[发明专利]一种基于视觉系统的全向移动机械臂

说明书

本发明公开了一种基于视觉系统的全向移动机械臂，包括终端设备、重力加速度传感器模块、wifi模块、视频采集模块、机械臂及移动小车。与普通机械手相比，本发明最大的不同在于移动小车和机械手的操控方式。本发明可以通过如鼠标和手势控制来控制小车的移动，重力加速度传感器模块感应人对手机的操作动作，将这些动作转换成控制命令，经过无线数据传输的方式对机械手远程操作与控制，并且可以实时返回视频信号，监测机械臂周围环境。

技术领域

本发明属于工程器械，智能机器人领域，可在一些危险的(比如矿井，危险化学品容器内)、不适宜人体的环境(高温、严寒)，以及人体无法进入的狭小空间内(比如管道)，用机械装置取代人进行作业。

背景技术

目前国内外对机械臂的研究很多都是靠机器人的自主化对其进行控制，应该说这样的研究在国内外已经发展到一定的阶段。在“美伊”战争中，美国派出一批可侦查的高度智能机器人，由于完全由机器人“自作主张”，对一些并非可疑的对象进行袭击，一个月后便被全部撤回。可见，完全的由机器人自主运行，还达不到最佳的效果。虽然对于机械手的研究已经不是一个全新的课题，但是对其操作监控的准确性、实用性及现代化依然是我们不断探索的问题，人与机器人之间的互动问题变得越来越重要，如何规划人机结合成为实现人机共存的重要一步。

发明内容

本发明的目的是解决人类在恶劣环境下无法渗入情况下，只能依靠机械臂来完成作业任务，通过改进传统的遥控控制机器的方式，更多是通过人机互动方式对机器臂进行操控，如鼠标控制，手势控制等。同时，赋予机械臂机器视觉，通过算法处理机械臂在移动过程中的图像数据，使之具有智能避障，智能路径规划等功能，让机械臂像人一样具备思考与决策的能力。

如图1所示的本发明全向移动机械臂整个系统的原理框图，所述全向移动机械臂包括终端设备、重力加速度传感器模块、wifi模块、视频采集模块、机械臂机构及移动小车。

发明的创意在于一些危险的(比如矿井，危险化学品容器内)、不适宜人体的环境(高温、严寒)，以及人体无法进入的狭小空间内(比如管道)，用机械装置取代人进行作业是必要的。本系统与普通机械手相比，最大的不同在于移动小车和机械手的操控方式。本发明通过鼠标来控制小车的移动，重力加速度传感器感应人对手机的操作动作，将这些动作转换成控制命令，经过无线数据传输的方式对机械手远程操作与控制，并且可以实时返回视频信号，监测机械臂周围环境，顺利实现避障和路径规划。

本发明包括系统设计与软件设计两个部分，其中系统设计有包含机械结构设计与全向轮移动机器人运动数学模型、运动路径规划、硬件电路设计。软件设计包括全向移动小车运动控制程序的设计、机械臂运动控制程序的设计和android应用程序的设计三部分。具体设计如下面所述：

机械结构设计

机械结构设计包括全向轮移动平台设计、机械臂设计、抓取装置设计，并通过激光切割、3D打印等设备加工。

全向移动结构设计

本发明采用全向轮式移动机构，是采用独特设计三个全向轮组成的具有完整约束(即不含不可积的运动约束)的行走机构，采用这种机构的机器人在瞬时运动时不受约束，因此可以克服传统的双轮差动机构相对于轮面垂直运动时必须先转向的缺点，以实现平面上任意方向的瞬时运动。

机械臂结构设计

机械臂采用三自由度，实现移动空间范围内的上下、前后、水平旋转运动。机械臂的结构不同于传统设计，伺服电机并不是安装在各个关节处，通过设计结构的创新将三个伺服电机全部安装在机械臂底部，降低了机械臂的重心，提高了运动的灵活，减小成本，增大了机械臂的抓取负载能力。

机械爪结构设计

采用一个伺服电机驱动一个齿轮组，闭合时，齿轮组向内转动，打开时，齿轮组向外转动，控制机械爪的抓取动作。

全向轮移动机器人运动数学模型