一种基于移动机器人的多关节机械臂系统的制作方法

本发明涉及危化溶液提取及检测领域，具体说是一种基于移动机器人的多关节机械臂系统。

背景技术：

生产制造、医疗卫生、核试验与核电、冶金化工等行业诸多场所产生大量组分复杂、浓度不均、腐蚀性大、放射性高的危化溶液，对人、动物以及环境极易造成严重伤害。此类危化溶液一般采用隔离的办法存储在封闭空间中，经过收集存储、取样检测、净化处理以及排放等步骤，用稀释或固化等方法处理后，转换成小体积的浓缩物并加以贮藏，待腐蚀性和放射性小于最大允许排放指标后，将其排于环境中进行掩埋或扩散。危化溶液的取样检测是处理过程中非常重要的环节，此阶段将对危化溶液的成分及含量进行检测，只有充分检测后才能找到有效的危化溶液处理方法，只有经过严格处理后才能将其危害降低到最低。

危化溶液取样检测时需采用先进的方法和手段少量提取溶液，进行成分和含量分析。从已公开的记录和资料来看，大部分危化溶液提取采用的是基于真空吸取的方式构建的固定危化溶液提取装置，该装置主要由真空泵、吸取管、控制开关以及摄像头等组成，与危化溶液处理设备一起固定在某个地方，在人工的参与下完成危化溶液的提取，该类装置出于稳定性考虑几乎没有采用精确提取控制的措施，所以难以实现危化溶液的定量和随机抽检。缺少灵活的提取手段和无法精确定量提取等问题成为制约危化溶液处理效率提升的瓶颈，由于采用的是固定式溶液提取装置，不能自由移动操作，当装置发生故障或危化溶液组分变化的情况下，固定式溶液提取装置无法胜任抽检工作，严重时造成危化溶液处理暂停，生产线停机，带来巨大的经济损失。

另外，许多场合没有固定式危化溶液提取设备，当提取的危化溶液种类比较多、距离比较远、工作环境比较恶劣时，需要人进入不同的环境甚至是高危环境中手工操作，出现（1）人较长时间处在恶劣环境中作业，易受到伤害；（2）危化溶液取量不准，作业效率较低；（3）多余危化溶液不易处理等问题。这些问题已严重影响危化溶液检测环节的处理效率和人的安全性。

由于机械臂具有灵活控制、重复劳动、环境要求低等特点，使得目前危化溶液处理过程中逐渐采用基于机械臂的危化溶液自动提取设备进行危化溶液提取工作，并结合快速移动平台形成移动机器人，可替代人工进行各项危险操作。但当前的机械臂多采用常规结构的六关节机械臂，存在机械结构较复杂、控制部件多、定位精度不高等缺陷，并在防辐防腐保护、高效抓取等方面存在不足，其内部执行电气元器件易受到辐射和腐蚀而产生故障，致使整个操作系统产生错误运行而不能高效工作。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种基于移动机器人的能够适应不同复杂环境的多关节机械臂系统，其能与移动平台很好的结合，形成移动机械臂，更加高效地完成移动和操作的工作任务。

本发明由以下技术方案实现：

一种基于移动机器人的多关节机械臂系统，所述多关节机械臂系统位于移动小车系统上，所述多关节机械臂系统包括机械本体、伺服驱动模块及控制模块；所述机械本体包括执行单元、机械臂本体及传感部件；所述控制模块包括多关节机械臂PLC控制器和运动控制模块；所述多关节机械臂PLC控制器分别与移动小车系统、传感部件以及通过运动控制模块和伺服驱动模块相连；所述执行单元与伺服驱动模块相连。

进一步的，所述机械臂本体依次由基座、底座、大臂、小臂以及末端伸缩轴构成，其中基座与底座、底座与大臂、大臂与小臂之间为转动副，小臂与末端伸缩轴之间为移动副，且小臂与末端伸缩轴之间夹角保持为90°。

进一步的，所述执行单元包括直流伺服电机、减速器、轴承及轴承座。

进一步的，所述基座、底座、大臂采用中空铝制铸件，所述小臂采用实心铝制铸件。

进一步的，所述多关节机械臂PLC控制器内部存储有机械臂抓取危化溶液、存储危化溶液以及转运危化溶液的控制程序和信号处理程序。

进一步的，所述基座底部设置有固定板，所述固定板与移动小车系统通过螺栓刚性连接。

进一步的，所述移动小车系统包括移动小车PLC控制器，所述移动小车PLC控制器与多关节机械臂PLC控制器相连，并采用主从控制模式。

进一步的，所述多关节机械臂系统进行了防辐射处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的机械臂结构简单、传动链少、定位精确、性能稳定，同时具有防辐射耐腐蚀能力，能适应多种特殊工作环境；能与移动平台很好的结合，形成移动机械臂，更加高效地完成移动和操作的工作任务；采用先进的自动化和信息化技术，提升机械臂的智能化水平，易于与其他系统实现集成，降低信息孤岛；采用远程控制的方式，使人与危险环境隔离，明显降低了人的劳动强度和安全风险，使人的工作环境得到较大改善。

多关节机械臂采用三个旋转轴和一个移动轴的机械结构，继承了六关节机械臂工作范围大和定位精度高的优点，同时在机械臂末端设计一个移动轴，可使机械臂快速移动进行危化溶液提取和抓取等操作，从而在较大范围内准确快速地进行危化溶液提取与处理工作。

多关节机械臂与移动小车系统采用高强度螺栓刚性连接，能够保证操作过程的平稳，使多功能机械臂与移动小车系统在结构上有效集成在一起；同时多功能机械臂采用工业级PLC作为核心控制器，与移动小车系统采用主从控制模式，从而使多功能机械臂与移动小车系统在控制上逻辑严谨、稳定可靠地工作。

多关节机械臂机械各个轴及伺服电机表面经高密度铅板包裹进行全封闭防辐射耐腐蚀处理，控制部分和伺服驱动部分置于移动小车内部，防止关键电气部件被辐射产生故障，减轻辐射的影响，从而使机械臂能在高危环境下安全工作。

附图说明

图1为本发明的系统工作原理图。

图2为本发明的系统组成框图。

图3为本发明的移动机器人结构图。

图4为本发明的移动机器人系统控制结构图。

图5为本发明的控制指令及传递过程网状图。

图6为本发明的无线通讯系统网络拓扑图。

图7为本发明的总控制台系统软硬件框架图。

图8为本发明的总控制台软硬件网络架构。

图9为本发明的本发明的总控制台外形结构图。

图10为本发明的移动小车系统模块框图。

图11为本发明的移动小车本体内部结构图。

图12为本发明的多关节机械臂系统模块框图。

图13为本发明的多关节机械臂本体外形图。

图14为本发明的多关节机械臂结构原理图。

图15为本发明的机械臂各轴控制驱动原理图。

图16为本发明的机械臂主从站控制模式。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

根据危化溶液的特点和自动定量提取的流程，考虑操作安全性以及功能的可靠实现，设计一种基于移动机器人的危化溶液自动定量提取系统，工作原理如图1所示。整体采用控制机构和执行机构分离的思想，移动机器人系统作为执行机构放置在高危环境内部，总控制台作为控制机构放在高危环境外部，适用于放射性高、化学成分不确定、品种类型多、安全要求高的危化溶液随机定量提取要求的场景，具有良好的灵活性。

如图2所示：该系统包括总控制台系统、无线通讯数据传输系统、移动小车系统、多关节机械臂系统、多功能夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统及电源系统等。其中，移动小车系统、多关节机械臂系统、多功能夹具系统、危化溶液存储系统以及视觉超声波检测系统构成移动机器人系统。

如图3所示：所述移动机器人包括移动小车系统、多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统及危化溶液存储系统，且多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统均布置于移动小车系统上；所述总控制台系统基于通讯网络与移动小车系统通信连接，并通过移动小车系统获取移动机器人上各系统状态参数，同时发送取液信息和运动指令给移动小车系统；所述移动小车系统接收并转发总控制台系统发出的取液信息和运动指令，实现移动机器人在危化溶液采集和放置线路上的移动；所述移动小车系统分别与多关节机械臂系统和危化溶液存储系统相连，所述多关节机械臂系统与夹具系统相连，所述视频超声波检测系统通过通讯网络实现与总控制台系统通信连接。

图4为移动机器人的系统结构控制图，总控制台系统作为指令发送和实时数据处理中心，通过通讯模块实时与移动小车系统、多关节机械臂系统等主系统，视觉超声波检测系统、多功能夹具系统以及危化溶液存储系统等辅助系统联系起来，构成高危环境下移动机器人控制系统。

具体的，总控制台系统通过有线与无线的混合局域网与无线通讯模块连接，无线通讯模块通过以太网接口与移动小车系统的PLC控制器相连。移动小车系统与多关节机械臂系统采用主从控制模式，即移动小车系统的PLC控制器作为主站，多关节机械臂系统的PLC控制器作为从站，两者通过Prifibus DP模块接口连接，用于执行移动和操作行为，且多关节机械臂基座安装在移动小车顶部前端。危化溶液存储系统安装在移动小车顶部后端，其量杯重量传感器和气动密封盖电磁阀通过O/I模块与移动小车PLC控制器集成在一起，用于危化溶液安全存储和搬运。多功能夹具系统安装在机械臂末端，其检测传感器、气动系统电磁阀等通过O/I模块与机械臂控制器集成在一起，用于危化溶液定量提取和夹取。安装在移动小车内部的电源系统为主系统和辅助系统提供移动、操作、检测所需的能量，由无线充电装置、锂离子电池组以及电源管理模块等三部分组成，其中电源管理模块为由MCU微控单元、PMIC电源管理集成电路以及各种传感器组成的电源控制装置。

图5为本发明的控制指令及传递过程网状图，系统控制指令及传递过程描述为，工作时总控制台通过指令输入与发送模块经无线传输装置发送危化溶液提取参数信号、动作指令信号给移动小车系统、视觉超声波检测系统以及电源系统，三大系统及其辅助系统自检无误后开始工作。移动小车按照指令移动，完成规定任务后发送动作指令给多关节机械臂，使机械臂进行相应的危化溶液提取与抓取操作，机械臂动作的同时危化溶液存储系统按照移动小车的控制指令配合机械臂工作。另外，视觉超声波检测系统将现场采集到的视频信息和超声波数据采集信息返回给主控台。电源系统给各个子系统供电，并把电池状态反馈给总控台。

图6为无线通讯系统网络拓扑图，在高危环境内外，构建基于IEEE 802.11b/g/a/h通讯协议的WIFI无线网络，通过WIFI无线网络为数据载体，连接总控制台、移动小车系统、多关节机械臂系统、视觉超声波检测系统等，构成高危环境下的控制数据、视频数据、状态数据等传输的有效通道。

通讯系统主要由无线AP、无线数据收发装置、局域网等组成，其中局域网是基于IEEE802.3通讯协议构建的以太网，总控制台通过有线的方式直接连接局域网；无线AP和无线数据收发装置为可寻址的装置，无线AP通过有线方式直接连接局域网，无线通讯装置一端与移动小车系统、视觉超声波检测系统、电源系统等通过以太网接口连接，另一端通过WIFI网络与AP无线连接，从而实现控制数据、视频数据、状态数据的高速传输。

图7为本发明的总控制台系统软硬件框架图，总控制台由显示器、主控计算机、实时通讯服务器、数据服务器、视频服务器、网络通讯模块等硬件和监控应用系统、后台数据库、服务软件等软件构成。通过有线与无线混合局域网的方式与移动小车系统、多关节机械臂系统、危化溶液存储系统、视觉超声波检测系统等实时通讯，获取其状态参数，同时发送取液信息和运动指令给各个模块，实现移动机器人的远程遥控。

监控应用系统基于Windows平台开发，安装在主控计算机上，具有基础数据维护模块、取液信息输入和指令发送模块、移动机器人工作状态监控模块、视觉超声波监控模块、安全防护报警模块以及实时数据通讯模块等六大模块。

图8为总控制台系统的软硬件网络架构，主控计算机、数据服务器、视频服务器等以总线的形式连接在以太网上，通过网络通讯模块，主控计算机与各个服务器实时通讯，便于监控软件进行数据查询和处理。实时通讯服务器上面安装有通讯服务软件，及时抓取主控计算机下达的指令给各个子系统，同时抓取各个子系统反馈的状态数据和传感数据，并存储在数据服务器和视频服务器上。数据服务器上安装关系型数据库，为监控软件提供数据存储支撑，实时存储各项操作数据、反馈数据、基础维护数据、安全运行状态数据、发送指令历史数据等。视频服务器实时存储视觉超声波系统采集到的视频信息和超声波高度检测信息。

图9为本发明的总控制台的一种外形结构图，采用人机工程学思想设计外观，由两个显示器、一个操作台以及总控台壳体组成，其中两个显示器一个用于可视化监控，一个用于控制指令发送和接收；总控台壳体由不锈钢材料制成，表面敷设1毫米厚铅皮，起防辐射、耐腐蚀作用。

图10为本发明的移动小车系统模块框图，移动小车系统作为整个系统的移动装置，包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块、通讯模块等五个主要部分。所述移动小车系统包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块及通讯模块；所述机械本体用于提供移动机器人运动的物理结构；所述控制模块通过通讯模块和总控制台系统相连，所述控制模块通过驱动模块与机械本体相连；所述导航模块与控制模块相连。

图11为本发明的移动小车系统本体内部结构图，移动小车机械本体，由小车本体、转向机构以及传感部件组成，其中小车本体呈长方体形状，车体框架采用铝合金型材，进行全封闭放辐射处理，车体外部敷设1~2mm厚的铅皮作为屏蔽材料；小车顶部为主要承载部分，靠前位置有沿圆周均布四个螺纹孔的多关节机械臂安装孔，通过螺栓连接使移动小车与多关节机械臂的基座固定板连在一起；车体顶部靠后位置有危化溶液存储装置安装座，通过螺栓与危化溶液存储装置上的安装座刚性连接；车体左右两边底部分布有两对对称的四个麦克拉姆轮，构成小车的移动部分；车体正右侧布置有信号收发天线，信号收发天线与小车内部的无线通讯装置连接，构成小车的无线通讯模块。

小车内部根据合理利用空间的原则，为三层安装结构，逻辑连接关系参见“移动机器人系统控制结构图”，第一层为上层，主要为多关节机械臂的控制部件、无线通讯装置和视觉超声波处理装置，具体多关节机械臂的控制部件包括1个多关节机械臂控制器、1个运动控制模块、4个机械臂关节的伺服驱动器，无线通讯装置为1套基于无线WIFI的无线通讯装置，视觉超声波处理装置为1套基于CCD相机和超声波的位置检测装置；第二层为中间层，主要为移动小车的控制部件、气动系统，具体移动小车的控制部件包括1个移动小车控制器、1个运动控制模块、4个移动小车轮子的伺服驱动器，气动系统包括1套危化溶液存储装置气动装置，1套多功能夹具装置三爪气动夹具气动装置， 1套多功能夹具装置定量取液装置的气动装置；第三层为底层，为各个装置提供动力的电源装置，具体的有一组锂电池串和1个电源管理装置。小车底部四角方向布置有4个麦克拉姆轮伺服电机和电机减速器、中间位置布置有一套磁感应导航用的导航传感器和地标传感器、一个无线充电接收器。

移动小车转向机构采用基于麦克拉姆轮的四轮独立驱动的方式进行小车运动控制。麦克拉姆轮由两个轮毂和一定数量的小辊子组成，采用两端支撑结构，小辊子轴线与轮毂轴线夹角为±45°，两者材料均采用耐腐蚀防辐射材料。四个麦克拉姆轮中两个左旋结构和两个右旋结构，以两左两右四轮对称布置的方式安装在移动小车车体左右两边；每个麦克拉姆轮与一个直流伺服电机和电机减速器直连，通过对四个轮子不同的速度控制，实现小车不同方向的运动。

控制模块：包括PLC控制器和运动控制模块，移动小车采用PLC控制器加运动控制模块等方式进行运动控制，其中PLC主要负责与总控制台通讯，通过WIFI通讯方式及时接收总控制台发出的控制指令和反馈小车运行状态数据；运动控制模块负责执行PLC接收的信号指令，对移动小车反馈的导航信号、位置信号进行实时处理和计算，输出控制信号给直流伺服驱动器。另外，移动小车整体采用上位机与下位机结合的开放式控制模式，其中上位机为总控制台系统，下位机为移动小车系统的PLC控制器。

驱动模块：移动小车驱动采用直流伺服电机驱动器和直流伺服电机，直流伺服电机驱动器一端与移动小车PLC控制器中的运动控制模块相连，一端与直流伺服电机相连。PLC控制器的运动控制模块发送数字量高速脉冲信号给伺服驱动器，伺服驱动器采用位置控制模式根据控制信号和伺服电机反馈的信号产生脉冲形式的PWM信号，经功率放大后驱动伺服电机，伺服电机根据伺服驱动器发出的脉冲和方向信号进行启动、停止、反转以及变速等动作。

导航模块：该模块由磁传感器和铺设在地面的磁条组成，其中磁传感器分为磁导传感器和磁地标传感器，磁条分为导引磁条和地标磁条。磁感应对高危环境的敏感度不高，故采用磁条导航的方式设计移动小车的导航模块，小车底部靠前位置安装有磁导航传感器和地标传感器，用于检测在地面预定铺设的导引磁条和地标磁条。移动小车运行时，磁导航传感器垂直于磁条上方一定距离，采集磁条的磁场强度，判断磁条相对于磁导航传感器偏离位置，据此移动小车自动调整，确保沿磁条前行。地标传感器不断读取地标磁条，并据此判断运行位置和改变运行状态。地标磁条垂直于导航磁条方向，贴在导航磁条旁边的地面上。

通讯模块：由无线通讯装置和信号收发天线组成，其中无线通讯装置为无线数据收发装置，安装在移动小车内部第一层，信号收发天线安装在移动小车外部右侧。无线通讯模块一端采用无线局域网标准协议IEEE 802.11b/g/a/h，与总控制台实时无线连接，及时获取总控台发出的取液指令和运动指令，同时将移动小车以及关联系统的状态及时报告给总控台。无线通讯模块另一端与移动小车PLC控制器通过以太网口相连，及时将总控台发出的取液指令和运动指令传递给移动小车PLC，同时将移动小车PLC收到的反馈信号传递给总控制台。

图12为本发明的多关节机械臂系统模块框图，所述多关节机械臂系统是根据高危环境危化溶液定量提取特点设计的一个集机械、控制、电气于一体的开链连杆式和直角坐标式混合型关节机器人，工作范围最远达到2米，通过螺栓安装在移动小车顶部，与移动小车协作完成危化溶液提起、危化溶液转运、危化溶液放置等工作。主要包括机械本体、伺服驱动以及运动控制部分。

如图13、14所示，机械本体由执行单元、机械臂本体、传感部件组成。执行单元由伺服电机、减速器、轴承及轴承座等部件组成。传感部件为检测各个轴伺服电机的角度、转速、电流、电压等参数的传感器。机械臂本体由基座、底座、大臂、小臂以及末端伸缩轴构成，共有四个自由度，其中基座与底座、底座与大臂、大臂与小臂之间为转动副，小臂与末端伸缩轴之间为移动副，且小臂与末端伸缩轴之间夹角保持为90°。

机械臂基座采用矩形截面的中空铝制铸件，内部安装底座的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件，基座底部为一带有沿圆周均布四个螺纹孔的固定板，此固定板与移动小车上的多关节臂安装孔通过螺栓刚性连接在一起。底座采用圆形截面的中空铝制铸件，内部安装有大臂的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件。大臂采用圆形截面的中空薄壁铝制铸件，内部安装有小臂的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件。小臂采用圆形截面的实心铝制铸件，末尾安装有末端伸缩轴的执行部件，即伺服电机、同步带、螺母滚珠丝杠等零部件。末端伸缩轴由伺服电机、同步带、螺母滚珠丝杠和末端执行器组成，在滚珠丝杠运动副里面采用螺母驱动的方式，使丝杠螺母在直流伺服电机经同步带驱动下产生旋转运动，从而带动丝杠进行垂直方向的直线运动。

机械本体各个轴及伺服电机表面均敷设铅皮，放置在移动小车外部；控制部分和伺服驱动部分放置在移动小车内部，减轻辐射的影响。

如图15所示，多关节机械臂伺服驱动模块采用直流伺服控制的方式设计伺服驱动模块，伺服驱动器与机械臂PLC控制器相连，其作用过程为：PLC控制器的驱动器模块发送数字量高速脉冲信号经运动控制模块传递给伺服驱动器，伺服驱动器采用位置控制模式根据控制信号和伺服电机反馈的信号产生脉冲形式的PWM信号，经功率放大后驱动伺服电机。伺服电机安装在基座、底座、大臂、小臂以及末端伸缩轴内部，根据伺服驱动器发出的脉冲和方向信号伺服电机进行启动、停止、反转以及变速等动作。

如图16所示，多关节机械臂控制模块，采用PLC控制器加运动控制模块的方式，机械臂PLC内部存储有机械臂抓取危化溶液的、存储危化溶液以及转运危化溶液的控制程序和信号处理程序，负责与移动小车实时通讯，及时接收危化溶液抓取控制指令，反馈多关节臂运行状态数据；运动控制模块接收PLC发送的计算指令，对多关节机械臂各个关节反馈的转角和位置信号进行实时处理和计算，输出控制信号给直流伺服驱动器。

多关节机械臂控制模式采用主站与从站的控制模式，其中主站为移动小车控制器，从站为多关节机械臂控制器，两者之间通过Profigbus DP协议和相应接口进行连接。移动小车PLC通过WIFI通讯方式与总控制台实时通讯，及时接收总控制台发出的控制指令，反馈运行状态数据，同时与多关节机械臂的控制器实时通讯，下达简单的指令，获取机械臂工作状态参数。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。