專利名稱：面向非規則物體的抓取機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及抓取機器人領域，特別是一種針對非規則物體抓取的機器人。
背景技術：
近年來，抓取機器人的應用范圍日益擴大，其已不再局限于搬運、焊接以及大批量作業。如煤礦救援、海底打撈、軍事偵察、核能利用和空間探測等領域對抓取機器人的需求亦日益增多。然而，非結構化的工作環境以及作業對象的非規則性是抓取機器人作業所面臨的主要難點。現有的大多數工業抓取機器人集成化、自動化和智能化程度較低，作業時工作環境已知，作業對象固定且形狀規則，作業過程程序化，難以完成危險環境或非結構化工作環境下不規則物體的抓取作業。發明內容
為了克服現有抓取機器人集成化、自動化和智能化程度不高以及難以完成非結構化工作環境下不規則物體抓取的缺陷，本發明提供了一種面向非規則物體作業的抓取機器人，通過設計其遙控移動平臺和機械臂、改進其末端執行器的機械結構、配置用于感知不規則物體的空間位姿和邊界信息以及實時監測不規則物體在兩手指間的受力與滑動狀況的攝像頭、距離傳感器和微型力敏傳感器，進而實現機器人面向非規則物體的抓取作業。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:將遙控移動平臺、5自由度機械臂和I自由度末端執行器三個模塊集成構成抓取機器人；通過遠程遙控操縱移動平臺使抓取機器人進入危險的非結構化工作空間內作業；利用5自由度機械臂擴大抓取機器人的靈活工作空間；利用攝像頭和距離傳感器檢測非結構化工作環境下不規則物體的空間位姿與形狀信息；采用微型力敏傳感器實時感知不規則物體在兩手指之間的受力與滑動信息；通過改進末端執行器的指面結構，即在支撐板上安裝5行4列的中空螺釘和彈簧，使手指在接觸非規則物體后自動依據非規則物體的接觸面形狀自適應變形，從而使機器人手指可以穩定抓取不同形狀的非規則物體。
本發明的有益效果是:遙控移動平臺、5自由度機械臂和I自由度末端執行器的集成設計以及攝像頭、距離傳感器和力敏傳感器的采用提高了抓取機器人的集成化、自動化和智能化水平，使其能夠進入非結構化工作環境下工作。末端執行器的獨特式設計使抓取機器人能夠實現對非規則物體的抓取作業。


圖1為本發明面向非規則物體的抓取機器人系統結構圖，圖2為圖1所示結構中遙控移動平臺的結構圖，圖3為圖1所示結構中機械臂的結構圖，圖4為圖1所示結構中末端執行器的結構圖，圖5為圖4所示結構中手指的結構圖。
圖1中:1.遙控移動平臺，2.機械臂，3.末端執行器，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.步進電機，1-7.固定盤，1-8.回轉軸承，1-9.撥叉，1-10.轉盤，1-11.輪子，1-12.輪子，1-13.驅動器，1-14.控制器，1-15.銅柱，1-16.變壓與穩壓模塊。
圖3中:2-1.舵機，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，2-8.右連桿，2-9.左連桿，2-10.軸承，2-11.舵機，2-12.搖臂，2-13.U型連桿，2-14.舵機，2-15.舵盤。
圖4中:3-1.固定板，3-2.光軸，3-3.直線軸承，3-4.側護板，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，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.側護板，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。
具體實施方式
面向非規則物體的抓取機器人(圖1)由機械系統、運動控制系統、檢測系統和供電系統組成，其中機械系統由遙控移動平臺(I)、機械臂(2)和末端執行器(3)三個模塊集成；運動控制系統由控制器(1-14)、驅動器(1-13)、舵機(2-1、2-7、2-11和2_14)、步進電機(1-6)、直流電機(3-9)以及拖動輪子(1-1、1-3、1-11和1_12)的4個直流電機組成；檢測系統由攝像頭(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；供電系統由蓄電池(1-4)和變壓與穩壓模塊(1-16)組成。
遙控移動平臺(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)、步進電機(1-6)、固定盤(1-7)、回轉軸承(1-8)、撥叉(1-9)、轉盤(1-10)、驅動器(1-13)、控制器(1-14)、銅柱(1-15)和變壓與穩壓模塊(1-16)。蓄電池(1-4)的輸出電壓可通過變壓與穩壓模塊(1-16)轉化為抓取機器人系統中控制器(1-14)、驅動器(1-13)以及步進電機、直流電機和舵機的所需電壓。控制器(1-14)可直接控制機械臂(2)中舵機(2-1、2-7、2-11和2-15)的運動；可通過驅動器(1_13)控制抓取機器人系統中步進電機和直流電機的運動；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)的檢測信息。底盤(1-2)上固定有四個直流電機可分別通過聯軸器拖動輪子(1-1、1-3、1-11和1-12)的轉動。步進電機(1-6)、固定盤(1-7)、回轉軸承(1-8)、撥叉(1-9)、轉盤(1-10)和銅柱(1-15)組成轉臺；固定盤(1-7)通過銅柱(1-15)安裝于密封蓋(1-5)的上表面；回轉軸承(1-8)安裝于固定盤(1-7)上，同時與轉盤(1-10)連接；步進電機(1-6)通過聯軸器和撥叉(1-9)，驅動安裝在固定盤(1-7)上的回轉軸承(1-8)帶動轉盤(1-10)旋轉，可避免步進電機(1-6)承受同心度偏差帶來的附加彎矩。
機械臂(2)如圖3所示，包含舵機(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(2-7 )、右連桿(2-8 )、左連桿(2-9 )、軸承(2-10 )、舵機(2-11)、搖臂(2-12)、U型連桿(2-13)、舵機(2-14)和舵盤(2-15)。支架(2_2)將舵機(2_1)固定在轉盤(1-10)上，實現機械臂(2)與遙控移動平臺(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(2-1)的輸出軸上，構成機械臂第一轉動關節；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(2-7)的輸出軸上，構成機械臂第二轉動關節；U型連桿(2-13)分別通過搖臂(2-12)和軸承(2-10)連接于舵機(2-11)的輸出軸上，構成機械臂第三轉動關節；舵機(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)、側護板(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(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)、側護板(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，從而實現末端執行器(3)與機械臂(2)之間的連接。直流電機(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)之間的螺旋傳動拖動連接板(3-5)和連接板(3-13)之間的開合，進而控制手指(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)之間開合的導向軸，通過中間元件直線軸承(3-3和3-16)減小導向時的滑動摩擦。側護板(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，彈簧(3-7-7 )放置于相應沉孔，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，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)右側用海綿層(3-7-9)對彈簧(3_7_7)和中空螺釘(3-7-8)進行固定；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)依次進行配合固定。手指(3-10)的結構與手指(3-7)相同。
抓取機器人作業時，通過遠程遙控器操縱抓取機器人移動平臺(I)進入危險或未知的非結構化工作環境下；攝像頭(4)和距離傳感器(5)檢測抓取機器人所處環境信息和目標物形狀與位姿信息并將之反饋給控制器(1-14);控制器(1-14)對反饋信息進行處理后，控制機械臂(2)將末端執行器(3)送到待抓取的非規則物體附近；手指(3-7和3-10)張開后合攏，抓取非規則物體；非規則物體首先與手指(3-7)的最內層-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，矩陣式彈簧依據非規則物體的接觸面形狀自適應變形；手指(3-7和3-10)抓穩非規則物體后，依據預先規劃路徑返回，完成目標任務。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)將檢測到的接觸力信息實時反饋給控制器(1-14)。若非規則物體在兩手指之間出現滑動，力敏傳感器實時檢測到的力信號輸出頻率將產生大幅度波動，控制器(1-14)可依據該信息采取適當措施防止非規則物體在兩手指之間滑動或跌落。
權利要求
1.一種面向非規則物體的抓取機器人，其特征在于:抓取機器人由機械系統、運動控制系統、檢測系統和供電系統組成，其中機械系統由遙控移動平臺(I)、機械臂(2)和末端執行器(3)三個模塊集成；運動控制系統由控制器(1-14)、驅動器(1-13)、舵機(2-1、2-7、2-11和2-14)、步進電機(1-6)、直流電機(3-9)以及拖動輪子(1-1、1-3、1-11和1_12)的4個直流電機組成；檢測系統由攝像頭(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；供電系統由蓄電池(1-4)和變壓與穩壓模塊(1-16)組成。
2.根據權利要求1所述的抓取機器人，其特征在于:末端執行器(3)包含固定板(3-1)、光軸(3-2)、直線軸承(3-3)、側護板(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(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)、側護板(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，從而實現末端執行器(3)與機械臂(2)之間的連接；直流電機(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)之間的螺旋傳動拖動連接板(3-5)和連接板(3-13)之間的開合，進而控制手指(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)之間開合的導向軸，通過中間元件直線軸承(3-3和3-16)減小導向時的滑動摩擦；側護板(3-4和3-15)與固定板(3-1)之間通過L型支架連接緊固。
3.根據權利要求1所述的抓取機器人，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，彈簧(3-7-7)放置于相應沉孔，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，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)右側用海綿層(3-7-9)對彈簧(3-7-7)和中空螺釘(3-7-8)進行固定；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)依次進行配合固定。
全文摘要
一種面向非規則物體的抓取機器人，涉及機器人領域。其由遙控移動平臺、5自由度機械臂和末端執行器三個模塊集成。通過遠程遙控可操縱移動平臺使抓取機器人進入非結構化工作環境下作業；攝像頭和距離傳感器用于檢測非結構化工作環境下不規則物體的空間位姿與形狀信息；力敏傳感器用于實時感知非規則物體在兩手指之間的受力與滑動信息；末端執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則物體后自動依據非規則物體的接觸面形狀自適應變形，從而使抓取機器人能夠穩定抓取不同形狀的非規則物體。本發明設計合理，新穎獨特，集成化程度高，能夠實現非結構化工作環境下不規則物體的穩定抓取。
文檔編號B25J15/02GK103144094SQ201310097139
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者李智國, 楊紅玲, 卞平艷, 李世順 申請人:河南理工大學