CN218614033U - 一种机器人仿生操作系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人仿生操作系统，包括：操作臂、控制模块、机器人；所述操作臂与控制模块、控制模块与机器人之间均采用PN数据线实现数据传输；所述操作臂模拟机器人多轴关节结构，设置有若干旋转关节，通过控制模块实现操作臂与机器人之间1对1的关节对关节驱动。本实用新型所述操作系统，在有毒、高温等人员无法在现场工作的特殊工况下，由人的手臂动作牵引操作臂动作，并利用操作臂的姿态反应手臂的姿态，使手臂的姿态通过该操作臂数据化，通过控制系统将该数据同步到机器人，控制机器人按人手臂动作运行，从而远程遥控机器人完成工作，无需预先编程，即可实现机器人实时跟随人手臂运行的仿生作业。

Description

一种机器人仿生操作系统

技术领域

本实用新型涉及铸造技术领域，具体地说是一种机器人仿生操作系统。

背景技术

机器人是现有的成熟技术，在工件抓取、码垛、装配等领域广泛使用，配套的视觉引导功能已十分完善。但现有的技术并不能满足在特殊工况下机器人的全自动可靠工作。具体的原因如下：

(1)普通的编程机器人之所以可实现定位抓取、定位摆放，需要工件定位准确、姿态确定。

(2)采用视觉引导机器人工作的方式，不需要依靠机械工装定位，虽然可以解决工件的视觉定位，有很强的灵活性，增加了机器人的应用范围；但目前，视觉相机的识别算法对于现场灰尘比较大的恶劣环境应用可靠性差，对于工件形态变化较大的工况无法良好识别。

(3)在铸造行业中，由于其现场作业环境的特殊性，使得：

①、其工件颜色多变；现场灰尘较大，背景复杂，铸件粘砂为黑色，不粘砂可能为白色，且每个工件粘砂状况不一，颜色不统一。

②、其工件形态多变；铸件在落砂过程中，浇道、帽口因振动会有不同程度的脱落，有的是单纯工件，有的工件带浇道，有的工件带帽口，使得工件形态不一致造成视觉无法识别。

③、其工件姿态多变；工件在落砂机下料端或者在磷板输送过程中由于自身浇道与帽口的影响，横竖交叉、堆叠，造成工件姿态的不确定性。

由此，在铸件行业中，后处理工序工件运量大，劳动强度高；而现有技术无法对工件进行识别与定位，限制了机器人在该领域的应用，目前，只能依靠人工解决。

实用新型内容

本实用新型就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种机器人仿生操作系统，所述操作系统无需对机器人预先编程，使操作臂作为人手臂的外骨骼，由人的手臂动作牵引操作臂动作，并利用操作臂的姿态反应手臂的姿态，使手臂的姿态通过该操作臂数据化，并通过控制系统将该数据同步到机器人，控制机器人按人手臂动作运行，实现机器人实时跟随人手臂运行，并实时响应人手臂动作。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种机器人仿生操作系统，包括：操作臂、控制模块、机器人；所述操作臂与控制模块、控制模块与机器人之间均采用PN数据线实现数据传输。

优选的，所述操作臂模拟机器人多轴关节结构，设置有若干旋转关节，通过控制模块实现操作臂与机器人之间1对1的关节对关节驱动。

优选的，所述控制模块包括：可编程控制器、HMI界面、驱动器。

优选的，所述HMI界面通过控制线路对可编程控制器进行预编程作业。

优选的，所述可编程控制器通过控制线路控制驱动器向控制目标发送控制指令。

优选的，所述可编程控制器将控制数据与控制目标数据交互，生成驱动器标准控制指令，并控制驱动器向控制目标发送控制指令，使控制目标跟随驱动装置同步运行。

优选的，所述操作臂和机器人的每个旋转关节内均设置有关节伺服电机；所述关节伺服电机内设置有编码器；所述编码器随关节伺服电机一同旋转；并由所述编码器采样位置数据。

优选的，所述操作臂由手臂带动，实时反应手臂的真实动作；并将操作臂的位置数据传输至控制模块。

优选的，所述控制模块向机器人发送控制指令，使机器人跟随操作臂同步运行，实现操作臂的全手动仿生作业模式。

优选的，所述操作臂的每个旋转关节内还设置有重力传感器。

优选的，所述控制模块接收所述重力传感器的数据，控制操作臂的关节伺服电机对操作臂重量进行反向配重，使操作臂在任何位置均实现重力平衡，形成操作臂重力平衡模式。

优选的，所述控制模块设定所述操作臂每个关节伺服电机的定位速度，手臂牵引速度超过定位速度，所述控制模块控制关节伺服电机产生额定扭矩，使手臂克服额定扭矩才能拖动操作臂运行，形成操作臂速度阻尼模式。

优选的，所述机器人将机器人的位置数据传输至控制模块；所述控制模块向操作臂发送控制指令，使操作臂自主运行同步至机器人当前姿态，使操作臂与机器人姿态统一，实现启动同步模式。

优选的，所述机器人将机器人的位置数据传输至控制模块；所述控制模块向操作臂发送控制指令，使操作臂跟随机器人同步运行，实时反应机器人的动作，实现机器人的全自动作业模式。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所述操作系统，在有毒、高温等人员无法在现场工作的特殊工况下，由人的手臂动作牵引操作臂动作，并利用操作臂的姿态反应手臂的姿态，使手臂的姿态通过该操作臂数据化，通过控制系统将该数据同步到机器人，控制机器人按人手臂动作运行，从而远程遥控机器人完成工作，无需预先编程，即可实现机器人实时跟随人手臂运行的仿生作业。

2、本实用新型独立开发适配其所述操作系统的控制系统，采用可编程控制器及PN通讯模块，大大缩短了机器人与操作臂之间的操作延时，进而实现了机器人实时响应人手臂动作的仿生作业。

3、本实用新型所述操作系统，克服了视觉无法准确识别的恶劣环境下机器人的应用问题，拓宽了机器人的应用领域；实现了特殊工况下机器以仿生方式代人作业的作业模式，降低了劳动强度，减少了人员伤害风险，提高了劳动效率，降低了企业用工成本。

附图说明

图1是本实用新型所述操作臂的结构示意图；

图2是本实用新型所述操作系统的结构示意图；

图中：1-第一旋转关节、2-限位座、3-第三旋转关节、4-第二旋转关节、5-连接臂、6-第四旋转关节、7-第五旋转关节、8-多功能手柄、9-底座。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

一种机器人仿生操作系统，包括：操作臂、控制模块、机器人。

所述操作臂与控制模块、控制模块与机器人之间均采用PN传输线实现数据传输。

所述操作臂模拟机器人多轴关节结构，设置有若干旋转关节，实现1对1的关节对关节的驱动。

优选的，本实施例中，所述机器人采用六轴关节结构，包括：第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节；所述第五关节连接有机械爪。

所述机器人的每个关节内均设置有关节伺服电机，所述关节伺服电机内设置有编码器，优选的，所述编码器采用单圈绝对值编码器；所述关节伺服电机采用直流无刷伺服电机，所述编码器随关节伺服电机一同旋转，利用编码器实时反应所述机器人的关节轴状态，将所述机器人的关节轴位置数据由PN传输线传递至控制模块，由控制模块通过PN传输线向操作臂发送控制指令，使操作臂跟随机器人同步运行。

相应的，所述操作臂设置有第一旋转关节1、第二旋转关节4、第三旋转关节3、第四旋转关节6、第五旋转关节7；在第三旋转关节3与第四旋转关节6之间设置有连接臂5，利用连接臂5贴合手臂，由手臂带动连接臂5，从而使所述操作臂实时反应手臂的真实动作，将手臂动作采样为所述操作臂的关节轴位置数据。

所述第一旋转关节1下方通过限位座2固定在底座9上。

所述第五旋转关节7末端连接多功能手柄8，利用多功能手柄8贴合手部抓握及手部按键操作，由手部带动及操作多功能手柄，从而使所述操作臂实时反应手部的真实动作，将手部动作采样为机械爪运动数据。

所述操作臂的每个旋转关节内均设置有关节伺服电机，所述关节伺服电机内设置有编码器，优选的，所述编码器采用单圈绝对值编码器；所述关节伺服电机采用直流无刷伺服电机，在旋转关节被拖动变位时，使编码器随关节伺服电机一同旋转，利用编码器实时反应所述操作臂的关节轴状态，将所述操作臂的关节轴位置数据由PN传输线传递至控制模块，由控制模块通过PN传输线向机器人发送控制指令，使机器人跟随操作臂同步运行。

所述控制模块包括：可编程控制器、HMI界面、驱动器。

HMI是Human Machine Interface的缩写，意思是“人机接口”，也叫人机界面。

所述可编程控制器，采用标准化外部数据，将控制数据与控制目标数据交互，生成驱动器标准控制指令，并控制驱动器发送指令。

所述可编程控制器具备示教编程功能，通过HMI界面将可编程控制器进行预编程，并控制所述可编程控制器，进而控制驱动器，使驱动器向操作臂或机器人下发控制指令，使所述操作系统即可实现操作臂的全手动仿生作业模式，也可实现机器人的全自动作业模式，或者仿生与自动搭配组合作业模式。

所述操作系统设置有启动同步模式，所述操作系统启动时，操作臂、机器人分别将编码器采集的空间位置数据通过PN传输线发送给可编程控制器，可编程控制器接收数据后，将空间位置数据转换为操作臂关节运动数据，并生成驱动器标准控制指令，所述可编程控制器控制驱动器，使驱动器向操作臂下发控制指令，控制操作臂各关节伺服电机自主运行，无需人工牵引，依据各编码器反馈的信息，即可使操作臂自主运行同步到机器人的当前姿态，同步后，使操作臂与机器人姿态统一，从而使操作臂与机器人实现启动操作时姿态无跳跃。

所述操作系统设置有操作臂重力平衡模式，所述操作臂每个旋转关节内还设置有传感器，将旋转关节处的操作臂重量数据通过PN传输线发送给可编程控制器，可编程控制器接收数据后，将重量数据转换为操作臂关节伺服电机运行数据，并生成驱动器标准控制指令，所述可编程控制器控制驱动器，使驱动器向操作臂各关节伺服电机下发控制指令，控制操作臂各关节伺服电机对操作臂重量进行反向配重，使操作臂各旋转关节达到重力平衡，无需弹簧、气缸等额外配重机械结构，从而使操作臂结构简单、操作灵活。

所述控制系统设置有操作臂速度阻尼模式，所述可编程控制器将关节伺服电机设定为定位模式，指定关节伺服电机的定位速度，在手臂牵引操作臂运行时，如手臂牵引速度没有超过定位速度，则关节伺服电机主动跟随手臂牵引，如手臂牵引速度超过定位速度，则关节伺服电机处于被动拖动状态，此时，可编程控制器将控制关节伺服电机产生额定扭矩，手臂需克服额定扭矩，才能拖动操作臂运行，所述额定扭矩为手臂的负载，对手臂牵引形成阻尼力。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种机器人仿生操作系统，其特征在于，包括：操作臂、控制模块、机器人；所述操作臂与控制模块、控制模块与机器人之间均采用PN数据线实现数据传输；

所述操作臂模拟机器人多轴关节结构，设置有若干旋转关节，通过控制模块实现操作臂与机器人之间1对1的关节对关节驱动。

2.如权利要求1所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述控制模块包括：可编程控制器、HMI界面、驱动器；

所述HMI界面通过控制线路对可编程控制器进行预编程作业；

所述可编程控制器通过控制线路控制驱动器向控制目标发送控制指令。

3.如权利要求2所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述可编程控制器将控制数据与控制目标数据交互，生成驱动器标准控制指令，并控制驱动器向控制目标发送控制指令，使控制目标跟随驱动装置同步运行。

4.如权利要求1所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述操作臂和机器人的每个旋转关节内均设置有关节伺服电机；所述关节伺服电机内设置有编码器；所述编码器随关节伺服电机一同旋转；并由所述编码器采样位置数据。

5.如权利要求4所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述操作臂由手臂带动，实时反应手臂的真实动作；并将操作臂的位置数据传输至控制模块；

所述控制模块向机器人发送控制指令，使机器人跟随操作臂同步运行，实现操作臂的全手动仿生作业模式。

6.如权利要求4所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述操作臂的每个旋转关节内还设置有重力传感器。

7.如权利要求6所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述控制模块接收所述重力传感器的数据，控制操作臂的关节伺服电机对操作臂重量进行反向配重，使操作臂在任何位置均实现重力平衡，形成操作臂重力平衡模式。

8.如权利要求4所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述控制模块设定所述操作臂每个关节伺服电机的定位速度，手臂牵引速度超过定位速度，所述控制模块控制关节伺服电机产生额定扭矩，使手臂克服额定扭矩才能拖动操作臂运行，形成操作臂速度阻尼模式。

9.如权利要求4所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述机器人将机器人的位置数据传输至控制模块；所述控制模块向操作臂发送控制指令，使操作臂自主运行同步至机器人当前姿态，使操作臂与机器人姿态统一，实现启动同步模式。

10.如权利要求4所述的机器人仿生操作系统，其特征在于，所述机器人将机器人的位置数据传输至控制模块；所述控制模块向操作臂发送控制指令，使操作臂跟随机器人同步运行，实时反应机器人的动作，实现机器人的全自动作业模式。

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