CN108247619A - 用于抓取的机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于抓取的机器人，包括底座、腰部、臂部、腕部和手部，臂部包括竖直运动的立臂和水平运动的悬臂，立臂安装在基座上，悬臂与立臂垂直，悬臂前端与立臂相连，手部通过腕部连接在悬臂后端，悬臂后端上方安装有视觉传感器。本发明还提供该用于抓取的机器人的工作方法，腰部、立臂、悬臂、腕部、手部依次运动的工作顺序。视觉传感器测量被抓取物的坐标实现自动定位，并指导臂部运动到指定位置，实现精准定位；结合立臂、悬臂、腕部和手部相互配合运动，实现五自由度运动，各关节部件定位精准、活动灵活。

Description

用于抓取的机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及自动化技术，尤其涉及用于抓取的机器人及其工作方法。

背景技术

随着科技日益进步，以前需要人工加工制造的行业开始向自动化技术转变。作为近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机器人、机械手在现代制造技术领域中扮演了极其重要的角色，其能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，并有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

搬运机械手由PLC控制+触摸屏+伺服电机控制，采用占用空间少的框架式结构，生产能力大，码垛的方式可以采用示教是编程，适用于电子、食品、饮料、烟酒等行业的纸箱包装产品和热收缩膜产品以及物流仓储码垛、堆垛作业。

在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动生产流水线，很多会用到机械手来完成工件的取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。其任务是将传送带A上的工件或物品搬运到传送带B上。

机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现自动识别被抓取物并实现自动定位、移动、抓取的用于抓取的机器人。该用于抓取的机器人悬臂后端上方安装有可旋转的云台，且云台的旋转平台固定安装有视觉传感器；视觉传感器随云台的旋转平台的转动而四周转动，视觉传感器360°无死角地探测被抓取物的位置，确保能获取到被抓取物准确的位置信息，为后续机器人移动、抓取提供依据。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供用于抓取的机器人，包括底座、腰部、臂部、腕部和手部，臂部包括竖直运动的立臂和水平运动的悬臂，立臂安装在基座上，悬臂与立臂垂直，悬臂前端与立臂相连，手部通过腕部连接在悬臂后端，悬臂后端上方安装有可旋转的云台，云台包括云台固定底座和旋转平台，视觉传感器固定在云台的旋转平台上。

优选的，腕部包括腕部电机和锥齿轮组，锥齿轮组由主动锥齿轮和从动锥齿轮组成；腕部电机安装在悬臂前端，通过腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动。腕部电机动力经传动轴然后经传动轴然后经锥齿轮传动换向后，带动腕部俯仰，且腕部电机安装在悬臂最前端，减小了悬臂受力。

优选的，立臂和悬臂均是通过电机直接驱动，采用丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨作为导向装置限制螺母的转动；其中，

立臂的传动机构包括立臂电机、立臂丝杆和直线型导轨一；立臂通过立臂电机直接驱动，采用立臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨一作为导向装置限制螺母的转动；

悬臂的传动机构包括悬臂电机、悬臂丝杆和直线型导轨二；悬臂通过悬臂电机直接驱动，采用悬臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨二作为导向装置限制螺母的转动。

优选的，腰部包括腰部电机和一对圆柱齿轮组，圆柱齿轮组包括主动圆柱齿轮和从动圆柱齿轮；腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部回转，腰部电机放置在基座下方。腰部电机采用带减速器的电机，考虑机械手体积结构、传动精度和经济性，减速装置采用圆柱齿轮组减速器。

优选的，手部包括手爪和手爪电机，手爪电机安装在基座上，带动有两段螺纹的主轴旋转。基座的两边开有两条导槽，两段螺纹上的升降螺母、可沿导槽滑动；升降螺母上左右各安装一平行四边形机构，手爪和该平行四边形机构的连杆固连在一起。

优选的，手爪上安装有传感器，传感器包括接近觉传感器和触滑觉传感器。安装在机械手上的触觉和滑觉传感器，能及时检测触觉和滑觉变化，并及时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器根据这些信号做出相应的决策进而发出一定的指令控制机械手爪动作。

优选的，接近觉传感器选用反射式红外光电传感器，是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。

优选的，触滑觉传感器选用 PVDF 压电薄膜元件；触滑觉传感器采用单层 PVDF压电薄膜元件与包封表皮相结合的方式，包封表皮贴在触滑觉传感器表面上；安装在手部末端的手爪上，在手爪与PVDF压电薄膜元件间还覆有一层橡胶薄膜，包封表皮采用能全方位感知滑动的表面带圆弧状凸起的包封表皮。触滑觉传感器的作用经触摸获得机械手与物体间是否接触、是否产生滑移的信息后反馈给核心控制器。触滑觉传感器选用 PVDF 压电薄膜元件，PVDF 压电薄膜元件在承受一定方向的外力或变形时，在其表面上产生一定的电荷，电量与施加力的大小成比例。为了更加有效的传递传感器与物体的接触力。触滑觉传感器采用单层 PVDF 结构与包封表皮相结合的方式，安装在机械手爪末端，跟机械手一起在三维空间内任意运动，由于物体的滑动方向不确定，用能全方位感知滑动的表面带圆弧状凸起的包封表皮比较合适，为避免损坏传感器，在手爪与PVDF 压电薄膜元件间加上一层橡胶薄膜。

本发明的目的在于提供一种自动识别被抓取物，自动定位、自动移动、自动抓取的用于抓取的机器人工作方法。

本发明提供的用于抓取的机器人的工作方法，具体的工作步骤如下：

S01：立臂和悬臂位置初始化，立臂的初始位置为立臂降到最低的位置，悬臂的初始位置为悬臂缩回到最短的位置；

S02：腰部回转：腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部旋转；视觉传感器随云台的旋转平台的转动而转动，视觉传感器探测被抓取物的位置，直至视觉传感器探测到被抓取物的位置时，腰部停止旋转，该过程旋转角度为a；

S03：建立坐标系，以测距传感器的位置为原点，竖直方向为Z轴，水平方向为X轴，与X轴和Z轴所在平面垂直的方向为Y轴；

S04：视觉传感器测量被抓取物的坐标（x₁,y₁,z₁），立臂升降高度H和悬臂伸缩距离L，H、L的计算公式分别为：H=z₁+h，L=x₁，其中h为夹爪和腕部的总长度；

S05：臂部运动到指定位置；

S06：腕部摆动：腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动；

S07：手部夹爪式抓取：手爪上的接近觉传感器和触滑觉传感器实时检测触觉和滑觉变化，并实时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器根据这些信号做出相应的决策进而发出一定的指令控制手爪动作。

优选的，步骤S05包括以下步骤：

S501：立臂竖直移动：立臂通过立臂电机直接驱动，带动立臂丝杠转动从而驱动立臂升降，升降高度为H，

S502：悬臂水平伸缩：悬臂通过悬臂电机直接驱动，带动悬臂丝杠转动从而驱动悬臂伸缩，伸缩距离为L。

本发明的用于抓取的机器人及其工作方法的有益效果：

1) 用于抓取的机器人，包括底座、立臂、悬臂、腕部和手部，悬臂后端上方安装有视觉传感器，视觉传感器测量被抓取物的坐标实现自动定位，并指导臂部运动到指定位置，实现精准定位；结合立臂、悬臂、腕部和手部相互配合运动，实现五自由度运动，各关节部件定位精准、活动灵活；

2）用于抓取的机器人实现了腰部回转运动、立臂竖直方向移动、悬臂水平方向伸缩、腕部俯仰运动以及手爪的开合动作，针对搬运、堆垛过程中机械手的启动、抓取、复位等工作状况实现了自动识别被抓取物并实现自动定位、移动、抓取。

3）视觉传感器随云台的旋转平台的转动而四周转动，视觉传感器360°无死角地探测被抓取物的位置，确保能获取到被抓取物准确的位置信息，为后续机器人移动、抓取提供依据。

4）本发明以视觉传感器为原点建立三维坐标系，并测量被抓取物的坐标，从而计算位移矢量，移动距离和方向，从而实现自动识别被抓取物并实现自动定位、移动。

5）腰部、立臂、悬臂、腕部、手部依次运动的工作顺序，腰部运动时立臂、悬臂均处于初始位置，避免立臂过高产生左右摆动，影响腰部旋转到位，从而降低旋转定位精度，同时还避免悬臂伸出较长，对工作场地面积要求更大，而且避免悬臂、腕部、手部在转动的同时打到周围的障碍物；立臂运动到位后悬臂再运动，立臂运动时悬臂处于初始位置，避免立臂运动时悬臂伸出过长摆动幅度过大影响增加立臂的运动及动作精度；立臂做升降运动，并立臂最顶端离地面距离大于h，从而确保手爪和腕部部碰触到地面。

附图说明

图1为本发明用于抓取的机器人的运动简图。

图2为云台的结构示意图。

图3为用于抓取的机器人的结构示意图。

图4为手部结构示意图。

图5为手爪及传感器结构示意图。

图中， 1、底座，2、从动圆柱齿轮，3、立臂，4、悬臂电机，5、腕部电机，6、立臂电机，7、立臂丝杠，8、悬臂丝杠，9、主动锥齿轮，10、从动锥齿轮，11、悬臂，12、腕部，13、手爪电机，14、手爪，15、手部，16、主动圆柱齿轮，17、腰部电机，18、基座，19、导槽，20、升降螺母，21、螺纹，22、连杆，23、手爪，24、传感器25、视觉传感器，26、触滑觉传感器，27、接近觉传感器，28、橡胶薄膜，29、包封表皮，30、被抓取物，31、云台，32、云台固定底座，33、旋转平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一、

请参照图1、图2和图3，本具体实施例的用于抓取的机器人，包括底座、腰部、臂部、腕部和手部，臂部包括竖直运动的立臂和水平运动的悬臂，立臂安装在基座上，悬臂与立臂垂直，悬臂前端与立臂相连，手部通过腕部连接在悬臂后端，悬臂后端上方安装有可旋转的云台，云台包括云台固定底座和旋转平台，视觉传感器固定在云台的旋转平台上。

在一更佳的实施例中，腕部包括腕部电机和锥齿轮组，锥齿轮组由主动锥齿轮和从动锥齿轮组成；腕部电机安装在悬臂前端，通过腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动。腕部电机动力经传动轴然后经传动轴然后经锥齿轮传动换向后，带动腕部俯仰，且腕部电机安装在悬臂最前端，减小了悬臂受力。

在一更佳的实施例中，立臂和悬臂均是通过电机直接驱动，采用丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨作为导向装置限制螺母的转动；其中，

立臂的传动机构包括立臂电机、立臂丝杆和直线型导轨一；立臂通过立臂电机直接驱动，采用立臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨一作为导向装置限制螺母的转动；

悬臂的传动机构包括悬臂电机、悬臂丝杆和直线型导轨二；悬臂通过悬臂电机直接驱动，采用悬臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨二作为导向装置限制螺母的转动。

在一更佳的实施例中，腰部包括腰部电机和一对圆柱齿轮组，圆柱齿轮组包括主动圆柱齿轮和从动圆柱齿轮；腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部回转，腰部电机放置在基座下方。腰部电机采用带减速器的电机，考虑机械手体积结构、传动精度和经济性，减速装置采用圆柱齿轮组减速器。

在一更佳的实施例中，请参照图4，手部包括手爪和手爪电机，手爪电机安装在基座 2）上，带动有两段螺纹的主轴旋转。基座的两边开有两条导槽，两段螺纹上的升降螺母可沿导槽滑动；升降螺母上左右各安装一平行四边形机构，手爪和该平行四边形机构的连杆固连在一起。

在一更佳的实施例中，请参照图5，手爪上安装有传感器，传感器包括接近觉传感器和触滑觉传感器。安装在机械手上的触觉和滑觉传感器，能及时检测触觉和滑觉变化，并及时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器根据这些信号做出相应的决策进而发出一定的指令控制机械手爪动作。

在一更佳的实施例中，接近觉传感器选用反射式红外光电传感器，是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。

在一更佳的实施例中，触滑觉传感器选用 PVDF 压电薄膜元件；触滑觉传感器采用单层 PVDF压电薄膜元件与包封表皮相结合的方式，包封表皮贴在触滑觉传感器表面上；安装在手部末端的手爪上，在手爪与PVDF压电薄膜元件间还覆有一层橡胶薄膜，包封表皮采用能全方位感知滑动的表面带圆弧状凸起的包封表皮。触滑觉传感器的作用经触摸获得机械手与物体间是否接触、是否产生滑移的信息后反馈给核心控制器。触滑觉传感器选用PVDF 压电薄膜元件，PVDF 压电薄膜元件在承受一定方向的外力或变形时，在其表面上产生一定的电荷，电量与施加力的大小成比例。为了更加有效的传递传感器与物体的接触力。触滑觉传感器采用单层 PVDF 结构与包封表皮相结合的方式，安装在机械手爪末端，跟机械手一起在三维空间内任意运动，由于物体的滑动方向不确定，用能全方位感知滑动的表面带圆弧状凸起的包封表皮比较合适，为避免损坏传感器，在手爪与PVDF 压电薄膜元件间加上一层橡胶薄膜。

实施例二、

本实施例的用于抓取的机器人的工作方法，其可以利用用于抓取的机器人实现，具体的工作步骤如下：

S01：立臂和悬臂位置初始化，立臂的初始位置为立臂降到最低的位置，悬臂的初始位置为悬臂缩回到最短的位置；

S02：腰部回转：腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部旋转；视觉传感器随云台的旋转平台的转动而转动，视觉传感器探测被抓取物的位置，直至视觉传感器探测到被抓取物的位置时，腰部停止旋转，该过程旋转角度为a；

S03：建立坐标系，以测距传感器的位置为原点，竖直方向为Z轴，水平方向为X轴，与X轴和Z轴所在平面垂直的方向为Y轴；

S04：视觉传感器测量被抓取物的坐标（x₁,y₁,z₁），立臂升降高度H和悬臂伸缩距离L，H、L的计算公式分别为：H=z₁+h，L=x₁，其中h为夹爪和腕部的总长度；

S05：臂部运动到指定位置；

S06：腕部摆动：腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动；

S07：手部夹爪式抓取：手爪上的接近觉传感器和触滑觉传感器实时检测触觉和滑觉变化，并实时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器根据这些信号做出相应的决策进而发出一定的指令控制手爪动作。

在一更佳的实施例中，步骤S05包括以下步骤：

S501：立臂竖直移动：立臂通过立臂电机直接驱动，带动立臂丝杠转动从而驱动立臂升降，升降高度为H，

S502：悬臂水平伸缩：悬臂通过悬臂电机直接驱动，带动悬臂丝杠转动从而驱动悬臂伸缩，伸缩距离为L。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进讲本发明的构思和技术方案应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.用于抓取的机器人，其特征在于，包括底座、腰部、臂部、腕部和手部，臂部包括竖直运动的立臂和水平运动的悬臂，立臂安装在基座上，悬臂与立臂垂直，悬臂前端与立臂相连，手部通过腕部连接在悬臂后端，悬臂后端上方安装有可旋转的云台，云台包括云台固定底座和旋转平台，视觉传感器固定在云台的旋转平台上。

2.根据权利要求1所述的用于抓取的机器人，其特征在于，腕部包括腕部电机和锥齿轮组，锥齿轮组由主动锥齿轮和从动锥齿轮组成；腕部电机安装在悬臂前端，通过腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动。

3.根据权利要求1所述的用于抓取的机器人，其特征在于，立臂和悬臂均是通过电机直接驱动，采用丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨作为导向装置限制螺母的转动；其中，

立臂的传动机构包括立臂电机、立臂丝杆和直线型导轨一；立臂通过立臂电机直接驱动，采用立臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨一作为导向装置限制螺母的转动；

悬臂的传动机构包括悬臂电机、悬臂丝杆和直线型导轨二；悬臂通过悬臂电机直接驱动，采用悬臂丝杠转动、螺母移动的方式，采用直线型导轨二作为导向装置限制螺母的转动。

4.根据权利要求1所述的用于抓取的机器人，其特征在于，腰部包括腰部电机和一对圆柱齿轮组，圆柱齿轮组包括主动圆柱齿轮和从动圆柱齿轮；腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部回转，腰部电机放置在基座下方。

5.根据权利要求1所述的用于抓取的机器人，其特征在于，手部包括手爪和手爪电机，手爪电机安装在基座上，带动有两段螺纹的主轴旋转；基座的两边开有两条导槽，两段螺纹上的升降螺母可沿导槽滑动；升降螺母上左右各安装一平行四边形机构，手爪和该平行四边形机构的连杆固连在一起。

6.根据权利要求5所述的用于抓取的机器人，其特征在于，手爪上安装有传感器，传感器包括接近觉传感器和触滑觉传感器。

7.根据权利要求6所述的用于抓取的机器人，其特征在于，接近觉传感器选用反射式红外光电传感器，是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。

8. 根据权利要求1所述的用于抓取的机器人，其特征在于，触滑觉传感器选用 PVDF压电薄膜元件；触滑觉传感器采用单层 PVDF压电薄膜元件与包封表皮相结合的方式，包封表皮贴在触滑觉传感器表面上；安装在手部末端的手爪上，在手爪与PVDF压电薄膜元件间还覆有一层橡胶薄膜，包封表皮采用能全方位感知滑动的表面带圆弧状凸起的包封表皮。

9.用于抓取的机器人的工作方法，其特征在于，具体的工作步骤如下：

S01：立臂和悬臂位置初始化，立臂的初始位置为立臂降到最低的位置，悬臂的初始位置为悬臂缩回到最短的位置；

S02：腰部回转：腰部电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴，从而带动腰部旋转；视觉传感器随云台的旋转平台的转动而转动，视觉传感器探测被抓取物的位置，直至视觉传感器探测到被抓取物的位置时，腰部停止旋转，该过程旋转角度为a；

S03：建立坐标系，以测距传感器的位置为原点，竖直方向为Z轴，水平方向为X轴，与X轴和Z轴所在平面垂直的方向为Y轴；

S04：视觉传感器测量被抓取物的坐标（x₁,y₁,z₁），立臂升降高度H和悬臂伸缩距离L，H、L的计算公式分别为：H=z₁+h，L=x₁，其中h为夹爪和腕部的总长度；

S05：臂部运动到指定位置；

S06：腕部摆动：腕部电机带动锥齿轮组，从而带动与锥齿轮同轴的腕部实现俯仰运动；

S07：手部夹爪式抓取：手爪上的接近觉传感器和触滑觉传感器实时检测触觉和滑觉变化，并实时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器根据这些信号做出相应的决策进而发出一定的指令控制手爪动作。

10.根据权利要求9所述的用于抓取的机器人的工作方法，其特征在于，步骤S05包括以下步骤：

S501：立臂竖直移动：立臂通过立臂电机直接驱动，带动立臂丝杠转动从而驱动立臂升降，升降高度为H，

S502：悬臂水平伸缩：悬臂通过悬臂电机直接驱动，带动悬臂丝杠转动从而驱动悬臂伸缩，伸缩距离为L。