专利名称：一种具有位姿自主检测功能的夹持器模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人的自动检测技术领域，特别涉及一种具有位姿自主检测功
能的夹持器模块。
背景技术：
获取夹持器相对于杆件的位置和姿态，是引导夹子无碰撞可靠夹持的必要条件。由于基座误差、机器人本体关节间隙误差以及图像误差等系统误差，用于抓夹的工业机器人，以及手爪/足爪交替抓夹目标物的主流爬杆机器人包括W00DY、CPR、Shady3D、ASTERISK、3DCUMBER、Treebot和Climbot等面临一个共性的问题，末端抓夹工具不能很好地对正杆件，需要做适当的校正才能可靠抓夹杆件。大多数工业机器人和爬杆机器人并没有对校正抓夹误差做太多的工作，而是依靠机器人本身的精度或者人为调整来保证抓夹的可靠性。3DCUMBER尽管对校正抓夹误差上做了一些工作，但是它还如下不足1)夹持器目标位姿事先精确给定，只有在结构化的精确环境中才有意义，在自主攀爬中很难满足；2) 3DCLIMBER在单步攀爬中实际上只有平面三个自由度，只检测和调整一个位移参数和一个角度参数，对3D环境中的攀爬远远不够；3)通过两端红外对射来对正并测距的可行性和实际效果令人怀疑；4)检测和校正都以机器人本身为中心，需要知道机器人固定端的倾斜和机器人本身的误差，导致解决问题的复杂化。因此，对自主抓夹而言，应该以杆件为参考和基准，以手爪相对于杆件的位姿检测和控制为中心，这方面的技术还是空白。
实用新型内容本实用新型的发明目的是针对现有机器人自动检测的技术不足，提供一种具有位姿自主检测功能的夹持器模块。为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为提供一种具有位姿自主检测功能的夹持器模块，包括夹持部、控制系统、壳体及设于壳体外表面的位姿自主检测部；所述夹持部包括两个相对设置的手爪与用于驱动手爪的传动部；其中，手爪设于壳体上方，传动部设于壳体内；所述控制系统控制系统与位姿自主检测部电连接从而通过位姿自主检测部获取待夹物品信息，控制系统与传动部电连接从而通过获取的待夹物品信息驱动传动部。优选地，所述传动部还包括蜗轮、盘式电机、电机轴套、盘式谐波减速器、盘式谐波减速器输出过渡盘与蜗杆；盘式电机的输出轴通过电机轴套与盘式谐波减速器的波发生器相连；电机轴套与波发生器之间通过平键传递扭矩，盘式谐波减速器的输入钢轮和输出钢轮则通过螺钉分别与壳体内侧底部及谐波减速器输出过渡盘轴向固定；谐波减速器输出过渡盘与蜗杆通过花键配合连接且轴向通过螺钉固定；蜗杆两端则分别通过角接触球轴承安装于壳体内；两个蜗轮对称于蜗杆中心线并通过角接触球轴承安装于壳体内，两个蜗轮之间的支承中心线与蜗杆中心线垂直；盘式电机、电机轴套、盘式谐波减速器、谐波减速器输出过渡盘的中心线与蜗杆中心线共线；蜗杆与两个蜗轮之间分别啮合，从而传递运动和力矩。优选地，所述传动部还包括从动杆；每个蜗轮上设有一个外延杆，每个外延杆的末·端铰接有一个手爪，且两个手爪对称于蜗杆中心线设置；每个从动杆的一端通过圆柱销铰接于壳体中部，另一端分别通过圆柱销与同侧的手爪铰接，且两个从动杆对称于蜗杆中心线设置；其中，两个蜗轮、两个从动杆、两个手爪分别与壳体构成平行四杆机构，手爪则在蜗轮的驱动下平行地闭合或者张开。 优选地，所述手爪为相对设置的V型手爪，两个V型手爪之间形成第一沟槽与第二沟槽，所述第一沟槽的开口向上逐渐缩小，所述第二沟槽的开口向下逐渐缩小，从而使得夹持器模块可从两个不同的方向抓取和夹持待夹物品。优选地，所述壳体包括电机座、主基壳与副基壳；所述盘式电机安装于电机座内，两者共轴线并通过螺钉在结合端面固定；所述电机轴套、盘式谐波减速器及谐波减速器输出过渡盘安装于主基壳内；所述蜗杆及蜗轮安装于副基壳内；且所述电机座的中心线也与蜗杆中心线共线。优选地，所述蜗杆两端则分别通过角接触球轴承安装于主基壳内，并由设置在主基壳内的方型轴承端盖压紧固定；所述蜗轮均通过角接触球轴承安装于副基壳内，并由设置在副基壳外表面的圆轴承端盖压紧固定。优选地，所述控制系统包括电机控制驱动器安装盒、电机控制驱动器及主控系统；所述电机控制驱动器安装盒通过螺栓固定在壳体外表面，所述电机控制驱动器则通过螺栓与螺母固定于电机控制驱动器安装盒内，该电机控制驱动器分别与盘式电机及主控系统电连接，主控系统还与位姿自主检测部电连接。优选地，所述位姿自主检测部包括超声波传感器、摄像头、传感器数据采集模块安装盒、激光区域扫描仪、传感器支架与传感器数据采集模块；两个传感器支架通过螺栓对称设置于主基壳外表面，每个传感器支架设有一个超声波传感器；每个超声波传感器发射声波的方向沿着蜗杆轴线且朝向V型手爪；激光区域扫描仪则通过螺栓安装于主基壳外表面一侧，其扫描平面垂直于蜗轮的旋转轴线；与激光区域扫描仪相对，主基壳外表面另一侧设有摄像头球铰支架，摄像头铰接于摄像头球铰支，摄像头的拍摄方向由摄像头球铰支架控制；传感器数据采集模块通过螺栓安装于传感器数据采集模块安装盒内，而传感器数据采集模块安装盒通过螺栓和螺母安装于传感器支架上；摄像头、激光扫描仪和超声波传感器共同测量夹持器模块相对于杆件的位姿。优选地，所述位姿自主检测部包括超声波传感器、摄像头、传感器数据采集模块安装盒、激光区域扫描仪、传感器支架及传感器数据采集模块；两个传感器支架通过螺栓对称设于主基壳外表面，每个传感器支架上设有一个超声波传感器；每个超声波传感器发射声波的方向沿着蜗杆轴线且朝向手爪；激光区域扫描仪则通过螺栓安装于副基壳外表面一侧，其扫描平面垂直于蜗轮的旋转轴线；与激光区域扫描仪相对，副基壳外表面另一侧设有摄像头球铰支架，摄像头铰接于摄像头球铰支架，摄像头的拍摄方向由摄像头球铰支架控制；传感器数据采集模块通过螺栓安装于传感器数据采集模块安装盒内，而传感器数据采集模块安装盒通过螺栓和螺母安装于传感器支架上；摄像头、激光扫描仪和超声波传感器共同测量夹持器模块相对于杆件的位姿。[0017]当该夹持器模块靠近待抓夹杆状对象时，通过激光扫描仪扫描测量和计算得到杆在夹持器坐标系中Y轴和Z轴(见图3)的位置；通过摄像头对杆特征进行提取和计算得到杆在夹持器坐标系中绕Z轴的姿态；两个超声波传感器测距可得到杆在夹持器坐标系中绕Y轴的姿态；从而实现杆相对于夹持器模块Y轴和Z轴的位置和姿态四个量的自主检测。优选地，所述主控系统包括上位机及基于单片机的主控制器，所述超声波传感器通过 ./3C总线接入基于单片机的主控制器；所述传感器数据采集模块通过CAN总线接入上位机，所述激光区域扫描仪和摄像头通过USB Hub接入上位机。本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果本实用新型面向杆件的具有位姿自主检测功能的夹持器模块集成夹持功能和位姿自主检测功能，结构紧凑、实施简单可靠，完整独立的模块化设计，便于应用和扩展。其中，特殊设计的V型手爪可实现两个方向的抓取和夹持，并可自适应杆件的大小和形状，通过平行四杆机构平行地张开和闭合；另外，通过三种传感器有机组合，实现自主地对杆件的位置和姿态进行检测，可为自主抓取和夹持提供靠近杆件的引导信息。该夹持器模块应用于爬杆机器人或者工业机器人中，在机器人末端靠近杆件时，启动传感器检测系统，逐步得到杆件相对于夹持器的位姿；再运用逆运动学求解出夹持器运动到可靠夹持点的各关节的调节量，实现在运动过程中自主检测和校正夹持器相对于杆件的位姿，使夹持器可靠夹持杆件，可有效解决爬杆机器人在同一直杆或者两交错杆件间过渡等难题，是实现爬杆机器人在杆件环境中自主攀爬的基础。
图I是本实用新型夹持器模块的主视半剖视图；图2是本实用新型夹持器模块的左视图；图3是本实用新型夹持器模块夹持圆杆示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本实用新型采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。如图I、图2与图3所示，一种面向杆件的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其主要零部件包括V型手爪01、圆柱销02、扇状蜗轮03、从动杆04、右圆轴承端盖05、内六角圆柱头螺钉06、副基壳07、主基壳08、电机座09、盘式电机10、电机轴套11、平键12、盘式谐波减速器13、盘式谐波减速器输出过渡盘14、齿轮轴挡环15、十字螺钉16、方型轴承端盖17、角接触球轴承18、蜗杆19、传感器支架20、左圆轴承端盖21、超声波传感器22、摄像头23、摄像头球铰支架24、传感器数据采集模块安装盒25、激光区域扫描仪26、电机控制驱动器安装盒27、传感器数据采集模块与电机控制驱动器。盘式电机10安装于电机座09中，两者共轴线并通过螺钉在结合端面固定。盘式电机10的输出轴通过电机轴套11与盘式谐波减速器13的波发生器相连，电机轴套11与波发生器之间通过平键12传递扭矩。盘式谐波减速器13的输入钢轮和输出钢轮则通过螺钉分别与电机座09内侧底部和谐波减速器输出过渡盘14轴向固定。谐波减速器输出过渡盘14与蜗杆19采用花键配合连接，轴向由螺钉固定。蜗杆19两端则分别通过角接触球轴承18支承于主基壳08内，并由设置在主基壳08内的方型轴承端盖17压紧固定。电机座09与主基壳08的圆形输入端通过螺钉固定连接。因此在结构上，电机座09、盘式电机10、电机轴套11、盘式谐波减速器13、谐波减速器输出过渡盘14的中心线与蜗杆中心线共线；另外，电机轴套11、盘式谐波减速器13、谐波减速器输出过渡盘14安装于主基壳08内。·主基壳08与副基壳07外形上相互配对，通过螺钉06固定。在副基壳07内且对称于蜗杆09中心线安装有两个扇状蜗轮03，该两个扇状蜗轮03均由角接触球轴承18支承于副基壳07对应的轴承孔上，该两个扇状蜗轮03之间的支承中心线与蜗杆中心线垂直，并由设置在副基壳07外表面的圆轴承端盖05、21压紧。蜗杆09与两个扇状蜗轮03之间分别啮合，从而传递运动和力矩。主基壳08外表面两侧且对称于蜗杆中心线各安装有一个从动杆04。每个扇状蜗轮03上设有一个外延杆，每个外延杆的末端铰接有一个V型手爪01，且两个V型手爪对称于蜗杆中心线设置。每个从动杆04 —端通过圆柱销02铰接于于主基壳08上，即从动杆04可绕该圆柱销02相对于主基壳08转动；从动杆04另一端通过圆柱销02与V型手爪01铰接。因此，两个扇状蜗轮03、两个从动杆04、两个V型手爪01分别与主基壳08构成平行四杆机构，V型手爪01则在扇状蜗轮03的驱动下平行地闭合或者张开。两个V型手爪之间形成第一沟槽28与第二沟槽29，所述第一沟槽28的开口向上逐渐缩小，所述第二沟槽29的开口向下逐渐缩小，从而使得夹持器模块可从两个不同的方向抓取和夹持待夹物品。电机控制驱动器安装盒27通过螺栓固定在主基壳08外表面，电机控制驱动器29则通过螺栓与螺母固定于电机控制驱动器安装盒27内；盘式电机10与电机控制驱动器电连接。传感器支架20通过螺栓固定在主基壳08外表面且靠近V型手爪01，两个超声波传感器22分别于主基壳08外表面对称分布并通过螺栓固定于传感器支架20上,超声波传感器22发射声波的方向沿着蜗杆19轴线且向着V型手爪01，亦即图3所示Z轴方向。传感器数据采集模块通过螺栓固定于传感器数据采集模块安装盒25内，而传感器数据采集模块安装盒25通过螺栓和螺母固定于传感器支架20上。激光区域扫描仪26则通过螺栓固定于主基壳外表面的一侧，其扫描平面垂直于蜗轮的旋转轴线，亦即图3所示YOZ平面。摄像头23则由摄像头球铰支架24支承，摄像头球铰支架24通过螺栓固定于主基壳外表面的另一侧，即相对激光区域扫描仪26的另一侧。摄像头23的拍摄方向由摄像头球铰支架24控制。因此，本实施例中，电机控制驱动器安装盒27、电机控制驱动器、激光区域扫描仪26、摄像头23、传感器数据采集模块、传感器数据采集模块安装盒25分别分布于主基壳08两侧；摄像头23、激光扫描仪26和超声波传感器22共同通过一定步骤测量夹持器模块相对于杆件的位姿。主控系统与电机控制驱动器电连接。主控系统采用C8051RM0单片机(不限于此)，C8051F040单片机用于控制传感器数据采集模块；超声波传感器22通过J2C总线接入C8051F040单片机，且传感器数据采集模块通过CAN总线接入上位机(例如工控机等，图中
7未画出)并传输超声波传感器22的测距信息。激光区域扫描仪26和摄像头23通过USB Hub接入上位机，直接与上位机通讯。因此，上述三种传感器最终可以将检测到的数据信息传输到上位机中。·[0037]当该夹持器模块靠近待抓夹杆状对象时，通过激光扫描仪26扫描测量和计算得到杆在夹持器坐标系中Y轴和Z轴，如图3的位置。通过摄像头23对杆特征进行提取和计算得到杆在夹持器坐标系中绕Z轴的姿态；两个超声波传感器22测距可得到杆在夹持器坐标系中绕Y轴的姿态，从而实现杆相对于夹持器模块Y轴和Z轴的位置和姿态四个量的自主检测。该夹持器模块可实现两个主要功能夹持杆件和位姿自主检测，可望在机器人领域和杆件、管道环境的作业中得以应用。就夹持功能而言，主要通过盘式谐波减速器和蜗杆蜗轮结构减速，由平行四杆机构实现手爪的平行张开和闭合。就位姿自主检测功能而言，主要通过激光扫描仪得到杆在夹持器模块坐标系中的YOZ平面(见图3)的坐标；摄像头对杆件特征进行提取和计算得到杆件在夹持器模块坐标系中XOY平面内与X轴的夹角；两个超声波传感器测距可得到杆件在夹持器模块坐标系中XOZ平面内与X轴的夹角和Z轴坐标，综合即可得到杆件相对于夹持器的位姿，从而实现对Y轴、Z轴、绕Y轴、绕Z轴四个自由度的检测，为可靠无碰撞抓取或者夹持杆件提供必要的环境信息。该夹持器模块应用于爬杆机器人或者工业机器人中，在机器人末端靠近杆件时，启动传感器检测系统，逐步得到杆件相对于夹持器的位姿；再运用逆运动学求解出夹持器运动到可靠夹持点的各关节的调节量，实现在运动过程中自主检测和校正夹持器相对于杆件的位姿，使夹持器可靠夹持杆件，可有效解决爬杆机器人在同一直杆或者两交错杆件间过渡等难题，是实现爬杆机器人在杆件环境中自主攀爬的基础。上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求1.一种具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于包括夹持部、控制系统、壳体及设于壳体外表面的位姿自主检测部；所述夹持部包括两个相对设置的手爪与用于驱动手爪的传动部；其中，手爪设于壳体上方，传动部设于壳体内；所述控制系统控制系统与位姿自主检测部电连接从而通过位姿自主检测部获取待夹物品信息，控制系统与传动部电连接从而通过获取的待夹物品信息驱动传动部。
2.根据权利要求I所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述传动部还包括蜗轮、盘式电机、电机轴套、盘式谐波减速器、盘式谐波减速器输出过渡盘与蜗杆；盘式电机的输出轴通过电机轴套与盘式谐波减速器的波发生器相连；电机轴套与波发生器之间通过平键传递扭矩，盘式谐波减速器的输入钢轮和输出钢轮则通过螺钉分别与壳体内侧底部及谐波减速器输出过渡盘轴向固定；谐波减速器输出过渡盘与蜗杆通过花键配合连接且轴向通过螺钉固定；蜗杆两端则分别通过角接触球轴承安装于壳体内；两个蜗轮对称于蜗杆中心线并通过角接触球轴承安装于壳体内，两个蜗轮之间的支承中心线与蜗杆中心线垂直；盘式电机、电机轴套、盘式谐波减速器、谐波减速器输出过渡盘的中心线与蜗杆中心线共线；蜗杆与两个蜗轮之间分别啮合，从而传递运动和力矩。
3.根据权利要求2所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述传动部还包括从动杆；每个蜗轮上设有一个外延杆，每个外延杆的末端铰接有一个手爪，且两个手爪对称于蜗杆中心线设置；每个从动杆的一端通过圆柱销铰接于壳体中部，另一端分别通过圆柱销与同侧的手爪铰接，且两个从动杆对称于蜗杆中心线设置。
4.根据权利要求3所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述手爪为相对设置的V型手爪，两个V型手爪之间形成第一沟槽与第二沟槽，所述第一沟槽的开口向上逐渐缩小，所述第二沟槽的开口向下逐渐缩小。
5.根据权利要求2-4任一项所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述壳体包括电机座、主基壳与副基壳；所述盘式电机安装于电机座内，两者共轴线并通过螺钉在结合端面固定；所述电机轴套、盘式谐波减速器及谐波减速器输出过渡盘安装于主基壳内；所述蜗杆及蜗轮安装于副基壳内；且所述电机座的中心线也与蜗杆中心线共线。
6.根据权利要求5所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述蜗杆两端则分别通过角接触球轴承安装于主基壳内，并由设置在主基壳内的方型轴承端盖压紧固定；所述蜗轮均通过角接触球轴承安装于副基壳内，并由设置在副基壳外表面的圆轴承端盖压紧固定。
7.根据权利要求I或6所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述控制系统包括电机控制驱动器安装盒、电机控制驱动器及主控系统；所述电机控制驱动器安装盒通过螺栓固定在壳体外表面，所述电机控制驱动器则通过螺栓与螺母固定于电机控制驱动器安装盒内，该电机控制驱动器分别与盘式电机及主控系统电连接，主控系统还与位姿自主检测部电连接。
8.根据权利要求7所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述位姿自主检测部包括超声波传感器、摄像头、传感器数据采集模块安装盒、激光区域扫描仪、传感器支架与传感器数据采集模块；两个传感器支架通过螺栓对称设置于主基壳外表面，每个传感器支架设有一个超声波传感器；每个超声波传感器发射声波的方向沿着蜗杆轴线且朝向V型手爪；激光区域扫描仪则通过螺栓安装于主基壳外表面一侧，其扫描平面垂直于蜗轮的旋转轴线；与激光区域扫描仪相对，主基壳外表面另一侧设有摄像头球铰支架，摄像头铰接于摄像头球铰支，摄像头的拍摄方向由摄像头球铰支架控制；传感器数据采集模块通过螺栓安装于传感器数据采集模块安装盒内，而传感器数据采集模块安装盒通过螺栓和螺母安装于传感器支架上；摄像头、激光扫描仪和超声波传感器共同测量夹持器模块相对于杆件的位姿。
9.根据权利要求7所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述位姿自主检测部包括超声波传感器、摄像头、传感器数据采集模块安装盒、激光区域扫描仪、传感器支架及传感器数据采集模块；两个传感器支架通过螺栓对称设于主基壳外表面，每个传感器支架上设有一个超声波传感器；每个超声波传感器发射声波的方向沿着蜗杆轴线且朝向手爪；激光区域扫描仪则通过螺栓安装于副基壳外表面一侧，其扫描平面垂直于蜗轮的旋转轴线；与激光区域扫描仪相对，副基壳外表面另一侧设有摄像头球铰支架，摄像头铰接于摄像头球铰支架，摄像头的拍摄方向由摄像头球铰支架控制；传感器数据采集模块通过螺栓安装于传感器数据采集模块安装盒内，而传感器数据采集模块安装盒通过螺栓和螺母安装于传感器支架上；摄像头、激光扫描仪和超声波传感器共同测量夹持器模块相对于杆件的位姿。
10.根据权利要求8或9所述的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，其特征在于所述主控系统包括上位机及基于单片机的主控制器，所述超声波传感器通过/2C总线接入基于单片机的主控制器；所述传感器数据采集模块通过CAN总线接入上位机，所述激光区域扫描仪和摄像头通过USB Hub接入上位机。
专利摘要本实用新型公开了一种面向杆件的具有位姿自主检测功能的夹持器模块，包括夹持部、控制系统、壳体及设于壳体外表面的位姿自主检测部；夹持部包括两个相对设置的手爪与用于驱动手爪的传动部；其中，手爪设于壳体上方，传动部设于壳体内；控制系统控制系统与位姿自主检测部电连接从而通过位姿自主检测部获取待夹物品信息，控制系统与传动部电连接从而通过获取的待夹物品信息驱动传动部。就夹持功能而言，主要通过盘式谐波减速器和蜗杆蜗轮结构减速，由平行四杆机构实现手爪的平行张开和闭合。
文档编号B25J19/02GK202726925SQ20122042165
公开日2013年2月13日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者管贻生, 肖志光, 朱海飞, 吴俊君, 吴文强, 张宏 申请人:华南理工大学