CN115889079A - 一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其包括移动台、机器人本体、视觉系统和力矩保护系统，机器人本体包括躯干、头部和两条机械臂，机械臂的前端用于安装工具；视觉系统的摄像机设在头部，视觉系统将摄像机拍摄的工件照片进行处理，获得空间模型，从而得到涂胶的轨迹和每条涂胶边的长度；力矩保护系统实时监测机械臂的转轴的力矩，通过力矩判断机械臂与外物的碰撞情况，当与外物发生碰撞时，机械臂停止运动。本发明具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其适应能力强、运动灵活，具有类人工作业模式。

Description

一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人

技术领域

本发明涉及机器人，特别是涉及一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人。

背景技术

随着我国经济建设的迅速发展，涂胶行业有定制化、多样化、智能化需要的特点。由于人工成本提高，工作质量重复难度大，工人劳动强度大，厂房配置变化大，而且涂胶物料味道对人的身体有伤害，因此，从经济性和安全性考虑，需要一种涂胶机器人。

而现有的涂胶机器人均为单臂机器人，如专利号为201880087315.0的中国专利公开的一种涂胶机器人。单臂的涂胶机器人在工作时，不能像人一样，灵活的利用双手对工件进行转动、移动、按压固定等操作，均需要用夹具对工件进行固定。且在涂胶的过程中，涂胶方式单一，基本只能沿前后、左右等平面上的轨迹进行涂胶。

因此，需要一种拟人化、能适应不同涂胶工作的机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其适应能力强、运动灵活，具有类人工作业模式。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：包括移动台和设在移动台上面的机器人本体，机器人本体包括躯干、头部和两条机械臂，躯干转动设在移动台的上面，头部转动设在躯干的上端，两条机械臂分别连接在躯干的左右两侧，机械臂的前端用于安装工具；

双臂涂胶机器还包括视觉系统和力矩保护系统；视觉系统的摄像机设在头部，视觉系统将摄像机拍摄的工件照片进行处理，获得空间模型，从而得到涂胶的轨迹和每条涂胶边的长度；力矩保护系统实时监测机械臂的转轴的力矩，通过力矩判断机械臂与外物的碰撞情况，当与外物发生碰撞时，机械臂停止运动；

双臂涂胶机器人通过其中一条机械臂提起工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者其中一条机械臂按压工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者两条机械臂同时进行涂胶的方式进行涂胶工作。

可选的，机械臂为六轴机械臂。

可选的，机械臂包括第一直角臂、第一臂杆、第二直角臂、第二臂杆、第三直角臂和六个转轴，第一直角臂、第一臂杆、第二直角臂、第二臂杆和第三直角臂通过转轴依次转动连接，第一直角臂还通过转轴与躯干连接，第三直角臂的前端通过转轴安装有工具连接头，所示工具连接头用于安装工具。

可选的，双臂涂胶机器还包括示教系统，示教系统将人手拖动机械臂行进的路线转为涂胶轨迹。

可选的，示教系统启动后，当人手拖动机械臂行进时，示教系统控制克服机械臂的关节转动时的阻力，以达到零阻力示教。

可选的，双臂涂胶机器设有断电锁定机构，当双臂涂胶机器在运行过程中断电时，断电锁定机构锁定两条机械臂。

可选的，双臂涂胶机器人的控制总成设在移动台内。

可选的，移动台的下面设有脚轮和脚杯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的涂胶机器人设置了两条机械臂，其通过其中一条机械臂提起工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者其中一条机械臂按压工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者两条机械臂同时进行涂胶的方式进行涂胶工作。本发明的涂胶机器人通过两条机械臂的协调，能更好的像人一样进行涂胶工作，适应能力强、运动灵活。本发明的涂胶机器人适应混产工况，解决了现有的单臂机器人只有单一工作方式，无法举高工件对底部进行涂胶，或者需要借用外部装具固定或举高工件，而且在混合生产时，对不同尺寸的工件和涂胶方式的切换，只能停下来更换装具。

本发明的涂胶机器人在工作过程中，如果与工人相撞，通过力矩保护系统控制机械臂停止，使用更安全，所以可以与工人在同一个安全协作区域交叠工作，与工人一同工作，使得本发明的涂胶机器人能更好的嵌入到不同工位中。本发明的涂胶机器人解决了现有涂胶机器人需要将工人和机器人的活动区完全分离，需要烦琐的加装护栏等问题。

本发明的涂胶机器人的躯干为转动设置，使得两条机械臂的可达范围更广，也即提高了涂胶的范围。

本发明的涂胶机器人的头部为转动设置，使得视觉系统的摄像机将可以360度随意拍摄，更加灵活。

附图说明

图1为本发明的双臂涂胶机器人的机械臂水平伸直时的立体示意图；

图2为本发明的双臂涂胶机器人在涂胶状态时的立体示意图；

图3为本发明的双臂涂胶机器人在涂胶过程中胶枪可以到达工件任意门进行涂胶的示意图；

图4为机械臂被拖动时关节处的角度变化的期望值和实际值的对比图；

图5为机械臂被拖动时关节处的速度变化的期望值和实际值的对比图；

图6为机械臂被拖动时关节处的力矩变化的期望值和实际值的对比图；

图7为本发明的双臂涂胶机器的硬件部分组成示意图；

图8为本发明的双臂涂胶机器的软件系统部分组成示意图；

图9为断电锁定机构的结构示意图。

图中附图标记含义：

1-头部；2-机械臂；3-躯干；4-移动台；5-第一直角臂；6-第一臂杆；7-第二直角臂；8-第二臂杆；9-第三直角臂；10-工具连接头；11-胶枪；12-脚轮；13-脚杯；14-摄像机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面结合实施例对本发明进一步描述。

实施例：

如图1和图2所示为本实施例的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其包括移动台4和机器人本体，机器人本体设在移动台4的上面。

移动台4的下面设有脚轮12和脚杯13，通过脚轮12可以方便的对涂胶机器人进行移动，以变换工作位置，在不需要移动时通过脚杯13进行位置的固定。移动台4的上面为工作台。本实施例的双臂涂胶机器人的控制总成设在移动台4内，具有体积小等优点，解决了一般涂胶工位零件散乱，装卸麻烦的问题。

机器人本体包括躯干3、头部1和两条机械臂2，躯干3通过旋转轴转动设在移动台4的上面。躯干3的转动设置可以提高胶枪11的可达范围，解决了同等长度机械臂的一般机器人无法达到的涂胶范围，而且丰富了涂胶动作。

头部1通过旋转轴转动设在躯干3的上端，头部1可以相对躯干3自由转动，使得头部1上的摄像机可以360度随意拍摄。两条机械臂2分别连接在躯干3的左右两侧，机械臂2的前端用于安装工具，例如：安装胶枪11。

本实施例的双臂涂胶机器人还设有视觉系统，视觉系统的摄像机14设在头部1，视觉系统将摄像机14拍摄的工件照片进行处理，形成空间模型，从而得到涂胶的轨迹和每条涂胶边的长度。通过视觉系统能自动获得涂胶的轨迹，无需事先对工件进行固定和定位，使用更方便、简单。本实施例的摄像机解决了需要外置摄像头的固定拍摄方式和单一角度拍摄，本实施例的摄像机支持自动对焦。视觉系统是一套可变的系统，一般由摄像头、连接线和视觉处理器组成，有一些是摄像头和处理器合成一体，有一些是只有摄像头，获取数据后传输到工控机软件上处理图像等。

本实施例的双臂涂胶机器人还设有力矩保护系统，力矩保护系统实时监测机械臂2的转轴的力矩，通过力矩判断机械臂2与外物的碰撞情况，当与外物发生碰撞时，机械臂2停止运动，可以做到力度响应迅速，而且碰撞力度轻，相撞后不会对自身或者工人产生损伤。通过力矩保护系统使得本双臂涂胶机器人可以与工人在同一个安全协作区域交叠工作，无需设置护栏等防护措施，当机械臂2与工人相撞时，控制机械臂2停止，使用更安全。力矩保护系统是一个可变系统，一般由安装在机械臂的力矩传感器获取当时力矩；或者有一些是通过安装一个电阻，通过电阻形变产生电阻值的变化来判定力矩；有些方式是通过电容，当电容受压电容量的变化判定力矩，而有些方案是通过转动时关节输出电流的大小来判定，再者也有通过关节转动时获取编码器值，然后通过预定中和实际值的差来判定力矩。

本实施例的双臂涂胶机器人的涂胶模式有三种：

涂胶模式一：其中一条机械臂提起工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作。当达到可达范围之外的涂胶面，放下工件，转手继续完成。涂胶模式二：通过其中一条机械臂按压工件、另一条机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，当到特定位置时，可以换手工作，原来涂胶的机械臂按压工件，转换为原来按压的机械臂进行涂胶。涂胶模式三：当工件较小，两条机械臂同时进行涂胶的方式进行涂胶工作，从而提高效率。通过工件体积与设定体积进行比较来选择适合的涂胶模式。

其中，提起工件可以通过夹手夹住工件提起，可以通过安装在机械臂前端的法兰盘来进行切换，即在法兰盘上即安装胶枪，也安装夹手，可以随时和胶枪通过法兰盘切换。按压工件则可以通过胶枪的头部压住工件即可，就和用手压住一张纸是一样的，因为本身工作台可以有毛毡等高摩擦力措施，只要提供压力即可固定好工件。

具体的一种工作过程为：

使用时，将工件放置于工作台上，双臂涂胶机器人的头部1的摄像机14先对工件拍一个整体照片，然后利用头部1的旋转功能，根据之前拍摄的整体轮廓旋转到相应角度，再对的各个角进行精确拍照，并将信息传送给视觉系统；

标定好各个角的顶点三维坐标和角度方向，根据公式距离d＝√[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]，对各个角进行运算，获得每个角的位置后进行连接，即可获得空间模型，从而在空间坐标系中求出涂胶的轨迹和每条涂胶边的长度。根据起点和终点就能得出轨迹(x-x0)/a＝(y-y0)/b＝(z-z0)/c，其中(a,b,c)为方向向量。

双臂涂胶机器人通过拍摄的第一张整体照片来判断应该使用哪种涂胶模式。如果工件体积V大于设定体积V-Mix,不能一次完成涂胶，则选择涂胶模式一；如果工件体积V小于设定体积V-Mix大于设定体积V-Mim，则选择涂胶模式二；如果工件体积V小于设定体积V-Mim，则选择涂胶模式三。

本实施例的双臂涂胶机器人的机械臂2为六轴机械臂，机械臂2包括第一直角臂5、第一臂杆6、第二直角臂7、第二臂杆8、第三直角臂9和六个转轴。第一直角臂5、第一臂杆6、第二直角臂7、第二臂杆8和第三直角臂9通过转轴依次转动连接，第一直角臂5还通过转轴与躯干3连接，安装在直角臂上的两个转轴的轴心为相互垂直，第二臂杆8为弧形杆，第三直角臂9的前端通过转轴安装有工具连接头10，工具连接头10用于安装工具，如图1所示，本实施例的工具连接头10处安装了胶枪11。其中，机械臂2的转轴连接处即为其关节。

本实施例的六轴机械臂的自由度远超目前市面上的其他三轴机器人，安装在本实施例的胶枪11在涂胶时可以侧着或者倒着完成，如图3所示，此自由度涂胶方式可以在任意胶枪姿态下完成三维涂胶，解决了市面上只能上下、左右移动的平面涂胶功能。

本实施例的双臂涂胶机器还包括示教系统，示教系统将人手拖动机械臂行进的路线转为涂胶轨迹。示教系统启动后，当人手拖动机械臂行进时，示教系统控制克服机械臂的关节转动时的阻力，以达到零阻力示教。

通过示教系统，使得本双臂涂胶机器可以通过人手抓住机器人的机械臂拖动示教，进行手把手轨迹教学，不需要通过复杂的编程实现，但是同时也支持通过编程的轨迹示教。解决了单一的示教器变成方式，调试工作需要专业的人员，使到维护成本高居不下的问题。

本实施例的示教系统为了实现多自由度的运动控制，从单关节的控制开始，首先在机械臂前端的关节上做力矩控制比较方便。在前端负载比较小的情况下，最前端的转轴的运动主要考虑摩擦力。一般情况下，机器人完整精确的动力学模型是难以直接获取的，包括摩擦力的模型。因此，为了实现伺服运动控制，需要首先辨识动力学模型，然后采用PD+前馈补偿方式进行控制。

这里将摩擦力建模成粘滞摩擦+库伦摩擦的形式，认为总的摩擦力大致与关节速度成线性关系。实验中需要采集每个时刻的伺服驱动器返回的力矩值和速度值，如图4至图6所示，然后分析得到摩擦力的实际模型。

动力学方程如下：

式中τ为关节力矩矢量，等式右边依次为惯性力项力柜、离心和科氏力项力矩，M(θ)为质量矩阵，

为哥氏力和离心力矩阵，G(θ)为重力项矢量。

绝大多数中低速情况下，电机力矩克服的惯性力项力矩、离心力和科氏力项力矩远小于重力项和摩擦力项力矩，故中低速情况下，实时补偿重力项和摩擦力项力矩，可以实现中低速情况下的零力矩模式，人去拖动机械臂时，力对哪个关节有力矩就会使该关节柔顺地拖动。建立关节摩擦力模型后，就可以进行关节轴的伺服控制了。

本实施例的双臂涂胶机器设有断电锁定机构，当双臂涂胶机器在运行过程中断电时，断电锁定机构锁定两条机械臂，防止异动作，使得工件跌落，造成不必要的伤害。

如图9所示为断电锁定机构的结构示意图，断电锁定机构是中空的，中间预留可以穿过电机的中空轴或者电线，断电锁定机构包括电磁失电制动器，电磁失电制动器主要由磁轭组件110、弹簧109、衔铁108、制动盘105、联结板106、轴套102等主要零部件组成。将电磁失电制动器组装成一整体，旋合间隙调整气隙调整螺钉101，调整间隙至合理值后，将轴套102安装在电机轴上，轴向用轴用挡圈固定，径向用紧定螺钉103支紧，制动器通过联结板106、安装螺钉107安装在电机端盖104上，轴套102与传动轴相连；制动盘105与轴套102通过多面体侧面配合。当磁轭组件110的电磁线圈断电时，在弹簧109的作用下，制动盘105与衔铁108、联结板106相贴合产生摩擦力，通过轴套102传给传动轴使轴制动。当电磁线圈通电后，在电磁力作用下，衔铁108被吸向磁轭组件110，使制动盘105松开，传动轴制动解除。

如图7所示为本实施例的双臂涂胶机器的硬件部分组成示意图。双臂涂胶机器的机械臂的活动、躯干的转动和头部的转动，通过驱动器驱动电动机，电动机通过减速机带动关节式执行机构和移动基座运动来完成。其中，驱动器与控制计算机电性连接，控制计算机中设有嵌入式微处理机、网络接口、输入输出口和通讯接口，控制计算机还实现人机交互，在双臂涂胶机器的机械臂、躯干和头部设有感知传感器，感知传感器包括位置传感器、速度/加速度传感器和力矩传感器，以获得机械臂、躯干和头部的运动数据和位置，感知传感器还包括外传感器，外传感器包括视觉传感器、声觉传感器和距离传感器。

如图8所示为本实施例的双臂涂胶机器的软件系统部分组成示意图。软件系统包括有特定应用构件、核心通用构件和机器人仿真开发平台，其中，特定应用构件包括图形相关模块、语音相关模块、远程通讯模块、路径规划模块、定位导航模块和自定义模块，机器人仿真开发平台包括功能优化方法模块、仿真演示测试模块、功能设计验证模块、在线离线开发模块、机器人模拟构件模块、机器人驱动描述模块和机器人编程语言模块。

零力示教力学设计的一种计算如下所示，通过计算从而完成零力示教功能：

设定参数：

分度盘直径：D_T＝3m

分度盘厚度：L_T＝0.052m

工作物直径：D_W＝0m

工作物厚度：L_W＝0m

工作台材质密度：р＝2700kg/m³

工作物数量：n＝0个

由分度盘中心至工作物中心的距离：l＝0m

定位角度：θ＝180°

定位时间：t＝1.5s

加减速时间比：A＝15％

减速机减速比：i＝1

减速机效率：η_G＝0.9

其他常数：

G＝9.8m/spi＝3.1416

1、决定加减速时间

加减速时间仍然以定位时间的25％

加减速时间：t₀＝t*A＝0.225s

2、电机转速

减速机输出轴角加速度：

减速机输出轴最大转速：

电机轴角加速度：β_M＝β_G*i＝10.95111111rad/s²

电机输出轴转速：N_M＝N*i＝23.52941176rpm

3、计算负载转矩

因为摩擦负载极小，故忽略：T_L＝0N_M

4、计算电机轴加速转矩(克服惯量)

电机惯量：J_M＝0.0031kgm²

工作台的惯量：

工作物的惯量(工作物同时绕工作物中心轴旋转，如果工作物没有自转，可以不考虑这部分惯量)：

工作物质量：

工作物的惯量(按工作物中心自转)：J_W＝n×(J_W1+m_Wl²)＝0kgm²

全负载惯量：J_L＝J_T+J_W＝111.648537kgm²

5、加速转矩

负载折算到电机轴上的惯量：J_LM＝J_L/i²＝11.648537kgm²

电机轴加速转矩：

6、必须转矩

必须转矩：T＝(T_S+T_L)*S＝1766.135919Nm

安全系数：S＝1.3

7、负荷与电机惯量比

惯量比：

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：包括移动台和设在所述移动台上面的机器人本体，所述机器人本体包括躯干、头部和两条机械臂，所述躯干转动设在所述移动台的上面，所述头部转动设在所述躯干的上端，两条所述机械臂分别连接在所述躯干的左右两侧，所述机械臂的前端用于安装工具；

所述双臂涂胶机器还包括视觉系统和力矩保护系统；所述视觉系统的摄像机设在所述头部，所述视觉系统将所述摄像机拍摄的工件照片进行处理，获得空间模型，从而得到涂胶的轨迹和每条涂胶边的长度；所述力矩保护系统实时监测所述机械臂的转轴的力矩，通过力矩判断所述机械臂与外物的碰撞情况，当与外物发生碰撞时，所述机械臂停止运动；

所述双臂涂胶机器人通过其中一条所述机械臂提起工件、另一条所述机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者其中一条所述机械臂按压工件、另一条所述机械臂进行涂胶的方式进行涂胶工作，或者两条所述机械臂同时进行涂胶的方式进行涂胶工作。

2.根据权利要求1所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述机械臂为六轴机械臂。

3.根据权利要求2所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述机械臂包括第一直角臂、第一臂杆、第二直角臂、第二臂杆、第三直角臂和六个转轴，所述第一直角臂、第一臂杆、第二直角臂、第二臂杆和第三直角臂通过所述转轴依次转动连接，所述第一直角臂还通过所述转轴与所述躯干连接，所述第三直角臂的前端通过所述转轴安装有工具连接头，所示工具连接头用于安装工具。

4.根据权利要求1所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述双臂涂胶机器还包括示教系统，所述示教系统将人手拖动所述机械臂行进的路线转为涂胶轨迹。

5.根据权利要求4所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述示教系统启动后，当人手拖动所述机械臂行进时，所述示教系统控制克服所述机械臂的关节转动时的阻力，以达到零阻力示教。

6.根据权利要求1所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述双臂涂胶机器设有断电锁定机构，当所述双臂涂胶机器在运行过程中断电时，所述断电锁定机构锁定两条所述机械臂。

7.根据权利要求1所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述双臂涂胶机器人的控制总成设在所述移动台内。

8.根据权利要求1所述的具有类人工作模式的双臂涂胶机器人，其特征在于：所述移动台的下面设有脚轮和脚杯。

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