移动机械手系统技术方案

一种移动机械手系统，包括一个３自由度全方位移动平台，一个５自由度机械手，视觉系统和计算机控制系统。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
移动机械手系统
本专利技术涉及一种移动机械手系统，特别是包含一个3自由度全方位移动平台和5自由度机械手，用来实现大范围移动操作的移动机械手系统。
技术介绍
移动机械手系统是由机械手固定在移动平台上构成。机械手用来实现一些动作如抓取、操作等，通过平台的移动来扩大机械手的工作空间，使机械手能以更合适的姿态执行任务。移动机械手非常适合于代替人工作在各种危险场合，如排除炸药、垃圾处理、野外探险和太空作业等，适合于处理各种复杂的工业问题如大型船壳体的移动机械手焊接制造等，适合于扩展与人交互合作的服务范围，如操作电梯、开门、搬运物体等。近些年来相继研制成功的火星探路者、排险机械手、移动焊接机械手、办公室送信移动机器人等，都属于典型的移动机械手系统。随着相关的机器人、自动控制、计算机视觉等技术的日益成熟，移动机械手将在更广泛的领域会发挥重要的作用。移动机械手系统一般包括：移动平台、机械手、传感器和控制系统等。在办公室等平坦路面环境中工作的移动平台多采用轮式驱动，若能实现平面上全部3个自由度(前后、左右、自转)的运动则为全方位移动平台，否则为非全方位移动平台。机械手的结构可以很简单，也可以采用6自由度的关节式工业机械手来实现任意姿态的抓取和操作任务。传感器通常包括超声波、红外、视觉传感器等，用来感知外部环境信息实现定位、避障等功能。控制系统通常由计算机和控制卡等组成，实现传感器的信号处理，移动平台和机械手的协调控制。在移动机械手的系统构建上，一般是将移动平台和机械手简单地组合在一起，并没有考虑整体系统结构和性能的优化。一种简单的移动机械手系统包括移动平台和简单的夹持器，基本结构和功能类似叉车。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)研制的系统包括一个全方位移动平台和一个夹子，以及在平面运动的3自由度柔性机械手，可以用来实现简单的物体搬运功能。这种移动机械手大多功能单一，操作空间有限，在移动平台固定时机械手很难发挥作用。机械手的运动精度一般情况下要优于移动平台，因此若目标在机械手的工作空间范围内，可以只通过操作机械手来完成任务，这就要求机械手具有复杂的结构和丰富的功能。一种简单思路就是将成熟的工业机械手产品同移动平台结合起来。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，2001，3：3145-3152)所采用的移动机械手由工业机械手Puma560固定在全方位移动平台上构成。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，2002，4：3571-3576)采用一个全方位移动平台和7个自由度的机械手构成移动机械手。Kim等(Kim，etc.Visualsensing and recognition of welding environment for intelligentshipyard welding robots.IEEE Int.Conf.on Intelligent Robots andSystems，2000，3：2159-2165)则将这种类似的系统应用到大型船舶壳体的建造上，在机械手末端安装了三维结构光传感器来实现轨迹的识别和跟踪。以上方法由于采用了成熟的工业机械手技术，充分实现了移动机械手的移动操作功能。但也存在一些问题：在移动平台上找不到合适的视觉系统的安装位置，不是被机械手遮挡住视角范围，就是同机械手的工作空间冲突，若缺少视觉系统则很难实现移动机械手的准确的全局定位，若将视觉系统安装在机械手末端，则很大程度上限制了视觉系统的视角范围和作用；工业机械手质量大、运动速度快，运动过程中会产生很大的耦合力作用在移动平台上，影响平台的稳定，容易引起平台振动或倾翻；工业机械手的能源消耗很大，是移动平台车载能源的主要-->负担。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种移动机械手系统，通过机械手与移动平台的协调控制，实现移动操作的功能。为实现上述目的，一种移动机械手系统，包括一个3自由度移动平台，一个5自由度机械手，摄像机安装在机械手直线导轨5的顶端。移动机械手由3自由度的全方位移动平台和5自由度的机械手组成，可以实现大范围的移动操作功能，如在各个办公室之间移动传递文件，操作电梯按钮使机器人在各个楼层间移动等。采用具有旋转、俯仰功能的摄像机，并安装在直线导轨的顶端。使得在移动平台不动的情况下通过摄像机的高精度旋转实现对周围景物的观察。当机械手处于低的工作位置时，可以控制摄像机俯视，保证机械手末端在摄像机的视角范围内。附图说明图1是本专利技术移动机械手系统结构图；图2是本专利技术移动机械手的初始复位状态俯视图。具体实施方式移动平台的3个自由度是指其在平面上的前后、左右和自转的3种运动形式，实现在平面上的全方位移动，尤其在狭窄的空间中也能行动自如，因此，能确保机械手操作时处于有利的方向。除了轮子、电机、驱动器和驱动电源外，移动平台还包括超声传感器和红外传感器等，可以用来实现移动平台的初步定位。机械手由以下几部分组成：躯干、肩部、上臂、前臂、腕部和手。以及连接各部分的关节，包括1个移动关节，如直线导轨(躯干)上滑块的上下移动，和4个转动关节如肩关节、肘关节、腕部自转关节和腕部摆动关节，共5个自由度。通过各个关节的协调运动，可以控制机械手末端(手)运动到指定位置，实现抓取和操作的功能。在移动平台向目标大范围运动时，机械手的各个连杆要处于初始复位位置，其各部分都-->不超出移动平台以避免同外界环境碰撞。在移动平台的运动过程中由视觉系统对待操作物体进行定位。若物体在机械手的操作空间内，则机械手开始运动执行任务。若单独靠机械手的运动无法有效完成任务，则控制移动平台协调运动。完成移动操作的另外一个重要部分为视觉系统，安装在机械手的躯干上，摄取外界环境的图像，通过图像处理的方法获得待操作物体的位置信息，并提供给移动机械手的控制系统，作为输出控制动作的依据。以下结合附图对本专利技术做进一步描述。全方位移动平台6，可以实现在平面上前后、左右和自转的3个自由度的运动，其中超声传感器、红外传感器等安装在移动平台6的四周，用来检测外界环境信息，实现移动平台的运动规划、避障等功能。在机械手的设计过程中考虑到移动平台结构和运动特性，引入了移动关节和转动关节相结合的方式，这是本专利技术的主要特点之一。由于机械手的肩和肘关节都绕垂直轴在水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1、一种移动机械手系统，包括一个3自由度全方位移动平台，一个5自由度机械手，视觉系统和计算机控制系统。2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述移动平台为3自由度全方位移动平台，移动平台上安装有检测环境信息的超声、红外传感器。3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述机械手包括1个移动关节和4个转动关节。4.按权利要求3所述的系统，其特征在于所述的上下移动关节由直线导轨(5)和导轨滑块(4)构成。5.按权利要求3所述的系统，其特征在于所述4个转动关节包括肩关节和、肘关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵冬斌，易建强，宋佐时，邓旭玥，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：