一种软指移物机器人

1.一种软指移物机器人，包括有依次连接的行走机构(1)、动作机构(2)、抓取机构(3)及控制电机运作的控制器，其特征是：所述的行走机构(1)包括有底盘(11)，所述的底盘(11)连接有四个全向轮(12)，所述的全向轮(12)包括有轮盘(12a)和设置在轮盘(12a)上的滚子(12b)组成，所述的滚子(12b)的轴心与轮盘(12a)的轴心垂直；所述的动作机构(2)包括有动作电机(21)以及由所述的动作电机(21)驱动的机械臂组合(22)，所述的抓取机构(3)包括有气缸(32)、软指(31)和抽真空装置，所述的软指(31)为内置硬质颗粒的乳胶套，所述的抽真空装置能对乳胶套内抽真空，所述的气缸(32)与机械臂组合(22)连接且气缸(32)保持铅垂状态；所述的行走机构(1)包括有用于驱动全向轮(12)的全向轮电机(14)，所述的全向轮电机(14)通过联轴器(13)与全向轮(12)传动连接；所述的联轴器(13)通过全向轮电机保持架(15)与底盘(11)连接；所述的全向轮(12)有四个，呈十字形设置在底盘(11)下方，相应地，所述的全向轮电机(14)有四个，所述的联轴器(13)也有四个；所述的机械臂组合(22)包括有相互连接的大臂(22a)和小臂(22b)，相应地，所述的动作电机(21)包括有大臂动作电机(23)和小臂动作电机；所述的大臂动作电机(23)驱动端伸出有大臂动作驱动轴(23a)，所述的大臂动作驱动轴(23a)前端设有动作驱动齿轮(23b)，所述的大臂(22a)后端设有大臂齿轮(25)，所述的驱动齿轮(23b)与大臂齿轮(25)咬合配合，所述的大臂齿轮(25)连接有能使大臂(22a)旋转的大臂传动装置(26)；所述的驱动齿轮(23b)与大臂齿轮(25)轮径比为1:2；所述的小臂(22b)前端与气缸(32)后端通过滑销(24)连接；气缸(32)缸径为25mm，推力为25kg的单杆气缸；所述的气缸(32)向下伸出有伸缩轴(33)，所述的伸缩轴(33)与软指(31)连接；所述的行走机构(1)与动作机构(2)之间通过主体架(4)固定连接；所述的底盘(11)、大臂(22a)及小臂(22b)均为铝材制作，所述的驱动齿轮(23b)与大臂齿轮(25)为铁质齿轮或钢质齿轮；大臂，小臂控制是用两个继电器由NPN达林顿连接晶体管低逻辑电平数字电路控制；软指移物机器人主要的动作体现在机器人整体的位移和物体的抓取，其动作包含了四个全向轮的两对直线运动和四个全向轮的绕底盘中心的旋转运动；抓取物体由乳胶套完成，被抓物品表面尺寸保证在乳胶套原始尺寸的60%，被抓取的物体质量在0.5公斤以内；软指移物机器人的工作原理为将内部装有适量细微硬质颗粒的乳胶套置放于物体上方，利用乳胶套的可塑性，使物体的突出部位嵌入乳胶套中，利用真空发生装置，抽取内部空气，使乳胶套处于固化状态，乳胶套对物体突出部位表面产生挤压，因乳胶套内部装有细微硬质颗粒，在抽取真空后，在颗粒的挤压下，乳胶套表面产生形状不一的、不均匀的斑点，提高了物体与乳胶套之间的摩擦力，使物体被牢牢地挤压在固化乳胶套中；利用全向轮三自由度移动系统控制机器人在平面内移动，使机器人稳定到达指定位置，来抓取和移动物品。

一种软指移物机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机器人的技术领域，尤其是一种软指移物机器人。\n背景技术\n[0002] 机械手的研究一直以来是机器人研究的重点，机械手类型繁多，但仿型手一直是机器人机械手研究的主要方向，机械手的研究多是通过仿形研究，希望能和人手一样，通过多自由度的关节运动设计来达到有较强的抓取物体能力的目的。但因仿形手设计中涉及的关节设计复杂、手指运动控制难度高，因为手指控制的机械特性，抓取异性面适应能力低。\n制造成本较高，制作难度和要求也较高。\n[0003] 我们试图对运动手指抓取物体的机理进行分析，结合美国科学家关于“多功能钳子”功能的机械手臂的设计原理，希望能通过手指结构简化、以柔克刚的模式来设置一款机械手，使机械手通过塑性变形和摩擦来达到对不同异性面的适应和抓取目的。使得机器人研究和应用领域不断发展，不断出现新的动作实现方式，改变机械手设计方法的思路。\n[0004] 基于此，如果能有一款结构简单，控制方便，能像人手一样适应异型面物体抓取的机械手，能很好的弥补现有机械手设计中的不足，也是现有机械手结构类型的丰富。\n[0005] 美国科学家关于“多功能钳子”功能的机械手臂的设计原理，该款机械手臂能利用橡胶表面具有的特殊的吸附能力来夹钳物体，但该款机械手也表现出了诸多问题，如对橡胶套材料要求高，内部填充物要求高，以及抓取物体质量轻等特点。\n发明内容\n[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而提供一种能依靠乳胶套负压来控制的夹紧力和摩擦力，实现物体的抓取、依靠全向轮三自由度移动系统控制机械手平稳到达指定位置，实现物体的移动、大大降低了机械手的设计难度，也提升了机械手抓取异型面的能力的软指移物机器人。\n[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：\n[0008] 一种软指移物机器人，包括有依次连接的行走机构、动作机构、抓取机构及控制电机运作的控制器，其中，行走机构包括有底盘，底盘连接有至少三个全向轮，全向轮包括有轮盘和设置在轮盘上的滚子组成，滚子的轴心与轮盘的轴心垂直，动作机构包括有动作电机以及由动作电机驱动的机械臂组合，抓取机构包括有气缸、软指和抽真空装置，软指为内置硬质颗粒的乳胶套，抽真空装置能对乳胶套内抽真空，气缸与机械臂组合连接且气缸保持铅垂状态。\n[0009] 为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：\n[0010] 上述的行走机构包括有用于驱动全向轮的全向轮电机，全向轮电机通过联轴器与全向轮传动连接；联轴器通过全向轮电机保持架与底盘连接。\n[0011] 上述的全向轮有四个，呈十字形设置在底盘下方，相应地，全向轮电机有四个，联轴器也有四个。\n[0012] 上述的机械臂组合包括有相互连接的大臂和小臂，相应地，动作电机包括有大臂动作电机和小臂动作电机。\n[0013] 上述的大臂动作电机驱动端伸出有大臂动作驱动轴，大臂动作驱动轴前端设有动作驱动齿轮，大臂后端设有大臂齿轮，驱动齿轮与大臂齿轮咬合配合，大臂齿轮连接有能使大臂旋转的大臂传动装置；驱动齿轮与大臂齿轮轮径比为1:2。\n[0014] 上述的小臂前端与气缸后端通过滑销连接。\n[0015] 上述的气缸向下伸出有伸缩轴，伸缩轴与软指连接。\n[0016] 上述的行走机构与动作机构之间通过主体架固定连接。\n[0017] 上述的底盘、大臂及小臂均为铝材制作，驱动齿轮与大臂齿轮为铁质齿轮或钢质齿轮。\n[0018] 与现有技术相比，本发明的一种软指移物机器人，包括有依次连接的行走机构、动作机构、抓取机构及控制电机运作的控制器，其中，行走机构包括有底盘，底盘连接有至少三个全向轮，动作机构包括有动作电机以及由动作电机驱动的机械臂组合，抓取机构包括有气缸、软指和抽真空装置，软指为内置硬质颗粒的乳胶套，抽真空装置能对乳胶套内抽真空，气缸与机械臂组合连接且气缸保持铅垂状态。软指移物机器人主要实现异型面物体的抓取、升降和移动。可以适应不同形状表面物体的抓取，而且对被抓取物体表面不产生挤压伤害。利用全向轮三自由度移动系统实现对机器人的行动控制，使机器人按要求平稳的移动到指定位置。\n[0019] 本发明具有能依靠乳胶套负压来控制的夹紧力和摩擦力，实现物体的抓取、依靠全向轮三自由度移动系统控制机械手平稳到达指定位置，实现物体的移动、大大降低了机械手的设计难度，也提升了机械手抓取异型面的能力的优点。\n附图说明\n[0020] 图1是本发明实施例的结构示意图；\n[0021] 图2是图1的左视图；\n[0022] 图3是图1的俯视图。\n具体实施方式\n[0023] 以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。\n[0024] 图1至图3所示为本发明的结构示意图。\n[0025] 其中的附图标记为：行走机构1、底盘11、全向轮12、轮盘12a、滚子12b、联轴器\n13、全向轮电机14、全向轮电机保持架15、动作机构2、动作电机21、机械臂组合22、大臂\n22a、小臂22b、大臂动作电机23、大臂动作驱动轴23a、动作驱动齿轮23b、滑销24、大臂齿轮\n25、大臂传动装置26、抓取机构3、软指31、气缸32、伸缩轴33、主体架4。\n[0026] 如图1至图3所示，\n[0027] 本发明的一种软指移物机器人，包括有依次连接的行走机构1、动作机构2、抓取机构3及控制电机运作的控制器，其中，行走机构1包括有底盘11，底盘11连接有至少三个全向轮12，全向轮12包括有轮盘12a和设置在轮盘12a上的滚子12b组成，滚子12b的轴心与轮盘12a的轴心垂直。动作机构2包括有动作电机21以及由动作电机21驱动的机械臂组合22，抓取机构3包括有气缸32、软指31和抽真空装置，软指31为内置硬质颗粒的乳胶套，抽真空装置能对乳胶套内抽真空，气缸32与机械臂组合22连接且气缸32保持铅垂状态。\n[0028] 实施例中，行走机构1包括有用于驱动全向轮12的全向轮电机14，全向轮电机14通过联轴器13与全向轮12传动连接；联轴器13通过全向轮电机保持架15与底盘11连接。\n[0029] 实施例中，全向轮12有四个，呈十字形设置在底盘11下方，相应地，全向轮电机14有四个，联轴器13也有四个。\n[0030] 实施例中，机械臂组合22包括有相互连接的大臂22a和小臂22b，相应地，动作电机21包括有大臂动作电机23和小臂动作电机。\n[0031] 实施例中，大臂动作电机23驱动端伸出有大臂动作驱动轴23a，大臂动作驱动轴\n23a前端设有动作驱动齿轮23b，大臂22a后端设有大臂齿轮25，驱动齿轮23b与大臂齿轮\n25咬合配合，大臂齿轮25连接有能使大臂22a旋转的大臂传动装置26；驱动齿轮23b与大臂齿轮25轮径比为1:2。\n[0032] 实施例中，小臂22b前端与气缸32后端通过滑销24连接。这种滑销24可以使小臂22b与气缸32连接处摩擦很小，相当于气缸32“挂”在小臂22b上，因此，气缸32可以保持铅垂状态。\n[0033] 实施例中，气缸32向下伸出有伸缩轴33，伸缩轴33与软指31连接。伸缩轴33可以伸缩，在机器人进行夹物品时，对伸缩轴33进行调节，方便软指靠近或远离物品。\n[0034] 全向轮12包括有轮盘12a和设置在轮盘12a上的滚子12b组成，滚子12b的轴心与轮盘12a的轴心垂直。本发明的全向轮12不管向哪个方向走，均能做到不用转身，轮盘\n12a和滚子12b的组合使得机器人不管前后运动还是左右运动均非常方便。\n[0035] 实施例中，行走机构1与动作机构2之间通过主体架4固定连接。\n[0036] 实施例中，底盘11、大臂22a及小臂22b均为铝材制作，驱动齿轮23b与大臂齿轮\n25为铁质齿轮或钢质齿轮。为降低各电机功耗，能采用质量轻便的铝材的结构均采用铝材，驱动齿轮23b与大臂齿轮25为传送扭矩的关键部件，因此采用硬度和耐磨度都很好的铁或者钢。\n[0037] 软指移物机器人主要实现异型面物体的抓取、升降和移动。可以适应不同形状表面物体的抓取，而且对被抓取物体表面不产生挤压伤害。利用全向轮三自由度移动系统实现对机器人的行动控制，使机器人按要求平稳的移动到指定位置。\n[0038] 软指设计原理：\n[0039] 人的手指抓物体时，是利用手指关节的灵活性，依靠手指对物体表面挤压而产生的摩擦力抓住物体的。在手指挤压力不变的状态下，物体与手指接触面的粗糙度越大，所能抓取的物体的重量也越大；反之所能抓取物品的重量也越小。如在生活中，人们如果在手指上擦上肥皂，抓物品时因摩擦力下降，抓取力也相应下降。根据这个原理我们设计了这个软指，其基本工作原理：将内部装有适量细微硬质颗粒的乳胶套置放于物体上方，利用乳胶套的可塑性，使物体的突出部位嵌入乳胶套中，利用真空发生装置，抽取内部空气，使乳胶套处于固化状态，乳胶套对物体突出部位表面产生挤压，因乳胶套内部装有细微硬质颗粒，在抽取真空后，在颗粒的挤压下，乳胶套表面产生形状不一的、不均匀的斑点，提高了物体与乳胶套之间的摩擦力，使物体被牢牢地挤压在固化乳胶套中。\n[0040] 动力总体设计\n[0041] 软指移物机器人主要实现制定机器人在确定位置抓取物体，主要的动作体现在机器人整体的位移和物体的抓取，其动作包含了四个全向轮的两对直线运动和四个全向轮的绕底盘中心的旋转运动，机械臂的上下运动，抓取物体时的挤压运动和乳胶套内部真空抽取等。因动作均是非关联的，故在动力分配上采取了独立电机分配。\n[0042] 四个全向轮分别由四个电机控制，大小臂根据自身受力和运动特征采用独立驱动。软指抓取物体时，软指对物体的挤压动作用气缸进行控制。\n[0043] 电机的选择与大臂运动分析：\n[0044] 1）大臂驱动电机的选择：\n[0045] 铝的密度是2.7x10^3千克/立方米，通过UG软件的计算，计算得出施加在力臂最前端的作用力为：F=4.95KG。电机最大负载时，电机扭矩：T=5kg*55.2cm=276kg/cm，电压\n12V,转速36r/min。\n[0046] 考虑到机器人还要对物体进行夹取，因此我们选用了扭矩200kg/cm的涡轮蜗杆电机，经过1:2的齿轮变速后，电机扭矩提高到400kg/cm。\n[0047] 2）小臂驱动电机的选择：\n[0048] 电机最大负载时所需的扭矩T=3kg*135mm=405kg/mm=40.5kg/cm，选用的电机扭矩为30kg/cm，电压12v，转速14r/min。经过1：2齿轮放大后为60kg/cm已符合要求。\n[0049] 气缸的选择：\n[0050] 气缸在整个控制中起到带动软指对被抓取物体施加压力的动作控制，气缸一端与小臂相连，另一端与软指相连。通过多次实物实验得出，气缸在工作中的速度控制、力度控制和稳定性对物体抓取能力具有重要影响。通过实验得出要让机械手将所要抓取的物体包裹到一定程度，才能将物体夹起，所需要的推力大约为25kg选择气缸缸径为25mm的单杆气缸。\n[0051] 操控设计选择：\n[0052] 1.整车的控制包括：车轮电机的启动、停止、正转、反转；机器人手臂控制包括：电机的正转，反转。\n[0053] 2.电机控制方式选择：由于线控的方式易于控制且有很好的稳定性，具有受外界干扰少，成本低等优点。\n[0054] 3.遥控器的方式的选择：首先，我们考虑的是开关的选择，我们考虑过三种开关：\n点动开关，微动开关和拨动式开关。从按钮的舒适度来讲，点动式开关按起来比较舒服，也比较灵活，所以我们选择了点动开关。\n[0055] 电机控制设计：\n[0056] 摇杆电位器控制：由三个电位器组成，中间电位器控制整体机器人的原地右转，左转，另外一个电位器控制向左，向右，最后个电位器控制向前，向后。\n[0057] 大臂，小臂控制：是用两个继电器由NPN达林顿连接晶体管低逻辑电平数字电路控制。\n[0058] 全向轮电机控制：由电机驱动模块Y-2389控制，模块是由两块BTN7970B和LS244芯片组成，驱动是由TTL电平，由五个端口电源+5VGND正转IN1反转IN2使能en输出Vcc和GND，out1和out2组成。\n[0059] 工作原理：将内部装有适量细微硬质颗粒的乳胶套置放于物体上方，利用乳胶套的可塑性，使物体的突出部位嵌入乳胶套中，利用真空发生装置，抽取内部空气，使乳胶套处于固化状态，乳胶套对物体突出部位表面产生挤压，因乳胶套内部装有细微硬质颗粒，在抽取真空后，在颗粒的挤压下，乳胶套表面产生形状不一的、不均匀的斑点，提高了物体与乳胶套之间的摩擦力，使物体被牢牢地挤压在固化乳胶套中。利用全向轮三自由度移动系统控制机器人在平面内移动，使机器人稳定到达指定位置，来抓取和移动物品。\n[0060] 性能指标：抓取物体有乳胶套完成，乳胶套在抓取物品使，由于受到外力挤压，与被抓物品的挤压面发生变形，接触处的直径变大，为保证抓取质量，直径尺寸的变化一般在原始直径的1.8倍以内。所以，针对不同尺寸的软指，其被抓物体接触面尺寸有所限制，根据实验表明，被抓物品表面尺寸保证在乳胶套原始尺寸的60%，抓取物体的效果良好。由于物体抓取是靠乳胶套和物体被抓取表面之间的摩擦力来实现的，根据实验表明，要实现物体顺利抓取，被抓取的物体质量在0.5公斤以内。\n[0061] 创新点及应用\n[0062] 1）适应异型面的抓取，提升机器人的抓取能力。\n[0063] 2）机械手臂采用悬挂状态，保证气缸始终保持铅垂，有利抓取物体时的稳定性。\n[0064] 3）移动系统采用全向轮三自由度结构，保证机器人在移动过程中的稳定性，也可以保证在物体抓取时，机器人在受到被抓物体反作用力的状态下保持平衡。\n[0065] 软指移物机器人可以应用与日常生活中，如玩具整理和收集、工具的抓取和移动以及作为其他家庭装备的辅助装置。\n[0066] 本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。