CN112643713A - 机器人端拾器高温传递和变形检测装置及方法 - Google Patents

机器人端拾器高温传递和变形检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，包括恒温箱，所述恒温箱内顶部装有滑槽，所述滑槽内吊装有若干结构相同的夹持机构，所述恒温箱内位于所述夹持机构的下方装有可拆卸的托板，所述恒温箱内长宽高三个方向上分别装有三个工业相机。机器人端拾器高温传递和变形检测装置中的机械手爪，采用欠驱动的机械手爪能实现检测位置的精确定位，以及温度传感器相对端拾器中待检测异形结构的柔性包络紧贴，提高了对复杂异形端拾器检测时的抓取适应力和稳定性，有助于提高温度传递检测精度，针对端拾器在热辐射和热传导下的微小变形量检测需求，借助工业相机，通过亚像素级边缘点检测算法来获得变形量，提高了检测精度。

Description

机器人端拾器高温传递和变形检测装置及方法
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，尤其涉及到一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置及方法。
背景技术
随着工业化的不断进步和机械行业的智能化发展，机器人已经广泛应用于各行各业。锻造行业在工件锻造过程中存在高温、振动和噪音等，而我国锻造行业又主要以人工操作为主，因此锻造作业环境差、危险性高、劳动强度大，从而导致我国锻件生产效率低、产品附加值低和整体竞争力差。随着中国制造2025的提出，中国制造业开始由制造大国向制造强国转变，利用机器人组成锻造自动化生产线，来替代恶劣锻造环境下的人工操作，有助于提高锻造生产效率、降低人力成本、提高锻件质量。
而锻造机器人在生产线上进行连续上下料、锻造、翻转和搬运等工作时，锻件的抓取离不开机器人的末端端拾器，一个性能良好的端拾器对于提高机器人锻件抓取的平稳性和精确性至关重要。此外，高温锻造环境和受锻件对端拾器会有热传导和热辐射，进而造成端拾器的高温变形，降低了端拾器的夹持精度，因此在端拾器使用前，在高温锻造模拟环境下，对不同形状端拾器中不同关键结构件进行温度传递检测，以及对端拾器的高温变形量检测都显得尤为重要，这可以为锻造领域中的机器人端拾器结构设计和高温防护提供依据。目前在温度检测技术领域，已有相关的传感器检测手段，但主要是针对某一固定产品的指定位置进行单一形式检测，尚无满足对不同尺寸、不同结构的异形产品，尤其是产品中不同位置结构件进行随机变位柔性检测，而同时具备温度传递检测优势和变形检测的装置在该技术领域更未曾发现。
发明内容
本发明的目的在于为锻造环境中机器人端拾器的高温防护设计，提供一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，进而有助于高温环境中机器人端拾器设计的优化，提高锻造机器人对高温锻件的夹持精度和稳定性。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，包括恒温箱，所述恒温箱内顶部装有滑槽，所述滑槽内吊装有若干结构相同的夹持机构，所述恒温箱内位于所述夹持机构的下方装有可拆卸的托板，所述恒温箱内长宽高三个方向上分别装有三个工业相机。
所述的夹持机构包括滑块，所述滑块滑动安装于所述滑槽内，所述滑块上安装有万向弯管，所述万向弯管的底端安装有固定板，所述固定板的底部设置结构对称的一对机械手爪。
所述机械手爪包括连接杆、第一连杆、近指节、中指节、远指节、T型板、温度传感器、第二连杆、L形连杆、第三连杆、步进电机、第一驱动轮、第二驱动轮和第三驱动轮，所述连接杆的一端通过万向球与所述固定板实现万向铰接，所述连接杆的另一端与所述第一连杆的中部铰接，所述连接杆与所述第一连杆的铰接处还与所述近指节的一端铰接，所述第一连杆的一端与所述第三连杆的一端铰接，所述远指节的另一端与所述L形连杆的一端铰接，所述第三连杆的另一端与所述L形连杆的拐点处铰接，所述L形连杆的另一端与所述第二连杆的一端铰接，所述近指节与所述L形连杆的铰接处还铰接有所述中指节，所述远指节为三角形，所述中指节和所述第二连杆分别与所述远指节的两个角相铰接，所述远指节的另外一个角上铰接有所述T型板，所述T型板上安装有所述温度传感器，所述第三连杆的一侧安装有所述步进电机，所述近指节上连接有所述第一驱动轮，所述第一驱动轮与所述近指节与所述连接杆和所述第一连杆铰接点的铰接轴线同轴，所述L形连杆上连接有所述第二驱动轮，所述第二驱动轮与所述L形连杆和所述第三连杆铰接点的铰接轴线同轴，所述远指节上连接有所述第三驱动轮，所述第三驱动轮与所述远指节和所述中指节铰接点的铰接轴线同轴，所述步进电机与所述第一驱动轮和所述第二驱动轮传动连接，所述第二驱动轮与所述第三驱动轮传动连接。
进一步，所述步进电机的输出轴上安装有第四驱动轮，所述第一驱动轮、所述第二驱动轮、所述第三驱动轮和所述第四驱动轮均为带轮，所述第四驱动轮通过第一平行皮带与所述第二驱动轮实现传动，所述第四驱动轮通过交叉皮带与所述第一驱动轮实现传动，所述第二驱动轮通过第二平行皮带与所述第三驱动轮实现传动。
进一步，所述温度传感器采用贴片式温度传感器。优选DS18B20温度传感器，可以通过704导热硅胶粘接在所述T型板的端面上。
进一步，两所述机械手爪的所述近指节在其相对的一侧均设有凸起台阶。
进一步，两所述机械手爪的所述中指节在其相对的一侧也设有凸起台阶。
进一步，所述万向弯管采用高纯度柔韧一体航空合金，从而提高夹持过程中的牢固耐用。
本发明还提供上述机器人端拾器高温传递和变形检测装置的检测方法，包括：
第一步、通过所述夹持机构的所述机械手爪将待检测的机器人端拾器夹持固定，并将所述恒温箱设定至试验条件；
第二步、通过所述工业相机采集所述恒温箱内加温前后的所述机器人端拾器的图像；
第三步、对加温前后所述机器人端拾器的图像进行高斯滤波，去除图像中存在的噪声干扰；
第四步、沿所述机器人端拾器边缘点的梯度方向分别进行加温前后图像的像素点筛选，从而减少图像处理的计算量；
第五步、利用二次曲线进行加温前后图像离散像素点拟合，并求各自极大值点以获得亚像素级的边缘点坐标；
第六步、通过加温前后图像亚像素级边缘点坐标的差值来求得所述机器人端拾器变形量。
有益效果
本发明具有以下有益效果：
(1)机器人端拾器高温传递和变形检测装置中的机械手爪，采用了四连杆的欠驱动传动机构，利用一个步进电机能带动三个指节的联动，不仅缩减了动力源数目、降低了控制难度，而且提高了负载能力和力传递的效率；
(2)检测装置中的机械手爪首先通过万向弯管和万向球铰接结构能对不同形状大小端拾器的不同检测位置进行粗定位；其次采用欠驱动的机械手爪能实现检测位置的精确定位，以及温度传感器相对端拾器中待检测异形结构的柔性包络紧贴，提高了对复杂异形端拾器检测时的抓取适应力和稳定性，有助于提高温度传递检测精度；
(3)利用粘附在欠驱动结构机械手爪的远指节上的温度传感器，以及面向待检测端拾器，在温箱长宽高三个方向上安装的工业相机，在温箱模拟锻造环境下即可实现端拾器高温传递和变形检测；
(4)针对端拾器在热辐射和热传导下的微小变形量检测需求，借助工业相机，通过亚像素级边缘点检测算法来获得变形量，提高了检测精度。
附图说明：
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例中夹持机构的示意图；
图3为本发明实施例中机械手爪的正面结构示意图；
图4为本发明实施例中机械手爪的反面结构示意图；
图5为本发明实施例中检测流程图；
图中的附图标记为，1为恒温箱，2为滑槽，3为工业相机，4为夹持机构，5为托板，6为滑块，7为万向弯管，8为固定板，9为机械手爪，11为连接杆，12为球形槽，13为第一连杆，14为第一转轴，15为近指节，18为中指节，19.第二转轴，20为远指节，21为螺栓，22为T型板，23为温度传感器，24为第二连杆，25为L形连杆，26为第三转轴，27为第三连杆，28为步进电机，29为步进电机支架，30为第四驱动轮，31为第一平行皮带，33为螺丝，34为万向球盖板，35为第二驱动轮，36为交叉皮带，37为第一驱动轮，38为第二平行皮带，39为第三驱动轮。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述的“前、后”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面指向阅读者为前，指向纸面里为后，而非对本发明的机器人端拾器高温传递和变形检测装置的特定限定。
本发明所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面的左边为左，纸面的右边为右，而非对本发明的机器人端拾器高温传递和变形检测装置的特定限定。
本发明所述的“上、下”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面的上边为上，纸面的下边为下，而非对本发明的机器人端拾器高温传递和变形检测装置的特定限定。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于装置本身而言，指向装置内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的机器人端拾器高温传递和变形检测装置的特定限定。
本发明中所述的“前、后”的含义指的是阅读者正对附图时，离阅读者近的即为前，离阅读者远的即为后，而非对本发明的机器人端拾器高温传递和变形检测装置的特定限定。
本发明中所述的“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)用于在类似要素之间进行区别，并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解，这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。
如图1所示，一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，包括恒温箱1，所述恒温箱1内顶部装有滑槽2，所述滑槽2内吊装有若干结构相同的夹持机构4，所述恒温箱1内位于所述夹持机构4的下方装有可拆卸的托板5，所述恒温箱1内长宽高三个方向上分别装有三个工业相机3。
所述恒温箱1能模拟锻造环境中的温度场，所述托板5用于支撑机器人端拾器。三个方向上的所述工业相机3的立体布置，可以实现端拾器在高温环境下的微变形检测。
如图2所示，所述的夹持机构4包括滑块6，所述滑块6滑动安装于所述滑槽2内，所述滑块6上安装有万向弯管7，所述万向弯管7的底端安装有固定板8，所述固定板8的底部设置有结构对称的一对机械手爪9。
如图3和图4所示，所述机械手爪9包括连接杆11、第一连杆13、近指节15、中指节18、远指节20、T型板22、温度传感器23、第二连杆24、L形连杆25、第三连杆27、步进电机28、第一驱动轮37、第二驱动轮35和第三驱动轮39，所述连接杆11的一端通过万向球与所述固定板8实现万向铰接，
具体的，如图3所示，所述连接杆11的一端设有铰接球，所述铰接球卡在与所述铰接球相配和的球形槽12中，所述球形槽12上设有万向球盖板34，所述万向球盖板34通过螺丝33将所述球形槽12以及所述连接杆11与所述固定板8实现万向铰接。所述夹持机构4的所述滑块6在所述滑槽2内移动，可以满足左右不同形状尺寸的端拾器，尤其是长度方向尺寸不一的端拾器检测需求。所述夹持机构4中的所述万向弯管7和万向球铰接结构，实现了所述机械手爪9的任意角度转动，增大了所述夹持机构4的活动范围，可以对不同形状大小端拾器的不同检测位置进行粗定位。
如图3和图4，所述连接杆11的另一端与所述第一连杆13的中部铰接，所述连接杆11与所述第一连杆13的铰接处还与所述近指节15的一端铰接，所述第一连杆13的一端与所述第三连杆27的一端铰接，所述近指节15的另一端与所述L形连杆25的一端铰接，所述第三连杆27的另一端与所述L形连杆25的拐点处铰接，所述L形连杆25的另一端与所述第二连杆24的一端铰接，所述近指节15与所述L形连杆25的铰接处还铰接有所述中指节18，所述远指节20为三角形，所述中指节18和所述第二连杆24分别与所述远指节20的两个角相铰接，所述远指节20的另外一个角上铰接有所述T型板22，所述T型板22的端面上安装有所述温度传感器23，所述第三连杆27的一侧安装有所述步进电机28，所述近指节15上连接有所述第一驱动轮37，所述第一驱动轮37与所述近指节15与所述连接杆11和所述第一连杆13铰接点的铰接轴线同轴，所述L形连杆25上连接有所述第二驱动轮35，所述第二驱动轮35与所述L形连杆25和所述第三连杆27铰接点的铰接轴线同轴，所述远指节20上连接有所述第三驱动轮39，所述第三驱动轮39与所述远指节20和所述中指节18铰接点的铰接轴线同轴，所述步进电机28与所述第一驱动轮37和所述第二驱动轮35传动连接，所述第二驱动轮35与所述第三驱动轮39传动连接。
如图4所示，所述步进电机28的输出轴上安装有第四驱动轮30，所述第一驱动轮37、所述第二驱动轮35、所述第三驱动轮39和所述第四驱动轮30均为带轮，所述第四驱动轮30通过第一平行皮带31与所述第二驱动轮35实现开口传动，所述第四驱动轮30通过交叉皮带36与所述第一驱动轮37实现交叉传动，所述第二驱动轮35通过第二平行皮带38与所述第三驱动轮39实现开口传动。
具体的，如图3所示，所述近指节15、所述中指节18、所述第二连杆24和所述第三连杆27均为H型，所述第一连杆13的中部嵌在所述近指节15的上端内部，并通过第一转轴14铰接；所述第一转轴14通过键与所述近指节15传动连接，所述近指节15的下端通过销轴与所述L形连杆25的右上端和所述中指节18的上端铰接，所述L形连杆25的右上端嵌在所述中指节18的上端内部，所述中指节18的上端嵌在所述近指节15的下端内部，所述中指节18的下端通过第二转轴19与所述远指节20的左上端铰接，所述远指节20嵌在所述中指节18的下端内部，所述第二转轴19通过键与所述远指节20传动连接，所述远指节20的右下端为凹形，且其内部通过螺栓21铰接有所述T型板22，所述T型板22的端面上固定安装着所述温度传感器23，在所述远指节20的左下端嵌入所述第二连杆24右端内部并通过销轴铰接，所述第二连杆24的左端通过销轴与所述L形连杆25的下端铰接，所述L形连杆25的左上端嵌所述第三连杆27的下端内部，且通过第三转轴26铰接，所述第三转轴26通过键与所述L形连杆25传动连接，所述第三连杆27的上端通过销轴与所述第一连杆13的左端铰接。在所述第三连杆27的左端装有步进电机支架29，所述步进电机支架29上装有所述步进电机28，所述步进电机28的输出轴上安装着所述第四驱动轮30，所述第一转轴14上安装有所述第一驱动轮37，所述第二转轴19上安装有所述第三驱动轮39，所述第三转轴26上安装有所述第二驱动轮35。所述步进电机28通过所述第一平行皮带31和所述第二平行皮带38的开口传动驱动所述中指节18和所述远指节20沿一个方向旋转，同时所述步进电机28通过所述交叉皮带36驱动所述近指节15节沿相反方向旋转，从而实现了一个步进电机驱动源带动所述机械手爪9中三个指节的同时联动，能实现对端拾器中被检测位置的精确定位，以及所述温度传感器22相对端拾器中待检测异形结构的柔性包络紧贴，有助于提高温度传递检测精度。
所述温度传感器23采用贴片式温度传感器。优选DS18B20温度传感器，可以通过704导热硅胶粘接在所述T型板22的端平面上。
两所述机械手爪9的所述近指节15在其相对的一侧均设有凸起台阶。
两所述机械手爪9的所述中指节18在其相对的一侧也设有凸起台阶。
所述万向弯管7采用高纯度柔韧一体航空合金，可保证夹持过程中的牢固耐用。
检测方法
如图5所示，上述机器人端拾器高温传递和变形检测装置的检测方法，包括：
第一步、通过所述夹持机构4的所述机械手爪9将待检测的机器人端拾器夹持固定，并将所述恒温箱1设定至试验条件；
第二步、通过所述工业相机3采集所述恒温箱1内加温前后的所述机器人端拾器的图像；
第三步、对加温前后所述机器人端拾器的图像进行高斯滤波，去除图像中存在的噪声干扰；
第四步、沿所述机器人端拾器边缘点的梯度方向分别进行加温前后图像的像素点筛选，从而减少图像处理的计算量；
第五步、利用二次曲线进行加温前后图像离散像素点拟合，并求各自极大值点以获得亚像素级的边缘点坐标；
第六步、通过加温前后图像亚像素级边缘点坐标的差值来求得所述机器人端拾器变形量。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，包括恒温箱(1)，其特征在于：所述恒温箱(1)内顶部装有滑槽(2)，所述滑槽(2)内吊装有若干结构相同的夹持机构(4)，所述恒温箱(1)内位于所述夹持机构(4)的下方装有可拆卸的托板(5)，所述恒温箱(1)内长宽高三个方向上分别装有三个工业相机(3)；
所述的夹持机构(4)包括滑块(6)，所述滑块(6)滑动安装于所述滑槽(2)内，所述滑块(6)上安装有万向弯管(7)，所述万向弯管(7)的底端安装有固定板(8)，所述固定板(8)的底部设置有结构对称的一对机械手爪(9)；
所述机械手爪(9)包括连接杆(11)、第一连杆(13)、近指节(15)、中指节(18)、远指节(20)、T型板(22)、温度传感器(23)、第二连杆(24)、L形连杆(25)、第三连杆(27)、步进电机(28)、第一驱动轮(37)、第二驱动轮(35)和第三驱动轮(39)，所述连接杆(11)的一端通过万向球与所述固定板(8)实现万向铰接，所述连接杆(11)的另一端与所述第一连杆(13)的中部铰接，所述连接杆(11)与所述第一连杆(13)的铰接处还与所述近指节(15)的一端铰接，所述第一连杆(13)的一端与所述第三连杆(27)的一端铰接，所述近指节(15)的另一端与所述L形连杆(25)的一端铰接，所述第三连杆(27)的另一端与所述L形连杆(25)的拐点处铰接，所述L形连杆(25)的另一端与所述第二连杆(24)的一端铰接，所述近指节(15)与所述L形连杆(25)的铰接处还铰接有所述中指节(18)，所述远指节(20)为三角形，所述中指节(18)和所述第二连杆(24)分别与所述远指节(20)的两个角相铰接，所述远指节(20)的另外一个角上铰接有所述T型板(22)，所述T型板(22)上安装有所述温度传感器(23)，所述第三连杆(27)的一侧安装有所述步进电机(28)，所述近指节(15)上连接有所述第一驱动轮(37)，所述第一驱动轮(37)与所述近指节(15)与所述连接杆(11)和所述第一连杆(13)铰接点的铰接轴线同轴，所述L形连杆(25)上连接有所述第二驱动轮(35)，所述第二驱动轮(35)与所述L形连杆(25)和所述第三连杆(27)铰接点的铰接轴线同轴，所述远指节(20)上连接有所述第三驱动轮(39)，所述第三驱动轮(39)与所述远指节(20)和所述中指节(18)铰接点的铰接轴线同轴，所述步进电机(28)与所述第一驱动轮(37)和所述第二驱动轮(35)传动连接，所述第二驱动轮(35)与所述第三驱动轮(39)传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，其特征在于：所述步进电机(28)的输出轴上安装有第四驱动轮(30)，所述第一驱动轮(37)、所述第二驱动轮(35)、所述第三驱动轮(39)和所述第四驱动轮(30)均为带轮，所述第四驱动轮(30)通过第一平行皮带(31)与所述第二驱动轮(35)实现传动，所述第四驱动轮(30)通过交叉皮带(36)与所述第一驱动轮(37)实现传动，所述第二驱动轮(35)通过第二平行皮带(38)与所述第三驱动轮(39)实现传动。
3.根据权利要求1所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，其特征在于：所述温度传感器(23)采用贴片式温度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，其特征在于：两所述机械手爪(9)的所述近指节(15)在其相对的一侧均设有凸起台阶。
5.根据权利要求1所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，其特征在于：两所述机械手爪(9)的所述中指节(18)在其相对的一侧也设有凸起台阶。
6.根据权利要求1所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置，其特征在于：所述万向弯管(7)采用高纯度柔韧一体航空合金。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种机器人端拾器高温传递和变形检测装置的检测方法，其特征在于，包括：
第一步、通过所述夹持机构(4)的所述机械手爪(9)将待检测的机器人端拾器夹持固定，并将所述恒温箱(1)设定至试验条件；
第二步、通过所述工业相机(3)采集所述恒温箱(1)内加温前后的所述机器人端拾器的图像；
第三步、对加温前后所述机器人端拾器的图像进行高斯滤波，去除图像中存在的噪声干扰；
第四步、沿所述机器人端拾器边缘点的梯度方向分别进行加温前后图像的像素点筛选，从而减少图像处理的计算量；
第五步、利用二次曲线进行加温前后图像离散像素点拟合，并求各自极大值点以获得亚像素级的边缘点坐标；
第六步、通过加温前后图像亚像素级边缘点坐标的差值来求得所述机器人端拾器变形量。
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