专利名称：移动机械手系统的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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，2001，33145-3152)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 International Conferenceon Robotics and Automation，2002，43571-3576)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，2000，32159-2165)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。
发明内容
本发明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。
图1是本发明移动机械手系统结构图；图2是本发明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。
以下结合附图对本发明做进一步描述。
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，这是本发明的主要特点之一。由于机械手的肩和肘关节都绕垂直轴在水平面内转动，因此确保了摄像机9的视角不被机械手所遮挡，便于在机械手操作时由视觉系统准确判断出机械手的末端位姿，由直线导轨5作为机械手的躯干，导轨滑块4可以在直线导轨5上作上下移动。直线导轨5同时可以作为摄像机9的支座，使摄像机9的位置相对于移动平台6固定，避免了视觉系统安装在机械手末端时，由于视角受限和运动振动等而产生的对定位精度的影响。肩部3固定在导轨滑块4上，上臂2和肩部3的连接处为肩关节，使上臂2可以绕垂直轴在水平面转动。若肩关节与移动平台6的转动中心的距离等于零，则移动平台6转动自由度同肩关节转动自由度重合，出现奇异现象。但在本设计方案中，直线导轨5的中心与移动平台6的转动中心重合，肩关节离直线导轨5中心的距离大于零，从而避免了奇异现象。前臂1和上臂2之间的连接处为肘关节，使前臂1同样可以绕垂直轴在水平面转动。前臂1和腕部8的连接处为腕部自转关节，其转动轴方向同前臂1轴线方向一致，同肩和肘关节的轴线方向垂直。腕部8和手7的连接处为腕部摆动关节，其转动轴同腕部自转关节轴线方向垂直。在腕部自转角为零时，肩、肘关节同腕部摆动关节的轴线平行。图1中所示的机械手姿态为腕部自转关节转动了90度，腕部摆动关节转动了45度。
若机械手的腕部自转关节角固定为零，则机械手相当于一种典型的SCARA机械手，包括1个上下移动和3个绕垂直轴在水平面内转动的自由度。机械手向前的工作空间最大可以达到以肩关节为轴线，手臂长度为半径，滑块4运动行程为高度的圆柱空间。SCARA机械手被广泛应用在流水生产线产品的抓取操作上，其主要优点包括移动机械手在水平面的转动可以避免重力对机械手的作用，有效地减少运动振动，获得很高的定位精度和理想的机械手动力学特性；也不需要很大功率和扭矩的驱动电机，减轻了电机和的质量、手臂的质量、以及整个机械手的质量，减少了移动平台6驱动能源的负担。
若机械手的腕部自转关节角变化，同腕部摆动关节的配合可以改变机械手末端的姿态，不局限于水平指向，因此能够以更合适的姿态来操作表面方向不垂直的物体，如按动水平面上的按钮、与人握手等。还可以实现操作高度的细微调节，而不必驱动滑块4来调整机械手的高度，有效地减少了驱动能源的消耗。
在机械手不工作时复位到初始状态，如图2，整个机械手都收回到移动平台6内，便于移动平台6朝向远距离目标的快速移动，而不会使机械手同外界环境碰撞。其中上臂2旋转到同前向垂直的位置，上臂2的长度小于移动平台6半径，以保证在复位位置时上臂2的任意部分都在平台内。前臂1收缩到同上臂2不发生碰撞的最大位置，前臂1的长度大于上臂2长度，在手臂几个连杆中为最长，前臂1和肘部的长度和不超过移动平台6。腕部8自转角为零，手7同样向内收缩到不同腕部8碰撞的最大位置，手的长度可以在很大范围内变化，以满足收回时不超过移动平台6为标准。各个连杆的长度基本上同人体的手臂尺寸相当。
视觉系统采用具有旋转、俯仰功能的摄像机9。使得在移动平台6不动的情况下通过摄像机9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9俯视，保证机械手末端在摄像机9的视角范围内。若通过天棚灯光进行全局定位，也可以控制摄像机9仰角，拍摄移动机械手上前方的图像。
计算机控制系统安装在移动平台的内部，用来进行超声、红外传感器信号的处理，和视觉图像的处理，计算出目标的位置，并输出移动平台和机械手协调运动的控制命令，使之有效完成移动操作的功能。
计算机控制系统的显示器11，安装在机械手的背面，可以用来显示摄像机9拍摄的动态图像，以及移动平台在整个环境中的位置信息等，便于操作人员对整个系统的监控调试。
权利要求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、腕部自转关节和腕部摆动关节。
6.按权利要求1所述的系统，其特征在于直线导轨(5)的中心与移动平台(6)的转动中心重合，机械手的肩关节离移动平台(6)的转动中心的距离大于零。
7.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的摄像机是具有旋转、俯仰功能的摄像机。
8.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述机械手在初始状态时位于移动平台(6)内。
9.按权利要求1所述的系统，其特征在于由安装在移动平台内部的计算机控制系统实现数字信号处理和控制命令输出，控制移动机械手完成移动操作的功能。
专利摘要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，视觉系统和计算机控制系统。摄像机安装在机械手直线导轨(5)的顶端。移动平台可以实现平面上前后、左右、自转3个自由度的全方位运动。5自由度机械手由1个移动关节和4个转动关节构成，操作灵活。移动机械手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。
文档编号B25J13/08GK2645862SQ20032010088
公开日2004年10月6日 申请日期2003年10月29日 优先权日2003年10月29日
发明者赵冬斌, 易建强, 宋佐时, 邓旭玥 申请人:中国科学院自动化研究所