CN104742141B - 一种用于柔性膜转移的机械手控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性电子生产相关设备领域，并公开了一种用于柔性膜转移的机械手控制系统，包括多自由度机械手、多传感器反馈单元和控制单元，其中多自由度机械手用于对柔性膜执行转移操作；多传感器反馈单元包括CCD传感器、激光位移传感器、重力传感器组、真空传感器、压力传感器等，并用于对机械手包括位置、姿态、真空度和接触力在内的多项状态指标执行检测；控制单元则基于多传感器反馈单元的信息，对机械手整个转移过程的操作执行精确控制，同时还可对拾取头工作段的吸附面积大小进行灵活调节。通过本发明，可根据柔性膜的尺寸和位置自主调整拾取头的姿态，实现准确吸附拾取和放置，同时确保对柔性膜的良好接触和转移。

Description

一种用于柔性膜转移的机械手控制系统

技术领域

本发明属于柔性电子生产相关设备领域，更具体地，涉及一种用于柔性膜转移的机械手控制系统，其适于对譬如太阳能电池柔性衬底薄膜、RFID标签和柔性薄膜开关之类柔性电子柔性膜实现全过程精确控制及调节。

背景技术

随着工业自动化技术的提高和对生产效率的要求，工业生产中越来越多地采用工业机器人进行加工生产，而机械手作为最早出现的工业机器人已被广泛应用在工业生产制造、医疗、军事等领域。柔性膜是工业生产中一种较为常见的加工对象，在操作通常需要对其执行拾取、放置等转移操作，而且转移操作的精度直接影响到最终产品的加工质量。然而，对于很多柔性膜比如太阳能电池中的柔性衬底薄膜、RFID电子智能标签和柔性薄膜开关等而言，它们具备自重轻、易变形等特点，在转移过程中拾取和放置位置不准确的问题更为突出，易增加后期进行层合和贴片等工艺的困难，造成成品质量差、生产率低等问题；特别是，这些柔性膜上一般承载有芯片或者印刷电路，在柔性膜转移过程中，若不注意转移过程中柔性膜所受的接触力，则有可能发生接触力过大而导致柔性膜破损等严重问题。

现有技术中已经提出了一些采用机械手操纵柔性膜的设备。例如，CN200980104088公开了一种基板传送用机械手，其通过在机械手表面上设有供基板下表面外周部落座的第一落座面、以及基板向下方以凹陷状弯曲时供其下表面落座的第二落座面，由此实现对基板的托架和固定；然而，该机械手更适用于硬性的基板，且仅仅是通过固定的台阶式结构和斜面来防止基板产生过大的变形。此外，CN20121012316.7公开了一种片材真空拾放装置，并可实现XYZ三个方向上的位置调节以及Z轴方向上的角度调节；但该拾取头同样无法根据拾取对象的尺寸大小来进行主动的适应性调整，而且在位置和姿态的调整过程中缺乏必要的控制手段，而调节自由度、操控性和控制精度等方面有待进一步的提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于柔性膜转移的机械手控制系统，其中通过集合柔性膜自身的结构及其封装工艺特点，并对其关键组件如机械手单元、多传感器反馈单元和控制单元等的具体结构及其相互设置关系进行研究和设计，并对控制原理及过程进行改进，相应能够以高精度、便于操控的方式实现对机械手高达六个自由度的姿态调整及相应控制，特别是能够显著改善对柔性膜整个转移过程中的位置、姿态、吸附面积和接触力等多项指标的精确检测和控制，因而尤其适用于太阳能电池柔性衬底薄膜、RFID标签和柔性薄膜开关之类柔性电子元器件的转移场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于柔性膜转移的机械手控制系统，其特征在于，该机械手控制系统包括用于执行柔性膜转移操作的多自由度机械手，用于对机械手和柔性膜的状态执行实时检测的多传感器反馈单元，以及用于对机械手整个转移过程中的位置及姿势进行调节的控制单元，其中：

对于所述多自由度机械手而言，其包括拾取头、α转动模块、γ转动模块、XYZ三轴平移模块和气路分配模块，其中该拾取头用于对柔性膜执行真空吸取和转移，它悬挂安装在所述α转动模块的下方，并经由β转动电机实现β方向也即绕着Y轴转动的自由度；该α转动模块安装在所述γ转动模块的下方，并经由α转动电机实现所述拾取头在α方向也即绕着X轴转动的自由度；该γ转动模块继续安装在所述XYZ三轴平移模块的一端下方，并经由γ转动电机实现所述α转动模块及悬挂其上的所述拾取头在γ方向也即绕着Z轴转动的自由度；该XYZ三轴平移模块由X轴平移模块、Y轴平移模块和Z轴平移模块共同组装而成，并分别通过相应电机来实现所述γ转动模块、α转动模块以及拾取头在XYZ三轴方向上的平移自由度；该气路分配模块安装在所述α转动模块上，并用于实现对所述拾取头内部的真空气路的开关操作；

对于所述多传感器反馈单元而言，其包括CCD传感器、激光位移传感器、重力传感器组、真空传感器和压力传感器，其中该CCD传感器通过检测柔性膜的边沿图像或柔性膜上的图案特征来获取柔性膜在X轴和Y轴方向上的实时位置和绕Z轴的转动角度，相应确定所述拾取头在X轴和Y轴方向上的位置和γ方向转角；该激光位移传感器用于对所述拾取头在Z轴方向上的高度执行实时检测；该重力传感器组由垂直交叉的两套重力传感器共同组成，它们安装在所述拾取头的两侧侧面，并分别用于对拾取头沿X轴转动的角度也即α方向倾角、和拾取头沿Y轴转动的角度也即β方向倾角执行实时检测；该真空传感器用于对所述拾取头内部各个真空气路的真空度大小执行实时检测；该压力传感器则用于对所述拾取头拾取过程中与柔性膜之间的接触力大小执行实时检测；

对于所述控制单元而言，其包括拾取头位置调节模块、拾取头姿势纠正模块、拾取头真空调节模块和接触力调节模块，其中：

该拾取头位置调节模块用于从所述CCD传感器和激光位移传感器分别获取反映所述拾取头在XY轴和Z轴方向上的当前位置P_X、P_Y和P_Z，并与该拾取头在XYZ三轴方向上的参考位置P_Xr、P_Yr、P_Zr相比较，然后输出相应的控制指令作用于配备的电机驱动器，进而驱动所述XYZ三轴平移模块中的各个电机，使得拾取头相对于柔性膜在XYZ三轴方向上的位置获得调节；

该拾取姿势纠正模块用于从所述重力传感器组获取反映所述拾取头沿X轴和Y轴转动的当前倾角A、B，并与该拾取头对应的初始参考倾角α_r、β_r相比较以获得第一和第二反馈值，与此同时，还基于所述CCD传感器所检测的位置信息计算出拾取头沿Z轴转动的当前倾角C，并与该拾取头对应的初始参考倾角相比较以获得第三反馈值；然后，将上述第一、第二和第三反馈值共同输出至配备的电机驱动器，进而驱动所述α转动电机、β转动电机和γ转动电机，使得拾取头相对于柔性膜在空间姿态上的偏差获得纠正；

该拾取头真空调节模块用于从所述真空传感器获取反映拾取头内部真空大小的信息，由此确认真空建立是否有效并进行真空度调整；

该接触力调节模块则用于从所述压力传感器获取反映拾取头与柔性膜之间的接触压力信息，并确保不会因为接触压力过大或者接触力分配不均而损坏柔性膜表面或影响柔性电子性能。

作为进一步优选地，对于上述拾取头位置调节模块而言，其在XYZ三轴方向上的定位均采用多轴运动控制卡的位置控制器，并在所配备的电机驱动器中集成速度环和电流环；以此方式，通过将传感器所反馈的当前位置与参考位置进行实时比较，相应可确保整个转移过程中的精确位置控制。

作为进一步优选地，对于上述拾取头位置调节模块而言，设所述CCD传感器所检测到的柔性膜边沿图像的中心点坐标为(x₀,y₀)，相应所确定的拾取头中心点坐标为(x_r,y_r)，并且该柔性膜边沿图像中柔性膜与其基板之间的偏转角度为θ，则该拾取头位置调节模块按照以下公式对拾取头进行位置调节：

x₁＝x_r+k_x[(x₀-x_r)cosθ－(y₀-y_r)sinθ]

y₁＝y_r+k_y[(x₀-x_r)sinθ－(y₀-y_r)cosθ]

其中，(x₁,y₁)表示完成位置调节后的拾取头中心点坐标,k_x、k_y为根据实际组装后的机械手标定后所能够设定得到的沿X、Y轴位置的误差补偿系数。

作为进一步优选地，对于上述拾取姿势纠正模块而言，设所述重力传感器组中的测量沿X轴转动倾角的重力传感器在水平状态下的输出为V₀，在拾取头当前倾角A的输出为V_α，并且在标准重力加速度作用下的输出为V，则该拾取姿势纠正模块按照以下公式对拾取头绕X转动倾角进行姿势调节：

A＝k_αarcsin[(V_α－V₀)/V]

其中，k_α为可以根据实际组装后的机械手标定后所得的绕X转动倾角的误差补偿系数。此外，计算绕Y轴转动倾角姿势纠正时可采用相同计算方法和公式。

作为进一步优选地，所述控制单元还包括拾取头工作段面积调节模块，具体而言，所述拾取头包括拾取头腔体、右侧板、左侧板、丝杆同步带组件、调节隔板和真空气管接头，其中该拾取头腔体呈竖直放置的中空滚轮结构，并通过所述β转动电机提供在β方向上转动的驱动力；此外，该拾取头腔体在其圆弧外表面上沿着轴向和周向方向加工有阵列化排列的真空吸附孔；该左侧板、右侧板呈圆环结构分别配套安装在所述拾取头腔体的两侧，用于对拾取头腔体内部实现密封，并且它们的内壁上分别开设有多个沿着径向方向分布的T型槽以及多个沿着厚度方向贯穿的梯形螺纹孔；该丝杆同步带组件整体安装在所述拾取头腔体一侧，并包括沿着拾取头腔体侧壁周向分布的多个梯形丝杆、数量相等的同步带轮及配套的同步带，其中同步带轮分别安装在对应的梯形丝杆上，同步带轮将所有的同步带轮连接起来，并且各个梯形丝杆的两端分别通过所述梯形螺纹孔安装在所述左侧板、右侧板上，以此方式，通过转动梯形丝杆，可使得左侧板、右侧板沿着拾取头腔体执行相对移动，进而在轴向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节；该调节隔板呈T型横截面的板状结构，并分别通过所述左侧板、右侧板上沿着径向方向分布的所述T型槽安装在拾取头腔体的内部，由此通过对这些调节隔板的布置，进而在周向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节；该真空气管接头与设置在所述拾取头腔体侧面的真空气路相连，并用于实现拾取头腔体内部与所述气路分配模块之间的连通。

作为进一步优选地，所述α转动模块通过α-γ转动连接座安装在所述γ转动模块的下方，由此通过所述α转动电机实现所述拾取头在α方向也即绕着X轴转动的自由度；所述γ转动模块通过γ转动安装座继续安装在所述XYZ三轴平移模块的一端，由此通过所述γ转动电机的驱动，实现所述α转动模块及悬挂其上的所述拾取头在γ方向也即绕着Z轴转动的自由度。

作为进一步优选地，所述气路分配模块优选包括集装式电磁阀，该集装式电磁阀由多个电磁阀共同组成，用于对所述拾取头腔体内部各个真空气路的开关对应进行一一控制。

作为进一步优选地，所述柔性膜优选为太阳能电池柔性衬底薄膜、RFID标签或者柔性薄膜开关。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对按照本发明的多自由度机械手的整体构造及其空间上的布置进行设计，能够以结构紧凑、便于操控的方式实现实现机械手XYZ三个方向的平动自由度以及αβγ三个方向上的转动自由度，相应获得更大范围的拾取头腔体空间姿态调整，进而获得更为准确的柔性膜拾取和定位操作；

2、通过对拾取头采取腔体、左右侧板、调节隔板以及丝杆同步带组件相互配合组装，不仅可利用丝杆同步带组件均匀调节两个侧板之间的间距，进而在轴向方向上改变拾取头腔体工作外表面区域的吸附面积，而且还可通过同样安装在侧板上的调节隔板，在周向方向上也对拾取头腔体工作外表面的吸附面积进行调节；由此整个拾取头能够在两个方向上相互配合进行面积调整，由此更为准确地适应不同尺寸的柔性膜，并显著改善拾取操作的精度；

3、通过为机械手配备多传感器反馈单元，不仅能够实时获取反映柔性膜和拾取头的XYZ三轴位置信息和空间姿态信息，而且还能够实时反馈并防止接触力过大而导致的柔性膜破损等现象，相应更为精准、灵敏地微调拾取头在整个柔性膜转移过程中的各项状态指标，同时有助于更为精度地确定拾取头腔体的空间姿态和吸附工作段的位置；

4、通过对气路分配模块的内部构造及其与拾取头腔体内部各个真空气路之间的连接方式进行改进，能够更为灵活、方便地对拾取头腔体内部的真空状态进行控制，并确保提供符合要求的高灵敏真空度。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的多自由度机械手的主体结构示意图；

图2是图1中所示拾取头的结构爆炸图；

图3a和3b分别是图2中所示右侧板和左侧板的结构示意图；

图4是用于显示图1中所示α转动模块、γ转动模块、气路分配模块和视觉定位装置的整体结构示意图；

图5是用于显示图2中气路分配模块的组成结构示意图；

图6是用于显示按照本发明的机械手控制系统的控制系统图；

图7是按照本发明的用于对机械手进行多指标全过程控制的控制原理图；

图8是按照本发明用于柔性膜转移的机械手控制系统的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的多自由度机械手的主体结构示意图。如图1中所示，该多自由度机械手主要包括拾取头1、α转动模块2、γ转动模块3、XYZ三轴平移模块4、气路分配模块5等。其中拾取头1安装在α转动模块2的下方，用于实现拾取头1绕Y轴转动也即β方向的转动自由度，同时提供真空吸附不同尺寸柔性膜并且检测反馈柔性膜所受接触力的功能；α转动模块2譬如通过水平布置的α-γ转动连接座21安装在γ转动模块3的下方，用于实现机械手绕X轴转动也即α方向的转动自由度；γ转动模块3譬如通过呈抽屉状的γ转动安装座31安装在XYZ三轴平移模块4的一端，用于实现机械手绕Z轴转动的γ转动自由度；XYZ三轴平移模块4与γ转动安装座31相连，用于实现机械手沿XYZ三个方向的平动自由度；气路分配模块5安装在α转动模块2上，用于实现对拾取头腔体10内部各个真空气路的开关控制，并可提供真空度检测的功能；视觉定位装置6安装在γ转动安装座31，并可通过CCD传感器61和激光位移传感器62检测确定柔性膜XYZ三个方向的位置。

下面将参照图2至图5对上述各个组件逐一具体说明。

首先参考图2-5，显示了按照本发明优选实施例所构建的拾取头1的主体结构。该拾取头作为关键改进之一，包括拾取头腔体10、右侧板11、左侧板12、β转动电机13、丝杆同步带组件14、调节隔板15和真空气管接头16等，其中该拾取头腔体10譬如呈竖直放置的中空滚轮结构，并在其圆弧外表面上沿着轴向和周向方向加工有阵列化排列的真空吸附孔，它的一个侧面(图中显示为右侧面)加工有真空气道，它的内部环形腔室则作为真空气室和安装β转动电机13；该左侧板12和右侧板11分别呈圆环结构，它们分别配套安装在拾取头腔体10的左右两侧，用于对拾取头腔体内部实现密封，同时可沿着拾取头腔体10的筒壁进行轴向移动，它们的内壁上分别还开设有多个沿着径向方向分布的T型槽12b、11b以及多个沿着厚度方向贯穿的梯形螺纹孔12a、11a；该β转动电机13譬如通过螺钉固定安装在拾取头腔体10的内部中央，并可通过联轴器17为拾取头腔体10提供在β方向上转动的驱动力；该丝杆同步带组件14整体安装在拾取头腔体10一侧，其作用在于使得右侧板11和左侧板12可进行相向运动，实现沿轴向调整拾取头腔体10工作外表面的吸附面积的功能，并控制吸附工作段的宽度。调节隔板15在本优选实施例中呈T型横截面的板状结构，也即平面板状结构的侧边上还加工有一个与其相垂直的矩形块或者称之为T型特性，相应地，左侧板和右侧板上所开设的T型槽12b、11b与调节隔板15的T型特性相互嵌合，由此将多个调节隔板15安装在左右侧板之上；以此方式，通过对这些调节隔板在拾取头腔体10内部的布置，可以在周向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节，进而控制吸附工作段的长度；拾取头腔体外表面的吸附面积大小可以在轴向和周向两个方向上进行调整，并使得工作段的总面积发生改变，由此更为灵活地适应不同尺寸的柔性膜，进而提高拾取精度。此外，真空气管接头16譬如可固定安装于拾取头腔体10右侧面的真空气道，由此实现拾取头腔体10与气路分配模块5之间的连通。

按照本发明的一个优选实施方式，参见图2-图5，按照本发明所专门设计的丝杆同步带组件14包括梯形丝杆14a、同步带轮14b、同步带14c和旋钮14d，其中同步带轮14b安装在对应的梯形丝杆14a上；同步带14c将若干个同步带轮14b连接起来，实现同步运动；并且各个梯形丝杆的两端分别可通过左右侧板上所开设的螺纹方向相反的梯形螺纹孔安装在其上；此外，旋钮14d安装在其中一个梯形丝杆14a上，譬如可通过手动来转动梯形丝杆。以此方式，通过转动梯形丝杆，可使得左侧板、右侧板沿着拾取头腔体执行相对移动，进而在轴向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节。

参见图3a和3b，显示了按照本发明优选实施例所构建的右侧板11和左侧板12的主体结构。如图中所示，该右侧板上加工有譬如呈右旋梯形的螺纹孔11a和阵列化的右T型槽11b，其中右旋梯形的螺纹孔11a与梯形丝杆14a通过梯形螺纹相配合；右T型槽11b用于安装隔板15，可根据所需空间的大小自由布置隔板15数量和位置。

该左侧板12上加工有譬如左旋梯形的螺纹孔12a和阵列化的左T型槽12b，其中左旋梯形的螺纹孔12a与梯形丝杆14a通过梯形螺纹相配合，在梯形丝杆14a转动的情况下，左侧板12和右侧板11分别通过左旋梯形螺纹孔12a和右旋梯形螺纹孔11a实现相向运动；左T型槽12b用于安装隔板15，可根据右侧板11上隔板15的布置进行匹配安装。

参见图4，显示了按照本发明优选实施例的α转动模块2的主体结构。如图4中所示，该α转动模块2包括α-γ转动连接座21、α转动电机22、键23、α转动支撑座24和αβ转动连接座25，其中α-γ转动连接座21用于实现α转动模块2和γ转动模块3的连接；α转动电机22安装在α-γ转动连接座21上，用于提供机械手α向转动的驱动力；α转动支撑座24可分布在α转动电机22的两侧，安装在αβ转动连接座25上，通过键23与α转动电机22实现连接；α-β转动连接座25用于实现α转动模块2和拾取头1的连接。

同样地，如图4中所示，该γ转动模块3包括γ转动安装座31和γ转动电机32，其中γ转动电机32安装在γ转动安装座31上，用于提供机械手γ向转动的驱动力；γ转动安装座31用于实现γ转动模块3和XYZ三轴平移模块4的连接。

参见图5，显示了按照本发明优选实施例的气路分配模块5的主体结构。如图5中所示，该气路分配模块5包括集装式电磁阀51和真空传感器52，其中集装式电磁阀51由多个电磁阀组成，用于控制拾取头腔体10内部各个真空气路的开关，真空传感器52与电磁阀有相同数目，每个真空传感器52用于检测相对应的拾取头腔体10内部单个真空气路的真空度大小，用于确认真空度建立是否有效，在本优选实施例中，拾取头腔体10内部共有6个真空气路，集装式电磁阀51内共包含6个电磁阀，拾取头腔体10的每个真空气路配有相应的电磁阀和真空传感器52，同时每个真空传感器52的输出口都与拾取头1上的真空气管接头16一一对应，真空从IN口输入，从OUT口输出，真空可经由每一真空气路到达拾取头腔体10内部，相应的电磁阀和真空传感器52控制真空气路的开关和检测真空度大小。

在介绍完多自由度机械手之外，下面将逐一介绍按照本发明的多传感器反馈单元和控制单元。然而本领域的技术人员容易理解的是，下述多传感器反馈单元和控制单元的应用对象并不局限于上述特定实施例的机械手，只要其具备XYZ三轴平动和αβγ三转动自由度的功能即可，下文中将对控制机理和相应组件重点进行说明。

参见图6和图7，按照本发明优选实施例的多传感器反馈单元除了包括上述的拾取头拾取工作段面积调节组件之外，还包括CCD传感器61、激光位移传感器62、重力传感器组19、真空传感器52和压力传感器18等，其中该CCD传感器61譬如通过检测柔性膜的边沿图像或柔性膜上的图案特征来获取柔性膜在X轴和Y轴方向上的实时位置，相应确定所述拾取头1在X轴和Y轴方向上的位置；该激光位移传感器62用于对拾取头1在Z轴方向上的高度执行实时检测；该重力传感器组19譬如由垂直交叉的两套重力传感器共同组成，它们安装在所述拾取头的两侧侧面，并分别用于对拾取头沿X轴转动的角度也即α方向倾角、和拾取头沿Y轴转动的角度也即β方向倾角执行实时检测；该真空传感器52用于对拾取头内部各个真空气路的真空度大小执行实时检测；该压力传感器18则用于对所述拾取头拾取过程中与柔性膜之间的接触力大小执行实时检测。

具体而言，拾取头三自由度精确位置控制主要是指X、Y向平动及Z向高度精确控制，按照本发明的一个优选实施例，所述拾取头位置控制首先输入拾取头平台在XY方向的参考位置P_Xr、P_Yr、P_Zr，拾取头当前位置P_X、P_Y由CCD传感器及配套的编码器实时检测和反馈，拾取头当前位置P_Z由激光位移传感器及配套的编码器实时检测和反馈，该反馈值与所述拾取头参考位移指令相比较，并输出控制信号作用于X、Y、Z方向的位置控制器，运动控制卡内部位置控制器经过计算再输出信号控制伺服电机驱动器，驱动XYZ三个方向的电机转动，使拾取头运动到与柔性膜对应的位置。

同样，垂直交叉安装在拾取头侧面的重力传感器组件通过实时检测重力在X、Y方向的变化计算反馈给上位机拾取头在X、Y方向的倾角A、B，并与该拾取头对应的初始参考倾角α_r、β_r相比较，输出信号作用于拾取头相应两个方向的摆动纠姿机构；根据CCD相机反馈的XY位置信息同时可以计算出柔性膜绕Z向的偏角，从而驱动拾取头绕Z向的转动，实现拾取头倾角C的角度调整；从而调整拾取头的空间姿态，保证拾取头与柔性膜可靠性接近和吸附。

更为具体地说明，所述可编程多轴运动控制卡作为控制的核心，可集运动轴控制、PLC、数据采集等多种功能于一体。

所述拾取头三自由度平台、绕X、Z纠姿机构以及拾取头绕Y向转动拾取机构中使用的伺服电机，配备有编码器及驱动器等组件，其控制单元包括了电流环和速度环，均采用PI控制器，可通过电机自动整定功能或者依靠手动整定至最佳水平。

此外，集装式电磁阀通过运动控制卡的IO控制，可选择性开启关闭拾取头内部真空气路，在拾取头腔体内部形成封闭的真空环境，所述真空传感器用于检测拾取头内部真空度大小，确认真空度建立是否有效。拾取头两端的压力传感器则用于实时检测反馈柔性膜与拾取头吸附工作段的接触压力，保证不会因为接触压力过大损坏柔性膜表面。

下面将参照图7来具体解释按照本发明的上述机械手控制的工作过程。

(1)在柔性膜吸附转移之前，要根据柔性膜的尺寸大小调整拾取头腔体内隔板的布置和左右两块侧板的间距，以此调整真空拾取头机构的吸附面积，使吸附工作段适应柔性膜的尺寸。

(2)上位机学习三自由度平台初始位置，并输入拾取头与柔性膜对应的参考位置指令，通过运动控制卡位置控制器，驱动三自由度平台运动，使真空拾取头与柔性膜位置大致对准。

(3)上位机驱动拾取头三自由度平台的Z向电机，根据激光位移传感器反馈，使拾取头下降到合适的拾取高度，此时通过重力传感器模块检测真空拾取头机构在X、Y方向的倾角，并反馈给运动控制卡，上位机通过计算驱动U方向摆动纠姿机构及拾取头V向自身旋转机构转动，实现对拾取头空间姿态的调整。同时CCD传感器组件实时检测柔性膜的边缘，反馈到三自由度平台位置控制器，通过对柔性膜的位置不断比较，驱动拾取头平台精确对准柔性膜的位置，保证可靠性拾取。

(4)上位机通过IO输出控制驱动集装式电磁阀控制真空气路开启，在真空传感器检测确认真空有效的情况下，真空拾取头机构一边绕Y向进行旋转运动，一边在CCD视觉的引导下沿着柔性膜长度方向移动，其吸附工作段沿弧面将柔性膜吸附拾取，最终使柔性膜整体吸附在拾取头腔体的外表面工作段。之后双输出轴电机停止转动，真空拾取头机构V向旋转运动停止。

(5)上位机驱动三自由度移动平台将柔性膜转移到接近指定位置后，拾取头下降到放置高度，双输出轴电机继续转动，真空拾取头机构边旋转边关闭真空，同时拾取头平台沿着柔性膜放置方向移动，最终将柔性膜放置到指定位置。在柔性膜转移过程中，在拾取和放置期间，压力传感器时刻检测反馈柔性膜所受的接触力的大小。

拾取头再移动到柔性膜拾取位置处，开始下一拾取、放置流程，如此往复循环。

综上所述，按照本发明的拾取全过程控制主要包括以下要点：第一、拾取头精确位置控制是指柔性膜在转移过程中真空拾取头运动到精确的拾取位置和放置位置，三自由度平台每个方向的定位均使用运动控制卡的位置控制器，速度环与电流环集中在电机驱动器中，通过输入参考位置指令与编码器及CCD相机反馈的位置信息作比较，不断驱动XY向电机，调整拾取头位置，使拾取头吸附工作段与柔性膜对应，确保可靠精确拾取与放置；第二、拾取头绕X、Y方向的纠姿控制，拾取头侧面垂直交叉安装的重力传感器组件可检测X、Y轴方向的倾角，上位机根据设定的倾角值与重力传感器反馈的拾取头倾角作比较，驱动纠姿电机动作，调整拾取头的空间姿态，保证可靠贴合；此外，所述的拾取头绕Z方向纠姿控制,是根据CCD相机反馈的XY位置信息同时可以计算出柔性膜绕Z向的偏角，从而驱动拾取头绕Z向的转动，实现拾取头摆角γ的角度调整。第三、调整吸附工作段面积，是指可调整真空拾取头内部T型隔板的安放位置，可径向吸附工作段长度；通过调整真空拾取头左右两块封闭侧板间距，可调整吸附工作段的宽度，进而调整整个拾取头外表面的吸附面积，适应不同尺寸柔性膜的拾取。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于柔性膜转移的机械手控制系统，其特征在于，该机械手控制系统包括用于执行柔性膜转移操作的多自由度机械手，用于对机械手和柔性膜的状态执行实时检测的多传感器反馈单元，以及用于对机械手整个转移过程中的位置及姿势进行调节的控制单元，其中：

对于所述多自由度机械手而言，其包括拾取头(1)、α转动模块(2)、γ转动模块(3)、XYZ三轴平移模块(4)和气路分配模块(5)，其中该拾取头(1)用于对柔性膜执行真空吸取和转移，它悬挂安装在所述α转动模块(2)的下方，并经由β转动电机(13)实现β方向也即绕着Y轴转动的自由度；该α转动模块(2)安装在所述γ转动模块(3)的下方，并经由α转动电机(22)实现所述拾取头(1)在α方向也即绕着X轴转动的自由度；该γ转动模块(3)安装在所述XYZ三轴平移模块(4)的一端下方，并经由γ转动电机(32)实现所述α转动模块(2)及悬挂其上的所述拾取头(1)在γ方向也即绕着Z轴转动的自由度；该XYZ三轴平移模块(4)由X轴平移模块、Y轴平移模块和Z轴平移模块共同组装而成，并分别通过相应电机来实现所述γ转动模块(3)、α转动模块(2)以及拾取头(1)在XYZ三轴方向上的平移自由度；该气路分配模块(5)安装在所述α转动模块(2)上，并用于实现对所述拾取头内部的真空气路的开关操作；

对于所述多传感器反馈单元而言，其包括CCD传感器(61)、激光位移传感器(62)、重力传感器组(19)、真空传感器(52)和压力传感器(18)，其中该CCD传感器(61)通过检测柔性膜的边沿图像或柔性膜上的图案特征来获取柔性膜在X轴和Y轴方向上的实时位置以及绕Z轴的转动角度，相应确定所述拾取头(1)在X轴和Y轴方向上的位置和γ方向转角；该激光位移传感器(62)用于对所述拾取头(1)在Z轴方向上的高度执行实时检测；该重力传感器组(19)由垂直交叉的两套重力传感器共同组成，它们安装在所述拾取头的两侧侧面，并分别用于对拾取头沿X轴转动的角度也即α方向倾角、和拾取头沿Y轴转动的角度也即β方向倾角执行实时检测；该真空传感器(52)用于对所述拾取头内部各个真空气路的真空度大小执行实时检测；该压力传感器(18)则用于对所述拾取头拾取过程中与柔性膜之间的接触力大小执行实时检测；

对于所述控制单元而言，其包括拾取头位置调节模块、拾取头姿势纠正模块、拾取头真空调节模块和接触力调节模块，其中：

该拾取头位置调节模块用于从所述CCD传感器(61)和激光位移传感器(62)分别获取反映所述拾取头(1)在XY轴和Z轴方向上的当前位置P_X、P_Y和P_Z，并与该拾取头在XYZ三轴方向上的参考位置P_Xr、P_Yr、P_Zr相比较，然后输出相应的控制指令作用于配备的电机驱动器，进而驱动所述XYZ三轴平移模块中的各个电机，使得拾取头相对于柔性膜在XYZ三轴方向上的位置获得调节；

该拾取姿势纠正模块用于从所述重力传感器组(19)获取反映所述拾取头(1)沿X轴和Y轴转动的当前倾角A、B，并与该拾取头对应的初始参考倾角α_r、β_r相比较以获得第一和第二反馈值，与此同时，还基于所述CCD传感器(61)所检测的位置信息计算出拾取头沿Z轴转动的当前倾角C，并与该拾取头对应的初始参考倾角相比较以获得第三反馈值；然后，将上述第一、第二和第三反馈值共同输出至配备的电机驱动器，进而驱动所述α转动电机、β转动电机和γ转动电机，使得拾取头相对于柔性膜在空间姿态上的偏差获得纠正；

该拾取头真空调节模块用于从所述真空传感器(52)获取反映拾取头内部真空大小的信息，由此确认真空建立是否有效并进行真空度调整；

该接触力调节模块则用于从所述压力传感器(18)获取反映拾取头与柔性膜之间的接触压力信息，并确保不会因为接触压力过大或者接触力分配不均而损坏柔性膜表面或影响柔性电子性能。

2.如权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于，对于上述拾取头位置调节模块而言，其在XYZ三轴方向上的定位均采用可编程多轴运动控制卡的位置控制器，并在所配备的电机驱动器中集成速度环和电流环；以此方式，通过将传感器所反馈的当前位置与参考位置进行实时比较，相应可确保整个转移过程中的精确位置控制。

3.如权利要求1或2所述的机械手控制系统，其特征在于，对于上述拾取头位置调节模块而言，设所述CCD传感器所检测到的柔性膜边沿图像的中心点坐标为(x₀,y₀)，相应所确定的拾取头中心点坐标为(x_r,y_r)，并且该柔性膜边沿图像中柔性膜与其基板之间的偏转角度为θ，则该拾取头位置调节模块按照以下公式对拾取头进行位置调节：

x₁＝x_r+k_x[(x₀-x_r)cosθ－(y₀-y_r)sinθ]

y₁＝y_r+k_y[(x₀-x_r)sinθ－(y₀-y_r)cosθ]

其中，(x₁,y₁)表示完成位置调节后的拾取头中心点坐标，k_x、k_y为根据实际组装后的机械手标定后所设定的沿X、Y轴位置的误差补偿系数。

4.如权利要求3所述的机械手控制系统，其特征在于，对于上述拾取姿势纠正模块而言，设所述重力传感器组中的测量沿X轴转动倾角的重力传感器在水平状态下的输出为V₀，在拾取头当前倾角A的输出为V_α，并且在标准重力加速度作用下的输出为V，则该拾取姿势纠正模块按照以下公式对拾取头绕X轴转动的倾角进行姿势调节：

A＝k_αarcsin[(V_α－V₀)/V]

其中，k_α为根据实际组装后的机械手标定后所设定的绕X轴转动倾角的误差补偿系数。

5.如权利要求1或2所述的机械手控制系统，其特征在于，所述控制单元还包括拾取头工作段面积调节模块，具体而言，所述拾取头(1)包括拾取头腔体(10)、右侧板(11)、左侧板(12)、丝杆同步带组件(14)、调节隔板(15)和真空气管接头(16)，其中该拾取头腔体(10)呈竖直放置的中空滚轮结构，并通过所述β转动电机(13)提供在β方向上转动的驱动力；此外，该拾取头腔体(10)在其圆弧外表面上沿着轴向和周向方向加工有阵列化排列的真空吸附孔；该左侧板、右侧板呈圆环结构分别配套安装在所述拾取头腔体(10)的两侧，用于对拾取头腔体内部实现密封，并且它们的内壁上分别开设有多个沿着径向方向分布的T型槽以及多个沿着厚度方向贯穿的梯形螺纹孔；该丝杆同步带组件(14)整体安装在所述拾取头腔体(10)一侧，并包括沿着拾取头腔体侧壁周向分布的多个梯形丝杆(14a)、数量相等的同步带轮(14b)及配套的同步带(14c)，其中同步带轮(14b)分别安装在对应的梯形丝杆(14a)上，同步带(14c)将所有的同步带轮(14b)连接起来，并且各个梯形丝杆的两端分别通过所述梯形螺纹孔安装在所述左侧板、右侧板上，以此方式，通过转动梯形丝杆，可使得左侧板、右侧板沿着拾取头腔体执行相对移动，进而在轴向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节；该调节隔板(15)呈T型横截面的板状结构，并分别通过所述左侧板、右侧板上沿着径向方向分布的所述T型槽安装在拾取头腔体(10)的内部，由此通过对这些调节隔板的布置，进而在周向方向上对拾取头腔体外表面的工作段吸附面积进行调节；该真空气管接头(16)与设置在所述拾取头腔体(10)侧面的真空气路相连，并用于实现拾取头腔体内部与所述气路分配模块(5)之间的连通。

6.如权利要求1或2所述的机械手控制系统，其特征在于，所述α转动模块(2)通过α-γ转动连接座(21)安装在所述γ转动模块(3)的下方，由此通过所述α转动电机(22)实现所述拾取头(1)在α方向也即绕着X轴转动的自由度；所述γ转动模块(3)通过γ转动安装座(31)安装在所述XYZ三轴平移模块(4)的一端，由此通过所述γ转动电机(32)的驱动，实现所述α转动模块(2)及悬挂其上的所述拾取头(1)在γ方向也即绕着Z轴转动的自由度。

7.如权利要求1或2所述的机械手控制系统，其特征在于，所述气路分配模块(5)包括集装式电磁阀(51)，该集装式电磁阀(51)由多个电磁阀共同组成，用于对所述拾取头腔体(10)内部各个真空气路的开关对应进行一一控制。

8.如权利要求1或2所述的机械手控制系统，其特征在于，所述柔性膜为太阳能电池柔性衬底薄膜、RFID标签或者柔性薄膜开关。