三维地图构建用作业机器人

摘要

本发明公开了一种三维地图构建用作业机器人，包括可移动车体、中央处理器和设置在可移动车体上并用于采集作业环境三维信息的三维信息采集装置，三维信息采集装置与中央处理器电连接进行三维地图构建；可移动车体包括底板箱、前轮转向机构、后轮驱动机构和沿底板箱周侧设置并用于检测障碍物距离的若干超声波收发传感器，中央处理器还用于接收超声波收发传感器信号并综合处理后向前轮转向机构输出转向控制指令进行避障；通过三维信息采集装置多作业环境的信息进行采集并将采集信息输入到中央处理器进行三维地图构建，此外，本发明的机器人还可实现自动避障和自动循迹功能，满足机器人在复杂环境中自主工作的性能要求。

权利要求

1.一种三维地图构建用作业机器人，包括可移动车体、中央处理器和设置在可移动车体上并用于采集作业环境三维信息的三维信息采集装置，所述三维信息采集装置与所述中央处理器电连接进行三维地图构建，所述可移动车体包括底板箱、前轮转向机构和后轮驱动机构,其特征在于：所述可移动车体还包括沿底板箱周侧设置并用于检测障碍物距离的若干超声波收发传感器，所述中央处理器还用于接收超声波收发传感器信号并综合处理后向所述前轮转向机构输出转向控制指令进行避障；

所述前轮转向机构包括前轮、前固定轴和转向驱动机构，所述转向驱动机构包括驱动电机、蜗轮、蜗杆轴和用于连接蜗杆轴和前固定轴端部并实现驱动转向的转向架，所述驱动电机由所述中央处理器控制工作，所述蜗轮与所述驱动电机的动力输出轴圆周固定，所述蜗杆由所述蜗轮驱动，所述转向架设置两组，所述前轮以可绕自身轴线转动的方式设置于对应转向架。

2.根据权利要求1所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：所述转向架包括上伸缩杆、下伸缩杆、杆箱和销轴，所述杆箱固定设置在两伸缩杆上，所述杆箱上设置有前轮轴，所述销轴在前固定轴和蜗杆轴的端部沿纵向各设置一个并销轴两端伸出，所述上伸缩杆和所述下伸缩杆两端分别与对应销轴转动配合，所述上伸缩杆和所述下伸缩杆上还设置有弹簧。

3.根据权利要求2所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：所述后轮驱动机构包括后轮、后轮轴和后轮驱动组件，后轮轴固定设置于所述底板箱，所述后轮固定设置于所述后轮轴，所述后轮驱动组件包括后轮驱动电机和锥齿轮副，所述锥齿轮副的主动锥齿轮固接于所述后轮驱动电机的电机轴，所述锥齿轮副的从动锥齿轮圆周固定于所述后轮轴。

4.根据权利要求1所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：所述底板箱上还设置有用于目标物抓取的机械手，所述机械手为双臂机械手，每一机械手均包括机械臂、手腕总成和手爪总成，所述手爪总成包括手爪座和与手爪座固接并成夹持状态设置的至少两个手爪，每一手爪均由至少三个指节依次铰接而成，第一指节固接于所述手爪座，两相邻指节上设置有用于驱动在后指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构，所述指节驱动机构包括指节驱动电机、锥齿轮指节驱动副和直齿轮指节驱动副，所述锥齿轮指节驱动副的主动锥齿轮固接于指节驱动电机的电机轴，锥齿轮指节驱动副的从动锥齿轮和直齿轮驱动副的主动齿轮均圆周固定于相邻指节间的铰接轴上，直齿轮指节驱动副的从动齿轮轴与在后指节固定连接。

5.根据权利要求4所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：每一机械手的机械臂均包括依次铰接并均可在竖直平面内转动的方式设置的下臂、中臂和上臂，两相邻臂体之间设置有臂驱动装置，所述臂驱动装置包括臂驱动伺服电机和臂驱动齿轮副，所述臂驱动伺服电机固接于前一臂体，所述臂驱动齿轮副的主动齿轮轴与臂驱动伺服电机传动连接并其上设置有制动器，臂驱动齿轮副的从动齿轮圆周固定于两相邻臂体间的关节铰接轴上，所述关节铰接轴与前一臂体转动配合，与后一臂体固定连接。

6.根据权利要求4所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：所述手爪座为正三角形结构，所述手爪为分列设置于手爪座三边的三个。

7.根据权利要求5所述的三维地图构建用作业机器人，其特征在于：还包括用于自适应控制机械手工作的自动控制系统，所述自动控制系统至少包括：角位移传感器，设置于下臂和上臂内部，用于检测下臂和上臂俯仰角度；

视觉传感器，设置于手腕总成的上方，用于检测工作环境内物体的空间位置、姿态，并监视机械手的工作状态；

触觉传感器，设置于机械手爪内表面，用于主动获取物体更为完整的信息；

力觉传感器，设置于机械手手爪指节的夹持面内部，用于检测每个指节的夹持压力；

所述中央处理器还用于接收角位移传感器、视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器的反馈信号，并综合处理存储信息。

说明书

三维地图构建用作业机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及自动化机械设备领域，特别涉及一种三维地图构建用作业机器人。

背景技术

[0002] 在我国，机器人技术研究本身起步较晚，智能移动机器人的研究与世界先进水平有很大的差距。近年来，在国家“863”规划和“十一五”规划的指导下，我国特种机器人研究与应用已经取得重大进展。作业型水下机器人、微操作机器人、自主行为与移动机器人系统、月球车移动系统、医疗机器人、管道作业机械人、农业机器人(水果采摘机器人)与服务机器人、排爆机器人、复杂环境下生物作业机器人、电解铝清洁机器人、有色金属自动化生产机器人在相应的领域都得到了推广和应用。随着人工智能技术研究的广泛深入，我国对特种机器人的理论研究正逐步深入，对极限环境作业机器人的要求也越来越高，但现有的作业机器人，尤其是极限环境下的作业机器人，在复杂的自然环境下执行自主性、可靠性要求比较高的任务时，对环境感知能力较弱且对行走路线的避障效果不好，集成度不高。

[0003] 因此，需要对现有的作业机器人进行改进，增加机器人对作业环境信息获取理解，并实现可自主避障、自动循迹，满足机器人在复杂环境中自主工作的性能要求。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供一种三维地图构建用作业机器人，其可增加机器人对作业环境信息的获取理解，并实现自主避障、自动循迹，满足机器人在复杂环境中自主工作的性能要求。

[0005] 本发明的三维地图构建用作业机器人，包括可移动车体、中央处理器和设置在可移动车体上并用于采集作业环境三维信息的三维信息采集装置，所述三维信息采集装置与所述中央处理器电连接进行三维地图构建；所述可移动车体包括底板箱、前轮转向机构、后轮驱动机构和沿底板箱周侧设置并用于检测障碍物距离的若干超声波收发传感器，所述中央处理器还用于接收超声波收发传感器信号并综合处理后向所述前轮转向机构输出转向控制指令进行避障。

[0006] 进一步，前轮转向机构包括前轮、前固定轴和转向驱动机构，所述转向驱动机构包括驱动电机、蜗轮、蜗杆轴和用于连接蜗杆轴和前固定轴端部并实现驱动转向的转向架，所述驱动电机由所述中央处理器控制工作，所述蜗轮与所述驱动电机的动力输出轴圆周固定，所述蜗杆由所述蜗轮驱动，所述转向架设置两组，所述前轮以可绕自身轴线转动的方式设置于对应转向架。

[0007] 进一步，转向架包括上伸缩杆、下伸缩杆、杆箱和销轴，所述杆箱固定设置在两伸缩杆上，所述杆箱上设置有前轮轴，所述销轴在前固定轴和蜗杆轴的端部沿纵向各设置一个并销轴两端伸出，所述上伸缩杆和所述下伸缩杆两端分别与对应销轴转动配合，所述上伸缩杆和所述下伸缩杆上还设置有弹簧。

[0008] 进一步，后轮驱动机构包括后轮、后轮轴和后轮驱动组件，后轮轴固定设置于所述底板箱，所述后轮固定设置于所述后轮轴，所述后轮驱动组件包括后轮驱动电机和锥齿轮副，所述锥齿轮副的主动锥齿轮固接于所述后轮驱动电机的电机轴，所述锥齿轮副的从动锥齿轮圆周固定于所述后轮轴。

[0009] 进一步，底板箱上还设置有用于目标物抓取的机械手，所述机械手为双臂机械手，每一机械手均包括机械臂、手腕总成和手爪总成，所述手爪总成包括手爪座和与手爪座固接并成夹持状态设置的至少两个手爪，每一手爪均由至少三个指节依次铰接而成，第一指节固接于所述手爪座，两相邻指节上设置有用于驱动在后指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构，所述指节驱动机构包括指节驱动电机、锥齿轮指节驱动副和直齿轮指节驱动副，所述锥齿轮指节驱动副的主动锥齿轮固接于指节驱动电机的电机轴，锥齿轮指节驱动副的从动锥齿轮和直齿轮驱动副的主动齿轮均圆周固定于相邻指节间的铰接轴上，直齿轮指节驱动副的从动齿轮轴与在后指节固定连接。

[0010] 进一步，每一机械手的机械臂均包括依次铰接并均可在竖直平面内转动的方式设置的下臂、中臂和上臂，两相邻臂体之间设置有臂驱动装置，所述臂驱动装置包括臂驱动伺服电机和臂驱动齿轮副，所述臂驱动伺服电机固接于前一臂体，所述臂驱动齿轮副的主动齿轮轴与臂驱动伺服电机传动连接并其上设置有制动器，臂驱动齿轮副的从动齿轮圆周固定于两相邻臂体间的关节铰接轴上，所述关节铰接轴与前一臂体转动配合，与后一臂体固定连接。

[0011] 进一步，手爪座为正三角形结构，所述手爪为分列设置于手爪座三边的三个。

[0012] 进一步，还包括用于自适应控制机械手工作的自动控制系统，所述自动控制系统至少包括：

[0013] 角位移传感器，设置于下臂和上臂内部，用于检测下臂和上臂俯仰角度；

[0014] 视觉传感器，设置于手腕总成的上方，用于检测工作环境内物体的空间位置、姿态，并监视机械手的工作状态；

[0015] 触觉传感器，设置于机械手爪内表面，用于主动获取物体更为完整的信息；

[0016] 力觉传感器，设置于机械手手爪指节的夹持面内部，用于检测每个指节的夹持压力；

[0017] 所述中央处理器还用于接收角位移传感器、视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器的反馈信号，并综合处理存储信息。

[0018] 本发明的有益效果：本发明的三维地图构建用作业机器人，通过三维信息采集装置多作业环境的信息进行采集并将采集信息输入到中央处理器进行三维地图构建，此外，本发明的机器人还可通过视觉传感器识别目标物，结合控制系统实现在线总体轨迹规划,同时通过超声波传感器检测路径上的障碍物，结合控制系统对总体规划路径进行局部调整，满足机器人在复杂环境中自主工作的性能要求。

附图说明

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0020] 图1为本发明的三维地图构建用作业机器人的整体主视图；

[0021] 图2为本发明的三维地图构建用作业机器人的车轮运动机构结构示意图；

[0022] 图3为本发明的三维地图构建用作业机器人整体侧视示意图；

[0023] 图4为图3C处放大图；

[0024] 图5为本发明的三维地图构建用作业机器人的手爪总成结构示意图；

[0025] 图6为本发明的三维地图构建用作业机器人的臂驱动装置结构示意图；

[0026] 图7为本发明的三维地图构建用作业机器人的转向架结构示意图；

[0027] 图8为本发明的三维地图构建用作业机器人的转向架结构侧视图。

具体实施方式

[0028] 图1为本发明的三维地图构建用作业机器人的整体主视图，图2为本发明的三维地图构建用作业机器人的车轮运动机构结构示意图，图3为本发明的三维地图构建用作业机器人整体侧视示意图，图4为图3C处放大图，图5为本发明的三维地图构建用作业机器人的手爪总成结构示意图，图6为本发明的三维地图构建用作业机器人的臂驱动装置结构示意图，图7为本发明的三维地图构建用作业机器人的转向架结构示意图，图8为本发明的三维地图构建用作业机器人的转向架结构侧视图，如图所示：本实施例的三维地图构建用作业机器人，包括可移动车体、中央处理器和设置在可移动车体上并用于采集作业环境三维信息的三维信息采集装置5，三维信息采集装置5与所述中央处理器电连接进行三维地图构建；可移动车体包括底板箱1、前轮转向机构2、后轮驱动机构3和沿底板箱1周侧设置并用于检测障碍物距离的若干超声波收发传感器4，中央处理器还用于接收超声波收发传感器4信号并向前轮转向机构2输出转向控制指令对原规划路径进行局部调整，实现避障功能，在通过障碍后，处理器向前轮转向机构2又发出反转向信号，使机器人回到原规划路径轨迹上；其中三维信息采集装置为三维成像双目摄像头(CCD摄像头)，中央处理器为嵌入式单板计算机，嵌入式是指嵌入安装在可移动车体上，底板箱为内中空式结构，三维信息采集装置也可为现有其他图像采集模块，中央处理器内还设置有图像采集模块、信息存储模块，其中图像采集模块用于采集此刻三维信息采集装置的图像数据，将其转存至存储模块中，可在中央处理器内进行构建三维的环境地图，也可通过无线通信模块将存储模块中采集的里程计数据和图像数据传给远程数据处理主机，通过快速置信度传播算法得到图像和机器人间的距离信息，在远程数据处理主机中构建三维的环境地图；另外，通过超声波实现避障的原理为，通过超声波传感器发出一定频率的超声波，当遇到障碍物时反射回来，通过接收该反射波，再根据发射和接收的时间差获得障碍物位置信号确定障碍物位置；当然，也可通过红外传感器来实现本发明中超声波传感器的功能，或者红外传感器和超声波传感器一同使用，在机器人运动过程中先调节距离旋钮使其探测距离达到所用超声波传感器的盲区最大值，通过程序控制红外传感器发射信号，然后铺捉反射信号，若无反射信号说明无障碍，如有反射信号说明有障碍，通过红外传感器或超声波收发传感器探测障碍物距离，中央处理器进行信号处理并得出实际距离，中央处理器内设置距离最小阈值进行判断，当测距大于阈值时进行转向控制；其中三维地图的构建方法和实现方式与超声波收发传感器测距的原理及距离判断均属于现有技术，在此不再赘述。

[0029] 本实施例中，前轮转向机构和后轮驱动机构共同形成可移动车体的车轮运动机构，其中，前轮转向机构2包括前轮2-1、前固定轴2-2和转向驱动机构，转向驱动机构包括驱动电机2-3、蜗轮2-4、蜗杆轴2-5和用于连接蜗杆轴2-5和前固定轴2-2端部并实现驱动转向的转向架2-6，驱动电机由所述中央处理器控制工作，蜗轮2-4与所述驱动电机的动力输出轴圆周固定，蜗杆轴由所述蜗轮2-4驱动，转向架2-6设置两组，前轮以可绕自身轴线转动的方式设置于对应转向架2-6；本实施例中，所指蜗轮蜗杆为不自锁蜗轮蜗杆机构，由蜗轮驱动蜗杆轴进行直线运动，从而带动转向架使得前轮行进方向改变。

[0030] 本实施例中，转向架2-6包括上伸缩杆2-6-1、下伸缩杆2-6-2、杆箱2-6-3和销轴2-6-4，杆箱2-6-3固定设置在两伸缩杆上，杆箱2-6-3上设置有前轮轴2-6-5，销轴2-6-4在前固定轴2-2和蜗杆轴2-5的端部沿纵向各设置一个并销轴2-6-4两端伸出，上伸缩杆2-6-1和所述下伸缩杆2-6-2两端分别与对应销轴2-6-4转动配合，上伸缩杆2-6-1和下伸缩杆2-6-2上还设置有弹簧2-6-6，弹簧在蜗轮停止转动后可以使前车轮自动回正；其中，上伸缩杆和下伸缩杆为伸缩结构，在前固定轴和蜗杆轴的端部各设置有销轴，销轴两端分别伸出前固定轴和蜗杆轴并分别与上伸缩杆和下伸缩杆铰接，当蜗轮驱动蜗杆轴沿直线移动时，转向架变为倾斜结构，由于前轮设置在前轮轴上，前轮轴随杆箱改变方向，前轮随之改变行进方向，从而避开障碍物，驱动方式简单可靠，且灵活快捷；另外，还设置有驱动电机正反转电路，当超声波收发传感器采集的信息输入至中央处理器内后，中央处理器对采集信息进行快速综合判断，判断障碍物位于车体的方向和距离多少，从而通过驱动电机正反转电路使得驱动电机根据具体情况正反转，进而使得蜗杆轴沿直线前后移动。

[0031] 本实施例中，后轮驱动机构3包括后轮3-1、后轮轴3-2和后轮驱动组件，后轮轴3-2固定设置于所述底板箱1，后轮3-1固定设置于所述后轮轴3-2，后轮驱动组件包括后轮驱动电机3-3和锥齿轮副，锥齿轮副的主动锥齿轮3-4固接于后轮3-1驱动电机的电机轴3-7，锥齿轮副的从动锥齿轮3-5圆周固定于后轮轴3-2；后轮3-1设置两个，每一后轮3-1均通过一后轮连接杆与后轮轴3-2连接。

[0032] 本实施例中，底板箱1上还设置有用于目标物抓取的机械手6，机械手为双臂机械手，每一机械手均包括机械臂6-1、手腕总成6-2和手爪总成6-3，手爪总成6-3包括手爪座6-3-1和与手爪座6-3-1固接并成夹持状态设置的至少两个手爪6-3-2，每一手爪6-3-2均由至少三个指节依次铰接而成，第一指节6-3-3固接于所述手爪座6-3-1，两相邻指节上设置有用于驱动在后指节绕铰接轴线转动的指节驱动机构，所述指节驱动机构包括指节驱动电机
6-3-4、锥齿轮指节驱动副和直齿轮指节驱动副，所述锥齿轮指节驱动副的主动锥齿轮6-3-
5固接于指节驱动电机的电机轴6-3-9，锥齿轮指节驱动副的从动锥齿轮6-3-6和直齿轮驱动副的主动齿轮6-3-7均圆周固定于相邻指节间的铰接轴6-3-12上，直齿轮指节驱动副的从动齿轮轴6-3-8与在后指节6-3-11固定连接，直齿轮指节驱动副的从动齿轮6-3-10圆周固定于从动齿轮轴并与主动齿轮外啮合；

[0033] 手腕总成6-2包括手腕座6-2-1、手腕齿轮驱动副和手腕驱动电机6-2-2，所述手爪座固定设置于所述手腕座，所述手腕齿轮驱动副包括手腕驱动主动齿轮6-2-3和手腕驱动从动齿轮6-2-4，所述手腕驱动电机的机体固定设置在机械臂上，手腕驱动电机的动力输出轴与手腕齿轮驱动副的主动齿轮轴6-2-5同轴传动连接，其中，手腕齿轮驱动副的主动齿轮轴和从动齿轮轴6-2-6以可绕自身轴线转动的方式设置于机械臂，所述手腕齿轮驱动副的主动齿轮与主动齿轮轴圆周固定，手腕齿轮驱动副的从动齿轮与主动齿轮外啮合，手腕座与手腕齿轮驱动副的从动齿轮轴固定连接。

[0034] 本实施例中，每一机械手的机械臂6-1均包括依次铰接并均可在竖直平面内转动的方式设置的下臂6-1-1、中臂6-1-2和上臂6-1-3，两相邻臂体之间设置有臂驱动装置6-6，所述臂驱动装置6-6包括臂驱动伺服电机6-6-1和臂驱动齿轮副，所述臂驱动伺服电机固接于前一臂体，所述臂驱动齿轮副的主动齿轮轴6-6-6与臂驱动伺服电机传动连接并其上设置有制动器6-6-5，臂驱动齿轮副的从动齿轮6-6-2圆周固定于两相邻臂体间的关节铰接轴上，主动齿轮6-6-3圆周固定于主动齿轮轴，所述关节铰接轴6-6-4与前一臂体转动配合，与后一臂体固定连接；

[0035] 另外，每一机械臂还可在横向平面内圆周转动，机械臂的下臂安装在机械臂安装底盘6-4上，机械臂安装底盘通过底盘驱动组件6-5驱动，所述底盘驱动组件包括底盘驱动电机6-5-1和底盘驱动齿轮副，所述底盘驱动齿轮副的主动齿轮6-5-2与主动齿轮轴6-5-3圆周固定，主动齿轮轴与底盘驱动电机的动力输出轴同轴连接，从动齿轮6-5-4与从动齿轮轴6-5-5圆周固定，且从动齿轮轴上端沿纵向伸出底板箱与底盘固定连接。

[0036] 本实施例中，手爪座6-3-1为正三角形结构，所述手爪6-3-2为分列设置于手爪座6-3-1三边的三个。

[0037] 本实施例中，还包括用于自适应控制机械手工作的自动控制系统，所述自动控制系统至少包括：

[0038] 角位移传感器，设置于下臂和上臂内部，用于检测下臂和上臂俯仰角度；

[0039] 视觉传感器7，设置于手腕总成6-2的上方，用于检测工作环境内物体的空间位置、姿态，并监视机械手的工作状态；视觉传感器主要由一个或者两个图形传感器组成，也可配以光投射器及其他辅助设备，图像传感器可以使用激光扫描器、线阵和面阵CCD摄像机或者TV摄像机，当然也可是数字摄像机；

[0040] 触觉传感器，设置于机械手爪6-3-2内表面，用于主动获取物体更为完整的信息；其中，触觉传感器可为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器；

[0041] 力觉传感器，设置于机械手手爪6-3-2指节的夹持面内部，用于检测每个指节的夹持压力；

[0042] 所述中央处理器还用于接收角位移传感器、视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器的反馈信号，并综合处理存储信息。

[0043] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。