CN112570906A - 一种高效智能化切割机器人及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效智能化切割机器人及其工作方法,包括立柱、移动基座、机械臂、光纤激光器、多传感器,所述立柱竖直安装在移动基座上,所述立柱正面上安装有Z轴部件,所述Z轴部件上安装有Z轴滑台,所述Z轴部件通过Z轴伺服电机驱动Z轴部件的丝杠螺母机构,实现Z轴滑台Z方向的运动;所述机械臂的一端安装在Z轴滑台正面,所述机械臂的另一端安装光纤激光器;所述立柱顶部设置有所述多传感器。本发明所述的高效智能化切割机器人及其工作方法结构设计合理,采用非接触的机器视觉检测,通过多传感器、避障超声波传感器使切割机器人实时确定自身位置、合理规划切割路径,实现切割机器人精准移动、光纤激光器精准移动,应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种高效智能化切割机器人及其工作方法。
背景技术
智能机器人发展成为各国发展的重要的一部分,成为当世界科技领域最为重要的一个先机,成为国家战略的重要组成部分,吸引了大量科技工作者的关注和研究,大力发展机器人产业,对推动工业转型升级改善人民生活具有重要的意义。机器人在许多方面都得到普及, 因此切割机器人应用而生。
随着国民生活水平的提高和社会经济的发展,人们对实际生产提出更高的要求,追求产品的质量。为了提高产品的生产效率和标准性,在机器人的切割行业中存在着许多的问题。在切割过程中,要求切割机器人进一步提高切割效率、降低待机时、扩大应用面、降低运行成等,提高切割机器人性能。此外,由于切割机器人加工速度快,这对切割机器人的结构尺寸及运动灵活性提出了较高的要求。现有技术中的切割机器人,由于不具有合理的结构设计,在运动性能及动力特性有一定的欠缺,在生产过程中,会对产品的精度、质量、效率产生一定的影响。此外,针对小批量, 多品种的工件切割,现有技术中的切割机器人智能性也达不到标准。因此,需要研发出一种高效智能化切割机器人及其工作方法,以来解决上述技术问题。
中国专利申请号为CN201910608327.X公开了一种光纤激光切割机,包括机体,所述机体上侧安装有操作台,解决了现有技术中激光切割机只能进行线性切割处理,不能对金属板或金属片进行切圆处理,没有对切割机器人的智能性、移动灵活性、精度、切割质量、效率进行改进。
发明内容
发明目的:为了克服以上不足,本发明的目的是提供一种高效智能化切割机器人及其工作方法,结构设计合理,采用非接触的机器视觉检测,通过多传感器、避障超声波传感器使切割机器人实时确定自身位置、合理规划切割路径,实现切割机器人精准移动、光纤激光器精准移动,自动化程度高、高精度、高效率,智能化程度高,应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种高效智能化切割机器人,包括立柱、移动基座、机械臂、光纤激光器、多传感器,所述立柱竖直安装在移动基座上,所述立柱正面上安装有Z轴部件,所述Z轴部件上安装有Z轴滑台,所述Z轴部件通过 Z 轴伺服电机驱动Z轴部件的丝杠螺母机构,实现 Z轴滑台Z方向的运动;所述机械臂的一端安装在Z轴滑台正面,所述机械臂的另一端安装光纤激光器;所述立柱顶部设置有所述多传感器;所述移动基座底盘安装有STM32嵌入式芯片作为下层硬件驱动控制器,所述移动基座内部安装有搭载 Intel 处理器的嵌入式工控机作为为上层算法应用控制器,所述STM32嵌入式芯片与嵌入式工控机通过 USB 串口完成实时数据交换;所述移动基座内部还安装有4个直流电机,4个直流电机采用独立的方式驱动移动基座底盘的对应的4个机轮;所述STM32嵌入式芯片分别对Z 轴伺服电机、直流电机进行驱动控制;所述移动基座左、右、前、后的4个侧面均安装有避障超声波传感器,所述避障超声波传感器、光纤激光器与嵌入式工控机通讯连接,所述多传感器与嵌入式工控机通过数据线和WIFI相互连接;所述立柱背面设置有控制面板,所述控制面板与嵌入式工控机通过 USB串口连接。
本发明所述的高效智能化切割机器人,结构设计合理,采用非接触的机器视觉检测,通过多传感器、避障超声波传感器使切割机器人实时确定自身位置、合理规划切割路径,实现切割机器人精准移动、光纤激光器精准移动,自动化程度高、高精度、高效率,智能化程度高,应用前景广泛。
其中,4个直流电机采用独立的方式驱动移动基座底盘的对应的4个机轮,实现切割机器人在平面上的移动;通过 Z轴部件的Z轴伺服电机驱动Z轴部件的丝杠螺母机构,实现Z轴滑台即光纤激光器在Z方向的运动,所述Z轴部件为现有技术中常见结构,Z轴部件以及丝杠螺母机构均是由导轨、导轨滑块、联轴器、丝杠、丝杠螺母座、轴承座、支承板等部件组成,在这里就不一一赘述,不影响本发明技术方案的实现。
进一步的,上述的高效智能化切割机器人,所述机械臂包括安装座、大臂、小臂、支撑座,所述安装座的背面安装在Z轴滑台正面,所所述安装座正面、大臂、小臂从内至外依次连接,所述小臂末端安装有光纤激光器。
进一步的,上述的高效智能化切割机器人,所述大臂前端与大臂齿轮箱相连,所述大臂后端和小臂齿轮箱相连,所述大臂齿轮箱上设置有大臂电机并与之连接,所述小臂齿轮箱上设置有小臂电机并与之连接;所述STM32嵌入式芯片分别对大臂电机、小臂电机进行驱动控制,从而控制大臂、小臂。
所述机械臂,选用电机驱动,通过安装座实现了支撑、固定的作用,安装座的旋转实现了第1个自由度,大臂的摆动实现了第2个自由度,小臂的摆动实现了第3个自由度,加上Z轴滑台,最终对切割工件精准切割的目的。所述机械臂的结构设计,减小了控制难度和所占空问,又提高了刚度,所述机械臂的大臂、小臂采用平行四边形,可以在大范围内调节光纤切割器的上下左右移动并始终使光纤切割器处于水平位置,防止了运送时由于机械臂摆动导致光纤切割器不稳定的问题。
进一步的,上述的高效智能化切割机器人,所述光纤激光器包括安装支座、激光器、光纤连接块、切割头,所述激光器、光纤连接块、切割头从上至下依次固定连接并且通过安装支座安装在小臂末端。
进一步的,上述的高效智能化切割机器人,所述切割头包括准直部件、聚焦组件、保护镜盒、传感器、割嘴,所述激光器、光纤连接块、准准直部件、聚焦组件、保护镜盒、传感器、割嘴从上至下依次固定连接。
所述光纤激光器,工作原理如下:激光器发出的光纤,通过光纤连接块导入切割头的接口,其中,切割头的准直组件是将出自光纤的发散光收敛起来,将其拉直或准直,准直组件还包括准直对中部分和水冷却部分;聚焦组件是将准直后平行的激光束聚焦,切割工件,通过聚焦组件的调焦部分可以改变焦点位置,以满足切割工件的需求;保护镜盒是用于将外界与切割头内部光路隔绝,保证光路密封,防止灰尘和杂质进入光路,延长切割头的使用寿命;传感器用于和激光切割装置的控制盒信号连接,实时传输数据,通过控制盒能使切割头与切割工件表面之间的距离长期、可靠地保持稳定,为获得最佳的切割质量提供保证;割嘴安装在切割头底端,是激光束和铺助气体的排出通道,辅助气体经过割嘴内腔后形成高速气流,将融熔材料吹走,达到切割的目的。
进一步的,上述的高效智能化切割机器人,所述多传感器包括2D激光雷达、深度相机、模糊控制器,所述2D激光雷达、深度相机的检测结果通过所述模糊控制器进行融合。
本发明所述多传感器,基于2D激光雷达和深度相机的多信息融合,为了弥补环境中低矮或者下垂障碍物无法被感知,基于模糊逻辑理论,实现2D激光雷达激光传感器与深度视觉传感器的信息融合,提髙切割机器人对环境中信息感知水平,增加切割机器人对复杂环境障碍物的探测能力,避免由于单一传感器性能导致的一系列的缺点,提升切割机器人移动、光纤激光器移动的精度和稳定性。
因为2D激光雷达是依靠激光,感知周围环境,单次测量是十分准确,受外部环境变化影响小的,但是数据点稀疏,只能获取到激光雷达所在高度的二维信息,对于低矮或者垂下的障碍物束手无策。而深度相机利用rgb图像与Depth图像联合,能够感知空间三维信息,环境信息丰富,但是深度相机把图像作为感知环境信息的方法,带来了一系列的缺点,首先图像本身对环境光照变化非常敏感,弱纹理环境下特征点相对较少,甚至难以检测足够的特征匹配点数目。因此,激光雷达能提供环境的二维信息,深度相机能够获取环境的三维信息。将激光雷达和深度相机的立体视觉融合,可以弥补各自的缺点。
本发明还涉及高效智能化切割机器人的工作方法,所述工作方法,包括如下步骤:包括如下步骤:
(1)工作时,通过控制面板进行启动,嵌入式工控机接收启动信号,嵌入式工控机发送指令使多传感器对现场环境进行拍摄;
(2)多传感器拍照并且将采集的图像通过图像采集卡传送到嵌入式工控机进行图像处理,嵌入式工控机接收避障超声波传感器传输的现场环境避障物信息;
(3)经过嵌入式工控机对采集的图像、避障物信息进行处理,参照通过控制面板输入的切割参数设定,规划切割路径,发送指令至STM32嵌入式芯片,STM32嵌入式芯片分别对Z 轴伺服电机、直流电机进行驱动控制,从而实现光纤激光器在三维方向的移动;
(4)当光纤激光器得到指定切割点时,嵌入式工控机控制光纤激光器根据控制面板输入的切割参数设定进行切割。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
(1) 结构设计合理,工作方法简单,自动化、智能化程度高,通过多传感器、避障超声波传感器使切割机器人实时确定自身位置、合理规划切割路径,实现切割机器人精准移动、光纤激光器精准移动,应用前景广泛;
(2) 通过4个直流电机采用独立的方式驱动移动基座底盘的对应的4个机轮,实现切割机器人在平面上的移动;通过 Z轴部件的Z轴伺服电机驱动Z轴部件的丝杠螺母机构,实现光纤激光器在Z方向的运动,实现对切割工件精准切割的目的;
(3) 基于2D激光雷达和深度相机的多信息融合,为了弥补环境中低矮或者下垂障碍物无法被感知,基于模糊逻辑理论,实现2D激光雷达激光传感器与深度视觉传感器的信息融合,提髙切割机器人对环境中信息感知水平,增加切割机器人对复杂环境障碍物的探测能力,避免由于单一传感器性能导致的一系列的缺点,提升切割机器人移动、光纤激光器移动的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明所述高效智能化切割机器人的局部布置图;
图2为本发明所述高效智能化切割机器人的机械臂结构示意图;
图3为本发明所述高效智能化切割机器人的光纤激光器结构示意图;
图4为本发明所述高效智能化切割机器人的构架图;
图中:立柱1、Z轴部件11、Z轴滑台12、Z 轴伺服电机13、移动基座2、STM32嵌入式芯片21、嵌入式工控机22、直流电机23、机轮24、避障超声波传感器25、机械臂3、安装座31、大臂32、大臂齿轮箱321、大臂电机322、小臂齿轮箱331、小臂电机332、小臂33、支撑座34、光纤激光器4、安装支座41、激光器42、光纤连接块43、切割头44、准直部件441、聚焦组件442、保护镜盒443、传感器444、割嘴445、多传感器5、2D激光雷达51、深度相机52、模糊控制器53。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图1-4,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅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,本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明的保护范围。
如图1所示,以下实施例提供了一种高效智能化切割机器人,包括立柱1、移动基座2、机械臂3、光纤激光器4、多传感器5,所述立柱1竖直安装在移动基座2上,所述立柱1正面上安装有Z轴部件11,所述Z轴部件11上安装有Z轴滑台12,所述Z轴部件11通过 Z 轴伺服电机13驱动Z轴部件11的丝杠螺母机构,实现 Z轴滑台12Z方向的运动;所述机械臂3的一端安装在Z轴滑台12正面,所述机械臂3的另一端安装光纤激光器4;所述立柱1顶部设置有所述多传感器5;所述移动基座2底盘安装有STM32嵌入式芯片21作为下层硬件驱动控制器,所述移动基座2内部安装有搭载 Intel 处理器的嵌入式工控机22作为为上层算法应用控制器,所述STM32嵌入式芯片21与嵌入式工控机22通过 USB 串口完成实时数据交换;所述移动基座2内部还安装有4个直流电机23,4个直流电机23采用独立的方式驱动移动基座2底盘的对应的4个机轮24;所述STM32嵌入式芯片1分别对Z 轴伺服电机13、直流电机23进行驱动控制;所述移动基座2左、右、前、后的4个侧面均安装有避障超声波传感器25,所述避障超声波传感器25、光纤激光器4与嵌入式工控机22通讯连接,所述多传感器5与嵌入式工控机22通过数据线和WIFI相互连接;所述立柱1背面设置有控制面板,所述控制面板与嵌入式工控机22通过 USB 串口连接。
进一步的,所述机械臂3包括安装座31、大臂32、小臂33、支撑座34,所述安装座31的背面安装在Z轴滑台12正面,所所述安装座31正面、大臂32、小臂33从内至外依次连接,所述小臂33末端安装有光纤激光器4
进一步的,所述大臂32前端与大臂齿轮箱321相连,所述大臂32后端和小臂齿轮箱331相连,所述大臂齿轮箱321上设置有大臂电机322并与之连接,所述小臂齿轮箱331上设置有小臂电机332并与之连接;所述STM32嵌入式芯片1分别对大臂电机322、小臂电机332进行驱动控制,从而控制大臂32、小臂33。
进一步的,所述光纤激光器4包括安装支座41、激光器42、光纤连接块43、切割头44,所述激光器42、光纤连接块43、切割头44从上至下依次固定连接并且通过安装支座41安装在小臂33末端。
进一步的,所述切割头44包括准直部件441、聚焦组件442、保护镜盒443、传感器444、割嘴445,所述激光器42、光纤连接块43、准准直部件441、聚焦组件442、保护镜盒443、传感器444、割嘴445从上至下依次固定连接。
进一步的,所述多传感器5包括2D激光雷达51、深度相机52、模糊控制器53,所述2D激光雷达51、深度相机52的检测结果通过所述模糊控制器53进行融合。
实施例
本发明所述的高效智能化切割机器人的工作方法,包括如下步骤:所述工作方法,包括如下步骤:
(1)工作时,通过控制面板进行启动,嵌入式工控机22接收启动信号,嵌入式工控机22发送指令使多传感器5对现场环境进行拍摄;
(2) 多传感器5拍照并且将采集的图像通过图像采集卡传送到嵌入式工控机22进行图像处理,嵌入式工控机22接收避障超声波传感器25传输的现场环境避障物信息;
(3) 经过嵌入式工控机22对采集的图像、避障物信息进行处理,参照通过控制面板输入的切割参数设定,规划切割路径,发送指令至STM32嵌入式芯片1,STM32嵌入式芯片1分别对Z 轴伺服电机13、直流电机23进行驱动控制,从而实现光纤激光器4在三维方向的移动;
(4) 当光纤激光器4得到指定切割点时,嵌入式工控机22控制光纤激光器4根据控制面板输入的切割参数设定进行切割。
由上可得,本发明所述的高效智能化切割机器人,结构设计合理,采用非接触的机器视觉检测,通过多传感器5、避障超声波传感器25使切割机器人实时确定自身位置、合理规划切割路径,实现切割机器人精准移动、光纤激光器精准移动,自动化程度高、高精度、高效率,智能化程度高,应用前景广泛。
其中,4个直流电机23采用独立的方式驱动移动基座底盘的对应的4个机轮24,实现切割机器人在平面上的移动;通过 Z轴部件11的Z轴伺服电机13驱动Z轴部件11的丝杠螺母机构,实现Z轴滑台12即光纤激光器4在Z方向的运动,所述Z轴部件11为现有技术中常见结构,Z轴部件11以及丝杠螺母机构均是由导轨、导轨滑块、联轴器、丝杠、丝杠螺母座、轴承座、支承板等部件组成,在这里就不一一赘述,不影响本发明技术方案的实现。
其中,所述机械臂3,选用电机驱动,通过安装座31实现了支撑、固定的作用,安装座31的旋转实现了第1个自由度,大臂32的摆动实现了第2个自由度,小臂33的摆动实现了第3个自由度,加上Z轴滑台12,最终对切割工件精准切割的目的。所述机械臂3的结构设计,减小了控制难度和所占空问,又提高了刚度,所述机械臂3的大臂32、小臂33采用平行四边形,可以在大范围内调节光纤切割器4的上下左右移动并始终使光纤切割器4处于水平位置,防止了运送时由于机械臂3摆动导致光纤切割器4不稳定的问题。
其中,所述光纤激光器4,工作原理如下:激光器42发出的光纤,通过光纤连接43块导入切割头44的接口,其中,切割头44的准直组件441是将出自光纤的发散光收敛起来,将其拉直或准直,准直组件441还包括准直对中部分和水冷却部分;聚焦组件442是将准直后平行的激光束聚焦,切割工件,通过聚焦组件442的调焦部分可以改变焦点位置,以满足切割工件的需求;保护镜盒443是用于将外界与切割头44内部光路隔绝,保证光路密封,防止灰尘和杂质进入光路,延长切割头44的使用寿命;传感器444用于和激光切割装置的控制盒信号连接,实时传输数据,通过控制盒能使切割头44与切割工件表面之间的距离长期、可靠地保持稳定,为获得最佳的切割质量提供保证;割嘴445安装在切割头44底端,是激光束和铺助气体的排出通道,辅助气体经过割嘴445内腔后形成高速气流,将融熔材料吹走,达到切割的目的。
其中,本发明所述多传感器5,基于2D激光雷达51和深度相机52的多信息融合,为了弥补环境中低矮或者下垂障碍物无法被感知,基于模糊逻辑理论,实现2D激光雷达激光传感器与深度视觉传感器的信息融合,提髙切割机器人对环境中信息感知水平,增加切割机器人对复杂环境障碍物的探测能力,避免由于单一传感器性能导致的一系列的缺点,提升切割机器人移动、光纤激光器移动的精度和稳定性。
因为2D激光雷达51是依靠激光,感知周围环境,单次测量是十分准确,受外部环境变化影响小的,但是数据点稀疏,只能获取到激光雷达所在高度的二维信息,对于低矮或者垂下的障碍物束手无策。而深度相机52利用rgb图像与Depth图像联合,能够感知空间三维信息,环境信息丰富,但是深度相机52把图像作为感知环境信息的方法,带来了一系列的缺点,首先图像本身对环境光照变化非常敏感,弱纹理环境下特征点相对较少,甚至难以检测足够的特征匹配点数目。因此,激光雷达能提供环境的二维信息,深度相机能够获取环境的三维信息。将激光雷达和深度相机的立体视觉融合,可以弥补各自的缺点。
本发明具体工作方法途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出,以上实施例仅用于说明本发明,而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高效智能化切割机器人,其特征在于,包括立柱(1)、移动基座(2)、机械臂(3)、光纤激光器(4)、多传感器(5),所述立柱(1)竖直安装在移动基座(2)上,所述立柱(1)正面上安装有Z轴部件(11),所述Z轴部件(11)上安装有Z轴滑台(12),所述Z轴部件(11)通过 Z轴伺服电机(13)驱动Z轴部件(11)的丝杠螺母机构,实现 Z轴滑台(12)Z方向的运动;所述机械臂(3)的一端安装在Z轴滑台(12)正面,所述机械臂(3)的另一端安装光纤激光器(4);所述立柱(1)顶部设置有所述多传感器(5);所述移动基座(2)底盘安装有STM32嵌入式芯片(21)作为下层硬件驱动控制器,所述移动基座(2)内部安装有搭载 Intel 处理器的嵌入式工控机(22)作为为上层算法应用控制器,所述STM32嵌入式芯片(21)与嵌入式工控机(22)通过 USB 串口完成实时数据交换;所述移动基座(2)内部还安装有4个直流电机(23),4个直流电机(23)采用独立的方式驱动移动基座(2)底盘的对应的4个机轮(24);所述STM32嵌入式芯片(1)分别对Z 轴伺服电机(13)、直流电机(23)进行驱动控制;所述移动基座(2)左、右、前、后的4个侧面均安装有避障超声波传感器(25),所述避障超声波传感器(25)、光纤激光器(4)与嵌入式工控机(22)通讯连接,所述多传感器(5)与嵌入式工控机(22)通过数据线和WIFI相互连接;所述立柱(1)背面设置有控制面板,所述控制面板与嵌入式工控机(22)通过 USB 串口连接。
2.根据权利要求1所述高效智能化切割机器人,其特征在于,所述机械臂(3)包括安装座(31)、大臂(32)、小臂(33)、支撑座(34),所述安装座(31)的背面安装在Z轴滑台(12)正面,所所述安装座(31)正面、大臂(32)、小臂(33)从内至外依次连接,所述小臂(33)末端安装有光纤激光器(4)。
3.根据权利要求2所述高效智能化切割机器人,其特征在于,所述大臂(32)前端与大臂齿轮箱(321)相连,所述大臂(32)后端和小臂齿轮箱(331)相连,所述大臂齿轮箱(321)上设置有大臂电机(322)并与之连接,所述小臂齿轮箱(331)上设置有小臂电机(332)并与之连接;所述STM32嵌入式芯片(1)分别对大臂电机(322)、小臂电机(332)进行驱动控制,从而控制大臂(32)、小臂(33)。
4.根据权利要求3所述高效智能化切割机器人,其特征在于,所述光纤激光器(4)包括安装支座(41)、激光器(42)、光纤连接块(43)、切割头(44),所述激光器(42)、光纤连接块(43)、切割头(44)从上至下依次固定连接并且通过安装支座(41)安装在小臂(33)末端。
5.根据权利要求4所述高效智能化切割机器人,其特征在于,所述切割头(44)包括准直部件(441)、聚焦组件(442)、保护镜盒(443)、传感器(444)、割嘴(445),所述激光器(42)、光纤连接块(43)、准准直部件(441)、聚焦组件(442)、保护镜盒(443)、传感器(444)、割嘴(445)从上至下依次固定连接。
6.根据权利要求1所述高效智能化切割机器人,其特征在于,所述多传感器(5)包括2D激光雷达(51)、深度相机(52)、模糊控制器(53),所述2D激光雷达(51)、深度相机(52)的检测结果通过所述模糊控制器(53)进行融合。
7.根据权利要求1-6任意一项所述高效智能化切割机器人的工作方法,其特征在于,所述工作方法,包括如下步骤:
(1)工作时,通过控制面板进行启动,嵌入式工控机(22)接收启动信号,嵌入式工控机(22)发送指令使多传感器(5)对现场环境进行拍摄;
(2)多传感器(5)拍照并且将采集的图像通过图像采集卡传送到嵌入式工控机(22)进行图像处理,嵌入式工控机(22)接收避障超声波传感器(25)传输的现场环境避障物信息;
(3)经过嵌入式工控机(22)对采集的图像、避障物信息进行处理,参照通过控制面板输入的切割参数设定,规划切割路径,发送指令至STM32嵌入式芯片(1),STM32嵌入式芯片(1)分别对Z 轴伺服电机(13)、直流电机(23)进行驱动控制,从而实现光纤激光器(4)在三维方向的移动;
(4)当光纤激光器(4)得到指定切割点时,嵌入式工控机(22)控制光纤激光器(4)根据控制面板输入的切割参数设定进行切割。
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