CN111267139B - 一种机器人智能末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人智能末端执行器，其包括手指(6)、直线驱动器(14)、导轨(15)、手指安装座(16)、连杆(17)；直线驱动器(14)的直线输出部件的最外侧端部铰接了连杆(17)的一个端点；连杆(17)的另外一个端点铰接在手指安装座(16)上；手指安装座(16)安装在导轨上并沿着其移动；导轨(15)沿着与直线驱动器(14)的直线输出部件垂直的方向延伸。

Description

一种机器人智能末端执行器

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器人智能末端执行器。

背景技术

机器人末端执行器是任何一个连接在机器人边缘关节上的具有一定功能的工具。一般的机器人末端执行器包括机械手、吸盘等等。通常末端执行器作为机器人实现功能的直接功能部件，需要具备满足作业所需的重复精度。此外，作为机器人设备的一部分，末端执行器还需要结构紧凑、轻便。

目前，较为常见的机器人末端执行器为抓取系统，即机械手。现有的机器人抓取系统存在如下的问题：采用固定的运动轨迹，针对固定的目标物体，进行定点定位抓取；但是，这种固定模式的抓取，需要进行人工示教，只能应对单一品类的物体，产线柔性差。

提高产线柔性，可以将视觉识别定位技术和机器人技术相结合。视觉识别定位技术可以通过识别物体的位置和姿态，转换成坐标反馈给机器人，机器人实时进行路径规划，对目标物体进行抓取。

因此，需要提供一种机器人末端执行器，其通过将视觉识别定位技术和机器人技术相结合，提高生产线柔性和机械手工作的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机器人末端执行器，其通过将视觉识别定位技术和机器人技术相结合，提高生产线柔性和机械手工作的稳定性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种机器人智能末端执行器，其包括手指6、直线驱动器14、导轨15、手指安装座16、连杆17；直线驱动器14的直线输出部件的最外侧端部铰接了连杆17的一个端点；连杆17的另外一个端点铰接在手指安装座16上；手指安装座16安装在导轨上并沿着其移动；导轨15沿着与直线驱动器14的直线输出部件垂直的方向延伸。

进一步地，末端执行器进一步还包括：底座1、电路板2、侧板3、外壳4、侧边连接块5；两个侧板3相互平行地对置设置，两个侧板3的侧边缘之间设置了外壳4，两个侧板3和外壳4围绕成一个容纳电路板2的空间。

进一步地，末端执行器进一步还包括：设置在两个侧板3的上部的顶板7，该顶板7的上表面具有多个开孔，上述开孔用于使得手指6从其中穿过，并暴露手指6运动轨迹覆盖的区域；

进一步地，侧板3的横向两个边缘分别竖直向下延伸了两个侧边连接块5；该两个侧边连接块5能够与外壳4的对应部分内表面贴合，从而实现顶板7的安装。

进一步地，外壳4上设置有指示灯和航空插头，所述指示灯显示装置的当前状态，所述航空插头用于供电和通信。

进一步地，直线驱动器14通过驱动器安装座18固定到侧板上3，电路板2固定到侧板3上，直线驱动器14的信号线和电路板2相连。

进一步地，该驱动器安装座18为一个刚性金属材料制作的固定支座；该支座包括衬垫于直线驱动器14下方的支座垫，以及形成为大致“Ω”形的具有卡固突起部的卡固圈部分，该卡固圈部分通过卡固突起部与直线驱动器14的外部表面直接的紧密接触，将直线驱动器14压紧到侧板3上。通过上述安装座18将直线驱动器14的部件紧紧固定在侧板3上，防止直线驱动器14的偏移和摇摆。

进一步地，直线驱动器14、连杆17、手指安装座16、导轨15构成的传动结构中包含自锁机构。

进一步地，末端执行器进一步包括一组双目相机8。

进一步地，相机8通过相机安装架9固定在侧板3上；相机安装架9为一对刚性金属支架，其从另一个侧板3的外表面延伸出，并于上述外表面垂直；一对相机8分别安装于上述一对刚性金属支架上。该相机安装架9通过一个滑轨安装于侧板3的外侧表面。

本发明提供的机器人末端执行器，具有以下有益效果：提供一种机器人末端执行器，其通过将视觉识别定位技术和机器人技术相结合，提高生产线柔性和机械手工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种机器人智能末端执行器的立体结构图；

图2是本发明一种机器人智能末端执行器的驱动模块图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底座，2、电路板，3、侧板，4、外壳，5、侧边连接块，6、手指，7、顶板，8、相机，9、相机安装架，10、相机驱动板，11、相机驱动板安装架，12、法兰连接件，13、法兰，14、直线驱动器，15、导轨，16、手指安装座，17、连杆，18、驱动器安装座

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用一方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和图2所示，一种机器人智能末端执行器，包括底座1、电路板2、侧板3、外壳4、侧边连接块5、手指6、顶板7、相机8、相机安装架9、相机驱动板10、相机驱动板安装架11、法兰连接件12、法兰13、直线驱动器14、导轨15、手指安装座16、连杆17、驱动器安装座18等。

其中，两个侧板3相互平行地对置设置，两个侧板3的侧边缘之间设置了外壳4，两个侧板3和外壳4围绕成一个容纳的空间，从而容纳其他部件的安装。

在两个侧板3的上部设置有顶板7，该顶板7的上表面具有多个开孔，上述开孔用于使得手指6从其中穿过，并暴露手指6运动轨迹覆盖的区域。该侧板3的横向两个边缘分别竖直向下延伸了两个侧边连接块5。该两个侧边连接块5能够与外壳4的对应部分内表面贴合，从而实现顶板7的安装。

优选地，外壳4上设置有指示灯和航空插头，所述指示灯显示装置的当前状态，所述航空插头用于供电和通信。

电路板2固定安装于一个侧板3的内表面。上述固定方式可以为卡固、焊接、螺栓或者铆钉固定。如图2所示，直线驱动器14通过驱动器安装座18固定到侧板上3，电路板2固定到侧板3上，直线驱动器14的信号线和电路板2相连。该直线驱动器14的驱动方式包括电动、气动和液压驱动中的一种。优选地，直线驱动器14可以为伺服直线作动器或者微型电动推杆；

该驱动器安装座18具体可以为一个刚性金属材料制作的固定支座。该支座包括衬垫于直线驱动器14下方的支座垫，以及形成为大致“Ω”形的具有卡固突起部的卡固圈部分，该卡固圈部分通过卡固突起部与直线驱动器14的外部表面直接的紧密接触，将直线驱动器14压紧到电路板2上。通过上述安装座18将直线驱动器14的部件紧紧固定在电路板2上，防止直线驱动器14的偏移和摇摆。

直线驱动器14的直线输出部件的最外侧端部铰接了连杆17的一个端点，该连杆17可以为刚性的金属杆装部件。连杆17的另外一个端点铰接在手指安装座16上。手指安装座16位于导轨15内，该导轨15位于电路板2暴露表面的上部，优选地，其竖直位置不高于直线输出部件的最外侧端部，不低于电路板2高度的中心位置。该手指安装座16仅能够沿着导轨15进行左右的直线运动。直线驱动器14与连杆17铰接，连杆17与导轨15上的手指安装座16铰接，组成连杆滑块机械传动结构。上述机械传动机构能保持手指6始终平行移动，有效抓取不同尺寸的物体，且夹爪提供的抓取力能够随物体尺寸的增大而提高。两个手指6张开的距离越大，连杆17和直线驱动器14的夹角越大，驱动力通过连杆17转化成水平夹持力的效率越高，于是本发明的机器人智能末端执行器能够提供更大的夹持力来抓取大体积物品。

优选地，直线驱动器14、连杆17、手指安装座16、导轨15构成的传动结构中包含自锁机构，能够在抓到物体时保持稳定的抓取状态。

两根手指6通过螺钉与导轨15上的手指安装座16固定连接，可选择更换合适的手指6以适应不同的目标物体，也可根据物体形状选择使用手指6夹紧或撑开的抓取方式，手指6上可覆盖柔性材料提高抓取适应性。

在另一个侧板3的外侧表面，安装了相机安装架9，相机8通过相机安装架9固定在侧板3上。具体地，相机安装架9为一对刚性金属支架，其从另一个侧板3的外表面延伸出，并于上述外表面垂直。一对相机8分别安装于上述一对刚性金属支架上。该相机安装架9通过一个滑轨安装于侧板3的外侧表面。

上述相机为双目相机，相机8通过数据线和信号线连接了外部电脑设备，通过外部电脑设备实现二维和三维的视觉识别、定位、检测、测量、扫码等功能。

优选地，在相机8的下方，另一个侧板3的外表面上还设置了相机驱动板安装架11以及其固定的相机驱动板10。该相机驱动板用于将采集的图像信号预处理并以特定的通信协议对外输出。

在末端执行器的最下部设置有法兰13，法兰13与机械臂或其他末端执行器进行连接。

此外，相机8连接到相机驱动板，相机驱动板和直线驱动器均连接到电路板，电路板连接到中央控制设备。

下面对本申请提供的智能末端执行器的控制方法和工作过程进行介绍。

S1中央控制设备接收外部控制指令，并根据控制指令驱动法兰13的驱动部件，驱动法兰13进行移动或旋转，将智能末端设备转向到适当的位置。

S2中央控制设备驱动开启相机8，并获取工件信息、工件位置信息和工件尺寸信息。具体包括：

S21中央控设备驱动相机8开启，相机8拍摄图像，并传送至中央控制设备；相机8拍摄的大致方向预设为工件的表面，通过相机采集的工件图像，进行图像识别后，判断工件的位置和大小；

S22中央控制设备获取相机8拍摄的图像信息，并对图像信息进行识别。具体包括：

将相机8拍摄的图像信息传送到中央控制设备，中央控制设备通过图像识别技术判断图像信息中是否包含对应的工件的图像；如果不包含对应的工件的图像，中央控制设备则反馈控制相机驱动板来驱动法兰13，在正负180度的范围内，连续旋转并连续采集序列图像。中央控制设备根据序列图像，确定法兰13的最佳位置，并驱动法兰旋转到该最佳位置。

如果包含对应的工件的图像，则进一步判断对应的工件的图像是否出现在预设图像区域范围内；如果对应的工件的图像出现在预设图像区域范围内，则确定目前为最佳位置，如果没有在预设图像区域范围内，中央控制器反馈控制相机驱动板，根据对应的工件的图像的偏移方向和偏移量反向调整相机驱动板，将相机调整为最佳位置。

中央控制设备通过对应的工件的图像能够获得相应的工件类型和尺寸信息。

S23中央控制设备根据获得的工件类型和尺寸信息，计算手指6需要打开的尺寸，优选地，该打开的尺寸为工件垂直投影面积的最大外缘尺寸的115％-130％；并驱动直线驱动器14带动连杆17和手指6移动到相应位置。

S24中央控制设备驱动平移末端执行器连接的机械臂，接近工件，在相机8的监测下使工件逐步进入两个手指6中间。

S25当中央控制设备识别相机8拍摄的图像中工件已经完全进入两个手指6中间时，中央控制设备停止末端执行器连接的机械臂的驱动，并驱动直线驱动器14向下收缩(即带动手指6收拢)，直至驱动该直线驱动器14向下收缩的反向作用力超过阈值(即手指6已经压紧至工件表面，致使直线驱动器14无法进一步向下收缩，从而产生较大的反向作用力)。

通过上述智能控制进一步优化了末端执行器的控制方式，提高了工作效率和设备的自动化程度。

本发明的优势之处在于：

1、本发明的机器人智能末端执行器，配置了高精度的双目相机，并集成了具有2D视觉定位、3D视觉定位、检测、测量、识别、扫码等功能的视觉系统。

2、本发明的机器人智能末端执行器，使用直线驱动器，控制简单，抓取范围大，包含自锁结构，可实现抓取自锁。

3、本发明的机器人智能末端执行器，其机械传动机构能保持手指始终平行，有效抓取不同尺寸的物体，传动机构能够使抓取力随着手指张开距离的变大而变大，因而物体越大，夹爪能够提供的抓取力越大，提高了功率的传递效率。

4、通过智能控制进一步优化了末端执行器的控制方式，提高了工作效率和设备的自动化程度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种机器人智能末端执行器的控制方法，其特征在于：

该控制方法控制的机器人智能末端执行器包括：底座、电路板、侧板、外壳、侧边连接块、手指、顶板、相机、相机安装架、相机驱动板、相机驱动板安装架、法兰连接件、法兰、直线驱动器、导轨、手指安装座、连杆、驱动器安装座；两个侧板相互平行地对置设置，两个侧板的侧边缘之间设置了外壳，两个侧板和外壳围绕成一个容纳的空间，从而容纳其他部件的安装；在两个侧板的上部设置有顶板，该顶板的上表面具有多个开孔，上述开孔用于使得手指从其中穿过，并暴露手指运动轨迹覆盖的区域；该侧板的横向两个边缘分别竖直向下延伸了两个侧边连接块；该两个侧边连接块能够与外壳的对应部分内表面贴合，从而实现顶板的安装；

外壳上设置有指示灯和航空插头，所述指示灯显示装置的当前状态，所述航空插头用于供电和通信；

电路板固定安装于一个侧板的内表面；电路板的固定方式为卡固、焊接、螺栓或者铆钉固定；直线驱动器通过驱动器安装座固定到侧板上，电路板固定到侧板上，直线驱动器的信号线和电路板相连；直线驱动器为微型电动推杆；

该驱动器安装座具体为一个刚性金属材料制作的固定支座；该支座包括衬垫于直线驱动器下方的支座垫，以及形成为“Ω”形的具有卡固突起部的卡固圈部分，该卡固圈部分通过卡固突起部与直线驱动器的外部表面直接的紧密接触，将直线驱动器压紧到电路板上；通过上述安装座将直线驱动器的部件固定在电路板上，防止直线驱动器的偏移和摇摆；

直线驱动器的直线输出部件的最外侧端部铰接了连杆的一个端点，该连杆为刚性的金属杆装部件；连杆的另外一个端点铰接在手指安装座上；手指安装座位于导轨内，该导轨位于电路板暴露表面的上部，其竖直位置不高于直线输出部件的最外侧端部，不低于电路板高度的中心位置；该手指安装座仅能够沿着导轨进行左右的直线运动；直线驱动器与连杆铰接，连杆与导轨上的手指安装座铰接，组成连杆滑块机械传动结构；机械传动机构能保持手指始终平行移动，有效抓取不同尺寸的物体，且夹爪提供的抓取力能够随物体尺寸的增大而提高；两个手指张开的距离越大，连杆和直线驱动器的夹角越大；

直线驱动器、连杆、手指安装座、导轨构成的传动结构中包含自锁机构，能够在抓到物体时保持稳定的抓取状态；

两根手指通过螺钉与导轨上的手指安装座固定连接，能够选择更换合适的手指以适应不同的目标物体，也能够根据物体形状选择使用手指夹紧或撑开的抓取方式，手指上覆盖柔性材料提高抓取适应性；

在另一个侧板的外侧表面，安装了相机安装架，相机通过相机安装架固定在侧板上；具体地，相机安装架为一对刚性金属支架，其从另一个侧板的外表面延伸出，并与上述另一个侧板的外表面垂直；一对相机分别安装于上述一对刚性金属支架上；该相机安装架通过一个滑轨安装于侧板的外侧表面；

上述相机为双目相机，相机通过数据线和信号线连接了外部电脑设备，通过外部电脑设备实现二维和三维的视觉识别、定位、检测、测量、扫码功能；

在相机的下方，另一个侧板的外表面上还设置了相机驱动板安装架以及其固定的相机驱动板；该相机驱动板用于将采集的图像信号预处理并以特定的通信协议对外输出；

在末端执行器的最下部设置有法兰，法兰与机械臂或其他末端执行器进行连接；

相机连接到相机驱动板，相机驱动板和直线驱动器均连接到电路板，电路板连接到中央控制设备；

所述机器人智能末端执行器的控制方法包括：

S1中央控制设备接收外部控制指令，并根据控制指令驱动法兰的驱动部件，驱动法兰进行移动或旋转，将智能末端设备转向到适当的位置；

S2中央控制设备驱动开启相机，并获取工件信息、工件位置信息和工件尺寸信息；具体包括：

S21中央控设备驱动相机开启，相机拍摄图像，并传送至中央控制设备；相机拍摄的方向预设为工件的表面，通过相机采集的工件图像，进行图像识别后，判断工件的位置和大小；

S22中央控制设备获取相机拍摄的图像信息，并对图像信息进行识别；具体包括：将相机拍摄的图像信息传送到中央控制设备，中央控制设备通过图像识别技术判断图像信息中是否包含对应的工件的图像；如果不包含对应的工件的图像，中央控制设备则反馈控制相机驱动板来驱动法兰，在正负180度的范围内，连续旋转并连续采集序列图像；中央控制设备根据序列图像，确定法兰的最佳位置，并驱动法兰旋转到该最佳位置；如果包含对应的工件的图像，则进一步判断对应的工件的图像是否出现在预设图像区域范围内；如果对应的工件的图像出现在预设图像区域范围内，则确定目前为最佳位置，如果没有在预设图像区域范围内，中央控制器反馈控制相机驱动板，根据对应的工件的图像的偏移方向和偏移量反向调整相机驱动板，将相机调整为最佳位置；中央控制设备通过对应的工件的图像能够获得相应的工件类型和尺寸信息；

S23中央控制设备根据获得的工件类型和尺寸信息，计算手指需要打开的尺寸，该打开的尺寸为工件垂直投影面积的最大外缘尺寸的115％-130％；并驱动直线驱动器带动连杆和手指移动到相应位置；

S24中央控制设备驱动平移末端执行器连接的机械臂，接近工件，在相机的监测下使工件逐步进入两个手指中间；

S25当中央控制设备识别相机拍摄的图像中工件已经完全进入两个手指中间时，中央控制设备停止末端执行器连接的机械臂的驱动，并驱动直线驱动器向下收缩并带动手指收拢，直至驱动该直线驱动器向下收缩的反向作用力超过阈值。

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