CN202716271U - 关节型中载智能控制码垛机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种关节型中载智能控制码垛机器人，包括基座(1)、腰部机构(2)、大臂机构、小臂机构、手腕机构、末端执行机构、缓冲平衡装置(11)、大臂限位光电传感器(13)、小臂限位光电传感器(12)、大臂小臂测速直流电机(37)、腰部速度与限位光电传感器(16)、伺服驱动器(20)、控制柜(38)和示教器(23)；所述腰部机构与基座连接，大臂机构与腰部机构连接，小臂与大臂连接，末端执行机构与手腕(5)连接。本实用新型关节型中载智能码垛机器人，具有较大负载能力，传动平稳，速度容易控制，控制灵敏，操作方便，低噪音，结构简单，设计合理，抓取可靠的特点。

Description

关节型中载智能控制码垛机器人

技术领域

本实用新型涉及一种码垛机器人，尤其涉及一种用于工业自动化生产，负载大、高度智能控制的关节型中载智能控制码垛机器人。

背景技术

随着工业自动化的深入发展，码垛机器人的发展越来越重要，其中负荷在120kg左右的中载码垛机器人也得到了广泛关注。中载码垛机器人因结构等因素通常重量很大，这就有比较大的转动惯量，在工作过程中会产生较大的振动，这就需要安装缓冲平衡装置，当今主流缓冲平衡装置主要采用平衡缸技术，价格相对比较昂贵。中载码垛机器人因结构比较大，因无法准去定位，无法胜任完成比较复杂的工作任务；许多关键关节的速度检测调控能力缺少，当速度过大时，可能会带来事故发生；手部负载的增大，力矩和扭矩会增大，缺少力学检测系统会造成过载带来危害。以往码垛机的关节限位系统采用机械限位，机械限位在中载码垛机中，会带来磨损大、产生噪音、反应不够灵敏等缺点。另外大多码垛机器人的视觉系统不够灵敏，不能很好识别所抓物体的形状，这些缺点在中载高智能控制码垛机器人中都需要解决。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高智能控制、运行平稳、抓取可靠，旋转速度自动控制，反应灵敏、控制安全的的关节型中载智能控制码垛机器人。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：包括基座(1)、腰部机构(2)、大臂机构、小臂机构、手腕机构、末端执行机构、缓冲平衡装置(11)、大臂限位光电传感器(13)、小臂限位光电传感器(12)、大臂小臂测速直流电机(37)、腰部速度与限位光电传感器(16)、伺服驱动器(20)、控制柜(38)和示教器(23)；所述腰部机构与基座连接，大臂机构与腰部机构连接，小臂与大臂连接，末端执行机构与手腕(5)连接。

作为优选，腰部机构(2)由腰部伺服电机与减速器(14)、腰部齿轮传动机构(15)、齿轮连接机构(36)组成；所述大臂机构由大臂(3)、大臂伺服电机电机与减速器(17)、连接法兰(28)组成；所述小臂机构包括由小臂驱动机构，小臂(4)、小臂驱动从动杆(10)和小臂驱动杆(31)连接成平面平行四边形机构，所述小臂驱动机构由小臂伺服电机和减速器(18)、连接法兰(28)组成；手腕机构由手腕(5)、三角形辅助连接件(25)、手腕保姿辅助连杆(9)和小臂(4)组成双平面平行四边形机构，形成手腕末端的水平保姿机构，保证运动过程中手腕末端始终保持水平状态。

作为优选，末端执行机构由末端执行机构伺服电机(6)、末端执行机构减速器(7)、手抓机构(32)、连接法兰(24)、末端执行机构传感器系统组成；

其中末端执行机构传感器系统由末端执行机构速度与限位光电传感器(8)，固态视觉CCD传感器(33)，滑觉传感器(34)，力和力矩传感器(35)组成；

所述固态视觉CCD传感器由滤光片(39)、凸镜(40)、CCD芯片(41)、放大器(42)、模数转换器(43)、图像处理器(44)、微机控制器(45)组成，被摄物体反射光线，经滤光片和凸镜聚焦到CCD芯片上，CCD芯片根据光的强弱将模拟信号进行放大、滤波处理，经模数转换器和图像处理器，输出一个图像数字信号，由微机控制器进行反馈控制；

所述滑觉传感器由柔性体(46)、电极(47)、绝缘体(48)、阻抗(50)、金属球(49)组成；所述金属球表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区；当柔性体接触物体并产生滑动时，金属球发生转动，使球面上的导电与不导电区交替接触电极，产生通断的脉冲信号；脉冲信号的频率代表滑移速度，个数对应滑移距离；

所述力和力矩传感器采用六维力和力矩传感器结构。

作为优选，腰部速度与限位光电传感器(16)由腰部速度与限位光电传感器光电探头，圆盘缺口(19)与限位凸肩(27)组成，通过腰部速度与限位光电传感器光电探头测量转过圆盘缺口的数量，产生相同数量的脉冲，测量转动速度，当限位凸肩插入腰部速度与限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转；所述大臂限位光电传感器(13)由大臂限位光电传感器光电探头(29)，限位凸肩组成，当限位凸肩插入大臂限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转；所述小臂限位光电传感器(12)由小臂限位光电传感器光电探头(30)与限位凸肩组成，当限位凸肩插入小臂限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转。

作为优选，末端执行机构速度与限位光电传感器(8)由末端执行机构速度与限位光电传感器光电探头，圆盘缺口、限位凸肩组成，通过末端执行机构速度与限位光电传感器光电探头测量转过圆盘缺口的数量，产生相同数量的脉冲，测量手部旋转速度，当限位凸肩插入传感器光电探头时，末端执行机构中的伺服电机控制电路断电或反接，进行限位或反转。

作为优选，大臂小臂测速直流电机(37)包括由永磁体(51)、转子线圈(52)、整流子(53)、电刷(54)组成的直流测速发电机，直流测速发电机与机器人关节驱动伺服电机同轴连接，能够测出机器人运动过程的关节转动速度，直流测速发电机作为机器人闭环系统反馈原件，组成直流测速发电机反馈系统(55)，进行速度控制。

作为优选，控制柜(38)由伺服驱动器(20)、伺服控制器(22)、PC控制系统(26)通过导线(21)连接而成，控制柜用于控制整个机器人运动；所述伺服驱动器(20)用来驱动各关节伺服驱动电机。

作为优选，示教器(23)包括手控按钮、显示器；机器人操作员通过示教器把作业要求的内容如路径轨迹、作业顺序、工艺条件等输入示教器预先教给机器人。

作为优选，缓冲平衡装置(11)采用弹簧缓冲器，由弹簧(56)、壳体(57)、导轨(58)、密封端盖(59)组成，用以吸收大臂转动过程中过大的能量，调节大臂的平衡。

为使各运动机构(如腰部机构、大臂机构、小臂机构、手腕机构、末端执行机构)定位准确，速度容易控制，精确限位，采用了光电角度传感器。其中，安装在腰部(2)和手腕(5)上的光电角度传感器采用反射型与遮蔽型封装探头，实现腰部(2)和末端执行机构的旋转角度、速度控制及限位控制。安装在大臂、小臂的驱动杆件上的光电角度传感器采用插入型探头，并在大臂、小臂的极限位置安装传感器凸肩，实现大臂、小臂的限位控制。

在大臂、小臂的驱动轴上安装了直流测速发电机作为速度控制传感器，实现速度控制。直流测速发电机工作原理基于法拉第电磁感应定律，通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生电压与线圈的转速成正比。测速发电机与被测机构同轴相接，只要测出直流测速发电机的输出电动势和极性，就能获得被测机构的转速和旋转方向。

为了测量码垛负载能力，在末端执行机构旋转轴上安装了力和力矩传感器，控制负载重量和转动力矩。力和力矩传感器采用六维力和力矩传感器结构。

为了防止手部所夹持物体脱落，手抓机构内壁安装滑觉传感器。当握紧力不够时，滑动传感器检测被夹持物的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，采取可靠的夹持方法握紧物体。

为提高抓取物体识别能力，在手抓机构的上部安装固态CCD视觉传感器作为机器人视觉装置。

为保证腰部、臂部、手部各部件的工作强度，设计过程中采用CAD-FEM设计模式。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型关节型中载智能码垛机器人，具有较大负载能力，传动平稳，速度容易控制，控制灵敏，操作方便，低噪音，结构简单，设计合理，抓取可靠的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型关节型中载智能码垛机器人实施例的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型关节型中载智能码垛机器人的工作装置结构示意图。

图4为缓冲平衡装置结构示意图。

图5为光电传感器的工作原理图。

图6为固态视觉CCD传感器装置结构示意图。

图7为末端执行机构滑觉传感器装置结构示意图。

图8为直流测速发电机的结构示意图。

图9为直流测速发电机反馈控制系统图。

图中，1-基座，2-腰部，3-大臂，4-小臂，5-手腕，6-末端执行机构伺服电机，7-末端执行机构减速器，8-末端执行机构速度与限位光电传感器，9-手腕保姿辅助连杆，10-小臂驱动从动杆，11-缓冲平衡装置，12-小臂限位光电传感器，13-大臂限位光电传感器，14-腰部伺服电机与减速器，15-腰部齿轮传动机构，16-腰部速度与限位光电传感器，17-大臂驱动伺服电机与减速器，18-小臂驱动伺服电机与减速器，19-圆盘缺口，20-伺服驱动器，21-导线，22-伺服控制器，23-示教器，24-连接法兰，25-三角形辅助连接件，26-PC控制系统，27-限位凸肩，28-连接法兰，29-大臂限位光电传感器光电探头，30-小臂限位光电传感器光电探头，31-小臂驱动连杆，32-手抓机构，33-固态视觉CCD传感器，34-滑觉传感器，35-力和力矩传感器，36-连接齿轮，37-大臂小臂直流测速发电机，38-控制柜，39-滤光片，40-凸镜，41-CCD芯片，42-放大器，43-模数转换器，44-图像处理器，45-微机控制器，46-柔性体，47-电级，48-绝缘体，49-阻抗，50-金属球，51-永磁体，52-转子线圈，53-整流子，54-电刷，55-直流测速发电机反馈系统，56-弹簧，57-壳体，58-导轨，59-密封端盖。

具体实施方式

如图1-图3所示，关节型中载智能控制码垛机器人包括基座1、腰部2、大臂3、小臂4、手腕5、末端执行机构、大臂限位光电传感器13、小臂限位光电传感器12、大臂小臂测速直流电机37、腰部速度与限位光电传感器16、末端执行机构的速度与限位光电传感器8、伺服驱动器20、控制柜38和示教器23。

腰部2与基座1连接，大臂3与腰部2，小臂4与大臂3连接，末端执行机构与手腕5连接。基座1通过齿轮连接36与腰部2相连，构成腰部水平旋转组件，腰部驱动伺服电机与减速器14通过齿轮连接15和连接法兰与腰部2相连。大臂驱动伺服电机与减速器17、小臂驱动伺服电机与减速器18，通过连接法兰28，安装在腰部2的两端，小臂4的驱动结构由连杆机构构成，小臂驱动杆31通过连接法兰与小臂驱动伺服电机与减速器18相连。腕部保姿机构采用双平面平行四边形机构，使腕部末端运动过程中始终保持水平状态。末端执行机构伺服电机6、末端执行机构减速器7，通过连接法兰安装在手腕5上，手抓机构32通过连接法兰24与末端执行机构减速器7相连。

在图4中，缓冲平衡装置11采用弹簧缓冲器，由弹簧56、壳体57、导轨58、密封端盖59组成，安装数量为两个，分别安装于大臂2的末端关节两端，弹簧缓冲器另一端安装在腰部2上。

腰部速度与限位光电传感器16及末端执行机构速度与限位光电传感器8，安装在腰部2和手腕5上，实现腰部和末端执行机构的旋转角度、速度控制及限位控制。大臂限位光电传感器13及小臂限位光电传感器12的光电探头，安装在大臂、小臂的驱动杆件上，在大臂3、小臂4的极限旋转位置安装传感器凸肩，实现大臂3、小臂4的限位控制。末端执行机构视觉传感器采用固态视觉CCD传感器33，安装在手抓机构32的上方。末端执行机构的力和力矩传感器35，安装在末端执行机构旋转轴上，测量负载的力和力矩。机器人的控制系统由伺服驱动器20、伺服控制器22、PC控制系统26、示教器23通过导线21连接而成，伺服控制器22和PC控制系统26安装在控制柜38中，伺服驱动器20安装在基座1上。

如图5所示，光电传感器由光电探头，圆盘缺口、限位凸肩组成，光电传感器的光电探头由发光二极管和光敏三极管封装而成。通过光电传感器的光电探头测量转过圆盘缺口的数量，产生相同数量的脉冲，测量旋转速度；当限位凸肩插入传感器的光电探头时，控制电路断电或反接，进行限位或反转。传感器控制系统采用PID控制。

如图6所示，固态视觉CCD传感器由滤光片39、凸镜40、CCD芯片41、放大器42、模数转换器43、图像处理器44、微机控制器45组成。传感器控制系统采用PID控制。

如图6所示，滑觉传感器由柔性体46、电极47、绝缘体48、阻抗50、金属球49组成。金属球表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区；当柔性体接触物体并产生滑动时，金属球发生转动，使球面上的导电与不导电区交替接触电极，产生通断的脉冲信号；脉冲信号的频率反应滑移速度，个数对应滑移距离。

在图8中，大臂小臂测速直流电机是由永磁体51、转子线圈52、整流子53、电刷54组成的直流测速发电机。如图9所示，直流测速发电机与机器人关节驱动伺服电机同轴连接，能够测出机器人运动过程的关节转动速度，直流测速发电机作为机器人闭环系统反馈原件，组成直流测速发电机反馈系统55，进行速度控制。传感器控制系统采用PID控制。

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：包括基座(1)、腰部机构(2)、大臂机构、小臂机构、手腕机构、末端执行机构、缓冲平衡装置(11)、大臂限位光电传感器(13)、小臂限位光电传感器(12)、大臂小臂测速直流电机(37)、腰部速度与限位光电传感器(16)、伺服驱动器(20)、控制柜(38)和示教器(23)；所述腰部机构与基座连接，大臂机构与腰部机构连接，小臂与大臂连接，末端执行机构与手腕(5)连接。

2.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述腰部机构(2)由腰部伺服电机与减速器(14)、腰部齿轮传动机构(15)、齿轮连接机构(36)组成；所述大臂机构由大臂(3)、大臂伺服电机电机与减速器(17)、连接法兰(28)组成；所述小臂机构包括由小臂驱动机构，小臂(4)、小臂驱动从动杆(10)和小臂驱动杆(31)连接成平面平行四边形机构，所述小臂驱动机构由小臂伺服电机和减速器(18)、连接法兰(28)组成；手腕机构由手腕(5)、三角形辅助连接件(25)、手腕保姿辅助连杆(9)和小臂(4)组成双平面平行四边形机构，形成手腕末端的水平保姿机构，保证运动过程中手腕末端始终保持水平状态。

3.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述末端执行机构由末端执行机构伺服电机(6)、末端执行机构减速器(7)、手抓机构(32)、连接法兰(24)、末端执行机构传感器系统组成；

其中末端执行机构传感器系统由末端执行机构速度与限位光电传感器(8)，固态视觉CCD传感器(33)，滑觉传感器(34)，力和力矩传感器(35)组成；

所述固态视觉CCD传感器由滤光片(39)、凸镜(40)、CCD芯片(41)、放大器(42)、模数转换器(43)、图像处理器(44)、微机控制器(45)组成，被摄物体反射光线，经滤光片和凸镜聚焦到CCD芯片上，CCD芯片根据光的强弱将模拟信号进行放大、滤波处理，经模数转换器和图像处理器，输出一个图像数字信号，由微机控制器进行反馈控制；

所述滑觉传感器由柔性体(46)、电极(47)、绝缘体(48)、阻抗(50)、金属球(49)组成；所述金属球表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区；当柔性体接触物体并产生滑动时，金属球发生转动，使球面上的导电与不导电区交替接触电极，产生通断的脉冲信号；脉冲信号的频率代表滑移速度，个数对应滑移距离；

所述力和力矩传感器采用六维力和力矩传感器结构。

4.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述腰部速度与限位光电传感器(16)由腰部速度与限位光电传感器光电探头，圆盘缺口(19)与限位凸肩(27)组成，通过腰部速度与限位光电传感器光电探头测量转过圆盘缺口的数量，产生相同数量的脉冲，测量转动速度，当限位凸肩插入腰部速度与限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转；所述大臂限位光电传感器(13)由大臂限位光电传感器光电探头(29)，限位凸肩组成，当限位凸肩插入大臂限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转；所述小臂限位光电传感器(12)由小臂限位光电传感器光电探头(30)与限位凸肩组成，当限位凸肩插入小臂限位光电传感器光电探头时，电路断电或反接，进行限位或反转。

5.根据权利要求3所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述末端执行机构速度与限位光电传感器(8)由末端执行机构速度与限位光电传感器光电探头，圆盘缺口、限位凸肩组成，通过末端执行机构速度与限位光电传感器光电探头测量转过圆盘缺口的数量，产生相同数量的脉冲，测量手部旋转速度，当限位凸肩插入传感器光电探头时，末端执行机构中的伺服电机控制电路断电或反接，进行限位或反转。

6.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述大臂小臂测速直流电机(37)包括由永磁体(51)、转子线圈(52)、整流子(53)、电刷(54)组成的直流测速发电机，直流测速发电机与机器人关节驱动伺服电机同轴连接，能够测出机器人运动过程的关节转动速度，直流测速发电机作为机器人闭环系统反馈原件，组成直流测速发电机反馈系统(55)，进行速度控制。

7.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述控制柜(38)由伺服驱动器(20)、伺服控制器(22)、PC控制系统(26)通过导线(21)连接而成，控制柜用于控制整个机器人运动；所述伺服驱动器(20)用来驱动各关节伺服驱动电机。

8.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：示教器(23)包括手控按钮、显示器。

9.根据权利要求1所述的关节型中载智能控制码垛机器人，其特征在于：所述缓冲平衡装置(11)采用弹簧缓冲器，由弹簧(56)、壳体(57)、导轨(58)、密封端盖(59)组成。

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