CN104850117B - 一种机器人自动化生产线实验平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人自动化生产线实验平台及其控制方法，其特征是：实验平台中设置三条并联的不同传送方向的传送带及气缸推杆实现工件和包装盒的循环输送操作；采用工业视觉***对工件进行图像信息以及位姿信息的获取；采用机器人及其抓手进行工件的拣取和装箱操作；采用滑台及其抓手对载件盒进行工件的卸载操作；通过对平台进行不同的设置实现不同的工作模式的运行。本发明为生产线上的不同工作模式的研究、模拟和控制方法的验证提供了试验手段，也为相关的教学研究提供了实验装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人自动化生产线实验平台及其控制方法，是为针对机器人生产线进行研究提供实验手段，也为相关的教学研究提供的实验装置。
背景技术
随着现代工业的快速的发展，机器人自动化生产线在工业生产领域的应用日趋广泛，如在电子制造、汽车制造、加工包装、货物分拣等领域。特别是机器视觉技术在生产线上的运用，极大地提高了***的柔性化、智能化和自动化水平。该类自动化生产线通常配置一个或多个用于拣取或加工的机器人作为具体执行机构；配置一条或多条传送带用于输送工件和包装盒；配置工业视觉***用于工件的定位、识别、尺寸测量等不同的操作。
随着社会经济的发展，生产加工的特殊化、专业化、随机化对自动化生产线的生产效率、生产多用性、智能性以及灵活性提出了更高的要求。尤其是针对非固定节拍、随机供料等生产方式的自动化生产线，在正式投入使用的前期，需要对***集成和控制方法进行大量的研究和调试工作。而在现有的生产线相关问题的研究上，尤其是对生产线具体运行模式、操作的描述上，缺乏一个直观、***的物理***基础。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种机器人自动化生产线实验平台及其控制方法，以便为生产线不同工作模式的研究、模拟和控制方法的验证提供试验手段，也为相关的教学研究提供实验装置。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明机器人自动化生产线实验平台的结构特点是：
在实验平台上、处在同一平面上并沿X方向并列设置三条传送带，自一侧至另一侧依次为第一传送带、第二传送带和第三传送带；第一传送带和第二传送带的传送方向为从左向右，并令从左向右的运动方向为下行，第三传送带的传送方向为从右向左，并令从右向左的运动方向为上行，在所述第一传送带上传送的是下行工件；在所述第二传送带上传送的是没有装载工件的下行空载盒和/或载有工件的下行载件盒；在所述第三传送带上传送的是上行载件盒。
在所述实验平台上，处在所述第二传送带的右端设置有第一气缸推杆和第一光电传感器，处在所述第二传送带的中部设置有第三光电传感器，利用所述第三光电传感器检测获得第二传送带上的下行空载盒的下行空载盒到位信号，根据所述下行空载盒到位信号控制第一气动抓手将运行在第一传送带上的下行工件朝向所述下行空载盒中进行装箱，使下行空载盒装箱后成为下行载件盒；利用第一光电传感器检测获得运行在第二传送带上的下行载件盒的下行载件盒到位信号，利用所述下行载件盒到位信号控制所述第一气缸推杆将所述下行载件盒推向第三传送带成为上行载件盒。
在所述实验平台上，处在所述第三传送带的左端分别设置第二气缸推杆和第二光电传感器，由所述第二光电传感器检测获得运行在第三传送带上的上行载件盒的上行载件盒到位信号，根据所述上行载件盒到位信号控制第二气动抓手将运行在第三传送带上的上行载件盒中的工件朝向第一传送带进行卸载并成为下行工件，由所述第二气缸推杆将卸载后的上行载件盒推向第二传送带成为下行空载盒。
在所述第一传送带的外侧，处在所述第一传送带的左端位置处固定设置相机支架，在所述相机支架上分别安装有用于获取下行工件的图像信息的工业相机和相机光源；在所述工业相机的下方、处在第一传送带的外侧设置第四光电传感器，以所述第四光电传感器检测获得的第一传送带上的下行工件的工件到位信号，以所述工件到位信号触发工业相机获取下行工件的图像信息。
在所述实验平台上，处在所述第一传送带的外侧固定安装机器人，所述第一气动抓手是配置在机器人上的气动抓手，所述第一气动抓手是具有多个吸盘的吸盘式抓手。
本发明机器人自动化生产线实验平台的结构特点也在于：在所述实验平台的左端，横跨在第一传送带和第三传送带之间的上方固定设置有呈X向的水平滑台，所述水平滑台可沿X向移动，在所述水平滑台的滑座上固定设置可沿Z向移动的竖向滑台，所述第二气动抓手固定设置在所述竖向滑台的底端，所述第二气动抓手为具有多个吸盘的吸盘式抓手。
本发明机器人自动化生产线实验平台的结构特点也在于：在所述实验平台上、处在所述机器人的右侧、并且是所述第一气动抓手所能及的位置上固定设置包装盒储放平台，外置包装盒存放在包装盒储放平台上。
本发明机器人自动化生产线实验平台的结构特点也在于：所述相机支架设置为框架，在所述框架的四周及顶部设置滤光玻璃形成工业相机的滤光罩。
本发明机器人自动化生产线实验平台的工作模式，其特点是设置工作模式一为：根据***设定的投料方式生成相应的投料时间点和投料位置，利用第二气动抓手将上行载件盒中的工件移送至第一传送带，实现第一传送带上的下行工件的投放；利用第四光电传感器获得下行工件的工件到位信号及到位时间点，以所述工件到位信号触发工业相机获取下行工件的图像信息，利用图像信息获得下行工件的位姿信息；所述第一气动抓手根据所述下行工件的到位时间点和位姿信息执行将运行在第一传送带上的下行工件朝向运行在第二传送带上的下行空载盒中装箱的操作；所述下行空载盒在完成装箱后成为下行载件盒；利用第一光电传感器检测获得运行在第二传送带上的下行载件盒的下行载件盒到位信号，利用所述下行载件盒到位信号控制第一气缸推杆将所述下行载件盒推向第三传送带成为上行载件盒；在所述上行载件盒运行至第三传送带的左端时，由第二光电传感器检测获得运行在第三传送带上的上行载件盒的上行载件盒到位信号，根据所述上行载件盒到位信号控制第二气动抓手对运行在第三传送带上的上行载件盒中的工件进行卸载并向第一传送带投料的操作，第二气缸推杆将卸载后的上行载件盒推向第二传送带成为下行空载盒，从而完成自动循环工作模式的工件及包装盒的循环操作过程。
本发明机器人自动化生产线实验平台的工作模式，其特点是设置工作模式二为：利用第四光电传感器获得下行工件的工件到位信号及到位时间点，以所述工件到位信号触发工业相机获取下行工件的图像信息，利用图像信息获得下行工件的位姿信息；所述第一气动抓手根据所述下行工件到位时间点和位姿信息执行将运行在第一传送带上的下行工件朝向外置包装盒中装箱的操作。
本发明机器人自动化生产线实验平台的工作模式二的控制方法，其特点是按如下过程进行：
下行工件自第一传送带的左端随机向机器人所在一端输送，定义前视距离为机器人向左观测的一段距离，以前视距离作为控制变量即行动，所述前视距离是根据控制方案进行设定；
对于匀速运行的第一传送带，将所述前视距离转换为前视时间t，令Tmin为最小前视时间，Tmax为最大前视时间，定义行动集合D为：D＝[Tmin,Tmax]，即t∈D；
对于具有M个吸盘的第一气动抓手，将第一气动抓手中吸盘的空余量作为状态X(Tn)，其中Tn为第n个决策时刻，定义决策时刻为机器人完成本次操作的时刻；状态空间Φ为：Φ＝{0,1,...,M}，即X(Tn)∈Φ；以行动ti表示在状态X(Tn)＝i下应采取的行动，其中i＝0,1,...,M；定义一个平稳的策略v为状态到行动的映射，则v＝[t0,t1,...,tM]；通过***的优化学习获得最优策略v*，在最优策略v*下，行动ti表示在状态X(Tn)＝i下应采取的最优行动，t0＝0,tM等于无穷大；
令在第一传送带上、位于机器人左侧并与机器人最为接近的一个下行工件运行到达机器人的拣取位置的时间为twait，在最优策略v*下，在决策时刻Tn、状态X(Tn)＝i时，***按如下方式决策：
若twait＜ti，机器人等待离拣取位置最近的工件到达执行在第一传送带上拣取工件的动作；
若twait＞ti，机器人执行将已经抓取在第一气动抓手上的工件放置于外置包装盒上的动作。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可为生产线上的不同工作模式的研究、模拟和控制方法验证提供有效的试验手段，也为相关的教学研究提供了实验装置。
2、本发明实验平台中采用三条并联的不同传送方向的传送带来实现工件和包装盒的两个循环工作，更能节省工作空间和成本。
3、本发明可根据设在单传送带和多传送带的不同工作模式之间进行切换；多传送带工作模式用于模拟生产线节拍式生产过程，并可实现自动循环工作；单传送带工作模式模拟生产线非节拍式、随机供料的生产过程，并在单传送带工作模式融入机器人前视距离的概念，可以进行前视距离最优控制研究。结合智能算法来实现柔性生产线模拟和生产过程最优化控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中标号：1第一传送带，2第二传送带，3第三传送带，4第一气缸推杆，5第二气缸推杆，6第一光电传感器，7第二光电传感器，8第三光电传感器，9下行工件，10a下行空载盒，10b下行载件盒，10c上行载件盒，11实验平台，12机器人，13第一气动抓手，14包装盒储放平台，15外置包装盒，16相机支架，17工业相机，18相机光源，19滤光玻璃，20第四光电传感器，21a水平滑台，21b竖向滑台，22第二气动抓手。
具体实施方式
参见图1，本实施例中机器人自动化生产线实验平台的结构形式是：
在实验平台11上、处在同一平面上并沿X方向并列设置三条传送带，自一侧至另一侧依次为第一传送带1、第二传送带2和第三传送带3；第一传送带1和第二传送带2的传送方向为从左向右，并令从左向右的运动方向为下行，第三传送带3的传送方向为从右向左，并令从右向左的运动方向为上行，在第一传送带1上传送的是下行工件9；在第二传送带2上传送的是没有装载工件的下行空载盒10a和/或载有工件的下行载件盒10b；在第三传送带3上传送的是上行载件盒10c；包装盒一次可容纳4个工件，为保证包装盒能够均匀地在第二传送带2和第三传送带3上循环输送，设置第二传送带2和第三传送带3为相同的运动速度。
在实验平台11上，处在第二传送带2的右端设置有第一气缸推杆4和第一光电传感器6，处在第二传送带2的中部设置有第三光电传感器8，利用第三光电传感器8检测获得第二传送带2上的下行空载盒10a的下行空载盒到位信号，根据下行空载盒到位信号控制第一气动抓手13将运行在第一传送带1上的下行工件9朝向下行空载盒10a中进行装箱，使下行空载盒10a装箱后成为下行载件盒10b，装箱过程采取第一气动抓手13定位跟踪下行空载盒10a的方式；利用第一光电传感器6检测获得运行在第二传送带2上的下行载件盒10b的下行载件盒到位信号，利用下行载件盒到位信号控制第一气缸推杆4将下行载件盒10b推向第三传送带3成为上行载件盒10c。
在实验平台11上，处在第三传送带3的左端分别设置第二气缸推杆5和第二光电传感器7，由第二光电传感器7检测获得运行在第三传送带3上的上行载件盒10c的上行载件盒到位信号，根据上行载件盒到位信号控制第二气动抓手22将运行在第三传送带3上的上行载件盒10c中的工件朝向第一传送带1进行卸载并成为下行工件9，由第二气缸推杆5将卸载后的上行载件盒10c推向第二传送带2成为下行空载盒10a。
为实现下行载件盒10b和上行载件盒10c能够分别被准确推送到另一条传送带上，气缸推杆4和气缸推杆5的行程均为第二传送带2和第三传送带3的宽度之和。
在第一传送带1的外侧，处在第一传送带1的左端位置处固定设置相机支架16，在相机支架16上分别安装有用于获取下行工件9的图像信息的工业相机17和相机光源18；在工业相机17的下方、处在第一传送带1的外侧设置第四光电传感器20，以第四光电传感器20检测获得的第一传送带1上的下行工件9的工件到位信号，以工件到位信号触发工业相机17获取下行工件9的图像信息。
在实验平台11上，处在第一传送带1的外侧固定安装机器人12，机器人12为六自由度工业机器人，第一气动抓手13是配置在机器人12第六轴的法兰盘上的气动抓手，第六轴的法兰盘是用于安装抓手的安装盘，第一气动抓手13是具有多个吸盘的吸盘式抓手。
具体实施例中，在实验平台11的左端，横跨在第一传送带1和第三传送带3之间的上方固定设置有呈X向的水平滑台21a，水平滑台21a可沿X向移动，在水平滑台的滑座上固定设置可沿Z向移动的竖向滑台21b，第二气动抓手22固定设置在竖向滑台21b的底端，第二气动抓手22为具有多个吸盘的吸盘式抓手；水平滑台21a和竖向滑台21b由伺服电机驱动，采用滑座安装方式组成了二自由度的机械装置，该机械装置结合第二气动抓手22可进行上行载件盒的工件卸载操作，以及精准地向第一传送带1投送下行工件。水平滑台21a的运动行程应大于三条传送带的宽度之和。在实验平台11上、处在机器人12的右侧、并且是第一气动抓手13所能及的位置上固定设置包装盒储放平台14，外置包装盒15存放在包装盒储放平台14上；相机支架16设置为框架，在框架的四周及顶部设置滤光玻璃19形成工业相机17的滤光罩。
本实施例中机器人自动化生产线实验平台的工作模式为：
工作模式一：根据***设定的投料方式生成相应的投料时间点和投料位置，利用第二气动抓手22将上行载件盒10c中的工件移送至第一传送带1，实现第一传送带1上的下行工件9的投放；利用第四光电传感器20获得下行工件9的工件到位信号及到位时间点，以工件到位信号触发工业相机17获取下行工件9的图像信息，利用图像信息获得下行工件9的位姿信息；第一气动抓手13根据下行工件9的到位时间点和位姿信息执行将运行在第一传送带1上的下行工件9朝向运行在第二传送带上的下行空载盒10a中装箱的操作；下行空载盒10a在完成装箱后成为下行载件盒10b；利用第一光电传感器6检测获得运行在第二传送带2上的下行载件盒10b的下行载件盒到位信号，利用下行载件盒到位信号控制第一气缸推杆4将下行载件盒10b推向第三传送带3成为上行载件盒10c；在上行载件盒10c运行至第三传送带3的左端时，由第二光电传感器7检测获得运行在第三传送带3上的上行载件盒10c的上行载件盒到位信号，根据所述上行载件盒到位信号控制第二气动抓手22对运行在第三传送带3上的上行载件盒10c中的工件进行卸载并向第一传送带1投料的操作，第二气缸推杆5将卸载后的上行载件盒10c推向第二传送带2成为下行空载盒10a，从而完成自动循环工作模式的工件及包装盒的循环操作过程。
工作模式二：利用第四光电传感器20获得下行工件9的工件到位信号及到位时间点，以工件到位信号触发工业相机17获取下行工件9的图像信息，利用图像信息获得下行工件9的位姿信息；第一气动抓手13根据下行工件9到位时间点和位姿信息执行将运行在第一传送带1上的下行工件9朝向外置包装盒中装箱的操作。
本实施例中工作模式二的控制方式为：
下行工件9自第一传送带1的左端随机向机器人12所在一端输送，定义前视距离为机器人12向左观测的一段距离，以前视距离作为控制变量即行动，所述前视距离是根据控制方案进行设定；
对于匀速运行的第一传送带1，将所述前视距离转换为前视时间t，令Tmin为最小前视时间，Tmax为最大前视时间，定义行动集合D为：D＝[Tmin,Tmax]，即t∈D；
对于具有M个吸盘的第一气动抓手13，将第一气动抓手13中吸盘的空余量作为状态X(Tn)，其中Tn为第n个决策时刻，定义决策时刻为机器人完成本次操作的时刻；状态空间Φ为：Φ＝{0,1,...,M}，即X(Tn)∈Φ；以行动ti表示在状态X(Tn)＝i下应采取的行动，其中i＝0,1,...,M；定义一个平稳的策略v为状态到行动的映射，则v＝[t0,t1,...,tM]；通过***的优化学习获得最优策略v*，在最优策略v*下，行动ti表示在状态X(Tn)＝i下应采取的最优行动，t0＝0,tM等于无穷大；
令在第一传送带1上、位于机器人左侧并与机器人最为接近的一个下行工件运行到达机器人的拣取位置的时间为twait，在最优策略v*下，在决策时刻Tn、状态X(Tn)＝i时，***按如下方式决策：
若twait＜ti，机器人12等待离拣取位置最近的工件到达执行在第一传送带1上拣取工件的动作；
若twait＞ti，机器人12执行将已经抓取在第一气动抓手13上的工件放置于外置包装盒15上的动作。
Claims (4)
1.一种机器人自动化生产线实验平台，其特征是：
在实验平台(11)上、处在同一平面上并沿X方向并列设置三条传送带，自一侧至另一侧依次为第一传送带(1)、第二传送带(2)和第三传送带(3)；第一传送带(1)和第二传送带(2)的传送方向为从左向右，并令从左向右的运动方向为下行，第三传送带(3)的传送方向为从右向左，并令从右向左的运动方向为上行，在所述第一传送带(1)上传送的是下行工件(9)；在所述第二传送带(2)上传送的是没有装载工件的下行空载盒(10a)和/或载有工件的下行载件盒(10b)；在所述第三传送带(3)上传送的是上行载件盒(10c)；
在所述实验平台(11)上，处在所述第二传送带(2)的右端设置有第一气缸推杆(4)和第一光电传感器(6)，处在所述第二传送带(2)的中部设置有第三光电传感器(8)，利用所述第三光电传感器(8)检测获得第二传送带(2)上的下行空载盒(10a)的下行空载盒到位信号，根据所述下行空载盒到位信号控制第一气动抓手(13)将运行在第一传送带(1)上的下行工件(9)朝向所述下行空载盒(10a)中进行装箱，使下行空载盒(10a)装箱后成为下行载件盒(10b)；利用第一光电传感器(6)检测获得运行在第二传送带(2)上的下行载件盒(10b)的下行载件盒到位信号，利用所述下行载件盒到位信号控制所述第一气缸推杆(4)将所述下行载件盒(10b)推向第三传送带(3)成为上行载件盒(10c)；
在所述实验平台(11)上，处在所述第三传送带(3)的左端分别设置第二气缸推杆(5)和第二光电传感器(7)，由所述第二光电传感器(7)检测获得运行在第三传送带(3)上的上行载件盒(10c)的上行载件盒到位信号，根据所述上行载件盒到位信号控制第二气动抓手(22)将运行在第三传送带(3)上的上行载件盒(10c)中的工件朝向第一传送带(1)进行卸载并成为下行工件(9)，由所述第二气缸推杆(5)将卸载后的上行载件盒(10c)推向第二传送带(2)成为下行空载盒(10a)；
在所述第一传送带(1)的外侧，处在所述第一传送带(1)的左端位置处固定设置相机支架(16)，在所述相机支架(16)上分别安装有用于获取下行工件(9)的图像信息的工业相机(17)和相机光源(18)；在所述工业相机(17)的下方、处在第一传送带(1)的外侧设置第四光电传感器(20)，以所述第四光电传感器(20)检测获得的第一传送带(1)上的下行工件(9)的工件到位信号，以所述工件到位信号触发工业相机(17)获取下行工件(9)的图像信息；
在所述实验平台(11)上，处在所述第一传送带(1)的外侧固定安装机器人(12)，所述第一气动抓手(13)是配置在机器人(12)上的气动抓手，所述第一气动抓手(13)是具有多个吸盘的吸盘式抓手。
2.根据权利要求1所述的机器人自动化生产线实验平台，其特征是：在所述实验平台(11)的左端，横跨在第一传送带(1)和第三传送带(3)之间的上方固定设置有呈X向的水平滑台(21a)，所述水平滑台(21a)可沿X向移动，在所述水平滑台的滑座上固定设置可沿Z向移动的竖向滑台(21b)，所述第二气动抓手(22)固定设置在所述竖向滑台(21b)的底端，所述第二气动抓手(22)为具有多个吸盘的吸盘式抓手。
3.根据权利要求1所述的机器人自动化生产线实验平台，其特征是：在所述实验平台(11)上、处在所述机器人(12)的右侧、并且是所述第一气动抓手(13)所能及的位置上固定设置包装盒储放平台(14)，外置包装盒(15)存放在包装盒储放平台(14)上。
4.根据权利要求1所述的机器人自动化生产线实验平台，其特征是：所述相机支架(16)设置为框架，在所述框架的四周及顶部设置滤光玻璃(19)形成工业相机(17)的滤光罩。
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