CN107457772B - 一种水平关节搬运机械臂及其搬运方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平关节搬运机械臂及其搬运方法，包括机械臂本体，所述机械臂本体包括支柱和控制系统，所述支柱上端转动连接有主臂，所述主臂伸出端转动连接有副臂，所述副臂伸出端竖直向下并转动安装有用于提升物料的提升机构，所述控制系统设有用于控制主臂和副臂转动的操纵机构。本发明提供了一种水平关节搬运机械臂及其搬运方法，该机械臂结构简单，利用电机代替人力，动作迅速，同时以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观实际运动轨迹，从而实现物料的轻松搬运。

Description

一种水平关节搬运机械臂及其搬运方法

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种助力机械臂。

背景技术

传统的助力机械臂，将物料提升以后，需依靠人力去推动机械臂运转以实现物料的搬运。一方面，因人的力量比较小（一般是300牛以下），为克服物料的运动惯性，只能以比较慢的速度去推动物料移动，同时由于助力机械臂采用双关节结构，主臂与副臂是以连接点作为圆心做旋转运动，相对使用者来说，物料是以两个圆弧相互叠加的轨迹进行运动，当使用者需对物料依照直线轨迹进行搬运时，需克服两个关节的运动半径，操作不方便。另一方面，由于受人力的限制，在需要对物料实施精确定位（定位精度10mm以下）时，操作人很难精确控制好自身推力的大小，容易出现超程运动或欠程运动，需要多次尝试才能实现物料精确定位。因此，传统助力机械臂，运行缓慢、操作不便、耗费使用者体力。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种水平关节搬运机械臂及其搬运方法，该机械臂结构简单，利用电机代替人力，动作迅速，同时以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观实际运动轨迹，从而实现物料的轻松搬运。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种水平关节搬运机械臂，包括机械臂本体，所述机械臂本体包括支柱和控制系统，所述支柱上端转动连接有主臂，所述主臂伸出端转动连接有副臂，所述副臂伸出端竖直向下并转动安装有用于提升物料的提升机构，所述控制系统设有用于控制主臂和副臂转动的操纵机构。

作为上述技术方案的改进，所述支柱与主臂之间还设有主关节，所述主关节包括主电机以及与主电机输出端连接第一减速组，所述第一减速组输出端通过主关节旋转轴与主臂连接，所述主臂与副臂之间还设有次关节，所述次关节包括副电机以及与副电机输出端连接的第二减速组，所述第二减速组输出端通过次关节旋转轴连接副臂。

作为上述技术方案的改进，所述主关节还设有用于复位主臂和支柱的第一光电开关，所述次关节还设有用于复位主臂和副臂的第二光电开关。

作为上述技术方案的改进，所述提升机构包括主架和副架，所述主架上部通过末关节与副臂转动连接，所述副臂靠近末关节一端设有角度检测装置，所述角度检测装置与末关节的转动轴连接，所述副架可沿竖直方向滑动安装在主架的一侧，所述副架下部远离主架的一侧连接有用于叉送货物的叉台。

作为上述技术方案的改进，所述操纵机构安装在主架的下部且远离副架的一侧，所述操纵机构包括把手以及用于控制主臂和副臂运动的摇杆，所述把手对称安装在主架的下部，所述摇杆择一安装在把手上，所述摇杆与控制系统数据连接。

一种水平关节搬运机械臂搬运方法，所述方法采用任一所述水平关节搬运机械臂，该搬运方法包括以下步骤：

步骤1、提升机构将所需搬运物料提升之后，操作人员将控制系统设置为同一执行周期；

步骤2、操作人员手持把手，并用手控制摇杆的摆动方向，摇杆上的控制信号通过数据传输线传回控制系统，控制系统以固定频率分别读取摇杆和角度检测装置所输出的模拟量信号；

步骤3、控制系统计算出第N（N≥1）个执行周期模拟量信号的运动参数，并控制主电机和副电机按照第N个执行周期的运动参数进行向第N个执行周期的目标点的逼近运动，同时开始接收第N+1个执行周期模拟量信号，并计算出下一个执行周期内两个电机的运动参数；

步骤4、待主电机和副电机按照第N个执行周期的运动参数进行完成后，提升机构上的物料到达第N个执行周期的目标点，此时控制系统将计算好的第N+1个执行周期的运动参数信号反馈给主电机和副电机，同时控制系统开始接受第N+2个执行周期的运动参数信号，并计算出第N+2个执行周期内主电机和副电机的运动参数；

步骤5、循环重复步骤3至步骤4，控制系统循环读取摇杆和角度检测装置的信息，即可实时修改并执行控制系统所计算出的运动轨迹，以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观的实际运动轨迹，完成物料的搬运工作。

作为上述技术方案的改进，步骤3、步骤4和步骤5中的所述运动参数包括主电机和副电机的运转速度、加减速时间、位移量和转动方向参数。

作为上述技术方案的改进，所述摇杆可向控制系统输出至少二组模拟量信号，分别为X和Y方向的模拟量信号，控制系统经过计算可得出末关节第N+1个执行周期的位移量L以及提升机构与摇杆所构成的角度B，角度检测装置可向控制系统输出一组模拟量信号，经过计算可得出提升机构与副臂所构成角度A，所述角度A和角度B经过控制系统折算可得出第N+1个执行周期末关节的运动方向。

本发明的有益效果有：

本发明提供了一种水平关节搬运机械臂，该机械臂使用机械为骨架代替人力，使用者能轻松的搬运物料，由于采用控制系统实时控制搬运轨迹，可以大范围提高助力机械臂的运动速度和准确性，同时采用操纵机构进行控制电机运转，使用者搬运物料更灵活；本发明还提供了一种水平关节搬运机械臂的搬运方法，该方法中利用摇杆和角度检测装置所采集到的信息反馈给控制系统，控制系统按照一个固定执行周期内所接收到的信号进行计算，计算完成后控制主副电机运转并搬运物料，同时该控制系统接收下一个执行周期摇杆和角度检测装置的信号，并计算出两个电机的运动参数，机械臂循环执行控制系统发出的信号，以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观的实际运动轨迹，从而实现物料的搬运，采用控制系统高速采样、计算、修改电机参数，可实时修改所搬运物料的运动轨迹，提高助力机械臂的灵活性，动作不卡滞，省时省力。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明实施例的结构示意图一；

图2是本发明实施例的结构示意图二；

图3是本发明实施例的结构示意简图。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种水平关节搬运机械臂，包括机械臂本体1，所述机械臂本体1包括支柱2和用于控制机械臂本体1运动的控制系统，所述支柱2上端水平转动连接有主臂3，主臂3与支柱2垂直，所述主臂3伸出端转动连接有副臂4，主臂3与副臂4相互平行，副臂4可围绕主臂3伸出端转动，且互不干涉，所述支柱2与主臂3之间还设有主关节7，所述主关节7包括主电机71以及与主电机71输出端连接第一减速组72，所述第一减速组72输出端通过主关节7旋转轴与主臂3连接，采用第一减速组72，可以保持主电机输出动力满足搬运要求。所述主关节7还设有用于复位主臂3和支柱2的第一光电开关，用于感应主臂3和支柱2归位时，对控制系统对主电机71的数据归零。所述主臂3与副臂4之间还设有次关节8，所述次关节8包括副电机81以及与副电机81输出端连接的第二减速组82，所述第二减速组82输出端通过次关节8旋转轴连接副臂4，采用次关节8连接第二减速组82和副臂4，使用者在搬运物料时灵活性更强。所述次关节8还设有用于复位主臂3和副臂4的第二光电开关，用于感应主臂3和副臂4归位时，对控制系统对副电机81的数据归零。其中，主电机71和副电机81均为伺服电机，采用伺服电机方便对主臂3和副臂4的转动角度进行精确控制，从而实现物料的精确搬运。

进一步参见图2，所述副臂4伸出端竖直向下转动安装有用于提升物料的提升机构5；其中，所述提升机构5包括主架51和副架52，所述主架51上部通过末关节9与副臂4转动连接，所述副臂4靠近末关节9一端设有角度检测装置10，所述角度检测装置10与末关节9的转动轴通过皮带连接，角度检测装置10用于检测提升机构5和副臂4的相对转动角度，方便控制系统对提升机构5或末关节9的位置进行换算。所述副架52可竖直滑动安装在主架51的一侧，其中，主架51上下端设有一个可转动的传动链条，传动链条中部连接副架52，只需通过电机带动传动链条即可实现副架52与主架51之间在竖直方向上的相对运动，从而实现物料的提升。所述副架52下部远离主架51的一侧连接有用于叉送货物的叉台53，叉台53通过一连接座与叉台53副架52下部连接，连接座上设有一个转动轴，该转动轴连接一个外部电机，实现叉台53的位置平移，适应物料装卸位置。此外叉台53设有两个可以调节开合距离的叉架。

所述控制系统设有用于控制主臂3和副臂4转动的操纵机构6，所述操纵机构6安装在提升机构5的下部。所述操纵机构6安装在主架51的下部且远离副架52的一侧，所述操纵机构6包括把手61以及用于控制主臂3和副臂4运动的摇杆62，所述把手61对称安装在主架51的下部的两侧，所述摇杆62择一安装在把手61上，所述摇杆62与控制系统数据连接，只需通过控制摇杆62的方向，摇杆62就可以分别输出X、Y方向上的位移矢量信号，并将该信号送入控制系统进行运算，控制系统将摇杆62的所输出的位移矢量进行合成，形成一个在合成位移矢量，同时将这个合成位移矢量的信号输出为主电机71和副电机81所能识别的运动参数信号，进而控制主电机71和副电机81。

参见图3，本发明还公开了一种水平关节搬运机械臂搬运方法，该方法采用上述搬运机械臂，该方法包括以下步骤：

步骤1、待提升机构5将物料提升之后，操作人员将控制系统的设置为同一执行周期；

步骤2、操作人员手持把手61，并用手控制摇杆62的摆动方向，摇杆62上的控制信号通过数据传输线传回控制系统，控制系统以固定频率分别读取摇杆62和角度检测装置10所输出的模拟量信号；

步骤3、控制系统计算出第N（N≥1）个执行周期模拟量信号的运动参数，并控制主电机71和副电机81按照第N个执行周期的运动参数进行N+1个执行周期的逼近运动，同时开始接收第N+1个执行周期模拟量信号，并计算出下一个执行周期内两个电机的运动参数；

步骤4、待主电机71和副电机81按照第N个执行周期的运动参数进行完成后，提升机构5上的物料到达第N个执行周期的目标点，此时控制系统将计算好的第N+1个执行周期的运动参数信号反馈给主电机71和副电机81，同时控制系统开始接受第N+2个执行周期的运动参数信号，并计算出第N+2个执行周期内主电机71和副电机81的运动参数；

步骤5、循环重复步骤3至步骤4，控制系统循环读取摇杆62和角度检测装置10的信息，即可实时修改并执行控制系统所计算出的运动轨迹，以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观的实际运动轨迹，从而实现物料的搬运。

其中，上述的步骤3、步骤4和步骤5中的运动参数包括主电机71和副电机81的运转速度、加减速时间、位移量和转动方向参数，这些运动参数均由控制系统进行计算得出。上述步骤1-5中的固定频率可设为50Hz或大于50Hz，方便控制系统进行控制。

此外，所述摇杆62可向控制系统输出至少二组模拟量信号，分别为X和Y方向的模拟量信号，控制系统经过计算可得出末关节9第N+1个执行周期的位移量L以及提升机构5与摇杆62所构成的角度B。其中，位移量L等于摇杆62在第N+1个执行周期内，分别在X和Y方向所需要运动的位移合成总和，位移量L在摇杆62上采用的是如下实现方式：当遥杆62朝着一个方向进行倾斜时，遥杆62与提升机构5之间所构成的角度B的大小决定了整个机械臂的运动加速度的大小，此时倾斜的遥杆62会被投影分解在X和Y方向上，所投影的长度决定运动速度的大小，控制系统以固定周期读取遥杆62在X和Y方向上的运动矢量，根据运动速度和运动的时间可以分别算出机械臂分别在X和Y方向所需运动的距离，控制系统再将两者合成为最终的位移量。此外，位移量L在摇杆62上采用的还有其他的方式进行实现：由于每个执行周期是固定的，位移量L决定机械臂运动的快慢，角度B决定位移量L的方向。上述的位移量L和角度B均通过摇杆62输出的数据信号传送到控制系统中，从而实现控制。

此外，角度检测装置10可向控制系统输出一组模拟量信号，经过计算可得出提升机构5与副臂4所构成角度A，角度A等于角度检测装置10在第N+1个执行周期内最终所转动的角度值。所述角度A和角度B经过控制系统折算可得出第N+1个执行周期末关节9的运动方向。由于主臂3、副臂4以及摇杆62与末关节9的偏心距是已知的，通过D-H矩阵对摇杆62和末关节9的位置进行换算，即可实现摇杆62和末关节9在支点处一般以支柱与地面固定的转动中心的换算，方便控制系统将信号传送给主电机71和副电机81。当第N+1个执行周期进行完成，控制系统会控制电机执行已经计算好的第N+2个执行周期的运动参数，由于控制系统循环按照固定执行周期进行接收角度检测装置10和摇杆62的所输出信号，进而可实时修改并执行控制系统所计算出的运动轨迹，以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观的实际运动轨迹，从而实现物料的搬运，进而达到了搬运过程灵活、轻便的要求。

以上所述，只是本发明的较佳实施方式而已，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水平关节搬运机械臂，其特征在于：包括机械臂本体（1），所述机械臂本体（1）包括支柱（2）和控制系统，所述支柱（2）上端转动连接有主臂（3），所述主臂（3）伸出端转动连接有副臂（4），所述副臂（4）伸出端竖直向下并转动安装有用于提升物料的提升机构（5），所述控制系统设有用于控制主臂（3）和副臂（4）转动的操纵机构（6），所述提升机构（5）包括主架（51）和副架（52），所述主架（51）上部通过末关节（9）与副臂（4）转动连接，所述副臂（4）靠近末关节（9）一端设有角度检测装置（10），所述角度检测装置（10）与末关节（9）的转动轴连接，所述副架（52）可沿竖直方向滑动安装在主架（51）的一侧，所述副架（52）下部远离主架（51）的一侧连接有用于叉送货物的叉台（53），所述操纵机构（6）安装在主架（51）的下部且远离副架（52）的一侧，所述操纵机构（6）包括把手（61）以及用于控制主臂（3）和副臂（4）运动的摇杆（62），所述把手（61）对称安装在主架（51）的下部，所述摇杆（62）择一安装在把手（61）上，所述摇杆（62）与控制系统数据连接。

2.根据权利要求1所述的一种水平关节搬运机械臂，其特征在于：所述支柱（2）与主臂（3）之间还设有主关节（7），所述主关节（7）包括主电机（71）以及与主电机（71）输出端连接的第一减速组（72），所述第一减速组（72）输出端通过主关节（7）旋转轴与主臂（3）连接，所述主臂（3）与副臂（4）之间还设有次关节（8），所述次关节（8）包括副电机（81）以及与副电机（81）输出端连接的第二减速组（82），所述第二减速组（82）输出端通过次关节（8）旋转轴连接副臂（4）。

3.根据权利要求2所述的一种水平关节搬运机械臂，其特征在于：所述主关节（7）还设有用于复位主臂（3）和支柱（2）的第一光电开关，所述次关节（8）还设有用于复位主臂（3）和副臂（4）的第二光电开关。

4.一种水平关节搬运机械臂搬运方法，其特征在于，所述方法采用权利要求2或3所述的水平关节搬运机械臂，该搬运方法包括以下步骤：

步骤1、提升机构（5）将所需搬运物料提升之后，操作人员将控制系统设置为同一执行周期；

步骤2、操作人员手持把手（61），并用手控制摇杆（62）的摆动方向，摇杆（62）上的控制信号通过数据传输线传回控制系统，控制系统以固定频率分别读取摇杆（62）和角度检测装置（10）所输出的模拟量信号；

步骤3、控制系统计算出第N（N≥1）个执行周期模拟量信号的运动参数，并控制主电机（71）和副电机（81）按照第N个执行周期的运动参数进行向第N个执行周期的目标点的逼近运动，同时开始接收第N+1个执行周期模拟量信号，并计算出下一个执行周期内两个电机的运动参数；

步骤4、待主电机（71）和副电机（81）按照第N个执行周期的运动参数进行完成后，提升机构（5）上的物料到达第N个执行周期的目标点，此时控制系统将计算好的第N+1个执行周期的运动参数信号反馈给主电机（71）和副电机（81），同时控制系统开始接受第N+2个执行周期的运动参数信号，并计算出第N+2个执行周期内主电机（71）和副电机（81）的运动参数；

步骤5、循环重复步骤3至步骤4，控制系统循环读取摇杆（62）和角度检测装置（10）的信息，即可实时修改并执行控制系统所计算出的运动轨迹，以多段微观的运动轨迹拼合成物料的宏观的实际运动轨迹，完成物料的搬运工作。

5.根据权利要求4所述的一种水平关节搬运机械臂搬运方法，其特征在于，步骤3、步骤4和步骤5中的所述运动参数包括主电机（71）和副电机（81）的运转速度、加减速时间、位移量和转动方向参数。

6.根据权利要求4所述的一种水平关节搬运机械臂搬运方法，其特征在于，所述摇杆（62）可向控制系统输出至少二组模拟量信号，分别为X和Y方向的模拟量信号，控制系统经过计算可得出末关节（9）第N+1个执行周期的位移量L以及提升机构（5）与摇杆（62）所构成的角度B，角度检测装置（10）可向控制系统输出一组模拟量信号，经过计算可得出提升机构（5）与副臂（4）所构成角度A，所述角度A和角度B经过控制系统折算可得出第N+1个执行周期末关节（9）的运动方向。

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