带机械手的两轮视觉机器人的制作方法

本实用新型涉及服务机器人技术领域，尤其涉及一种带机械手的两轮视觉机器人。

背景技术：

服务机器人领域作为了一个重点的研究领域，现有的服务机器人常见有四轮驱动式、两大轮带动两小轮式、两大轮带动万向轮式，然而却很少有两轮自平衡的服务机器人。服务机器人需要向更加轻便灵活的方向发展，四轮驱动式的服务机器人并未具有很好的轻便灵活性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种可实现自平衡、自动避障以及灵活性强的带机械手的两轮视觉机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种带机械手的两轮视觉机器人，其特征在于：包括自平衡运动平台、控制主板、激光测距模块、陀螺仪、摄像头模块和机械臂模块，所述激光测距模块位于所述自平衡运动平台上，与所述控制主板双向连接，用于在控制主板的控制下对物体进行定位；所述摄像头模块位于所述平台上，与所述控制主板双向连接，用于在控制主板的控制下对物体进行图像采集；所述陀螺仪位于所述平台上，与所述控制主板双向连接，用于测量所述运动平台的倾角和倾角速度；所述运动平台和机械臂模块上设置有驱动机构，所述驱动机构受控于所述控制主板，控制主板用于根据、激光测距模块、陀螺仪以及摄像头模块采集的信息控制所述运动平台以及机械臂模块进行动作。

进一步的技术方案在于：所述自平衡运动平台包括两个车轮、两个车轮驱动电机、底板和载板，所述底板位于下侧，载板位于上侧，底板与载板之间通过连接柱连接到一起，所述车轮驱动电机固定在所述底板的下表面，两个车轮对称的设置于所述电机的两侧，且所述电机的动力输出端与所述车轮的轴心连接，所述电机的控制端与所述控制主板的控制输出端连接，用于在所述控制主板的控制下进行动作。

进一步的技术方案在于：所述控制主板设置在底板的上表面；所述机械臂模块设置在载板的上表面；所述激光测距模块设置在所述自平衡运动平台正前方中间偏下位置，并通过连接板与所述底板的下表面固定，激光测距模块的中心与被测物体的中心在同一水平面上；所述摄像头模块设置在激光测距模块的正上方，并通过连接板与所述底板固定连接。

进一步的技术方案在于：所述机械臂模块包括第一机械臂、第二机械臂、机械臂驱动模块、舵机以及机械手，所述第一机械臂的下端与所述自平衡运动平台，所述第一机械臂的上端可转动的连接有驱动轴，所述第二机械臂的一端与所述驱动轴固定连接，机械臂驱动模块固定在所述第一机械臂上，且所述机械臂驱动模块的动力输出端与所述驱动轴连接，用于驱动所述驱动轴转动，驱动轴再带动所述第二机械臂动作，所述舵机固定在所述第二机械臂上，舵机的动力输出端与所述机械手连接，所述舵机用于驱动所述机械手实现夹紧或松开，所述机械臂驱动模块以及舵机的控制端与所述控制主板的控制输出端连接。

进一步的技术方案在于：所述机械臂驱动模块包括机械臂驱动电机、同步带和同步带轮，所述机械臂驱动电机固定在所述第一机械臂上，所述机械臂驱动电机的动力输出端上设置有主动轮，所述同步带轮的轴心与所述驱动轴固定连接，所述同步带轮与所述主动轮之间通过所述同步带进行连接和传动。

进一步的技术方案在于：第一机械臂包括下连接部、中连接部以及上连接部，所述下连接部的一端与所述运动平台固定连接，所述下连接部的上端与所述中连接部的下端固定连接，所述中连接部的上端与所述上连接部的下端连接，所述下连接部和上连接部竖直设置，所述中连接部与竖直方向呈45°角。

进一步的技术方案在于：所述机器人还包括短距离无线传输模块，所述短距离无线传输模块与所述控制主板双向连接，用于与移动终端进行数据交互。

优选的：所述短距离无线传输模块包括蓝牙模块或WIFI模块。

优选的：所述控制主板采用STM32系列单片机作为处理芯片。

优选的：所述陀螺仪采用MPU6050型陀螺仪，所述摄像头模块采用Openmv 摄像头。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述机器人采用两轮移动机构，结合自平衡技术，使得机器人的运动更具灵活性，基于多种滤波技术，该机器人的自平衡系统更具稳定性；将机械手与两轮自平衡系统结合，有效扩大了机械手的应用范围；融合视觉识别技术与自动避障技术，整套机器人系统逻辑严密，具有较高的智能化程度；兼具自动工作与手动控制两种工作模式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例所述机器人的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述机器人另一个视角的结构示意图；

图3是本实用新型实施例所述机器人的电路原理图；

其中：1、车轮 2、车轮驱动电机 3、激光测距模块 4、摄像头模块 5、底板 6、载板 7、第一机械臂 71、下连接部 72、中连接部 73、上连接部 8、第二机械臂 9、机械手 10、主动轮 11、机械臂驱动电机 12、同步带 13、舵机 14、连接柱 15、驱动轴 16、同步带轮。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本实用新型实施例公开了一种带机械手的两轮视觉机器人，包括自平衡运动平台、控制主板、激光测距模块3、陀螺仪、摄像头模块4和机械臂模块。所述激光测距模块3位于所述自平衡运动平台上，与所述控制主板双向连接，用于在控制主板的控制下对物体进行定位；所述摄像头模块4位于所述平台上，与所述控制主板双向连接，用于在控制主板的控制下对物体进行图像采集；所述陀螺仪位于所述平台上，与所述控制主板双向连接，用于测量所述运动平台的倾角和倾角速度；所述运动平台和机械臂模块上设置有驱动机构，所述驱动机构受控于所述控制主板，控制主板用于根据激光测距模块3、陀螺仪以及摄像头模块4采集的信息控制所述运动平台以及机械臂模块进行动作。

进一步的，如图1和图2所示，所述自平衡运动平台包括两个车轮1、两个车轮驱动电机2、底板5和载板6。所述底板5位于下侧，载板6位于上侧，底板5与载板6之间通过连接柱14连接到一起，所述车轮驱动电机2固定在所述底板5的下表面，两个车轮1对称的设置于所述电机的两侧，且所述电机的动力输出端与所述车轮1的轴心连接。所述电机的控制端与所述控制主板的控制输出端连接，用于在所述控制主板的控制下进行动作。

进一步的，如图1和图2所示，所述控制主板设置在底板5的上表面；所述机械臂模块设置在载板6的上表面；所述激光测距模块3设置在所述自平衡运动平台正前方中间偏下位置，并通过连接板与所述底板5的下表面固定，激光测距模块3的中心与被测物体的中心在同一水平面上；所述摄像头模块4设置在激光测距模块3的正上方，并通过连接板与所述底板5固定连接。

进一步的，如图1和图2所示，所述机械臂模块包括第一机械臂7、第二机械臂8、机械臂驱动模块、舵机13以及机械手9。所述第一机械臂7的下端与所述自平衡运动平台，所述第一机械臂7的上端可转动的连接有驱动轴15，所述第二机械臂8的一端与所述驱动轴15固定连接。机械臂驱动模块固定在所述第一机械臂7上，且所述机械臂驱动模块的动力输出端与所述驱动轴15连接，用于驱动所述驱动轴15转动，驱动轴15再带动所述第二机械臂8动作。所述舵机13固定在所述第二机械臂8上，舵机13的动力输出端与所述机械手9连接，所述舵机13用于驱动所述机械手9实现夹紧或松开，所述机械臂驱动模块以及舵机13的控制端与所述控制主板的控制输出端连接。

进一步的，如图1和图2所示，所述机械臂驱动模块包括机械臂驱动电机 11、同步带12和同步带轮16。所述机械臂驱动电机11固定在所述第一机械臂 7上，所述机械臂驱动电机11的动力输出端上设置有主动轮10，所述同步带轮 16的轴心与所述驱动轴15固定连接，所述同步带轮16与所述主动轮10之间通过所述同步带12进行连接和传动。

进一步的，如图1和图2所示，第一机械臂7包括下连接部71、中连接部 72以及上连接部73，所述下连接部71的一端与所述运动平台固定连接，所述下连接部71的上端与所述中连接部72的下端固定连接，所述中连接部72的上端与所述上连接部73的下端连接，所述下连接部71和上连接部73竖直设置，所述中连接部72与竖直方向呈45°角。

进一步的，所述机器人还包括短距离无线传输模块，所述短距离无线传输模块与所述控制主板双向连接，用于与移动终端进行数据交互。优选的，所述短距离无线传输模块包括蓝牙模块或WIFI模块。

陀螺仪可以使用MPU6050陀螺仪，如图3所示，所述MPU6050陀螺仪(U2) 的VCC、GND、SCL、SDA、XOA、XCL、ADO、INT引脚与STM32控制主板对应的引脚电连接；通过MPU6050陀螺仪测量所述运动平台的倾角和倾角速度控制所述运动平台车轮的加速度来消除所述运动平台的倾角，先后进行低阶滤波(一阶滤波，二阶滤波)、高阶滤波(卡曼滤波)，再由DMP直接得到角度(启动MPU6050内部运算，读取DMP存储器中数据)；

所述两个大功率直流电机与STM32控制主板的M1、M2接口电连接，由 STM32核心处理器输出脉冲与方向信号，进一步通过电机驱动电路转换与输出实现机器人自平衡行走；所述蓝牙模块的5V、GND、TXD、RXD与STM32 控制主板的5V、GND、RXD、TXD电连接，所述蓝牙模块用于接收手机或PC 发送的指令，即实现手动控制机器人，包括机器人行走、机械手动作。

所述机械臂驱动电机与STM32控制主板的M3接口电连接，由STM32控制主板输出脉冲信号及方向信号控制机械手臂的旋转运动，即通过第二机械臂带动机械手上下移动，机器人系统初始化完成时，机械手位于上方，当机器人准确识别网球(被测物体)时，第二机械臂将旋转运动，使得机械手刚好位于网球球心所在的水平面；

所述舵机与STM32控制主板的舵机接口连接，由STM32控制主板输出脉冲信号及方向信号控制舵机旋转实现机械手夹紧或松开，即夹取物体与释放物体；

所述激光测距模块的pwm接口与STM32控制主板的PA11(TIM1_CH14) 接口电连接，激光测距模块一方面用于检测障碍物距离，预设的避障距离为BL 值，另一方面，激光测距模块用于定位网球，若此前满足正确识别网球并且机器人正对着网球中心的条件，当激光测距模块的检测距离等于预设的物体检测距离(WL值，BL值<WL值)，即定位网球完成，下一步可进行夹取网球；

所述Openmv摄像头的5v、TXD、RXD、GND接口分别与STM32控制主板5v、USART1_RX(PA10)、USART1_TX(PA9)、GND接口电连接，Openmv 摄像头与STM32控制主板进行串口通信，Openmv摄像头用于采集图像、图像处理与发送指令；

所述机器人可工作于自动工作模式或手动控制模式；机器人上电，电机驱动系统、视觉系统开始运行，初始化各个参数；自动工作模式下，使用彩色图像写入模式，关闭白平衡，进行绿色滤波，捕捉绿色目标，在未捕捉到绿色目标之前，机器人会通过慢速自旋转一圈与移动固定的步长搜索绿色目标，直到成功捕捉绿色目标为止；进一步的对输入图像边缘检测，计算图形的梯度，并确定圆周线，其中圆周的梯度就是它的法线，在二维霍夫空间内绘出所有图形的梯度直线，坐标点累加和的值越大，则该点上直线相交的次数越多，该点越有可能是圆心，在霍夫空间的4邻域内进行非最大值抑制，设定一个阈值，霍夫空间内累加和大于该阈值的点就对应于圆心；当同时满足绿色特征和圆形轮廓两个条件，机器人确定其为绿色网球；进一步的，Openmv摄像头根据圆心与图像中心的位置偏差转换成特定的编码信息通过串口通信传输给STM32控制主板，从而输出脉冲与方向信号控制电机，调整机器人正对着网球的中心，进一步的机器人直线向前走，当激光测距模块检测到正前方的距离等于预设的物体检测距离(WL值)，机器人停止前进，进一步的，STM32控制主板控制机械手从上往下移动，旋转固定的角度，张开的机械手刚好停在网球球心所在的水平面，机械手夹紧，实现夹取网球；手动模式下，机器人通过蓝牙模块接收上位机的指令，STM32控制主板对指令信息进行识别与转换，进一步输出信号控制机器人行走与机械手动作。

所述机器人采用两轮移动机构，结合自平衡技术，使得机器人的运动更具灵活性，基于多种滤波技术，该机器人的自平衡系统更具稳定性；将机械手与两轮自平衡系统结合，有效扩大了机械手的应用范围；融合视觉识别技术与自动避障技术，整套机器人系统逻辑严密，具有较高的智能化程度；兼具自动工作与手动控制两种工作模式。