本實用新型涉及一種移動雙臂機器人，尤其是一種能夠進行視覺引導的具有全向運動能力的移動雙臂機器人。

背景技術(shù)：

移動機器人因其運動靈活、工作空間大在工程領(lǐng)域備受青睞，按移動特性可分為非全向和全向兩種。非全向輪式移動機器人結(jié)構(gòu)簡單、運動控制方便，已經(jīng)廣泛的應用工業(yè)各個領(lǐng)域。然而隨著移動機器人應用范圍的不斷擴大，對于工作空間狹窄以及機動性要求高的場合，非全向輪式移動機器人已經(jīng)很難滿足要求。全向移動機器人是一種滿足完整約束條件，并具有平面內(nèi)三個自由度的機器人。與非全向輪式移動機器人相比，全向移動機器人可以在保持車體姿態(tài)不變的情況下，從當前位置向工作平面上的任意位置和方向運動。它能夠通過狹窄的通道、直角彎道，能夠在需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的場合進行自身位姿的細微調(diào)整。此外，全向移動機器人擺脫了轉(zhuǎn)彎半徑的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)零曲率半徑運動。然而，全向移動機器人并不能像機械操作臂一樣進行復雜的操作任務，這也就限制了其應用范圍。

機械操作臂具有工作效率高，重復精度好，功能強大等優(yōu)點，因而被廣泛應用到了生產(chǎn)加工、服務運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域。但由于固定在操作臺上的操作臂的工作空間十分有限，極大地制約了機械操作臂功能的拓展。雖然專利“超冗余全方位移動操作臂”(專利號CN101428420)中提出了在全向移動機器人上加上單個機械臂，提高了機器人的性能，但是對于需要協(xié)調(diào)操作、復雜精密的操作任務依然很難勝任。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種視覺引導的全向移動雙臂機器人。

本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種視覺引導的全向移動雙臂機器人，包含車體、上位機、支撐骨架、深度攝像頭、第一至第四超聲波傳感器模塊、以及第一至第二機械臂；

所述上位機和支撐骨架均固定在車體上；所述深度攝像頭、第一至第二機械臂均設(shè)置在支撐骨架上；

所述深度攝像頭和所述上位機電氣相連，用于拍攝全向移動雙臂機器人正面的圖像并將其傳遞給所述上位機；

所述車體包含底盤、車蓋、第一至第四直流電機、第一至第四電機驅(qū)動模塊、第一至第四聯(lián)軸器、第一至第四全向輪、下位機和藍牙模塊；

所述第一至第四直流電機均固定在底盤上，其輸出軸分別通過第一至第四聯(lián)軸器與第一至第一至第四全向輪的輸入軸對應相連；

所述第一至第四直流驅(qū)動模塊分別和第一至第四直流電機對應相連，用于驅(qū)動其對應的直流電機；

所述車蓋設(shè)置在底盤上、呈長方體；

所述第一至第四超聲波傳感器模塊分別對應設(shè)置在車蓋的四個側(cè)面上，用于測量車蓋四個側(cè)面和障礙物之間的距離；

所述藍牙模塊和所述上位機基于無線通信；

所述下位機分別和第一至第四電機驅(qū)動模塊、第一至第四超聲波傳感器模塊、第一至第二機械臂、藍牙模塊電氣相連，用于將第一至第四超聲波傳感器模塊的感應數(shù)據(jù)傳遞給所述上位機、并根據(jù)接收到的上位機的控制命令控制第一至第四電機驅(qū)動模塊以及第一至第二機械臂工作；

所述上位機用于根據(jù)深度攝像頭拍攝的圖像、第一至第四超聲波傳感器模塊的感應數(shù)據(jù)、以及外部輸入的工作指令發(fā)送控制命令給所述下位機。

作為本實用新型一種視覺引導的全向移動雙臂機器人進一步的優(yōu)化方案，所述第一至第二機械臂均包含三個用于控制機械臂運動方向的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元和一個機械手爪；其中，所述機械手爪通過三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元和所述固定骨架連接；所述三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元、機械手爪均和所述下位機電氣相連。

作為本實用新型一種視覺引導的全向移動雙臂機器人進一步的優(yōu)化方案，所述機械手爪的夾持面上設(shè)有和所述下位機電氣相連的觸覺傳感器。

作為本實用新型一種視覺引導的全向移動雙臂機器人進一步的優(yōu)化方案，所述底盤包含前底盤和后底盤，所述前底盤和后底盤之間通過連接軸固連；

所述第一至第二直流電機設(shè)置在前底盤上，第三至第四直流電機設(shè)置在后底盤上；

所述后底盤上設(shè)有四根支撐柱，所述車蓋通過螺栓與所述四根支撐柱的頂端固連。

作為本實用新型一種視覺引導的全向移動雙臂機器人進一步的優(yōu)化方案，所述第一至第四超聲波傳感器模塊均包含超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元；

所述車蓋的四個側(cè)面上均設(shè)有兩個安裝有橡膠套的孔洞；

所述第一至第四超聲波傳感器模塊的超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元分別對應設(shè)置在車蓋四個側(cè)面的孔洞中。

本實用新型還公開了基于該視覺引導的全向移動雙臂機器人的全向控制方法，包含以下步驟：

以底盤中心為原點、前進方向為X軸、X軸的順時針方向90度為Y軸建立坐標系，得到底盤的正向運動學方程：

式中，為底盤在坐標系下的位姿矢量，v_x為底盤在X軸的速度、v_y為底盤在Y軸的速度，ω_z為底盤在坐標系下的旋轉(zhuǎn)角速度，為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪在該坐標系下的角速度矢量，J為底盤速度與輪子轉(zhuǎn)速之間的映射雅克比矩陣，l₁和l₂分別為輪轂軸心與O點的橫向和縱向距離，R為輪子半徑，逆時針轉(zhuǎn)動為正方向；

若使機器人向X方向運動，控制且機器人的速度為v_y＝0，ω_z＝0；

若使機器人向Y方向運動，控制且機器人的速度為v_x＝0，ω_z＝0；

若使機器人原地旋轉(zhuǎn)，控制且機器人的速度為v_x＝0，v_y＝0，

本實用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本實用新型視覺引導的全向移動雙臂機器人集視覺、觸覺及測距等多傳感器于一體，具有與人類似的靈敏的外界環(huán)境感知能力，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向的平動以及任意半徑的轉(zhuǎn)動，而且通過雙臂的相互協(xié)調(diào)配合，能夠較好地完成復雜環(huán)境下的避障、自主導航、柔性化裝配等任務要求，從而更好地增大了機器人的工作空間范圍，提高了其靈活性。此外，深度攝像頭能夠捕捉人體手臂動作來控制機械臂的運動，進行示教，同時還能采集環(huán)境圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建點云地圖從而進行視覺導航。

附圖說明

圖1為本實用新型視覺引導的全向移動雙臂機器人位于初始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型中車蓋部件在拆裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型中不含車蓋的車體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型視覺引導的全向移動雙臂機器人位于工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型視覺引導的全向移動雙臂機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本實用新型中底盤的坐標系統(tǒng)。

圖中，1-車體，2-上位機，3-支撐骨架，4-深度攝像頭，5-機械臂，6-車蓋，7-車蓋，8-橡膠套，9-超聲波傳感器模塊，10-安裝孔，11-底盤，12-直流電機，13-聯(lián)軸器，14-后底盤，15-連接軸，16-前底盤，17-全向輪，18-電機驅(qū)動模塊，19-下位機，20-藍牙模塊，21-支撐柱，22-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元，23-機械手爪。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1至圖4所示，本實用新型公開了一種視覺引導的全向移動雙臂機器人，包含車體、上位機、支撐骨架、深度攝像頭、第一至第四超聲波傳感器模塊、以及第一至第二機械臂；

所述上位機和支撐骨架均固定在車體上；所述深度攝像頭、第一至第二機械臂均設(shè)置在支撐骨架上；

所述深度攝像頭和所述上位機電氣相連，用于拍攝全向移動雙臂機器人正面的圖像并將其傳遞給所述上位機；

所述車體包含底盤、車蓋、第一至第四直流電機、第一至第四電機驅(qū)動模塊、第一至第四聯(lián)軸器、第一至第四全向輪、下位機和藍牙模塊；

所述第一至第四直流電機均固定在底盤上，其輸出軸分別通過第一至第四聯(lián)軸器與第一至第一至第四全向輪的輸入軸對應相連；

所述第一至第四直流驅(qū)動模塊分別和第一至第四直流電機對應相連，用于驅(qū)動其對應的直流電機；

所述車蓋設(shè)置在底盤上、呈長方體；

所述第一至第四超聲波傳感器模塊分別對應設(shè)置在車蓋的四個側(cè)面上，用于測量車蓋四個側(cè)面和障礙物之間的距離；

所述藍牙模塊和所述上位機基于無線通信；

所述下位機分別和第一至第四電機驅(qū)動模塊、第一至第四超聲波傳感器模塊、第一至第二機械臂、藍牙模塊電氣相連，用于將第一至第四超聲波傳感器模塊的感應數(shù)據(jù)傳遞給所述上位機、并根據(jù)接收到的上位機的控制命令控制第一至第四電機驅(qū)動模塊以及第一至第二機械臂工作；

所述上位機用于根據(jù)深度攝像頭拍攝的圖像、第一至第四超聲波傳感器模塊的感應數(shù)據(jù)、以及外部輸入的工作指令發(fā)送控制命令給所述下位機。

所述第一至第二機械臂均包含三個用于控制機械臂運動方向的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元和一個機械手爪；其中，所述機械手爪通過三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元和所述固定骨架連接；所述三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元、機械手爪均和所述下位機電氣相連。

所述機械手爪的夾持面上設(shè)有和所述下位機電氣相連的觸覺傳感器。

所述底盤包含前底盤和后底盤，所述前底盤和后底盤之間通過連接軸固連；

所述第一至第二直流電機設(shè)置在前底盤上，第三至第四直流電機設(shè)置在后底盤上；

所述后底盤上設(shè)有四根支撐柱，所述車蓋通過螺栓與所述四根支撐柱的頂端固連。

所述第一至第四超聲波傳感器模塊均包含超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元；

所述車蓋的四個側(cè)面上均設(shè)有兩個安裝有橡膠套的孔洞；

所述第一至第四超聲波傳感器模塊的超聲波發(fā)射單元和超聲波接收單元分別對應設(shè)置在車蓋四個側(cè)面的孔洞中。

如圖5所示的視覺引導的全向移動雙臂機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，下位機分別與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元、藍牙模塊、超聲波傳感器模塊以及電機驅(qū)動模塊通過端口導線連接，并均由所述下位機發(fā)送控制指令，實現(xiàn)相應的功能；其中，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元通過自身旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動機械臂運動；所述電機驅(qū)動模塊用來驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動；所述超聲波傳感器模塊用來實時探測環(huán)境障礙物到自身的距離；所述藍牙模塊用于傳遞感應數(shù)據(jù)和接收上位機發(fā)送的控制指令；深度攝像頭通過自身攜帶的信號線與上位機的USB端口連接通訊，并由上位機控制其實現(xiàn)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)的獲取。

為了控制全向移動雙臂機器人進行全方位移動，需要對車體進行運動學分析。以底盤中心為原點、前進方向為X軸、X軸的順時針方向為Y軸90度建立如圖6所示的底盤的坐標系統(tǒng)，通過對機器人的輪子轉(zhuǎn)速和車體速度之間關(guān)系進行分析，可得到底盤的正向運動學方程如下：

式中：為底盤在坐標系下的位姿矢量，v_x為底盤在X軸的速度、v_y為底盤在Y軸的速度，ω_z為底盤在坐標系下的旋轉(zhuǎn)角速度，為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪在該坐標系下的角速度矢量，J為底盤速度與輪子轉(zhuǎn)速之間的映射雅克比矩陣，l₁和l₂分別為輪轂軸心與O點的橫向和縱向距離，R為輪子半徑，逆時針轉(zhuǎn)動為正方向。

由于雅克比矩陣J的秩Rank(J)＝3，故MWSR不存在奇異位形，利用廣義逆運算即可求得逆向運動學方程。由式(1)可知，若使機器人向X方向運動，則應滿足且機器人的速度為v_y＝0，ω_z＝0；若使機器人向Y方向運動，應滿足且機器人的速度為v_x＝0，ω_z＝0；若使機器人原地旋轉(zhuǎn)，應滿足且機器人的速度為v_x＝0，v_y＝0，

在移動過程中，超聲波傳感器模塊會實時探測環(huán)境障礙物到自身的距離并給予反饋，同時深度攝像頭也會采集環(huán)境圖像點云數(shù)據(jù)，由上位機進行三維重構(gòu)，再對目標進行識別，根據(jù)識別的物體類型來引導機器人進行移動、抓取或雙臂協(xié)同操作等。在本實施方式中，當探測到前方是障礙物并小于安全距離時，下位機會發(fā)送控制指令，使圖6中的左前輪和右后輪順時針轉(zhuǎn)動，而右前輪和左后輪逆時針轉(zhuǎn)動，這樣驅(qū)動機器人向后移動達到安全區(qū)域，或者左前輪和左后輪逆時針轉(zhuǎn)動，右前輪和右后輪順時針轉(zhuǎn)動，使得機器人原地轉(zhuǎn)向朝其他安全區(qū)域移動等等，在實際運動過程中，不局限與上述運動方式，而是根據(jù)環(huán)境的復雜程度，選擇運動量最少的運動方向；而當探測到前方是目標物體時，下位機會發(fā)送控制指令，控制旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元驅(qū)動機械臂運動，并通過機械手爪進行抓取目標操作，對于需要協(xié)調(diào)操作的任務，也可控制兩個機械臂同時操作。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包含技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本實用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。