CN106426100A - 一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法，包括：桁架，固定设置于地面，所述桁架上设置有可移动的悬梁，所述悬梁轴向沿第一方向，所述悬梁可沿与所述第一方向垂直的第二方向运移动；悬臂，所述悬臂可移动地设置于所述悬梁上，所述悬臂可伸缩；夹持机械手，设置于所述悬臂下端；所述夹持机械手包括定夹板、动夹板和驱动机构，所述定夹板竖直固定，所述驱动机构与所述定夹板相对设置，所述动夹板设置于所述驱动机构上且与所述定夹板平行，在所述驱动机构带动下靠近或远离所述定夹板；所述动夹板上设置有压力传感器，所述动夹板上部设置有朝向下方的距离传感器。本发明最大限度地保证了不规则形状易损物体的安全抓取与搬运。

Description

一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业生产运输技术领域，特别是指一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法。

背景技术

目前现代工业生产中，桁架式机器人广泛的应用于各种零件、产品的搬运码垛；现有的桁架式机器人具备自动控制、可重复编程、多功能、多自由度等多项优势，代替了人力搬运，大大提高了工业生产的效率和精准度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术的桁架机器人至少存在以下问题：对于一些尺寸不固定且易损的产品，比如鸡蛋、水果、蔬菜等农产品，无法用虎口闭合尺寸固定的加持机构和预先设定的夹持力量来搬运；对于瓷器、瓷砖、玻璃等单一品种产量较小，尺寸相对不固定的易碎轻工业产品，也无法用虎口闭合尺寸固定的加持机构进行搬运。以上几类产品目前基本靠人力进行搬运，效率非常低下，在搬运过程中容易使产品受损，严重影响产品质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法，用以实现搬运尺寸不规则或易碎产品，保证生产效率和产品质量。

基于上述目的本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人，包括：

桁架，固定设置于地面，所述桁架上设置有可移动的悬梁，所述悬梁轴向沿第一方向，所述悬梁可沿与所述第一方向垂直的第二方向运移动；

悬臂，所述悬臂可移动地设置于所述悬梁上，所述悬臂可伸缩；

夹持机械手，设置于所述悬臂下端；所述夹持机械手包括定夹板、动夹板和驱动机构，所述定夹板竖直固定，所述驱动机构与所述定夹板相对设置，所述动夹板设置于所述驱动机构上且与所述定夹板平行，在所述驱动机构带动下靠近或远离所述定夹板；所述动夹板上设置有压力传感器，所述动夹板上部设置有朝向下方的距离传感器。

可选的，所述夹持机械手包括水平设置的顶板，所述顶板固定于所述悬臂下端；所述驱动机构包括电机和丝杠；所述顶板一端下部固定有所述定夹板，所述顶板另一端固定有所述电机，所述电机通过丝杠连接至所述动夹板；

当所述电机转动时，带动所述丝杠转动，进而驱动所述动夹板靠近或远离所述定夹板。

可选的，所述定夹板或所述动夹板表面设置有橡胶层。

可选的，所述距离传感器为红外测距器或激光测距器。

基于上述目的本发明还提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，所述方法包括：

驱动所述夹持机械手移动至起点位置；所述起点位置放置有待运物体；

控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器读数达到第一压力阈值；

驱动所述夹持机械手以第一速度上移；

监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑；

若判定所述待运物体下滑，控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述待运物体没有下滑；

若判定所述待运物体没有下滑，驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置。

可选的，所述监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑，具体包括：

检测所述距离传感器读数是否增加；若增加，则判定所述待运物体下滑；或

检测所述距离传感器读数的增量是否在第一时长后达到第一距离；若达到，则判定所述待运物体下滑。

可选的，所述控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述物体没有下滑，具体包括：

控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器的增量达到第一压力增量；

驱动所述夹持机械手以第一速度上移；

监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑；

重复上述过程直至判定所述待运物体没有下滑。

可选的，所述驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置，具体包括：

驱动所述夹持机械手以第二速度上移，直至达到第一高度；所述第二速度大于所述第一速度；

驱动所述悬梁和所述悬臂，带动所述夹持机械手移动至所述目标位置正上方；

驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置。

可选的，所述驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置，具体包括：

驱动所述夹持机械手以第二速度上移前，记录所述夹持机械手的第一高度；

获取所述起点位置和所述目标位置的高度差，将所述第一高度和所述高度差叠加得到第二高度；

驱动所述夹持机械手下移至第二高度，控制所述动夹板远离所述定夹板。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人及其控制方法在逐渐增加夹持压力的过程中，持续监测距离传感器读数，判断待运物体是否下滑，直至将待运物体夹起；通过压力传感器和距离传感器的反馈式协作，实现了以接近最小力的夹持力搬运物体，最大限度地保证了不规则形状易损物体的安全抓取与搬运。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的实施例的整理示意图；

图2为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的实施例中夹持机械手的放大示意图；

图3为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的实施例的流程示意图；

图4为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的一可选实施例的流程示意图；

图5为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的另一可选实施例的流程示意图；

图6为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的又一可选实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的实施例的整理示意图；图2为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的实施例中夹持机械手的放大示意图。如图所示，基于上述目的，本发明实施例的一个方面提供一种基于力反馈的精密操作桁架机器人，包括：

桁架1，固定设置于地面，所述桁架1上设置有可移动的悬梁11，所述悬梁11轴向沿第一方向，所述悬梁11可沿与所述第一方向垂直的第二方向运移动。

悬臂2，所述悬臂2可移动地设置于所述悬梁11上，所述悬臂2可伸缩。

夹持机械手3，设置于所述悬臂2下端；所述夹持机械手3包括定夹板32、动夹板33和驱动机构34，所述定夹板32竖直固定，所述驱动机构34与所述定夹板32相对设置，所述动夹板33设置于所述驱动机构34上且与所述定夹板32平行，在所述驱动机构34带动下靠近或远离所述定夹板32；所述动夹板33上设置有压力传感器35，所述动夹板33上部设置有朝向下方的距离传感器36。

所述夹持机械手3通过悬臂2安装在桁架1上的悬梁11上，所述悬梁11沿第一方向设置，可沿所述桁架1沿第二方向运动；所述悬臂2可移动地设置于所述悬梁11上，可沿所述悬梁11，在第一方向上运动，所述悬臂2可伸缩，在悬臂下端设置有夹持机械手3；通过上述设置，使所述加持机械手3可以沿XYZ三轴直线移动。

在本实施例的使用过程中，由外部计算设备执行控制，以完成：所述动夹板33在驱动机构34的带动下，靠近或远离所述定夹板32，从而完成夹取动作。在夹持物体的过程中，随着定夹板32和动夹板33之间距离的缩短，所述压力传感器35的读数逐渐增加。当读数达到第一阈值时，停止移动动夹板33，所述悬臂2缩短，带动所述夹持机械手3上移；此时监控距离传感器36读数，若发现距离传感器36的读数增加，说明待运物体下滑，悬臂2暂停缩短(或者不暂停，因为此时是在尝试夹取物体，所以悬臂2缩短的速度很慢，即使不暂停也不会影响夹取过程)，继续移动动夹板33，缩短定夹板32和动夹板33之间的距离，并在缩短一定距离后，再次控制悬臂2缩短并监控距离传感器36读数。重复上述过程，直至距离传感器读数恒定，说明待运物体已经被成功夹取，不再缩短定夹板32和动夹板33之间的距离，此时可通过控制悬梁11和悬臂2，移动夹持机械手3至目标位置，从而完成对于待运物体的搬移过程。

从上面所述可以看出，本实施例提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人，在逐渐增加夹持压力的过程中，持续监测距离传感器读数，判断待运物体是否下滑，直至将待运物体夹起；通过压力传感器和距离传感器的反馈式协作，实现了以接近最小力的夹持力搬运物体，最大限度地保证了不规则形状易损物体的安全抓取与搬运。

继续参考图2，如图所示，在一些可选的实施例中，所述夹持机械手3包括水平设置的顶板31，所述顶板31固定于所述悬臂2下端；所述驱动机构34包括电机341和丝杠342；所述顶板31一端下部固定有所述定夹板32，所述顶板31另一端固定有所述电机341，所述电机341通过丝杠342连接至所述动夹板33。

当所述电机341转动时，带动所述丝杠342转动，进而驱动所述动夹板33靠近或远离所述定夹板32，完成夹持或放开待运物体的动作。

使用丝杠342传动可以便于对动夹板33的位置进行微调，从而保证精确地调整夹持力。

继续参考图2，如图所示，在一些可选的实施例中，所述定夹板32或所述动夹板33表面设置有橡胶层37。

所述橡胶层37一方面可以提高摩擦力，以便使用尽可能小的夹持力将待运物体夹起；另一方面还可以起到缓冲作用，避免在搬运脆弱物体时造成损伤。

在一些可选的实施方式中，所述橡胶层37为等厚覆层；在另一些可选的实施方式中，所述橡胶层37的厚度从其下端(以附图2为观察视角)至其上端逐渐减小，橡胶层37的截面呈梯形，这样一来可以使得橡胶层37对于待运物体压力的竖直分量向上，从而可以在更小的夹持力下将物体夹起。

在另外一些可选的实施方式中，所述橡胶层37形状并非一定为平面，还可以是向定夹板32或动夹板33表面凹陷的弧形。

在一些可选的实施例中，所述距离传感器36为红外测距器或激光测距器。

图3为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的实施例的流程示意图。如图所示，本发明实施例的另一方面提供一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，应用于前述桁架机器人，所述方法包括：

S10，驱动所述夹持机械手移动至起点位置；所述起点位置放置有待运物体。

S11，控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器读数达到第一压力阈值。

S12，驱动所述夹持机械手以第一速度上移。

S13，监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑。

S14，若判定所述待运物体下滑，控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述待运物体没有下滑。

S15，若判定所述待运物体没有下滑，驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置。

在上述步骤中，S12里的第一速度比较小，此时桁架机器人在尝试夹取待运物体，通过在缓慢提升物体的过程中，不断增加夹持力，直至物体不再下滑；因此，第一速度应当尽可能小，只要能够有效判断出物体是否发生下滑即可。

从上面所述可以看出，本实施例中的方法通过逐渐增加夹持力，同时监测距离传感器读数，判断待运物体是否下滑，直至将待运物体夹起，借助压力传感器和距离传感器，实现了反馈式的控制方法，从而以接近最小力的夹持力搬运物体，最大限度地保证了不规则形状易损物体的安全抓取与搬运。

图4为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的一可选实施例的流程示意图。如图所示，在一可选的实施例中，所述方法包括：

S10，驱动所述夹持机械手移动至起点位置；所述起点位置放置有待运物体。

S11，控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器读数达到第一压力阈值。

S12，驱动所述夹持机械手以第一速度上移。

S13，监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑。

S14，若判定所述待运物体下滑，控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述待运物体没有下滑。

S15，若判定所述待运物体没有下滑，驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置。

其中，步骤S10具体包括：

S20，检测所述距离传感器读数是否增加；若增加，则判定所述待运物体下滑；若没有增加，则判定所述待运物体没有下滑。或

S21，检测所述距离传感器读数的增量是否在第一时长后达到第一距离；若达到，则判定所述待运物体下滑；若没有达到，则判定所述待运物体没有下滑。

步骤S20和S21择一执行。步骤S20较为简单，只需要检测距离传感器的读数，以距离传感器读数是否变化判断待运物体是否下滑；而步骤S21则进一步细化了检测条件，需要距离传感器读数在第一时长后达到第一距离，才会判定所述待运物体下滑。实际上，步骤S20是利用了距离传感器的精度，距离传感器最小可测的距离增量可以类比于步骤S21中的第一距离，而外部处理设备两次获取距离传感器读数之间的时间差类比于步骤S21中的第一时长。所述第一时长和第一距离的具体值，可以根据实际实验值进一步确定，在此不做具体限定。

图5为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的另一可选实施例的流程示意图。如图所示，在另一可选的实施例中，所述方法包括：

S10，驱动所述夹持机械手移动至起点位置；所述起点位置放置有待运物体。

S11，控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器读数达到第一压力阈值。

S12，驱动所述夹持机械手以第一速度上移。

S13，监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑。

S14，若判定所述待运物体下滑，控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述待运物体没有下滑。

S15，若判定所述待运物体没有下滑，驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置。

其中，步骤S14具体包括：

S30，控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器的增量达到第一压力增量。

S31，驱动所述夹持机械手以第一速度上移。

S32，监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑。

S33，重复上述过程直至判定所述待运物体没有下滑。

所述第一压力增量可以是一个定值，即可以通过逐次增加相同的压力并不断尝试夹取，以达到使用最小夹持力将待运物体夹起。

图6为本发明提供的一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法的又一可选实施例的流程示意图。如图所示，在又一可选的实施例中，步骤S15具体包括：

S40，驱动所述夹持机械手以第二速度上移，直至达到第一高度；所述第二速度大于所述第一速度。

S41，驱动所述悬梁和所述悬臂，带动所述夹持机械手移动至所述目标位置正上方。

S42，驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置。

在尝试夹取待运物体时，所述夹持机械手以第一速度上移，第一速度的取值较小，以防止尝试夹取的时间过长后待运物体滑脱；而确定待运物体已经被夹持稳定后，以更高的第二速度驱动夹持机械手移动，从而提高搬运效率。

在可选的实施方式中，S42，驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置，具体包括：

S43，驱动所述夹持机械手以第二速度上移前，记录所述夹持机械手的第一高度。第一高度即大致为待运物体的初始高度。

S44，获取所述起点位置和所述目标位置的高度差，将所述第一高度和所述高度差叠加得到第二高度。

S45，驱动所述夹持机械手下移至第二高度，控制所述动夹板远离所述定夹板。

可见，步骤S43-S45通过记录夹持机械手的第一高度，并获取起点位置和目标位置的高度差，从而可以通过将第一高度和所述高度差叠加得到第二高度，即需要放开机械手的高度。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于力反馈的精密操作桁架机器人，其特征在于，包括：

桁架，固定设置于地面，所述桁架上设置有可移动的悬梁，所述悬梁轴向沿第一方向，所述悬梁可沿与所述第一方向垂直的第二方向运移动；

悬臂，所述悬臂可移动地设置于所述悬梁上，所述悬臂可伸缩；

夹持机械手，设置于所述悬臂下端；所述夹持机械手包括定夹板、动夹板和驱动机构，所述定夹板竖直固定，所述驱动机构与所述定夹板相对设置，所述动夹板设置于所述驱动机构上且与所述定夹板平行，在所述驱动机构带动下靠近或远离所述定夹板；所述动夹板上设置有压力传感器，所述动夹板上部设置有朝向下方的距离传感器。

2.根据权利要求1所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人，其特征在于，所述夹持机械手包括水平设置的顶板，所述顶板固定于所述悬臂下端；所述驱动机构包括电机和丝杠；所述顶板一端下部固定有所述定夹板，所述顶板另一端固定有所述电机，所述电机通过丝杠连接至所述动夹板；

当所述电机转动时，带动所述丝杠转动，进而驱动所述动夹板靠近或远离所述定夹板。

3.根据权利要求1所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人，其特征在于，所述定夹板或所述动夹板表面设置有橡胶层。

4.根据权利要求1所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人，其特征在于，所述距离传感器为红外测距器或激光测距器。

5.一种基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4所述桁架机器人，所述方法包括：

驱动所述夹持机械手移动至起点位置；所述起点位置放置有待运物体；

控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器读数达到第一压力阈值；

驱动所述夹持机械手以第一速度上移；

监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑；

若判定所述待运物体下滑，控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述待运物体没有下滑；

若判定所述待运物体没有下滑，驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置。

6.根据权利要求5所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，其特征在于，所述监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑，具体包括：

检测所述距离传感器读数是否增加；若增加，则判定所述待运物体下滑；或

检测所述距离传感器读数的增量是否在第一时长后达到第一距离；若达到，则判定所述待运物体下滑。

7.根据权利要求5所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，其特征在于，所述控制所述动夹板继续靠近所述定夹板，直至判定所述物体没有下滑，具体包括：

控制所述动夹板靠近所述定夹板，直至所述压力传感器的增量达到第一压力增量；

驱动所述夹持机械手以第一速度上移；

监控所述距离传感器读数，根据所述距离传感器读数判断所述待运物体是否下滑；

重复上述过程直至判定所述待运物体没有下滑。

8.根据权利要求1所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，其特征在于，所述驱动所述夹持机械手将所述待运物体移动至目标位置，具体包括：

驱动所述夹持机械手以第二速度上移，直至达到第一高度；所述第二速度大于所述第一速度；

驱动所述悬梁和所述悬臂，带动所述夹持机械手移动至所述目标位置正上方；

驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置。

9.根据权利要求8所述的基于力反馈的精密操作桁架机器人的控制方法，其特征在于，所述驱动所述夹持机械手以第二速度下移，直至将所述待运物体放置于所述目标位置，具体包括：

驱动所述夹持机械手以第二速度上移前，记录所述夹持机械手的第一高度；

获取所述起点位置和所述目标位置的高度差，将所述第一高度和所述高度差叠加得到第二高度；

驱动所述夹持机械手下移至第二高度，控制所述动夹板远离所述定夹板。