵開始在氣動(dòng)回路中產(chǎn)生負(fù)壓；當(dāng)需要吸盤脫離壁面時(shí)，首先關(guān)閉真空泵，然后開啟開關(guān)閥來消除氣動(dòng)回路中的負(fù)壓,當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)的壓力值達(dá)到要求的釋放值時(shí)，說明吸盤已經(jīng)處于脫離壁面狀態(tài)。其中，真空泵、電磁閥的控制，可通過單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)，從而控制真空泵、電磁閥。電磁閥與繼電器常開端連接。兩位兩通電磁閥在正常情況下是帶電通氣的。當(dāng)給繼電器一個(gè)工作信號(hào)后，繼電器常閉端閉合，常開端斷開。此時(shí)真空泵工作，而電磁閥閉合不通氣，形成負(fù)壓。

更進(jìn)一步地，將一體化結(jié)構(gòu)通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行操控包括：通過預(yù)設(shè)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行多種模式操控，多種模式包括：足直立態(tài)、輪足直立態(tài)、全向移動(dòng)態(tài)以及挪動(dòng)橫行態(tài)。其中，圖3為本實(shí)用新型第一個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中足直立態(tài)示例圖，即在足直立態(tài)的模式下，在吸盤足蝙蝠上，得到啟發(fā)，引入吸盤足蝙蝠，選用吸盤，可以讓外界氣壓差為機(jī)器人提供抓地力，行走時(shí)候穩(wěn)定性增強(qiáng)；圖4為本實(shí)用新型第二個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中輪足直立態(tài)示例圖，即在輪足直立態(tài)的模式下，將主動(dòng)輪與機(jī)械臂結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)手足一體化機(jī)器人可變形為輪足直立態(tài)；圖5為本實(shí)用新型第三個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中全向移動(dòng)態(tài)示例圖，即在全向移動(dòng)態(tài)的模式下，平臺(tái)采用的主要運(yùn)動(dòng)組建為四個(gè)呈正方形排列的全向輪-步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)，呈正方形分布的全向輪可以賦予平臺(tái)優(yōu)越的移動(dòng)能力，包括：零度角轉(zhuǎn)彎，任意方向行進(jìn)等。配備的步進(jìn)電機(jī)配合單片機(jī)中的程序可以對(duì)平臺(tái)在三維空間中的位置進(jìn)行建模，通過標(biāo)定每個(gè)單獨(dú)的平臺(tái)在空間中的相對(duì)位置，可以一定程度上避免碰撞；圖6為本實(shí)用新型第四個(gè)實(shí)施例中的一種手足一體化機(jī)器人的操控裝置中挪動(dòng)橫行態(tài)示例圖，即在挪動(dòng)橫行態(tài)的模式下，挪動(dòng)橫行態(tài)主要為手足一體化機(jī)器人微調(diào)節(jié)位置而進(jìn)行選用的。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。