用于算法研究的双臂移动机器人平台

摘要

本发明公开了一种用于算法研究的双臂移动机器人平台，包括采用差分驱动的轮式底盘，设置于轮式底盘上的机身，设置于机身上的激光雷达、超轻型机械臂和视觉传感器。本发明与现有技术对比的有益效果包括：(1)提供了一款面向移动操作机器人算法研究和应用开发的低成本实验平台，本试验平台平衡了操作精度和成本；(2)本平台装配了较强劲的计算资源，能满足本地高速串运算以及并行运算的需求；(3)本平台为开发者提供了充足的软硬件接口，供后期升级以及二次开发，计算能力以及机器人供电系统留出了充足的系统冗余。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于算法研究的双臂移动机器人平台，特别是涉及用于移动机器人操作相关算法研究的低成本双臂轮式移动机器人平台。

背景技术

相比较于传统的固定机械臂，移动操作机器人结合了移动机器人和机械臂的优势,令移动操作机器人拥有更为广阔的工作空间、更灵活的操纵能力、及更强的适应能力以应对在不同环境下所需要处理的移动操作任务。但是现有的双臂移动操作机器人方案或是成本极高，或是能力难以满足较为广泛的需求。相关领域的研究人员在实际开发和引用中，难以在可接受的成本范围之内找到一款运算能力和操作精度同时满足其需求的开源双臂移动操作平台。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种用于算法研究的双臂移动机器人平台，

为此，本发明所提出的用于算法研究的双臂移动机器人平台包括采用差分驱动的轮式底盘，设置于轮式底盘上的机身，设置于机身上的激光雷达、超轻型机械臂和视觉传感器。

在一些实施例中，还包括如下技术特征：

所述差分驱动的轮式底盘包含电机、电机控制器、CAN总线、机器人配重、碰撞传感器、超声测距模块、机器人整机供电模块，以及机器人本地计算模块；所述机器人整机供电模块连接所述电机、机器人本地计算模块、碰撞传感器、超声测距模块，进行供电；机器人本地计算模块通过CAN总线连接电机控制器，对电机进行控制；碰撞传感器及超声测距模块通过对应的数据接口连接机器人本地计算模块，向机器人本地计算模块传输所采集的数据。

所述机器人采用差分驱动的驱动方式。

还包括双臂执行机构，所述双臂执行机构为双台超轻型机械臂。

所述碰撞传感器、超声测距模块为机器人碰撞检测提供最后一道保障，其数据接口封装完善作为API提供给开发者进行二次开发；所述API包括超声测距模块的配置及控制。

所述机器人本地计算模块为小型工作站级别的本地计算模块，包括中央处理器、图形计算单元以及相关的供电系统。

所述整机供电模块布置在机器人底盘，以降低机器人重心，提高机器人运动中的力学稳定性。

所述整机供电模块还连接有稳压降压模块，所述稳压降压模块主要用于隔离供电系统以及机器人元器件，并提供所需的稳定电压值，整机系统电源提供48V的输出电压，经过48V-48V稳压模块后输出三路稳定的48V电压，一路负责驱动电机，一路供给机械臂做机械臂工作电能，一路经过降压模块后输出24V，19V，12V，及5V分别驱动本地计算模块、雷达、外围传感器、视觉传感器的正常工作。

还包括软件API，所述软件API包含了传感器输出的软件接口、机器人底盘的软件控制接口、机械臂的软件控制接口。

还包括硬件扩展接口，所述硬件扩展接口包括了CAN总线冗余接口、PCI-Express接口、USB总线接口、Sata数据接口、485总线接口、显示接口(HDMI，PD)、48V/24V/19V/12V/5V电源接口。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

(1)提供了一款面向移动操作机器人算法研究和应用开发的低成本实验平台，本试验平台平衡了操作精度和成本；

(2)本平台装配了较强劲的计算资源，能满足本地高速串运算以及并行运算的需求；

(3)本平台为开发者提供了充足的软硬件接口，供后期升级以及二次开发，计算能力以及机器人供电系统留出了充足的系统冗余。

附图说明

图1是本发明实施例的产品设计图；

图2是本发明实施例的双臂轮式移动机器人的软件系统结构。

图1中，1为激光雷达，2为机械臂，3为机器人本地计算模块及稳压降压模块，4为机器人配重锂电池，5为电机及减速器，6为悬挂机构，7为视觉传感器。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本申请下述实施例旨在提供一款在能够满足较为普遍的需求的前提下，提供充足可供二次开发软件接口(API)的双臂轮式差分驱动移动机器人平台。其设计平衡了成本和控制精度，并且保证其运算资源充足(配有图形处理器以便加速图形计算)。因本专利的目标客户是进行移动机器人操作相关算法研究的研究人员及机构，所以本专利的设计充分考虑了硬件和软件的可扩展性。

本申请实施例适用于轮式移动操作机器人算法研究，尤其是对精度有一定要求，且运算量较大的算法开发工作。设计过程注重成本与性能的平衡，重视软硬件可扩展性，所要解决的问题包括：

(1)解决现有产品硬件成本较高，无法自主更换、升级部分传感模块的问题；

(2)解决现存双臂移动操作机器人软硬件设计过于封闭，软硬件接口不够丰富的问题；

(3)解决现存双臂移动操作机器人本地运算资源及能力不足的问题。

本发明实施例中，针对上述技术问题，通过以下的技术方案予以解决：

第一方面，硬件上，本设计尽可能采用性能达标、方案成熟、接口完善、成本较低的传感器及双臂执行机构。主要包括激光雷达、超轻型机械臂、视觉传感器、采用差分驱动的轮式底盘；

所述差分驱动的轮式底盘包含了电机，电机控制器，CAN总线，机器人配重，碰撞传感器，超声测距模块，机器人整机供电模块，及机器人本地计算模块；整机供电模块连接电机、本地计算模块、碰撞传感、超声测距模块进行供电；本地计算模块通过CAN总线连接电机控制器，对电机进行控制。碰撞传感器及超声测距模块通过对应的数据接口连接机器人本地计算模块，向计算模块传输所采集的数据。

所述机器人采用差分驱动的驱动方式，使用了两个800W电机，为机器人长时间稳定运行提供了充足的动力。在动力充足的保障下，得本申请所述差分驱动机器人亦能实施质量较大的操作目标的拖拽及运输等作业；

所述双臂执行机构为双台超轻型机械臂，为在降低总体成本的同时保证一定程度的操作精度，本申请采用了两台低成本机械臂Kinova jaco2；

所述激光雷达采用Velodyne VLP16，Velodyne VLP16是一款成本较低精度适中的三维激光雷达，齐全的软件接口令其被广泛应用于各大高校实验室；

所述视觉传感器采用了Microsoft Kinect V2，此传感器不仅可以提供2D RGB图像信息，也可以提供深度信息，且此传感器抗阳光干扰能力强于同类型产品，在户外环境也具备一定的工作能力；

所述碰撞传感器，超声测距模块为机器人碰撞检测提供最后一道保障，其数据接口封装完善作为API提供给开发者进行二次开发；API部分包括超声测距模块的配置及控制。

第二方面，随着更多研究者尝试将机器人装配上更高级更高精度的算法部署在更为复杂的场景中，为满足机器人运行的流畅度及算法计算的实时性，对机器人本地计算模块的高性能计算能力的需求日益增长。本申请为此需求，为机器人配置了小型工作站级别的本地计算模块，模块包括了高性能中央处理器，图形计算单元以及相关的供电系统，并留出了一定的系统冗余以供日后的硬件升级；

所述机器人本地计算模块，现包含一颗Intel 10700CPU，一块Nvidia RTX 2070显示卡，以及计算模块系统电源，整机系统电源和相应的稳压降压模块；

所述机器人整机系统电源为定制的100Ah的锂电池，由18650电芯组成；

所述整机系统电源的锂电池可以为机器人全功率运行提供超过5小时的续航，并且供电能力留出了充足的系统冗余；

所述整机系统电源布置在了机器人底盘，除提供电能之外也具有降低机器人重心的作用，提高机器人运动中的力学稳定性；

所述本地计算模块可以支持启用GPU进行图形计算加速，提供强大的并行运算能力，满足现有研究对本地运算的需求。尽管有很多远程计算本地执行的解决方案，但是此类方案对网络环境要求较高，部分情况下数据传输速度难以支持复杂算法的实时运算，在移动操作机器人此类工作空间较大的机器人平台尤为严重，本申请的所述方案可以较好地解决这一问题；

所述本地计算模块现峰值功耗约为300W，在系统冗余允许的范围内，为满足后续更新升级需要，可升级至峰值功耗650W级别的运算平台；

所述稳压降压模块主要用于隔离供电系统以及机器人元器件，并提供所需的稳定电压值，整机系统电源提供了48V的输出电压，经过48V-48V稳压模块后输出三路稳定的48V电压，一路负责驱动电机，一路供给机械臂做机械臂工作电能，一路经过降压模块后输出24V，19V，12V，及5V分别驱动本地计算模块，雷达，外围传感器，视觉传感器的正常工作；

第三方面，在研究算法或设计应用时，往往需要对机器人平台进行二次开发，这对机器人平台的软硬件可扩展性提出了较高的要求。现有大多数同类平台的解决方案是限制硬件可扩展性，限制用户获得传感器输出接口的权限，同时提供特定的API而非完全开源机器人平台代码；

所述软件API包含了传感器输出的软件接口，机器人底盘的软件控制接口，机械臂的软件控制接口；

所述传感器输出接口包括了由传感器厂商提供的API(Velodyne激光雷达，Kinect相机)，以及自定义的部分传感接口(例如：接近传感器，轮式里程计，超声测距模块)；

所述硬件扩展性包括了CAN总线冗余接口，PCI-Express接口，USB总线接口，Sata数据接口，485总线接口，显示接口(HDMI，PD)，48V，24V，19V，12V，5V电源接口。

本申请实施例适用于开发特定场景的移动操作系统，例如仓库内的货物搬运或临时搭建场景中的物料及工具运输。

如图1，图2所示，本申请的硬件组成包含了差分驱动的轮式底盘，机器人供电系统，机器人计算模块，机器人支撑结构，两台低成本机械臂，一台多线激光雷达，以及视觉传感器；

所述多线激光雷达与视觉传感器布置在了机器人顶端最高处，目的是为了获得良好的视野，避免因遮挡产生的感知错误；

所述多线激光雷达垂直方向的视角为+15°至-15°，即使被布置在机器人结构的高处此雷达也可以观察到一定范围内的地面信息，所观测范围内的地面信息会被机器人使用于导航以及避障；

所述低成本机械臂布置在机器人左右两侧，结构设计类似人类上肢的左右手臂，故此机器人也可加以改进作为低成本人形机器人使用；

所述机器人支撑结构采用了中空的设计，从而减轻机械重量，降低机器人重心，支撑结构中央可以布置线缆以及额外的传感器设备；

所述低成本本机械臂末端装有机械手，可以执行轻量化的操作任务，负载为2.6千克；

所述低成本机械臂全关节内置扭矩传感器，支持力矩，位置或速度控制。

所述机器人底盘可以单独作为轮式差分驱动机器人底盘使用；

如图2所示，机器人软件系统包括了机器人驱动，机器人传感器接口，机器人底盘控制程序以及控制算法组成；所述机器人提供部分现有成熟算法的教学示例，例如用于机器人建图的Gmapping，机器人导航及路径规划的RRT，用于机械臂控制的Moveit；

所述机器人传感器接口将数据打包后提供给用户，用户也可通过API设置数据打包的输出格式，输出频率，输出内容等；

所述机器人驱动包含了机器人底盘驱动，传感器驱动，机械臂驱动，其中传感器驱动以及机械臂驱动由相关传感器以及执行机构生产厂家提供，经过整合后集成在机器人驱动模块中；

所述机器人底盘为自主设计，其驱动包含了电机控制，急停控制，电源管理；所述急停控制包括软件急停开关和硬急停开关，软件急停开关用于通过程序停止底盘电机，机械臂运动；硬件急停用于直接切断所有执行模块供电；双急停控制系统首先提高了系统的冗余性，也方便针对不同级别的意外情况进行不同的处理；所属底盘电机控制模块，通过机载计算机使用CAN总线发送电机控制指令，经过电机控制器产生相关的控制动作；

所述机器人底盘提供充足空间以及驱动动力，为后期客户进行自行升级提供充分的空间；

所述机器人底盘后部分采用了减震悬挂，虽然机器人设计工作环境为地面平整的室内、外环境，但采用此类悬挂后可确保机器人驱动轮始终着地，确保了控制指令执行的稳定性，提高机器人的通过能力；

所述软件接口(API)通过机器人操作系统(Robot Operating System)提供，提高了机器人平台的通用性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。