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CN210819566U - 机器人夹持器相机 - Google Patents

机器人夹持器相机 Download PDF

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CN210819566U
CN210819566U CN201890000531.2U CN201890000531U CN210819566U CN 210819566 U CN210819566 U CN 210819566U CN 201890000531 U CN201890000531 U CN 201890000531U CN 210819566 U CN210819566 U CN 210819566U
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manipulator arm
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A·M·莫泽伊卡
T·R·奥姆
C·T·布朗
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Flir Detection Inc
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Abstract

一种无人地面车辆，包括主体、由所述主体支撑的驱动系统以及枢转地联接到所述主体的操纵器臂。所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件。所述操纵器臂包括夹持器、配置用于旋转所述夹持器的腕部马达以及所述夹持器的掌部中的轴向式相机。所述轴向式相机被机械地配置成在所述腕部马达旋转所述夹持器时相对于所述操纵器臂保持静止。

Description

机器人夹持器相机
优先权声明
本申请要求2017年2月20日提交的、序列号为62/461,089的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本说明书大体涉及移动机器人和移动机器人的操纵器臂。
背景技术
各种类型的移动机器人的操作员需要利用操纵器(例如，在无人地面机器人上采用的操纵器)快速且可靠地抓握物体。一些传统的移动机器人包括从操纵器末端执行器偏移的偏移相机，以向操作员控制单元提供视频馈送。当只有偏移相机可用于态势感知时，操作员有时难以在抓握之前将操纵器末端执行器居中在物体上。
实用新型内容
一种无人地面车辆，包括主体、由所述主体支撑的驱动系统以及枢转地联接到所述主体的操纵器臂。所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件。所述操纵器臂包括夹持器、配置用于旋转所述夹持器的腕部马达以及所述夹持器的掌部中的轴向式相机。所述轴向式相机被机械地配置成在所述腕部马达旋转所述夹持器时相对于所述操纵器臂保持静止。
附图说明
图1示出了示例移动机器人车辆；
图2示出了操纵器处于伸展位置的形态中的示例机器人；
图3A-E示出了带有轴向式相机的夹持器；
图4是用于控制机器人的示例方法的流程图；以及
图5示出了在OCU上显示的示例图形用户界面(GUI)。
具体实施方式
图1示出了示例移动机器人车辆100，其可以用作能够在诸如城市地形、隧道、下水道和洞穴的各种环境中进行操作的无人地面车辆。此外，该机器人100可以帮助执行城市情报、监视和侦察(ISR)任务，化学/有毒工业化学品(TIC)、有毒工业材料(TIM)和侦察。尽管所示的机器人100包括具有翻转件的履带从动驱动系统，但是其他移动平台、配置和形态也是可能的，例如轮从动平台、爬行或行走平台等。
机器人100可以被设计成在各种环境中四处移动，所述各种环境包括建筑物(包括楼梯)、街道、地下隧道、建筑物卢布的城市环境以及植被(例如穿过草地和围绕树木)。机器人100可以具有各种特征，这些特征在这些环境中提供稳健的操作(包括抗冲击性、对碎片夹带的耐受性和可逆的可操作性)。
机器人100包括主体110(或底盘)，主体110具有由主体110支撑的驱动系统115。主体110具有右侧110a和左侧110b以及前导端110c、后缘端110d和重心CGM。在所示的示例中，主体110包括彼此平行设置的右刚性侧板112a和左刚性侧板112b。至少一个横向支撑件114将右侧板112a刚性地联接到左侧板112b。刚性部件被设计用于强度和低重量，并且可以由诸如7075-T6铝的材料制成。机器人100的替代版本可以使用其他材料，例如其他轻质金属、聚合物或复合材料。机器人100可以是电动的(例如，通过一组标准军用BB-2590可更换和可充电锂离子电池产生动力)。
在一些实施方式中，驱动系统115包括安装在主体110的对应的右侧110a和左侧110b并且分别具有右从动履带122a和左从动履带122b的右从动履带组件120a和左从动履带组件120b(也称为主履带120)。每个从动履带122a,122b卷绕在对应的前轮上，该前轮围绕驱动轴线15旋转。虽然机器人100被描绘为具有滑移转向从动履带，但是其他驱动系统也是可能的，例如差动从动轮、铰接式支腿等。
机器人100包括安装在主体110上的至少一个可伸展的翻转件130。在一些示例中，机器人100被配置成可释放地将一个或多个翻转件130接收到主体110上(例如，接收到主体110的前导端110c处的前驱动轮中的一个上并与之同心)。如图1所示，机器人100包括右翻转件130a和左翻转件130b，它们被示出为处于延伸超出主体110的前端或前导端110c的伸展配置中。
翻转件130,130a,130b各自具有远端130c、枢转端130d以及在远端130c和枢转端130d之间的翻转件重心CGF。每个翻转件130,130a,130b围绕主体110的前导端110c附近的驱动轴线15枢转。此外，每个翻转件130,130a,130b可以具有卷绕在翻转件驱动轮142a,142b上的从动翻转件履带140,140a,140b，该翻转件驱动轮142a,142b围绕翻转件130a,130b的枢转端130d处的驱动轴线15被驱动。
在所示的示例中，设置在翻转件130的翻转件侧板132上的翻转件履带支撑件134支撑对应的翻转件履带140。在一些实施方式中，翻转件130,130a,130b可以连续360度在收起位置(其中翻转件130a,130b紧邻主体110的右侧板112a和左侧板112b)和至少一个展开位置(其中翻转件130a,130b相对于主履带122a,122b枢转一定的角度)之间一致地旋转。机器人100的重心CGR可以包含在翻转件130a,130b的360度旋转的包络内。
在一些实施方式中，相应的右翻转件130a和左翻转件130b的翻转件侧板132通过铰接轴彼此刚性地联接，以一致地一起移动。在其他实施方式中，翻转件130a,130b彼此独立地枢转。主履带组件120a,120b和翻转件130,130a,130b的组合提供了可延展的驱动基座长度，以越过支撑表面中的间隙。在一些示例中，右主履带122a和右翻转件履带140a被一致地驱动，并且左主履带122b和左翻转件履带140b被一致地驱动，以提供滑移转向驱动系统。
主体110可以包括设置在主体110的前导端110c附近并且可以定位成具有指向前方和/或上方的视野的一个或多个相机118。该相机118可以捕获机器人环境的图像和/或视频，用于为机器人100导航和/或执行专门的任务(例如操纵通过隧道、下水道和洞穴等)。
机器人100可以包括一个或多个机器人操纵器臂150(例如，铰接臂)，每个操纵器臂具有枢转地联接到主体110的枢转端150p和可以配置成接收头部160或夹持器170或这两者的远端150d。臂150可以按照允许臂150以紧凑配置沿主体110被收起以及远离主体110枢转以允许更宽范围的CG移位范围(例如，为了越过障碍)的方式联接到主体110。
如图1所示，头部160和夹持器170安装在臂150的远端150d。臂150具有臂重心CGA，头部160具有重心CGH。头部160可以包括相机162(例如，可见光和/或红外相机)、雷达、LIDAR(光探测和测距，其需要测量散射光的特性的光学遥感，以找到远距离目标的范围和/或其他信息)、LADAR(激光探测和测距)、通信设备(射频、无线等)和/或其他部件。
为了实现可靠且稳健的自主或半自动移动，机器人100可以包括具有若干不同类型传感器的传感器系统。传感器可以彼此结合使用以产生对机器人环境的、足以允许机器人100的控制系统确定要在该环境中采取的动作的感知(即，局部感知)。传感器系统400可以包括由机器人主体110支撑的一种或多种类型的传感器，该传感器可以包括探障避障(ODOA)传感器、通信传感器、导航传感器等。
例如，这些传感器可以包括接近度传感器、接触传感器、相机(例如，体积点云成像、三维(3D)成像或深度图传感器、可见光相机和/或红外相机)、声纳(例如，测距声纳和/或成像声纳)、雷达、LIDAR(光探测和测距，其需要测量散射光的特性的光学遥感，以找到远距离目标的范围和/或其他信息)、LADAR(激光探测和测距)、激光扫描仪、超声波传感器等。
在一些实施方式中，机器人100包括与驱动系统115、臂150以及安装在臂150上的任何头部160或夹持器170通信的机器人控制器200。机器人控制器200可以向驱动主履带200和翻转件履带140的一个或多个马达发出驱动命令。此外，机器人控制器200可以向翻转件马达135发出旋转命令，以使翻转件130围绕驱动轴线15旋转。机器人控制器200可以包括一个或多个计算机处理器及相关联的存储器系统。
机器人控制器200可以用硬件、软件、固件或硬件、软件和/或固件的组合来实现。在一些示例中，机器人控制器200可以使用存储计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质来实现，所述计算机可执行指令在由计算机的一个或多个处理器执行时使得计算机执行操作。计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质(诸如磁盘存储器设备、芯片存储器设备、可编程逻辑设备、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光学读/写存储器、高速缓冲存储器、磁读/写存储器、闪存和专用集成电路)。另外，实现机器人控制器200的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布在多个设备或计算平台上。
接近度传感器可以是会聚红外(IR)发射器-传感器元件、声纳传感器、超声波传感器和/或成像传感器(例如，3D深度图图像传感器)，其在物体位于机器人100的给定范围内时向机器人控制器200提供信号。机器人控制器200(执行控制系统)可以执行使得机器人100采取行动(例如在检测到障碍物时，改变其行进方向)的行为。
在一些示例中，传感器系统包括与机器人控制器200通信的惯性测量单元(IMU)，以测量和监测机器人100相对于机器人100的整体重心CGR的惯性矩。机器人控制器200可以监测来自IMU的反馈中的、与对应于正常无阻碍操作的阈值信号的任何偏差。例如，如果机器人开始远离直立位置俯仰，它可能是“被外物勾住而被绊倒(clothes lined)”或以其他方式受阻，或者有人可能突然增加了重的负载。在这些情况下，可能需要采取紧急动作(包括但不限于规避操纵、重新校准和/或发出音频/视觉警告)以确保机器人100的安全操作。
当从静止开始加速时，机器人控制器200可以考虑机器人100对其整体重心CGR的惯性矩，以防止机器人倾斜。机器人控制器200可以使用其姿势(包括其当前惯性矩)的模型。当支撑有负载时，机器人控制器200可以测量对整体重心CGR的负载影响并监测机器人惯性矩的移动。如果这不可能，则机器人控制器200可以将测试扭矩命令应用于驱动系统115并使用IMU测量机器人的实际线加速度和角加速度，以便通过实验确定安全极限。
机器人控制器200可以包括通信系统202，该通信系统202包括例如与远程操作员控制单元(OCU)50通信以接收命令和发布状态和/或导航信息的无线电。OCU 50可以包括显示器52(例如，LCD或触摸屏)、键盘54以及一个或多个辅助用户输入设备56(例如操纵杆或游戏单元)。OCU 50还可以包括通信中的计算处理器和存储器。处理器被编程用于在显示器52上呈现图形。OCU 50允许操作员或用户远距离控制机器人100。
在一些示例中，用户可以选择对机器人100的、从远程操作模式(其中用户直接控制机器人100上的马达和致动器)到自主操作(其中用户将更高级别的命令传递给机器人100)的不同级别的人为控制。在部分自主操作中，机器人100可以执行诸如沿着外缘或壁、从卡在开口中恢复或者从由于高度居中于障碍物而被卡住中恢复、躲避移动物体或寻找光的任务。
机器人控制器200可以安装在机器人100上的任何适当位置。在一些实施方式中，机器人控制器200安装在主体110的跨越在驱动履带或轮之间的位置上。或者，机器人控制器200可以位于另一位置以为臂150开创更多空间。
图2示出了操纵器150处于伸展位置的形态中的示例机器人100。如图所示的机器人100包括可选的传感器套件400(例如，情报、监视和侦察(ISR)传感器套件)。示例操纵器150具有枢转地联接到主体110的枢转端150p和接收夹持器250的远端150d。操纵器150包括远离枢转端150p延伸的第一延伸部150a和远离第一延伸部150a的末端延伸的第二延伸部150b。第二延伸部150b例如通过容置用于枢转第二延伸部150b的马达的桥接件枢转地联接到第一延伸部150a。可以使用各种其他类型的操纵器。
图3A-E示出了带有轴向式相机302的夹持器250。图3A是示出了在夹持器250的掌部304中的轴向式相机302的透视图。夹持器250包括围绕该夹持器250的掌部304的多个铰接式夹持器指状件306a-b。夹持器250包括夹持马达，该夹持马达被配置成使铰接式夹持器指状件306a-b从打开位置收缩到闭合位置以夹持物体。例如，夹持器可以包括将铰接式夹持器指状件304a-b联接到夹持器马达的多个滑轮和夹持器闭合齿条。
夹持器250还包括腕部马达，该腕部马达被配置用于使夹持器250围绕夹持器滚转轴线旋转。轴向式相机302可以在夹持器250的掌部304内居中。例如，轴向式相机302可以与铰接式夹持器指状件306a-b等距并且在腕部马达的夹持器滚转轴线上居中。夹持器250可选地包括在操纵器臂150上的偏移夹持器相机308，该偏移夹持器相机308用于提供夹持器250的附加或替代视图。在一些示例中，夹持器250包括多于一个的偏移夹持器相机。
轴向式相机302被机械地配置成在腕部马达旋转夹持器250时相对于操纵器臂150保持静止。例如，夹持器250可以包括在滑轮之间的、容置轴向式相机302的相机容置管。相机容置管可以独立于通过腕部马达联接到操纵器臂的夹持器而联接到操纵器臂150。然后，电缆可以延伸穿过相机容置管，用于为轴向式相机302传送电力和通信信号。
当只有偏移相机可用于态势感知时，操作员有时难以在抓握之前控制夹持器250接触物体。不能在腕部马达旋转夹持器时保持静止的轴向式相机可能会迷失方向。由于示例轴向式相机302被配置成保持静止，因此轴向式相机302可以用于在抓握期间提供改进的态势感知并且避免操作员迷失方向，操作员迷失方向是在非静止的轴向式夹持器相机的情况下可能会有的体验。
轴向式相机302被机械地配置成保持静止。与允许轴向式相机旋转并通过视频处理来创建静止图像相比，这可能是有用的。例如，不需要电滑环来实现连续的夹持器旋转。可以避免由于视频处理而导致的处理伪像和滞后。图像窗口不需要被限制为圆形图像窗口。
图3B是夹持器250的顶部横截面视图，其中示出了示例夹持器闭合齿条310和示例相机容置管312。图3C是夹持器250的顶部横截面视图，其中示出了示例闭合齿条314、用于轴向式相机302的示例容置部316以及示例腕部滚转容置部318。图3C还示出了轴向式相机容置夹具320和轴向式相机电缆出口322。
图3D是夹持器250的剖视图。相机302安装在静止套筒312内，静止套筒312锚固到夹持器底盘340。该相机302和套筒312相对于夹持器底盘340保持静止，而不管夹持器指状件的旋转。可以与夹持器掌部304一起旋转的齿条310将线性运动传递到夹持器指状件小齿轮342，该夹持器指状件小齿轮342驱动每个指状件打开/闭合。齿条310由导螺杆344线性驱动，导螺杆344由电动机346驱动。图3E是夹持器250的部件的分解图。
图4是用于控制机器人100的示例方法400的流程图。方法400可以由机器人控制器200执行。机器人控制器200将来自操纵器臂上的夹持器的掌部中的轴向式相机的视频馈送提供给远程操作员控制单元(402)。机器人控制器200控制腕部马达以使腕部马达围绕夹持器滚转轴线旋转夹持器，使得轴向式相机在腕部马达旋转夹持器时相对于操纵器臂保持静止(404)。机器人控制器200控制夹持器马达以使夹持器从打开位置收缩到闭合位置以夹持物体(406)。
图5示出了在OCU 50上显示的示例图形用户界面(GUI)500，其在该示例中被示为触摸板计算机。GUI 500包括显示来自夹持器250的轴向式相机302的第一相机馈送的第一窗口502。GUI 500包括显示来自偏移夹持器相机308的第二相机馈送的第二窗口504。GUI500包括用于接收用于控制夹持器250的操作员输入的区域506。在操作中，操作员可以使腕部马达旋转夹持器，并且由于轴向式相机302被配置成在腕部马达旋转夹持器时相对于操纵器臂150保持静止，因此即使可以看到铰接式夹持器指状件正在旋转，第一窗口502中的第一相机馈送的定向也将保持不变。
尽管上面已经描述了特定示例和特征，但是这些示例和特征并不旨在限制本公开的范围，即使在关于特定特征仅描述了单个示例的情况下也是如此。除非另有说明，否则本公开中提供的特征的示例旨在是说明性的而非限制性的。以上描述旨在覆盖对于受益于本公开的本领域技术人员显而易见的这些替代、修改和等同物。
本公开的范围包括本说明书中公开(明确地或隐含地)的任何特征或特征的组合，或者对所公开的特征的任何概括，无论这些特征或概括是否缓解了本说明书中描述的任何或所有问题。因此，在本申请(或要求本申请优先权的申请)的审查期间，可以以特征的任何这种组合提出新的权利要求。特别地，参考所附权利要求，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合，并且各个独立权利要求的特征可以以任何适当的方式组合，而不仅仅是在所附权利要求中列举的特定组合。

Claims (19)

1.一种无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括：
主体；
由所述主体支撑的驱动系统，所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件；以及
枢转地联接到所述主体的操纵器臂，所述操纵器臂包括夹持器、配置用于旋转所述夹持器的腕部马达以及所述夹持器的掌部中的轴向式相机，其中，所述轴向式相机被机械地配置成在所述腕部马达旋转所述夹持器时相对于所述操纵器臂保持静止。
2.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述夹持器包括多个铰接式夹持器指状件和夹持马达，所述夹持马达被配置成使所述铰接式夹持器指状件从打开位置收缩到闭合位置以夹持物体。
3.根据权利要求2所述的无人地面车辆，其特征在于，所述轴向式相机在所述夹持器的所述掌部内、在所述铰接式夹持器指状件之间居中，并且其中所述轴向式相机在所述腕部马达的夹持器滚转轴线上居中。
4.根据权利要求2所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括将所述铰接式夹持器指状件联接到所述夹持马达的多个滑轮和夹持器闭合齿条。
5.根据权利要求4所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括在所述滑轮之间的、容置所述轴向式相机的相机容置管，其中，所述相机容置管独立于通过所述腕部马达联接到所述操纵器臂的夹持器而联接到所述操纵器臂。
6.根据权利要求5所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括一个或多个电缆，所述一个或多个电缆穿过所述相机容置管延伸到所述轴向式相机，用于为所述轴向式相机传送电力和通信信号。
7.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述操纵器臂包括第一部分和第二部分，所述第一部分在枢转端枢转地联接到所述主体，所述第二部分在与所述枢转端部相对的一端枢转地联接到所述第一部分。
8.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括机器人控制器，所述机器人控制器被配置成通过向一个或多个驱动系统马达和一个或多个操纵器马达提供控制信号来控制所述驱动系统和所述操纵器臂。
9.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括延伸超出所述主体的前端的右翻转件和左翻转件，其中，所述右翻转件和所述左翻转件中的每一个围绕所述驱动系统的驱动轴线枢转，并且其中所述右翻转件和所述左翻转件中的每一个包括卷绕在翻转件驱动轮上的从动翻转件履带，所述翻转件驱动轮围绕所述驱动轴线被驱动。
10.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括通信系统，所述通信系统被配置成与远程操作员控制单元通信以及将来自所述轴向式相机的相机馈送发送到所述远程操作员控制单元。
11.根据权利要求10所述的无人地面车辆，其特征在于，所述通信系统被配置成接收一个或多个操纵器命令，以伸展或收起所述操纵器臂。
12.根据权利要求10所述的无人地面车辆，其特征在于，所述通信系统被配置成接收一个或多个夹持器命令，以使所述夹持器收缩或释放。
13.根据权利要求10所述的无人地面车辆，其特征在于，所述通信系统被配置成接收一个或多个夹持器命令，以使所述腕部马达旋转所述夹持器。
14.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括在所述操纵器臂上的偏移夹持器相机。
15.一种系统，其特征在于，所述系统包括：
无人车辆，所述无人车辆包括：
夹持器和配置用于旋转所述夹持器的腕部马达；
在所述夹持器的掌部中的轴向式相机，其中所述轴向式相机被机械地配置成在所述腕部马达旋转所述夹持器时相对于所述无人车辆保持静止；以及
车辆通信系统；操作员控制单元，所述操作员控制单元包括：
显示屏和操作员输入设备；
控制单元通信系统；以及
至少一个处理器，所述至少一个处理器被编程用于通过与所述车辆通信系统通信的所述控制单元通信系统接收来自所述轴向式相机的相机馈送并且在所述显示屏上显示所述相机馈送。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述无人车辆包括机器人控制器，所述机器人控制器被编程用于通过与所述车辆通信系统通信的所述控制单元通信系统从所述操作员控制单元接收一个或多个夹持器命令，以使所述夹持器收缩或释放以及使所述腕部马达旋转所述夹持器。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述无人车辆包括操纵器臂，所述夹持器联接到所述操纵器臂，并且其中所述机器人控制器被编程用于通过与所述车辆通信系统通信的所述控制单元通信系统从所述操作员控制单元接收一个或多个操纵器命令，以收起或伸展所述操纵器臂。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述无人车辆包括在所述操纵器臂上的偏移夹持器相机，并且其中所述操作员控制单元的所述至少一个处理器被编程用于同时显示来自所述轴向式相机的第一相机馈送和来自所述偏移夹持器相机的第二相机馈送，以及用于在同时显示所述第一相机馈送和所述第二相机馈送时和在所述腕部马达旋转所述夹持器时使用所述操作员输入设备来接收用于控制所述夹持器的操作员输入。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述无人车辆包括主体和由所述主体支撑的驱动系统，所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件，并且其中所述机器人控制器被编程用于通过与所述车辆通信系统通信的所述控制单元通信系统从所述操作员控制单元接收驱动所述驱动系统的一个或多个驱动命令。
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