CN116443508A - 用于铲板机器人的转向机构和转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于铲板机器人的转向机构和转向方法，转向机构包括：第一轨道和第二轨道，其并行设置以共同承载转向小车，第一轨道和第二轨道均具有弯曲轨道区段和在弯曲轨道区段两端延伸的直线轨道区段，第一轨道或第二轨道上设置有识别标签，其用于标识第一轨道或第二轨道上的位置；转向小车，其具有第一行进轮和第二行进轮，第一行进轮和第二行进轮分别通过用于第一轨道的第一驱动电机和用于第二轨道的第二驱动电机驱动，转向小车上设置有识别单元，其用于根据第一轨道或第二轨道上设置的识别标签来识别转向小车的位置；控制器，其用于根据所识别的转向小车的位置控制第一驱动电机和第二驱动电机分别驱动第一行进轮和第二行进轮。

Description

用于铲板机器人的转向机构和转向方法

技术领域

本发明涉及纺丝技术领域，并且具体地，涉及用于铲板机器人的转向机构和转向方法。

背景技术

纺丝过程中需要定期进行铲板来保证生产质量，每个车间是镜像的两条生产线。目前的铲板机器人是由管式滑触线供电的，齿条配合导轨进行直线移动。因此，目前在一个车间中，一台铲板机器人只能用于一条生产线的铲板，从而每个车间需要两台铲板机器人。因此，使用两台铲板机器人增加了生产成本。

发明内容

因此，希望提供一种转向机构，使得一台机器人可以对两条生产线进行铲板，以在不损失效率的前提下，达到降低成本的目的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于铲板机器人的转向机构，所述转向机构包括：

第一轨道和第二轨道，所述第二轨道与所述第一轨道并行设置，以共同承载转向小车，其中，所述第一轨道和所述第二轨道均具有弯曲轨道区段和在所述弯曲轨道区段两端延伸的直线轨道区段，其中，所述第一轨道或所述第二轨道上设置有识别标签，所述识别标签用于标识所述第一轨道或所述第二轨道上的位置，

所述转向小车，所述转向小车具有第一行进轮和第二行进轮，所述第一行进轮和所述第二行进轮分别通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动，其中，所述转向小车上设置有识别单元，所述识别单元用于根据所述第一轨道或所述第二轨道上设置的识别标签来识别所述转向小车的位置，以及

控制器，所述控制器用于根据所识别的所述转向小车的位置分别控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机驱动所述第一行进轮和所述第二行进轮。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于铲板机器人的转向方法，所述方法应用于本发明的转向机构，所述方法包括：

在转向小车承载所述铲板机器人之后，所述转向小车上的识别单元持续识别所述识别标签，以获知所述转向小车的位置；

如果所述转向小车的位置处于直线轨道区段，则所述转向机构的控制器向第一驱动电机和第二驱动电机发送第一控制信号，以使所述第一行进轮和所述第二行进轮的速度相同，

如果所述转向小车从所述直线轨道区段行进至弯曲轨道区段，则所述转向机构的控制器发送第二控制信号，以使所述第一行进轮和所述第二行进轮以预定速度比行进，

如果所述转向小车从所述弯曲轨道区段行进至直线轨道区段，则所述转向机构的控制器向所述第一驱动电机和所述第二驱动电机发送所述第一控制信号，以使所述第一行进轮和所述第二行进轮的速度相同。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人的转向机构的示意图；

图2是根据本发明的优选实施方式的伺服控制的示意图；

图3是根据本发明的优选实施方式的位置检测和速度检测的示意图；

图4是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人的转向机构的侧视图；以及

图5是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人的转向方法的示意图。

具体实施方式

参考以下实施方式进一步描述本发明。应当理解，所要求保护的本发明不旨在以任何方式限于这些示例。

目前的铲板机器人是由管式滑触线供电，齿条配合导轨进行直线移动。在此基础上增加转向机构需要考虑到下面几个问题：

1、管式滑触线供电无法中断，必须进行连续供电，并且铲板机器人不能够断电。

2、导轨无法在弯道行走，因此需要考虑如何解决导轨的问题。

3、铲板机器人在脱离导轨后，重心不在转向轨道中，需要考虑双轨转向。

通过本发明的实施方式，可以解决一个或多个上述技术问题。

图1是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人112的转向机构100的示意图。如图1所示，根据本发明的用于铲板机器人的转向机构100包括：

第一轨道102和第二轨道104，第二轨道与第一轨道并行设置，以共同承载转向小车，其中，第一轨道和第二轨道均具有弯曲轨道区段和在弯曲轨道区段两端延伸的直线轨道区段，其中，第一轨道或第二轨道上设置有识别标签，识别标签用于标识第一轨道或第二轨道上的位置；

转向小车106，转向小车具有第一行进轮108和第二行进轮110，第一行进轮和第二行进轮分别通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动，其中，转向小车上设置有识别单元，识别单元用于根据第一轨道或第二轨道上设置的识别标签来识别转向小车的位置；以及

控制器(图中未示出，但是其可以设置在任何合适的位置)，控制器用于根据所识别的转向小车的位置分别控制第一驱动电机和第二驱动电机驱动第一行进轮和第二行进轮。

优选地，在弯曲轨道区段内，第一行进轮和第二行进轮的速度比被设置为第一轨道和第二轨道的弯曲轨道区段的半径比。

优选地，在直线轨道区段内，第一行进轮和第二行进轮的速度相同。

优选地，针对直线轨道区段，转向小车以第一预定速度行进，并且针对弯曲轨道区段，转向小车以第二预定速度行进，其中，第一预定速度不同于第二预定速度。

优选地，将第一轨道的第一驱动电机定义为第一实轴，将第二轨道的第二驱动电机定义为第二实轴，并且将转向小车在理想情况下沿着第一轨道和第二轨道行进的轨迹看作虚拟轴，第一实轴和第二实轴以虚拟轴为基准，在转向小车的第一驱动电机和第二驱动电机绝对齿轮同步期间，如果第一实轴或第二实轴与虚拟轴的跟随误差超过预定义阈值，则控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使转向小车的第一行进轮和第二行进轮实时同步。

优选地，将第一行进轮(例如转向小车的内侧行进轮)定义为主轴，将第二行进轮(例如，转向小车的外侧行进轮)定义为从轴，在所述转向小车行进过程中，检测所述从轴是否同步至主轴，在不同步的情况下，控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使转向小车的第一行进轮和第二行进轮实时同步。

优选地，由于现有的管式集电轨的硬性要求，最小弯曲半径为0.8m，因此第一轨道和第二轨道的弯曲轨道区段为具有大于或等于0.8米的最小弯曲半径的弧轨道。

优选地，由于导轨滑块为滚珠，对接精度要求较高，为1mm(由滚珠直径决定，当前滚珠直径3mm)，并且整个转向机构加上机器人的负载为500kg左右，第一驱动电机和第二驱动电机应为高惯量的伺服减速电机。

转向机构的转向小车的行进轮为聚氨酯包胶轮，在钢轨上存在打滑的现象，因此无法通过电机内置编码器进行位置控制，需要增加外置编码器(即，识别标签，该识别标签可以为光学二维码、光学条形码、和/或磁性位置条等)进行定位，从而达到高精度控制。识别标签可以设置在整个第一轨道或第二轨道上以标记轨道上的位置。

其中，所述转向机构一端的直线轨道区段连接至第一导轨，而转向机构另一端的直线轨道区段连接至第二导轨。

优选地，与铲板机器人的通讯采用目前其本身的漏波通讯，从而避免增加成本。

在一个示例中，可以通过变频器进行第一驱动电机和第二驱动电机的双轴同步伺服控制，在整个运动过程中，通过外置光学二维码定位进行实时调整。

如图2所示，伺服控制分为三个闭环，分别为电流环、速度环、位置环：

电流环：完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID(比例、积分、微分)调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

速度环：通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。

位置环：位置环是最外环，可以在驱动器和电机编码器之间构建，也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载之间构建，这要根据实际情况来确定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，系统在位置控制模式下进行了所有三个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

图3示出了位置检测和速度检测的示意图。

在本发明中，可以使用外部编码器(二维码读取单元)作为位置环反馈，从而达到实时监测的目的，也可以使用其它类似功能的装置。

此外，存在两种位置环放置位置：

1、位置反馈至带有运动控制的可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)中

2、位置反馈至驱动的控制单元中

两种位置环放置位置的区别在于它们的采样周期不同，具体差异需要实际测试，这影响到成本。

图4是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人的转向机构的侧视图。如图2所示，转向机构为双轨道结构，转向小车通过行进轮悬挂在第一轨道和第二轨道下方。第一行进轮在转向小车一侧的第一轨道上，第二行进轮在转向小车另一侧的第二轨道上。第一行进轮和第二行进轮对齐安装，并且每个行进轮通过单独的驱动电机驱动(即，第一驱动电机和第二驱动电机)。第一驱动电机和第二驱动电机与控制器电连接，以使得在转向小车进入弯曲轨道区段之后，控制器控制第一驱动电机和第二驱动电机，使得第一行进轮与第二行进轮之间在穿过弯曲轨道区段时具有适当的速度差。

图5是根据本发明的优选实施方式的用于铲板机器人的转向方法被应用到的转向机构的示意图。具体地，该转向机构被示出为具有图5中所示的U形轨道，所述方法包括：

在转向小车承载铲板机器人之后，转向小车上的识别单元持续识别识别标签，以获知转向小车的位置；

如果转向小车的位置处于第一直线轨道区段，则转向机构的控制器向第一驱动电机和第二驱动电机发送第一控制信号，以使第一行进轮和第二行进轮的速度相同；

如果转向小车从直线轨道区段行进至弯曲轨道区段，则转向机构的控制器发送第二控制信号，以使第一行进轮和第二行进轮以预定速度比行进；

如果转向小车从弯曲轨道区段行进至直线轨道区段，则转向机构的控制器向第一驱动电机和第二驱动电机发送第一控制信号，以使第一行进轮和第二行进轮的速度相同。

优选地，预定速度比为第一轨道和第二轨道的弯曲轨道区段的半径比。

优选地，针对直线轨道区段，转向小车以第一预定速度行进，并且针对弯曲轨道区段，转向小车以第二预定速度行进，第一预定速度不同于第二预定速度。

优选地，将第一轨道的第一驱动电机定义为第一实轴，将第二轨道的第二驱动电机定义为第二实轴，并且将转向小车在理想情况下沿着第一轨道和第二轨道行进的轨迹看作虚拟轴，第一实轴和第二实轴以虚拟轴为基准，在转向小车的第一驱动电机和第二驱动电机绝对齿轮同步期间，如果第一实轴或第二实轴与虚拟轴的跟随误差超过预定义阈值，则控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使转向小车的第一行进轮和第二行进轮实时同步。

优选地，将第一行进轮(例如转向小车的内侧行进轮)定义为主轴，将第二行进轮(例如，转向小车的外侧行进轮)定义为从轴，在所述转向小车行进过程中，检测所述从轴是否同步至主轴，在不同步的情况下，控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使转向小车的第一行进轮和第二行进轮实时同步。

优选地，第一轨道和第二轨道的弯曲轨道区段为具有大于或等于0.8米的最小弯曲半径的弧轨道。

优选地，第一驱动电机和第二驱动电机为高惯量的伺服减速电机。

优选地，识别标签是以下中的一者：光学二维码、光学条形码、以及磁性位置条。

优选地，转向机构一端的直线轨道区段连接至第一导轨，而转向机构另一端的直线轨道区段连接至第二导轨。

具体地，通过无线通讯完成与铲板机器人的交互，当铲板机器人移动至转向机构时可以执行转向过程。转向过程包括输送过程。

在输送过程中：

在弯曲轨道区段，针对第一行进轮和第二行进轮设置合适的速度比就可以确保稳定地输送铲板机器人。

此外，由于实际上，第一轨道和第二轨道由于各种因素可能存在偏差，因此在输送过程中，需要实时调整对第一行进轮和第二行进轮的驱动，以使转向小车能够平稳地承载铲板机器人。因此，在输送过程中，需要进行以下处理：

1、整个转向双轨道具有直线轨道区段和弧线轨道区段。需要为各个轨道区段设置预定义的速度比。

2、在转向小车行进过程中，可以通过两种方案对第一行进轮和第二行进轮的驱动进行控制：

方案一：存在虚拟轴(例如，S120伺服驱动系统)

工作原理：在程序中定义转向小车的运动轨迹为虚拟轴，将小车的两个轮子看作两个实轴。在小车运动过程中，以虚拟轴作为参考，两个实轴进行实时的比较，并完成实时校正。

具体地，可以将第一轨道和第二轨道(内外轨道)的驱动电机定义为两个实轴。另外定义一个虚拟轴(主参考轴)，该虚拟轴是转向小车在理想情况下沿着第一轨道和第二轨道的轨迹，该虚拟轴以绝对定位控制的方式从命令的起点运动到命令的终点。在转向小车沿着虚拟轴经过不同的轨道区段时，按相应的预定义速度通过。

在转向小车沿虚拟轴运动的过程中，两个实轴以虚拟轴为基准，分别按针对轨道区段预定义的转向小车的两个行进轮的相应齿轮比(或齿轮的转速比)进行两个实轴上的驱动电机的绝对齿轮同步。如果齿轮同步(即，两个实轴与虚拟轴之间存在线性传递函数关系)期间，两个实轴与虚拟轴的跟随误差超过预定义阈值时(诸如，打滑)，就给相应的实轴的驱动电机发送一个修正指令，以达到实时同步的目的。

方案二：不存在虚拟轴(例如，SEW MDX61B变频驱动系统)

工作原理：将内侧行进轮定义为主轴，将外侧行进轮定义为从轴。在转向小车运动过程中，主轴根据位置控制进行驱动，从轴与主轴进行同步运动。由于行进轮存在打滑的情况，因此通过外部编码器检测从轴是否为同步状态，若不在同步状态则进行速度修正，最终完成转向。

应当注意，对在此描述的当前优选实施方式的各种改变和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。在不脱离本发明的范围和不减少其附加优点的情况下，可以进行这样的改变和修改。因此，这些改变和修改旨在包括在本发明的范围内。本发明不限于图中所示的实施方式。与此相反，在不脱离本发明的范围的情况下，可以以许多不同的方式来实现根据本发明的方法。

Claims (19)

1.一种用于铲板机器人的转向机构，所述转向机构包括：

第一轨道和第二轨道，所述第二轨道与所述第一轨道并行设置以共同承载转向小车，其中，所述第一轨道和所述第二轨道均具有弯曲轨道区段和在所述弯曲轨道区段两端延伸的直线轨道区段，其中，所述第一轨道或所述第二轨道上设置有识别标签，所述识别标签用于标识所述第一轨道或所述第二轨道上的位置；

所述转向小车，所述转向小车具有第一行进轮和第二行进轮，所述第一行进轮和所述第二行进轮分别通过用于第一轨道的第一驱动电机和用于第二轨道的第二驱动电机驱动，其中，所述转向小车上设置有识别单元，所述识别单元用于根据所述第一轨道或所述第二轨道上设置的识别标签来识别所述转向小车的位置；以及

控制器，所述控制器用于根据所识别的所述转向小车的位置控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机分别驱动所述第一行进轮和所述第二行进轮。

2.根据权利要求1所述的转向机构，其中，在所述弯曲轨道区段内，所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮的速度比被设置为所述第一轨道和所述第二轨道的所述弯曲轨道区段的半径比。

3.根据权利要求2所述的转向机构，其中，在所述直线轨道区段内，所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮的速度被设置为相同。

4.根据权利要求3所述的转向机构，其中，

针对所述直线轨道区段，所述转向小车以第一预定速度行进，

针对所述弯曲轨道区段，所述转向小车以第二预定速度行进，并且

所述第一预定速度不同于所述第二预定速度。

5.根据权利要求4所述的转向机构，其中，将所述第一轨道的第一驱动电机定义为第一实轴，将所述第二轨道的第二驱动电机定义为第二实轴，并且将所述转向小车在理想情况下沿着所述第一轨道和所述第二轨道行进的轨迹看作虚拟轴，所述第一实轴和所述第二实轴以所述虚拟轴为基准，在所述转向小车的所述第一驱动电机和所述第二驱动电机绝对齿轮同步期间，如果所述第一实轴或所述第二实轴与所述虚拟轴的跟随误差超过预定义阈值，则所述控制器向相应驱动电机发送修正指令，以使所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮实时同步。

6.根据权利要求4所述的转向机构，其中，将所述第一行进轮定义为主轴，将所述第二行进轮定义为从轴，在所述转向小车行进过程中，检测所述从轴是否同步至所述主轴，在不同步的情况下，所述控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮实时同步。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的转向机构，其中，所述第一轨道和所述第二轨道的弯曲轨道区段为具有大于或等于0.8米的最小弯曲半径的弧轨道。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的转向机构，其中，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机为高惯量的伺服减速电机。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的转向机构，其中，所述识别标签是以下中的一者：光学二维码、光学条形码、以及磁性位置条。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的转向机构，其中，所述转向机构一端的直线轨道区段连接至第一导轨，而所述转向机构另一端的直线轨道区段连接至第二导轨。

11.一种用于铲板机器人的转向方法，所述方法应用于根据权利要求1至10中任一项所述的转向机构，所述方法包括：

在转向小车承载所述铲板机器人之后，所述转向小车上的识别单元持续识别所述识别标签，以获知所述转向小车的位置；

如果所述转向小车的位置处于直线轨道区段，则所述转向机构的控制器向第一驱动电机和第二驱动电机发送第一控制信号，以使第一行进轮和第二行进轮的速度相同，

如果所述转向小车从所述直线轨道区段行进至弯曲轨道区段，则所述转向机构的控制器发送第二控制信号，以使所述第一行进轮和所述第二行进轮以预定速度比行进，以及

如果所述转向小车从所述弯曲轨道区段行进至直线轨道区段，则所述转向机构的控制器向所述第一驱动电机和所述第二驱动电机发送所述第一控制信号，以使所述第一行进轮和所述第二行进轮的速度相同。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定速度比为所述第一轨道和所述第二轨道的所述弯曲轨道区段的半径比。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，

针对所述直线轨道区段，所述转向小车以第一预定速度行进，

针对所述弯曲轨道区段，所述转向小车以第二预定速度行进，并且

所述第一预定速度不同于所述第二预定速度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述第一轨道的第一驱动电机定义为第一实轴，将所述第二轨道的第二驱动电机定义为第二实轴，并且所述转向小车在理想情况下沿着所述第一轨道和所述第二轨道行进的轨迹看作虚拟轴，所述第一实轴和所述第二实轴以所述虚拟轴为基准，在所述转向小车的所述第一驱动电机和所述第二驱动电机绝对齿轮同步期间，如果所述第一实轴或所述第二实轴与所述虚拟轴的跟随误差超过预定义阈值，则所述控制器向相应驱动电机发送修正指令，以使所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮实时同步。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述第一行进轮定义为主轴，将所述第二行进轮定义为从轴，在所述转向小车行进过程中，检测所述从轴是否同步至所述主轴，在不同步的情况下，所述控制器向相应轨道的相应驱动电机发送修正指令，以使所述转向小车的所述第一行进轮和所述第二行进轮实时同步。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述第一轨道和所述第二轨道的弯曲轨道区段为具有大于或等于0.8米的最小弯曲半径的弧轨道。

17.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机为高惯量的伺服减速电机。

18.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述识别标签是以下中的一者：光学二维码、光学条形码、以及磁性位置条。

19.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述转向机构一端的直线轨道区段连接至第一导轨，而所述转向机构另一端的直线轨道区段连接至第二导轨。