CN104354157B - 一种轮胎搬运机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轮胎搬运机器人，包括搬运机器人本体、安装在搬运机器人本体上的轮胎抓取装置、红外测距传感器、机器人控制器，所述红外测距传感器与机器人控制器连接，用于实时检测目标位置，并把位置信息传送给机器人控制器；所述机器人控制器与搬运机器人本体连接；本发明采用了运动和操作精度更高的垂挂式六自由度直角坐标结构的搬运机器人，以及气缸驱动的轮胎抓取装置，抓取范围可调，能够实现高精度、大行程的运动要求；基于传感器的闭环轨迹规划方法和智能指令系统，大大节约了操作人员示教编程的时间，提高了机器人的运行效率；开放式的机器人控制系统结构，有助于开发人员对机器人控制系统进行后期的扩充和开发，提高系统的柔性。

Description

一种轮胎搬运机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及到一种搬运机器人及其控制方法，特别涉及一种应用于汽车生产线的轮胎搬运机器人及其控制方法。

背景技术

随着现代工业自动化技术的迅速发展，许多人工生产加工的工作领域被工业机器人所代替，汽车生产线中的轮胎搬运作为一项体力繁重而又重复繁琐的作业逐步被工业机器人取代。

然而，由于汽车轮胎的重量较大，再加上机器人末端的轮胎抓取装置，目前，广泛使用的轮胎搬运机器人主要为具有较大负载的通用关节机器人，机器人的购买和维修保养成本较高。大部分用于搬运的工业机器人都采用人工逐步按指令进行程序示教的方式，操作工人需要操作机器人对所需要经过的空间路径进行逐一示教，而且，关节机器人相对于直角坐标机器人的空间坐标并不直观，示教过程难度较大，需要专业的机器人操作工人才能熟练掌握，所需要花费的时间也非常多。另外，如果缺少外部设备的反馈形成闭环控制，直接采用人工示教方式的关节机器人的运动轨迹精度不高，需要人为对所示教的轨迹程序进行不断的修正，从而使机器人得到较为理想的运动轨迹。

从控制系统的角度考虑，目前市场上大部分关节机器人的控制系统都是专业开发，具有封闭性，不易进行二次开发或者进行控制系统的修改，对于一些需求的变化而难以进行修改无法满足控制系统柔性的要求。在汽车生产线中，大部分负责轮胎搬运的机器人并没有与目标工位相关的装置形成位置闭环反馈，机器人的抓取轮胎进行运动的过程对于目标工位装置来说是一种开环的轨迹运动，如果机器人搬运轮胎的实际位置轨迹与目标位置存在较大偏差，而又因为缺少位置反馈，机器人无法识别位置偏差，这不仅造成运动的位置误差，而且有可能产生碰撞甚至其他危险。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明鉴于上述现有情况的不足和生产需要，为了解决轮胎搬运机器人成本较高、示教过程繁琐、搬运位置精度不高、编程效率较低、机器人运行效率不高等方面的缺陷，本发明提出了一种应用于汽车生产线的轮胎搬运机器人及其控制方法。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种轮胎搬运机器人，包括搬运机器人本体、安装在搬运机器人本体上的轮胎抓取装置、红外测距传感器、机器人控制器，所述红外测距传感器与机器人控制器连接，用于实时检测目标位置，并把位置信息传送给机器人控制器；所述机器人控制器与搬运机器人本体连接；其特征在于：

其中，轮胎抓取装置与搬运机器人本体连接处设有可以旋转的第一手腕单元，所述第一手腕单元绕搬运机器人本体的长度方向的第一轴线A旋转；

在该第一手腕单元上，绕大致垂直于所述第一轴线A的第二轴线B可以旋转的设置第二手腕单元；

在该第二手腕单元上，设置有轮胎抓取装置，所述轮胎抓取装置绕大致垂直于第二轴线B的第三轴线C旋转。

所述搬运机器人本体包括底座、活动定位于底座上并与底座垂直设置的悬臂、垂直安装于悬臂末端的前臂；

所述底座设有梁，梁上设有第一导轨，所述悬臂上设有第二导轨，悬臂与底座连接处设有连接件，该连接件与第一导轨和第二导轨连接处分别设有滚轮，使悬臂沿梁的长度方向水平移动，并且使悬臂上下移动；

所述前臂的末端连接第一手腕单元，并且所述第一手腕单元绕前臂的长度方向的第一轴线A旋转。

所述前臂采用皮带传动的伸缩式倍速机构对其长度方向的运动进行控制。

所述机器人控制器上设有显示器。

所述红外测距传感器上设有红外测距传感器，所述轮胎抓取装置的末端为一轮胎抓取执行机构，红外测距传感器设置在轮胎抓取执行机构前端，用于检测汽车轮胎装配螺纹孔位置。

所述轮胎抓取装置采用气缸驱动，具体包括气缸、电磁气阀、轮胎抓取执行机构；电磁阀与汽缸通过气动接头、PU管相连接，汽缸与轮胎抓取执行机构直接连接，通过控制电磁气阀通电断电来控制汽缸的运动，进而控制轮胎抓取执行机构抓取或松开轮胎。

一种轮胎搬运机器人控制方法，具体的搬运方法包括以下步骤：所述

S1、安装调试：将搬运机器人本体、机器人控制器以及红外测距传感器安装在汽车总生产线上，并进行系统调试；

S2、启动：搬运机器人通电后，进入启动过程，搬运机器人完成初始化、自检诊断过程以及自动回零过程，并进行位置校正；

S3、示教：人工示教搬运机器人运动轨迹中的若干关键位置点，并保存指令代码；

S4、取料：搬运机器人运动到取料位置抓取轮胎，经过预先规划的若干中间位置点，到达位置等待点；进行中间位置点规划时，控制系统内部使用单轴运动算法进行规划，以梁的方向X、悬臂的方向Z、前臂的方向Y进行规划，以设定的步长进行计算，并避开障碍物；抓取时，夹爪首先松开，机械手向着轮胎方向运动，在即将到达轮胎位置时，运动速度放缓，轮胎抓取装置沿第一轴线A、第二轴线B、第三轴线C调整轮胎抓取执行机构的姿态，并运行到抓取位置，然后夹紧夹爪抓取轮胎；

S5、检测：红外测距传感器实时检测轮胎的位置信号并发送给机器人控制器；

S6、轨迹规划：机器人控制器将读取的传感信号进行解析，并对目标位置进行规划和轨迹插补；

S7、搬运：搬运机器人从位置等待点，根据规划的运动轨迹运动，并根据反馈的位置信号，并实时监测是否有干涉信号的存在，及时调整搬运机器人本体和抓手的运动，直至完成整个轮胎搬运过程；其中，干涉信号由红外测距传感器提供，当存在干涉时传感器将信号传输给控制器,控制器发出停止信号，搬运机器人停止运动，重新进行规划和轨迹插补，调整搬运机器人本体和抓手的运动，直至完成整个轮胎搬运过程。

搬运机器人抓住轮胎后将轮胎搬运到指定位置的具体过程为：

首先，红外测距传感器信号经过位置采集模块实时发送给搬运机器人控制系统，机器人控制系统实时读取传感信号；

然后，处于等待状态的机器人控制器根据读取的位置信号进行判断，如果满足运动要求就进行位置解析和转换，计算出目标位置，经过路径规划算法模块的目标位置轨迹规划、轨迹优化过程，最终发送运动指令给机器人执行机构；

最后，搬运机器人沿搬运机器人本体梁的方向X、悬臂的方向Z、前臂的方向Y调整轮胎抓取装置的位置，轮胎抓取装置沿第一轴线A、第二轴线B、第三轴线C调整轮胎抓取执行机构的姿态；到达目标位置，从而完成整个运动过程。

有益效果：

本发明提供的轮胎搬运机器人及其控制方法，能够自动完成轮胎搬运过程，大大节约人力成本，并提高生产效率；采用的六自由度直角坐标结构式机器人，以及抓取范围可调的轮胎抓取装置，能够实现高精度、大行程的运动要求；通过智能指令系统及简单的示教过程完成机器人的编程，大大简化了传统人工逐点位置编程的过程；通过红外测距传感器检测汽车轮胎装配螺纹孔位置而实现自动进行轮胎搬运的轨迹规划与运动控制的方法，避免了人工示教繁琐、费时而精度不高的缺陷，实现高效率的轮胎搬运程序规划与运动控制；通过采用开放式的机器人控制系统结构，有助于开发人员对机器人控制系统进行后期的扩充和开发，提高系统的柔性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明的轮胎搬运机器人的结构简图；

图2为本发明的基于传感器信号进行机器人运动控制的原理图；

图3为本发明的轮胎搬运机器人的智能指令系统框架图；

图4为本发明的轮胎搬运机器人的控制系统结构图；

其中，1-Z轴、2-X轴、3-Y轴、4-A轴、5-B轴、6-C轴、7-轮胎抓取装置、8-红外测距传感器、9-机器人控制器装置、10-状态显示模块、11-机器人底座。

具体实施方式

本发明提供一种轮胎搬运机器人及其控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明的轮胎搬运机器人的结构简图。如图所示，所述的轮胎搬运机器人包括：搬运机器人本体，所述搬运机器人本体上设置有以轮胎搬运机器人的梁为X轴2、前臂为Y轴3、悬臂为Z轴1的三个直线运动机构，以及前臂与轮胎抓取装置7连接部位设有第一轴线A轴4、第二轴线B轴5、第三轴线C轴6的三个末端旋转运动轴；以及与搬运机器人本体相连接的机器人控制器9，与机器人控制器9相连接的红外测距传感器装置8，显示器10。所述的X轴2、Y轴3、Z轴1三个直线运动轴遵循笛卡尔坐标系原理，各轴的分布从壁挂基座从X轴2依次经过Z轴1、Y轴3、A轴4、B轴5、C轴6以及轮胎抓取装置7呈现开放式的链状结构；所述的搬运机器人本体连接机器人控制器9连接红外测距传感器8，用于反馈搬运轮胎的实际目标位置并进行干涉检测。

所述的搬运机器人本体根据机器人控制器9发出的运动指令，控制机器人X轴2、Y轴3、Z轴1、A轴4、B轴5、C轴6做出各种动作，从而带动与其相连的轮胎抓取装置对轮胎进行抓取，并通过轮胎搬运机器人的运动将轮胎移动到所规定的位置。

所述的轮胎抓取装置7用于对轮胎进行抓取或松开，当轮胎到达所规定放置的位置时，松开轮胎，包括抓取执行装置、气缸、电磁气阀，所述的气缸用于将压缩气体的压力能转换成机械能，从而带动轮胎抓取执行装置进行运动，所述的夹具执行装置用于实现对轮胎的抓取和松开，能够适应一定范围内不同规格的轮胎。

所述的机器人控制器9通过发送控制信号控制机器人和轮胎抓取装置进行运动。另外，所述的机器人控制器9上连接有红外测距传感器8，传感装置安装在目标工位位置，用于反馈机器人搬运轮胎到实际目标位置，从而控制机器人进行位置的修正和自动规划运动轨迹，也可以调整机器人本体和抓取装置的运动，最终使机器人运动到达规定的目标位置；所述的红外测距传感器为红外传感装置，所述检测的目标位置为汽车轮胎装配螺纹孔位置。机器人控制系统具体包括：如图4所示：

调试模块，用于机器人的初步安装与调试的参数设置与位置修正，技术人员可进行机器人出厂参数的修改以及安装调试参数的校正；

启动模块，包括初始化模块、自检诊断模块和自动回零模块等子模块，完成机器人的初始化、自检和回零等启动过程，其中所述的初始化模块用于对机器人进行系统初始化，所述的自检诊断模块用于对机器人系统及运行状态进行自动检测以及故障诊断，所述的自动回零模块，用于控制机器人进行各轴的自动回零；

示教模块，用于人工示教机器人运动轨迹的若干关键位置点，并保存指令代码，其中指令代码包括自由运动指令、智能取料指令、智能目标指令等，从而控制机器人根据指令执行运动程序；

参数管理模块，用于设置与搬运机器人运动过程相关的参数并进行管理；

文件管理模块，用于管理搬运机器人的程序文件和报警诊断文件，进行文件的新建、重命名、复制、保存、删除等操作；

运动执行模块，包括智能算法模块、运动规划模块和状态显示模块三个子模块，通过各个子模块的配合完成搬运机器人的整个运动过程，其中，所述的智能算法模块，用于读取红外传感器的信号并根据信号计算搬运机器人的目标位置以及若干中间轨迹位置，并对所需要运行的位置点进行轨迹规划，从而平滑的完成运动过程，所述的运动规划模块，用于规划机器人的取料运动、中间自由点位置运动等轨迹运动过程，所述的状态显示模块用于显示机器人的实时运动状态；

进一步地，本发明还提供了一种所述的轮胎搬运机器人的控制方法，包括：

基于传感器的轮胎搬运轨迹规划方法：进行轮胎搬运机器人的轨迹控制和规划，包括红外测距传感器、信号采集电路以及连接电缆，系统内部将采集的传感器信号进行解析，从而计算得到实际目标位置，经过智能算法模块和运动规划模块控制机器人抓取轮胎运动到达目标位置

智能指令系统：包含智能取料指令、智能等待指令、智能目标运动指令。

进一步地，所述的轮胎搬运机器人的控制方法，其中，所述的基于传感器的轮胎搬运轨迹规划方法：传感装置与机器人通过一定的机械装置固定在生产线工作台上，机器人控制系统实时读取红外传感装置的信号状态，控制系统通过所读取的红外传感装置的信号状态，判断计算目标运动的准确位置，机器人控制系统根据这一位置信息并结合相对的位置进行运算，转换成机器人末端执行装置的规划目标位置，根据规划目标位置以及若干运动的中间点，从而控制机器人运动到目标位置。这个方法可以有效解决汽车到达工位存在偏差而导致机器人搬运轮胎不能有效准确的进行相应的位置调整的问题，故能提高搬运机器人搬运轮胎的运动位置精度。

进一步地，所述的轮胎搬运机器人的控制方法，其中，搬运机器人的智能指令系统结构如图3所示，每条指令划分为运动属性、工艺属性和类型属性三种不同的属性，其中运动属性包括直线运动、圆弧运动、点位运动和特殊轨迹运动，工艺属性包括自由运动、轮胎抓取或释放运动和辅助运动，类型属性包括自由点和约束点。机器人在搬运空间运动时，示教若干抓取运动点、辅助运动点，并自动规划中间自由运动位置点。

进一步地，所述的轮胎搬运机器人的控制方法，具体的搬运步骤包括：

S1、安装调试：将搬运机器人本体、控制系统以及传感装置安装在汽车总生产线上，并完成系统调试过程；

S2、启动：轮胎搬运机器人通电后，进入启动过程，轮胎搬运机器人完成初始化过程、自检诊断过程以及自动回零过程，确保控制系统运行正常，并进行位置校正；

S3、示教：人工示教机器人运动轨迹中的若干关键位置点，并保存指令代码；

S4、取料：轮胎搬运机器人运动到取料位置抓取轮胎，经过自动规划的若干中间位置点，到达位置等待点；

S5、检测：红外测距传感器8实时检测位置信号并发送给搬运机器人控制器；

S6、轨迹规划：机器人控制器将读取的传感信号进行解析，并对目标位置进行规划和轨迹插补；

S7、搬运：轮胎搬运机器人从位置等待点，根据规划的运动轨迹运动，并根据反馈的位置信号，并实时监测是否有干涉信号的存在，及时调整机器人本体和抓手的运动，直至完成整个轮胎搬运过程。

进一步的，上述步骤S6基于传感器信号进行机器人轨迹规划运动控制的原理图如图2所示。根据图中所示，采用这一方法的搬运机器人的运行过程包括以下步骤：

首先，传感装置信号经过位置采集模块实时发送给搬运机器人控制系统，机器人控制系统实时读取传感信号；

然后，处于等待状态的机器人控制器统根据读取的位置信号进行判断，如果满足运动要求就进行位置解析和转换，计算出目标位置，经过路径规划算法模块的目标位置轨迹规划、轨迹优化过程，最终发送运动指令给机器人执行机构；

最后，搬运机器人沿搬运机器人本体梁的方向X2、悬臂的方向Z1、前臂的方向Y3调整轮胎抓取装置的位置，轮胎抓取装置沿第一轴线A4、第二轴线B5、第三轴线C6调整轮胎抓取执行机构的姿态；到达目标位置，从而完成整个运动过程。

本发明使用的机器人控制器9为固高工业机器人控制器CPAC-OTOBOX-800-TPG，适用于垂直关节型机械手，可最多容纳8根控制轴,具有丰富的控制指令集和开发接口。

通过本发明提供的轮胎搬运机器人及其轨迹规划方法，能够自动完成轮胎搬运过程，大大节约人力成本，并提高生产效率；能够通过智能指令系统及简单的示教过程完成机器人的编程，从而简化传统人工逐点位置编程的过程；能够通过传感反馈装置与机器人形成运动控制的反馈，从而实现机器人的更高精度运动，并及时调整机器人本体和抓手运动，从而保证了整个搬运过程及时有效。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种轮胎搬运机器人控制方法，其特征在于，具体的搬运方法包括以下步骤：

S1、安装调试：将搬运机器人本体、机器人控制器以及红外测距传感器安装在汽车总生产线上，并进行系统调试；

S2、启动：搬运机器人通电后，进入启动过程，搬运机器人完成初始化、自检诊断过程以及自动回零过程，并进行位置校正；

S3、示教：人工示教搬运机器人运动轨迹中的若干关键位置点，并保存指令代码；

S4、取料：搬运机器人运动到取料位置抓取轮胎，经过预先规划的若干中间位置点，到达位置等待点；进行中间位置点规划时，控制系统内部使用单轴运动算法进行规划，以梁的方向（X）、悬臂的方向（Z）、前臂的方向（Y）进行规划，以设定的步长进行计算，并避开障碍物；抓取时，夹爪首先松开，机械手向着轮胎方向运动，在即将到达轮胎位置时，运动速度放缓，轮胎抓取装置沿第一轴线（A）、第二轴线（B）、第三轴线（C）调整轮胎抓取执行机构的姿态，并运行到抓取位置，然后夹紧夹爪抓取轮胎；

S5、检测：红外测距传感器实时检测轮胎的位置信号并发送给机器人控制器；

S6、轨迹规划：机器人控制器将读取的传感信号进行解析，并对目标位置进行规划和轨迹插补；

S7、搬运：搬运机器人从位置等待点，根据规划的运动轨迹运动，并根据反馈的位置信号，并实时监测是否有干涉信号的存在，及时调整搬运机器人本体和抓手的运动，直至完成整个轮胎搬运过程；其中，干涉信号由红外测距传感器提供，当存在干涉时传感器将信号传输给控制器，控制器发出停止信号，搬运机器人停止运动，重新进行规划和轨迹插补，调整搬运机器人本体和抓手的运动，直至完成整个轮胎搬运过程。

2.根据权利要求1所述的一种轮胎搬运机器人控制方法，其特征在于：搬运机器人抓住轮胎后将轮胎搬运到指定位置的具体过程为：

首先，红外测距传感器信号经过位置采集模块实时发送给搬运机器人控制系统，机器人控制系统实时读取传感信号；

然后，处于等待状态的机器人控制器根据读取的位置信号进行判断，如果满足运动要求就进行位置解析和转换，计算出目标位置，经过路径规划算法模块的目标位置轨迹规划、轨迹优化过程，最终发送运动指令给机器人执行机构；

最后，搬运机器人沿搬运机器人本体梁的方向（X）、悬臂的方向（Z）、前臂的方向（Y）调整轮胎抓取装置的位置，轮胎抓取装置沿第一轴线（A）、第二轴线（B）、第三轴线（C）调整轮胎抓取执行机构的姿态；到达目标位置，从而完成整个运动过程。