專利名稱：面向非規(guī)則物體的抓取機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抓取機(jī)器人領(lǐng)域，特別是一種針對(duì)非規(guī)則物體抓取的機(jī)器人。
背景技術(shù)：
近年來，抓取機(jī)器人的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，其已不再局限于搬運(yùn)、焊接以及大批量作業(yè)。如煤礦救援、海底打撈、軍事偵察、核能利用和空間探測(cè)等領(lǐng)域?qū)ψトC(jī)器人的需求亦日益增多。然而，非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境以及作業(yè)對(duì)象的非規(guī)則性是抓取機(jī)器人作業(yè)所面臨的主要難點(diǎn)。現(xiàn)有的大多數(shù)工業(yè)抓取機(jī)器人集成化、自動(dòng)化和智能化程度較低，作業(yè)時(shí)工作環(huán)境已知，作業(yè)對(duì)象固定且形狀規(guī)則，作業(yè)過程程序化，難以完成危險(xiǎn)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下不規(guī)則物體的抓取作業(yè)。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有抓取機(jī)器人集成化、自動(dòng)化和智能化程度不高以及難以完成非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下不規(guī)則物體抓取的缺陷，本發(fā)明提供了一種面向非規(guī)則物體作業(yè)的抓取機(jī)器人，通過設(shè)計(jì)其遙控移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械臂、改進(jìn)其末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、配置用于感知不規(guī)則物體的空間位姿和邊界信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不規(guī)則物體在兩手指間的受力與滑動(dòng)狀況的攝像頭、距離傳感器和微型力敏傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人面向非規(guī)則物體的抓取作業(yè)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:將遙控移動(dòng)平臺(tái)、5自由度機(jī)械臂和I自由度末端執(zhí)行器三個(gè)模塊集成構(gòu)成抓取機(jī)器人；通過遠(yuǎn)程遙控操縱移動(dòng)平臺(tái)使抓取機(jī)器人進(jìn)入危險(xiǎn)的非結(jié)構(gòu)化工作空間內(nèi)作業(yè)；利用5自由度機(jī)械臂擴(kuò)大抓取機(jī)器人的靈活工作空間；利用攝像頭和距離傳感器檢測(cè)非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下不規(guī)則物體的空間位姿與形狀信息；采用微型力敏傳感器實(shí)時(shí)感知不規(guī)則物體在兩手指之間的受力與滑動(dòng)信息；通過改進(jìn)末端執(zhí)行器的指面結(jié)構(gòu)，即在支撐板上安裝5行4列的中空螺釘和彈簧，使手指在接觸非規(guī)則物體后自動(dòng)依據(jù)非規(guī)則物體的接觸面形狀自適應(yīng)變形，從而使機(jī)器人手指可以穩(wěn)定抓取不同形狀的非規(guī)則物體。
本發(fā)明的有益效果是:遙控移動(dòng)平臺(tái)、5自由度機(jī)械臂和I自由度末端執(zhí)行器的集成設(shè)計(jì)以及攝像頭、距離傳感器和力敏傳感器的采用提高了抓取機(jī)器人的集成化、自動(dòng)化和智能化水平，使其能夠進(jìn)入非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下工作。末端執(zhí)行器的獨(dú)特式設(shè)計(jì)使抓取機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非規(guī)則物體的抓取作業(yè)。


圖1為本發(fā)明面向非規(guī)則物體的抓取機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)中遙控移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，圖3為圖1所示結(jié)構(gòu)中機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖，圖4為圖1所示結(jié)構(gòu)中末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖，圖5為圖4所示結(jié)構(gòu)中手指的結(jié)構(gòu)圖。
圖1中:1.遙控移動(dòng)平臺(tái)，2.機(jī)械臂，3.末端執(zhí)行器，4.攝像頭，5.距離傳感器。
圖2中:1-1.輪子，1-2.底盤，1-3.輪子，1_4.蓄電池，1_5.密封蓋，1_6.步進(jìn)電機(jī)，1-7.固定盤，1-8.回轉(zhuǎn)軸承，1-9.撥叉，1-10.轉(zhuǎn)盤，1-11.輪子，1-12.輪子，1-13.驅(qū)動(dòng)器，1-14.控制器，1-15.銅柱，1-16.變壓與穩(wěn)壓模塊。
圖3中:2-1.舵機(jī)，2-2.支架，2-3.軸承，2-4.右連桿，2-5.左連桿，2-6.軸承，2-7.舵機(jī)，2-8.右連桿，2-9.左連桿，2-10.軸承，2-11.舵機(jī)，2-12.搖臂，2-13.U型連桿，2-14.舵機(jī)，2-15.舵盤。
圖4中:3-1.固定板，3-2.光軸，3-3.直線軸承，3-4.側(cè)護(hù)板，3-5.連接板，3-6.三孔元母，3-7.手指，3-8.雙向螺桿，3-9.直流電機(jī)，3-10.手指，3-11.三孔元母，3-12.齒輪，3-13.連接板，3-14.齒輪，3-15.側(cè)護(hù)板，3-16.直線軸承，4.攝像頭，5.距離傳感器。
圖5中:3-7-1.頂蓋層，3-7-2.力敏傳感器，3-7-3.中間層，3-7-4.彈黃,3-7-5.中空螺釘，3-7-6.支撐板，3-7-7.彈簧，3-7-8.中空螺釘，3_7_9.海綿層。
具體實(shí)施方式
面向非規(guī)則物體的抓取機(jī)器人(圖1)由機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，其中機(jī)械系統(tǒng)由遙控移動(dòng)平臺(tái)(I)、機(jī)械臂(2)和末端執(zhí)行器(3)三個(gè)模塊集成；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器(1-14)、驅(qū)動(dòng)器(1-13)、舵機(jī)(2-1、2-7、2-11和2_14)、步進(jìn)電機(jī)(1-6)、直流電機(jī)(3-9)以及拖動(dòng)輪子(1-1、1-3、1-11和1_12)的4個(gè)直流電機(jī)組成；檢測(cè)系統(tǒng)由攝像頭(4)、距離傳感器(5)以及安裝于手指(3-7)上的力敏傳感器(3-7-2)和安裝于手指(3-10)上的力敏傳感器組成；供電系統(tǒng)由蓄電池(1-4)和變壓與穩(wěn)壓模塊(1-16)組成。
遙控移動(dòng)平臺(tái)(I)如圖2所示，包含輪子(1-1、1-3、1_11和1_12)、底盤(1_2)、蓄電池(1-4)、密封蓋(1-5)、步進(jìn)電機(jī)(1-6)、固定盤(1-7)、回轉(zhuǎn)軸承(1-8)、撥叉(1-9)、轉(zhuǎn)盤(1-10)、驅(qū)動(dòng)器(1-13)、控制器(1-14)、銅柱(1-15)和變壓與穩(wěn)壓模塊(1-16)。蓄電池(1-4)的輸出電壓可通過變壓與穩(wěn)壓模塊(1-16)轉(zhuǎn)化為抓取機(jī)器人系統(tǒng)中控制器(1-14)、驅(qū)動(dòng)器(1-13)以及步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和舵機(jī)的所需電壓?？刂破?1-14)可直接控制機(jī)械臂(2)中舵機(jī)(2-1、2-7、2-11和2-15)的運(yùn)動(dòng)；可通過驅(qū)動(dòng)器(1_13)控制抓取機(jī)器人系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；亦可采集與處理來自攝像頭(4)、距離傳感器(5)和力敏傳感器(3-7-2)的檢測(cè)信息。底盤(1-2)上固定有四個(gè)直流電機(jī)可分別通過聯(lián)軸器拖動(dòng)輪子(1-1、1-3、1-11和1-12)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)(1-6)、固定盤(1-7)、回轉(zhuǎn)軸承(1-8)、撥叉(1-9)、轉(zhuǎn)盤(1-10)和銅柱(1-15)組成轉(zhuǎn)臺(tái)；固定盤(1-7)通過銅柱(1-15)安裝于密封蓋(1-5)的上表面；回轉(zhuǎn)軸承(1-8)安裝于固定盤(1-7)上，同時(shí)與轉(zhuǎn)盤(1-10)連接；步進(jìn)電機(jī)(1-6)通過聯(lián)軸器和撥叉(1-9)，驅(qū)動(dòng)安裝在固定盤(1-7)上的回轉(zhuǎn)軸承(1-8)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(1-10)旋轉(zhuǎn)，可避免步進(jìn)電機(jī)(1-6)承受同心度偏差帶來的附加彎矩。
機(jī)械臂(2)如圖3所示，包含舵機(jī)(2-1)、支架(2-2)、軸承(2-3)、右連桿(2-4)、左連桿(2-5 )、軸承(2-6 )、舵機(jī)(2-7 )、右連桿(2-8 )、左連桿(2-9 )、軸承(2-10 )、舵機(jī)(2-11)、搖臂(2-12)、U型連桿(2-13)、舵機(jī)(2-14)和舵盤(2-15)。支架(2_2)將舵機(jī)(2_1)固定在轉(zhuǎn)盤(1-10)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂(2)與遙控移動(dòng)平臺(tái)(I)的連接。右連桿(2-4)和左連桿(2-5)分別通過搖臂和軸承(2-3)連接于舵機(jī)(2-1)的輸出軸上，構(gòu)成機(jī)械臂第一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；右連桿(2-8)和左連桿(2-9)分別通過搖臂和軸承(2-6)連接于舵機(jī)(2-7)的輸出軸上，構(gòu)成機(jī)械臂第二轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；U型連桿(2-13)分別通過搖臂(2-12)和軸承(2-10)連接于舵機(jī)(2-11)的輸出軸上，構(gòu)成機(jī)械臂第三轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；舵機(jī)(2-14)固定于U型連桿(2-13)的底端，其輸出軸安裝舵盤(2-15)。
末端執(zhí)行器(3)如圖4所示，包含固定板(3-1)、光軸(3-2)、直線軸承(3-3)、側(cè)護(hù)板(3-4)、連接板(3-5)、三孔元母(3-6)、手指(3-7)、雙向螺桿(3-8)、直流電機(jī)(3-9)、手指(3-10)、三孔元母(3-11)、齒輪(3-12)、連接板(3-13)、齒輪(3-14)、側(cè)護(hù)板(3-15)和直線軸承(3-16)。固定板(3-1)與舵盤(2-15)通過螺栓固定，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器(3)與機(jī)械臂(2)之間的連接。直流電機(jī)(3-9)的輸出軸安裝有齒輪(3-14)，通過與齒輪(3-12)之間的齒輪嚙合傳動(dòng)以及三孔元母(3-6和3-11)與雙向螺桿(3-8)之間的螺旋傳動(dòng)拖動(dòng)連接板(3-5)和連接板(3-13)之間的開合，進(jìn)而控制手指(3-7)與手指(3-10)之間的開合。光軸(3-2)是連接板(3-5)與連接板(3-13)之間開合的導(dǎo)向軸，通過中間元件直線軸承(3-3和3-16)減小導(dǎo)向時(shí)的滑動(dòng)摩擦。側(cè)護(hù)板(3-4和3-15)與固定板(3_1)之間通過L型支架連接緊固。
手指(3-7 )如圖5所不，包含頂蓋層(3-7-1 )、力敏傳感器(3-7-2)、中間層(3-7-3)、彈簧(3-7-4)、中空螺釘(3-7-5)、支撐板(3-7-6)、彈簧(3_7_7)、中空螺釘(3-7-8)和海綿層(3-7-9)。支撐板(3-7-6)上有5行*4列的矩陣沉孔；在支撐板(3_7_6)右側(cè)，彈簧(3-7-7 )放置于相應(yīng)沉孔，中空螺釘(3-7-8 )放置于彈簧(3-7-7 )中且保持同一中心軸；在支撐板(3-7-6)左側(cè)，中空螺釘(3-7-5)放置于支撐板(3-7-6)表面，與中空螺釘(3-7-8)通過攻絲連接，且保持與相應(yīng)沉孔同一中心軸，彈簧(3-7-4)放置于中空螺釘(3-7-5)上且保持同一中心軸。支撐板(3-7-6)右側(cè)用海綿層(3-7-9)對(duì)彈簧(3_7_7)和中空螺釘(3-7-8)進(jìn)行固定；頂蓋層(3-7-1)、力敏傳感器(3-7-2)、中間層(3-7-3)與支撐板(3-7-6)依次進(jìn)行配合固定。手指(3-10)的結(jié)構(gòu)與手指(3-7)相同。
抓取機(jī)器人作業(yè)時(shí)，通過遠(yuǎn)程遙控器操縱抓取機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)(I)進(jìn)入危險(xiǎn)或未知的非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下；攝像頭(4)和距離傳感器(5)檢測(cè)抓取機(jī)器人所處環(huán)境信息和目標(biāo)物形狀與位姿信息并將之反饋給控制器(1-14);控制器(1-14)對(duì)反饋信息進(jìn)行處理后，控制機(jī)械臂(2)將末端執(zhí)行器(3)送到待抓取的非規(guī)則物體附近；手指(3-7和3-10)張開后合攏，抓取非規(guī)則物體；非規(guī)則物體首先與手指(3-7)的最內(nèi)層-海綿層(3-7-9)和手指(3-10)的海綿層接觸，隨接觸力的增大，非規(guī)則物體通過海綿層壓縮中空螺釘(3-7-8)，迫使彈簧(3-7-7)收縮，矩陣式彈簧依據(jù)非規(guī)則物體的接觸面形狀自適應(yīng)變形；手指(3-7和3-10)抓穩(wěn)非規(guī)則物體后，依據(jù)預(yù)先規(guī)劃路徑返回，完成目標(biāo)任務(wù)。中空螺釘(3-7-8)通過攻絲迫使中空螺釘(3-7-5)壓縮彈簧(3-7-4)，最終將非規(guī)則物體與手指之間的接觸力傳遞至力敏傳感器(3-7-2)，力敏傳感器(3-7-2)將檢測(cè)到的接觸力信息實(shí)時(shí)反饋給控制器(1-14)。若非規(guī)則物體在兩手指之間出現(xiàn)滑動(dòng)，力敏傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的力信號(hào)輸出頻率將產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，控制器(1-14)可依據(jù)該信息采取適當(dāng)措施防止非規(guī)則物體在兩手指之間滑動(dòng)或跌落。
權(quán)利要求
1.一種面向非規(guī)則物體的抓取機(jī)器人，其特征在于:抓取機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，其中機(jī)械系統(tǒng)由遙控移動(dòng)平臺(tái)(I)、機(jī)械臂(2)和末端執(zhí)行器(3)三個(gè)模塊集成；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器(1-14)、驅(qū)動(dòng)器(1-13)、舵機(jī)(2-1、2-7、2-11和2-14)、步進(jìn)電機(jī)(1-6)、直流電機(jī)(3-9)以及拖動(dòng)輪子(1-1、1-3、1-11和1_12)的4個(gè)直流電機(jī)組成；檢測(cè)系統(tǒng)由攝像頭(4)、距離傳感器(5)以及安裝于手指(3-7)上的力敏傳感器(3-7-2)和安裝于手指(3-10)上的力敏傳感器組成；供電系統(tǒng)由蓄電池(1-4)和變壓與穩(wěn)壓模塊(1-16)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抓取機(jī)器人，其特征在于:末端執(zhí)行器(3)包含固定板(3-1)、光軸(3-2)、直線軸承(3-3)、側(cè)護(hù)板(3-4)、連接板(3-5)、三孔元母(3-6)、手指(3-7)、雙向螺桿(3-8)、直流電機(jī)(3-9)、手指(3-10)、三孔元母(3-11)、齒輪(3-12)、連接板(3-13)、齒輪(3-14)、側(cè)護(hù)板(3-15)和直線軸承(3_16);固定板(3_1)與舵盤(2_15)通過螺栓固定，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器(3)與機(jī)械臂(2)之間的連接；直流電機(jī)(3-9)的輸出軸安裝有齒輪(3-14)，通過與齒輪(3-12 )之間的齒輪嚙合傳動(dòng)以及三孔元母(3-6和3_11)與雙向螺桿(3-8)之間的螺旋傳動(dòng)拖動(dòng)連接板(3-5)和連接板(3-13)之間的開合，進(jìn)而控制手指(3-7)與手指(3-10)之間的開合；光軸(3-2)是連接板(3-5)與連接板(3-13)之間開合的導(dǎo)向軸，通過中間元件直線軸承(3-3和3-16)減小導(dǎo)向時(shí)的滑動(dòng)摩擦；側(cè)護(hù)板(3-4和3-15)與固定板(3-1)之間通過L型支架連接緊固。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抓取機(jī)器人，其特征在于:手指(3-7)包含頂蓋層(3-7-1)、力敏傳感器(3-7-2 )、中間層(3-7-3 )、彈簧(3-7-4)、中空螺釘(3-7-5 )、支撐板(3-7-6 )、彈簧(3-7-7)、中空螺釘(3-7-8)和海綿層(3-7-9);支撐板(3_7_6)上有5行*4列的矩陣沉孔；在支撐板(3-7-6)右側(cè)，彈簧(3-7-7)放置于相應(yīng)沉孔，中空螺釘(3-7-8)放置于彈簧(3-7-7)中且保持同一中心軸；在支撐板(3-7-6)左側(cè)，中空螺釘(3-7-5)放置于支撐板(3-7-6)表面，與中空螺釘(3-7-8)通過攻絲連接，且保持與相應(yīng)沉孔同一中心軸，彈簧(3-7-4)放置于中空螺釘(3-7-5)上且保持同一中心軸；支撐板(3-7-6)右側(cè)用海綿層(3-7-9)對(duì)彈簧(3-7-7)和中空螺釘(3-7-8)進(jìn)行固定；頂蓋層(3_7_1)、力敏傳感器(3-7-2)、中間層(3-7-3)與支撐板(3-7-6)依次進(jìn)行配合固定。
全文摘要
一種面向非規(guī)則物體的抓取機(jī)器人，涉及機(jī)器人領(lǐng)域。其由遙控移動(dòng)平臺(tái)、5自由度機(jī)械臂和末端執(zhí)行器三個(gè)模塊集成。通過遠(yuǎn)程遙控可操縱移動(dòng)平臺(tái)使抓取機(jī)器人進(jìn)入非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下作業(yè)；攝像頭和距離傳感器用于檢測(cè)非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下不規(guī)則物體的空間位姿與形狀信息；力敏傳感器用于實(shí)時(shí)感知非規(guī)則物體在兩手指之間的受力與滑動(dòng)信息；末端執(zhí)行器手指支撐板上安裝5行4列的中空螺釘和彈簧，可使手指在接觸非規(guī)則物體后自動(dòng)依據(jù)非規(guī)則物體的接觸面形狀自適應(yīng)變形，從而使抓取機(jī)器人能夠穩(wěn)定抓取不同形狀的非規(guī)則物體。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，新穎獨(dú)特，集成化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下不規(guī)則物體的穩(wěn)定抓取。
文檔編號(hào)B25J15/02GK103144094SQ201310097139
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者李智國, 楊紅玲, 卞平艷, 李世順 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)