CN111250972A - 自动拧螺钉机器人 - Google Patents

Abstract

一种自动拧螺钉机器人，包括：三自由度机械手、导向轮装置、平台框架和车轮装置，其中：三自由度机械手设置于平台框架上，车轮装置设置于平台框架下，导向轮装置设置于平台框架上并与车轮装置相连，用于提供方向导向；三自由度机械手包括：X向平移机构、Y向平移机构、Z向平移机构和自动拧螺钉机构；本发明采用轮式驱动、内壁导向方式，具备一个三自由度平移机械手和自动拧螺钉机构，并在前部安装有摄像头和光源，通过几何特征识定位螺钉的位置，自动完成螺钉拧紧作业并达到设定的扭矩，可实现箱体内拧螺钉作业过程的自动化，从而将工人从狭窄空间的恶劣作业中解放出来，提高生产效率和质量。

Description

自动拧螺钉机器人

技术领域

本发明涉及的是一种移动机器人领域的技术，具体是一种自动拧螺钉机器人。

背景技术

箱体内狭窄空间中的加工、检测和装配作业，施展空间小，劳动强度大，且作业质量难以保证。针对箱体内部狭小空间内自动拧螺钉作业需求，需要机器人将目前由工人爬进箱体内通过扭力扳手将螺钉锁紧到指定扭矩的工艺过程，进行实现替代。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种自动拧螺钉机器人，采用轮式驱动、内壁导向方式，具备一个三自由度平移机械手和自动拧螺钉机构，并在前部安装有摄像头和光源，通过几何特征识定位螺钉的位置，自动完成螺钉拧紧作业并达到设定的扭矩，可实现箱体内拧螺钉作业过程的自动化，从而将工人从狭窄空间的恶劣作业中解放出来，提高生产效率和质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：三自由度机械手、导向轮装置、平台框架和车轮装置，其中：三自由度机械手设置于平台框架上，车轮装置设置于平台框架下，导向轮装置设置于平台框架上并与车轮装置相连，用于提供方向导向。

所述的三自由度机械手包括：X向平移机构、Y向平移机构、Z向平移机构和自动拧螺钉机构，其中：X向平移机构、Y向平移机构和Z向平移机构分别以车轮行驶为X轴、Y轴和Z轴的方向设置，Z向平移机构设置于平台框架上，Y向平移机构设置于Z向平移机构上，X向平移机构设置于Y向平移机构上，自动拧螺钉机构与X向平移机构相连。

所述的Z向平移机构包括：Z向导轨、Z向滑块、Z向丝杆支座、Z向移动丝杆和Z向驱动结构，其中：Z向导轨竖直设置于平台框架上，Z向滑块活动设置于Z向导轨上并与Y向平移机构相连，Z向丝杆支座上下设置于平台框架上并设置于Z向导轨中心，Z向移动丝杆设置于Z向丝杆支座之间并与Y向平移机构相连，Z向驱动结构设置于Z向丝杆支座上并通过Z向移动丝杆与Y向平移机构相连。

所述的Y向平移机构包括：Y向底板、Y向丝杆支座、Y向移动丝杆、Y向导轨、Y向滑块、Y向驱动结构和齿轮，其中：Y向底板设置于平台框架上并与Z向平移机构相连，Y向导轨设置于Y向底板上，Y向滑块活动设置于Y向导轨上并与X向平移机构相连，Y向丝杆支座设置于Y向底板上，Y向移动丝杆设置于Y向丝杆支座之间并与X向平移机构相连，齿轮设置于Y向驱动结构和Y向丝杆支座上并相互啮合，Y向驱动结构设置于Y向底板上并通过齿轮与Y向移动丝杆活动连接。

所述的X向平移机构包括：X向驱动结构、X向底板、X向导轨、X向滑块和X向移动丝杆，其中：X向导轨设置于X向底板上，X向滑块设置于X向底板上并与X向导轨滑动连接，X向滑块设置于自动拧螺钉机构下，X向驱动结构设置于X向底板上并通过X向移动丝杆与自动拧螺钉机构相连。

所述的X向驱动结构包括：X向电机、X向减速器、电机安装板和联轴器，其中：电机安装板和联轴器设置于X向底板上，X向电机和X向减速器设置于电机安装板内并通过联轴器与X向移动丝杆相连。

所述的自动拧螺钉机构包括：拧螺钉电机减速器、用于减少Z方向高度的直角减速器、安装底板、刀座、导向杆、刀杆、压簧和第一轴端挡板，其中：安装底板设置于X向平移机构上，直角减速器设置于安装底板上，拧螺钉电机减速器与直角减速器相连，刀座设置于安装底板下，导向杆设置于刀座内，刀杆通过第一轴端挡板设置于刀座另一端并通过压簧与导向杆相连。

所述的导向轮装置包括：自上而下依次设置的偏心轴、偏心调整锁紧盘、偏心机构、底轮支架和第二轴端挡板，其中：偏心轴通过偏心调整锁盘与偏心机构锁紧并贯穿偏心机构，底轮支架设置于偏心机构下并设置于偏心轴底部与偏心轴活动连接，底轮支架与平台框架相连，第二轴端挡板设置于底轮支架下。

所述的偏心机构包括：上端盖、挡轮、下端盖、向心球轴承、内套筒和外套筒，其中：上端盖设置于偏心轴顶部下，下端盖设置于偏心轴底部上并设置于底轮支架上，挡轮设置于上端盖和下端盖之间两侧，向心球轴承通过内套筒和外套筒对称设置于偏心轴和挡轮之间，内套筒和外套筒设置于向心球轴承上下之间，内套筒设置于靠偏心轴一侧，外套筒设置于靠挡轮一侧。

所述的偏心调整锁紧盘上设有用于固定的销孔。

所述的车轮装置包括：设置于平台框架下并相连的减速器机构和底轮机构。

所述的减速器机构包括：减速器支座、底轮电机减速器、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、挡圈和轮轴，其中：减速器支座设置于平台框架下，底轮电机减速器与减速器支座相连，第一同步带轮与减速器支座相连，挡圈设置于第一同步带轮上，第二同步带轮设置于底轮机构上并通过同步带与第一同步带轮相连。

所述的底轮机构包括：底轮支座、车轮、轮轴、端盖和轴套，其中：底轮支座设置于平台框架下，车轮设置于底轮支座内，轮轴通过轴承设置于底轮支座中心并与车轮相连，轴承通过轴套和端盖与底轮支座相连。

技术效果

本发明整体解决了在箱体内部的导向行走和承受反向扭矩、螺钉的识别和定位、拧螺钉头的位置的精确调整、箱体内部螺钉的拧紧压力和进给以及拧螺钉的拧紧扭矩的技术问题。

与现有技术相比，本发明独有的技术效果包括：

1)采用轮式机构实现在箱体内狭小空间内的运动；2)采用可调节偏心轮机构实现沿箱体的导向，调整精度高，可保证与箱体的紧密接触，绕Z轴扭转刚度大，可承受螺钉拧紧过程的反扭矩；3)具备X，Y，Z向三个自由度的平移机构，可实现拧螺钉机构的精确定位；4)采用摄像头自动搜索箱内螺钉头的形状特征，并自动调整螺丝刀到螺钉头的中心；5)采用电机驱动拧紧刀头及压簧实现螺钉头的Z向顺应运动；6)采用控制伺服电机的电流控制拧紧力矩，从而满足拧螺钉的固定力矩需求；7)提高了生产效率和质量，提升了机器人的自动化和智能化水平。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明导向轮装置结构示意图；

其中：a为整体结构示意图，b为剖视图；

图3为本发明车轮机构结构示意图；

其中：a为正视图，b为右视图；

图4为本发明Z向平移机构结构示意图；

图5为本发明Y向平移机构结构示意图；

图6为本发明X向平移机构结构示意图；

其中：a为主视图，b为左视图；

图中：三自由度机械手1、导向轮装置2、平台框架3、车轮装置4、控制器5、摄像头6、X向平移机构7、Y向平移机构8、Z向平移机构9、自动拧螺钉机构10、Z向导轨11、Z向滑块12、Z向丝杆支座13、Z向移动丝杆14、Z向驱动结构15、螺母座16、联轴器17、减速器安装板18、Z向电机减速器19、Y向底板20、Y向丝杆支座21、Y向导轨22、Y向滑块23、Y向驱动结构24、齿轮25、Y向电机减速器26、减速器座27、Y向移动丝杆28、X向驱动结构29、X向底板30、X向导轨31、X向滑块32、X向移动丝杆33、X向电机34、X向减速器35、电机安装板36、X向丝杆支座37、拧螺钉电机减速器38、直角减速器39、安装底板40、刀座41、导向杆42、刀杆43、压簧44、第一轴端挡板45、连接法兰46、偏心轴47、偏心调整锁紧盘48、偏心机构49、底轮支架50、第二轴端挡板51、上端盖52、挡轮53、下端盖54、向心球轴承55、内套筒56、外套筒57、销孔58、减速器机构59、底轮机构60、减速器支座61、第一同步带轮62、第二同步带轮63、同步带64、挡圈65、轮轴66、底轮支座67、车轮68、轴承69、端盖70、左轴套71、底轮电机减速器72、右轴套73。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种自动拧螺钉机器人，其中包含：三自由度机械手1、导向轮装置2、平台框架3、车轮装置4和控制器5，其中：三自由度机械手1设置于平台框架3上，车轮装置4设置于平台框架3下，导向轮装置2设置于平台框架3上并与车轮装置4相连，用于提供方向导向，控制器5设置于平台框架3上并传递移动和拧螺钉指令给车轮机构和三自由度机械手1。

所述的三自由度机械手1包括：X向平移机构7、Y向平移机构8、Z向平移机构9和自动拧螺钉机构10，其中：X向平移机构7、Y向平移机构8和Z向平移机构9分别以车轮行驶为X轴、Y轴和Z轴的方向设置，Z向平移机构9设置于平台框架3上，Y向平移机构8设置于Z向平移机构9上，X向平移机构7设置于Y向平移机构8上，自动拧螺钉机构10与X向平移机构7相连。

所述的Z向平移机构9包括：Z向导轨11、四个Z向滑块12、Z向丝杆支座13、Z向移动丝杆14、螺母座16和Z向驱动结构15，其中：Z向导轨11通过螺钉竖直设置于平台框架3上，Z向滑块12滑动设置于Z向导轨11上并通过螺钉与Y向平移机构8相连，Z向丝杆支座13通过螺钉上下设置于平台框架3上并设置于Z向导轨11中心，Z向移动丝杆14设置于Z向丝杆支座13之间并通过螺母座16与Y向平移机构8相连，Z向驱动结构15设置于Z向丝杆支座13上并通过Z向移动丝杆14与Y向平移机构8相连。

所述的Z向驱动结构包括：Z向电机减速器19和减速器安装板18，其中：减速器安装板设置于平台框架3上，Z向电机减速器19设置于减速器安装板18上并通过联轴器17与Z向移动丝杆14相连，Z向电机减速器单元19的转动通过联轴器17传递到Z向移动丝杆14上，并带动螺母座16和Y向底板20沿Z向平动，Z向移动丝杆14可保证运动自锁，提高机器人作业的安全性。

所述的Y向平移机构8包括：Y向底板20、Y向丝杆支座21、Y向移动丝杆28、Y向导轨22、Y向滑块23、Y向驱动结构24、螺母座16和两个齿轮25，其中：Y向底板20通过螺钉设置于平台框架3上并与Z向平移机构9相连，Y向导轨通过螺钉22设置于Y向底板20上，Y向滑块23通过螺钉滑动设置于Y向导轨22上并与X向平移机构7相连，Y向丝杆支座21设置于Y向底板20上，Y向移动丝杆28通过轴承设置于Y向丝杆支座21之间并通过螺母座16与X向平移机构7相连，齿轮25通过键设置于Y向驱动结构24和Y向丝杆支座21上并相互啮合，Y向驱动结构24设置于Y向底板20上并通过齿轮25与Y向移动丝杆28活动连接。

所述的Y向驱动结构包括：减速器座27和Y向电机减速器26，其中：减速器座27设置于平台框架3上，Y向电机减速器26设置于减速器座27上，齿轮25将电机运动传递到另一个齿轮上，并带动Y向移动丝杆28转动，通过螺母座6带动X向底板30沿X向平动。

所述的X向平移机构7包括：X向驱动结构29、X向底板30、X向导轨31、X向滑块32和X向移动丝杆33，其中：X向导轨31通过螺钉设置于X向底板30上，X向滑块32通过螺钉设置于X向底板30上并与X向导轨31滑动连接，X向滑块32设置于自动拧螺钉机构10下，X向驱动结构29设置于X向底板30上并通过X向移动丝杆33与自动拧螺钉机构10相连。

所述的X向驱动结构29包括：X向电机34、X向减速器35、电机安装板36和联轴器17，其中：电机安装板36和联轴器通过螺钉设置于X向底板30上，X向电机34和X向减速器35设置于电机安装板36内并通过联轴器17与X向移动丝杆33相连，X向电机34和X向减速器35带动X向移动丝杆33转动，从而带动拧螺钉机构10的安装底板40沿X向平动。

所述的自动拧螺钉机构10包括：拧螺钉电机减速器38、用于减少Z方向高度的直角减速器39、安装底板40、刀座41、导向杆42、刀杆43、连接法兰46、压簧44和第一轴端挡板45，其中：安装底板40设置于X向底板30上，直角减速器39通过螺钉设置于安装底板40上，拧螺钉电机减速器38与直角减速器39相连，刀座41通过连接法兰46设置于安装底板40下，导向杆42设置于刀座41内，刀杆43通过第一轴端挡板45设置于刀座41另一端并通过压簧44与导向杆42相连，当进行拧螺钉作业时，通过控制电机的电流控制螺钉的拧紧力。

所述的安装底板40上设有摄像头6。

所述的导向轮装置2包括：自上而下依次设置的偏心轴47、偏心调整锁紧盘48、偏心机构49、底轮支架50和第二轴端挡板51，其中：偏心轴47通过偏心调整锁盘48与偏心机构49锁紧并贯穿偏心机构49，底轮支架50设置于偏心机构49下并设置于偏心轴47底部与偏心轴47活动连接，底轮支架50通过螺钉与平台框架3相连，第二轴端挡板51设置于底轮支架50下。

所述的偏心机构49包括：上端盖52、挡轮53、下端盖54、向心球轴承55、内套筒56和外套筒57，其中：上端盖52设置于偏心轴47顶部下，下端盖54设置于偏心轴47底部上并设置于底轮支架50上，挡轮53设置于上端盖52和下端盖54之间两侧，向心球轴承55通过内套筒56和外套筒57对称设置于偏心轴47和挡轮53之间，内套筒56和外套筒57设置于向心球轴承55上下之间，内套筒56设置于靠偏心轴47一侧，外套筒57设置于靠挡轮53一侧。

所述的偏心调整锁紧盘48上设有用于固定的销孔58。

所述的车轮装置4包括：设置于平台框架3下并相连的减速器机构59和底轮机构60。

所述的减速器机构59包括：减速器支座61·、底轮电机减速器72、第一同步带轮62、第二同步带轮63、同步带64、挡圈65和轮轴66，其中：减速器支座61设置于平台框架3下，底轮电机减速器72与减速器支座61相连，第一同步带轮62与减速器支座61相连，挡圈65设置于第一同步带轮62上，第二同步带轮63设置于底轮机构60上并通过同步带64与第一同步带轮62相连。

所述的底轮机构60包括：底轮支座67、车轮68、轮轴66、轴承69、端盖70、左轴套71和右轴套73，其中：底轮支座67设置于平台框架3下，车轮68设置于底轮支座67内，轮轴66通过轴承69设置于底轮支座67中心并与车轮68相连，轴承69通过左轴套71、右轴套73和端盖70与底轮支座67相连。

本实施例涉及上述机器人的基于视觉的自动拧螺钉方法，包括以下步骤：

1)机器人按照预设步长间隔在箱体内移动或由外部人员操作实现运动；

2)摄像头在移动完成后，获取该步长间隔内的图像；

3)通过基于螺钉头形状的模板匹配算法识别螺钉头，并计算螺钉头的平面位置；

4)三自由度机械手运动到识别的螺钉头位置；

5)电动螺丝刀头慢速旋转与识别的螺钉对接，对接成功的标志为：a.螺丝刀的Z向位置和设定的目标位置误差在1mm内；b.螺丝刀承受Z向预压力；

6)电机采用力矩控制模式旋转并拧紧到设定的电流值。

经过具体实际实验，在箱体截面为500mm×500mm，长5米的箱体内底平面分布的94个φ8.5孔，上面安装的螺钉为直径8mm标准的内六角螺钉，视觉系统采用德国Basler工业相机，其型号为acA2500-14um,镜头为16mm固定焦距，光圈范围F2.0-F22，分辨率为500万像素，图像像素分布为2592*1944，对应视场为72*64mm，定位分辨率为0.028mm。软件采用YOLOv3目标检测网络实现螺钉头形状搜索，采用LINEMOD算法计算模板与目标图像相似度，从而确定螺钉头的中心位置。拧螺钉机械手采用的伺服电机为瑞士Maxon电机，控制器为倍福C9900-C563型工控计算机，intel i7处理器和NVIDA GeForce RTX 2080Ti 11G显卡。能够得到的实验数据是：螺钉头的识别正确率为96.8％，拧螺钉机器人定位精度为≤0.2mm。采用基于伺服电机力矩控制模式的拧紧里控制精度为≤±1％。

目前尚缺乏在箱体内根据螺钉头的形状特征来搜寻螺钉头形状，确定螺钉头的位置，并自动对接拧紧作业的自动装置。采用本装置可以实现在箱体内机器人可达范围内的自动行走、自动搜索、自动定位和自动拧螺钉作业。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种自动拧螺钉机器人，其特征在于，包括：三自由度机械手、导向轮装置、平台框架和车轮装置，其中：三自由度机械手设置于平台框架上，车轮装置设置于平台框架下，导向轮装置设置于平台框架上并与车轮装置相连，用于提供方向导向；

所述的三自由度机械手包括：X向平移机构、Y向平移机构、Z向平移机构和自动拧螺钉机构，其中：X向平移机构、Y向平移机构和Z向平移机构分别以车轮行驶为X轴、Y轴和Z轴的方向设置，Z向平移机构设置于平台框架上，Y向平移机构设置于Z向平移机构上，X向平移机构设置于Y向平移机构上，自动拧螺钉机构与X向平移机构相连；

所述的导向轮装置包括：自上而下依次设置的偏心轴、偏心调整锁紧盘、偏心机构、底轮支架和第二轴端挡板，其中：偏心轴通过偏心调整锁盘与偏心机构锁紧并贯穿偏心机构，底轮支架设置于偏心机构下并设置于偏心轴底部与偏心轴活动连接，底轮支架与平台框架相连，第二轴端挡板设置于底轮支架下。

2.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的Z向平移机构包括：Z向导轨、Z向滑块、Z向丝杆支座、Z向移动丝杆和Z向驱动结构，其中：Z向导轨竖直设置于平台框架上，Z向滑块活动设置于Z向导轨上并与Y向平移机构相连，Z向丝杆支座上下设置于平台框架上并设置于Z向导轨中心，Z向移动丝杆设置于Z向丝杆支座之间并与Y向平移机构相连，Z向驱动结构设置于Z向丝杆支座上并通过Z向移动丝杆与Y向平移机构相连。

3.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的Y向平移机构包括：Y向底板、Y向丝杆支座、Y向移动丝杆、Y向导轨、Y向滑块、Y向驱动结构和齿轮，其中：Y向底板设置于平台框架上并与Z向平移机构相连，Y向导轨设置于Y向底板上，Y向滑块活动设置于Y向导轨上并与X向平移机构相连，Y向丝杆支座设置于Y向底板上，Y向移动丝杆设置于Y向丝杆支座之间并与X向平移机构相连，齿轮设置于Y向驱动结构和Y向丝杆支座上并相互啮合，Y向驱动结构设置于Y向底板上并通过齿轮与Y向移动丝杆活动连接。

4.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的X向平移机构包括：X向驱动结构、X向底板、X向导轨、X向滑块和X向移动丝杆，其中：X向导轨设置于X向底板上，X向滑块设置于X向底板上并与X向导轨滑动连接，X向滑块设置于自动拧螺钉机构下，X向驱动结构设置于X向底板上并通过X向移动丝杆与自动拧螺钉机构相连。

5.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的自动拧螺钉机构包括：拧螺钉电机减速器、用于减少Z方向高度的直角减速器、安装底板、刀座、导向杆、刀杆、压簧和第一轴端挡板，其中：安装底板设置于X向平移机构上，直角减速器设置于安装底板上，拧螺钉电机减速器与直角减速器相连，刀座设置于安装底板下，导向杆设置于刀座内，刀杆通过第一轴端挡板设置于刀座另一端并通过压簧与导向杆相连。

6.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的偏心机构包括：上端盖、挡轮、下端盖、向心球轴承、内套筒和外套筒，其中：上端盖设置于偏心轴顶部下，下端盖设置于偏心轴底部上并设置于底轮支架上，挡轮设置于上端盖和下端盖之间两侧，向心球轴承通过内套筒和外套筒对称设置于偏心轴和挡轮之间，内套筒和外套筒设置于向心球轴承上下之间，内套筒设置于靠偏心轴一侧，外套筒设置于靠挡轮一侧。

7.根据权利要求1所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的车轮装置包括：设置于平台框架下并相连的减速器机构和底轮机构。

8.根据权利要求7所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的减速器机构包括：减速器支座、底轮电机减速器、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、挡圈和轮轴，其中：减速器支座设置于平台框架下，底轮电机减速器与减速器支座相连，第一同步带轮与减速器支座相连，挡圈设置于第一同步带轮上，第二同步带轮设置于底轮机构上并通过同步带与第一同步带轮相连。

9.根据权利要求7所述的自动拧螺钉机器人，其特征是，所述的底轮机构包括：底轮支座、车轮、轮轴、端盖和轴套，其中：底轮支座设置于平台框架下，车轮设置于底轮支座内，轮轴通过轴承设置于底轮支座中心并与车轮相连，轴承通过轴套和端盖与底轮支座相连。

10.根据权利要求1～9中任一所述机器人的基于视觉的自动拧螺钉方法，其特征在于，通过设置机器人按照预设步长间隔在箱体内移动或由外部人员操作实现运动；摄像头在移动完成后，获取该步长间隔内的图像；通过基于螺钉头形状的模板匹配算法识别螺钉头，并计算螺钉头的平面位置；三自由度机械手运动到识别的螺钉头位置；电动螺丝刀头慢速旋转与识别的螺钉对接，对接成功的标志为：a.螺丝刀的Z向位置和设定的目标位置误差在1mm内；b.螺丝刀承受Z向预压力；电机采用力矩控制模式旋转并拧紧到设定的电流值。

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