一种仿人双臂机器人及其拟人协作路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种仿人双臂机器人及其拟人协作路径规划方法，涉及双臂协作机器人领域，其特征在于，包括头部模块、双机械臂和躯干，其中，所述头部模块包括双目立体视觉组件、两自由度颈部和中心板；所述双目立体视觉组件包括第一驱动结构、第二驱动结构、眼眶和眼球，所述第一驱动结构用于驱动所述眼球的左右运动，所述第二驱动结构用于驱动所述眼眶做仰俯运动；所述两自由度颈部能驱动所述中心板做往复圆周运动和头部俯仰运动。本发明专利技术的仿人双臂机器人更像人类的双眼和颈部，兼顾了协作路径自主化和拟人化，更容易确定物体的三维轮廓并实时调整视野，进而确保双臂动作精准，拓展了在教育、陪护、助老助残等场景应用潜力。助老助残等场景应用潜力。助老助残等场景应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种仿人双臂机器人及其拟人协作路径规划方法


[0001]本专利技术涉及双臂协作机器人领域，尤其涉及一种仿人双臂机器人及其拟人协作路径规划方法。

技术介绍

[0002]协作机器人技术近年来发展迅速，相比传统的工业机器人，协作机器人部署过程简单、灵活小巧且成本低，广泛应用于工业自动化、养老助残、家庭服务等场景。随着我国人口老龄化的加剧和劳动力成本的逐年攀升，协作机器人在商场、医疗、探险及特殊环境中的应用前景也越来越广阔。与单臂机器人相比，双臂协作机器人不是机械臂数量上的简单叠加，而是通过双臂互相协调配合完成更加复杂、灵活和精细的操作。
[0003]双臂协作机器人的关键点在于“协作”，体现在双臂之间的位姿和力约束关系。双臂机器人协作的控制程序较为复杂，繁琐的编程增加了用户的使用负担。此外，现有的双臂协作机器人通常应用在与人类隔离的场景，在形态的拟人化和操作行为的拟人化方面有所欠缺。在需求日益增长的教育、陪护场景中，双臂协作机器人应尽可能的逼近人类的形态和行为。因此，理想的双臂协作机器人在人类的生活环境中，不仅需要完成特定的操作任务，还要能够呈现拟人化的行为。以上需求仅靠传统的视觉传感器和基于模型的操作规划方法是难以实现的。例如，传统的视觉仅能提供环境和目标位置信息，为双臂机器人的动作决策提供依据，但如何生成抓取复杂物体的拟人姿态和路径仍存在很大挑战。
[0004]本专利技术要解决的问题是如何提供一种仿人双臂机器人的拟人协作路径规划方法，兼顾双臂协作机器人的自主化和拟人化。因此，本领域的技术人员致力于开发一种仿人双臂机器人及其拟人协作路径规划方法，通过仿人的外观、手臂关节自由度配置、头部构造及立体双目视觉模拟人类的形态，赋予仿人双臂机器人目标物属性识别与跟踪、手眼协调、拟人抓取路径规划与双臂协作等功能，最终实现拟人的双臂协作与操作行为。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是通过仿人的外观、手臂关节自由度配置、头部构造及立体双目视觉模拟人类的形态，赋予仿人双臂机器人目标物属性识别与跟踪、手眼协调、拟人抓取路径规划与双臂协作等功能，最终实现拟人的双臂协作与操作行为。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种仿人双臂机器人，其特征在于，包括头部模块、双机械臂和躯干，其中，所述头部模块包括双目立体视觉组件、两自由度颈部和中心板；所述双目立体视觉组件包括第一驱动结构、第二驱动结构、眼眶和眼球，所述第一驱动结构与所述中心板相连，所述第一驱动结构用于驱动所述眼球的左右运动，所述第二驱动结构与所述中心板相连，所述第二驱动结构用于驱动所述眼眶做仰俯运动；所述头部模块通过所述两自由度颈部与所述躯干相连，所述两自由度颈部与所述中心板相连，所述两自由度颈部能驱动所述中心板做往复圆周运动和头部俯仰运动，所述双机械臂与所述躯干相连。
[0007]进一步地，所述眼球为仿人眼，所述眼球数量为2个，所述双目立体视觉组件还包括眼眶支架，所述眼眶支架与所述中心板和所述眼眶相连，所述第一驱动结构包括2个第一直线电机、第一安装板、第一固定板，所述第一直线电机安装在所述第一安装板上，由所述第一固定板固定，所述眼眶与所述第一安装板相连，2个所述第一直线电机分别驱动2个所述眼球的左右运动。
[0008]进一步地，所述第一驱动结构还包括第一直线电机连接件和第一连杆，所述第一直线电机连接件与所述第一直线电机的电机轴相连，所述第一直线电机连接件与所述眼球通过所述第一连杆相连。
[0009]进一步地，所述第二驱动结构包括第二直线电机、第二直线电机连接件、第二连杆、异形连杆、第二安装板和第二固定板，所述第二直线电机固定在第二安装板上，所述第二直线电机由所述第二固定板固定在中心板上，所述第二直线电机连接件与所述第二直线电机的电机轴相连，所述第二直线电机连接件通过所述第二连杆与所述异形连杆相连，所述异形连杆与所述第一安装板相连，所述第二直线电机用于驱动所述眼眶做仰俯运动。
[0010]进一步地，所述两自由度颈部包括双轴舵机、双轴轴盘连接件、舵机中心板连接件和双轴舵机座，所述双轴舵机安装在所述双轴舵机座上，所述双轴舵机与所述双轴轴盘连接件相连，所述双轴轴盘连接件通过所述舵机中心板连接件与所述中心板相连，所述双轴舵机驱动所述中心板做头部俯仰运动。
[0011]进一步地，所述两自由度颈部还包括单轴舵机、单轴舵机座，所述单轴舵机座与所述躯干相连，所述单轴舵机安装在所述单轴舵机座上，所述双轴舵机座与所述单轴舵机相连，所述单轴舵机驱动所述中心板做往复圆周运动。
[0012]进一步地，所述双机械臂包括左肩关节、右肩关节、左肘关节、右肘关节、左五指灵巧手和右五指灵巧手，所述双机械臂通过所述左肩关节和所述右肩关节与所述躯干相连。
[0013]进一步地，所述头部模块还包括外壳支撑件，所述外壳支撑件安装在所述中心板上。
[0014]进一步地，所述头部模块还包括外壳，所述外壳包括前部外壳和后部外壳，所述前部外壳与所述外壳支撑件和所述中心板相连，所述后部外壳与所述前部外壳连接安装。
[0015]本专利技术还涉及一种操作仿人双臂机器人的拟人协作路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0016]步骤1、采集日常活动中人体双臂协作的运动轨迹数据集；
[0017]步骤2、通过对所述运动轨迹数据集的聚类分析，规划出不同操作任务对应的自然平滑的拟人协作路径模型；
[0018]步骤3、通过双目立体视觉组件的两个仿人眼采集环境及目标物的图像信息并计算三维几何信息，并实时跟踪左五指灵巧手和右五指灵巧手的空间位姿，建立手眼关系模型；
[0019]步骤4、根据所述手眼关系模型确认机械臂手部的起始点和操作任务的终点，通过匹配所述拟人协作路径模型，预测最优的拟人协作路径，所述最优的拟人协作路径是根据所述目标物的几何属性与空间位置，同时对多个抓取手势和机械臂的运动轨迹进行联合规划，在线选择的机械臂的轨迹和抓取手势。
[0020]在本专利技术的较佳实施方式中，通过仿人双臂机器人本体和双臂机器人拟人协作路
径规划方法实现；所述仿人双臂机器人本体包括头部模块、双机械臂和躯干；头部模块由双目立体视觉组件、两自由度颈部、外壳连接结构、中心板和外壳组成；双机械臂包括左肩关节、右肩关节、左肘关节、右肘关节、左五指灵巧手和右五指灵巧手。
[0021]双目立体视觉组件由二种直线电机、二种安装板和对应的固定板、二种连杆、一个电机连接件、一个异形连杆、二种小连杆、眼球、眼眶和眼眶支架组成；将二个第一直线电机安装在第一安装板上，由第一固定板固定；电机连接件连接第一电机轴和第一连杆，第一连杆连接眼球的第一连杆安装孔，将眼球安装在眼眶上，再将眼眶安装在眼眶支架上，眼眶支架安装在中心板上，由第一直线电机驱动单个眼球的左右运动，同时控制两个第一直线电机，实现眼球同步运动。
[0022]双目立体视觉组件的第二直线电机固定在第二安装板上，由第二固定板固定在中心板上，电机连接件安装在第二电机轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿人双臂机器人，其特征在于，包括头部模块、双机械臂和躯干，其中，所述头部模块包括双目立体视觉组件、两自由度颈部和中心板；所述双目立体视觉组件包括第一驱动结构、第二驱动结构、眼眶和眼球，所述第一驱动结构与所述中心板相连，所述第一驱动结构用于驱动所述眼球的左右运动，所述第二驱动结构与所述中心板相连，所述第二驱动结构用于驱动所述眼眶做仰俯运动；所述头部模块通过所述两自由度颈部与所述躯干相连，所述两自由度颈部与所述中心板相连，所述两自由度颈部能驱动所述中心板做往复圆周运动和头部俯仰运动，所述双机械臂与所述躯干相连。2.如权利要求1所述的一种仿人双臂机器人，其特征在于，所述眼球为仿人眼，所述眼球数量为2个，所述双目立体视觉组件还包括眼眶支架，所述眼眶支架与所述中心板和所述眼眶相连，所述第一驱动结构包括2个第一直线电机、第一安装板、第一固定板，所述第一直线电机安装在所述第一安装板上，由所述第一固定板固定，所述眼眶与所述第一安装板相连，2个所述第一直线电机分别驱动2个所述眼球的左右运动。3.如权利要求2所述的一种仿人双臂机器人，其特征在于，所述第一驱动结构还包括第一直线电机连接件和第一连杆，所述第一直线电机连接件与所述第一直线电机的电机轴相连，所述第一直线电机连接件与所述眼球通过所述第一连杆相连。4.如权利要求2所述的一种仿人双臂机器人，其特征在于，所述第二驱动结构包括第二直线电机、第二直线电机连接件、第二连杆、异形连杆、第二安装板和第二固定板，所述第二直线电机固定在第二安装板上，所述第二直线电机由所述第二固定板固定在中心板上，所述第二直线电机连接件与所述第二直线电机的电机轴相连，所述第二直线电机连接件通过所述第二连杆与所述异形连杆相连，所述异形连杆与所述第一安装板相连，所述第二直线电机用于驱动所述眼眶做仰俯运动。5.如权利要求1所述的一种仿人双臂机器人，其特征在于，所述两自由度颈部包括双轴舵机、双轴轴盘连接件、舵机中心板连接件和双轴舵...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟超，盛鑫军，朱向阳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：