一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人

摘要

本发明公开了一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人。本发明包括导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构、图像处理模块和控制模块；导航驱动机构上安装有多功能作业机构和图像采集机构，图像采集机构与图像处理模块相连，导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构和图像处理模块均与控制模块相连。本发明有效的扩大了机器人的作业范围，扩展了机器人的作业模式，提高了机器人的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及了工业机器人技术领域的一种自动导航多功能作业机器人，具体涉及了一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人。

背景技术

目前，中国已成为铸造业大国，大型工件的清理，切割等在铸造生产中是不可缺少的关键工序。但由于工件体积较大，现有的工业机器人很难实现切割，抛光，打孔等的自动化操作。这在一定程度上降低了生产效率，提高了生产成本。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明所提供一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人，可以完成对大型工件的抛光、打孔、切割等多功能作业。

本发明采用的技术方案是：

一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人，包括导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构、图像处理模块和控制模块；导航驱动机构上安装有多功能作业机构和图像采集机构，图像采集机构与图像处理模块相连，导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构和图像处理模块均与控制模块相连。

所述多功能作业机构包括固定底盘、第一转台、立柱、横臂、旋转中轴、第二转台、乙炔瓶、氧气瓶、六轴机械臂和作业模块；固定底盘、乙炔瓶和氧气瓶均固定于导航驱动机构上表面，固定底盘通过第一转台与立柱的下端固定连接，立柱的上端通过旋转中轴与横臂的中部铰接，横臂前端通过第二转台与六轴机械臂相连，六轴机械臂与作业模块相连；乙炔瓶和氧气瓶均与作业模块相连。

所述横臂包括横臂本体、主动平衡块、蜗杆固定座、蜗轮、蜗杆、齿轮轴、第一离合器、第一轴承、第二轴承、第一传动轴、第一伺服电机、第一减速机、第二传动轴、第二离合器、横移丝杆、横移导轨、横移螺母、横移拖板和横移丝杆固定座；横臂本体通过旋转中轴与立柱的上端铰接，蜗杆的一端通过蜗杆固定座安装在横臂本体后端内部，齿轮轴铰接安装在横臂本体后端内部，齿轮轴上同轴固定套装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合形成蜗轮蜗杆副，主动平衡块为C形，主动平衡块的两个分支端分别连接在齿轮轴穿出横臂本体后的两端；蜗杆的另一端与第一离合器的输出端同轴固定连接，第一离合器的输入端经第一传动轴与第一伞齿轮同轴固定连接，第一传动轴中部分别通过第一轴承和第二轴承可旋转地支撑安装在横臂本体内部；第一伺服电机固定安装在横臂本体的中部上，第一伺服电机的输出轴伸入到横臂本体内部后与第一减速机的输入端同轴固定连接，第一减速机的输出端与与第二伞齿轮同轴固定连接；第一伺服电机与控制模块相连；横臂本体前端内部设置有平行布置的横移丝杆和横移导轨，横移丝杆设置在横移导轨上，横移丝杆的一端通过横移丝杆固定座安装在横臂本体上，横移丝杆的另一端与第二离合器的输出端同轴固定连接，横移拖板通过横移螺母同轴套装在横移丝杆中与横移导轨滑动连接，第二离合器的输入端与第二传动轴的一端同轴固定连接，第二传动轴的另一端与第三伞齿轮同轴固定连接；第二伞齿轮分别与第一伞齿轮和第三伞齿轮啮合之间形成伞齿轮副。

所述六轴机械臂包括机械臂底座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂；第二转台的下端面固定安装在横臂上，机械臂底座固定安装在第二转台上，第一机械臂一端固定安装在机械臂底座上，第一机械臂另一端通过第一电机与第二机械臂的一端连接，第二机械臂另一端通过第二电机与第三机械臂一端连接，第三机械臂的另一端通过第三电机与第四机械臂的一端连接；第四机械臂的另一端与作业模块连接；第一电机、第二电机和第三电机均与控制模块相连。

所述作业模块包括作业模块安装座、手腕电机、第二减速机、力反馈模块和换刀模块；作业模块安装座固定安装在六轴机械臂上，手腕电机和编码器固定安装在作业模块安装座中，换刀模块安装在作业模块安装座的前端面，手腕电机的输出轴与第二减速机的输入端同轴固定连接，第二减速机的输出端与力反馈模块相连，力反馈模块与换刀模块相连；换刀模块上的切割枪分别与乙炔瓶和氧气瓶相连；所述力反馈模块包括扭簧、第三轴承、输出盘和编码器；输出盘为齿轮状，输出盘中部设置有上下贯穿的输出盘轴，输出盘轴通过第三轴承安装在输出盘的旋转轴上，输出盘轴的一端与扭簧的一端固定连接，输出盘轴的另一端与换刀模块连接；扭簧的另一端与第二减速机的输出端相连；编码器齿轮与输出盘啮合形成输出盘齿轮副，编码器齿轮与编码器的输出轴同轴套装连接；手腕电机、编码器和换刀模块与控制模块相连。

所述换刀模块上设有多个刀具安装端口，每个刀具安装端口安装刀具，多个刀具安装端口沿圆周间隔布置，通过旋转换刀模块来实现刀具的换刀。

所述图像采集机构包括第一云台和第一相机，第一云台固定于导航驱动机构上表面，第一相机固定于第一云台上，第一相机分别与图像处理模块和控制模块相连。

图像接收模块与图像采集机构相连，三维重建模块与图像接收模块相连，数据发送模块与三维重建模块相连，图像接收模块、三维重建模块以及数据发送模块均与控制模块相连。

所述导航驱动机构为设置有导航系统的四轮方形机构，四轮方形机构的上表面作为导航驱动机构的上表面，导航系统包括第二云台、第二相机、第一照明灯和第二照明灯，第二云台设置在四轮方形机构的上表面，第二相机固定于第二云台，第一照明灯和第二照明灯分别设置于四轮方形机构正侧面的两侧，第二相机、第一照明灯和第二照明灯均与控制模块相连。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于三维重建的自动导航多功能作业机器人，利用横臂、主动平衡块和控制模块实现了机器人的主动平衡调节，扩大了机器人的工作范围；

本发明利用编码器记录扭簧的旋转角度偏差，实现了力反馈装置调节手腕电机的输出扭矩；

本发明通过旋转换刀模块来实现刀具的换刀，实现了机器人的切割、抛光、打孔等功能的自由切换，扩展了机器人的作业模式；提高了机器人的工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的横臂的结构示意图。

图3为本发明的多功能作业模块的结构示意图。

图4为本发明的换刀模块的结构示意图。

图中：固定底盘1、第一转台2、立柱3、横臂4、主动平衡块401、蜗杆固定座402、蜗轮403、蜗杆404、齿轮轴405、第一离合器406、第一轴承407、第二轴承408、第一传动轴409、第一伺服电机410、第一减速机411、第二传动轴412、第二离合器413、横移丝杆414、横移导轨415、横移螺母416、横移拖板417、横移丝杆固定座418、旋转中轴5、第二转台6、乙炔瓶7、氧气瓶8、机械臂底座9、第一机械臂10、第二机械臂11、第三机械臂12、第四机械臂13、作业模块14、手腕电机1401、第二减速机1402、力反馈模块、换刀模块1403、扭簧1404、第三轴承1405、输出盘1406、编码器1407、第一云台15、第一相机16、第二云台17，第二相机18、第一照明灯19、第二照明灯20。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构、图像处理模块和控制模块；导航驱动机构上安装有多功能作业机构和图像采集机构，图像采集机构与图像处理模块相连，导航驱动机构、多功能作业机构、图像采集机构和图像处理模块均与控制模块相连。控制模块包括ARM处理器和GPU芯片。

多功能作业机构包括固定底盘1、第一转台2、立柱3、横臂4、旋转中轴5、第二转台6、乙炔瓶7、氧气瓶8、六轴机械臂和作业模块14；

固定底盘1、乙炔瓶7和氧气瓶8均固定于导航驱动机构上表面，固定底盘1通过第一转台2与立柱3的下端固定连接，固定底盘1上端面与第一转台2下端面固定连接，第一转台2的上端面中开有孔槽，立柱3的下端插入孔槽中，使得立柱3固定安装在第一转台2中；立柱3的上端通过旋转中轴5与横臂4的中部铰接，立柱3上端与旋转中轴5铰接，旋转中轴5与横臂4的中部铰接；横臂4前端通过第二转台6与六轴机械臂相连，六轴机械臂与作业模块14相连；乙炔瓶7和氧气瓶8均与作业模块14的换刀模块1403上的切割枪相连，用于为切割枪提供乙炔和氧气。

如图2所示，横臂4包括横臂本体、主动平衡块401、蜗杆固定座402、蜗轮403、蜗杆404、齿轮轴405、第一离合器406、第一轴承407、第二轴承408、第一传动轴409、第一伺服电机410、第一减速机411、第二传动轴412、第二离合器413、横移丝杆414、横移导轨415、横移螺母416、横移拖板417和横移丝杆固定座418；

横臂本体的中部通过旋转中轴5与立柱3的上端铰接，蜗杆404的一端通过蜗杆固定座402安装在横臂本体后端内部，横臂本体一端的侧面固定安装有蜗杆固定座402，蜗杆404的一端活动安装在蜗杆固定座402中，齿轮轴405铰接安装在横臂本体后端内部，齿轮轴405上同轴固定套装有蜗轮403，蜗轮403与蜗杆404啮合形成蜗轮蜗杆副，主动平衡块401为C形，主动平衡块401的两个分支端分别连接在齿轮轴405穿出横臂本体后的两端，主动平衡块401绕着齿轮轴405进行旋转，从而调节横臂4整体的平衡；蜗杆404的另一端与第一离合器406的输出端同轴固定连接，第一离合器406的输入端经第一传动轴409与第一伞齿轮同轴固定连接，第一离合器406的输入端与第一传动轴409的一端同轴固定连接，第一传动轴409的另一端与第一伞齿轮同轴固定连接，第一轴承407和第二轴承408固定安装在横臂本体的侧面，第一传动轴409依次穿过第一轴承407和第二轴承408与第一轴承407和第二轴承408同轴活动连接，使得第一传动轴409中部分别通过第一轴承407和第二轴承408可旋转地支撑安装在横臂本体内部；

第一伺服电机410固定安装在横臂本体的中部上，第一伺服电机410的输出轴伸入到横臂本体内部后与第一减速机411的输入端同轴固定连接，第一减速机411的输出端与与第二伞齿轮同轴固定连接；第一伺服电机410与控制模块相连；

横臂本体前端内部设置有沿横臂本体长度方向平行布置的横移丝杆414和横移导轨415，横移丝杆414设置在横移导轨415上，横移丝杆414的一端通过横移丝杆固定座418安装在横臂本体上，横移丝杆固定座418固定安装在横臂本体另一端的侧面，横移丝杆414的一端活动安装在横移丝杆固定座418中，横移丝杆414的另一端与第二离合器413的输出端同轴固定连接，横移拖板417通过横移螺母416同轴套装在横移丝杆414中与横移导轨415滑动连接，第二离合器413的输入端与第二传动轴412的一端同轴固定连接，第二传动轴412的另一端与第三伞齿轮同轴固定连接；第二伞齿轮分别与第一伞齿轮和第三伞齿轮啮合之间形成锥齿轮的伞齿轮副。

六轴机械臂包括机械臂底座9、第一机械臂10、第二机械臂11、第三机械臂12和第四机械臂13；

第二转台6的下端面固定安装在横臂4的横移拖板417上，机械臂底座9固定安装在第二转台6上，第一机械臂10一端固定安装在机械臂底座9上，第一机械臂10另一端通过第一电机与第二机械臂11的一端连接，第一电机用于驱动第二机械臂11运动，第二机械臂11另一端通过第二电机与第三机械臂12一端连接，第二电机用于驱动第三机械臂12运动，第三机械臂12的另一端通过第三电机与第四机械臂13的一端连接，第三电机用于驱动第四机械臂13；第四机械臂13的另一端与作业模块14连接；第一电机、第二电机和第三电机均与控制模块相连。控制模块能通过第一离合器406、第二离合器413、第一伺服电机410控制六轴机器臂在横臂4上滑动和横臂4的平衡。具体为：控制模块控制第二离合器413的状态，实现第一伺服电机410驱动丝杠414控制六轴机械臂在横臂4上滑动，同时控制第一离合器406的状态，实现第一伺服电机410驱动蜗轮403、蜗杆404调节主动平衡块401控制横臂4的平衡。

如图3所示，作业模块14包括作业模块安装座、手腕电机1401、第二减速机1402、力反馈模块和换刀模块1403；

作业模块安装座固定安装在六轴机械臂的第四机械臂13另一端上，手腕电机1401和编码器1407固定安装在作业模块安装座中，换刀模块1403安装在作业模块安装座的前端面，手腕电机1401的输出轴与第二减速机1402的输入端同轴固定连接，第二减速机1402的输出端与力反馈模块相连，力反馈模块与换刀模块1403相连；换刀模块1403上的切割枪分别与乙炔瓶7和氧气瓶8相连；作业模块14可以通过换刀模块1403切换作业模式，完成对工件的抛光、打孔、切割等多功能作业。

力反馈模块包括扭簧1404、第三轴承1405、输出盘1406和编码器1407；

输出盘1406为齿轮状，输出盘1406中部设置有上下贯穿的输出盘轴，输出盘轴通过第三轴承1405安装在输出盘1406的旋转轴上，输出盘轴的一端与扭簧1404的一端固定连接，输出盘轴的另一端与换刀模块1403咬合连接；扭簧1404的另一端与第二减速机1402的输出端相连；

编码器齿轮与输出盘1406啮合形成输出盘齿轮副，编码器齿轮与编码器1407的输出轴同轴套装连接，编码器1407记录输出盘1406转动的角度；手腕电机1401、编码器1407和换刀模块1403与控制模块相连。控制模块能通过力反馈模块的编码器1407记录扭簧1404的偏转角度，调节手腕电机1401的输出扭矩。

如图4所示，换刀模块上设有多个刀具安装端口，每个刀具安装端口安装刀具，多个刀具安装端口沿圆周间隔布置，通过旋转换刀模块来实现刀具的换刀。

图像采集机构包括第一云台15和第一相机16，第一云台15固定于导航驱动机构上表面，第一相机16固定于第一云台15上，第一相机16分别与图像处理模块和控制模块相连，控制模块控制第一相机16采集需要切割、打磨、钻孔的工件图像并将工件图像发送给图像处理模块的图像接收模块。

图像处理模块包括图像接收模块、三维重建模块以及数据发送模块，图像接收模块与图像采集机构相连，三维重建模块与图像接收模块相连，数据发送模块与三维重建模块相连，图像接收模块、三维重建模块以及数据发送模块均与控制模块相连。图像接收模块包括图像采集卡、图像滤波设备以及存储设备。

图像接收模块接收图像采集机构的工件图像，图像处理模块对图像接收模块的工件图像进行三维重建生成三维表面模型，根据三维表面模型数据发送模块向控制模块发送路径控制指令。控制模块接收数据发送模块发送的路径控制指令，控制作业模块沿操作路径作业。

导航驱动机构为设置有导航系统的四轮方形机构，导航系统控制机器人沿着工件运动，配合图像采集机构采集工件的图像，并将采集的图像发送给图像处理模块。四轮方形机构的上表面作为导航驱动机构的上表面，导航系统包括第二云台17、第二相机18、第一照明灯19和第二照明灯20，第二云台17设置在四轮方形机构的上表面，第二相机18固定于第二云台17，第一照明灯19和第二照明灯20分别设置于四轮方形机构正侧面的两侧，第二相机18、第一照明灯19和第二照明灯20均与控制模块相连，第二相机18拍摄工作的场景，向控制模块发送场景图像，控制模块根据场景图像实现路径的规划和障碍物的躲避。

本发明的工作过程：

工作过程中，导航驱动机构的第二相机18实时拍摄工作的场景，不断向控制模块发送场景图像，控制模块根据场景图像实现机器人的路径的规划和障碍物的躲避。控制模块控制图像采集机构的第一相机16采集需要切割、打磨、钻孔的工件图像并将工件图像发送给图像处理模块的图像接收模块，图像接收模块接收图像采集机构的工件图像，图像处理模块对图像接收模块的工件图像进行三维重建生成三维表面模型，根据三维表面模型数据发送模块向控制模块发送路径控制指令。控制模块接收数据发送模块发送的路径控制指令，分别控制横臂4、六轴机械臂和作业模块14沿操作路径作业，实现工件的切割、打磨、钻孔。