CN201604155U - 四自由度柔性工业取料机械手控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种四自由度柔性工业取料机械手控制系统，一种四自由度柔性工业取料机械手控制系统，包括微处理器控制模块、气动控制模块、信号反相模块、继电器驱动模块、编码器信号调理模块和横移电机；所述微处理器控制模块负责控制整个系统，其控制指令经信号反相模块后传给继电器驱动模块；所述继电器驱动模块驱动气动控制模块；所述气动控制模块负责控制四自由度柔性工业取料机械手引拔方向、竖直方向、旋转方向的运动以及对工件的吸放；所述横移电机负责控制四自由度柔性工业取料机械手横移方向的运动，并通过编码器信号调理模块将位置信息反馈给微处理器控制模块。本实用新型能精确定位工件，顺利完成抓取任务。

Description

四自由度柔性工业取料机械手控制系统

技术领域

本实用新型属于工业机器人控制技术领域，特别基于嵌入式系统的四自由度柔性工业取料机械手控制系统。

背景技术

目前在各种不同的工业企业中，比如注塑行业，铸件行业等，经常有工件等需要搬运，特别是各种零件在机电、日用品、五金中占很大比例(70％以上)，但目前绝大多数是采用手工取料，从而引发了大量的工伤事故。据报导，全国每年至少冲掉5万只手指。而最有效的安全生产措施，是在冲床上采用取料机械手取代人工取料去进行上下料操作。机械手不但可以实现安全操作，也提高了产品质量(避免人工送料、取料时因疲劳往往送料、取料不准等)。就像人手对于人的重要性一样，柔性机械手是送料、取料系统的关键部件。

工业机械手相对来说夹持机构控制器较多，对位置的要求比较容易实现。而一只真正的操作机械手，要有较好的柔性处理技术，因此这只机械手的手指灵活性要求越来越高，且有更多的适应性和更多的灵巧性。通用的机械手按照抓取的功能可以分为两大类：一类是具有多种抓取功能的通用机械手，最典型代表就是多指灵巧手；另一类是满足特定抓取任务的专用夹持器。多指灵巧手在结构上和人手很相像，可以完成像拿鸡蛋、弹钢琴、端杯子、拿扇子之类的轻巧动作，但负载能力差、驱动元件多，控制复杂。专用夹持器可以完成像写字、拧螺丝刀、搬运重物之类大负载的动作，并且控制简单，但形状适应能力差，缺乏灵活性。对于用在工业环境的自动取料机械手系统主要是在上述机械手的基础上针对特定的应用场合采用丝杠、丝杆结构来实现动作，同时具有多轴联动功能，自动吸附功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是：克服现有技术的不足之处，利用嵌入式技术，设计一种基于嵌入式系统的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，使其既能完成送料、取料，又具有比较高的定位精度，比较好的稳定性和适应性。

实现本实用新型目的的方案是：一种四自由度柔性工业取料机械手控制系统，包括微处理器控制模块、气动控制模块、信号反相模块、继电器驱动模块、编码器信号调理模块和横移电机；所述微处理器控制模块负责控制整个系统，其控制指令经信号反相模块后传给继电器驱动模块；所述继电器驱动模块驱动气动控制模块；所述气动控制模块负责控制四自由度柔性工业取料机械手引拔方向、竖直方向、旋转方向的运动以及对工件的吸放；所述横移电机负责控制四自由度柔性工业取料机械手横移方向的运动，并通过编码器信号调理模块将位置信息反馈给微处理器控制模块。

所述气动控制模块包括引拔汽缸、竖直汽缸、旋转汽缸、磁性开关、单向节流阀、二位五通电磁阀、真空发生器组件和吸盘；引拔汽缸、竖直汽缸、旋转汽缸分别采用磁性开关实现中间位置的控制，分别由二位五通电磁阀控制汽缸，分别由单向节流阀控制汽缸速度；真空发生器组件采用带缓冲的垂直真空口连接吸盘。

所述引拔汽缸和竖直汽缸的运动行程为600mm，中间行程可调；所述旋转汽缸运动行程为100mm，可以旋转90度；所述真空发生器组件所需真空度为0.125Mpa。

四自由度柔性工业取料机械手控制系统所述引拔汽缸、竖直汽缸均为CP95SDB50-600-Y59AL，旋转汽缸的型号为CP95SDB50-100-Y59AL；所述真空发生器组件内置真空过滤器、消声器、真空发生器用空气供给阀、真空破坏阀和真空用压力开关，型号为ZM101M-Q5。

四自由度柔性工业取料机械手控制系统所述微处理器控制模块采用AVR嵌入式8位微处理器ATMEGE128为主控芯片。

四自由度柔性工业取料机械手控制系统还包括变频器；所述继电器驱动模块驱动气动控制模块电磁阀继电器信号、变频器接口信号以及对输入信号进行光电隔离；气动控制模块的电磁阀继电器信号以及变频器的接口信号经光耦芯片TLP521输入功率放大芯片ULN2003，功率放大芯片ULN2003的输出接入继电器线圈的低电平输入端；输入信号与光耦芯片TLP521相接，然后接入微处理器控制模块的输入口。

所述编码器信号调理模块负责旋转编码器输出信号的滤波；编码器输出经过2级滤波，编码器信号输出为集电极开路输出，接入上拉电阻，第一级A、B、Z三路编码器信号与高速光耦芯片6N137输入相接，输出再经过一级滤波，与施密特触发器741s14相接，信号输出接入微处理器控制模块，编码器采用5线旋转式增量编码器，型号为E6BECWZ6C1000P/R。

四自由度柔性工业取料机械手控制系统还包括输入输出模块；所述输入输出模块包括与微处理器控制模块输入端连接的键盘输入模块和与微处理器控制模块输出端连接的液晶显示模块；所述液晶显示模块采用内嵌的5寸彩色液晶屏，内嵌液晶控制器的型号为SED1335，包括模式区、状态显示区、错误显示区和循环次数显示区；模式区显示系统所选的动作模式，状态显示区显示系统状态，包括紧急停止、暂停、各自由度单独运动等状态；错误显示区显示系统错误，包括原点信号故障、各自由度限位信号故障、电机故障、变频器故障、各自由度电磁阀故障；循环次数显示区显示所取工件次数。

四自由度柔性工业取料机械手控制系统还包括电源模块、JATG模块和指示灯模块；所述电源模块与微处理器控制模块的输入端连接，为其供电；所述JATG模块与微处理器控制模块的JTAG接口连接，用于进行软件仿真调试；所述指示灯模块与微处理器控制模块的输出口连接，用于显示各种工作状态。

本实用新型适用于工业流水线的工件抓取，能精确定位工件，顺利完成抓取任务，既能完成送料、取料，又具有比较高的定位精度，比较好的稳定性和适应性。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型的原理框图。

图2为图1中的微处理器模块电路图。

图3为图1中的继电器驱动模块设计框图。

图4为图1中的编码器信号处理模块设计框图。

图5为本实用新型所控制机械手机械结构示意图。

图6为图1中的气动控制模块原理示意图。

图7为本实用新型软件功能实现流程框图。

附图中标号为：

微处理器控制模块1、气动控制模块2、信号反相模块3、继电器驱动模块4、编码器信号调理模块5、变频器6、键盘输入模块71、液晶显示模块72、电源模块8、JATG模块9、指示灯模块10、横移电机11、横移丝杠12、横移导轨13、引拔导轨14、引拔汽缸15、竖直导轨16、上下臂17、旋转汽缸18、吸盘19、横移基座20、引拔基座21、竖直汽缸22、磁性开关23、单向节流阀24、二位五通电磁阀25、真空发生器组件26、手动截止阀27、储气罐28、分水滤气器29、过滤减压阀30。

具体实施方式

见图1，本实施例的一种四自由度柔性工业取料机械手控制系统包括微处理器控制模块1、气动控制模块2、信号反相模块3、继电器驱动模块4、编码器信号调理模块5、变频器6、输入输出模块、电源模块8、JATG模块9、指示灯模块10和横移电机11。微处理器控制模块1负责控制整个系统，其控制指令经信号反相模块3后传给继电器驱动模块4。继电器驱动模块4驱动气动控制模块2和变频器6。气动控制模块2负责控制四自由度柔性工业取料机械手引拔方向、竖直方向、旋转方向的运动以及对工件的吸放。横移电机11负责控制四自由度柔性工业取料机械手横移方向的运动，并通过编码器信号调理模块5将位置信息反馈给微处理器控制模块1。输入输出模块包括与微处理器控制模块1输入端连接的键盘输入模块71和与微处理器控制模块1输出端连接的液晶显示模块72。电源模块8与微处理器控制模块1的输入端连接，提供+5V和+24V直流电压；JATG模块9与微处理器控制模块1的JTAG接口连接，用于进行软件仿真调试；指示灯模块10与微处理器控制模块1的输出口连接，用于显示各种工作状态。通过键盘输入模块71接收控制命令，通过液晶显示模块72来显示控制及状态信息，键盘采用2*8矩阵式键盘，液晶显示屏采用内嵌日本SED1335液晶控制器的5寸彩色液晶屏，变频器采用日本欧姆龙公司操作简便的3G3MV1.5kw，三相异步电机采用安徽皖南电机厂的YVF-90S-4，功率为1.1kw，编码器采用日本欧姆龙公司的E6BECWZ6C1000P/R，此编码器为5线旋转式编码器，分辨率为1000P/R。

见图2，微处理器控制模块1以高性能、低功耗的AVR嵌入式8位微处理器ATMEGE128为主控芯片，ATMEG128的输入电压为+5V。ATMEG128的PA0-PA7与键盘接口的1至8管脚相连，PC3膜C4与管脚9-10相连，PA0-PA5为行输入，PA6-PA7、PC3-PC4为列输出，采用扫描方式进行键扫描。ATMEG128的PB0-PB7与内嵌SED1335液晶控制器的液晶显示接口管脚9-16相连，为数据传输接口，读写8位数据D0-D7；PE2与液晶显示接口管脚4相连，为写数据命令接口；PD0与液晶显示接口5相连，为读数据命令接口；PE4与液晶显示接口管脚6相连，为SED1335芯片选通信号；PE5与液晶显示接口管脚7相连，为SED1335写命令与写数据选通信号，写命令时置1写数据时清零；PE7与液晶显示接口管脚8相连，为SED1335复位信号。ATMEG128的PD6，PD7，PE6分别与编码器信号调理模块输出接口的管脚1，2，3相连，通过单片机的定时/计数功能反馈Y方向电机实际运动距离，实现精确定位的闭环控制。由于ATMEG128的初始化状态各个管脚为低电平，而电磁阀开启时管脚也为低电平，为保证初始化键盘无输入命令时无动作，驱动继电器的单片机I/O口需要经过反相后才能与继电器驱动电路相连，本设计采用三极管9014实现信号反相功能，PC5-PC7，PF2-PF3分别9014的基极相连，反相后与继电器驱动接口的管脚1至5相连，系统采用JTAG进行软件仿真调试。

见图3，继电器采用欧姆龙公司的MY4NG型号继电器，供电电压为+24V。继电器驱动模块负责输出信号的驱动以及输入信号的光电隔离，输出信号包括气动控制模块2电磁阀继电器信号、变频器6接口信号。Y方向为引拔方向，Z方向为竖直方向，X方向为横移方向，具体来说包括Y+方向电磁阀继电器驱动，继电器闭合汽缸沿Y+方向运动；Y-方向电磁阀继电器驱动，继电器闭合沿Y-方向运动；Z方向电磁阀继电器驱动，继电器闭合沿Z+方向运动，继电器关断沿Z-方向运动，旋转方向电磁阀继电器驱动，工件吸放电磁阀继电器驱动，继电器闭合吸工件，继电器关断放工件；变频器接口信号包括正转，反转，脉冲序列输入，低速选择，中速选择和高速选择信号，所述以上信号通过光耦芯片TLP521光电隔离后，经过功率放大芯片ULN2003，接入继电器线圈的低电平输入端，当信号输出低电平时，继电器线圈通电，继电器闭合，电磁阀动作，信号输出高电平时继电器关断，电磁阀恢复初始状态。输入信号包括X方向，Z方向到位信号，Y方向原点信号，Y方向原点接近信号，X，Z方向采用磁性开关，Y方向原点信号采用磁性开关，Y方向原点接近信号采用欧姆龙公司NPN直流三线式接近开关，开关信号输出端接入上拉电阻并光电隔离后接入ATMEG128的I/O口，开关安装在固定位置，开始定位时系统采集到位信号，信号有效时关闭启动电磁阀停止运动，进行原点搜索时系统采集原点接近开关的状态，信号有效时低速运动，原点开关信号有效时到达原点，完成原点搜索。

见图4，编码器信号调理模块5处理编码输出信号，编码器采用欧姆龙公司E6BECWZ6C1000P/R，此编码器为5线旋转式编码器，分辨率为1000P/R，旋转编码器有A，B，Z三相输出，其中A，B相为相位差为90度的方波信号，Z相为零位脉冲信号，旋转编码器每转一圈产生一个Z相脉冲信号，产生固定数目的A，B相脉冲信号，A，B之间的相位关系标志码盘转向，即当A相超前于B相时，码盘正转，A相滞后于B相时，码盘反转，编码盘随着电机转动会抖动，A，B相不是标准的方波，需要滤波，引进抗干扰技术，本实施例采用双级滤波，第一级经过高速光耦芯片6N137，然后经过施密特触发器74LS14后接入ATMEG128。

见图5，4自由度机械手的4自由度为引拔方向、竖直方向、横移方向以及旋转方向。其中，引拔方向由安装在引拔基座21上的引拔汽缸15驱动，引拔汽缸15的缸体固定在引拔基座21上，活塞杆可以做相对于引拔方向的伸缩运动，引拔导轨14安装在引拔基座21上。横移方向由安装在横移基座20上的横移电机11驱动，横移电机11通过联轴器与横移丝杠12相连，引拔基座21固联到与横移丝杠12配合的螺母上，从而横移电机11驱动横移丝杠12带动引拔基座21沿横移基座20运动，横移导轨13安装在横移基座20上。竖直方向通过竖直汽缸22驱动，竖直汽缸22安装在上下臂17上，上下臂17安装在竖直导轨16上，竖直导轨16竖直安装在引拔基座21上。旋转方向通过旋转汽缸18驱动连杆机构实现，旋转汽缸18固定安装在上下臂17上，吸盘19固定在吸盘架上，吸盘架固定在旋转汽缸18上，旋转汽缸18可使吸盘19实现水平面上90度转角。

见图6，气动控制模块2负责控制四自由度机械手引拔方向、竖直方向和旋转方向的运动和工件的吸放。气动控制模块2包括引拔汽缸15、竖直汽缸22、旋转汽缸18、磁性开关23、单向节流阀24、二位五通电磁阀25、真空发生器组件26、吸盘19、手动截止阀27、储气罐28、分水滤气器29和过滤减压阀30。引拔汽缸15、竖直汽缸22、旋转汽缸18分别采用磁性开关23实现中间位置的控制，分别由二位五通电磁阀25控制汽缸，分别由单向节流阀24控制汽缸速度；真空发生器组件26采用带缓冲的垂直真空口连接吸盘19。具体来说，引拔汽缸15在引拔方向运动行程为600mm，中间行程可调，采用磁性开关实现位置控制，气缸推动的总重量为135kg×9.8＝1323N，需克服的摩擦力为F＝1323×0.15＝198.45N，根据行程和需克服的力综合考虑，使用空气压力0.6MPa的气缸，采用SMC公司的CP95SDB50-600-Y59AL气缸；竖直汽缸22在竖直方向运动行程为600mm，竖直负载重量为35kg×9.8＝343N，选用气缸直径40mm，使用空气压力0.6MPa的气缸，采用SMC的CP95SDB40-600-Y59AL气缸；吸盘19侧姿90°，行程为100mm，采用Φ50mm的气缸，采用SMC公司的CP95SDB50-100-Y59AL气缸；真空吸盘需真空发生器。由于真空发生器的吸力公式如下：F＝pAn/α，其中吸力Fmax＝50N，p为真空度，A为吸盘的有效面积，取吸盘直径为32mm，其有效面积为

吸盘个数为n＝3，采用标准吸盘，取安全系数α＝6，所需真空发生器的真空度p＝0.125Mpa。采用带缓冲的垂直真空口接管吸盘ZPT系列，型号为ZPT32CNK30B5-A10；真空发生器采用ZM系列真空发生器组件，它内置真空过滤器、消声器，真空发生器用空气供给阀，真空破坏阀，真空用压力开关，型号为ZM101M-Q5；

见图7，系统上电后首先进行系统初始化，初始化包括CPU初始化，LCD初始化，然后调用LCD驱动模块，根据各状态不同显示相应状态信息，若有编码器信号中断，则处理中断信号，若无则扫描是否有键按下，若无则继续搜索，若有则检测是否抖动，若是抖动，则继续扫描，若不是抖动则进入键功能处理。软件模块实现四自由度机械手相应功能，机械手有三种工作模式，分别为全自动模式，单循环模式和手动模式。全自动模式时，机械手每隔10秒完成一次取料，不停往复；单循环模式时，机械手完成一次取料后，停在原点，等待下一次命令；手动模式时，机械手各自由度做单方向运动。模块包括键盘扫描模块，初始化模块，中断模块，LCD驱动模块，LCD信息显示模块，定位模块，故障处理模块编码器信号采集模块。键盘功能模块包括立即停止按键、复位按键、暂停按键、全自动模式按键、单循环模式按键、手动模式启动按键、各自由度手动模式按键；显示模块负责显示系统状态，包括模式区、状态显示区、错误显示区和循环次数显示区；模式区显示系统所选的动作模式，状态显示区显示系统状态，包括紧急停止、暂停、各自由度单独运动等状态；错误显示区显示系统错误，包括原点信号故障，各自由度限位信号故障、电机故障、变频器故障、各自由度电磁阀故障；循环次数显示区显示所取工件次数；中断模块负责处理编码器反馈信号，利用定时/计数功能对B相脉冲进行计数，可以获得电机的实际位置。A相接中断口，编码器正转时，A相超前于B相，在A相脉冲下降沿处，B相为高电平；编码器反转时，A相滞后于B相，在A相脉冲下降沿处，B相输出为低电平，这样，每次中断时，判断B相电平高低就能确定编码器的旋转方向。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：包括微处理器控制模块(1)、气动控制模块(2)、信号反相模块(3)、继电器驱动模块(4)、编码器信号调理模块(5)和横移电机(11)；所述微处理器控制模块(1)负责控制整个系统，其控制指令经信号反相模块(3)后传给继电器驱动模块(4)；所述继电器驱动模块(4)驱动气动控制模块(2)；所述气动控制模块(2)负责控制四自由度柔性工业取料机械手引拔方向、竖直方向、旋转方向的运动以及对工件的吸放；所述横移电机(11)负责控制四自由度柔性工业取料机械手横移方向的运动，并通过编码器信号调理模块(5)将位置信息反馈给微处理器控制模块(1)。

2.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：所述气动控制模块(2)包括引拔汽缸(15)、竖直汽缸(22)、旋转汽缸(18)、磁性开关(23)、单向节流阀(24)、二位五通电磁阀(25)、真空发生器组件(26)和吸盘(19)；引拔汽缸(15)、竖直汽缸(22)、旋转汽缸(18)分别采用磁性开关(23)实现中间位置的控制，分别由二位五通电磁阀(25)控制汽缸，分别由单向节流阀(24)控制汽缸速度；真空发生器组件(26)采用带缓冲的垂直真空口连接吸盘(19)。

3.根据权利要求2所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：所述引拔汽缸(15)和竖直汽缸(22)的运动行程为600mm，中间行程可调；所述旋转汽缸(18)运动行程为100mm，可以旋转90度；所述真空发生器组件(26)所需真空度为0.125Mpa。

4.根据权利要求3所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：所述引拔汽缸(15)、竖直汽缸(22)型号为CP95SDB50-600-Y59AL；旋转汽缸(18)型号为CP95SDB50-100-Y59AL，所述真空发生器组件(26)内置真空过滤器、消声器、真空发生器用空气供给阀、真空破坏阀和真空用压力开关，型号为ZM101M-Q5。

5.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：所述微处理器控制模块(1)采用AVR嵌入式8位微处理器ATMEGE128为主控芯片。

6.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：还包括变频器(6)；所述继电器驱动模块(4)驱动气动控制模块(2)电磁阀继电器信号、变频器(6)接口信号以及对输入信号进行光电隔离；气动控制模块(2)的电磁阀继电器信号以及变频器(6)的接口信号经光耦芯片TLP521输入功率放大芯片ULN2003，功率放大芯片ULN2003的输出接入继电器线圈的低电平输入端；输入信号与光耦芯片TLP521相接，然后接入微处理器控制模块(1)的输入口。

7.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：所述编码器信号调理模块(5)负责旋转编码器输出信号的滤波；编码器输出经过2级滤波，编码器信号输出为集电极开路输出，接入上拉电阻，第一级A、B、Z三路编码器信号与高速光耦芯片6N137输入相接，输出再经过一级滤波，与施密特触发器74ls14相接，信号输出接入微处理器控制模块(1)，编码器采用5线旋转式增量编码器，型号为E6BECWZ6C1000P/R。

8.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：还包括输入输出模块；所述输入输出模块包括与微处理器控制模块(1)输入端连接的键盘输入模块(71)和与微处理器控制模块(1)输出端连接的液晶显示模块(72)；所述液晶显示模块(72)采用内嵌的5寸彩色液晶屏，内嵌液晶控制器的型号为SED1335，包括模式区、状态显示区、错误显示区和循环次数显示区；模式区显示系统所选的动作模式，状态显示区显示系统状态，包括紧急停止、暂停、各自由度单独运动等状态；错误显示区显示系统错误，包括原点信号故障、各自由度限位信号故障、电机故障、变频器故障、各自由度电磁阀故障；循环次数显示区显示所取工件次数。

9.根据权利要求1所述的四自由度柔性工业取料机械手控制系统，其特征在于：还包括电源模块(8)、JATG模块(9)和指示灯模块(10)；所述电源模块(8)与微处理器控制模块(1)的输入端连接，为其供电；所述JATG模块(9)与微处理器控制模块(1)的JATG接口连接，用于进行软件仿真调试；所述指示灯模块(10)与微处理器控制模块(1)的输出口连接，用于显示各种工作状态。

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