CN111469149B - 一种基于手眼伺服的机器人末端执行器 - Google Patents

一种基于手眼伺服的机器人末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人装备领域，具体涉及一种基于手眼伺服的机器人末端执行器，用于连接在机器人的机械臂(13)上，能够跟随机械臂(13)的末端关节的旋转而同步转动；机械臂(13)安装在移动平台(14)上，能够停靠在橡胶树(15)前；橡胶树(15)上具有人工开割的割线(151)；移动平台(14)中安装有上位机作为系统控制中枢，末端执行器(100)包括法兰盘(1)、力矩传感器(2)、上支架(3)、后激光测距传感器(4)、前激光测距传感器(5)、侧支架(6)、环形光源(7)、相机(8)、刀片(9)、下激光测距传感器(10)、下支架(11)和陀螺仪(12)；本发明自动化程度高，自主完成割胶作业中的关键参数感知和割胶末端控制。

Description

一种基于手眼伺服的机器人末端执行器
技术领域
本发明涉及机器人装备领域，具体涉及一种基于手眼伺服的机器人末端执行器。
背景技术
协作机器人是一种能够与人类在工作空间中进行近距离互动的机器人，具有低成本、柔性生产、灵活部署和高精度等优点。协作机器人作为工业机器人的一个细分领域，近年来取得了飞速发展，已经应用于汽车装配、3C制造、医疗、仓促物流等众多领域。末端执行器作为重要的信息感知和动作执行配件，不断拓展协作机器人的应用领域和发展方向。
本发明建立了一套多传感器融合的协作机器人末端执行器控制作业系统。具体到应用领域，以天然橡胶的割胶作业为例说明。割胶作业是少数几个未能实现机械化的农业领域之一，长期依赖人工。而割胶又是一个需要较高技术的手工行业，对于胶工操作的精度要求较高。探索协作机器人在天然橡胶割胶领域的应用研究很有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于手眼伺服的机器人末端执行器，其建立了多传感器融合的控制机制，实现了对于割胶刀运动轨迹的二次精定位，使用机械臂完成精准的割胶作业。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于手眼伺服的机器人的末端执行器100，用于连接在机器人的机械臂13上，能够跟随机械臂13的末端关节的旋转而同步转动；机械臂13安装在移动平台14上，能够停靠在橡胶树15前；橡胶树15上具有人工开割的割线151；移动平台14中安装有上位机作为系统控制中枢，末端执行器100包括法兰盘1、力矩传感器2、上支架3、后激光测距传感器4、前激光测距传感器5、侧支架6、环形光源7、相机8、刀片9、下激光测距传感器10、下支架11和陀螺仪12；
末端执行器100通过法兰盘1安装在机械臂13的末端；
在末端执行器100的切割运动过程中，其左侧为前方，右侧为后方；
法兰盘1上安装有侧支架6、上支架3和下支架11；
侧支架6安装在法兰盘1的左侧，其上安装有环形光源7和相机8；环形光源7的中心具有一中心容纳空间，相机8位于所述环形光源7的中心容纳空间内；环形光源7的照射方向以及相机8的图像采集方向均垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面；
力矩传感器2安装在法兰盘1中心位置；力矩传感器2与刀片9之间安装有陀螺仪12；
刀片9倾斜安装，刀片9的刀头朝向橡胶树15；
上支架3安装在法兰盘1上，位于力矩传感器2上方；后激光测距传感器4和前激光测距传感器5固定在上支架3上，并排竖直安装，检测方向垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面，用于测量末端执行器100与割线151上方树干表面的距离；在水平方向上，前激光测距传感器5位于后激光测距传感器4的左侧，相机8位于前激光测距传感器5的左侧；
下支架11上安装有下激光测距传感器10，检测方向垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面，用于测量末端执行器100与割线151下方树干表面的距离；
后激光测距传感器4、前激光测距传感器5和下激光测距传感器10的激光发射窗口均平行于刀片9的刀头平面向外；下激光测距传感器10的光斑点与刀片9的刀尖点、后激光测距传感器4的光斑点三者三点共线，三者的连线垂直于水平面；
相机8的镜头与刀片9的刀尖点高度平齐；
力矩传感器2、后激光测距传感器4、前激光测距传感器5、环形光源7、相机8、下激光测距传感器10、陀螺仪12、机械臂13分别与上位机电连接。
环形光源7采用白色LED背光源，为相机8补光。
刀片9的本体与水平面的夹角为30°。
下支架11连接横置安装在法兰盘1上，位于力矩传感器2下方；下激光测距传感器10连接安装在下支架11上。
操作者在安装调试过程中，对相机8和刀片9的位置进行手眼标定，采用Eye-in-Hand形式。
本发明的有益效果在于：
本发明基于手眼标定的Eye-in-Hand系统，在机械臂末端使用相机实时追踪已有割线的位置，计算分析割胶刀的偏移量。同时采用激光测距传感器采集末端执行器与橡胶树的径向距离，解算刀片的相对位置。并采用力矩传感器和陀螺仪分别记录刀片的受力情况和运动参数变化。当割线表面状况突变或橡胶树表面有疤节出现时，刀片的受力和运动轨迹发生明显变化。上位机分析处理刀片受力、力矩的波动和速度、加速度的变化情况，进一步调整刀片的运动轨迹，保证割胶精度，完成割胶作业。
1、本发明自动化程度高，自主完成割胶作业中的关键参数感知和割胶末端控制。
2、本发明精度高，有助于减少误差，控制快速准确。
3、本发明抗干扰性强，可重复性好。
4、本发明集成度高，系统稳定可控。
5、本发明结构新颖，系统功耗较低，扩展性好。
附图说明
图1为本发明的基于手眼伺服的机器人末端执行器的结构示意图；
图2为本发明的开始割胶状态示意图；
图3为本发明的橡胶树割线部分局部示意图。
附图标记：
1、法兰盘 2、力矩传感器
3、上支架 4、后激光测距传感器
5、前激光测距传感器 6、侧支架
7、环形光源 8、相机
9、刀片 10、下激光测距传感器
11、下支架 12、陀螺仪
13、机械臂 14、移动平台
15、橡胶树 151、割线
100、末端执行器
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1和图2所示，一种基于手眼伺服的机器人的末端执行器100，用于连接在机器人的机械臂13上，能够跟随机械臂13的末端关节的旋转而同步转动。机械臂13安装在移动平台14上，能够停靠在橡胶树15前。橡胶树15上具有割线151。移动平台14中安装有上位机作为系统控制中枢。
末端执行器100包括法兰盘1、力矩传感器2、上支架3、后激光测距传感器4、前激光测距传感器5、侧支架6、环形光源7、相机8、刀片9、下激光测距传感器10、下支架11和陀螺仪12。
末端执行器100通过法兰盘1安装在机械臂13的末端。
在末端执行器100的切割运动过程中，其左侧为前方，右侧为后方。
法兰盘1上安装有侧支架6、上支架3和下支架11。
侧支架6安装在法兰盘1的左侧，其上安装有环形光源7和相机8。环形光源7的中心具有一中心容纳空间，相机8位于所述环形光源7的中心容纳空间内。环形光源7的照射方向以及相机8的图像采集方向均垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面。环形光源7采用白色LED背光源，为相机8补光。
力矩传感器2安装在法兰盘1中心位置。力矩传感器2与刀片9之间安装有陀螺仪12。刀片9倾斜安装，其本体与水平面的夹角为30°。刀片9的刀头朝向橡胶树15。
上支架3安装在法兰盘1上，位于力矩传感器2上方。后激光测距传感器4和前激光测距传感器5通过螺栓连接固定在上支架3上，并排竖直安装，检测方向垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面，用于测量末端执行器100与割线151上方树干表面的距离。在水平方向上，前激光测距传感器5位于后激光测距传感器4的左侧，相机8位于前激光测距传感器5的左侧。
下支架11上安装有下激光测距传感器10，检测方向垂直于法兰盘1平面向外，朝向橡胶树15的工作面，用于测量末端执行器100与割线151下方树干表面的距离。为避免下支架11及下激光测距传感器10与机械臂13运动干涉，将下支架11通过螺栓连接横置安装在法兰盘1上，位于力矩传感器2下方。下激光测距传感器10通过螺栓连接安装在下支架11上。
后激光测距传感器4、前激光测距传感器5和下激光测距传感器10的激光发射窗口均平行于刀片9的刀头平面向外。下激光测距传感器10的光斑点与刀片9的刀尖点、后激光测距传感器4的光斑点三者三点共线，三者的连线垂直于水平面。
相机8的镜头与刀片9的刀尖点高度平齐。操作者在安装调试过程中，对相机8和刀片9的位置进行手眼标定，采用Eye-in-Hand形式。
力矩传感器2、后激光测距传感器4、前激光测距传感器5、环形光源7、相机8、下激光测距传感器10、陀螺仪12、机械臂13分别与上位机电连接。
本发明的工作过程：
启动机器人，末端执行器100随之启动，环形光源7为相机8补光。
如图3所示，橡胶树割线为一条空间圆柱螺旋曲线。橡胶树开割时，由有经验的胶工先在树干两侧割出前、后水线，割胶时在前水线处入刀，在后水线处收刀。前、后水线一般浅割且对向分布，深度约为1mm。起割点设置在前水线与割线151的相交处，收刀点位于后水线与割线151的相交处。割线的宽度即割胶深度记为ω，每次切割的树皮厚度即耗皮量记为δ，割线的螺旋升角为γ。割胶机器人进行割胶操作时，末端执行器100随机械臂13运动，按照预设的连续螺旋轨迹到达起割点位置。
在末端执行器100的切割运动过程中，相机8位于末端执行器100的最前端，相机8采集割线151的图像，检测割线151的位置，环形光源7为相机8补光。相机8采集到的图像信息上传到上位机，上位机与预设的理想割线图像模板进行匹配，计算分析刀片9的轨迹误差，对刀片9进行初步定位。
前激光测距传感器5的位置位于刀片9的前方，能够预先检测橡胶树表面的起伏状况。上位机通过预设的理想割线图像模板匹配检测割线151位置的同时，后激光测距传感器4和下激光测距传感器10实时检测末端执行器100与橡胶树15的径向距离，上传到上位机，通过机械臂13调整刀片9的俯仰角，解算刀片9的当前位置和姿态。割线151表面情况复杂或橡胶树15表面有疤节时，对刀片9的受力产生影响，其运动参数会发生明显变化。陀螺仪12在割胶时记录刀片9的运动参数，得到行刀速度和加速度变化，上传到上位机。力矩传感器2记录刀片9的受力和力矩变化情况，上传到上位机。上位机分析处理刀片9受力、力矩的波动和速度、加速度的变化情况，对刀片9的空间位置进行二次精定位，保证割胶精度，完成割胶作业。
具体的控制实现中，上位机根据刀片9的位置和姿态，通过机器人运动学逆解出机械臂13各关节的角度，使用PID控制调节刀片9的运动轨迹，保证割胶深度ω和耗皮量δ的精度，完成割胶作业。

Claims (5)

1.一种基于手眼伺服的机器人的末端执行器（100），用于连接在机器人的机械臂（13）上，能够跟随机械臂（13）的末端关节的旋转而同步转动；机械臂（13）安装在移动平台（14）上，能够停靠在橡胶树（15）前；橡胶树（15）上具有人工开割的割线（151）；移动平台（14）中安装有上位机作为系统控制中枢，其特征在于：
末端执行器（100）包括法兰盘（1）、力矩传感器（2）、上支架（3）、后激光测距传感器（4）、前激光测距传感器（5）、侧支架（6）、环形光源（7）、相机（8）、刀片（9）、下激光测距传感器（10）、下支架（11）和陀螺仪（12）；
末端执行器（100）通过法兰盘（1）安装在机械臂（13）的末端；
在末端执行器（100）的切割运动过程中，其左侧为前方，右侧为后方；
法兰盘（1）上安装有侧支架（6）、上支架（3）和下支架（11）；
侧支架（6）安装在法兰盘（1）的左侧，其上安装有环形光源（7）和相机（8）；环形光源（7）的中心具有一中心容纳空间，相机（8）位于所述环形光源（7）的中心容纳空间内；环形光源（7）的照射方向以及相机（8）的图像采集方向均垂直于法兰盘（1）平面向外，朝向橡胶树（15）的工作面；
力矩传感器（2）安装在法兰盘（1）中心位置；力矩传感器（2）与刀片（9）之间安装有陀螺仪（12）；
刀片（9）倾斜安装，刀片（9）的刀头朝向橡胶树（15）；
上支架（3）安装在法兰盘（1）上，位于力矩传感器（2）上方；后激光测距传感器（4）和前激光测距传感器（5）固定在上支架（3）上，并排竖直安装，检测方向垂直于法兰盘（1）平面向外，朝向橡胶树（15）的工作面，用于测量末端执行器（100）与割线（151）上方树干表面的距离；在水平方向上，前激光测距传感器（5）位于后激光测距传感器（4）的左侧，相机（8）位于前激光测距传感器（5）的左侧；
下支架（11）上安装有下激光测距传感器（10），检测方向垂直于法兰盘（1）平面向外，朝向橡胶树（15）的工作面，用于测量末端执行器（100）与割线（151）下方树干表面的距离；
后激光测距传感器（4）、前激光测距传感器（5）和下激光测距传感器（10）的激光发射窗口均平行于刀片（9）的刀头平面向外；下激光测距传感器（10）的光斑点与刀片（9）的刀尖点、后激光测距传感器（4）的光斑点三者三点共线，三者的连线垂直于水平面；
相机（8）的镜头与刀片（9）的刀尖点高度平齐；
力矩传感器（2）、后激光测距传感器（4）、前激光测距传感器（5）、环形光源（7）、相机（8）、下激光测距传感器（10）、陀螺仪（12）、机械臂（13）分别与上位机电连接。
2.如权利要求1所述的基于手眼伺服的机器人的末端执行器（100），其特征在于：环形光源（7）采用白色LED背光源，为相机（8）补光。
3.如权利要求1所述的基于手眼伺服的机器人的末端执行器（100），其特征在于：刀片（9）的本体与水平面的夹角为30°。
4.如权利要求1所述的基于手眼伺服的机器人的末端执行器（100），其特征在于：下支架（11）横置安装在法兰盘（1）上，位于力矩传感器（2）下方。
5.如权利要求1所述的基于手眼伺服的机器人的末端执行器（100），其特征在于：操作者在安装调试过程中，对相机（8）和刀片（9）的位置进行手眼标定，采用Eye-in-Hand形式。
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