CN114474079A - 一种兼容多种型号工件的机械手及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼容多种型号工件的机械手及控制方法，其中所述机械手包括基座，所述基座上设置有第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂，通过所述第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂实现多种自由度运动，所述第一机械臂设置在所述基座上，所述第二机械臂和第三机械臂活动连接，所述第三机械臂和第四机械臂活动连接，第一工件快换模块设置在第四机械臂上，并且所述第一工件快换模块上设置有兼容式工件抓取模块，所述兼容式工件抓取模块上设置有兼容式接口；所述兼容式接口至少包括4种型号的接口尺寸，本发明能够兼容多种型号工件的抓取，自由度大，运动灵活，控制精度高，大大提高了机器人应用能力。

Description

一种兼容多种型号工件的机械手及控制方法

技术领域

本发明涉及工业技术领域，且更确切地涉及一种兼容多种型号工件的机械手及控制方法。

背景技术

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

现有技术中，虽然机器人被广泛地应用到不同行业，但机械手在应用过程中，尤其是在抓取工件时，通常是一种型号的机械手抓取一种类型的工件，当工件类型比较多时，就需要更换机器手的抓取类型，这就造成资源的浪费，现有技术机器手自由度无法随着抓取工件类型的多种而变得多样化，导致机械手无法达到末端控制器最理想的夹持角度，在具体应用过程中，机械手的控制精度比较低，反应不灵活，在一些多工件夹取的应用场合中，难以实现工件的夹取。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明公开一种兼容多种型号工件的机械手及控制方法，能够兼容多种型号工件的抓取，自由度大，运动灵活，控制精度高，大大提高了机器人应用能力。

为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

一种兼容多种型号工件的机械手，其中所述机械手包括基座，所述基座上设置有第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂，通过所述第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂实现多种自由度运动，所述第一机械臂设置在所述基座上，所述第二机械臂和第三机械臂活动连接，所述第三机械臂和第四机械臂活动连接，第一工件快换模块设置在第四机械臂上，并且所述第一工件快换模块上设置有兼容式工件抓取模块，所述兼容式工件抓取模块上设置有兼容式接口；所述兼容式接口至少包括4种型号的接口尺寸，

其中所述基座内设置有带动基座实现360°回转的第一伺服电机，第一机械臂内设置有令第一机械臂实现360°旋转的第二伺服电机，第二机械臂内设置有令第二机械臂实现180°旋转的第三伺服电机，第三机械臂内设置有令第三机械臂实现180°旋转的第四伺服电机，第四机械臂内设置有令第四机械臂实现360°旋转的第五伺服电机；

其中所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机通过控制模块实现不同形式的控制，其中：

所述控制模块包括：

第一控制单元，作为上层总控制中心，向第二控制单元发送控制指令；

第二控制单元，接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送控制指令，接收或者发送第三控制单元的控制指令；

第三控制单元，包括控制第一伺服电机运动的第四控制单元、控制第二伺服电机运动的第五控制单元、控制第三伺服电机运动的第六控制单元、控制第四伺服电机运动的第七控制单元；和控制第五伺服电机运动的第八控制单元；

各种控制单元之间通过Socket通信模块或者无线数据通信模块实现数据信息的交互，其中所述第四控制单元设置有第一定位单元，所述第五控制单元设置有第二定位单元，所述第六控制单元设置有第三定位单元，所述第七控制单元设置有第五定位单元；

所述第二控制单元为控制所述第三控制单元工作运行状态的上位机控制单元；

所述第三控制单元为控制四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元的PLC控制单元；

所述第四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元为基于DSP+FPGA芯片结合的多轴一体化运动控制器。

所述第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元分别设置有位置纠偏器和激光定位模块，并且第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元通过PLC控制单元输出控制命令并且定位精度为0.01mm的控制单元。

作为本发明进一步的技术方案，所述兼容式接口连接有快换连接件、定位模块和连接头，其中第一快换连接件与所述连接头配合使用。

作为本发明进一步的技术方案，所述兼容式接口连接有第二快换模块，所述第二快换模块设置有锁紧模块，所述锁紧模块上设置有销孔和连接孔，其中所述销孔和连接孔配合连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述位置纠偏器通过光电传感器检测工件边或线的位置，以获取工件边或线位置偏差信号。

作为本发明进一步的技术方案，所述控制模块的控制方法包括以下步骤：

（1）第一控制单元向第二控制单元发送控制指令；

在本步骤中，第一控制单元通过调度集中系统向分机下达控制命令，通过设置调度员控制台，通过CAN总线数据通信能够实现不同分路或者支路的信息交互；

（2）接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送的控制指令；

（3）通过PLC可编程控制器实现多种控制命令的输出；

PLC可编程控制器的物理结构包括中央处理单元、和所述中央处理单元连接的外部设备接口、输入接口、存储器、输出接口和I/O扩展接口；

（4）输出控制指令，是否接收控制指令，发送控制指令；

通过输出发送控制指令的方式输出控制命令，通过PLC可编程控制器输出不同控制指令，然后判断是否接收到控制指令，当接收到控制指令时，则对应控制机械臂的灯会亮起，当未接收到控制指令时，则灯不会亮起，然后进行误判或者错判处理，重新发送控制指令；

（5）驱动电机执行命令，并通过模糊控制算法实现不同定位模块的误差评估，进而调整控制策略；

（6）判断控制指令与设置值是否吻合，当吻合时，则执行控制命令，发动机驱动机械手工作，当不吻合时，则转向人工处理，再次进行判断，控制结束，则机械手停止工作。

在上述实施例中，所述模糊控制算法如下:

设置控制输出理论为P，实际控制输出值为P’，则控制误差

为：

（1）

控制误差

与误差变化率

作为模糊控制算法的输入，转化为模糊集，建立了输入变量与输出变量之间的模糊控制规则，进而实现模糊误差评估，当

小于1.5时表示控制模块控制精度符合要求，当

大于等于1.5时表示控制模块控制精度不符合要求。

积极有益效果

本发明通过设计兼容式接口能够完成不同型号工件的抓取，提高了机械手应用能力，兼容性强，缩小了工业应用成本；

本发明通过设置第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂实现多种自由度运动，进而提高了机械手抓取工件的灵活程度；

本发明通过设计多级控制程序，实现工业机械手控制的多层控制和多级控制。

本发明通过设计模糊控制算法，能够实现工业控制过程中机械手抓取的误差诊断能力。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视图的结构示意图；

图3为本发明的俯视图的结构示意图；

图4为本发明的左视图的结构示意图；

图5为本发明中兼容性接口结构示意图；

图6为本发明中控制模块架构示意图；

图7为本发明中控制模块工作流程示意图；

图8为本发明中控制模块一种实施例的原理示意图；

图9为本发明中PLC可编程器原理示意图；

图10为本发明中机械手控制PLC梯形图；

图11为本发明中机械手控制接线示意图；

图12为本发明中模糊控制算法实施例示意图；

附图标识：

1-基座；2-第一机械臂；3-第二机械臂；4-第三机械臂；5-第四机械臂；6-第一工件快换模块；7-第二快换模块；8-夹具；61-快换连接件；62-定位模块；63-连接头；71-锁紧模块；72-销孔；73-连接孔；9-兼容式接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种兼容多种型号工件的机械手，其中所述机械手包括基座1，所述基座1上设置有第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4和第四机械臂5，通过所述第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4和第四机械臂5实现多种自由度运动，所述第一机械臂2设置在所述基座1上，所述第二机械臂3和第三机械臂4活动连接，所述第三机械臂4和第四机械臂5活动连接，第一工件快换模块6设置在第四机械臂5上，并且所述第一工件快换模块6上设置有兼容式工件抓取模块，所述兼容式工件抓取模块上设置有兼容式接口9；所述兼容式接口9至少包括4种型号的接口尺寸。

其中所述基座1内设置有带动基座1实现360°回转的第一伺服电机，第一机械臂2内设置有令第一机械臂2实现360°旋转的第二伺服电机，第二机械臂3内设置有令第二机械臂3实现180°旋转的第三伺服电机，第三机械臂4内设置有令第三机械臂4实现180°旋转的第四伺服电机，第四机械臂5内设置有令第四机械臂5实现360°旋转的第五伺服电机；

其中所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机通过控制模块实现不同形式的控制，其中：

所述控制模块包括：

第一控制单元，作为上层总控制中心，向第二控制单元发送控制指令；

第二控制单元，接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送控制指令，接收或者发送第三控制单元的控制指令；

第三控制单元，包括控制第一伺服电机运动的第四控制单元、控制第二伺服电机运动的第五控制单元、控制第三伺服电机运动的第六控制单元、控制第四伺服电机运动的第七控制单元；和控制第五伺服电机运动的第八控制单元；

各种控制单元之间通过Socket通信模块或者无线数据通信模块实现数据信息的交互，其中所述第四控制单元设置有第一定位单元，所述第五控制单元设置有第二定位单元，所述第六控制单元设置有第三定位单元，所述第七控制单元设置有第五定位单元；

所述第二控制单元为控制所述第三控制单元工作运行状态的上位机控制单元；

所述第三控制单元为控制四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元的PLC控制单元；

所述第四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元为基于DSP+FPGA芯片结合的多轴一体化运动控制器。

所述第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元分别设置有位置纠偏器和激光定位模块，并且第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元通过PLC控制单元输出控制命令并且定位精度为0.01mm的控制单元。

在具体实施例中，第一伺服电机带动整个基座1以及第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4和第四机械臂5在空间范围内做360°旋转运动，该节点作为第一自由度实现机械手在空间范围内的运动，第二机械臂3在第三伺服电机带动下，带动第三机械臂4和第四机械臂5在空间范围内进行运动，第三机械臂4在第四伺服电机的带动下，带动第四机械臂5在空间范围内进行运动。通过这种方式实现多自由度运动。

在上述实施例中，所述兼容式接口9连接有快换连接件61、定位模块62和连接头63，其中快换连接件61与所述连接头63配合使用。

在上述实施例中，所述兼容式接口9连接有第二快换模块7，所述第二快换模块7设置有锁紧模块71，所述锁紧模块71上设置有销孔72和连接孔73，其中所述销孔72和连接孔73配合连接。

在实现兼容多种型号工件的运动时，兼容式接口9内设置有不同尺寸的螺纹，在一种具体实施例中，采用分层架构的形式，比如将兼容式接口9设置不同的尺寸的层次结构，当需要连接快换连接件61时，则采用与快换连接件61接口相吻合的尺寸与层次，当需要与第二快换模块7连接时，则需要采用第二快换模块7接口相吻合的尺寸与层次。每种层次采用不同的数据结构，以实现多种型号工件的兼容。该层次结构为叠加在一起的片状结构，当需要更换接口口，可以将不需要对接的片状结构移放在一边，类似于飞碟结构，每层之间可以滑动叠加。

在另一种具体实施例中，通过在兼容式接口9内设置不同深度的螺纹，同一深度的螺纹在同一水平线上，不同深度的螺纹在不同水平线上，这样，在应用同一深度螺纹时，通过同一水平的螺纹线实现与外部接口转换设备的对接，进而实现不同工件的兼容与抓取，大大提高了机械手兼容能力。

在上述实施例中，所述位置纠偏器通过光电传感器检测工件边或线的位置，以获取工件边或线位置偏差信号。

在具体实施例中，将位置偏差信号传递给光电纠偏控制器进行逻辑运算，向机械执行机构发出控制信号，驱动机械执行机构，修正工件运行时的蛇形偏差，保证工件直线运动。在具体应用时，通过光电纠偏控制器对不同待夹取工件的位置进行定位，该模块在整个应用过程中起到辅助定位的作用，进而实现工件的定位。在本发明中，通过光电纠偏控制器实现位置的第一定位，再通过PLC可编程控制器实现二次定位，在机械手抓取工位时，能够实现精准定位。

在上述实施例中，所述控制模块的控制方法包括以下步骤：

（1）第一控制单元向第二控制单元发送控制指令；

在本步骤中，第一控制单元通过调度集中系统向分机下达控制命令，通过设置调度员控制台，通过CAN总线数据通信能够实现不同分路或者支路的信息交互；

（2）接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送的控制指令；

在一种实施例中，如图8所示，在控制系统中，通过设置总站、若干分站及主控制器等方式实现分级控制和信号的分级处理，其中，第一控制单元通过总站采用并行数据连线主控制器、主控制器和分站之间采用I2C双线规则进行物理连线，总站和/或分站设置对应的冗余站点，主控制器作为总线上数据传输的中转站，完成总站并行数据到I2C标准数据格式的转换，提高了总站处理效率和数据传输速度。主控制器实现冗余检测功能，冗余切换使用特定时序逻辑和相应切换动作使得能够平滑过渡。每个站点设置特定的地址信息，根据地址寻址所要通信的站点，冗余检测也根据地址信息定位故障站，冗余检测完全在总线上完成，无需附加多余的电路实现冗余检测和切换。通过这种控制方式实现不同制动机构的分别控制。

（3）通过PLC可编程控制器实现多种控制命令的输出；

在具体实施例中，如图9所示，可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

PLC可编程控制器的物理结构包括中央处理单元、和所述中央处理单元连接的外部设备接口、输入接口、存储器、输出接口和I/O扩展接口；

如图10和图11所示，其工作原理是，机械手通过不同的三相异步电动机(在图10和图11中发动机表示为M1-M5)，分别控制第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4和第四机械臂5等节点，在启动时，按下启动按钮，在启动后，信号等，启动信号灯经过一定的时间间隔将会出现闪亮现象。其中发动机M1-M5风别表示控制不同机械臂运行，需要控制哪个机械臂，则需要按下其对应的发动机。

（4）输出控制指令，是否接收控制指令，发送控制指令；

通过输出发送控制指令的方式输出控制命令，通过PLC可编程控制器输出不同控制指令，然后判断是否接收到控制指令，当接收到控制指令时，则对应控制机械臂的灯会亮起，当未接收到控制指令时，则灯不会亮起，然后进行误判或者错判处理，重新发送控制指令；

（5）驱动电机执行命令，并通过模糊控制算法实现不同定位模块的误差评估，进而调整控制策略；

（6）判断控制指令与设置值是否吻合，当吻合时，则执行控制命令，发动机驱动机械手工作，当不吻合时，则转向人工处理，再次进行判断，控制结束，则机械手停止工作。

在上述实施例中，所述模糊控制算法如下:

设置控制输出理论为P，实际控制输出值为P’，则控制误差

为：

（1）

控制误差

与误差变化率

作为模糊控制算法的输入，转化为模糊集，建立了输入变量与输出变量之间的模糊控制规则，进而实现模糊误差评估，当

小于1.5时表示控制模块控制精度符合要求，当

大于等于1.5时表示控制模块控制精度不符合要求。

在具体实施例中，通过模糊控制表实现不同控制模块的控制误差计算，其中利用模糊元函数计算出来的，存储在PLC的存储器中。以输入的控制误差为x、控制误差变化率和输出变量v的模糊集设为QB（负大）、WA（负中）、RE（负小）、ZQ（零）、JK（正小）、HR（正中）、PL（正大），转换成数字域（-3，-2，-1,0,1,2，3）共有七个等级。如图8所示，模糊集的模糊元函数在数字域中的分布通过下表进行。通过模糊控制规则和根据模糊元函数得出模糊控制规则表如下。

表1 模糊控制规则表

表1 模糊控制规则表

如表1所示，我们可以得出模糊控制关系：如果 x=A和

=B，则v=C。A、B、C分别代表模糊集合中任意一个元素。根据模糊控制规则表，对输入值进行模糊控制算法转换为数字域，运算结果如表2所示。

表2 模糊控制算法运算结果

通过上述数据信息表能够清楚地看出控制模块控制精度情况。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种兼容多种型号工件的机械手，所述机械手包括基座（1），其特征在于：所述基座（1）上设置有第一机械臂（2）、第二机械臂（3）、第三机械臂（4）和第四机械臂（5），通过所述第一机械臂（2）、第二机械臂（3）、第三机械臂（4）和第四机械臂（5）实现多种自由度运动，所述第一机械臂（2）设置在所述基座（1）上，所述第二机械臂（3）和第三机械臂（4）活动连接，所述第三机械臂（4）和第四机械臂（5）活动连接，第一工件快换模块（6）设置在第四机械臂（5）上，并且所述第一工件快换模块（6）上设置有兼容式工件抓取模块，所述兼容式工件抓取模块上设置有兼容式接口；所述兼容式接口（9）至少包括4种型号的接口尺寸；

其中所述基座（1）内设置有带动基座（1）实现360°回转的第一伺服电机，第一机械臂（2）内设置有令第一机械臂（2）实现360°旋转的第二伺服电机，第二机械臂（3）内设置有令第二机械臂（3）实现180°旋转的第三伺服电机，第三机械臂（4）内设置有令第三机械臂（4）实现180°旋转的第四伺服电机，第四机械臂（5）内设置有令第四机械臂（5）实现360°旋转的第五伺服电机；

其中所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机通过控制模块实现不同形式的控制，其中：

所述控制模块包括：

第一控制单元，作为上层总控制中心，向第二控制单元发送控制指令；

第二控制单元，接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送控制指令，接收或者发送第三控制单元的控制指令；

第三控制单元，包括控制第一伺服电机运动的第四控制单元、控制第二伺服电机运动的第五控制单元、控制第三伺服电机运动的第六控制单元、控制第四伺服电机运动的第七控制单元；和控制第五伺服电机运动的第八控制单元；

各种控制单元之间通过Socket通信模块或者无线数据通信模块实现数据信息的交互，其中所述第四控制单元设置有第一定位单元，所述第五控制单元设置有第二定位单元，所述第六控制单元设置有第三定位单元，所述第七控制单元设置有第五定位单元；

所述第二控制单元为控制所述第三控制单元工作运行状态的上位机控制单元；

所述第三控制单元为控制四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元的PLC控制单元；

所述第四控制单元、第五控制单元、第六控制单元、第七控制单元和第八控制单元为基于DSP+FPGA芯片结合的多轴一体化运动控制器;

所述第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元分别设置有位置纠偏器和激光定位模块，并且第一定位单元、第二定位单元、第三定位单元、第四定位单元和第五定位单元通过PLC控制单元输出控制命令并且定位精度为0.01mm的控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种兼容多种型号工件的机械手，其特征在于：

所述兼容式接口（9）连接有快换连接件（61）、定位模块（62）和连接头（63），其中快换连接件（61）与所述连接头（63）配合使用。

3.根据权利要求1所述的一种兼容多种型号工件的机械手，其特征在于：所述兼容式接口（9）连接有第二快换模块（7），所述第二快换模块（7）设置有锁紧模块（71），所述锁紧模块（71）上设置有销孔（72）和连接孔（73），其中所述销孔（72）和连接孔（73）配合连接。

4.根据权利要求1所述的一种兼容多种型号工件的机械手，其特征在于：所述位置纠偏器通过光电传感器检测工件边或线的位置，以获取工件边或线位置偏差信号。

5.如权利要求1-4中任意一项所述一种兼容多种型号工件的机械手控制方法，其特征在于：所述控制模块的控制方法包括以下步骤：

第一控制单元向第二控制单元发送控制指令；

在本步骤中，第一控制单元通过调度集中系统向分机下达控制命令，通过设置调度员控制台，通过CAN总线数据通信能够实现不同分路或者支路的信息交互；

接收第一控制单元发送的控制指令并向第三控制单元传递第二控制单元发送的控制指令；

通过PLC可编程控制器实现多种控制命令的输出；

在本步骤中，PLC可编程控制器的物理结构包括中央处理单元、和所述中央处理单元连接的外部设备接口、输入接口、存储器、输出接口和I/O扩展接口；

输出控制指令，是否接收控制指令，发送控制指令；

通过输出发送控制指令的方式输出控制命令，通过PLC可编程控制器输出不同控制指令，然后判断是否接收到控制指令，当接收到控制指令时，则对应控制机械臂的灯会亮起，当未接收到控制指令时，则灯不会亮起，然后进行误判或者错判处理，重新发送控制指令；

驱动电机执行命令，并通过模糊控制算法实现不同定位模块的误差评估，进而调整控制策略；

判断控制指令与设置值是否吻合，当吻合时，则执行控制命令，发动机驱动机械手工作，当不吻合时，则转向人工处理，再次进行判断，控制结束，则机械手停止工作。

6.根据权利要求5所述的一种兼容多种型号工件的机械手控制方法，其特征在于：所述模糊控制算法如下:

设置控制输出理论为P，实际控制输出值为P’，则控制误差

为：

（1）

控制误差

与误差变化率

作为模糊控制算法的输入，转化为模糊集，建立了输入变量与输出变量之间的模糊控制规则，进而实现模糊误差评估，当

小于1.5时表示控制模块控制精度符合要求，当

大于等于1.5时表示控制模块控制精度不符合要求。

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