CN101259614A - 便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人*** - Google Patents

Abstract

本发明为一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，包括机械运动部分、电气控制部分，其特征在于：机器人***包含控制单元模块、移动平台模块、能源模块、机械手臂模块、图像传感器模块和远程控制模块，各个独立功能模块采用标准的机械接口相互连接；采用嵌入式的计算机APM7作为主控制器，各个CPU之间通过以太网或CAN总线连接；所有CPU之间采用标准TCP/IP或CAN协议通信，在机器人本体和手臂上各安装一个摄像机。本发明重量轻，携带方便；采用具有8个自由度排除***物的机械手臂，机器人一共有12个自由度，可自主运行和远程视频控制；可全天候、全地形运行，能应用于实战领域。

Description

便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***

技术领域

本发明涉及一种多自由度智能移动机器人平台，特别是公开一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，属于机器人技术领域。

背景技术

排爆机器人主要用于代替人工，直接在案发现场进行侦察、排除和处理***物，以及其他危险品，也可以对一些持枪的***及犯罪分子实施有效攻击，是反恐专业队伍中必不可少的重要装备。随着遥控和局部自主移动技术的发展，用于反恐侦察及排爆的地面移动机器人开始得到应用。地面移动机器人主要有履带式、轮式以及两者的组合等几种方式。

近年来***活动日渐猖獗，各国为了维护社会稳定和政治需求，对研究开发反恐防爆的技术和装备给予了极大地重视和较多的投入。尤其是“911”以来，各国更加强了对反恐排爆机器人的研制工作。其中，以色列、美国、英国、法国、日本等国家处于领先地位。英国早在60年代就成功研制出排爆机器人，AB Precision Limited(ABP)专为英国国防部生产和供应EOD***品解拆装置。其生产的排爆机器人有Cyclops、Bison^TM、Groundhog^TM、Lynx等型号。美国REMOTEC公司是Northrop Grumman的子公司，作为传统的警用排爆机器人生产商，REMOTEC生产的防爆机器人包括：Andros F6-A、Wheelbarrow MK8 Plus II、Wheelbarrow Super M、Andros Wolverine、Andros Mini II、Andros V-A1、Swordfish and Marlincutting systems等。美国iRobot公司也生产***物处理的机器人，代表型号为：Packbot-EOD。

与国外相比，我国的排爆机器人起步较晚。2004年自行研制的第一代智能化反恐防爆机器人“反恐一号”可攀爬角度小于35°的斜坡和楼梯，可自由钻洞，可跨跃0.4米高的路障，还可根据使用要求装备***物销毁器、连发***枪及***等各种武器并完成相应功能。广州卫富机器人有限公司将其产业化，卫富生产的排爆机器人有PXJ-I(特)、PXJ-II(大)和PXJ-III(中)三种型号。北京瑞琦伟业技术开发有限公司主要生产Dragon IV型EOD排爆机器人及RT3-EOD小型多功能安检排爆机器人。京金吾主要生产JW9系列排爆机器人。

文献“掛车式防爆筒机械手”(专利申请号：03115111.6)描述了一种褂车式防爆筒机械手，通过操作员遥操作，使可疑物品自动从防爆筒外转移到防爆筒内，需要时再从防爆筒内转移到防爆筒外。文献“一种排爆机器人的灵活排爆手臂”(专利申请号：200420077979.4)描述了一种排爆机器人手臂。文献“排爆排险机器人”(专利申请号：200710175389.3)描述了一种带云台摄像机的小型排爆排险机器人。

通过分析表明，现有的产品多是大中型的排爆排险机器人，任务执行能力高，但体积大，重量大，尤其是大中型地面移动机器人的行进部分多采用轮腿复合式，后部拥有足够大的配重，造成结构庞大而复杂，后部过重不利于机器人在翻越楼梯时的稳定性。有关小型***物处理的机器人研究较少，iRobot的Packbot-EOD性能稳定，属于尖端的排爆机器人产品。国内现有的产品地形适应能力较差，作业能力不足，作业不够可靠，还处于实验室研究阶段，实用性不足。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，公开一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***。本发明重量轻，携带方便；具有8个自由度排除***物的机械手臂，机械手臂模块节点与主控制器间通过以太网或者CAN总线连接；机器人一共有12个自由度，可自主运行和远程视频控制；可全天候、全地形运行、作业直观可靠、操作简单方便，能应用于实战领域。

本发明是这样实现的：一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，包括机械运动部分、电气控制部分，其特征在于：机器人***包含控制单元模块、移动平台模块、能源模块、机械手臂模块、图像传感器模块和远程控制模块，各个独立功能模块采用标准的机械接口相互连接，控制单元模块采用嵌入式的计算机APM7作为主控制器，控制单元的各个CPU与机械手臂的各个CPU之间通过以太网或者CAN总线连接；控制单元CPU之间的协调工作、控制单元对机械手臂模块的控制以及机械手臂模块给控制单元的姿态信息反馈都是通过标准总线进行，所有CPU之间采用标准TCP/IP协议或者CAN协议通信。

所述的控制单元模块采用嵌入式的计算机作为主控制器，集成了嵌入式的操作***，通过编程使机器人实现自主行走，自主导航，传感器信息处理及机械手臂的伸展和抓取等功能。

所述的移动平台模块包括机器人框架、履带机构、驱动和传动机构、翻转臂机构等。机器人能够全地形运行。所述机器人框架包含机器人的底盘、支架及腔体；履带机构包括一条履带、一个主动轮、一个从动轮及若干个辅助轮；履带驱动机构包括直流电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮传动机构及轴承；翻转臂机构包括一条履带、一个主动轮和一个从动轮；翻转臂驱动和传动机构包括翻转电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮传动机构及轴承。所述的电机驱动器用PWM方式控制电机的转速，每个电机带有一个编码器，机器人的运动控制采用开环和闭环两种方式，闭环包含速度环、位置环和电流环。

所述的能源模块包括可充电电池***和电源管理电路，为机器人提供能源，该机器人可装1到4块电池。机器人可以由电池供电，亦可由外接直流电源供电，电源管理电路可以实现外接直流电源和电池相互切换的功能。

上述的移动平台模块、控制单元模块和能源模块构成机器人本体。

所述的机械手臂模块具有8个自由度，采用蜗轮蜗杆传动方式，采用密度低、高比强度和模量的铝合金制作。机械手臂能够方便地伸展和收缩，多个自由度和较大的伸展范围保证了作业的灵活性。每个机械手臂的关节由一个单独的CPU控制，每个关节作为一个标准控制节点与主控制模块相连，相互之间通过标准的以太网或者CAN总线与机械手臂模块通信。

所述的图像传感器模块包含是指装在机器人本体上的摄像机和装在机械手臂上的摄像机。安装在本体上的摄像机具有一个自由度，能够俯仰摆动，机器人可从看到的环境图像米判断所处的位置，周围景物，并寻找作业目标。安装在机械手臂上的摄像机具有旋转和俯仰摆动两个自由度，能够精确地采集到目标的信息，使机器人作业直观、操作简单方便。

所述的远程控制模块由一台远程计算机、无线通讯模块、遥控器组成。远程控制模块与机器人主控制器之间的无线通讯采用标准的TCP/IP协议。采用遥控模式时，操作者通过遥控器或者远程计算机的键盘发送控制命令，通过无线网络传送给主控制器，由主控制器来控制机器人的运动及其他操作。机器人获得的视频等信息由主控制器通过无线网络传送给远程计算机。操作者可以实时看到机器人所处的环境，获得机器人的状态信息，从而能够精确操作机器人。

本发明的有益效果是：

1、本发明机器人***的各个独立功能模块采用标准的机械接口相互连接，组成整体的机器人***。功能模块可以选配、替换，以便完成特定的功能。模块化的结构设计方便模块间的安装，可以根据不同用户的需求迅速的组装机器人平台，降低了机器人***的设计、扩展、集成、安装、维修、更新换代的成本。

2、本发明机器人***每个外接的传感器模块和机械手的每个关节都由单独CPU控制。各个节点之间以及主控制器与节点之间通过以太网或CAN总线连接，连接接口和总线通信协议具有相同的特征。模块的优先级可以预先设定并根据需要修改。标准电子模块接口的特征简化了机器人的控制设计，为实际使用中机器人的配件扩展提供了方便。

3、本发明机器人***可采用自主控制和远程控制两种方式，无线视频遥控***能够保证作业的直观性和方便性。

4、本发明机器人***总共具有12个自由度，保证了机器人作业的灵活性。

5、本发明机器人***面向实战领域，重量轻，速度快，负载能力强，可全天候、全地形运行。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明机器人***结构简图；

图2是本发明远程控制单元结构简图；

图3是本发明移动平台结构简图；

图4是本发明履带机构结构简图；

图5是本发明翻转臂机构结构简图；

图6是本发明机械手臂结构简图；

图7是本发明CAN总线控制电路示意图。

具体实施方式

根据附图1、2，一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，包括移动平台模块10、本体图像传感器模块20、控制单元模块30、机械手臂模块40、手臂图像传感器模块50、远程控制单元60组成。

远程控制单元60是一个单独的控制单元块，由一台计算机，一个无线通信模块，天线、支架和控制箱组成。远程控制单元与机器人无线通讯，安装在机器人上的图像等传感器获得的信息以及机器人的位置、动作信息通过无线网络传输到远程控制单元，操纵人员可以远程控制机器人的运动和作业。

根据附图3，移动平台10包括机器人框架11、电源***12、左履带机构14L、右履带机构14R、左翻转臂13L、右翻转臂13R、左驱动和传动机构15L、右驱动和传动机构15R、翻转臂驱动和传动机构16等。

根据附图4，左右履带机构14L和14R分别包括一条履带141，一个主动轮142、一个从动轮143和12个辅助轮144。驱动机构包括直流伺服电机、电机编码器、电机驱动器。传动机构包括齿轮、轴承等。驱动器从控制单元接收指令来驱动电机，经由传动机构到达主动轮，再由主动轮带动整个履带运动，从而驱动机器人行走。电机驱动器用PWM方式控制电机的转速，根据控制单元模块发出的信号控制电机的转动方向。每个电机带有一个500线的增量型编码器，采集位置信息，实现机器人运动的闭环控制。机器人的运动控制采用开环和闭环两种方式，闭环包含速度环、位置环和电流环。

根据附图5，左右翻转臂机构13L和13R分别包括一条履带131、一个主动轮132和一个从动轮133。两个翻转臂机构共有一个翻转臂驱动和传动机构16，16由翻转电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮传动机构及轴承组成。从控制单元模块发出的信号驱动翻转电机旋转，再带动翻转臂主动轮旋转，从而使整个翻转臂绕主动轮轴旋转。翻转臂在机器人爬楼梯、翻转等动作中起支撑作用，是使机器人适应全地形作业的重要部件。

根据附图6，本体图像传感器模块20是安装在机器人移动平台模块上的一个摄像机，具有一个自由度，可俯仰摆动，其作用是采集机器人前方的环境图像，给机器人的运动提供信息。

机械手臂40具有8个自由度，采用涡轮蜗杆传动方式，材料为铝合金。机械手臂的全伸展长度达1.8m，最大伸展时能够抓取3kg的负载，多个自由度和较大的伸展范围保证了作业的灵活性。每个机械手的关节由一个单独的控制器控制，每个关节作为一个标准节点与主控制模块相连，采用CAN总线方式通信，保证了作业的可靠性，即使有某个节点故障也不会影响其他节点的动作。

机械手臂40上安装一个手臂图像传感器模块50，具有两个自由度，能够俯仰摆动和旋转，以便采集到目标的信息，使作业直观、操作简单方便。

机械手臂40由肩关节41，肘关节42，肘关节43，腕关节44，手爪45，云台46、大臂47、前臂48、小臂49组成。机械臂一共有8个自由度：肩关节41处有两个自由度，自由度1为相对于安装基座的水平旋转运动，自由度2为大臂47的摆动。肘关节42处有一个自由度3，为前臂47的摆动。肘关节43处由一个自由度4，为小臂49摆动。腕关节44有一个自由度5，为手爪45的旋转。手爪45有一个自由度6，为手爪的开合。云台46处有两个自由度，自由度7为摄像机50的俯仰摆动，自由度8为摄像机50的旋转。图3中的自由度9为机器人本体上安装的摄像机的摆动运动。机器人本体还有三个自由度，因此排爆机器人***总共有12个自由度。

控制单元模块30采用嵌入式的计算机ARM7作为主控制器，集成了嵌入式的操作***，通过编程使机器人实现自主行走，自主导航，传感器信息处理，手臂伸展、抓取等功能。控制单元模块通过标准的CAN总线与手臂模块通信。根据附图7，控制单元模块30共用了三片CPU，主控CPU 31，运动控制CPU 32，通讯CPU 33。主控CPU 31负责整体的任务规划、决策算法、***传感器及其他器件控制及管理、电源管理等。运动控制CPU 32负责机器人的移动、翻转臂的动作、机械臂的动作等。通讯CPU 33负责所有CAN节点之间的通信。机械手臂40的六个关节：肩关节41，肘关节42，肘关节43，腕关节44，手爪45，云台46分别由一个CPU来控制。将控制单元模块的三个CPU，机械手臂的六个CPU之间通过CAN总线连接，通信环路末端接有终端电阻R_L，以抑制反射。所有CPU相互之间采用标准CAN协议通信：控制单元CPU之间的协调工作，控制单元对机械手臂模块的控制，以及机械手臂模块给控制单元的反馈其姿态都是通过CAN总线进行。这样控制方式的好处是：控制算法简便，软件更新容易；机械手臂模块关节扩展方便，可以根据需要增减关节数目；某个关节的故障不会影响到其他关节的工作；采用非破坏性总线仲裁技术，各个CAN节点关节模块的优先级可以设定并随时调整；标准的CAN接口也可以扩展传感器和其他执行器件，使机器人的功能扩展非常简便。

本实施例构建成的机器人***重量小于30kg，速度2m/s，臂展1.8m，最大伸长负载3kg，可爬40°楼梯，可全天候、全地形运行，可单兵背负，是面向实战领域的可靠便携式***物处理机器人平台。

Claims (8)

1.一种便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，包括机械运动部分、电气控制部分，其特征在于：机器人***包含控制单元模块、移动平台模块、能源模块、机械手臂模块、图像传感器模块和远程控制模块，各个独立功能模块采用标准的机械接口相互连接，控制单元模块采用嵌入式的计算机APM7作为主控制器，控制单元的各个CPU与机械手臂的各个CPU之间通过以太网或CAN总线连接；控制单元CPU之间的协调工作、控制单元对机械手臂模块的控制以及机械手臂模块给控制单元的反馈其姿态都是通过标准总线进行，所有CPU之间采用标准TCP/IP或CAN协议通信。

2.根据权利要求1所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述的机械手臂模块其机械手臂采用涡轮蜗杆传动，机械手臂共有8个自由度，每个关节作为标准节点，每个关节都由单独CPU控制，并与主控制器相连。

3.根据权利要求1所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述的移动平台模块是机器人的机械运功载体，包括机器人框架、左右两个履带机构、左右两个翻转臂机构、左右两个履带驱动机构及左右两个翻转臂驱动和传动机构。

4.根据权利要求3所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述机器人框架包含机器人的底盘、支架及腔体；履带机构包括一条履带、一个主动轮、一个从动轮及若干个辅助轮；履带驱动机构包括直流电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮传动机构和轴承；翻转臂机构包括一条履带、一个主动轮和一个从动轮；翻转臂驱动和传动机构包括翻转电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮传动机构和轴承。

5.根据权利要求4所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述的电机驱动器用PWM方式控制电机的转速，每个电机带有一个编码器，机器人的运动控制采用开环和闭环两种方式，闭环包含速度环、位置环和电流环。

6.根据权利要求1所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述嵌入式的计算机集成了嵌入式的操作***，通过编程使机器人实现自主行走、自由导航、传感器信息处理和机械手臂的伸展及抓取功能。

7.根据权利要求1所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于：所述的图像传感器模块包括设置在机器人本体移动平台具有俯仰摆动一个自由度的摄像机和设置在机械手臂上具有旋转和俯仰摆动两个自由度的摄像机。

8.根据权利要求1所述的便携式多自由度小型***物处理智能移动机器人***，其特征在于： 所述机器人***采用自主控制和远程控制两种方式，远程控制是采用一台远程计算机通过无线网络与机器人主控制器通信，进行命令和视频传输，实现机器人的遥控作业。

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