CN106507966B - 搭载四自由度机械手的核化应急机器人及其控制方法 - Google Patents
搭载四自由度机械手的核化应急机器人及其控制方法Info
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Abstract
本发明涉及一种核化侦察与应急处理机器人搭载四自由度机械手的遥操作方法；其步骤是1、操作人员在机器人前部正中摄像机所拍摄画面中确定目标物体，控制机器人旋转至目标物***于画面的左右正中位置；2、控制器人运动至与目标物体距离为设定值处时停止前进；3、控制肩关节、肘关节和垂直腕关节转动使机械手金属手指靠近目标物体；4、调整机器人方向使目标物***于腕部摄像机拍摄画面的左右正中位置，控制旋转腕关节转动至金属手指开合方向与目标物体一致，开启腕部下方激光发射器，控制金属手指向目标物体靠近，至激光光斑处于画面上下正中位置时停止，金属手指合拢实现对目标物体遥操作抓取；本发明与现有技术相比，层次明晰，控制可靠准确。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人及其控制方法。
背景技术
核化应急机器人是机器人技术领域的一个重要应用，由于它可以代替人员进入存在放射性和化学污染的危险环境，正越来越多的应用于各种情况不明，对人员有极大威胁的突发事件的应急处理工作。在其应用过程中，常常要使用核化侦察与应急处理机器人所搭载的四自由度机械手进行危险物体的靠近和抓取，现有的机械手操作复杂，体积庞大，不便于核化应急机器人上搭载。
此外由于四自由度机械手与核化侦察与应急处理机器人固连在一起，该机械手的控制与核化侦察与应急处理机器人的运动密切相关，如何定位目标物体并靠近和抓取该物体一直是该领域的一个难点。目前对机械手的控制方法主要分为自主控制和遥操作控制。自主控制主要针对于工业机械手的精确性的重复运动控制，通过视觉或传感器测量的方法定位目标物体，然后自动控制机械手向目标物体移动。该方法在标准化的工厂环境下有很好的效果，但是在非结构化的环境下则无法应用。遥操作控制主要针对非结构化的复杂环境下的机械手控制，该方法主要依靠机械手携带的摄像机进行视频反馈帮助操作人员进行控制，但是这种方法临场感差，抓取过程不准确、不可靠。同时，目前不论是自主控制还是遥操作控制大都只是针对固定的机械手进行控制，针对搭载在核化应急机器人上的四自由度机械手的控制方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过对过程的控制，能够使机械手的抓取过程准确、可靠的搭载四自由度机械手的核化应急机器人及其控制方法。实现本发明目的的技术解决方案为：一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人，其特征在于包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，可沿机器人行进方向做360°圆周旋转，在机器人的前方正中位置设置有摄像机、超声测距传感器和红外测距传感器；所述核化应急机器人搭载的四自由度机械手臂包括肩关节、肘关节、垂直腕关节和旋转腕关节，其中肩关节位于核化侦察与应急处理机器人前轮轴的中心位置，机械手后臂一端与肩关节相连，另一端与肘关节相连，机械手前臂一段与肘关节相连，另一端与垂直腕关节相连，机械手腕部一端为垂直腕部关节，另一端为旋转腕部关节，旋转关节上设置有可开合的金属手指，各个关节中均设置有直流电机，肩关节可180°连续旋转，肘关节、垂直腕关节和旋转腕关节均可360°连续旋转，在机械手腕部关节上部轴线位置设置有摄像机，下部轴线位置设置有小型激光发射器。
一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法，其特征在于按下列步骤进行：
步骤1：在核化应急机器人前部正中位置安装的摄像机所拍摄的画面中确定需要抓取的目标物体，控制左右履带运动的方向和速度使得核化应急机器人产生旋转，直至目标物体在摄像机拍摄画面中位于设定位置P；
步骤2：控制核化应急机器人左右两侧履带同方向等速向前运动，机器人前部正中的超声测距传感器和红外测距传感器测量核化应急机器人与目标物体之间的距离S，当S小于设定值时，机器人停止前进；
步骤3：分别控制肩关节、肘关节和垂直腕关节转动，使得后臂与核化应急机器人顶面间的夹角为θ1，前臂与后臂之间的夹角为θ2，腕部与前臂5之间的夹角为θ3，为保证抓取目标物体时的准确性，要求θ3＝θ1+θ2，不断改变θ1、θ2、θ3的大小，使得机械手末端的金属手指不断向目标物体靠近；
步骤4：通过控制核化应急机器人左右两侧履带的运动方向和速度，微微调整机器人的方向，使得目标物体在腕部摄像机所拍摄画面的左右正中位置，控制旋转腕关节转动，使得目标物体与金属手指的开合方向一致，便于抓取，开启腕部下方安装的小型激光发射器，将激光光斑打在目标物体上，改变θ1、θ2、θ3的大小，金属手指持续向目标物体靠近，则在腕部摄像机所拍摄画面中，目标物体上的光斑由上向下运动，当光斑处于画面上位于设定位置Q时，机械手停止运动，此时目标物体已处于金属手指之间。控制金属手指闭合，实现搭载四自由度机械手的核化应急机器人对目标物体的抓取。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、利用机器人前部正中搭载的摄像头的视频反馈画面和前部搭载的超声、红外测距传感器，控制核化应急机器人运动，实现机器人搭载的四自由度机械手的水平移动并转动，使得这一过程平稳；2、利用四自由度机械手腕部搭载摄像机的视频反馈和腕部下方的激光发射器实现四自由度机械手对于目标物体的稳定抓取，对核化应急机器人和目标物体的冲击小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明靠近目标物体阶段示意图。
图3是本发明四自由度机械手靠近目标物体示意图示意图。
图4是本发明四自由度机械手抓取物体示意图。
图5是本发明的一个具体实例示意图。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明的实施方式。
一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人，包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，可沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方正中位置设置有摄像机、超声测距传感器和红外测距传感器；所述核化应急机器人搭载的四自由度机械手臂包括肩关节2、后臂3、肘关节4、前臂5、垂直腕关节6、腕部7、旋转腕关节1θ和金属手指11，其中肩关节2位于核化侦察与应急处理机器人前轮轴的中心位置，机械手后臂3一端与肩关节2相连，另一端与肘关节4相连，机械手前臂5一段与肘关节4相连，另一端与垂直腕关节6相连，腕部7一端为垂直腕关节6，另一端为旋转腕关节10，旋转腕关节10上设置有可开合的金属手指11，各个关节中均设置有直流电机，肩关节2可180°连续旋转，肘关节4、垂直腕关节6和旋转腕关节10均可360°连续旋转，在机械手腕部关节上部轴线位置设置有腕部摄像机8，下部轴线位置设置有小型腕部激光发射器9；在核化应急机器人前部正中位置的传感器模块13通过传感器模块支架12安装在机器人车体1上，传感器模块13上安装有红外测距传感器14，超声测距传感器15，摄像机16。
一种基于搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法，其特征在于按下列步骤进行：
步骤1：在核化应急机器人前部正中位置安装的摄像机16所拍摄的画面中确定需要抓取的目标物体，控制左右履带运动的方向和速度使得核化应急机器人产生旋转，直至目标物体在摄像机16拍摄画面中位于左右方向上的正中位置。
步骤2：控制核化应急机器人左右两侧履带同方向等速向前运动，机器人前部正中的超声测距传感器15和红外测距传感器14测量核化应急机器人与目标物体之间的距离S，但S小于核化应急机器人搭载的四自由度机械手伸展长度的四分之三时，机器人停止前进。
步骤3：分别控制肩关节2、肘关节4和垂直腕关节6转动，使得后臂3与核化应急机器人顶面间的夹角为θ1，前臂5与后臂3之间的夹角为θ2，腕部7与前臂5之间的夹角为θ3，为保证抓取目标物体时的准确性，要求腕部7与机器人车体1平行，则要求θ3＝θ1+θ2。不断改变θ1、θ2、θ3的大小，使得机械手末端的金属手指11不断向目标物体靠近。
步骤4：通过控制核化应急机器人左右两侧履带的运动方向和速度，微微调整机器人的方向，使得目标物体在腕部摄像机8所拍摄画面的左右正中位置。控制旋转腕关节10转动，使得目标物体与金属手指11的开合方向一致，便于抓取。开启腕部7下方安装的小型腕部激光发射器9，将激光光斑打在目标物体上，改变θ1、θ2、θ3的大小，金属手指11持续向目标物体靠近，则在腕部摄像机8所拍摄画面中，目标物体上的光斑由上向下运动，当光斑处于画面上下方向正中位置时，机械手停止运动，此时目标物体已处于金属手指11之间。控制金属手指11闭合，实现搭载四自由度机械手的核化应急机器人对目标物体的抓取。
下面参照附图，对本发明做出更为具体的描述：
本实施例是一种针对搭载四自由度机械手的核化应急机器人如何对目标物体进行控制抓取的问题提出的一种新的控制方法。
一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法主要分为三个阶段，机器人靠近目标物体阶段，机械手靠近目标物体阶段，机械手抓取目标物体阶段。
(1)机器人靠近目标物体阶段
位于核化应急机器人前部正中的摄像机16将所拍摄到的前方障碍物图像通过无线方式传送到远程控制端，在反馈的图像中确定需要抓取的目标物体，控制左右履带运动的方向和速度使得核化应急机器人产生旋转，直至目标物体在摄像机16拍摄画面中位于左右方向上的正中位置，此时可以保证目标物体在机器人前进方向的正前方位置。同时通过机器人前部正中安装的超声测距传感器15和红外测距传感器14测量机器人距离目标物体的距离S。控制核化侦察与应急处理机器人左右两侧履带同方向等速向前运动，当
S＜0.75×L (1)
L为四自由度机械手伸展时的全长，机器人停止前进。整个过程如图2所示。
在测量S时，由于超声测距传感器15和红外测距传感器14的测量范围和精度不同，所以采用以下的测量方法：
其中sI为红外测距传感器14的测量值，sS为超声测距传感器15的测量值，sImax为红外测距传感器14的最大测量值。由于红外测距传感器14在距离较近时比较准确，而超声测距传感器15在距离较远时比较准确。所以当红外测距传感器14的测量值达到其最大测量值时，就使用超声测距传感器15的测量结果作为最终结果，反之则认为红外测距传感器14的测量结果可信度高，并被采纳为最终结果。
(2)机械手靠近目标物体阶段
如图3所示，定义四自由度机械手的后臂3与核化应急机器人顶面间的夹角为θ1，前臂5与后臂3之间的夹角为θ2，腕部7与前臂5之间的夹角为θ3。θ1、θ2、θ3通过分别测量与肩关节2、肘关节4和垂直腕关节6的转动轴同轴固定的绝对位置编码码盘得到。减小θ1，增大θ2和θ3，使得四自由度机械手臂逐渐伸开，为保证抓取目标物体时的准确性，要求腕部7和机器人车体方向平行，则要求
θ3＝θ1+θ2 (3)
不断减小θ1，增大θ2和θ3，使得机械手末端的金属手指11不断向目标物体靠近。
(3)机械手抓取目标物体阶段
位于四自由度机械手上部正中的腕部摄像机8将所拍摄到的目标物体图像通过无线方式传送到远程控制端，在反馈的图像中观察目标物体偏离拍摄画面左右方向正中位置的距离，微微调整机器人产生旋转，细微的改变机器人的方向，直至目标物体在摄像机拍摄画面中位于左右方向上的正中位置。开启四自由度机械手腕部7下方安装的小型腕部激光发射器9。该小型腕部激光发射器9与腕部7的轴线成一定角度，当金属手指11旋转至水平位置，小型腕部激光发射器9所发射出来的激光束正好可以通过两个金属手指11中心的连线。当小型腕部激光发射器9打开后，会有激光光斑打在目标物体上，减小θ1，增大θ2和θ3，金属手指11持续向目标物体靠近，则在腕部摄像机8所拍摄画面中，目标物体上的光斑由上向下运动，当光斑处于画面上下方向正中位置时，机械手停止运动，此时目标物体已处于金属手指11中心的连线上，即目标物体已经进入金属手指11之间，可进行抓取。控制金属手指11闭合，实现搭载四自由度机械手的核化应急机器人对目标物体的抓取。这个个过程如图4所示。
核化应急机器人搭载四自由度机械手控制方法的实例如图5所示：
一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法主要分为三个阶段，机器人靠近目标物体阶段，机械手靠近目标物体阶段，机械手抓取目标物体阶段。
(1)机器人靠近目标物体阶段
位于核化应急机器人前部正中的摄像机16将所拍摄到的前方障碍物图像通过无线方式传送到远程控制端，在反馈的图像中确定需要抓取的目标物体，控制左右履带运动的方向和速度使得核化应急机器人产生旋转，直至目标物体在摄像机16拍摄画面中位于左右方向上的正中位置，此时可以保证目标物体在机器人前进方向的正前方位置。同时通过机器人前部正中安装的超声测距传感器15和红外测距传感器14测量机器人距离目标物体的距离S。控制核化应急机器人左右两侧履带同方向等速向前运动，当
S＜0.75×L (1)
L＝100cm为四自由度机械手伸展时的全长，机器人停止前进。
在测量S时，由于超声测距传感器15和红外测距传感器14的测量范围和精度不同，所以采用以下的测量方法：
其中sI为红外测距传感器14的测量值，sS为超声测距传感器15的测量值，sImax＝40cm为红外测距传感器14的最大测量值。由于红外测距传感器14在距离较近时比较准确，而超声测距传感器15在距离较远时比较准确。所以当红外测距传感器14的测量值达到其最大测量值时，就使用超声测距传感器15的测量结果作为最终结果，反之则认为红外测距传感器14的测量结果可信度高，并被采纳为最终结果。
(2)机械手靠近目标物体阶段
定义四自由度机械手的后臂3与核化应急机器人顶面间的夹角为θ1，前臂5与后臂3之间的夹角为θ2，腕部7与前臂5之间的夹角为θ3。θ1、θ2、θ3通过分别测量与肩关节2、肘关节4和垂直腕关节6转动轴同轴固定的绝对位置编码码盘得到。减小θ1，增大θ2和θ3，使得四自由度机械手臂逐渐伸开，为保证抓取目标物体时的准确性，要求腕部7和金属手指11与目标物体的立面垂直，则要求
θ3＝θ1+θ2 (3)
不断减小θ1，增大θ2和θ3，使得机械手末端的金属手指11不断向目标物体靠近。
(3)机械手抓取目标物体阶段
位于四自由度机械手上部正中的腕部摄像机8将所拍摄到的目标物体图像通过无线方式传送到远程控制端，在反馈的图像中观察目标物体偏离拍摄画面左右方向正中位置的距离，微微调整机器人产生旋转，细微的改变机器人的方向，直至目标物体在腕部摄像机8拍摄画面中位于左右方向上的正中位置。开启四自由度机械手腕部7下方安装的小型腕部激光发射器9。该小型腕部激光发射器9与腕部7的轴线成一定角度，当金属手指11旋转至水平位置，小型腕部激光发射器9所发射出来的激光束正好可以通过两个金属手指11中心的连线。当小型腕部激光发射器9打开后，会有激光光斑打在目标物体上，减小θ1，增大θ2和θ3，金属手指11持续向目标物体靠近，则在腕部摄像机8所拍摄画面中，目标物体上的光斑由上向下运动，当光斑处于画面上下方向正中位置时，机械手停止运动，此时θ1＝45°，θ2＝65°和θ3＝110°，此时目标物体已处于金属手指中心的连线上，即目标物体已经进入金属手指11之间，可进行抓取。控制金属手指11闭合，实现搭载四自由度机械手的核化应急机器人对目标物体的抓取。
Claims (3)
1.一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人，其特征在于，机器人车体(1)包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，可沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方正中位置设置有摄像机、超声测距传感器和红外测距传感器；所述核化应急机器人搭载的四自由度机械手臂包括肩关节(2)、后臂(3)、肘关节(4)、前臂(5)、垂直腕关节(6)、腕部(7)、旋转腕关节(10)和金属手指(11)，其中肩关节(2)位于核化应急机器人前轮轴的中心位置，机械手的后臂(3)一端与肩关节(2)相连，另一端与肘关节(4)相连，机械手的前臂(5)一端与肘关节(4)相连，另一端与垂直腕关节(6)相连，腕部(7)一端为垂直腕关节(6)，另一端为旋转腕关节(10)，旋转腕关节(10)上设置有可开合的金属手指(11)，各个关节中均设置有直流电机，肩关节(2)可180°连续旋转，肘关节(4)、垂直腕关节(6)和旋转腕关节(10)均可360°连续旋转，在机械手腕部(7)上部轴线位置设置有腕部摄像机(8)，下部轴线位置设置有小型腕部激光发射器(9)。
2.一种基于权利要求1所述的一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法，其特征在于按下列步骤进行：
步骤1：在核化应急机器人前部正中位置安装的摄像机(16)所拍摄的画面中确定需要抓取的目标物体，控制左右履带运动的方向和速度使得核化应急机器人产生旋转，直至目标物体在摄像机(16)拍摄画面中位于设定位置P；
步骤2：控制核化应急机器人左右两侧履带同方向等速向前运动，机器人前部正中的超声测距传感器(15)和红外测距传感器(14)测量核化应急机器人与目标物体之间的距离S，当S小于设定值时，机器人停止前进；
步骤3：分别控制肩关节(2)、肘关节(4)和垂直腕关节(6)转动，使得后臂(3)与核化应急机器人顶面间的夹角为θ1，前臂(5)与后臂(3)之间的夹角为θ2，腕部(7)与前臂(5)之间的夹角为θ3，为保证抓取目标物体时的准确性，要求θ3＝θ1+θ2，不断改变θ1、θ2、θ3的大小，使得机械手末端的金属手指(11)不断向目标物体靠近；
步骤4：通过控制核化应急机器人左右两侧履带的运动方向和速度，微微调整机器人的方向，使得目标物体在腕部摄像机(8)所拍摄画面的左右正中位置，控制旋转腕关节(1θ)转动，使得目标物体与金属手指(11)的开合方向一致，便于抓取，开启腕部(7)下方安装的小型腕部激光发射器(9)，将激光光斑打在目标物体上，改变θ1、θ2、θ3的大小，金属手指(11)持续向目标物体靠近，则在腕部摄像机(8)所拍摄画面中，目标物体上的光斑由上向下运动，当光斑处于画面上位于设定位置Q时，机械手停止运动，此时目标物体已处于金属手指(11)之间，控制金属手指(11)闭合，实现核化应急机器人所搭载四自由度机械手对目标物体的遥操作抓取。
3.根据权利要求2所述的一种搭载四自由度机械手的核化应急机器人的控制方法，其特征在于：设定位置P为目标物体在摄像机(16)拍摄画面中的左右方向的正中位置，S的设定值为机械手完全伸展长度的四分之三，设定位置Q为目标物体在腕部摄像机(8)所拍摄画面的上下方向的正中位置，角度θ1大于10°且小于80°，θ2大于10°且小于180°，θ3大于10°且小于180°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR03 | Grant of secret patent right | ||
| GRSP | Grant of secret patent right | ||
| DC01 | Secret patent status has been lifted | ||
| DCSP | Declassification of secret patent | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140716 |