CN104889997A - 一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统及方法，该系统包括主控制器、摄像机、激光测距仪、电源模块、第一光电传感器、第二光电传感器和分控制器，所述机械手上设有第一光电传感器反射板和第二光电传感器反射板，所述第一光电传感器、第二光电传感器和第三步进电机驱动器分别与分控制器连接，所述第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机、夹持步进电机、摄像机、激光测距仪分别与主控制器连接，所述分控制器与主控制器连接。本发明通过先对机械手进行粗定位，而后进行精确定位，大大缩短了定位时间，提高了工作效率。

Description

一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统及方法

技术领域

本发明涉及机械手控制领域，尤其是涉及一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统及方法。

背景技术

随着科学技术进步与发展，伴随着机械化、自动化生产进程，机械手是发展起来的新型生产设备。针对我国酿酒行业特有的情况，尤其是固态酿造需要人工对曲块进行翻转操作，工作环境恶劣，工作量大，自动化程度低，生产效率低下。因此，我们研制了一种适应于酿酒业生产操作的翻曲机械手，使用该机械手对曲房中的曲块定时翻转，实现在无人现场操作的情况下，机械手首先实现精确定位，并在此基础上可对曲块实现自动翻曲，以及根据实际情况也可远程遥控操作及对现场工作情况的监测，大大提高了生产效率，降低了工作量，改善了工人的工作环境。

发明内容

本发明的目的在于：为了改善人工翻曲效率低，工作环境恶劣的现状，提供一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统及方法。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，用于控制机械手在行车轨道上移动以及机械手的动作，所述行车轨道包括第一步进电机驱动器、第三步进电机驱动器，所述机械手包括第二步进电机驱动器、第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机和夹持步进电机，其特征在于，该系统包括主控制器、摄像机、激光测距仪、电源模块、第一光电传感器、第二光电传感器和分控制器，所述机械手上设有第一光电传感器反射板和第二光电传感器反射板，所述第一光电传感器、第二光电传感器和第三步进电机驱动器分别与分控制器连接，所述第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机、夹持步进电机、摄像机、激光测距仪分别与主控制器连接，所述分控制器与主控制器连接。

作为进一步的方案，该系统还包括光源，该光源与主控制器连接，用于调节光照强度。

作为进一步的方案，该系统还包括远程控制中心，该远程控制中心分别与主控制器和分控制器连接通信。

作为进一步的方案，该系统还包括与主控制器连接的控制面板，该控制面板设有触摸屏和紧急停止按钮。

作为进一步的方案，所述远程控制中心、主控制器和分控制器相互通过WiFi方式进行通讯。

作为进一步的方案，所述该系统还包括压电传感器，该压电传感器与主控制器连接。

一种基于权利要求1所述机械手控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)主控制器发送控制命令给分控制器，分控制器控制第三步进电机驱动器驱动第三步进电机旋转，进而带动行车轨道在曲房轨道上横向移动，当第一光电传感器反射板正对第一光电传感器时，停止旋转；

(2)主控制器控制第一步进电机驱动器驱动第一步进电机旋转，进而带动机械手在行车轨道上纵向移动，当第二光电传感器反射板正对第二光电传感器时，停止旋转；

(3)主控制器获取摄像机采集的曲块所在区域的图像信息以及激光测距仪采集的曲块距离信息，并通过数据融合算法计算出曲块的三维空间位置坐标，并通过控制第一步进电机、第四步进电机、第五步进电机和调整电机使机械手位于曲块夹持的工作位；

(4)主控制器控制夹持步进电机旋转，进而对曲块进行夹紧操作，然后机械手将曲块提升到既定高度；

(5)主控制器控制第二步进电机旋转，进而实现曲块的180°翻转动作。

作为进一步的方案，该方法还包括步骤：所述分控制器将接收到的第一光电传感器或第二光电传感器的信号通过WiFi发送给远程控制中心，实现远程控制中心对机械手各定位点工作情况的监测。

作为进一步的方案，该方法还包括步骤：所述主控制器根据摄像机采集的图像信息的光照强度信息，自动调整光源光强。

作为进一步的方案，在进行步骤(4)时，主控制器根据压电传感器的信号实时判断夹持力度，当夹持力度达到预设值时，机械手将曲块提升到既定高度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过先对机械手进行粗定位，而后进行精确定位，大大缩短了定位时间，提高了工作效率；

(2)通过主控制器采集压电传感器的压力值，可以有效控制机械手臂夹持手的夹持力度，避免夹持力太小，造成夹持手与曲块间摩擦力不够，或者夹持力过大，将目标物夹持变形或损坏，从而导致夹持任务失败；

(3)分控制器通过相应的WiFi无线通讯模块将采集到的光电传感器的信号分别发送给主控制器和远程控制室，实现主控制器对曲房行车行走位置的控制和远程控制中心对机械手臂的位置状态进行远程监测；通过主控制器的WiFi无线通讯模块能够实现将工业摄像机采集的二维图像实时的传送到远程控制中心，实现远程控制中心对机械手工作情况进行实时远程监控；

(4)主控制器与分控制器通过WiFi无线通讯模块进行通讯，该方法实现起来较容易，并可降低运行成本，维护方便，实现了以主控制器通过WiFi控制分控制器的执行单元，并且一个机械手臂可以多个曲房共用的目的。

附图说明

图1为本发明一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统的连接结构示意图；

图2为本发明一种固态酿造翻曲高精度定位机械手控制系统的具体实施结构机械手示意图；

图3为本发明一种固态酿造翻曲高精度定位机械手控制系统的机械手粗定位原理示意图。

附图标记说明：

1为主控制器、2为第一WiFi无线通讯模块、3为工业摄像机、4为控制面板、5为光源、6为激光测距仪、7为压电传感器、8为第一步进电机驱动器、9为第一步进电机、10为第二步进电机、11为第二步进电机驱动器、12为电源模块、13为远程控制中心、14为第三步进电机、15为第三步进电机驱动器、16为第一光电传感器、17为分控制器、18为第二WiFi无线通讯模块、19为第二光电传感器、20为曲块、21为夹持步进电机、22为第四步进电机、23为调整电机、24为第五步进电机、25为第一光电传感器反射板、26为行车轨道、27为曲房轨道、28为机械手、29为第二光电传感器反射板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供了一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，主要用于控制机械手在行车轨道上移动以及机械手28的动作。图3所示，行车轨道包括两根曲房轨道27和一根行车轨道26。两根曲房轨道27平行设在曲房的两面正对的墙上。行车轨道26垂直、且连接于两根曲房轨道27，行车轨道26在第三步进电机14(由第三步进电机驱动器15驱动)的带动下可沿曲房轨道27移动。机械手28设置在行车轨道26上，在第一步进电机9的带动下，可沿行车轨道26移动。

机械手28的结构如图2所示，其主要由第二步进电机驱动器11、第二步进电机10、第四步进电机驱动器、第四步进电机22、第五步进电机驱动器、第五步进电机24、调整电机23和夹持步进电机21组成。第二步进电机驱动器11驱动第二步进电机10，进而可使曲块实现翻转动作。第四步进电机驱动器驱动第四步进电机22，进而可使机械手接近曲块。第五步进电机驱动器驱动第五步进电机24，进而可精确调节机械手28与曲块的横向距离。调整电机23用于调整机械手28的姿态，使其与曲块的姿态相适应。夹持步进电机21用于驱动机械手28夹住曲块。

该控制系统的结构如图1所示，主要由主控制器1、摄像机3(采用工业摄像机)、激光测距仪6、电源模块12、第一光电传感器16、第二光电传感器19和分控制器17组成。为了与光电传感器相配合，机械手28上设有第一光电传感器反射板25和第二光电传感器反射板29。

激光测距仪6与主控制器1连接，主控制器1实时采集激光测距仪6的信号，判断测距仪6至曲块上平面的距离。

主控制器1与摄像机3相连接，摄像机3的摄像头为光学变焦摄像头，通过光学变焦摄像头采集曲块所在区域图像信息，并将采集的图片信息送至主控制器进行处理，从而判断待夹持曲块二维平面位置坐标。

第一步进电机9、第二步进电机10分别通过第一步进电机驱动器8、第二步进电机驱动器11与主控制器1相连接。主控制器1给第一步进电机驱动器8、第二步进电机驱动器11输入步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE；步进脉冲信号CP用于控制第一步进电机9、第二步进电机10的位置和速度；方向电平信号DIR用于控制第一步进电机9、第二步进电机10的旋转方向；脱机信号FREE用来控制手动调节第一步进电机9、第二步进电机10，从而实现对第一步进电机9、第二步进电机10转动的精确控制。

第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机23、夹持步进电机21分别与主控制器1连接。

分控制器17上设有第二无线通讯模块18(具体采用WiFi模块)，主控制器1上设有第一无线通讯模块2(具体采用WiFi模块)，分控制器17与主控制器1通过各自的无线通讯模块连接。

第一光电传感器16、第二光电传感器19分别与分控制器17连接。第三步进电机14通过第三步进电机驱动器15与分控制器17相连接。分控制器17给第三步进电机驱动器15输入步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE；步进脉冲信号CP用于控制第三步进电机14的位置和速度；方向电平信号DIR用于控制第三步进电机14的旋转方向；脱机信号FREE用来控制手动调节第三步进电机14，从而实现对第三步进电机14转动的精确控制。

主控制器1为DSP+ARM双核CPU处理器，体积小，功耗低，任务命令处理速度快，适应恶劣的工作环境能力强。

本发明主控制器1安装于机械手上。分控制器17安装在曲房内，一般被固定安装于某一位置，主控制器1和分控制器17通过WiFi无线通讯模块进行无线通讯。

另外，本发明系统还可设置光源5，该光源5与主控制器1连接，光源5采用直射前置光源，并且主控制器1可根据所采集图像的光照强度信息，经相关算法自动调节光照强度，因此，它能为被照明曲块提供更高的对比度。

另外，本发明系统还可设置远程控制中心13，该远程控制中心13分别与主控制器1和分控制器17连接通信。第一光电传感器16、第二光电传感器19分别通过分控制器17的WiFi无线通讯模块与远程控制中心13相连接，分控制器17将接收到的光电传感器信号通过WiFi无线通讯模块发送给远程控制中心13，实现远程控制中心13对曲房内各定位点工作情况的监测，以及实现分控制器对曲房行车进行调试和维护。主控制器1通过WiFi无线通讯模块2与远程控制中心13相连接，主控制器1将工业摄像机3采集的二维图像信息实时的通过WiFi无线通讯模块2传送到远程控制中心13，实现远程控制中心13对机械手的工作情况进行实时监测与控制的目的。

另外，本发明系统还可设置与主控制器1连接的控制面板4，该控制面板4上安有触摸屏、紧急停止按钮，操作者通过触摸屏可设置或者修改相应控制参数，人机界面友好，现场维护操作可靠，通过紧急按钮可在紧急情况下停止机械手28工作，避免危险情况的发生。

另外，本发明系统还可设置压电传感器7，该压电传感器7与主控制器1连接，通过主控制器1检测压电传感器7的信号，并根据该信号强弱来判断机械手臂夹持手的夹持力度，实现对曲块20的有效夹持。

本发明工作时，首先通过相应光电传感器实现分控制器控制曲房行车的粗定位，与此同时，主控制器可通过相应光电传感器实现控制机械手臂粗定位，然后根据摄像机所采集曲块在图像中位置信息和主控制器采集的激光测距仪信号经过相应数据融合算法运算，最终得到曲块的三维空间位置坐标来实现机械手臂的精确定位。其具体过程如下：

主控制器1启动夹持任务后，经WiFi无线通讯模块发送控制命令给分控制器17，分控制器17接收到信号并判断后，通过控制第三步进电机驱动器15控制第三步进电机14的运转。第一光电传感器16与分控制器17相连接，机械手臂上安装有第一反射板25。当曲房的行车轨道26在曲房轨道27上行走的过程中，当第一反射板25正对第一光电传感器16所发出的红外光时，第一光电传感器16将接收到反射光，并将该信息传递给分控制器17，经分控制器17内相应逻辑算法判断后，通过控制第三步进电机驱动器15控制第三步进电机14的运转，实现曲房的行车轨道26的粗定位。分控制器17与第二光电传感器19相连接，同理可得，分控制器17将接收到的第二光电传感器19的信号，通过WiFi将信号发送给主控制器1，主控制器1进行判断后通过控制第一步进电机驱动器8控制第一步进电机9的运转，实现机械手臂的粗定位。然后根据摄像机3所采集曲块20在图像中位置信息和主控制器1采集的激光测距仪6信号经过相应数据融合算法运算，最终得到曲块20的三维空间位置坐标，并通过调整第四步进电机22、调整电机23、第五步进电机24、第一步进电机9来实现机械手臂的精确定位，且基于二维图像的物体轮廓识别相关算法研究已经应用非常成熟，本发明不再多加赘述。

本发明固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统的实现方法，可通过以下步骤来实现：

1)当机械手主控制器1启动夹持曲块20任务以后，主控制器1发送控制命令给分控制器17，分控制器17控制曲房的行车轨道26在曲房轨道27上面行走，当第一反射板25遇到第一光电传感器16时，则行车轨道26停止行走，实现行车的粗定位，同时主控制器1输出指令到第一步进电机驱动器8，由此可控制第一步进电机9转动，并由该第一步进电机9带动机械手28沿行车轨道26运动，以实现机械手臂纵向行走。当遇到第二光电传感器19时，第一步进电机9停止运转，实现机械手臂的粗定位，而后摄像机3采集机械手臂正前方空间的二维图像信息，并将该信息传递给主控制器1；

2)主控制器1实时获取摄像机3采集的二维图像，同时根据特定算法求解出曲块20位置坐标，随后与所设定的曲块位置坐标进行比较并求出偏差，根据该偏差和相关人工智能算法，主控器1输出相应控制信号到第五步进电机，精确调整机械手与曲块20的横向距离。

3)机械手28实时接收来自主控制器1的输出信息，根据主控制器1所输出的信号，第四步进电机22持续调整机械手臂的空间位置，使得机械手臂的夹持手不断靠近待夹持曲块20；

4)在控制夹持手靠近待夹持曲块20的过程中，相应信息采集系统实时检测待夹持曲块20的位置信息，根据位置信息，主控器1持续控制调整电机23，进而调整夹持手的位置，使得夹持手位置与待夹持曲块20姿态相适应；

5)通过控制夹持电机21进而控制夹持手对曲块20进行夹紧操作，同时根据主控制器1采集的压电传感器7的信号实时判断夹持手的夹持力度，当夹持力度达到预设值时，机械手提升曲块20，并将曲块夹持到既定高度，通过主控制器1控制第二步进电机驱动器11相对应的第二步进电机10运转，实现曲块的180°翻转动作。

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，应当指出的是，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 (10)

1.一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，用于控制机械手在行车轨道上移动以及机械手的动作，所述行车轨道包括第一步进电机驱动器、第三步进电机驱动器，所述机械手包括第二步进电机驱动器、第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机和夹持步进电机，其特征在于，该系统包括主控制器、摄像机、激光测距仪、电源模块、第一光电传感器、第二光电传感器和分控制器，所述机械手上设有第一光电传感器反射板和第二光电传感器反射板，所述第一光电传感器、第二光电传感器和第三步进电机驱动器分别与分控制器连接，所述第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、第四步进电机驱动器、第五步进电机驱动器、调整电机、夹持步进电机、摄像机、激光测距仪分别与主控制器连接，所述分控制器与主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，其特征在于，该系统还包括光源，该光源与主控制器连接，用于调节光照强度。

3.根据权利要求1所述的固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，其特征在于，该系统还包括远程控制中心，该远程控制中心分别与主控制器和分控制器连接通信。

4.根据权利要求1所述的固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，其特征在于，该系统还包括与主控制器连接的控制面板，该控制面板设有触摸屏和紧急停止按钮。

5.根据权利要求1所述的固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，其特征在于，所述远程控制中心、主控制器和分控制器相互通过WiFi方式进行通讯。

6.根据权利要求1所述的固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制系统，其特征在于，所述该系统还包括压电传感器，该压电传感器与主控制器连接。

7.一种基于权利要求1所述机械手控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)主控制器发送控制命令给分控制器，分控制器控制第三步进电机驱动器驱动第三步进电机旋转，进而带动行车轨道在曲房轨道上横向移动，当第一光电传感器反射板正对第一光电传感器时，停止旋转；

(2)主控制器控制第一步进电机驱动器驱动第一步进电机旋转，进而带动机械手在行车轨道上纵向移动，当第二光电传感器反射板正对第二光电传感器时，停止旋转；

(3)主控制器获取摄像机采集的曲块所在区域的图像信息以及激光测距仪采集的曲块距离信息，并通过数据融合算法计算出曲块的三维空间位置坐标，并通过控制第一步进电机、第四步进电机、第五步进电机和调整电机使机械手位于曲块夹持的工作位；

(4)主控制器控制夹持步进电机旋转，进而对曲块进行夹紧操作，然后机械手将曲块提升到既定高度；

(5)主控制器控制第二步进电机旋转，进而实现曲块的180°翻转动作。

8.根据权利要求7所述的一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：所述分控制器将接收到的第一光电传感器或第二光电传感器的信号通过WiFi发送给远程控制中心，实现远程控制中心对机械手各定位点工作情况的监测。

9.根据权利要求7所述的一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：所述主控制器根据摄像机采集的图像信息的光照强度信息，自动调整光源光强。

10.根据权利要求7所述的一种固态酿造翻曲高精度定位的机械手控制方法，其特征在于，在进行步骤(4)时，主控制器根据压电传感器的信号实时判断夹持力度，当夹持力度达到预设值时，机械手将曲块提升到既定高度。