CN109605335A - 一种步进型多自由度仿人型双臂机器人 - Google Patents

一种步进型多自由度仿人型双臂机器人 Download PDF

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Abstract

一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，包括搅拌机械臂、夹持机械臂、机身、电机驱动器、步进电机、转台、基座、控制连接器以及机器人运动控制器；转台固定在基座上，机身安装在转台上，搅拌机械臂和夹持机械臂分别安装在机身两侧，搅拌机械臂和夹持机械臂的各个关节均由步进电机驱动，电机驱动器集成安装在机身内部，且步进电机和对应的电机驱动器通过电气连线直接连接，所电气连线位于搅拌机械臂、夹持机械臂和机身内部，基座通过控制连接器与机器人运动控制器连接，电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接；机器人的腰关节能够旋转定位。本发明采用步进电机驱动，成本低，末端能够快速更换，机身具备旋转自由度，明显提高了机器人控制成熟度。

Description

一种步进型多自由度仿人型双臂机器人
技术领域
本发明涉及一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，属于自动制作饮品机器人领域。
背景技术
全自动饮品调配制作系统，是指在一个特定空间中，通过仿人型双臂机器人系统与配套柜体的配合，完成奶茶、果汁等数种饮品的调配过程，达到无人执守自动制作、销售的目的。
该系统应包含类人机器人硬件系统一套、奶茶制作配套设备一套、奶茶售货亭一套、类人机器人控制及软件系统一套、奶茶制作配套设备自动控制系统一套、自动售卖智能软件系统一套共六大部分组成。
现有的全自动饮品调配制作系统中，仿人型双臂机器人存在如下缺陷：
1、现有的仿人型双臂机器人均采用伺服电机驱动，成本高，不利于商业化推广。
2、现有的仿人型双臂机器人末端无法做到快速更换，不能适应多工况多领域应用场所。
3、现有的仿人型双臂机器人机身不具备旋转自由度，灵活度不够。
4、现有的仿人型双臂机器人没有很好地与工业自动化系统结合，控制成熟度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，采用步进电机驱动，成本低，末端能够快速更换，机身具备旋转自由度，明显提高了控制成熟度。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，包括搅拌机械臂、夹持机械臂、机身、电机驱动器、转台、基座、控制连接器以及机器人运动控制器；
转台固定在基座上，机身安装在转台上，搅拌机械臂和夹持机械臂分别安装在机身两侧，搅拌机械臂和夹持机械臂的各个关节均由步进电机驱动，电机驱动器集成安装在机身内部，每个步进电机对应一个电机驱动器，且步进电机和对应的电机驱动器通过电气连线直接连接，所述电气连线位于搅拌机械臂、夹持机械臂和机身内部，基座通过控制连接器与机器人运动控制器连接，电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接；机器人的腰关节能够旋转定位。
所述搅拌机械臂和夹持机械臂均为六自由度中空机械臂。
所述搅拌机械臂和夹持机械臂的第1自由度关节嵌入机身的肩关节内部。
所述搅拌机械臂和夹持机械臂的第4自由度和第6自由度关节采用步进电机+行星减速机+齿轮传动的方式实现。
所述搅拌机械臂和夹持机械臂的第1自由度、第2自由度、第3自由度和第5自由度关节采用步进电机+行星减速机+同步带传动的方式实现。
所述搅拌机械臂末端通过插拔机构连接搅拌杯，夹持机械臂末端通过插拔机构连接夹持手爪。
所述搅拌杯和夹持手爪均采用步进电机驱动，对应的电机驱动器安装在机身内部，且步进电机和对应的电机驱动器通过电气连线直接连接，与搅拌杯和夹持手爪对应的电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接。
所述机器人运动控制器包括第一机器人运动控制器、第二机器人运动控制器和集中控制器，集中控制器根据外部需求，首先生成腰关节控制指令，通过腰关节旋转使机器人运动到指定区域，然后生成搅拌机械臂和夹持机械臂的运动指令，并分别分发给第一机器人运动控制器和第二机器人运动控制器；
第一机器人运动控制器将运动指令分解为搅拌机械臂各个关节以及搅拌杯的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对搅拌机械臂的动作控制，第二机器人运动控制器将运动指令分解为夹持机械臂各个关节以及夹持手爪的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对夹持机械臂的动作控制。
集中控制器按照点位辐射算法，生成搅拌机械臂或夹持机械臂的运动指令；
所述点位辐射算法的实现方式如下：
在双臂机器人的周围空间定义三个动作层，从机身向外，依次为运动层Z和末端层M，每一层均包括若干点位，同一层的各个点位位于同一个圆周上；
双臂机器人旋转中心与每个接料点的连线依次与运动层Z和末端层M的交点记为一组点位，则从机身向外，第i组点位的编号依次记为2i、2i+1，沿顺时针方向，第i+1组点位的编号依次记为2(i+1)、2(i+1)+1，以此类推，i为大于0的自然数；
设机械臂末端当前点位为A，目标点位为B，A除以2的商数为AS，余数为AY，B除以2的商数为BS，余数为BY；
当B的编号>A的编号时，
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…,2(AS+(BS-AS))+1,B
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…2(AS+(BS-AS))+1,B
当AS不等于BS,且B的编号<A的编号时：
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明搅拌机械臂和夹持机械臂均由步进电机驱动，采用步进电机+行星减速机+齿轮传动或步进电机+行星减速机+同步带传动的方式实现，在满足实际应用需求的情况下，相对于伺服电机，大幅降低机械臂设计及制作成本，突破机械臂设计过程中的核心零部件技术瓶颈，形成了一套可靠的、低成本的机械臂，利于商业化推广。
(2)本发明充分考虑了步进电机在低速时容易抖动的缺陷，提出了基于点位辐射算法的运动路径规划方法，确保本发明机器人在各种工况下均能满足末端控制精度要求。
(3)本发明搅拌机械臂和夹持机械臂的第1自由度关节嵌入机身的肩关节内部，在构型上与机身结合，减小了机器人肩关节宽度，使机器人系统更好的满足人机工程设计需求。
(4)本发明机器人将电机驱动器集成于机身，实现了机械臂的轻量化和机器人一体化设计。
(5)机械臂末端通过插拔机构与搅拌杯、夹持手爪实现物理和电气连接，能够实现适应多末端快速切换和控制。
(6)本发明机器人创新性的采用集中式控制器控制双机器人控制器，集中控制器控制调度各单臂、腰关节及搅拌杯配合完成动作，控制指令传递方式以总线通信方式传递和下发。此控制方式有利于技术方案的成熟化和工艺流程执行，将双臂动作进行解耦控制和执行。
附图说明
图1为本发明机器人示意图；
图2为搅拌机械臂示意图；
图3为夹持机械臂示意图。
图4为本发明双臂机器人三个动作层示意图。
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详细的描述：
如图1所示，本发明的步进型多自由度仿人型双臂机器人，包括搅拌机械臂1、夹持机械臂2、机身3、电机驱动器4、转台5、基座6、控制连接器7以及机器人运动控制器。
转台5固定在基座6上，机身3安装在转台5上，转台5能够360度旋转。搅拌机械臂1和夹持机械臂2分别安装在机身3两侧，搅拌机械臂1和夹持机械臂2的各个关节均由步进电机驱动，电机驱动器4集成安装在机身3内部，每个步进电机对应一个电机驱动器，且步进电机和对应的电机驱动器4通过电气连线直接连接，电气连线位于搅拌机械臂1、夹持机械臂2和机身3内部，基座6通过控制连接器7与机器人运动控制器连接，电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接；机器人的腰关节能够旋转定位。
搅拌机械臂1和夹持机械臂2均为六自由度中空机械臂。搅拌机械臂1和夹持机械臂2的第1自由度关节嵌入机身3的肩关节内部。在构型上与机身结合，减小了机器人肩关节宽度，使机器人系统更好的满足人机工程设计需求。搅拌机械臂1和夹持机械臂2的第4自由度和第6自由度关节采用步进电机+行星减速机+齿轮传动的方式实现。搅拌机械臂1和夹持机械臂2的第1自由度、第2自由度、第3自由度和第5自由度关节采用步进电机+行星减速机+同步带传动的方式实现。如图2为搅拌机械臂示意图，图3为夹持机械臂示意图。
搅拌机械臂1末端通过插拔机构连接搅拌杯，夹持机械臂2末端通过插拔机构连接夹持手爪。基于上述插拔机构，机械臂末端能够快速更换，如更换二自由度机械手或搅拌杯，搅拌杯和夹持手爪均采用步进电机驱动，对应的电机驱动器安装在机身3内部，且步进电机和对应的电机驱动器通过电气连线直接连接，与搅拌杯和夹持手爪对应的电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接。
进一步地，机器人运动控制器包括第一机器人运动控制器、第二机器人运动控制器和集中控制器，集中控制器根据外部需求，首先生成腰关节控制指令，通过腰关节旋转使机器人运动到指定区域，然后按照点位辐射算法，生成搅拌机械臂1和夹持机械臂2的运动指令，并分别分发给第一机器人运动控制器和第二机器人运动控制器；
第一机器人运动控制器将运动指令分解为搅拌机械臂1各个关节以及搅拌杯的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对搅拌机械臂1的动作控制，第二机器人运动控制器将运动指令分解为夹持机械臂2各个关节以及夹持手爪的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对夹持机械臂2的动作控制。
点位辐射算法的实现方式如下：
如图4所示，在双臂机器人的周围空间定义两个动作层，从机身向外，依次为运动层Z和末端层M，每一层均包括若干点位，末端层M的各个点位为环绕双臂机器人的各个料柜的接料点；运动层Z的各个点位位于以双臂机器人的旋转中心为圆点，R2为半径的圆周上，R2＝料柜靠近机器人侧的包络圆半径-机械臂末端的外包络圆半径-Δδ,Δδ为安全公差；
双臂机器人旋转中心与每个接料点的连线依次与运动层Z和末端层M的交点记为一组点位，则从机身向外，第i组点位的编号依次记为2i、2i+1、，沿顺时针方向，第i+1组点位的编号依次记为2(i+1)、2(i+1)+1、，以此类推，i为大于0的自然数；
设机械臂末端当前点位为A，目标点位为B，A除以2的商数为AS，余数为AY，B除以2的商数为BS，余数为BY；
当AS不等于BS,且B的编号>A的编号时，
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…,2(AS+(BS-AS))+1,B
BY等于1时，2(AS+(BS-AS))+1与B点重合，为同一个点位；
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…2(AS+(BS-AS))+1,B
BY等于1时，3(AS+(BS-AS))+1与B点重合，为同一个点位；
当AS不等于BS,且B的编号<A的编号时：
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B
BY等于1时，2(AS-(AS-BS))+1与B点重合，为同一个点位；
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B
BY等于1时，2(AS-(AS-BS))+1与B点重合，为同一个点位；
当AS＝BS时，机械臂末端依次经过点位：A，A+(BY-AY),B。
本发明采用“集中控制器+机械臂双控制器”的控制策略，在解决双臂协同控制问题的同时，良好的满足了项目实际使用需求。同时采用点位辐射算法解决了步进电机低速抖动控制缺陷，确保本发明机器人在各种工况下均能满足末端控制精度要求。
本发明所设计步进型双臂机器人系统解决了传统双臂机器人价格高昂、双臂系统控制困难、难以模块化设计等设计缺陷，能够良好的从技术角度解决目前国内外双臂机器人发展的瓶颈技术问题，具有良好市场价值和科研价值，能有效的应用于新零售机器人、服务领域机器人及制药、工业等应用领域，具有广泛的应用前景。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：包括搅拌机械臂(1)、夹持机械臂(2)、机身(3)、电机驱动器(4)、转台(5)、基座(6)、控制连接器(7)以及机器人运动控制器；
转台(5)固定在基座(6)上，机身(3)安装在转台(5)上，搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)分别安装在机身(3)两侧，搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)的各个关节均由步进电机驱动，电机驱动器(4)集成安装在机身(3)内部，每个步进电机对应一个电机驱动器，且步进电机和对应的电机驱动器(4)通过电气连线直接连接，所述电气连线位于搅拌机械臂(1)、夹持机械臂(2)和机身(3)内部，基座(6)通过控制连接器(7)与机器人运动控制器连接，电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接；机器人的腰关节能够旋转定位。
2.根据权利要求1所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)均为六自由度中空机械臂。
3.根据权利要求2所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)的第1自由度关节嵌入机身(3)的肩关节内部。
4.根据权利要求2所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)的第4自由度和第6自由度关节采用步进电机+行星减速机+齿轮传动的方式实现。
5.根据权利要求4所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)的第1自由度、第2自由度、第3自由度和第5自由度关节采用步进电机+行星减速机+同步带传动的方式实现。
6.根据权利要求1所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌机械臂(1)末端通过插拔机构连接搅拌杯，夹持机械臂(2)末端通过插拔机构连接夹持手爪。
7.根据权利要求6所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述搅拌杯和夹持手爪均采用步进电机驱动，对应的电机驱动器安装在机身(3)内部，且步进电机和对应的电机驱动器通过电气连线直接连接，与搅拌杯和夹持手爪对应的电机驱动器通过电气连线与机器人运动控制器连接。
8.根据权利要求5或7所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：所述机器人运动控制器包括第一机器人运动控制器、第二机器人运动控制器和集中控制器，集中控制器根据外部需求，首先生成腰关节控制指令，通过腰关节旋转使机器人运动到指定区域，然后生成搅拌机械臂(1)和夹持机械臂(2)的运动指令，并分别分发给第一机器人运动控制器和第二机器人运动控制器；
第一机器人运动控制器将运动指令分解为搅拌机械臂(1)各个关节以及搅拌杯的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对搅拌机械臂(1)的动作控制，第二机器人运动控制器将运动指令分解为夹持机械臂(2)各个关节以及夹持手爪的动作指令，通过电机驱动器驱动对应的步进电机，实现对夹持机械臂(2)的动作控制。
9.根据权利要求8所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：集中控制器按照点位辐射算法，生成搅拌机械臂(1)或夹持机械臂(2)的运动指令；
所述点位辐射算法的实现方式如下：
在双臂机器人的周围空间定义三个动作层，从机身向外，依次为运动层Z和末端层M，每一层均包括若干点位，同一层的各个点位位于同一个圆周上；
双臂机器人旋转中心与每个接料点的连线依次与运动层Z和末端层M的交点记为一组点位，则从机身向外，第i组点位的编号依次记为2i、2i+1，沿顺时针方向，第i+1组点位的编号依次记为2(i+1)、2(i+1)+1，以此类推，i为大于0的自然数；
设机械臂末端当前点位为A，目标点位为B，A除以2的商数为AS，余数为AY，B除以2的商数为BS，余数为BY；
当B的编号>A的编号时，
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…,2(AS+(BS-AS))+1,B
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS+0)+1,2(AS+1)+1,…2(AS+(BS-AS))+1,B。
10.根据权利要求9所述的一种步进型多自由度仿人型双臂机器人，其特征在于：当AS不等于BS,且B的编号<A的编号时：
(1)当AY＝0时，机械臂末端依次经过点位：
A,2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B
(2)当AY＝1时，机械臂末端依次经过点位：
2(AS-0)+1,2(AS-1)+1,…,2(AS-(AS-BS))+1,B。
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