CN105751233A - 一种仿人码垛机械手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿人码垛机械手及其控制方法，属于一种机械手结构。纵向丝杠装置与立柱固定连接；曲柄支架I、曲柄支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接；气缸支架I、气缸支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接，气缸I与气缸支架II转动连接并与连杆I转动连接，气缸I与位移传感器I固定连接，连杆I与曲柄转动连接并与链条式机械手转动连接，曲柄电机的输出轴与曲柄电机支架转动连接，曲柄与曲柄电机的输出轴固定连接，链条支撑轴支架I与曲柄支架I固定连接并与链条式机械手固定连接，曲柄电机支架与曲柄支架II固定连接。优点是：结构新颖，链条式机械手运动轨迹可以控制，达到控制链条式机械手运动轨迹的目的，能与其他相关配套设备简单集成。

Description

一种仿人码垛机械手及其控制方法

技术领域

本发明属于一种机械手结构，主要用于薄板类零件的码垛和包装处理，如玻璃的流水线码垛过程。

背景技术

薄板类零件在码垛和包装时由于其刚性差，强度低，在码垛时可能由于夹紧力大造成零件变形，或者由于夹紧力小，零件不能按预期目的进行夹持、码垛。薄板类零件码垛时主要有人工码垛、机械码垛等方式。

以玻璃码垛过程为例，玻璃人工码垛时，一方面工人的劳动强度大，另一方面容易对玻璃造成划伤，从而使玻璃码垛成品率降低并容易造成人员伤亡。玻璃机械码垛时主要有水平堆垛机和垂直堆垛机两种方式。水平堆垛机堆垛一次所需时间较长，容易造成玻璃擦伤；垂直堆垛机虽然擦伤较少，但需要根据玻璃尺寸定做，不同玻璃尺寸所需要的垂直堆垛机不同，因此需要安装多台垂直堆垛机，不适合多样化的发展。且两种堆垛机都没有配套的给玻璃铺纸装备，很难与两种堆垛机形成配套装备。

发明内容

本发明提供一种仿人码垛机械手及其控制方法，能够对机械手的运动轨迹进行规划，模拟人工码垛过程，并能与其他设备配套以实现薄板类零件码垛、减少擦伤的目的，提高生产效率。

本发明采取的技术方案是：纵向丝杠装置与立柱固定连接；曲柄支架I、曲柄支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接；气缸支架I、气缸支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接，气缸I与气缸支架II转动连接并与连杆I转动连接，气缸I与位移传感器I固定连接，气缸II与气缸支架I转动连接并与连杆II转动连接，气缸II与位移传感器II固定连接，连杆I与曲柄转动连接并与链条式机械手转动连接，连杆II与曲柄转动连接并与链条式机械手转动连接，曲柄电机的输出轴与曲柄电机支架转动连接，曲柄与曲柄电机的输出轴固定连接，链条支撑轴支架I与曲柄支架I固定连接并与链条式机械手固定连接；链条支撑轴支架II与曲柄支架II固定连接并与链条式机械手固定连接，曲柄电机支架与曲柄支架II固定连接。

本发明所述的链条式机械手的结构是：柔性链条套与链条固定连接，链条齿轮通过轴承与链条支撑轴转动连接，连杆块I、连杆块II与柔性链条套固定连接，连杆块支架与柔性链条套固定连接并穿过连杆块I、连杆块II，链条与链条支撑轴平行安装，通过齿轮带动链条实现啮合运动。

本发明所述气缸I或气缸II的长度l₄是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标，(E_x′,E_y′)是气缸I或气缸II的与连杆I或连杆II的连接点在曲柄旋转一定角度后的座标，通过气缸I或气缸II长度l₄的变化实现连杆块I或连杆块II位移轨迹规划。

一种仿人码垛机械手的控制方法，通过对机械手的预定轨迹规划实现对薄板类零件的平稳抓取，包括：设定机械手匀速运动，离散拟规划路线上的点为(x₀,y₀)......(x_i,y_i)......(x_n,y_n)i＝1,2.....k......n，离散时满足任意相邻两离散点之间的距离相等，任意相邻两点之间的运动时间间隔为定值t；对应任意点(x_i,y_i)，曲柄转角可求：其中 其中l₃为连杆I或连杆II长度，l₁为曲柄中心到曲柄与连杆I或连杆II连接点中心的长度；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的曲柄转角增量为对应此时的旋转角速度为：气缸I或气缸II的对应点(x_i,y_i)的长度l₄ ⁱ是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标， 是气缸I或气缸II与连杆I或连杆II的连接点在轨迹对应点(x_i,y_i)的座标，其中l₂为气缸I或气缸II与连杆I或连杆II连接点到连杆块I或连杆块II的距离；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的气缸I或气缸II伸缩量为伸缩速度通过电机调整曲柄旋转角度及其角速度ω_i，同时调整气缸I或气缸II伸缩量l₄ ⁱ以及伸缩速度的变化。

本发明的优点是：结构新颖，链条式机械手运动轨迹可以控制，可以根据不同的要求，求解气缸伸长量，达到控制链条式机械手运动轨迹的目的，并且安装简单，可以与其他相关配套设备简单集成，例如将其用到用到玻璃码垛过程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的后视图；

图3是本发明链条式机械手的结构示意图；

图4(a)是本发明承接薄板类零件时的状态示意图；

图4(b)是本发明向下输送薄板类零件时的状态示意图；

图4(c)是本发明逐渐撤出时的状态示意图；

图5是本发明应用于薄板类零件码垛系统示意图；

图6是本发明抓取机构原理实现示意图；

其中：立柱1，纵向丝杠装置2，纵向丝杠装置滑块201，曲柄支架I3，气缸支架I4，气缸支架II5，气缸I6，位移传感器I7，连杆I8，曲柄电机9，链条支撑轴支架I10，链条式机械手11，柔性链条套1101，链条齿轮1102，轴承1103，链条支撑轴1104，连杆块I1105，连杆块支架1106，链条1107，连杆块II1108，曲柄12，连杆II13，气缸II14，位移传感器II15，链条支撑轴支架II16，曲柄电机支架17，曲柄支架II18。

具体实施方式

纵向丝杠装置2与立柱1固定连接；曲柄支架I3、曲柄支架II18与纵向丝杠装置滑块201固定连接；气缸支架I4、气缸支架II5与纵向丝杠装置滑块201固定连接，气缸I6与气缸支架II5转动连接并与连杆I8转动连接，气缸I6与位移传感器I7固定连接，气缸II14与气缸支架I4转动连接并与连杆II13转动连接，气缸II14与位移传感器II15固定连接，连杆I8与曲柄12转动连接并与链条式机械手11转动连接，连杆II13与曲柄12转动连接并与链条式机械手11转动连接，曲柄电机9的输出轴与曲柄电机支架17转动连接，曲柄12与曲柄电机9的输出轴固定连接，链条支撑轴支架I10与曲柄支架I3固定连接并与链条式机械手11固定连接；链条支撑轴支架II16与曲柄支架II18固定连接并与链条式机械手11固定连接，曲柄电机支架17与曲柄支架II18固定连接。

本发明所述的链条式机械手11的结构是：柔性链条套1101与链条1107固定连接，链条齿轮1102通过轴承1103与链条支撑轴1104转动连接，连杆块I1105、连杆块II1108与柔性链条套1101固定连接，连杆块支架1106与柔性链条套1101固定连接并穿过连杆块I1105、连杆块II1108，链条1107与链条支撑轴1104平行安装，通过齿轮带动链条实现啮合运动。

本发明所述气缸I或气缸II的长度l₄是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标，(E_x′,E_y′)是气缸I或气缸II的与连杆I或连杆II的连接点在曲柄旋转一定角度后的座标，通过气缸I或气缸II长度l₄的变化实现连杆块I或连杆块II位移轨迹规划。

一种仿人码垛机械手的控制方法，其特征在于：通过对机械手的预定轨迹规划实现对薄板类零件的平稳抓取，包括：设定机械手匀速运动，离散拟规划路线上的点为(x₀,y₀)......(x_i,y_i)......(x_n,y_n)i＝1,2.....k......n，离散时满足任意相邻两离散点之间的距离相等，任意相邻两点之间的运动时间间隔为定值t；对应任意点(x_i,y_i)，曲柄转角可求：其中 其中l₃为连杆I或连杆II长度，l₁为曲柄中心到曲柄与连杆I或连杆II连接点中心的长度；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的曲柄转角增量为对应此时的旋转角速度为：气缸I或气缸II的对应点(x_i,y_i)的长度l₄ ⁱ是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标， 是气缸I或气缸II与连杆I或连杆II的连接点在轨迹对应点(x_i,y_i)的座标，其中l₂为气缸I或气缸II与连杆I或连杆II连接点到连杆块I或连杆块II的距离；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的气缸I或气缸II伸缩量为伸缩速度通过电机调整曲柄旋转角度及其角速度ω_i，同时调整气缸I或气缸II伸缩量l₄ ⁱ以及伸缩速度的变化。

下面进一步做连杆块I1105、连杆块II1108的轨迹实现原理说明，以连杆块I1105为例做路线规划推导。如图6所示，加黑虚线为连杆块I1105拟规划的路线，拟规划路线上的点离散为(x₀,y₀)......(x_i,y_i)......(x_n,y_n)都为已知点。在图6中，AB代表曲柄12，长度为l₁；EF代表气缸I6，F点为气缸安装位置，设坐标为(x_F,y_F)，BC代表连杆8，长度为l₃，E点为气缸I6与连杆8即BC的连接点，BE长度为l₂；B’C’与AC’的夹角为要实现连杆块I1105即C的预定轨迹运动，需要建立曲柄12的转动角度与拟规划路线上的点(x_i,y_i)之间的关系，再进一步推导出气缸EF的长度l₄的变化规律。

如图6所示，实线矩形ABCD为规划路线的初始点(x₀,y₀)以及曲柄、连杆等所组成的四边形，虚线矩形AB’C‘D’为规划路线上任意一点(x_i,y_i)以及曲柄、连杆等组成的四边形,各杆长关系保持不变，其中C′的坐标为(x_i,yi)，现在我们需要建立在规划路线上任意一点(x_i,y_i)时与所对应的转动角度之间的关系。在虚线矩形AB’C‘D’中连接AC’,将分为了两个角度。

在三角形AC’D’中，可求

在三角形AB’C’中，可求

因此可求对应规划路线上任意一点(x_i,y_i)时，曲柄的转角

在三角形AB’C’中，可求

因此可求

因此气缸I6与连杆8的连接点E’的坐标可求：

因此气缸I6的长度l₄可求：

$l_4=\sqrt{{(x_F-{E_x}^{\′})}^2+{(y_F-{E_y}^{\′})}^2}$

对应此时曲柄12的转角，气缸I6的长度也可求，即可控制气缸的伸长量，进而完成对路径的规划。如果假定连杆块I1105的运动为匀速，经过任意点(x_i,y_i)与点(x_i-1,y_i-1)之间的时间间隔为t，通过上面的方法对应两点的曲柄转角都可求，设经过规划路线上任意两点时曲柄转角的增量为可求其任意两点间的角速度：对速度的求解有助于分析轨迹设计的合理性分型。

以上推到可知，连杆块I1105的路径可以根据需求进行规划，灵活的实现各种路径规划。同时连杆块II1108的反向路径使用相同方法也可以进行规划，连杆块I1105、连杆块II1108相互配合，一伸一缩，完成既定轨迹规划。

本发明具体工作过程如下：仿人码垛机械手至少需要一组，即两件配合使用，下面就其中一件运动状态做叙述，另外一件做相同运动，相互配合，实现薄板类零件的码垛过程。纵向丝杠装置2可以带动整套零部件实现上下移动，实现纵向移动。曲柄电机9可以带动曲柄12转动，曲柄12带动连杆I8、连杆II13转动，连杆I8、连杆II13带动链条式机械手11实现预订轨迹的运动。此仿人码垛机械手的工作流程：图4(a)是承接薄板类零件的状态，此时纵向丝杠装置2向上移动，同时链条式机械手11逐渐移动成图4(a)的状态，将薄板类零件承接到链条式机械手11上；图4(b)是薄板类零件夹持过程，此时纵向丝杠装置2向下移动，同时链条式机械手11逐渐移动成图4(b)的状态，实现对薄板类零件的夹持，从而保证夹持的稳定性；薄板类零件在码垛时的状态如图4(c)所示，模拟人手将链条式机械手11逐渐撤出，实现本次码垛过程；随后纵向丝杠装置2向上移动，同时链条式机械手11逐渐运动成图4(a)状态，进行下次薄板类零件的承接工作，如此循环往复，实现对薄板类零件的码垛过程。其中整个过程需要根据以上建立的数学模型，根据曲柄12的角度变化，控制气缸的伸缩量，并通过位移传感器I7和位移传感器II15的反馈实现闭环控制，提高控制精度，完成既定轨迹的控制。

Claims (4)

1.一种仿人码垛机械手，其特征在于：纵向丝杠装置与立柱固定连接；曲柄支架I、曲柄支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接；气缸支架I、气缸支架II与纵向丝杠装置滑块固定连接，气缸I与气缸支架II转动连接并与连杆I转动连接，气缸I与位移传感器I固定连接，气缸II与气缸支架I转动连接并与连杆II转动连接，气缸II与位移传感器II固定连接，连杆I与曲柄转动连接并与链条式机械手转动连接，连杆II与曲柄转动连接并与链条式机械手转动连接，曲柄电机的输出轴与曲柄电机支架转动连接，曲柄与曲柄电机的输出轴固定连接，链条支撑轴支架I与曲柄支架I固定连接并与链条式机械手固定连接；链条支撑轴支架II与曲柄支架II固定连接并与链条式机械手固定连接，曲柄电机支架与曲柄支架II固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种仿人码垛机械手，其特征在于：所述的链条式机械手的结构是：柔性链条套与链条固定连接，链条齿轮通过轴承与链条支撑轴转动连接，连杆块I、连杆块II与柔性链条套固定连接，连杆块支架与柔性链条套固定连接并穿过连杆块I、连杆块II，链条与链条支撑轴平行安装，通过齿轮带动链条实现啮合运动。

3.根据权利要求1所述的一种仿人码垛机械手，其特征在于：所述气缸I或气缸II的长度l₄是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标，(E_x′,E_y′)是气缸I或气缸II的与连杆I或连杆II的连接点在曲柄旋转一定角度后的座标，通过气缸I或气缸II长度l₄的变化实现连杆块I或连杆块II位移轨迹规划。

4.一种仿人码垛机械手的控制方法，其特征在于：通过对机械手的预定轨迹规划实现对薄板类零件的平稳抓取，包括：设定机械手匀速运动，离散拟规划路线上的点为(x₀,y₀)......(x_i,y_i)......(x_n,y_n)i＝1,2.....k......n，离散时满足任意相邻两离散点之间的距离相等，任意相邻两点之间的运动时间间隔为定值t；对应任意点(x_i,y_i)，曲柄转角可求：其中 其中l₃为连杆I或连杆II长度，l₁为曲柄中心到曲柄与连杆I或连杆II连接点中心的长度；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的曲柄转角增量为对应此时的旋转角速度为：气缸I或气缸II的对应点(x_i,y_i)的长度l₄ ⁱ是：其中(x_F,y_F)是气缸I或气缸II的安装位置座标， 是气缸I或气缸II与连杆I或连杆II的连接点在轨迹对应点(x_i,y_i)的座标，其中l₂为气缸I或气缸II与连杆I或连杆II连接点到连杆块I或连杆块II的距离；点(x_i,y_i)相对于点(x_i-1,y_i-1)的气缸I或气缸II伸缩量为伸缩速度通过电机调整曲柄旋转角度及其角速度ω_i，同时调整气缸I或气缸II伸缩量l₄ ⁱ以及伸缩速度的变化。