CN105598939A - 一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，机器人包括定位系统、抓取机构、行走机构，选用可伸缩的霍尔探头，配合行走机构，实现精确到毫米级别的定位，弥补传统地磁定位系统只能在地磁参考点定位的缺陷，实现相邻地磁参考点之间位置的精确定位，增加一套霍尔探头、伸缩杆、步进电机构成的定位系统，基于Arduino实现定位算法，达到两个地磁定位点之间任意位置的精确定位，无需提高地磁定位点密度，并实现90度角及其倍数角度的精确转向的效果，具有系统结构简单，定位快速精确的价值，采用配重均布型的并联机构抓取装置，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性。

Description

一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体的说是一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人。

背景技术

机器人具有结构精巧、控制可靠、运行平稳，用途广泛、应用灵活，可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动，提高了产品的质量稳定性和企业的自动化水平，减少了企业的劳动力成本支出，传统的搬运机器人是通过填埋在地面上的地磁进行位置的坐标标记，利用对地磁的识别传感器准确找到并分辨出已标记的物体，经过控制部分计算分析，控制安装在机器人上的机械结构，将物体转运至指定位置，实现智能分类装卸、搬运的目的，使货物运输搬运场所搬运智能化，减少人类劳动，实现全面智能化管理，传统的地磁定位机器人相邻地磁之间无法精确定位，同时传统的机器人存在抓取过程中不稳定的问题。

因此，为克服上述技术的不足而设计出一款系统结构简单，定位快速精确，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性的一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，正是发明人所要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，其系统结构简单，定位快速精确，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，其包括定位系统、抓取机构、行走机构，所述定位系统由霍尔探头、伸缩机构、安装板、步进电机组成，所述步进电机设置在安装板上，所述伸缩机构穿过步进电机，所述伸缩机构一端连接有霍尔探头，所述定位系统安装在行走机构的底部，所述伸缩机构由模数为0.5的齿轮的齿条、隔离柱、轴承组成，所述步进电机由两个螺栓固定在安装板上，所述齿条的定位是靠两块支撑板中间放入隔离柱固定间隙，所述轴承为微型轴承，所述微型轴承数量为四个，所述微型轴承对齿条的直线运动方向进行定位齿条，所述霍尔探头是由四个霍尔元件和外围电路构成，所述四个霍尔元件呈十字交叉分布；所述抓取机构包括并联臂、机器抓手、抓取步进电机、支撑基构成，所述并联臂与抓取步进电机连接，所述并联臂一端与机器抓手连接，所述抓取步进电机固定在支撑基上，所述支撑基固定在行走机构上；所述行走机构由行走步进电机、驱动板、行走轮组成，所述行走步进电机通过驱动板与行走轮连接。

进一步，所述抓取步进电机的数量至少为两个。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计选用可伸缩的霍尔探头，配合行走机构，实现精确到毫米级别的定位，弥补传统地磁定位系统只能在地磁参考点定位的缺陷，实现相邻地磁参考点之间位置的精确定位，通过本发明提出了增加一套霍尔探头、伸缩杆、步进电机构成的定位系统，基于Arduino实现定位算法，达到两个地磁定位点之间任意位置的精确定位，无需提高地磁定位点密度，并实现90度角及其倍数角度的精确转向的效果，具有系统结构简单，定位快速精确的价值。

2、本发明采用配重均布型的并联机构抓取装置，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性，该新型机器人对环境要求不高，可以应用于仓储、物流、建筑、工厂等场景，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明实施例中某一时刻的运动关系通过几何关系表达结构示意图。

图2是本发明结构示意图一。

图3是本发明结构示意图二。

图4是本发明底部结构示意图。

图5是本发明底部结构立体示意图。

图6是本发明中霍尔探头结构示意图。

图7是本发明控制电路连接关系示意图。

附图标记说明：1-定位系统；11-霍尔探头；12-伸缩机构；13-步进电机；14-霍尔元件；15-齿条；

2-抓取机构；21-并联臂；22-机器抓手；23-抓取步进电机；24-支撑基；

3-行走机构；31-行走步进电机；32-驱动板；33-行走轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。

参见图1-7，本发明包括定位系统1、抓取机构2、行走机构3，抓取机构2包括并联臂21、机器抓手22、抓取步进电机23、支撑基24构成，并联臂21与抓取步进电机23连接，并联臂21一端与机器抓手22连接，抓取步进电机23固定在支撑基24上，支撑基24固定在行走机构3上；行走机构3由行走步进电机31、驱动板32、行走轮33组成，行走步进电机31通过驱动板32与行走轮33连接。

参见图1-7，定位系统1由霍尔探头11、伸缩机构12、安装板、步进电机13组成，步进电机13设置在安装板上，伸缩机构12穿过步进电机13，伸缩机构12一端连接有霍尔探头11，定位系统1安装在行走机构3的底部。

参见图1-7，抓取机构2由一套并联臂21和一个机器抓手22构成，并联臂21的动力装置是两个抓取步进电机23，并联臂21的支撑基24安装在小车的左侧，机器抓手22可以在小车右侧一定范围内上下左右活动，由于并联臂21的重量主要集中在基部，而基部是静止的，所以配重均布型的并联机构抓取装置，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性。

参见图1-7，伸缩机构12由模数为0.5的齿轮的齿条15、隔离柱、轴承组成，步进电机13由两个螺栓固定在安装板上，齿条15的定位是靠两块支撑板中间放入隔离柱固定间隙，轴承为微型轴承，微型轴承数量为四个，微型轴承对齿条的直线运动方向进行定位齿条，可以在微型轴承上滚动摩擦，这样齿条15的运动准确和减少齿条15和固定板之间的相对摩擦，保证了机构把旋转运动转化成直线运动的准确性和可靠性。

参见图6，霍尔探头11是由四个霍尔元件14和外围电路构成，四个霍尔元件14呈十字交叉分布，参考地磁定位点，配合行走机构实现自身方位调整，可实现两个地磁定位点之间任意位置的精确定位，并实现90度角及其倍数角度的精确转向，霍尔元件14可以准确感应出12mm强磁圆片的磁场，当强磁圆片的中心距离霍尔元件14在10mm以内时，霍尔元件14即可输出感应信号，4个霍尔元件14以十字交叉分部在地磁周围10MM处，当探头向左偏的时候，左边的霍尔元件14就会检测到信号，输出引脚给控制板一个低电平，控制板就会向左调整机器人的位置，其它方向以此类推，4个霍尔元件14分别校正四个方向上的位置偏差，使机器人调整自身方位。

地磁定位方式分为路线模式和矩阵模式，所谓路线模式是指按照固定路径铺设地磁，而矩阵模式是指以固定间隔铺设地磁，由于矩阵模式可以通过更改程序任意更改行走路线，所以实际应用中矩阵模式应用更为广泛，本项目的机器人定位模式也是采用矩阵模式，每个地磁参考点的间隔是200mm。

把机器人放入地磁矩阵中，Arduino2560主控板驱动步进电机13运动，使齿条15向前运动200MM，齿条15带着前端的霍尔探头11运动到前端的地磁上方，Arduino2560主控板通过读取四个霍尔元件14的信号自动校正方向，实现定位，然后让机器人向前移动一小步，伸缩霍尔探头11随之收缩，并反馈此时探头相对机器人身中心的位置，从而实现自身定位。

当机器人需要转向时，可以先运动到一个地磁的正上方，然后将霍尔探头11伸出200mm，原地旋转，当探头检测到下一个地磁时，即完成了准确旋转90度。

抓取机构，空间坐标换算，由于机器人采用并联臂21的结构，需要将抓取步进电机23的旋转角度当作成控制量，通过输入一定的角度值，使电机旋转，从而带动各杆件，使平台移动到我们想要的空间位置，为了达到这一目的，我们就需要知道平台的位置和电机旋转角度的关系。

参见图1，把某一时刻的运动关系通过几何关系表达出来：

从图中看出，电机的旋转角度

θ＝α-β(1)

由三角函数关系可知，

$\cos \mathrm{\α}=\frac{l_1^2+d^2-l_2^2}{2\×l_1\×d}---\left(2\right)$

$\sin \mathrm{\β}=\frac{c}{d}---\left(3\right)$

|1、|2、|3、|4为已知，根据点坐标可知，(平台中心点坐标x，z)

$c=|\frac{l_3}{2}-(z+10)|---\left(4\right)$

$d=\sqrt{c^2+x^2}---\left(5\right)$

将(4)(5)代入(2)(3)可得

$\cos \mathrm{\α}=\frac{l_1^2+{\[\frac{l_3}{2}-\left(z+10\right)\]}^2-l_2^2}{2\×l_1\×\sqrt{{\[\frac{l_3}{2}-\left(z+10\right)\]}^2+x^2}}---\left(6\right)$

$sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{l_3}{2}-\left(z+10\right)}{\sqrt{{\[\frac{l_3}{2}-\left(z+10\right)\]}^2}+x^2}---\left(7\right)$

将(6)(7)代入(1)可得

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\frac{l_1^2+{\[\frac{l_3}{2}-(z+10)\]}^2-l_2^2}{2\×l_1\×\sqrt{{\[\frac{l_3}{2}-(z+10)\]}^2+x^2}}-{\sin }^{-1}\frac{\frac{l_3}{2}-(z+10)}{\sqrt{{\[\frac{l_3}{2}-(z+10)\]}^2}+x^2}$

由此，便得出了工作平台中心点的坐标值与电机旋转角度的关系。

在编程中定义aa＝α，bb＝β，以下为程序：

//输入并联臂末梢平台中心位置，得到上下两个步进电机的角度(以水平面为起点，上电机顺时针旋转的角度，下电机逆时针旋转的角度)

voidconvert(intx，intz)//输入目标位置的空间坐标(x方向和z方向)

{

intL1＝58，L2＝160，L3＝101，L4＝20；

floatc＝abs(L3/2-(z+L4/2))；

floatd＝sqrt(c*c+x*x)；

floatbb＝acos(x/d)；

floataa＝acos(-(L2*L2-L1*L1-d*d)/2/d/L1)；

motor5_target＝(aa-bb)/3.14*180；//5号电机的目标角度

floatc1＝abs(-L3/2-(z-L4/2))；

floatd1＝sqrt(c1*c1+x*x)；

floatbb1＝acos(x/d1)；

floataa1＝acos(-(L2*L2-L1*L1-d1*d1)/2/d1/L1)；

motor4_target＝(aa1-bb1)/3.14*180；//4号电机的目标角度

}

参见图7，Arduino2560为主控板，实现精确定位需要设计霍尔元件14呈特定位置分布的定位探头，然后设计伸缩机构，设计自动控制算法，在arduino2560上实现，制作四轮驱动机器人底盘，编写并调试自动定位程序。

实现并联结构的抓取装置首先需要把机械抓手的空间坐标转换成两个步进电机的旋转角度，编写转换算法，在arduino2560上实现，然后设计并制作并联臂21和机械抓手22，编写控制算法并安装调试。

把抓取机构2安装到行走机构3上，编写一个先定位到任意某个位置然后抓取物体，再准确定位到另一个位置放置物体的程序，测试效果

实验测试霍尔元件的感应范围如下：

编写一个简单的测试程序：

voidsetup()

{

pinMode(3，INPUT)；//接霍尔模块DO数字量输出口

pinMode(4，OUTPUT)；//接LED正极，另一端接负极

digitalWrite(4，LOW)；//正常状态下不亮

}

voidloop()

{

//如果检测的霍尔元件输出的低电平信号，LED亮，否则灭。

if(digitalRead(3)＝＝LOW；)digitalWrite(4，HIGH)；

elsedigitalWrite(4，LOW)；//

}

经过测试发现霍尔元件可以感应到其正下方15mm距离内的1mm厚圆形强磁，当强磁偏离霍尔元件竖直中心线10mm处时即超出了感应范围。

本发明设计选用可伸缩的霍尔探头11，配合行走机构，实现精确到毫米级别的定位，弥补传统地磁定位系统只能在地磁参考点定位的缺陷，实现相邻地磁参考点之间位置的精确定位，通过本发明提出了增加一套霍尔探头、伸缩杆、步进电机构成的定位系统，基于Arduino实现定位算法，达到两个地磁定位点之间任意位置的精确定位，无需提高地磁定位点密度，并实现90度角及其倍数角度的精确转向的效果，具有系统结构简单，定位快速精确的价值。

本发明采用配重均布型的并联机构抓取装置，确保机构重心通过支撑面几何中心，达到抓取装置动态运动中的高稳定性，该新型机器人对环境要求不高，可以应用于仓储、物流、建筑、工厂等场景，适用范围广泛。

Claims (2)

1.一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，其特征在于：其包括定位系统、抓取机构、行走机构，所述定位系统由霍尔探头、伸缩机构、安装板、步进电机组成，所述步进电机设置在安装板上，所述伸缩机构穿过步进电机，所述伸缩机构一端连接有霍尔探头，所述定位系统安装在行走机构的底部，所述伸缩机构由模数为0.5的齿轮的齿条、隔离柱、轴承组成，所述步进电机由两个螺栓固定在安装板上，所述齿条的定位是靠两块支撑板中间放入隔离柱固定间隙，所述轴承为微型轴承，所述微型轴承数量为四个，所述微型轴承对齿条的直线运动方向进行定位齿条，所述霍尔探头是由四个霍尔元件和外围电路构成，所述四个霍尔元件呈十字交叉分布；所述抓取机构包括并联臂、机器抓手、抓取步进电机、支撑基构成，所述并联臂与抓取步进电机连接，所述并联臂一端与机器抓手连接，所述抓取步进电机固定在支撑基上，所述支撑基固定在行走机构上；所述行走机构由行走步进电机、驱动板、行走轮组成，所述行走步进电机通过驱动板与行走轮连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔定位系统的智能并联机构搬运机器人，其特征在于：所述抓取步进电机的数量至少为两个。