本發(fā)明涉及搬運(yùn)機(jī)器人，具體為一種智能監(jiān)測(cè)型防碰避障搬運(yùn)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、在工業(yè)自動(dòng)化、物流倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域，搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)揮著日益重要的作用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和物流效率要求的提高，傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人逐漸暴露出一些問(wèn)題，例如，在復(fù)雜的工作環(huán)境中，工廠車間內(nèi)設(shè)備布局緊湊、物料堆放雜亂，或者物流倉(cāng)庫(kù)中貨物存儲(chǔ)密集、人員流動(dòng)頻繁，傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人由于缺乏有效的防碰避障能力，容易發(fā)生碰撞事故，導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷，甚至可能造成人員傷亡。

2、現(xiàn)有的搬運(yùn)機(jī)器人存在的缺陷是：

3、1、專利文件us06852644b2公開了大氣機(jī)器人搬運(yùn)設(shè)備，但是上述文件中的機(jī)器人搬運(yùn)設(shè)備，無(wú)法形成“觸覺(jué)－視覺(jué)”協(xié)同感知，難以精確控制夾持力和保證載具移動(dòng)過(guò)程中機(jī)械手的防避障效果；

4、2、專利文件us4846619a公開了機(jī)器人物料搬運(yùn)系統(tǒng)，但是上述文件中的機(jī)器人在生成運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，沒(méi)有綜合考慮碰撞風(fēng)險(xiǎn)、路徑長(zhǎng)度、能耗及機(jī)械手關(guān)節(jié)空間約束等多個(gè)因素，導(dǎo)致生成的指令不是最優(yōu)的，在保證安全性的同時(shí)無(wú)法有效降低能耗，影響了機(jī)器人的整體性能和效率；

5、3、專利文件us6059092a公開了物料搬運(yùn)機(jī)器人和導(dǎo)軌裝配，但是上述文件中的搬運(yùn)機(jī)器人缺乏快速生成局部避障路徑的有效方法，無(wú)法依托實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在復(fù)雜環(huán)境中迅速規(guī)劃出可行路徑，導(dǎo)致機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)反應(yīng)遲緩，容易陷入困境；

6、4、專利文件cn109571449a公開了一種具有防護(hù)與避障能力的搬運(yùn)機(jī)器人，但是上述文件中的機(jī)器人缺乏有效的虛實(shí)同步機(jī)制，無(wú)法保障虛擬模型與實(shí)體設(shè)備的動(dòng)態(tài)一致性，導(dǎo)致虛擬仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況存在較大偏差，不能充分發(fā)揮虛擬仿真的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種智能監(jiān)測(cè)型防碰避障搬運(yùn)機(jī)器人，以解決上述背景技術(shù)中提出的技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種智能監(jiān)測(cè)型防碰避障搬運(yùn)機(jī)器人，包括多自由度機(jī)械手、移動(dòng)載具和防碰避障機(jī)構(gòu)，所述多自由度機(jī)械手的底部通過(guò)磁吸式快換接口安裝于移動(dòng)載具的頂部，所述多自由度機(jī)械手和移動(dòng)載具上均設(shè)置有防碰避障機(jī)構(gòu)；

3、所述多自由度機(jī)械手由基座單元和關(guān)節(jié)鏈組成，且基座單元的尾端固定連接于關(guān)節(jié)鏈的前端，所述基座單元包括雙編碼器伺服電機(jī)與諧波減速器，用于提供±360°無(wú)限旋轉(zhuǎn)能力，并保證旋轉(zhuǎn)角度定位的精度，所述關(guān)節(jié)鏈的末端安裝有模塊化工具接口，用于快速更換夾爪、真空吸盤或柔性?shī)A持板，所述工具接口的內(nèi)部設(shè)置有接近傳感器和第一力覺(jué)傳感器，用于檢測(cè)工具的夾持效果和夾持力度；

4、所述防碰避障機(jī)構(gòu)包括傳感器系統(tǒng)、預(yù)測(cè)性控制算法模塊、動(dòng)態(tài)避障模塊和數(shù)字孿生技術(shù)，所述傳感器系統(tǒng)包括毫米波雷達(dá)、360°全景相機(jī)、激光雷達(dá)和紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)，所述毫米波雷達(dá)安裝于移動(dòng)載具外壁底部的四角，用于穿透性感知復(fù)雜環(huán)境中的隱蔽障礙物，360°全景相機(jī)安裝于移動(dòng)載具的外壁，用于獲取周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，所述激光雷達(dá)安裝于移動(dòng)載具前端的頂部，用于高精度掃描前進(jìn)方向的三維環(huán)境，所述紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)安裝于移動(dòng)載具的頂部，用于建立多自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)系，且四種傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（cnn）與長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（lstm）進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)環(huán)境感知；

5、毫米波雷達(dá)采用工作頻率77ghz，探測(cè)距離0.2－50m，穿透衰減≤3db，360°全景相機(jī)采用4k雙魚眼鏡頭，幀率60fps，暗光環(huán)境下信噪比＞40db，激光雷達(dá)采用16線掃描，角分辨率0.1°，最大探測(cè)距離100m，紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)的波長(zhǎng)850nm，標(biāo)定精度±0.05mm；

6、基座單元包括雙編碼器伺服電機(jī)（20位分辨率）與諧波減速器（減速比80:1）組合，實(shí)現(xiàn)±360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)（定位精度±0.1°），工具接口內(nèi)置的接近傳感器（量程0－200mm）和第一力覺(jué)傳感器（精度±0.5%），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)夾持狀態(tài)。

7、優(yōu)選的，所述預(yù)測(cè)性控制算法模塊采用基于多模態(tài)環(huán)境感知數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡中的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)避障模塊優(yōu)化運(yùn)動(dòng)路徑和能耗，預(yù)測(cè)性控制算法模塊包括多模態(tài)數(shù)據(jù)融合單元、時(shí)空聯(lián)合預(yù)測(cè)單元和多目標(biāo)優(yōu)化單元。

8、優(yōu)選的，所述多模態(tài)數(shù)據(jù)融合單元采用特征級(jí)融合策略，對(duì)毫米波雷達(dá)、360°全景相機(jī)、激光雷達(dá)和紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)處獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和融合，形成全面的環(huán)境感知模型，時(shí)空聯(lián)合預(yù)測(cè)單元基于融合后的數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波與深度學(xué)習(xí)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)3秒內(nèi)的障礙物運(yùn)動(dòng)軌跡，多目標(biāo)優(yōu)化單元用于根據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)動(dòng)路徑距離、能耗和多自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)系，采用nsga－ⅱ算法生成優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)指令，并基于nsga－ii算法，以路徑距離（權(quán)重0.4）、能耗（權(quán)重0.3）、多自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)系（權(quán)重0.3）為目標(biāo)函數(shù)，生成帕累托最優(yōu)路徑。

9、優(yōu)選的，所述動(dòng)態(tài)避障模塊采用分級(jí)響應(yīng)機(jī)制，包括一級(jí)避障單元、二級(jí)避障單元和三級(jí)避障單元，所述一級(jí)避障單元基于實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)窗口法（dwa）生成局部避障路徑，二級(jí)避障單元基于在檢測(cè)到動(dòng)態(tài)障礙物（速度＞1m/s）時(shí)，觸發(fā)速度障礙法（vo）采用相對(duì)速度閾值1.2m/s，結(jié)合障礙物運(yùn)動(dòng)矢量方向進(jìn)行軌跡重規(guī)劃，三級(jí)避障單元基于極端情況下激活緊急制動(dòng)協(xié)議，移動(dòng)載具緊急停止，多自由度機(jī)械手停止動(dòng)作并收縮至安全位置。

10、優(yōu)選的，所述數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的虛擬模型包括物理屬性單元、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模單元、實(shí)時(shí)同步單元和優(yōu)化反饋單元，用于實(shí)現(xiàn)物理機(jī)器人與虛擬模型的實(shí)時(shí)同步，虛擬模型用于對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、避障策略、任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行仿真優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至物理機(jī)器人。

11、優(yōu)選的，所述物理屬性單元基于有限元分析的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模單元采用denavit－h(huán)artenberg參數(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)鏈逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，實(shí)時(shí)同步單元用于通過(guò)5g模塊以100hz頻率同步物理與虛擬機(jī)器人狀態(tài)，優(yōu)化反饋單元用于在虛擬環(huán)境中預(yù)演避障策略，并將優(yōu)化結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至物理機(jī)器人。

12、優(yōu)選的，所述移動(dòng)載具的外壁的四角均開設(shè)有一組限位槽，限位槽的內(nèi)部嵌合安裝有第二力覺(jué)傳感器，第二力覺(jué)傳感器的一端固定連接有減震器，且減震器的外壁活動(dòng)連接于限位槽的內(nèi)部，減震器的另一端固定連接有連接塊，連接塊的外壁活動(dòng)連接有防護(hù)板，連接塊的外壁均開設(shè)有一組安裝槽，安裝槽的內(nèi)部活動(dòng)連接有壓力彈簧，壓力彈簧的一端活動(dòng)連接有半圓限制塊，半圓限制塊的外壁活動(dòng)連接于半圓限制孔的內(nèi)壁，且半圓限制孔開設(shè)于防護(hù)板的內(nèi)壁。

13、優(yōu)選的，所述第二力覺(jué)傳感器檢測(cè)到碰撞力＞100n時(shí)，減震器切換至高壓模式，阻尼力提升300%，360°全景相機(jī)對(duì)碰撞區(qū)域進(jìn)行3秒視頻記錄。

14、優(yōu)選的，該智能監(jiān)測(cè)型防碰避障搬運(yùn)機(jī)器人的工作步驟如下：

15、s1、啟動(dòng)移動(dòng)載具和多自由度機(jī)械手，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確保各部件正常工作，初始化傳感器系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、360°全景相機(jī)、激光雷達(dá)和紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)，確保傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；

16、s2、利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（cnn）與長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（lstm）對(duì)四種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)環(huán)境感知，構(gòu)建機(jī)器人周圍的環(huán)境模型；

17、s3、根據(jù)任務(wù)需求，規(guī)劃移動(dòng)載具的行駛路徑，利用激光雷達(dá)和360°全景相機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航，確保機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置；

18、s4、根據(jù)搬運(yùn)物體的特性，通過(guò)模塊化工具接口快速更換合適的夾爪、真空吸盤或柔性?shī)A持板；

19、s5、一級(jí)避障：基于實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一級(jí)避障單元采用動(dòng)態(tài)窗口法（dwa）生成局部避障路徑，避免與靜態(tài)障礙物發(fā)生碰撞；

20、二級(jí)避障：當(dāng)檢測(cè)到動(dòng)態(tài)障礙物（速度＞1m/s）時(shí)，二級(jí)避障單元觸發(fā)速度障礙法（vo），采用相對(duì)速度閾值1.2m/s，結(jié)合障礙物運(yùn)動(dòng)矢量方向進(jìn)行軌跡重規(guī)劃，確保機(jī)器人能夠安全繞過(guò)動(dòng)態(tài)障礙物；

21、三級(jí)避障：在極端情況下，如遇到無(wú)法避免的碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，三級(jí)避障單元激活緊急制動(dòng)協(xié)議，移動(dòng)載具緊急制動(dòng)，多自由度機(jī)械手停止動(dòng)作并收縮至安全位置，以最大程度減少碰撞損失。

22、優(yōu)選的，在所述s4中還包括如下步驟：

23、s41、利用接近傳感器和第一力覺(jué)傳感器檢測(cè)工具的夾持效果和夾持力度，確保搬運(yùn)過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

25、1.本發(fā)明通過(guò)基座單元采用的雙編碼器伺服電機(jī)與諧波減速器的設(shè)置，在實(shí)現(xiàn)±360°無(wú)限制旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，保證其定位精確，末端創(chuàng)新的模塊化工具接口能夠智能識(shí)別夾爪、吸盤和柔性?shī)A持板，配合工具內(nèi)置的第一力覺(jué)傳感器與接近傳感器，用于形成“觸覺(jué)－視覺(jué)”協(xié)同感知，提高夾持力控制精度，既能避免易碎品破損，又能夠確保金屬工件夾持穩(wěn)定性，再通過(guò)關(guān)節(jié)鏈和紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)的設(shè)置，在避障過(guò)程中實(shí)現(xiàn)末端工具位姿的實(shí)時(shí)保持，同時(shí)獲取多自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)系，保證移動(dòng)載具帶動(dòng)多自由度機(jī)械手移動(dòng)時(shí)的防碰避障效果；

26、2.本發(fā)明通過(guò)多模態(tài)數(shù)據(jù)融合單元采用特征級(jí)融合策略，獲取多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，達(dá)到提升環(huán)境感知的全面性與魯棒性，而時(shí)空聯(lián)合預(yù)測(cè)單元?jiǎng)t通過(guò)卡爾曼濾波與深度學(xué)習(xí)模型的融合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物未來(lái)秒內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，有效預(yù)判動(dòng)態(tài)障礙物的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，再通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化單元基于nsga－ⅱ算法，綜合權(quán)衡碰撞風(fēng)險(xiǎn)、路徑長(zhǎng)度、能耗及機(jī)械手關(guān)節(jié)空間約束，生成最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令，在確保安全性的同時(shí)降低能耗，三者協(xié)同工作，形成從環(huán)境感知→風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)→動(dòng)態(tài)決策的閉環(huán)控制鏈，使機(jī)器人具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)避障能力與自適應(yīng)路徑規(guī)劃效率，在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中提升作業(yè)安全性和任務(wù)執(zhí)行成功率；

27、3.本發(fā)明通過(guò)三級(jí)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制，構(gòu)建出高效、精準(zhǔn)且安全的避障體系，一級(jí)避障單元采用動(dòng)態(tài)窗口法（dwa），依托實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速生成局部避障路徑，確保多自由度機(jī)械手在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)規(guī)劃出可行路徑，二級(jí)避障單元針對(duì)速度超過(guò)1m/s的動(dòng)態(tài)障礙物，引入速度障礙法（vo），以1.2m/s相對(duì)速度閾值為觸發(fā)條件，結(jié)合障礙物運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)判其軌跡，并進(jìn)行軌跡重規(guī)劃，提升對(duì)高速障礙物的規(guī)避能力，三級(jí)避障單元?jiǎng)t作為安全兜底，在極端工況下立即激活緊急制動(dòng)協(xié)議，形成三重防護(hù)屏障，進(jìn)而提高多自由度機(jī)械手1在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的靈活性與安全性；

28、4.本發(fā)明通過(guò)物理屬性單元基于有限元分析的高精度機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真，精準(zhǔn)模擬機(jī)器人各部件的受力分布，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模單元采用denavit－h(huán)artenberg參數(shù)構(gòu)建關(guān)節(jié)鏈逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間與工作空間的快速解算，實(shí)時(shí)同步單元通過(guò)5g模塊以100hz高頻同步物理與虛擬機(jī)器人狀態(tài)，保障虛擬模型與實(shí)體設(shè)備的動(dòng)態(tài)一致性，優(yōu)化反饋單元利用虛擬環(huán)境中的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法預(yù)演避障策略與任務(wù)規(guī)劃方案，通過(guò)仿真優(yōu)化提前驗(yàn)證控制邏輯可行性，并將優(yōu)化參數(shù)實(shí)時(shí)下發(fā)至物理機(jī)器人，形成“感知－仿真－優(yōu)化－執(zhí)行”的閉環(huán)控制流程，進(jìn)而大幅提升機(jī)器人作業(yè)效率與安全性。