一种冗余机械臂以及控制冗余机械臂的系统的制作方法

本发明属于工程机械领域，特别涉及一种冗余机械臂以及控制冗余机械臂的系统。

背景技术：

目前工程机械臂在户外和厂房环境内得到了大量的应用，例如，各种挖掘机、混凝土浇筑泵车、伐木机和末端挂钩类的保障车等工程机械均应用了机械臂，但上述类型的工程机械臂普遍存在自由度个数少、末端控制难度大、操作不方便以及非工作状态下所占空间大、不易贮存和运输等缺点。

此外，在科技飞速发展的今天，智能化设备及智能控制方法正在逐步代替传统工程机械及控制方式，智能化工程机械及其控制方法通常在现有工程机械构型基础上，通过机械改造和开发独立的控制系统及操作系统，实现对传统工程机械臂的迭代升级及其智能化控制。但现有的机械控制系统或者方法为开环控制、人工目测手动干预调控方式，控制精度低，且当机械臂末端运动至远离操作人员或操作人员视野受限时，会对机械臂控制的可操作性和安全性造成极大的困难。此外，通过在同一平面以铰接形式串联多级臂架关节的方式虽然可以为机械臂提供大的工作空间，但仍未解决存在欠缺的空间自由度问题，也使得机械臂存在回收后无法有效折叠或者折叠后所占空间较大等问题，同时现有的工程机械臂普遍存在自由度数目少或者无法提供空间自由度的问题。

因此，如何提供一种机械臂构型多样且高精度空间冗余的机械臂越来越成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种冗余机械臂以及控制冗余机械臂的系统，所述冗余机械臂构型多样且具有高精度的空间冗余。

本发明的目的在于提供一种冗余机械臂，包括基座、关节臂架和抓举部件，所述关节臂架分别连接基座和抓举部件，

所述关节臂架包括多个臂架，所述多个臂架通过铰接和偏置移动副依次连接为一个整体，以令冗余机械臂构型的自由度可调节；

所述抓举部件包括二自由度旋转侧倾装置和抓举工具，所述二自由度旋转侧倾装置通过工具快换机构与所述抓举工具连接，以令抓举工具能够摆动和旋转运动，以令抓举工具具有冗余的空间自由度。

进一步，所述多个臂架包括第一变幅臂架、第二变幅臂架、第三变幅臂架、伸缩臂架、第四变幅臂架，其中，

所述第一变幅臂架一端与所述基座铰接，另一端与所述第二变幅臂架的一端铰接；

所述第二变幅臂架的另一端与所述第三变幅臂架的一端铰接，所述第三变幅臂架的另一端通过偏置移动副与伸缩臂架的一端连接；

所述伸缩臂架的另一端通过连杆机构与所述第四变幅臂架的一端连接，所述第四变幅臂架的另一端通过臂架快换机构与所述抓举部件连接。

进一步，所述偏置移动副采用偏置构型布置方式，以令第三变幅臂架和伸缩臂架的几何中心面位于不同的平面上。

进一步，所述机械臂还包括驱动部件，所述驱动部件包括回转马达、第一变幅驱动缸、第二变幅驱动缸、伸缩驱动缸、第四变幅驱动缸、臂架快换机构驱动缸、侧倾马达、旋转马达和工具快换机构驱动缸，其中，

所述回转马达固定在所述基座上，

所述第一变幅驱动缸一端与所述第一变幅臂架铰接，另一端与所述第二变幅臂架铰接；

所述第二变幅驱动缸一端与所述第二变幅臂架铰接，另一端与所述第三变幅臂架铰接；

所述伸缩驱动缸一端与所述第三变幅臂架固定连接，另一端与所述伸缩臂架固定连接；

所述第四变幅驱动缸一端与所述第四变幅臂架连接，另一端与所述连杆机构连接；

所述臂架快换机构驱动缸安装在所述臂架快换机构上；

所述侧倾马达和旋转马达安装在所述二自由度旋转侧倾装置内部；

所述工具快换机构驱动缸安装在所述抓举工具内部。

进一步，所述侧倾马达和旋转马达的输出转动轴向相互垂直，以令二自由度旋转侧倾装置的摆动轴线与转动轴线垂直相交于空间一点。

本发明的另一目的在于提供一种控制冗余机械臂的系统，所述系统包括信息获取装置、遥操作装置、主控制器和驱动控制器，所述主控制器和驱动控制器设置于基座旁，与基座共同固定于地面上，其中，

所述信息获取装置用于获取多个臂架和驱动部件的运动数据，并发送至主控制器；

所述遥操作装置用于进行多视场图像拼接、显示，并生成控制指令发送给主控制器；

所述主控制器用于根据控制指令、多个臂架和驱动部件的运动数据，生成运动指令，并发送给驱动控制器；

所述驱动控制器用于驱动所述驱动部件运动。

进一步，所述信息获取装置包括编码器和位移传感器，其中，

所述编码器分别安装在多个臂架上，用于获取所述多个臂架的关节转角；

所述位移传感器分别安装在驱动部件的第一变幅驱动缸、第二变幅驱动缸、伸缩驱动缸、第四变幅驱动缸、臂架快换机构驱动缸和工具快换机构驱动缸上，用于测量各个驱动缸的缸体伸长量。

进一步，所述遥操作装置包括多视角图像拼接系统，所述多视角图像拼接系统包括图像拼接系统和多个图像获取装置，其中，

所述多个图像获取装置均固定安装在抓举工具上，用于获取抓举工具所在外部环境的图像信息，并发送至所述图像拼接系统；

所述图像拼接系统用于将获取的图像信息进行拼接，并通过显示屏进行显示，辅助操作人员操作。

进一步，所述遥操作装置还包括操作手柄、工作模式控制按钮、急停按钮和控制按钮，用于人机交互。

进一步，所述主控制器分别与遥操作装置、驱动控制器、编码器和位移传感器连接，用于接收遥操作装置的控制指令、多个臂架的关节转角和各个驱动缸的缸体伸长量，并控制冗余机械臂进行运动。

本发明所述的冗余机械臂包含偏置移动副二自由度旋转侧倾装置，使得机械臂构成了含有六个自由度的空间，可实现模拟物体在空间全部六个自由度运动。其中，多个臂架连接中采用设置一个偏置移动副，使得机械臂各臂段分布在不同平面，可实现非工作状态下机械臂的折叠收拢，大大减小安放所占空间，使得机械臂存储空间更小、便携性和普适性更强。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中的一种冗余机械臂结构示意图；

图2示出了本发明实施例中的一种冗余机械臂的侧面结构示意图；

图3示出了本发明实施例中的一种冗余机械臂折叠状态侧面展示图；

图4示出了本发明实施例中的一种冗余机械臂折叠状态轴侧结构展示图；

图5示出了本发明实施例中的一种遥操作装置结构展示图；

图6示出了本发明实施例中的多个图像获取装置安装示意图；

图7示出了本发明实施例中的主控制器和驱动控制器安装示意图。

附图说明：1、固定回转基座；2、第一变幅臂架；3、第二变幅臂架；4、第三变幅臂架；5、伸缩臂架；6、第四变幅臂架；7、臂架快换机构；8、二自由度旋转侧倾装置；9、工具快换机构；10、抓举工具；11、回转马达；12、第一变幅驱动缸；13、第二变幅驱动缸；14、伸缩驱动缸；15、第四变幅驱动缸；16、臂架快换机构驱动缸；17、侧倾马达；18、旋转马达；19、工具快换机构驱动缸；20、多视角图像拼接系统；201、图像拼接系统；202、多个图像获取装置；203、显示屏；21、操作手柄；22、工作模式控制按钮；23、急停按钮；24、控制按钮；25、操作握柄；26、主控制器；27、驱动控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中介绍了一种冗余机械臂，包括基座、关节臂架和抓举部件，所述关节臂架分别连接基座和抓举部件，所述关节臂架包括多个臂架，所述多个臂架通过铰接和偏置移动副依次连接为一个整体，以令冗余机械臂构型的自由度可调节；所述抓举部件包括二自由度旋转侧倾装置和抓举工具，所述二自由度旋转侧倾装置通过工具快换机构与抓举工具连接，以令抓举工具能够摆动和旋转运动，以令抓举工具具有冗余的空间自由度。所述冗余机械臂包含偏置移动副和二自由度旋转侧倾装置，使得机械臂构成了含有六个自由度的空间，可实现模拟物体在空间全部六个自由度运动。其中，多个臂架连接中采用偏置移动副，使得机械臂各臂段分布在不同平面，可实现非工作状态下机械臂的折叠收拢，大大减小安放所占空间，使得机械臂存储空间更小、便携性和适用性更高。

如图1、2示出了一种冗余机械臂，其中，所述冗余机械臂包括固定回转基座1、第一变幅臂架2、第二变幅臂架3、第三变幅臂架4、伸缩臂架5、第四变幅臂架6、臂架快换机构7、二自由度旋转侧倾装置8、工具快换机构9、抓举工具10。以及所述冗余机械臂包括驱动部件，所述驱动部件包括回转马达11、第一变幅驱动缸12、第二变幅驱动缸13、伸缩驱动缸14、第四变幅驱动缸15、臂架快换机构驱动缸16、侧倾马达17、旋转马达18和工具快换机构驱动缸19。

具体的，所述固定回转基座1可以固定安装在厂房、地面等固定场所，也可以安装在工程车辆或其他特种车辆上。

所述第一变幅臂架2一端与所述固定回转基座1铰接，另一端与所述第二变幅臂架3的一端铰接，所述第二变幅臂架3的另一端与所述第三变幅臂架4的一端铰接，所述第三变幅臂架4的另一端通过偏置移动副与伸缩臂架5的一端连接；所述伸缩臂架5通过连杆机构与所述第四变幅臂架6的一端连接，所述第四变幅臂架6的另一端通过臂架快换机构7与所述二自由度旋转侧倾装置8连接，所述二自由度旋转侧倾装置8通过工具快换机构9与抓举工具10连接，以令抓举工具能够摆动和旋转运动。进一步的，所述偏置移动副采用偏置构型布置方式，以令第三变幅臂架4和伸缩臂架5的几何中心面位于不同的平面上。进一步，由于在第三变幅臂架4和伸缩臂架5之间设置偏置移动副，从而令冗余机械臂构型的自由度可调节，当冗余机械臂包括所述冗余机械臂包括六个转动副和一个移动副，则具备空间六个自由度；当偏置移动副被锁死时，所述冗余机械臂包括六个转动副，仍具备空间六个自由度。进一步，如图3、4所示，机械臂在偏置移动副作用下，非工作状态时，能够被折叠收拢，大大减小安放所占空间，使得机械臂存储空间更小、便携性和适用性更高，且通过各个变幅臂架的合理配置得到了一种自由度可调节的冗余机械臂构型，进一步优选地，所述臂架快换机构和工具快换机构均为通过液压快换结构。

所述回转马达11固定在所述固定回转基座1上，所述第一变幅驱动缸12一端与所述第一变幅臂架2铰接，另一端与所述第二变幅臂架3铰接；所述第二变幅驱动缸13一端与所述第二变幅臂架3铰接，另一端与所述第三变幅臂架4铰接；所述伸缩驱动缸14一端与所述第三变幅臂架4固定连接，另一端与所述伸缩臂架5固定连接；所述第四变幅驱动缸15一端与所述第四变幅臂架6连接，另一端与所述连杆机构连接；所述臂架快换机构驱动缸16安装在所述臂架快换机构7上；所述侧倾马达17和旋转马达18安装在所述二自由度旋转侧倾装置8内部；所述工具快换机构驱动缸19安装在所述抓举工具10内部。所述侧倾马达17和旋转马达18输出转动轴向相互垂直，以令二自由度旋转侧倾装置8的摆动轴线与转动轴线垂直相交于空间一点，此外，再通过各个变幅臂架的组合作用，抓举工具在实现大工作空间的同时可得到冗余的空间自由度。

本发明实施例中还介绍了一种控制冗余机械臂的系统,所述系统包括信息获取装置、遥操作装置、主控制器和驱动控制器，所述主控制器和驱动控制器设置于基座旁，与基座共同固定于地面上，其中，所述信息获取装置用于获取多个臂架和驱动部件的运动数据，并发送至主控制器；所述遥操作装置用于进行多视场图像拼接、显示，并生成控制指令发送给主控制器；所述主控制器用于根据控制指令、多个臂架和驱动部件的运动数据，生成运动指令，并发送给驱动控制器；所述驱动控制器用于驱动所述驱动部件运动。

具体的，所述信息获取装置包括编码器和位移传感器，其中，所述编码器分别安装在多个臂架中的第一变幅臂架2、第二变幅臂架3、第三变幅臂架4、伸缩臂架5、第四变幅臂架6上(图中未示出)，用于获取多个臂架的关节转角；所述位移传感器分别安装在驱动部件的第一变幅驱动缸12、第二变幅驱动缸13、伸缩驱动缸14、第四变幅驱动缸15、臂架快换机构驱动缸16和工具快换机构驱动缸19上，用于测量各个驱动缸缸体的伸长量。

如图5、6所示，所述遥操作装置包括多视角图像拼接系统20，所述多视角图像拼接系统包括图像拼接系统201和多个图像获取装置202，其中，

所述多个图像获取装置202均有间隔的固定安装在抓举工具10上，用于获取抓举工具10所在外部环境的图像信息，并发送至所述图像拼接系统201；所述图像拼接系统201用于将获取的图像信息进行拼接，此外，所述图像拼接系统还是设置有显示屏203，所述显示屏203用于显示图像拼接系统拼接出的机械臂的整个图像信息。将遥操作装置设置一种基于图像拼接的辅助操作装置，从而能够通过将多视角图像拼接系统拼接后的广角视野图像在显示屏上进行显示，能够使得用户直接观测到所述冗余机械臂的状态，更加直观，辅助操作人员操作，提高了对冗余机械臂控制的可靠性，提升用户体验。

所述遥操作装置还包括操作手柄21、工作模式控制按钮22、急停按钮23、控制按钮24和操作握柄25，用于人机交互。

如图7所示，所述主控制器26和驱动控制器27连接，设置在同一机柜中，且均布置在基座旁(图中未示出)。所述主控制器26分别与编码器和位移传感器连接，用于接收多个臂架的关节转角和各个驱动缸的缸体伸长量，并生成运动指令。具体的，所述主控制器中还用于对冗余机械臂的运动、动力等进行计算，并根据计算结果将相关控制指令发送给驱动控制器27。

上述系统可实现任意时刻机械臂末端位置和姿态的实时监控，且多视角融合系统下的操作视野更广、对周围环境中障碍物信息和与目标点之间的相对位姿信息的辨识性更高，使得对于机械臂末端运动的控制变的更加精准、直观、安全。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。