CN106826805B - 一种多角度精确控制的机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度精确控制的机器人手臂，包括法兰盘，所述法兰盘上安装有第一伸缩装置，且第一伸缩装置的末端通过第一伺服电机连接有第二伸缩装置，所述第二伸缩装置的末端通过第二伺服电机连接有第三伸缩装置，本发明中将机器人手臂的末端伺服电机以伸缩装置进行替代，其中伸缩装置可以采用更加精确的丝杆型电动推杆，由于丝杆型电动推杆自锁能力强，因此结构刚强度好，机械手臂的末端承载能力大，从而能够适用于末端载荷大安装空间小的应用场合，不仅能够有效的对工作装置安装座末端进行精准的多角度调整，而且能够有效的减少对高性能伺服电机的购置费用，具有很高的经济效益。

Description

一种多角度精确控制的机器人手臂

技术领域

本发明涉及机器人手臂技术领域，具体为一种多角度精确控制的机器人手臂。

背景技术

机器人是当前工业中重要的自动化生产设备，传统的机械手一般采用的是三坐标直线式移动或者采用在关节处安装驱动电机驱动的旋转式机械臂，前者移动限制较大，无法良好的调整末端的倾斜角度，因此只能够用应用于简单的搬运等操作，而当需要机器人的末端具有更多摆动自由度从而用于各种复杂的末端处理工作时，就需要机器人的手臂末端能够以所需要的角度进行倾斜，后者虽然能够实现这一点，但由于现有小型伺服电机的自锁力矩较小，因此控制精度较低，尤其是手臂末端需要承载重负载时，因此需要发明一种能够对末端进行多角度精确控制的新型机器人手臂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多角度精确控制的机器人手臂，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多角度精确控制的机器人手臂，包括法兰盘，所述法兰盘上安装有第一伸缩装置，且第一伸缩装置的末端通过第一伺服电机连接有第二伸缩装置，所述第二伸缩装置的末端通过第二伺服电机连接有第三伸缩装置，且第三伸缩装置的末端通过第三伺服电机安装有安装板，且安装板的右侧安装有转盘，所述转盘上设置有连接杆，且连接杆与安装板的下端通过第四伸缩装置进行固定，所述连接杆的后端铰接安装有安装杆，且连接杆的前端铰接安装有与安装杆铰接固定的第五伸缩装置，所述安装杆的末端安装有工作装置安装座，且工作装置安装座上设置有工作装置。

优选的，所述第一伸缩装置、第二伸缩装置、第三伸缩装置、第四伸缩装置和第五伸缩装置为丝杆型电动推杆。

一种多角度精确控制的机器人手臂的控制方法，包括以下步骤：

S1.建立坐标系：现定义第一伸缩装置的最大伸缩长度为L₁，第二伸缩装置的最大伸缩长度为L₂，第三伸缩装置的最大伸缩长度为L₃，并选定第一伸缩装置最小行程所在面与第一伸缩装置轴线交点为o点，以o点为圆心、重力方向为Z轴、第一伸缩装置的轴线为X轴建立坐标系o(X,Y,Z)，定义第三伸缩装置的轴线与第三伺服电机驱动轴的轴线交点为k点，定义工作装置安装座右端面中心处为d点，定义转盘中心轴与连接杆右端面交点为m点，以m点为圆心、圆盘的轴线方向为V轴、连接杆的方向为U轴建立坐标系m(U，V，W)，定义安装杆和连接杆的夹角为α，安装板前端面和连接杆的夹角为β，安装板左端面与W轴的夹角为γ，并定义工作装置安装座末端d点所在的平面最终所要运行到的角度为目标角度，目标角度在o(X,Y,Z)坐标系内以夹角方式预先表示为(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)，采用d点最终所要到达的工作位置为工作位置；

S2.划分可行域：点k将该机构划分成为就位结构和角度调整结构两部分，其中由安装板、第三伺服电机、第四伸缩装置、连接杆、第五伸缩装置、转盘、工作装置安装座和安装杆所构成的结构是角度调整结构，角度调整结构的作用是使工作装置安装座的末端能够到达目标角度，并使d点到达工作位置，当d点到达工作位置且工作装置安装座的右端面到达目标角度时，此时的m点和k点的目标位置为确定值，有法兰盘、第一伸缩装置、第一伺服电机、第二伸缩装置、第二伺服电机和第三伸缩装置构成就位结构，就位结构的作用是使k点到达k点的目标位置，在o(X,Y,Z)坐标系k点可以到达的目标区域为一个圆环形可行域，该圆环形可行域的内径为L₃-L₂，该圆环形可行域的外径为L₃+L₂，该圆环形可行域的高度为L₁，由于工作装置安装座的倾斜角度由α、β和γ决定，可以确定工作装置安装座右端面可以达到的目标角度所对应的(α_目标、β_目标、γ_目标)应处于(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内，而(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)可以预先计算出；

S3.估算目标参数：将目标角度(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)在m(U，V，W)坐标系内表示为(A_UmV、B_VmW、C_UmW)，由于YoZ平面与VmW平面平行，因此B_YoZ＝B_VmW，即α_预测此时为一个确定值，此时只需要找出(A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系即可确定β_预测和γ_预测的值，由于m点与k点的位置关系是确定的，因此m点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程是确定的，可以利用m点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程计算出A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系，由于d点所要到达的工作位置为一个确定的值，因此可以反向利用(α_预测、β_预测、γ_预测)计算出k点的位置，此时只需要保障k点位置位于圆环形可行域内，且(α_预测、β_预测、γ_预测)处于(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内即可完成对伸缩杆伸长量和伺服电机转动量等目标参数的估算；

S4.参数校正：假设工作装置安装座上安装的工作装置的实际质量为M_工作，工件质量为M_工件，且角度调整结构的整体质量为M_调，其他工作受力也可以通过测量获得，由于此时(α_预测、β_预测、γ_预测)也确定，因此可以计算出角度调整结构各部件工作时的挠度，从而确定出(α_目标、β_目标、γ_目标)和k_目标，从而调整角度调整结构内各个伸缩杆和伺服电机的运行参数，进一步的计算出就位结构各部件的挠度变化，从而结合各个杆件的长度确定其他各个伸缩杆的运行参数和伺服电机的转动参数，完成所有参数的校正；

S5.运动：在机器人主控制器的控制下将各个运动参数输入相对应的运动部件中，完成手臂的运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中将机器人手臂的末端伺服电机以伸缩装置进行替代，其中伸缩装置可以采用更加精确的丝杆型电动推杆，由于丝杆型电动推杆自锁能力强，因此结构刚强度好，角度调整精确，精度高，机械手臂的末端承载能力大，从而能够适用于末端载荷大安装空间小的应用场合，不仅能够有效的对工作装置安装座末端进行精准的多角度调整，而且能够有效的减少对高性能伺服电机的购置费用，具有很高的经济效益，从而有效的提高企业的生产能力。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的控制流程框图。

图中：1法兰盘、2第一伸缩装置、3第二伸缩装置、4第二伺服电机、5第三伸缩装置、6第三伺服电机、7第四伸缩装置、8连接杆、9第五伸缩装置、10工作装置安装座、11安装杆、12转盘、13安装板、14第一伺服电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种多角度精确控制的机器人手臂技术方案：

一种多角度精确控制的机器人手臂，包括法兰盘1，法兰盘1上安装有第一伸缩装置2，且第一伸缩装置2的末端通过第一伺服电机14连接有第二伸缩装置3，第二伸缩装置3的末端通过第二伺服电机4连接有第三伸缩装置5，且第三伸缩装置5的末端通过第三伺服电机6安装有安装板13，且安装板13的右侧安装有转盘12，转盘12上设置有连接杆8，且连接杆8与安装板13的下端通过第四伸缩装置7进行固定，连接杆8的后端铰接安装有安装杆11，且连接杆8的前端铰接安装有与安装杆11铰接固定的第五伸缩装置9，安装杆11的末端安装有工作装置安装座10，且工作装置安装座10上设置有工作装置，第一伸缩装置2、第二伸缩装置3、第三伸缩装置5、第四伸缩装置7和第五伸缩装置9为丝杆型电动推杆。

请参阅图2，一种多角度精确控制的机器人手臂的控制方法，包括以下步骤：

S1.建立坐标系：现定义第一伸缩装置2的最大伸缩长度为L₁，第二伸缩装置3的最大伸缩长度为L₂，第三伸缩装置5的最大伸缩长度为L₃，并选定第一伸缩装置2最小行程所在面与第一伸缩装置2轴线交点为o点，以o点为圆心、重力方向为Z轴、第一伸缩装置2的轴线为X轴建立坐标系o(X,Y,Z)，定义第三伸缩装置5的轴线与第三伺服电机6驱动轴的轴线交点为k点，定义工作装置安装座10右端面中心处为d点，定义转盘12中心轴与连接杆8右端面交点为m点，以m点为圆心、圆盘12的轴线方向为V轴、连接杆8的方向为U轴建立坐标系m(U，V，W)，定义安装杆11和连接杆8的夹角为α，安装板13前端面和连接杆8的夹角为β，安装板13左端面与W轴的夹角为γ，并定义工作装置安装座10末端d点所在的平面最终所要运行到的角度为目标角度，目标角度在o(X,Y,Z)坐标系内以夹角方式预先表示为(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)，采用d点最终所要到达的工作位置为工作位置；

S2.划分可行域：点k将该机构划分成为就位结构和角度调整结构两部分，其中由安装板13、第三伺服电机6、第四伸缩装置7、连接杆8、第五伸缩装置9、转盘12、工作装置安装座10和安装杆11所构成的结构是角度调整结构，角度调整结构的作用是使工作装置安装座10的末端能够到达目标角度，并使d点到达工作位置，当d点到达工作位置且工作装置安装座10的右端面到达目标角度时，此时的m点和k点的目标位置为确定值，有法兰盘1、第一伸缩装置2、第一伺服电机14、第二伸缩装置3、第二伺服电机4和第三伸缩装置5构成就位结构，就位结构的作用是使k点到达k点的目标位置，在o(X,Y,Z)坐标系k点可以到达的目标区域为一个圆环形可行域，该圆环形可行域的内径为L₃-L₂，该圆环形可行域的外径为L₃+L₂，该圆环形可行域的高度为L₁，由于工作装置安装座10的倾斜角度由α、β和γ决定，可以确定工作装置安装座10右端面可以达到的目标角度所对应的(α_目标、β_目标、γ_目标)应处于(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内，而α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)可以预先计算出；

S3.估算目标参数：将目标角度(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)在m(U，V，W)坐标系内表示为(A_UmV、B_VmW、C_UmW)，由于YoZ平面与VmW平面平行，因此B_YoZ＝B_VmW，即α_预测此时为一个确定值，此时只需要找出(A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系即可确定β_预测和γ_预测的值，由于m点与k点的位置关系是确定的，因此m点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程是确定的，可以利用m点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程计算出A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系，由于d点所要到达的工作位置为一个确定的值，因此可以反向利用(α_预测、β_预测、γ_预测)计算出k点的位置，此时只需要保障k点位置位于圆环形可行域内，且(α_预测、β_预测、γ_预测)处于α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内即可完成目标参数的估算；

S4.参数校正：假设工作装置安装座10上安装的工作装置的实际质量为M_工作，工件质量为M_工件，且角度调整结构的整体质量为M_调，其他工作受力也可以通过测量获得，由于此时(α_预测、β_预测、γ_预测)也确定，因此可以计算出角度调整结构各部件工作时的挠度，从而确定出(α_目标、β_目标、γ_目标)和k_目标，从而调整角度调整结构内各个伸缩杆和伺服电机的运行参数，进一步的计算出就位结构各部件的挠度变化，从而结合各个杆件的长度确定其他各个伸缩杆的运行参数和伺服电机的转动参数，完成所有参数的校正；

S5.运动：在机器人主控制器的控制下将各个运动参数输入相对应的运动部件中，完成手臂的运动。

本发明中将机器人手臂的末端伺服电机以伸缩装置进行替代，其中伸缩装置可以采用更加精确的丝杆型电动推杆，由于丝杆型电动推杆自锁能力强，因此结构刚强度好，角度调整精确，精度高，机械手臂的末端承载能力大，从而能够适用于末端载荷大安装空间小的应用场合，不仅能够有效的对工作装置安装座末端进行精准的多角度调整，而且能够有效的减少对高性能伺服电机的购置费用，具有很高的经济效益，从而有效的提高企业的生产能力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种多角度精确控制的机器人手臂，包括法兰盘(1)，其特征在于：所述法兰盘(1)上安装有第一伸缩装置(2)，且第一伸缩装置(2)的末端通过第一伺服电机(14)连接有第二伸缩装置(3)，所述第二伸缩装置(3)的末端通过第二伺服电机(4)连接有第三伸缩装置(5)，且第三伸缩装置(5)的末端通过第三伺服电机(6)安装有安装板(13)，且安装板(13)的右侧安装有转盘(12)，所述转盘(12)上设置有连接杆(8)，且连接杆(8)与安装板(13)的下端通过第四伸缩装置(7)进行固定，所述连接杆(8)的后端铰接安装有安装杆(11)，且连接杆(8)的前端铰接安装有与安装杆(11)铰接固定的第五伸缩装置(9)，所述安装杆(11)的末端安装有工作装置安装座(10)，且工作装置安装座(10)上设置有工作装置。

2.根据权利要求1所述的一种多角度精确控制的机器人手臂，其特征在于：所述第一伸缩装置(2)、第二伸缩装置(3)、第三伸缩装置(5)、第四伸缩装置(7)和第五伸缩装置(9)为丝杆型电动推杆。

3.一种如权利要求1所述的多角度精确控制机器人手臂的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立坐标系：现定义第一伸缩装置(2)的最大伸缩长度为L₁，第二伸缩装置(3)的最大伸缩长度为L₂，第三伸缩装置(5)的最大伸缩长度为L₃，并选定第一伸缩装置(2)最小行程所在面与第一伸缩装置(2)轴线交点为o点，以o点为圆心、重力方向为Z轴、第一伸缩装置(2)的轴线为X轴建立坐标系o(X,Y,Z)，定义第三伸缩装置(5)的轴线与第三伺服电机(6)驱动轴的轴线交点为k点，定义工作装置安装座(10)右端面中心处为d点，定义转盘(12)中心轴与连接杆(8)右端面交点为m点，以m点为圆心、圆盘(12)的轴线方向为V轴、连接杆(8)的方向为U轴建立坐标系m(U，V，W)，定义安装杆(11) 和连接杆(8)的夹角为α，安装板(13)前端面和连接杆(8)的夹角为β，安装板(13)左端面与W轴的夹角为γ，并定义工作装置安装座(10)末端d点所在的平面最终所要运行到的角度为目标角度，目标角度在o(X,Y,Z)坐标系内以夹角方式预先表示为(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)，采用d点最终所要到达的工作位置为工作位置；

S2.划分可行域：点k将该机构划分成为就位结构和角度调整结构两部分，其中由安装板(13)、第三伺服电机(6)、第四伸缩装置(7)、连接杆(8)、第五伸缩装置(9)、转盘(12)、工作装置安装座(10)和安装杆(11)所构成的结构是角度调整结构，角度调整结构的作用是使工作装置安装座(10)的末端能够到达目标角度，并使d点到达工作位置，当d点到达工作位置且工作装置安装座(10)的右端面到达目标角度时，此时的m点和k点的目标位置为确定值，有法兰盘(1)、第一伸缩装置(2)、第一伺服电机(14)、第二伸缩装置(3)、第二伺服电机(4)和第三伸缩装置(5)构成就位结构，就位结构的作用是使k点到达k点的目标位置，在o(X,Y,Z)坐标系k点可以到达的目标区域为一个圆环形可行域，该圆环形可行域的内径为L₃-L₂，该圆环形可行域的外径为L₃+L₂，该圆环形可行域的高度为L₁，由于工作装置安装座(10)的倾斜角度由α、β和γ决定，可以确定工作装置安装座(10)右端面可以达到的目标角度所对应的(α_目标、β_目标、γ_目标)应处于(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内，而(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)可以预先计算出；

S3.估算目标参数：将目标角度(A_XoY、B_YoZ、C_XoZ)在m(U，V，W)坐标系内表示为(A_UmV、B_VmW、C_UmW)，由于YoZ平面与VmW平面平行，因此B_YoZ＝B_VmW，即α_预测此时为一个确定值，此时只需要找出(A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系即可确定β_预测和γ_预测的值，由于m点与k点的位置关系是确定的，因此m 点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程是确定的，可以利用m点在o(X,Y,Z)平面内的迹线方程计算出(A_XoY、C_XoZ)与(A_UmV、C_UmW)的对应关系，由于d点所要到达的工作位置为一个确定的值，因此可以反向利用(α_预测、β_预测、γ_预测)计算出k点的位置，此时只需要保障k点位置位于圆环形可行域内，且(α_预测、β_预测、γ_预测)处于(α_min～α_max、β_min～βmax、γ_min～γ_max)区间内即可完成目标参数的估算；

S4.参数校正：假设工作装置安装座(10)上安装的工作装置的实际质量为M _工作，工件质量为M_工件，且角度调整结构的整体质量为M_调，其他工作受力也可以通过测量获得，由于此时(α_预测、β_预测、γ_预测)也确定，因此可以计算出角度调整结构各部件工作时的挠度，从而确定出(α_目标、β_目标、γ_目标)和k_目标，从而调整角度调整结构内各个伸缩杆和伺服电机的运行参数，进一步的计算出就位结构各部件的挠度变化，从而结合各个杆件的长度确定其他各个伸缩杆的运行参数和伺服电机的转动参数，完成所有参数的校正；

S5.运动：在机器人主控制器的控制下将各个运动参数输入相对应的运动部件中，完成手臂的运动。