CN117961933A - 一种自动绕线机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种自动绕线机器人及其控制方法，包括：移动组件带动线缆组件、定位组件和控制组件移动；线盘部件用于收纳和放出线缆，机械臂部件带动线缆进行缠绕；定位组件用于定位缠绕点的位置信息；机器人移动时，控制组件控制线盘部件放线，根据定位组件的定位信息控制机械臂部件将线缆绕过缠绕点。本发明通过将移动组件、线缆组件、定位组件和控制组件集成，通过自动化操作，能够连续、快速地完成线缆的缠绕任务，提高了生产效率。定位组件能够准确地确定缠绕点的位置信息，控制组件则根据这些信息精确控制机械臂部件的动作，确保了线缆被准确地缠绕在预定的位置上，提高了产品质量。

Description

一种自动绕线机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种自动绕线机器人及其控制方法。

背景技术

随着技术的不断创新和进步，机器人的功能和应用范围正在不断拓展。从简单的机械手臂到复杂的自主驾驶机器人，再到能够提供个性化服务的智能客服，机器人的应用场景越来越广泛。

传统的绕线需要先在绕线台上量好需要绕线的长度然后在两端插上绕线固定杆，接着人工将线缆从起点绕线固定杆拉到终点绕线固定杆绕过再拉回起点绕线固定杆，往复操作完成按指定长度和圈数的绕线。传统绕线方法主要依赖人工操作，工人需要反复测量、固定和调整线缆位置，这一过程耗时且效率低下。特别是在大规模生产环境中，这种低效性会显著影响整体生产进度。人工绕线很难保证每一圈线缆都紧密且均匀地排列。这可能导致线圈间存在空隙，不仅影响绕线的美观性，还可能影响线圈的电气性能。工人需要长时间重复相同的动作，这不仅容易导致身体疲劳，还可能引发职业病，如肌肉劳损和关节炎症等。由于人工操作的不可控性，不同工人或同一工人在不同时间绕制的线圈质量可能存在差异。这种质量的不一致性在要求高精度和高可靠性的应用中是不可接受的。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种能提高绕线效率、降低成本的自动绕线机器人及其控制方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种自动绕线机器人，包括：移动组件、线缆组件、定位组件和控制组件；

所述线缆组件、定位组件和控制组件均设置于所述移动组件上；

所述移动组件带动所述线缆组件、定位组件和控制组件移动；

所述线缆组件包括线盘部件和机械臂部件；

所述线盘部件用于收纳和放出线缆，所述机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述定位组件用于定位缠绕点的位置信息；

所述机器人移动时，控制组件控制线盘部件放线，根据所述定位组件的定位信息控制所述机械臂部件将线缆绕过缠绕点。

本发明的另一方面，优选地，所述移动组件包括移动部件和第一导向部件，所述移动部件与目标平面接触，所述第一导向部件设置于目标平面，所述机器人通过所述移动部件进行移动，所述机器人根据所述第一导向部件的指引进行移动。

本发明的另一方面，优选地，所述线缆组件还包括张力控制部件和磁粉制动器，所述张力控制部件实时检测线缆拉出时的张力，所述磁粉制动器为所述线盘部件提供阻尼。

本发明的另一方面，优选地，所述线缆组件还包括声光报警部件，所述声光报警部件用于提示线缆用尽或故障。

本发明的另一方面，优选地，所述线缆组件还包括第二导向部件，所述第二导向部件对线缆运动路径进行约束。

本发明的另一方面，优选地，所述机械臂部件外壁设置有滑轮组，所述滑轮组对线缆运动路径进行约束。

本发明的另一方面，优选地，一种如上所述的自动绕线机器人的控制方法，包括：

初始化机器人，将线缆与第一缠绕点固定；

设置所述机器人的绕线参数；

根据所述绕线参数，所述机器人向第二缠绕点移动，控制线盘部件放线至第二缠绕点，机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人向第一缠绕点移动，控制线盘部件放线至第一缠绕点，所述机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人在所述第一缠绕点与第二缠绕点之间往复移动，完成绕线。

本发明的另一方面，优选地，所述绕线参数包括移动距离、绕线总圈数预设值和线缆张力预设值。

本发明的另一方面，优选地，所述机器人在第一缠绕点和第二缠绕点进行缠绕前对绕线总圈数预设值和已绕线圈数进行比较，

若已绕线圈数小于绕线总圈数预设值，则继续绕线；

若已绕线圈数等于绕线总圈数预设值，则停止绕线。

本发明的另一方面，优选地，包括：所述机器人在移动过程中，实时检测并调整线缆张力至线缆张力预设值。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明通过将移动组件、线缆组件、定位组件和控制组件集成，通过自动化操作，能够连续、快速地完成线缆的缠绕任务，提高了生产效率。与传统的人工绕线相比，机器人不受疲劳限制，能够持续工作，从而加快生产进度。定位组件能够准确地确定缠绕点的位置信息，控制组件则根据这些信息精确控制机械臂部件的动作，确保了线缆被准确地缠绕在预定的位置上，提高了产品质量和一致性；自动化操作减少了人为因素对生产过程的影响，降低了因人为错误导致的废品率和质量波动。可以根据不同的线缆规格和缠绕要求进行调整，有较高的灵活性和适应性，能够适应多种生产场景和需求。无需人力，能够降低人工成本，为企业带来经济效益。

附图说明

图1是本发明一个实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一个实施例的整体结构和绕线平面图；

附图标记：

1：移动组件、2：线缆组件、3：定位组件、4：控制组件

2-1：线盘部件、2-2：机械臂部件、1-1：移动部件、1-2：第一导向部件、2-3：张力控制部件、2-4：声光报警部件、2-5：第二导向部件、2-2-1：滑轮组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

实施例一

一种自动绕线机器人，图1示出了本发明一个实施例的整体结构示意图；图2示出了本发明一个实施例的整体结构和绕线平面图；如图1和图2所示，

包括：移动组件1、线缆组件2、定位组件3和控制组件4；

所述线缆组件2、定位组件3和控制组件4均设置于所述移动组件1上；所述移动组件1带动所述线缆组件2、定位组件3和控制组件4移动；

此处不限制移动组件1的具体内容，可选的，可以包括轮子和驱动机构，驱动轮子前进，可能包括不同类型的轮子，如标准轮、全向轮或麦克纳姆轮等。驱动机构，如电机和减速器，用于提供轮子转动的动力；还可以包括底盘是支撑整个机器人和安装其他组件的基础结构；悬挂系统可能包括减震器和弹簧，用于在不平坦的地面上保持机器人的稳定性；导航系统，如惯性测量单元(IMU)，包括陀螺仪和加速度计，用于测量机器人的角速度和加速度。全球定位系统(GPS)接收器或其他定位技术，如激光雷达(LiDAR)或视觉里程计，用于确定机器人的绝对位置。避障与传感器系统，接近传感器、超声波传感器或红外传感器，用于检测机器人周围的障碍物；可选的，本实施例中，所述移动组件1包括移动部件1-1和第一导向部件1-2，所述移动部件1-1与目标平面接触，所述第一导向部件1-2设置于目标平面，所述机器人通过所述移动部件1-1进行移动，所述机器人根据所述第一导向部件1-2的指引进行移动。此处不限制移动部件1-1的具体内容，移动部件1-1与目标平面接触，负责机器人的实际移动，可能包括轮子、履带、滑块等，这些结构能够使得机器人在目标平面上顺滑地移动；可以是通过电机驱动、气压驱动或液压驱动等，具体取决于机器人的设计需求和应用场景；此处不限制第一导向部件1-2的具体内容，可选的，可以包括导轨、磁带、标识线、光学标记等，这些结构能够被机器人上的传感器识别，从而确定移动方向和路径。根据导向方式的不同，材料选择也会有所不同，例如磁性材料用于磁带导向，反光材料用于光学标记等；第一导向部件1-2可以是连续的或间断的布置，布置在机器人需要移动的路径上。可选的，本实施例中，第一导向部件1-2为磁带，进一步磁带上设置有多个RFID(无线射频识别)标签；RFID技术是一种非接触式的智能识别技术，将RFID标签作为磁导航线路上的标记站点，可以方便对移动部件1-1的路线进行规划，当移动部件1-1读取到站点标签时，可以根据当前标签确定自身的位置，读取标签信息，RFID标签的设置还可以提高移动设备的定位精准度，进而提高绕线精度；

此处也不限制线缆组件2的具体内容，可选的，所述线缆组件2包括线盘部件2-1和机械臂部件2-2；所述线盘部件2-1用于收纳和放出线缆，所述机械臂部件2-2带动线缆进行缠绕；

此处不限制线盘部件2-1的具体结构，也不限制线盘部件2-1与移动组件的具体连接方式，可以是线盘部件2-1的圆盘部与移动组件抵接，也可以是线盘部件2-1的圆盘部垂直于移动组件的顶面平面；

此处也不限制机械臂部件2-2的具体结构，可选的，本实施例中，所述机械臂部件2-2为多关节部件，多关节设计允许机械臂部件2-2在多个方向上自由移动和旋转，这极大地提高了绕线的灵活性；由于多关节结构，机械臂部件2-2的可达范围显著增加，使其能够执行更远距离的操作，减小移动组件的移动距离；

进一步，所述线缆组件2还包括张力控制部件2-3和磁粉制动器，所述张力控制部件2-3实时检测线缆拉出时的张力，所述磁粉制动器为所述线盘部件2-1提供阻尼；此处不限制张力控制部件2-3的具体内容，可选的，包括张力传感器，安装在线缆路径上，用于测量线缆在移动过程中产生的张力；张力传感器可以是应变片式、压电式，能够将线缆的张力转换成电信号输出；信号放大器，由于张力传感器输出的电信号很微弱，需要通过信号放大器进行放大处理，以便后续电路能够准确读取和处理这些信号；微处理器或控制器，接收来自传感器的信号，并根据预设的张力范围或算法进行处理，判断当前线缆张力是否合适，并发出相应的控制指令；

磁粉制动器是一种利用磁粉的磁化特性来传递转矩和调节转速的装置。可选的，包括：磁极，在外壳内部，有一对或多对磁极，它们之间形成了磁路。当电流通过磁极时，会在磁极之间产生磁场；磁粉，磁粉制动器的关键材料是磁粉，这些微小的磁性颗粒在未被磁化时呈松散状态，但当它们被置于磁场中时，会迅速磁化并沿磁力线排列，形成固体的磁粉链；转子和定子，磁粉制动器中通常有一个转子和一个定子；转子是与输出轴相连的旋转部分，而定子则是固定的部分；当磁粉链形成时，它们会连接转子和定子，从而传递转矩；激磁线圈，为了产生所需的磁场，磁粉制动器中通常绕有激磁线圈，当给线圈通电时，它会在磁极之间产生磁场，进而激活磁粉；控制电路，为了精确控制磁粉制动器的转矩和转速，需要配备相应的控制电路；控制电路可以根据张力控制部件的信号或其他输入信号来调节激磁线圈中的电流，从而改变磁场的强度，进而调节磁粉链的强度和传递的转矩。

本实施例中线缆组件2通过张力控制部件2-3和磁粉制动器控制线缆的在一定的转速下均匀的被拉出；如果线缆在拉出过程中受力不均匀，可能会导致线缆内部的线芯断裂或绝缘层破损；而均匀拉出线缆可以确保线缆在整个过程中受力均匀，从而避免这种损伤；如果线缆在拉出过程中受力不均匀，可能会导致线缆的形状发生改变，如弯曲、扭曲等。而均匀拉出线缆可以保持线缆的原始形状，使其在使用时更加美观、整齐；均匀拉出线缆可以使得线缆的铺设更加迅速、高效。不均匀拉出容易出现打结、缠绕等问题，需要花费额外的时间和精力进行处理；而均匀拉出线缆可以避免这些问题，从而提高工作效率。

进一步，所述线缆组件2还包括声光报警部件2-4，所述声光报警部件2-4用于提示线缆用尽或故障；可选的，所述声光报警部件2-4与张力控制部件2-3连接，也可以与线盘部件连接，当线缆组件2中的线缆被完全拉出，即线盘部件2-1上的线缆剩余量达到预设的最低限时，声光报警部件2-4会发出警报。这种警报可以是一个特定的声音信号，如蜂鸣声，或者是一个闪烁的光信号，如LED灯闪烁；除了线缆用尽的提示功能外，声光报警部件2-4还可以集成故障检测功能。如果线缆组件2或其任何部件(如张力控制部件2-3、磁粉制动器等)出现故障或异常，声光报警部件2-4可以立即发出警报；

进一步，所述线缆组件2还包括第二导向部件2-5，所述第二导向部件2-5对线缆运动路径进行约束。此处不限制第二导向部件2-5的具体内容，可选的，导向轮结构，包括一个或多个滑轮，线缆通过滑轮之间的槽口进行导向；导向槽结构，为一个固定形状的通道，线缆被限制在这个通道内移动；柔性导向管结构，柔性导向管由柔性材料制成，可以弯曲成各种形状，线缆穿过管内部等；可选的，本实施例中，第二导向部件2-5导向轮结构，包括一个或多个滑轮；第二导向部件2-5能够确保线缆在拉出或回收时沿着预定的路径移动避免线缆与其他设备或部件的干扰；防止线缆在移动过程中发生缠绕、打结或扭曲；通过合理设计导向部件的形状和材质，可以减少线缆在移动过程中与其他表面的摩擦，从而降低线缆的磨损速度，延长其使用寿命

进一步，所述机械臂部件2-2外壁设置有滑轮组2-2-1，所述滑轮组对线缆运动路径进行约束；避免线缆在移动过程中与机械臂的其他部分发生干涉或纠缠；滑轮组的滑轮具有光滑的表面，这使得线缆在通过滑轮时能够减少与机械臂部件的直接接触，从而显著降低摩擦。减少摩擦有助于减轻线缆的磨损，延长其使用寿命；

此处不限制滑轮组的具体结构，可选的，本实施例中，机械臂部件2-2包括多个关节，每个关节处设置一个滑轮，可以确保线缆在机械臂的每个运动阶段都能得到有效的引导和支撑；通过在每个关节处设置滑轮，线缆可以在机械臂的整个长度上获得连续的路径引导；防止线缆在关节处发生突然的弯曲或扭曲，在每个关节处设置滑轮，可以将线缆的张力和弯曲应力分散到多个滑轮上，而不是集中在少数几个点上，这种应力分散有助于减少线缆的局部磨损和断裂的风险。

所述定位组件3用于定位缠绕点的位置信息；此处不限制定位组件3的具体内容，可选的，可以是光学定位系统，通过摄像头和图像处理技术来识别线缆上的标记或特征点，从而确定缠绕点的位置；可以是机械式定位系统利用机械臂或传感器直接触碰，通过机械反馈来确定缠绕点的位置；可以是电磁定位系统，在线缆上安装磁性标记，通过电磁传感器检测磁场变化来确定缠绕点的位置；可以是声学定位系统，通过发射声波并监听其反射波来确定线缆上缠绕点的位置等，可选的，本实施例中，定位组件3光学定位系统，通过摄像头和图像处理技术来识别线缆上的标记或特征点，从而确定缠绕点的位置；进一步，所述定位组件3包括深度相机；深度相机能够捕获场景的深度信息，即缠绕点与相机之间的距离；不仅能够确定缠绕点在图像平面上的位置，还能准确测量其在实际三维空间中的坐标；提高定位精度；

所述机器人移动时，控制组件4控制线盘部件2-1放线，根据所述定位组件3的定位信息控制所述机械臂部件2-2将线缆绕过缠绕点。

本发明通过将移动组件、线缆组件、定位组件和控制组件集成，通过自动化操作，能够连续、快速地完成线缆的缠绕任务，提高了生产效率。与传统的人工绕线相比，机器人不受疲劳限制，能够持续工作，从而加快生产进度。定位组件能够准确地确定缠绕点的位置信息，控制组件则根据这些信息精确控制机械臂部件的动作，确保了线缆被准确地缠绕在预定的位置上，提高了产品质量和一致性；自动化操作减少了人为因素对生产过程的影响，降低了因人为错误导致的废品率和质量波动。可以根据不同的线缆规格和缠绕要求进行调整，有较高的灵活性和适应性，能够适应多种生产场景和需求。无需人力，能够降低人工成本，为企业带来经济效益。

实施例二

一种如上所述的自动绕线机器人的控制方法，包括：

初始化机器人，将线缆与第一缠绕点固定；此处不限制初始化的具体内容，可以是将机器人的位置初始化，也可以是将机器人的姿态初始化；可选的，本实施例中，是将机器人的位置初始化，控制机器人至第一缠绕点相应的位置；

设置所述机器人的绕线参数；此处不限制绕线参数的具体内容，可选的，本实施例中，所述绕线参数包括移动距离、绕线总圈数预设值和线缆张力预设值；移动距离参数定义了机器人在执行绕线任务时，每次移动或进给的具体距离，确保了线缆能够均匀且精确地绕制在目标物体上，避免了过紧或过松的情况；绕线总圈数预设值规定了机器人需要绕制的线缆圈数的上限。当机器人绕制的圈数达到这个预设值时，它会自动停止绕线，从而确保产品符合规格要求；线缆张力预设值用于控制机器人在绕线过程中施加在线缆上的张力。合适的张力可以确保线缆在绕制过程中不会松弛或断裂，同时也有助于提高最终产品的性能；

根据所述绕线参数，所述机器人向第二缠绕点移动，控制线盘部件放线至第二缠绕点，机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人向第一缠绕点移动，控制线盘部件放线至第一缠绕点，所述机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人在所述第一缠绕点与第二缠绕点之间往复移动，完成绕线；

进一步，本实施例中，所述机器人在第一缠绕点和第二缠绕点进行缠绕前对绕线总圈数预设值和已绕线圈数进行比较，

若已绕线圈数小于绕线总圈数预设值，则继续绕线；

若已绕线圈数等于绕线总圈数预设值，则停止绕线。

所述机器人在移动过程中，实时检测并调整线缆张力至线缆张力预设值。

本实施例的方法有较高的灵活性和适应性，能够适应多种生产场景和需求，绕制过程无需人力，能够降低人工成本。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自动绕线机器人，其特征在于，包括：移动组件(1)、线缆组件(2)、定位组件(3)和控制组件(4)；

所述线缆组件(2)、定位组件(3)和控制组件(4)均设置于所述移动组件(1)上；

所述移动组件(1)带动所述线缆组件(2)、定位组件(3)和控制组件(4)移动；

所述线缆组件(2)包括线盘部件(2-1)和机械臂部件(2-2)；

所述线盘部件(2-1)用于收纳和放出线缆，所述机械臂部件(2-2)带动线缆进行缠绕；

所述定位组件(3)用于定位缠绕点的位置信息；

所述机器人移动时，控制组件(4)控制线盘部件(2-1)放线，根据所述定位组件(3)的定位信息控制所述机械臂部件(2-2)将线缆绕过缠绕点。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述移动组件(1)包括移动部件(1-1)和第一导向部件(1-2)，

所述移动部件(1-1)与目标平面接触，

所述第一导向部件(1-2)设置于目标平面，

所述机器人通过所述移动部件(1-1)进行移动，

所述机器人根据所述第一导向部件(1-2)的指引进行移动。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述线缆组件(2)还包括张力控制部件(2-3)和磁粉制动器，所述张力控制部件(2-3)实时检测线缆拉出时的张力，所述磁粉制动器为所述线盘部件(2-1)提供阻尼。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述线缆组件(2)还包括声光报警部件(2-4)，所述声光报警部件(2-4)用于提示线缆用尽或故障。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述线缆组件(2)还包括第二导向部件(2-5)，所述第二导向部件(2-5)对线缆运动路径进行约束。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机械臂部件(2-2)外壁设置有滑轮组(2-2-1)，所述滑轮组对线缆运动路径进行约束。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的自动绕线机器人的控制方法，其特征在于，包括：

初始化机器人，将线缆与第一缠绕点固定；

设置所述机器人的绕线参数；

根据所述绕线参数，所述机器人向第二缠绕点移动，控制线盘部件放线至第二缠绕点，机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人向第一缠绕点移动，控制线盘部件放线至第一缠绕点，所述机械臂部件带动线缆进行缠绕；

所述机器人在所述第一缠绕点与第二缠绕点之间往复移动，完成绕线。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述绕线参数包括移动距离、绕线总圈数预设值和线缆张力预设值。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，

所述机器人在第一缠绕点和第二缠绕点进行缠绕前对绕线总圈数预设值和已绕线圈数进行比较，

若已绕线圈数小于绕线总圈数预设值，则继续绕线；

若已绕线圈数等于绕线总圈数预设值，则停止绕线。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，包括：所述机器人在移动过程中，实时检测并调整线缆张力至线缆张力预设值。