机器人控制系统的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人控制系统。


背景技术：

2.随着科学技术快速地发展，越来越多的生产企业使用工业机器人来替代人类完成一些重复、繁重、危险的体力劳动。特别是在核辐射环境下，人员无法在核辐射环境下工作，因此，考虑用大负载的机器人来替代人工来进行工作成了不二之选。
3.现有的机器人控制系统通常是仅依靠机器人将现场的环境信息的视频信息发送给远程端，远程端根据该视频信息生成控制指令来对机器人进行控制来执行相应的任务。
4.然而这种控制系统仅仅是机器人传回的视频信息来生成控制指令，以对机器人进行控制执行相应的任务，因此存在控制准确性不高的问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种机器人控制系统，能够提高机器人控制的准确性。
6.一种机器人控制系统，该系统包括机器人、远程操控设备；机器人包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器，远程操控设备包括虚拟现实组件以及力反馈手柄；
7.编码器，用于获取机械臂的关节状态信息，机器人，用于将关节状态信息发送至远程操控设备；
8.虚拟现实组件，用于根据接收到的关节状态信息以及预设的机器人的三维模型生成并显示机器人的虚拟现实姿态图像；
9.腕力传感器，用于获取机械臂的作用力；
10.机器人，用于将作用力发送至远程操控设备；
11.远程操控设备，用于根据作用力设置力反馈手柄的操控阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送至机器人，以使机器人进行相应的动作。
12.在一个实施例中，机器人还包括：环境感知组件、第一处理组件和动力控制组件；
13.环境感知组件，用于检测并获取机器人的环境信息，并将环境数据发送给第一处理组件；
14.第一处理组件，用于根据环境信息规划机器人的行动路径，并根据机器人的行动路径生成第一控制指令；
15.动力控制组件，用于根据第一控制指令控制机器人执行相应的运动。
16.在一个实施例中，环境数据包括：物体图像、障碍物数据和三维环境数据；环境感知组件包括：云台相机、三维激光雷达和固态激光雷达；
17.云台相机，用于拍摄物体图像，并将物体图像发送给第一处理组件；
18.三维激光雷达，用于获取三维环境数据，并将三维环境数据发送给第一处理组件；
19.固态激光雷达，用于获取障碍物数据，并将障碍物数据发送给第一处理组件；
20.第一处理组件，具体用于根据物体图像识别得到目标物体；根据三维环境数据生成环境地图，并根据环境地图确定目标物体的位置信息；根据环境地图、目标物体的位置信息和障碍物数据规划机器人的行动路径，并根据机器人的行动路径生成第一控制指令。
21.在一个实施例中，环境感知组件还包括伽马相机；伽马相机，用于获取辐射剂量信息；第一处理组件，还用于根据三维环境数据和辐射剂量信息生成环境地图，根据环境地图、目标物体的位置信息和障碍物数据规划机器人的行动路径，并根据机器人的行动路径生成第一控制指令。
22.在一个实施例中，机器人还包括：惯性传感器；惯性传感器，用于检测机器人的运动特性并获取机器人的速度参数，并将速度参数发送给第一处理组件；
23.第一处理组件，具体用于根据环境地图和速度参数确定机器人的位置信息，根据环境地图、目标物体的位置信息、障碍物数据和机器人的位置信息规划机器人的行动路径，并根据机器人的行动路径生成第一控制指令。
24.在一个实施例中，机器人还包括：手眼相机，用于拍摄机械臂周围的物体图像，并将机械臂周围的物体图像发送给第一处理组件；
25.第一处理组件根据机械臂周围的物体图像和环境信息规划各机械臂的行动路径生成相应的第二控制指令和第三控制指令；
26.动力控制组件，根据第二控制指令和第三控制指令分别控制各机械臂执行相应的运动。
27.在一个实施例中，机器人还包括液压控制组件；
28.动力控制组件，还用于将第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令发送给液压控制组件；
29.液压控制组件，用于根据第一控制指令控制机器人执行相应的运动，根据第二控制指令和第三控制指令控制各机械臂执行相应的运动。
30.在一个实施例中，机械臂上还包括夹爪工具头，机器人还包括夹持力传感器，夹持力传感器设置于夹爪工具头上；
31.夹持力传感器，用于获取夹爪工具头的夹持力，并将夹持力发送至第一处理组件；
32.第一处理组件，还用于接收夹持力，并根据作业工具头作用的物体的重量来调整夹持力。
33.在一个实施例中，系统还包括：通信系统，通信系统包括：设置于远程控制端的路由器、设置于机器人中的无线网桥以及设置于机器人的行进路径上的至少一个无线网络中继器；
34.第一处理组件，实时检测通信系统的网络信号；
35.机器人，在网络信号小于预设阈值的位置放置一个无线网络中继器。
36.在一个实施例中，机器人还包括第二处理组件；
37.第二处理组件用于，监测第一处理组件的运行状态，并当第一处理组件失效时，控制机器人返回至初始位置。
38.本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
39.本技术实施例提供的机器人控制系统包括：机器人和远程操控设备，其中，机器人
包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器，远程操控设备包括虚拟现实组件以及力反馈手柄，通过编码器获取机械臂的关节状态信息，机器人将该关节状态信息发送给远程操控设备，然后远程操控设备中的虚拟现实组件根据接收到的关节状态图以及预设的机器人的三维模型生成并显示机器人的虚拟显示姿态图像。同时，腕力传感器还用于获取机械臂的作用力，机器人将该作用力发送至远程操控设备，然后远程操控设备根据该作用力设置力反馈手柄的操作阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送给机器人，使得机器人根据操作指令进行相应的动作。本技术实施例提供的机器人控制系统可以实时建立机器人的虚拟现实姿态图像，可以给远程操作者丰富的视觉感知，并通过作用力的反馈可以给操作者提供真实的力觉感知，能够提高机器人控制的准确性。
40.进一步的，本技术实施例提供的机器人控制系统，可以通过环境感知组件检测并获取机器人的环境信息，并将环境数据发送给第一处理组件，然后第一处理组件根据环境信息规划机器人的行动路径，并根据机器人的行动路径生成第一控制指令，最后动力控制组件根据第一控制指令控制机器人执行相应的运动，以此机器人实现环境信息的自主检测，并根据环境信息自主规划行动路径，最终机器人不需要远程操控设备可以实现自主导航和运动，可以提高机器人的智能性。
附图说明
41.图1为本技术实施例提供的机器人控制系统的结构框图；
42.图2为本技术实施例提供的远程操控设备的结构框图；
43.图3为本技术实施例提供的环境感知组件的结构框图；
44.图4为本技术实施例提供的通信系统的结构框图；
45.图5为本技术实施例提供的液压控制组件的结构框图；
46.图6为本技术实施例提供的第二处理组件的结构框图；
47.图7为本技术实施例提供的动力系统的结构框图。
具体实施方式
48.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
49.本技术实施例提供的机器人控制系统，适用于机器人技术领域，该机器人控制系统制系统可以实时建立机器人的虚拟现实姿态图像，可以给远程操作者丰富的视觉感知，并通过作用力的反馈可以给操作者提供真实的力觉感知，能够提高机器人控制的准确性。
50.随着科学技术快速地发展，越来越多的生产企业使用工业机器人来替代人类完成一些重复、繁重、危险的体力劳动。特别是在核辐射环境下，人员无法在核辐射环境下工作，以福岛核事故现场为例，现场设备受损严重，需要大负载救援设备对倒塌的混凝土进行破拆，对碎石进行抓取搬运，对倒伏的管道进行切割转运，对破损的金属物进行切除搬运，对栅格板等薄性材料进行抓取搬运，对废液桶进行无撒漏的搬运等，以便其它的救援设备或人员可第一时间到达作业区域。因此需要一款能够实现核事故复杂处置和有效大负载搬运的救援机器人。现有的机器人控制系统通常是仅依靠机器人将现场的环境信息的视频信息
发送给远程端，远程端根据该视频信息生成控制指令来对机器人进行控制来执行相应的任务。然而这种控制系统仅仅是机器人传回的视频信息来生成控制指令，以对机器人进行控制执行相应的任务，因此存在控制准确性不高的问题。
51.本技术实施例提供的机器人控制系统包括：机器人和远程操控设备，其中，机器人包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器，远程操控设备包括虚拟现实组件以及力反馈手柄，通过编码器获取机械臂的关节状态信息，机器人将该关节状态信息发送给远程操控设备，然后远程操控设备中的虚拟现实组件根据接收到的关节状态图以及预设的机器人的三维模型生成并显示机器人的虚拟显示姿态图像。同时，腕力传感器还用于获取机械臂的作用力，机器人将该托举力发送至远程操控设备，然后远程操控设备根据该作用力设置力反馈手柄的操作阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送给机器人，使得机器人根据操作指令进行相应的动作。本技术实施例提供的机器人控制系统可以实时建立机器人的虚拟现实姿态图像，可以给远程操作者丰富的视觉感知，并通过作用力的反馈可以给操作者提供真实的力觉感知，能够提高机器人控制的准确性。
52.下面以具体的实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本技术的实施例进行描述。
53.图1为本技术实施例提供的机器人控制系统的结构框图。如图1所示，该控制系统包括：远程操控设备10和机器人20。
54.如图2和图3所示，机器人20包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器214，远程操控设备10包括虚拟现实组件11以及力反馈手柄；编码器，用于获取机械臂的关节状态信息，机器人20用于将关节状态信息发送至远程操控设备10；虚拟现实组件11用于根据接收到的关节状态图以及预设的机器人20的三维模型生成并显示机器人20的虚拟现实姿态图像；腕力传感器214用于获取机械臂的作用力；机器人20用于将托举力发送至远程操控设备10；远程操控设备10用于根据作用力设置力反馈手柄的操控阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送至机器人20，以使机器人20进行相应的动作。
55.其中，腕力传感器214位于机器人20的环境感知组件21中。远程操控设备10包括：虚拟现实组件11、地图显示模块13、视频显示模块12和人机交互模块14，该人机交互模块14包括控制面板和力反馈手柄。
56.其中，机器人20从结构上可以分为移动载体和两个机械臂。
57.该虚拟现实组件11还可以接收操作者的控制指令，并根据该控制指令对机器人20的姿态等进行预测仿真，防止因为操作错误出现碰撞等问题。
58.同时，控制面板可以实现机器人20各模块启停、操作模式切换、相机视野调整等功能。该远程操控设备10还用于对显示机器人20拍摄的现场视频图像。
59.本技术实施例提供的机器人20控制系统包括：机器人20和远程操控设备10，其中，机器人20包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器214，远程操控设备10包括虚拟现实组件11以及力反馈手柄，通过编码器获取机械臂的关节状态信息，机器人20将该关节状态信息发送给远程操控设备10，然后远程操控设备10中的虚拟现实组件11根据接收到的关节状态图以及预设的机器人20的三维模型生成并显示机器人20
的虚拟显示姿态图像。同时，腕力传感器214还用于获取机械臂的作用力，机器人20将该作用力发送至远程操控设备10，然后远程操控设备10根据该作用力设置力反馈手柄的操作阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送给机器人20，使得机器人20根据操作指令进行相应的动作。本技术实施例提供的机器人20控制系统可以实时建立机器人20的虚拟现实姿态图像，可以给远程操作者丰富的视觉感知，并通过作用力的反馈可以给操作者提供真实的力觉感知，能够提高机器人20控制的准确性。
60.如图3所示，环境感知组件21，用于检测并获取机器人20的环境信息，并将环境数据发送给第一处理组件22；第一处理组件22，用于根据环境信息规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令；动力控制组件，用于根据第一控制指令控制机器人20执行相应的运动。
61.在实际应用中，环境感知组件21检测并获取机器人20的环境信息，并将环境数据发送给第一处理组件22，然后第一处理组件22根据环境信息规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令，最后动力控制组件根据第一控制指令控制机器人20执行相应的运动，以此机器人20实现环境信息的自主检测，并根据环境信息自主规划行动路径，最终机器人20不需要远程操控设备10可以实现自主导航和运动，可以提高机器人20的智能性。
62.如图3所示，环境数据包括：物体图像、障碍物数据和三维环境数据；环境感知组件21包括：云台相机213、三维激光雷达211和固态激光雷达215；云台相机213用于拍摄物体图像，并将物体图像发送给第一处理组件22；三维激光雷达211用于获取三维环境数据，并将三维环境数据发送给第一处理组件22；固态激光雷达215用于获取障碍物数据，并将障碍物数据发送给第一处理组件22。
63.第一处理组件22，具体用于根据物体图像识别得到目标物体；根据三维环境数据生成环境地图，并根据环境地图确定目标物体的位置信息；根据环境地图、目标物体的位置信息和障碍物数据规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令。
64.其中，目标物体可以为机器人20待搬运、待处理或者待检测的物体；可选的，云台相机213和三维激光雷达211安装在移动载体的顶部，固态激光雷达215安装在移动载体的四周。
65.在实际应用中，云台相机213拍摄的物体图像、三维激光雷达211获取的三维环境数据和固态激光雷达215获取的障碍物数据均发送给第一处理组件22，第一处理组件22根据首先根据物体图像识别得到目标物体、根据三维环境数据生成环境地图以及根据环境地图确定目标物体的位置信息，然后根据环境地图、目标物体的位置信息和障碍物数据规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令，最后动力控制组件根据第一控制指令控制机器人20执行相应的运动，以此机器人20可以自主识别目标物体，并自主根据环境地图来规划行动路径，同时根据障碍物信息进行主动避障，本技术实施例提供的机器人20控制系统可以提高机器人20的智能化程度。
66.进一步的，机器人20还会将环境地图发送给远程操控设备10，远程操控设备10可以根据该环境地图和预设的现场环境模块，来对机器人20所处的环境进行显示，便于操作者进行观测和控制。
67.在一个实施例中，如图3所示，环境感知组件21还包括伽马相机216，伽马相机216，用于获取辐射剂量信息；第一处理组件22，还用于根据三维环境数据和辐射剂量信息生成环境地图，根据环境地图、目标物体的位置信息和障碍物数据规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令。
68.可选的，伽马相机216可以设置于移动载体的顶部，用来获取机器人20现场的辐射剂量信息。
69.通过将获取的辐射剂量信息发送给远程操控设备10，远程操控设备10控制显示屏显示辐射剂量信息，可以对机器人20现场的核辐射的分布情况进行观测。同时，通过对现场辐射剂量信息的检测可以在机器人20的路径规划时避开高剂量区域，降低机器人受辐射程度。
70.如图3所示，机器人20还包括：惯性传感器212；惯性传感器212，用于检测机器人20的运动特性并获取机器人20的速度参数，并将速度参数发送给第一处理组件22；第一处理组件22，具体用于根据环境地图和速度参数确定机器人20的位置信息，根据环境地图、目标物体的位置信息、障碍物数据和机器人20的位置信息规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令。
71.可选的，惯性传感器212安装在移动载体的底盘中心，用于获取机器人20的加速度或角速度。
72.第一处理组件22根据环境地图和机器人20的速度参数来对机器人20进行定位，然后根据环境地图、目标物体的位置信息、障碍物数据和机器人20的位置信息规划机器人20的行动路径，并根据机器人20的行动路径生成第一控制指令，最后动力控制组件根据第一控制指令控制机器人20执行相应的运动。通过惯性传感器212获取机器人20的运动特性，并对机器人20进行定位，可以避免由于机器人20运行速度导致的定位误差。
73.进一步的，机器人20还用于将机器人20的位置信息，障碍物数据发送给远程操控设备10，远程操控设备10可以对机器人20在环境地图中的位置和机器人20周围障碍物情况进行显示。
74.如图3所示，手眼相机217还用于：拍摄机械臂周围的物体图像，并将机械臂周围的物体图像发送给第一处理组件22；第一处理组件22根据机械臂周围的物体图像和环境信息规划各机械臂的行动路径生成相应的第二控制指令和第三控制指令，根据第二控制指令和第三控制指令分别控制动力控制组件以使各机械臂执行相应的运动。
75.其中，根据机械臂周围环境，两个机械臂的行动路径可以相同也可以不同。
76.在实际应用中，第一处理组件22根据机械臂周围的物体图像和环境信息规划各机械臂的行动路径生成相应的第二控制指令和第三控制指令，然后动力控制组件根据第二控制指令和第三控制指令以使各机械臂执行相应的运动，以实现从两个机械臂从当前位置到目标物体位置的无碰撞运动。
77.此外，第一处理组件22还用于接收操作者基于远程操控设备10发送的目标位置，第一处理组件22根据该目标位置规划出机械臂无碰撞的运动路径。
78.进一步的，根据机械臂所要执行的任务，可以在关节空间对机械臂的自由度进行分配，也可以在笛卡尔空间对机械臂的自由度进行分配，其中，机械臂的自由度一部分可以由操作者通过远程操控设备10进行控制，执行操作者期望的运动，一部分由机械臂中的第
一处理组件22进行控制，通过两种控制方式可以实现双臂之间的配合来进行协同作业，可以完成复杂的作业任务。
79.机械臂上还包括夹爪工具头，机器人20还包括夹持力传感器218，夹持力传感器218设置于夹爪工具头上；夹持力传感器218用于获取夹爪工具头的夹持力，并将夹持力发送至第一处理组件22；第一处理组件22还用于接收夹持力，并根据作业工具头作用的物体的重量来调整夹持力。
80.此外，机械臂上还装有其他的工具头，第一处理组件22还可以根据任务指令对机械臂上的工具头进行自主更换，其智能化程度更高。
81.如图4所示，该机器人20控制系统还包括：通信系统30，通信系统30包括：设置于远程控制端的路由器31、设置于机器人20中的无线网桥33以及设置于机器人20的行进路径上的至少一个无线网络中继器32；第一处理组件22还用于实时检测通信系统30的网络信号；机器人20还用于在网络信号小于预设阈值的位置放置一个无线网络中继器32。
82.其中，该通信系统30以自组网方式工作，实现远程操控设备10和机器人20端的无线通信。
83.在一种实施方式中，机器人20上装有至少一个无线网络中继器32，第一处理组件22实时检测通信系统30的网络信号，当某一位置的网络信号小于预设阈值，机器人20则放置一个无线网络中继器32。
84.在另一种实施方式中，操作者通过远程操控设备10控制机器人20前进后退和转向，并在机器人20行进过程中遇到重屏蔽体时，远程操控设备10向机器人20发送放置无线网络中继器32的指令，机器人20会放置一个无线网络中继器32。
85.可选的，重屏蔽体可以为厚重的水泥墙体或无线信号难以穿透的物体。
86.通过放置无线网络中继器32可以增加网络覆盖范围，避免由于网络信号差导致数据无法传输的情况。
87.如图5所示，该机器人20还包括液压控制组件25，动力控制组件，还用于将第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令发送给液压控制组件；液压控制组件，用于根据第一控制指令控制机器人20执行相应的运动，根据第二控制指令和第三控制指令控制各机械臂执行相应的运动。
88.其中，液压控制组件25包括高精度轴控制器251、放大器252、切换模块253、高精度比例阀254等。
89.在实际应用中，通过液压控制组件25根据第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令对机器人20和机械臂进行控制可以提高控制的精准度，进而提高机器人20的作业精度。
90.如图6所示，机器人20还包括第二处理组件23；第二处理组件23用于，监测第一处理组件22的运行状态，并当第一处理组件22失效时控制机器人20返回至初始位置。
91.其中，第二处理组件23包括：监控模块231、车体运动控制模块232和机械臂运动控制模块233等构成。监控模块231用于监控第一处理组件22的运行状态，车体运动控制模块232和机械臂运动控制模块233为冗余的应急控制模块。
92.在正常工作模式下，由第一处理组件22来控制移动载体和机械臂运动。当发现机器人20主控系统出现故障时，由第二处理组件23来控制移动载体和机械臂运动，使机器人
20从现场撤离。
93.其中，根据机器人的应用环境，第二处理组件23中的电子元器件由耐辐照材料制备而成，可以避免辐照影响，因此在强辐射环境下，当第一处理组件22受辐照影响失效时第二处理组件23还可以正常工作。
94.如图7所示，该机器人20还包括动力系统24，该动力系统24由柴油机发电系统241、ups(不间断电源，uninterruptible power supply)系统242、电源转换模块243等构成，该系统为机器人20提供直接动力。
95.本技术实施例提供的机器人控制系统包括：机器人20和远程操控设备10，其中，机器人20包括机械臂、设置于机械臂内的编码器以及设置于机械臂上的腕力传感器214，远程操控设备10包括虚拟现实组件11以及力反馈手柄，通过编码器获取机械臂的关节状态信息，机器人20将该关节状态信息发送给远程操控设备10，然后远程操控设备10中的虚拟现实组件11根据接收到的关节状态图以及预设的机器人20的三维模型生成并显示机器人20的虚拟显示姿态图像。同时，腕力传感器214还用于获取机械臂的托举力，机器人20将该作用力发送至远程操控设备10，然后远程操控设备10根据该作用力设置力反馈手柄的操作阻力，并将基于力反馈手柄接收到的操作指令发送给机器人20，使得机器人20根据操作指令进行相应的动作。本技术实施例提供的机器人20控制系统可以实时建立机器人20的虚拟现实姿态图像，可以给远程操作者丰富的视觉感知，并通过作用力的反馈可以给操作者提供真实的力觉感知，能够提高机器人20控制的准确性。
96.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
97.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。