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启明1服务机器人

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启明1服务机器人是一款面向服务型应用的机器人平台,主体结构包括大负载全向移动底盘、可升降的动力脊柱、高精度机械臂和宽视角的立体相机系统,功能上可完成动态目标跟随、语音对话交互和物品识别抓取等任务。机器人在硬件上采用了指标冗余设计,在保证功能多样性的同时具备极高的可靠性。除了进行学术研究之外,还帮助多个企业院校完成领导接待、电视采访和汇报演出等任务,充分展示了用户单位的学术水平,获得了极佳的科技展示效果。


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  • 机械结构

启明1服务机器人的机械结构分为底盘、升降机构、机械手臂和头部四个部分。

  • 底盘

启明1服务机器人采用了三轮全向式移动底盘,可以在不改变朝向的情况下沿水平的任何方向移动,提高运动过程中航姿调整的效率。

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  • 升降机构

启明1服务机器人的背部设计了一个升降机构,机器人的上半身(包括机械臂和头部)可以在竖直方向上主动移动,为识别和抓取不同高度的物体提供了便利。

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  • 机械手臂

启明1服务机器人搭载了一条三自由度的机械手臂,手臂的末端是一个两指机械手爪。机械手臂闲置时可以折叠收拢,避免磕碰周围物体,提高机器人移动时的安全性。需要进行物品抓取时再伸长展开,非常适合移动式的服务机器人应用。

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  • 头部

启明1服务机器人的头部安装了一台RGB-D立体相机,用来识别和定位作业范围内的目标物体,与机械手臂形成一个闭环操作。


  • 传感器

  • 激光雷达

启明1服务机器人的底盘上安装了一枚工业级激光雷达,扫描角度为270°,扫描距离为30米,能够实时检测出周围的障碍物分布,通过SLAM技术进行机器人的自身定位,为机器人的移动导航提供数据基础。

  • 姿态测量系统

启明1服务机器人的底盘内置了一个三轴姿态测量系统,可以实时检测机体的朝向、翻滚及俯仰角度。为机器人的导航提供重要数据,让机器人在运动过程中随时发现倾倒风险,及时采取紧急措施。

  • 立体相机

启明1服务机器人的头部安装了一台RGB-D立体相机,可以输出RGB彩色视频流、Depth深度数据和三维点云,通过OpenCV和PCL等开源图像库,可以对目标物进行准确识别和定位,以便进行后续的机械臂抓取任务。


整机参数

整体重量

60KG

底盘负载

100KG

运动性能

最高速度5.5m/s,最大推力130牛,加速度2m/s2。

驱动方式

三轮全向式

尺寸

长510mm宽590mm高1300mm-1700mm(升降)

电控系统

分布式控制系统,采用总线通讯方式,3路独立高精度无刷伺服控制,嵌入式姿态感应系统。

机械结构

模块化框架设计,机械扩展性强,维修和改装方便。

主体材质

高级航空铝一体成型底盘,高强度铝合金骨架,部分承力结构使用钢制材料。

机体外壳安装橡胶防撞条,可极大缓冲高速运动中与其他物体的碰撞。

通讯方式

USB 2.0

主控电脑

机载PC

Intel I7处理器,4核4.0Ghz主频,8G DDR3内存,120G固态硬盘,配备802.11a/g/n无线网卡。

运动底盘模块

电机驱动

总线控制智能伺服驱动器,具备性能:

1. 高效控制协议,可将电机码盘、电流、力矩等信息实时反馈回上位机;

2. 高扩展性,可支持有刷及无刷伺服电机;

3. 单路驱动功率720W。

电机

三路底盘电机采用工业无刷伺服电机,额定电压24V,功率300W,1024线光编码器;

全向轮

1. 高强度铝合金轮毂;

2. 耐磨高摩擦力橡胶滚轮,可独立更换;

3. 橡胶滚轮内嵌滚珠轴承,具有优秀的高速运动特性。

升降机构

有效行程

400mm

负载能力

20KG

定位精度

0.01mm

驱动功率

150W

机械手臂

自由度

3

臂长

560mm

末端负载

2KG

末端精度

1mm

手爪张开

70mm

夹持力量

20N

立体相机

分辨率

1920×1080

帧率

30 fps

接口

USB 3.0

控制电路

扩展能力

4路12位精度AD采集接口;

4路I/O接口;

1路PWM控制接口。

电源

电池

1. 进口优质锂离子电池,24V 20AH,模块化全密封结构,具有能量密度高、放电能力强、安全性高的特点;

2. 每个电池模块配备独立保护电路,具有过充、过放、过流及短路保护功能;

3. 放电电流50A,放电功率3000W,充电时间3小时。

激光雷达(选配)

扫描范围

270°

探测距离

10m / 20m / 30m

测距精度

3cm

角度精度

0.5°


软件特性

1. URDF模型描述——启明1服务机器人运行ROS操作系统,具备完整的URDF模型描述,可以在ROS系统里直接加载。

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2. 电机码盘里程计——启明1服务机器人装备了带编码器的直流伺服电机,可以在ROS里接收电机码盘计数,从而推算出机器人的移动里程信息。

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3. IMU姿态传感——启明1服务机器人内置了一枚六轴的IMU单元,可以实时获取机器人的姿态信息,为机器人的上层控制算法提供数值依据。

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4. 三维立体视觉——启明1服务机器人采用新一代的TOF立体相机,探测距离达到8米,最大视角70°,可以有效获取视野内的环境物体的三维信息。

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5. 物品检测和抓取——启明1服务机器人通过立体相机获得三维点云,对点云中的物品进行检测和轮廓辨识,计算物品的尺寸和三维空间坐标,进而控制机械臂进行目标物品的抓取动作。

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6. 人脸检测——启明1服务机器人支持Haar特征级联分类器,结合机器人头部的高分辨率摄像机,对环境中的人脸特征进行检测,并根据立体相机采集的点云,计算其三维空间坐标。

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7. 自动充电——启明1服务机器人可以在周围搜索其专属的充电装置,自主引导进入充电坞进行充电。

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8. 动态目标跟随——启明1服务机器人可以快速锁定一个跟踪目标,保持指定距离,一直尾随目标物进行移动。

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9. SLAM环境建图——启明1服务机器人装备了一枚国外进口的高精度激光雷达,可以实时扫描机器人周围的障碍物分布状况,借助HectorSLAM和GMapping算法,创建环境地图。

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10. 自主定位导航——启明1服务机器人将激光雷达扫描的距离信息与电机里程计数据进行融合,使用AMCL方法进行地图定位,结合ROS里的move_base进行自主导航。

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11. 视觉SLAM——启明1服务机器人装备了一枚广角远距离的RGB-D相机,同时采集1080P的高清晰度视频流,是理想的单目视觉SLAM和RGBD-SLAM算法实验平台。硬件结构上还可以扩展双目立体相机,进行Stereo-SLAM的相关研究。

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12. GAZEBO仿真系统——启明1服务机器人配备了完整的物理惯量和传感器参数描述,可以在GAZEBO仿真环境里直接加载。附赠的源码资源中,包含多个物理仿真场景,可以脱离机器人实体,在纯软件环境中先进行算法模拟。

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扩展定制

启明1服务机器人在机械结构和电气组成上保持高度模块化,可以很方便的进行扩展和定制,打造符合用户需求的各种机型。

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