CN110763319B - 一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种砝码搬运机器人，应用于机器人领域，为了解决现有的台秤、磅秤在计量检测中采用人工搬运砝码存在计量检测效率低下的问题；本发明的砝码搬运机器人包括：人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体；所述人机交互设备与工控主机相连，所述工控主机与运动控制器相连，所述运动控制器与电器柜相连，所述电器柜与机械本体相连；所述电器柜至少包括伺服驱动器，所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪，机械手爪与伺服电机相连，所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机，所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动，所述机械手爪用于抓取锁形砝码。

Description

一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种用于砝码搬运的机器人。

背景技术

计量检定在计量工作中具有十分重要的地位。它是统一盘值，确保计量器具准确一致的重要措施；是进行量值传递或量值溯源的重要形式；是为国民经济建设提供计量保证的重要条件，是对全国计量实行国家监督的一种手段。但是现有的台秤、磅秤在计量检测中仍存在采用人工抓取、放置、运送砝码的操作方式，不仅人工劳动强度大，并且工作效率不高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，通过控制机械手爪自动搬运砝码，提高了台秤、磅秤的计量检定效率。

本发明采用的技术方案为：一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，包括：人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体；所述人机交互设备与工控主机相连，所述工控主机与运动控制器相连，所述运动控制器与电器柜相连，所述电器柜与机械本体相连；所述电器柜至少包括伺服驱动器，所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪，机械手爪与伺服电机相连，所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机，所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动；所述机械手爪用于抓取锁形砝码。

进一步地，所述伺服电机包括：X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及C轴伺服电机；所述X轴伺服电机控制机械手爪在X轴方向的运动，所述Y轴伺服电机控制机械手爪在Y轴方向的运动，所述Z轴伺服电机控制机械手爪在Z轴方向的运动，所述C轴伺服电机控制机械手爪绕Z轴旋转；当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时，所述机械手爪与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。

进一步地，所述机械手爪包括：基座，固定于基座上的第一气缸、第二气缸，与第一气缸连接的右夹，与第二气缸连接的左夹，还包括：导杆，所述导杆中部与基座底部固定连接，导杆两端穿过左夹与右夹各自的固定部件；所述左夹与右夹常态为张开状态；当第一气缸、第二气缸在运动控制器的控制下各自推杆外伸时，对应的左夹与右夹转为闭合状态。

更进一步地，所述机械手爪还包括：固定于基座上的第三气缸，固定于基座底部的滑轨座，与滑轨座滑动连接的两个滑块，记为右滑块、左滑块，所述第一气缸缸体与右滑块相连，第二气缸缸体与左滑块相连，所述右滑块与左滑块分别与第三气缸相连，所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸的伸缩动作；通过第三气缸推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离，所述导杆中部与滑轨座固定连接。

进一步地，所述机械手爪为L型勾手；所述L型勾手包括：本体与勾体两个部分，所述勾体上设有V型槽。

更进一步地，所述机械手爪还包括：与L型勾手本体固定连接的第四气缸，所述第四气缸与勾体同侧，还包括与第四气缸推杆相连的C型压块，所述第四气缸在运动控制器的控制下推杆外伸带动C型压块与锁形砝码上表面紧密接触，将锁形砝码握柄固定在勾手上。

进一步地，所述机械手爪为C型勾手，所述C型勾手包括本体与勾体两个部分，所述勾体上设有V型槽。

更进一步地，所述机械手爪还包括：与C型勾手顶部固定连接的支架，所述支架上固定有第五气缸、第六气缸，第五气缸的推杆通过第一连杆连接有第一顶杆，第六气缸的推杆通过第二连杆连接有第二顶杆，所述运动控制器通过提供IO信号控制第五气缸、第六气缸的伸缩动作；通过第五气缸、第六气缸各自推杆的伸缩动作改变第一顶杆与第二顶杆之间的距离。

进一步地，所述机械本体还包括拉压力传感器，当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时，所述机械手爪通过拉压力传感器与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。

进一步地，所述机械本体还包括激光测距传感器，所述激光测距传感器与工控主机相连，用于检测被测称重台面尺寸。

本发明的有益效果：本发明的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，所述人机交互设备与工控主机相连，所述工控主机与运动控制器相连，所述运动控制器与电器柜相连，所述电器柜与机械本体相连；所述电器柜至少包括伺服驱动器，所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪，所述伺服电机在伺服驱动器的控制下控制机械手爪移动；所述机械手爪用于抓取锁形砝码；通过4自由度的龙门结构，实现了机械手爪在空间的移动，并提出了三种机械手爪的实现方式，保证砝码的有效抓取；并结合拉压力传感器，监控手爪抓取状态；本发的搬运砝码机器人有效地提高了台秤、磅秤的计量检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的砝码搬运机器人电器连接示意图；

图2为本发明实施例提供的机械本体采用的四自由度直角坐标结构图；

图3为本发明实施例提供的气缸连杆型双夹手的机械手爪结构图；

图4为本发明实施例提供的图3中机械手爪夹紧砝码握杆的状态图；

图5为本发明实施例提供的气缸顶部压紧L型勾手的机械手爪结构图；

图6为本发明实施例提供的图5中机械手爪抓握砝码的状态图；

图7为本发明实施例提供的气缸两侧压紧C型勾手的机械手爪结构图；

图8为本发明实施例提供的图7中机械手爪抓握砝码的状态图；

图9为本发明实施例提供的机械手爪通过力传感器连接C轴伺服电机的从动同步带轮轴的结构示意图；

附图标记：1为X轴伺服电机，2为Y轴伺服电机，3为Z轴伺服电机，301为一级齿轮，302为单一齿轮，303为齿条，4为C轴伺服电机，401为同步带，402为同步带轮，5为机械手爪，6为拉压力传感器，7为激光传感器，11为基座，12为第一气缸，13为第二气缸，141为右夹，142为左夹，15为导杆，16为第三气缸，17为滑轨座，18为滑块，21为L型勾手本体，22为L型勾手勾体，23为第四气缸，24为C型压块，31为C型勾手本体，32为C型勾手勾体，33为支架，34为第五气缸，35为第六气缸，36为第一顶杆，37为第二顶杆。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-9对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，本发明的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，至少包括：人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体；所述人机交互设备与工控主机相连，所述工控主机与运动控制器相连，所述运动控制器与电器柜相连，所述电器柜与机械本体相连；所述电器柜至少包括伺服驱动器，所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪，所述伺服电机在伺服驱动器的控制下控制机械手爪移动；所述机械手爪用于抓取锁形砝码。

如图2所示，本发明的机械本体部分采用龙门结构，含X、Y、Z、C四个方向自由度；即X轴伺服电机1，Y轴伺服电机2，Z轴伺服电机3，C轴伺服电机4，考虑负载较重和横梁跨度较大，X轴采用了双伺服电机同步驱动，经同步带减速传动后，依靠齿轮齿条啮合将旋转运动转化为X轴方向的平移运动；Y轴电机用一级齿轮传动降速增力，经齿轮齿条转为Y轴方向平移运动；Z轴伺服电机用一级齿轮301传动降速增力，经单一齿轮302齿条303转为Z轴升降运动；C轴电机经同步带401带动机械手爪绕Z轴旋转；机械手爪与C轴电机从动同步带轮轴402相连。

本发明的X轴伺服电机1，Y轴伺服电机2，Z轴伺服电机3除了采用上述的齿轮+齿条的传动方式外，还可以是滚珠丝杆+螺母滑块的传动方式，当采用丝杆螺母传动时，所述机械手爪5与Z轴伺服电机滚珠丝杆上的螺母滑块相连。

所述人机交互设备包括鼠标、键盘、显示器等；所述工控主机与人机交互设备相连，如图1所示，工控主机通过VGA/HDMI端口与显示器相连，通过USB端口与鼠标、键盘相连；所述工控主机通过ISA/PCI总线与运动控制器相连；所述运动控制器用于控制伺服电机(X/Y/Z/C)的协同运动和IO信号处理，通常以板卡形式插接在工控主机机箱的内部。

实际应用中人机交互设备、工控主机、运动控制器设于操作台上。

所述电器柜包括：伺服驱动器、中间继电器、转接端子以及信号调理模块，所述运动控制器分别与伺服驱动器、中间继电器、转接端子以及信号调理模块相连。

所述机械本体包括：伺服电机、电磁阀、气缸、霍尔开关、超声传感器、拉压力传感器6、激光测距传感器7等。所述霍尔传感器也叫磁性开关，配合气缸使用，用于检测气缸活塞(与推杆固连)是否运动到位。

所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机，所述转接端子分别与霍尔开关、超声传感器、光电限位开关相连，信号调理电路与拉压力传感器6相连；中间继电器接收运动控制器下发的气缸控制输出信号，接通对应继电器触点，对应的电磁阀得电，与该电磁阀连接的气缸冲压，当继电器释放，电磁阀失电，与该电磁阀连接的气缸复位。本发明实施例中的气缸采用活塞式气缸。

运动控制器向伺服电机下发脉冲、方向信号，伺服电机向运动控制器传送报警、使能等其他IO信号；运动控制器向中间继电器下发气缸控制输出信号，运动控制器向转接端子下发其他IO信号，拉压力传感器6通过信号调理模块向运动控制器传输AD信号。

机械手爪是直接抓取砝码的重要部件，本发明实施例提供了三种实现方式：

实施例一、气缸连杆型双夹手

包括：基座11，固定于基座上的第一气缸12、第二气缸13，与第一气缸12连接的右夹141，与第二气缸13连接的左夹142，还包括：导杆15，所述导杆15中部与基座11底部固定连接，导杆15两端与左夹142与右夹141各自的固定部件连接；所述左夹142与右夹141常态为张开状态；当第一气缸12、第二气缸13在运动控制器的控制下各自推杆外伸时，对应的右夹141与左夹142转为闭合状态。

为了防止砝码在运送中发生旋转，如图3所示，本发明的气缸连杆型双夹手还包括：固定于基座上的第三气缸16，固定于基座底部的滑轨座17，与滑轨座滑动连接的两个滑块18，记为右滑块、左滑块，所述第一气缸12缸体与右滑块相连，第二气缸13缸体与左滑块相连，所述右滑块与左滑块分别与第三气缸16相连，所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸16的伸缩动作；通过第三气缸16推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离，通过第三气缸16推杆的外伸推动左夹142与右夹141沿着导杆15向外移动，最终抵靠在砝码握杆两端的内侧面上，能够兼顾大小不同的砝码；

兼顾不同大小的砝码具体指：对于大砝码，砝码握杆相对长一些，则左右滑块滑移距离远点，对于小砝码，砝码握杆相对短一些，则左右滑块滑移距离近一些，第三气缸连杆张角小一些。此种情况，所述导杆中部与滑轨座固定连接。

本实施例的左右夹各自采用两个夹片，以右夹为例，两个夹片活动固定对应的固定部件上，两个夹片闭合时呈Y字型，两个夹片中部采用齿轮啮合；两个夹片尾部采用弹簧连接，两个夹片分别通过连杆与第一气缸的推杆连接。

需要抓握砝码时：

1、第三气缸推杆下推，带动与其相连的两个连杆外撑，使左右滑块沿导轨座向外滑动，左右夹沿着导杆向外移动，如图4所示，最终抵靠在砝码握杆两端的内侧面上；

2、然后第一、第二气缸推杆外伸，带动各自的连杆张开，也就带动左右夹的尾部张开，把已经受拉伸的弹簧进一步拉伸；

3、左右夹尾部张开，依靠铰链作用以及夹片之间的齿轮啮合，左右夹在头部合拢，夹紧砝码握杆。

需要松开砝码时：

1、左右气缸推杆内缩，连杆内收，在弹簧拉力作用下，左右夹尾部合拢，头部张开；

2、中气缸推杆上提，带动两个连杆内收，使左右滑块沿导轨座向内滑动，左右夹沿着导杆向内移动，各自离开砝码握杆两端的内侧面。

实施例二、气缸顶部压紧L型勾手

如图5所示，L型勾手包括：本体21与勾体22两个部分，所述勾体22上设有V型槽。

为了防止后续运转砝码时，砝码在机械手上产生滑移和晃动，本实施例的L型勾手还包括：与L型勾手本体22固定连接的第四气缸23，所述第四气缸23与勾体22同侧，还包括与第四气缸23推杆相连的C型压块24，所述第四气缸23在运动控制器的控制下推杆外伸带动C型压块24与锁形砝码上表面紧密接触，将锁形砝码握柄固定在勾手上。

平时手爪为松开状态，气缸活塞推杆为缩回状态，C型压块端部与L型勾手之间的空隙较大。

需要抓握砝码时：

控制L型勾手的外伸侧平移插入砝码的握柄下方间隙中，随后向上提升，砝码握柄在重力作用下滑入L型勾手的V型槽中，控制气缸得气，推杆外伸，使C型压块端部压贴在砝码顶部的平面上，如图6所示，以防止后续运转砝码时，砝码在机械手上产生滑移和晃动。

需要松开砝码时：

确认砝码运送到位且底面已经接触支撑面后，先控制气缸活塞推杆收回，使C型压块离开砝码顶部平面，之后控制L型勾手短距离下移，离开砝码握柄，再水平移动，将L型勾手的外伸侧完全从砝码握柄下方的空隙中抽离出来。

实施例三、气缸两侧压紧C型勾手

如图7所示，C型勾手包括本体31与勾体32两个部分，所述勾体上设有V型槽。

为了防止后续运转砝码时，砝码在机械手爪上产生滑移和晃动，本实施例的C型勾手还包括：与C型勾手顶部固定连接支架33，所述支架33上固定有第五气缸34、第六气缸35，第五气缸34的推杆通过第一连杆连接有第一顶杆36，第六气缸35的推杆通过第二连杆连接有第二顶杆37，通过运动控制器控制第五气缸34、第六气缸35各自推杆伸缩动作，控制第一顶杆36与第二顶杆37之间的距离。

第五气缸34、第六气缸35的缸体与支架33固定连接，C型勾手与支架固定连接，平面铰链位于支架两侧凹槽与支架固定连接。

平时手爪为打开状态，气缸推杆收缩，通过球铰带动连杆呈正“八”字形外张，球铰带动顶杆沿导向孔向外平移。

需要抓握砝码时：

控制C型勾手的外伸侧平移插入砝码的握柄下方间隙中，随后向上提升，砝码握柄在重力作用下滑入C型勾手的V型槽中，控制气缸得气，推杆外伸，在球铰链和连杆作用下，左右顶杆夹紧砝码，如图8所示，以防止后续运转砝码时，砝码在机械手上产生滑移和晃动。

需要松开砝码时：

确认砝码运送到位且底面已经接触支撑面后，先控制气缸活塞推杆收回，使连杆和球铰链带动顶杆松开砝码，之后控制C型勾手短距离下移，离开砝码握柄，再水平移动，将C型勾手的外伸侧完全从砝码握柄下方的空隙中抽离出来。

本发明还提供以下方案以获取当前机械手爪外部受力情况，以准确判断提取砝码与放下砝码：

在机械手爪5通过拉压力传感器6与C轴从动同步带轮轴连接，如图9所示，使得主机控制程序中可以读取到当前机械手外部受力的情况。

砝码抓取阶段，空的手爪在下降过程或停下准备抓取时，通过力传感器应测到拉力为零或者很小才是正常的状态，如果检测到反向的压力，则表明是夹爪抵触到了砝码或别的物品；夹爪闭合，开始上提时，主机程序检测到负重急剧增加并且增量在设定的阈值范围内，就可以判定抓取成功。

砝码放置阶段，松开夹爪的时机或者位置也可以用类似方法判断，下降过程中，如果检测到负重急剧减少并且减少量在设定阈值范围内，就可以判定砝码已经触底，放置到位，可以松开夹爪了；从松开夹爪到空手上升过程中，拉力值应明显降低或者回零，这就说明砝码确实已经放下了，否则表明砝码没有完全脱离开。

本发明还提供以下方案在秤台尺寸和摆放位置不同情况下，自动确定秤台与机械手相对位置：

在龙门结构外加装围栏，围栏内部形成工作区域，在工作区域内安装相互垂直的X向挡块与Y向挡块用于初始秤台摆放的定位，然后加上激光测距传感器，在X向与Y向进行扫描来确定秤台的尺寸和位置，当秤台抵靠在预先设计安装的两个相互垂直的挡块上后，秤的位置与机器人的位置就固定了(秤台在机器坐标系下的位置就确定下来了)，激光传感器安装在机械手爪附近，如图9所示，伺服电机采用齿轮+齿条传动时，激光传感器安装在Z轴伺服电机齿条上，随着X、Y、Z轴移动，但不随C轴转动；本领域技术人员应注意，本发明的机械本体部分采用龙门结构，X轴移动时，移动的是横梁和上面的部件；Y轴移动时，移动的是横梁上的部件，横梁自身不动；所述激光测距传感器随着X、Y、Z轴沿扫描线移动，并且读取测到的距离和坐标，可以自动计算出秤台的长宽高尺寸。

当伺服电机X、Y、Z采用滚珠丝杆+螺母滑块传动时，激光传感器则安装在Z轴伺服电机的螺母滑块上。

为了确保操作人员安全，本发明还包括以下实施例：

将超声测距传感器与机械手爪末端执行部件安装在一起，事先设定好超声的报警距离，比如20cm，当人员或物品在机器运动过程中，误入工作区域的时候，超声传感器可以检测到障碍物，使机器人及时停止动作，避免发生危险(这一安全检测功能也可以采用安全光幕来实现)，所述工作区域的围栏上开设有小窗，便于人员透过围栏上的窗口直接观察工作区域的情况；通过在围栏上安装相机，且使相机视野涵盖砝码搬运机器人的活动范围，便于操作人员在围栏外的操作台电脑上观察内部情况。

机器人的4个自由度XYZC，在其极限位置都安装有光电式的限位开关，发生跑飞等意外状况时机器可以自动急停；而且，每个自由度都还安装有用于机械限位的挡块，可以真正在物理上限制活动部件的工作范围。

4个自由度的运动控制均采用交流伺服系统，在伺服驱动器上设置力矩上限，超出力矩范围时，该轴会自动停止工作并且显示报警信息，主机控制程序也会在检测到驱动报警信号后停止其他一切动作。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，其特征在于，包括：人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体；所述人机交互设备与工控主机相连，所述工控主机与运动控制器相连，所述运动控制器与电器柜相连，所述电器柜与机械本体相连；所述电器柜至少包括伺服驱动器，所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪，机械手爪与伺服电机相连，所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机，所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动；所述机械手爪用于抓取锁形砝码；所述机械手爪还包括气动的水平外伸式夹紧锁型砝码的机构；

所述机械手爪包括：基座，固定于基座上的第一气缸、第二气缸，与第一气缸连接的右夹，与第二气缸连接的左夹，还包括：导杆，所述导杆中部与基座底部固定连接，导杆两端穿过左夹与右夹各自的固定部件；所述左夹与右夹常态为张开状态；当第一气缸、第二气缸在运动控制器的控制下各自推杆外伸时，对应的左夹与右夹转为闭合状态；

所述机械手爪还包括：固定于基座上的第三气缸，固定于基座底部的滑轨座，与滑轨座滑动连接的两个滑块，记为右滑块、左滑块，所述第一气缸缸体与右滑块相连，第二气缸缸体与左滑块相连，所述右滑块与左滑块分别通过连杆与第三气缸相连，所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸的伸缩动作；通过第三气缸推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离，所述导杆中部与滑轨座固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，其特征在于，所述伺服电机包括：X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及C轴伺服电机；所述X轴伺服电机控制机械手爪在X轴方向的运动，所述Y轴伺服电机控制机械手爪在Y轴方向的运动，所述Z轴伺服电机控制机械手爪在Z轴方向的运动，所述C轴伺服电机控制机械手爪绕Z轴旋转；当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时，所述机械手爪与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，其特征在于，所述机械本体还包括拉压力传感器，当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时，所述机械手爪通过拉压力传感器与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人，其特征在于，所述机械本体还包括激光测距传感器，所述激光测距传感器与工控主机相连，用于检测被测称重台面尺寸。

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