CN116252288A - 一种多自由度平面线控机器人及线控方法 - Google Patents

一种多自由度平面线控机器人及线控方法 Download PDF

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李松涛
陈显东
展超
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Abstract

本发明公开了一种多自由度平面线控机器人及线控方法,属于线控机器人的技术领域。包括:基础单元,与基础单元存在连接关系的臂单元,及其与臂单元存在连接关系的线控单元;其中,基础单元和臂单元之间、臂单元和线控单元之间至少存在一个旋转自由度;所述线控单元包括:至少两组线控控制器,安装在桁架的指定位置处。通过基础单元、臂单元、线控单元之间的作用实现物体的姿态调整或/和位置转移。本发明使用平面线控机器人实现指定空间内的搬运,用时通过配置所需数量的线控控制器还可实现预定姿态的搬运。

Description

一种多自由度平面线控机器人及线控方法
技术领域
本发明属于线控机器人的技术领域,特别是涉及一种多自由度平面线控机器人及线控方法。
背景技术
现有技术中,为了在大空间内实现物体的搬运,挂轨式机器人已普及。挂轨式机器人虽然可以满足室内的搬运和必要时的空间避让,但是从结构上分析:首先需要在室内的高空配置所需的钢架及轨道,并在钢架和轨道的指定位置处设置控制器,为了满足避让需求还需配置另外的动力,驱动对应的线控控制器在轨道上有效移动。总体而言,安装难度高、空间占用面积大且动力需求高。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题,提供了一种多自由度平面线控机器人及线控方法。
本发明采用以下技术的方案:一种多自由度平面线控机器人,包括:基础单元,与所述基础单元存在连接关系的臂单元,以及与所述臂单元存在连接关系的线控单元;其中,所述基础单元和臂单元之间、所述臂单元和线控单元之间至少存在一个旋转自由度;
所述线控单元包括:桁架,所述桁架上设置有至少两组导向件;
至少两组执行线,其活动端穿过对应的导向件并连接有连接件;所述执行线的固定端传动连接有控制器,所述控制器安装在桁架的指定位置处;通过基础单元、臂单元、线控单元之间的作用实现物体的姿态调整或/和位置转移。
在进一步的实施例中,所述基础单元包括:基座;
所述臂单元包括:连接于所述基座的机械臂。
在进一步的实施例中,当基础单元和臂单元之间存在旋转自由度,所述基础单元还包括:
旋转机构,安装于所述基座;所述旋转机构的输出端传动连接于所述机械臂。
在进一步的实施例中,当臂单元和线控单元之间存在旋转自由度,所述臂单元还包括:
转动机构,安装在所述机械臂的末端;所述转动机构的输出端传动连接于所述桁架;所述转动机构具有自锁功能。
在进一步的实施例中,所述基座在水平面和/或垂直面上均具有至少一个移动自由度。
使用如上所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,至少包括以下步骤:
创建关于线控机器人的工作模式,所述工作模式至少包括目标调度模式和空间转移模式;所述目标调度模式包括:关于目标物的位置转移和位姿调整;
基于基础单元、臂单元和线控单元相互之间的连接关系以及对应的内部结构,确定当前工作区域;
判断目标物的起始位置Ps和终点位置Pt是否属于当前工作区域:若属于,则启动目标调度模式;反之,切换至空间转移模式,基于目标物的起始位置Ps和终点位置Pt转移当前空间位置,使当前工作区域依次/同时覆盖目标物的起始位置Ps和终点位置Pt,结合目标调度模式完成线控转移。
在进一步的实施例中,所述当前工作区域的获取流程如下:
基于线控单元的内部结构,获取桁架与机械臂的连接点与导向件之间的位置关系;
若桁架与机械臂的连接点位于任意两组导向件之间,则所述当前工作区域为部分圆面,所述圆面是以基础单元中心/连接点为圆点,导向件到基础单元中心/连接点的最大距离为半径;
若桁架与机械臂的连接点处于每组导向件之外,则所述当前工作区域为部分扇面,所述扇面的径向长度为导向件之间的最大距离;所述部分圆面和部分扇面均刨除基础单元对线控单元的干扰区域。
在进一步的实施例中,当基础单元和臂单元之间、或所述臂单元和线控单元之间存在旋转自由度时,所述空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。
在进一步的实施例中,当基础单元和臂单元之间、所述臂单元和线控单元之间均存在旋转自由度时,所述空间转移模式包括一级空间转移模式和二级空间转移模式;
所述一级空间转移模式通过臂单元相对基础单元旋转,线控单元在空间上随之转动完成当前工作区域在空间上的旋转;
所述二级空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。
在进一步的实施例中,还包括以下步骤:
获取当前空间区域在利用一级空间转移模式旋转一圈后的工作覆盖面S1,若PS,Pe∈S1,则选用一级空间转移模式;
若PS∈S1,
Figure BDA0004116768860000031
则按照一级空间转移模式、二级空间转移模式的优先级进行空间转移;反之,/>
Figure BDA0004116768860000032
Pe∈S1,则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移;
Figure BDA0004116768860000033
则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移,依次/全部覆盖起始位置Ps和终点位置Pt
本发明的有益效果:本发明使用平面线控机器人实现指定空间内的搬运,用时通过配置所需数量的线控控制器还可实现预定姿态的搬运。不仅仅节省了使用空间,而且整体需要配置的部件数量大大降低,降低安装成本。使用范围广、可操作面大可满足正常的搬运需求。
并基于本申请的平面线控机器人创建了多个维度的空间调度模式,以最便捷、最快的形式完成物品空间调度。
附图说明
图1为实施例1中的具有两组执行线的线控机器人的结构示意图。
图2为实施例1中的多自由度平面线控机器人的俯视图。
图3为实施例1中的具有三组执行线的线控机器人的结构示意图。
图4为实施例2中的具有两组执行线的线控机器人的结构示意图。
图5为实施例2中的具有两组执行线的线控机器人的俯视图一。
图6为实施例2中的具有两组执行线的线控机器人的俯视图二。
图7为实施例3中的具有两组执行线的线控机器人的俯视图。
图8为实施例4的多自由度平面线控机器人的线控方法流程图。
图1至图7中的各标注为:基座1、机械臂2、桁架3、旋转机构4、控制器5、执行线6、转动轴7、滑轮8、干扰区域9、当前工作区域10、工作覆盖面11。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例为解决现有的搬运机器人的安装空间大、部件多、成本高等技术问题,公开了一种多自由度平面线控机器人,如图1所示包括:基础单元、与基础单元存在连接关系的臂单元,及其与臂单元存在连接关系的线控单元。在本实施例中,臂单元和线控单元之间存在一个旋转自由度。
在进一步的实施例中,基础单元中设置有基座1,作为机器人的载体。基座1可根据需求设置为可移动的或可升降的,即基座1在水平面上具有至少一个移动自由度,在垂直面上具有至少一个升降自由度。使其满足不同水平面和不同的高度,增加线控机器人的使用范围。在进一步的实施例中,通过刹车滚轮实现可移动,通过现有的伸缩装置实现可升降。
臂单元中设置有机械臂2,其一端连接于所述基座1的顶部;机械臂2的,末端设置有转动机构,转动机构传动连接于桁架3,用于实现桁架3在指定平面上的自转。即在本实施例中,机械臂2和基座1的连接为固定连接,转动机构可以是转动轴7,即通过转动轴7连接机械臂2和桁架3,当需要转动时可通过工作人员施加外力,若无外力则锁紧在当前的位置。在另一个实施例中,转动机构也可以是现有技术中的齿轮传动机构,当需要转动时可启动齿轮的动力源,对应的当动力源处于关闭状态时,齿轮传动机构锁紧,桁架3静止于当前位置。
对应的,线控单元包括:桁架3,安装在桁架3指定位置处的两组导向件,当执行件和滑轮8为两组时,可实现简单的物体搬运,即位置转移。
在本实施例中,所述导向件为滑轮8。每组滑轮8均配置有对应的执行线6,每组执行的固定端传动连接于控制器5的输出端,执行线6的输出端穿过对应的滑轮8并连接有连接件。在本实施例中,连接件为吊钩、夹爪等。其中,控制器5可安装在机械臂2或者基座1上,在此不做限定。
基于上述描述,在本实施中指定位置为桁架3的中间位置。即两组导向件分别安装在桁架3的两端,即桁架3和机械臂2的连接点位于两导向件之间。机器人可操作的面(当前工作区域10)为部分圆面,所述圆面是以连接点的中心为圆点,导向件到连接点的最大距离为半径;部分圆面和部分扇面均刨除基础单元对线控单元的干扰区域9。为了更好的阐述干扰区域9,如图2所示,基础单元占用了一定的空间,当目标物位于基础单元的另一侧,即桁架3所在位置的反方向,即图2中的干扰区域9,则导致桁架3无法转移至干扰空间内,故当前工作区域10是除去了干扰区域9。
当线控控制器5为三组及以上时,可保证物体在搬运过程中按照预定的姿态进行移动,甚至可以完成所需的姿态调整,如图3所示。此时的桁架3则具有三个活动端,导向件安装在对应的活动端处,然后通过控制器5调整对应的执行线6的长度,每组执行线6相互作用完成姿态调整和位置转移。在其他实施例中,线控控制器5也可安装在桁架3的其他位置,在此不做赘述。
实施例2
基于实施例1所述的线控机器人,当物体的起始位置或者终点位置位于与桁架3垂直的方向且位于基座1的另一侧(即桁架3的背面),则在基座1的干扰下,无法直接完成搬运,即存在一定的干扰区域9。
本实施例做出了一下调整,在实施例1的基础之上,基础单元和臂单元之间同样存在旋转自由度。即基础单元还包括:旋转机构4,安装于所述基座1;所述旋转机构4的输出端传动连接于所述机械臂2。如图4所示,在本实施例中,旋转机构4采用电机、齿轮传动驱动桁架3转动,属于现有技术不做赘述。
即当出现障碍物或者其他需求,如适当增加线控操作面面积时,旋转机构4可驱动机械臂2、线控单元转动,实现对基座1的避让同时增加了操作面积。如图5所示,机器人的当前工作区域10在机械臂2的转动下发生了转移,由图中的实现部分转移至图中的虚线部分。通过对线控单元的整体转移解决实施例1中的干扰区域9的困扰。
基于上述描述,在使用时,转动机构和驱动机构可同时作用,即桁架3可相对机械臂2转动,机械臂2可相对基座1转动,增加了搬运的灵活度,有效降低了机械臂2相对基座1的转动次数提高搬运效率,如图6所示。
实施例3
基于实施例1所述的指定位置,在本实施中指定位置为桁架3的一端,则线控控制器5对应安装在一侧,如图7所示。此时线控单元的操作面为部分扇面,所述扇面的径向长度为导向件之间的最大距离;部分扇面均刨除基础单元对线控单元的干扰区域9,结合实施例1的描述。
实施例1和实施例2所述的基础单元和臂单元之间、臂单元和线控单元之间至少存在一个旋转自由度在本实施例中同样适用。
实施例4
基于实施例1至实施例3中所公开的线控机器人,本实施例公开了多自由度平面线控机器人的线控方法,如图8所示,包括以下步骤:
步骤一、创建关于线控机器人的工作模式,所述工作模式至少包括目标调度模式和空间转移模式;所述目标调度模式包括:关于目标物的位置转移和位姿调整。需要说明的是位置转移是通过控制两组执行线的相对长度实现,位姿调整则是通过至少三组执行线的长度调节实现,例如水平调度、倾斜调度等等姿态。
步骤二、基于基础单元、臂单元和线控单元相互之间的连接关系以及对应的内部结构,确定当前工作区域;
步骤三、判断目标物的起始位置Ps和终点位置Pt是否属于当前工作区域:若属于,则启动目标调度模式;反之,切换至空间转移模式,基于目标物的起始位置Ps和终点位置Pt转移当前空间位置,使当前工作区域依次/同时覆盖目标物的起始位置Ps和终点位置Pt,结合目标调度模式完成线控转移。
在进一步的实施例中,因实施例1至实施例3阐述了两种不同的线控单元的内部结构以及对应的旋转自由的数,因此,每组实施例中的工作区域是不同的。故需要先基于上述条件得到对应的当前工作区域。
当前工作区域的获取流程如下:
步骤201、基于线控单元的内部结构,获取桁架与机械臂的连接点与导向件之间的位置关系;
步骤202、若桁架与机械臂的连接点位于任意两组导向件之间,则所述当前工作区域为部分圆面,所述圆面是以基础单元中心/连接点为圆点,导向件到基础单元中心/连接点的最大距离为半径。结合实施例1进一步阐述,如图1至图3所示,桁架与机械臂的连接点位于两组或三组导向件之间,即桁架绕连接点自转,则对应的,当前工作区域为部分圆面,去除图2中的干扰区域,则圆面是以连接点的中心为圆点,导向件到连接点的最大距离为半径。
结合实施例2进一步阐述,如图4至图6,机械臂可绕基座转动,即线控单元也是围绕基座转动,且桁架与机械臂的连接点位于两组或三组导向件之间。对应的圆面是以基础单元中心为圆点,导向件到基础单元的中心的最大距离为半径。
步骤203、若桁架与机械臂的连接点处于每组导向件之外,则所述当前工作区域为部分扇面,所述扇面的径向长度为导向件之间的最大距离;所述部分圆面和部分扇面均刨除基础单元对线控单元的干扰区域。结合实施例3进一步阐述,如图7所示,桁架与机械臂的连接点位于两组或三组导向件以外,即桁架绕连接点自转。则对应的,当前工作区域为扇面,并去除图7中的干扰区域。
同样的,基于旋转自由度的数量,空间转移模式的实现方式也是不同的,具体表现为:当基础单元和臂单元之间、或所述臂单元和线控单元之间存在旋转自由度时,所述空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。换言之,若机械臂与桁架之间为固定连接,机械臂与基座之间为转动连接,则当前工作区域为线控单元的覆盖区加上机械臂的转动区,因此若想实现操作空间的转移,则通过移动基础单元的位置实现,更换转动区。若机械臂与桁架之间为转动连接,机械臂与基座之间为固定连接,则当前工作区域为线控单元的覆盖区,故若想实现操作空间的转移,则通过移动基础单元的位置实现,更换覆盖区。
在另一个实施例中,当基础单元和臂单元之间、所述臂单元和线控单元之间均存在旋转自由度时,所述空间转移模式包括一级空间转移模式和二级空间转移模式。其中,一级空间转移模式通过臂单元相对基础单元旋转,线控单元在空间上随之转动完成当前工作区域在空间上的旋转;二级空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。结合图6,所谓的一级空间转移模式即通过机械臂的转动更换覆盖区,图6中的当前工作区域所示,得到所需的工作覆盖面11。当在工作覆盖面中仍无法操作时,则切换至二级空间转移模式。
步骤三进一步理解为:当起始位置Ps和终点位置Pt属于当前工作区域内,则意味着在空间不发生改变的前提下,线控单元中的执行线控制夹持件可完成起始位置Ps和终点位置Pt之间的调度。
但是,若起始位置Ps和终点位置Pt中的至少一个不在当前工作区域内,则需要启动空间转移模式配合完成,实现对起始位置Ps和终点位置Pt的依次或者全面覆盖,完成调度,则具体的判断标准如下:
获取当前空间区域在利用一级空间转移模式旋转一圈后的工作覆盖面S1,以图6中的工作覆盖面为例;若PS,Pe∈S1,则选用一级空间转移模式;换言之,当前的尽管当前工作区域更新至工作覆盖面中的任何一个区域,便可实现目标物在起始位置Ps和终点位置Pt之间调度。
若Ps∈S1,
Figure BDA0004116768860000071
则按照一级空间转移模式、二级空间转移模式的优先级进行空间转移;反之,/>
Figure BDA0004116768860000081
Pe∈S1,则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移。
换言之,当前的尽管当前工作区域更新至工作覆盖面中的任何一个区域,仍不能实现目标物在起始位置Ps和终点位置Pt之间调度,则需要整体移动,即更换基础单元所在位置。
Figure BDA0004116768860000082
则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移,依次/全部覆盖起始位置Ps和终点位置Pt。/>

Claims (10)

1.一种多自由度平面线控机器人,其特征在于,包括:基础单元,与所述基础单元存在连接关系的臂单元,以及与所述臂单元存在连接关系的线控单元;其中,所述基础单元和臂单元之间、所述臂单元和线控单元之间至少存在一个旋转自由度;
所述线控单元包括:桁架,所述桁架上设置有至少两组导向件;
至少两组执行线,其活动端穿过对应的导向件并连接有连接件;所述执行线的固定端传动连接有控制器,所述控制器安装在桁架的指定位置处;通过基础单元、臂单元、线控单元之间的作用实现物体的姿态调整或/和位置转移。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度平面线控机器人,其特征在于,所述基础单元包括:基座;
所述臂单元包括:连接于所述基座的机械臂。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度平面线控机器人,其特征在于,当基础单元和臂单元之间存在旋转自由度,所述基础单元还包括:
旋转机构,安装于所述基座;所述旋转机构的输出端传动连接于所述机械臂。
4.根据权利要求2或3中任意一项所述的一种多自由度平面线控机器人,其特征在于,当臂单元和线控单元之间存在旋转自由度,所述臂单元还包括:
转动机构,安装在所述机械臂的末端;所述转动机构的输出端传动连接于所述桁架;所述转动机构具有自锁功能。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度平面线控机器人,其特征在于,所述基座在水平面和/或垂直面上均具有至少一个移动自由度。
6.使用如权利要求4所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
创建关于线控机器人的工作模式,所述工作模式至少包括目标调度模式和空间转移模式;所述目标调度模式包括:关于目标物的位置转移和位姿调整;
基于基础单元、臂单元和线控单元相互之间的连接关系以及对应的内部结构,确定当前工作区域;
判断目标物的起始位置Ps和终点位置Pt是否属于当前工作区域:若属于,则启动目标调度模式;反之,切换至空间转移模式,基于目标物的起始位置Ps和终点位置Pt转移当前空间位置,使当前工作区域依次/同时覆盖目标物的起始位置Ps和终点位置Pt,结合目标调度模式完成线控转移。
7.根据权利要求6所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,其特征在于,所述当前工作区域的获取流程如下:
基于线控单元的内部结构,获取桁架与机械臂的连接点与导向件之间的位置关系;
若桁架与机械臂的连接点位于任意两组导向件之间,则所述当前工作区域为部分圆面,所述圆面是以基础单元中心/连接点为圆点,导向件到基础单元中心/连接点的最大距离为半径;
若桁架与机械臂的连接点处于每组导向件之外,则所述当前工作区域为部分扇面,所述扇面的径向长度为导向件之间的最大距离;所述部分圆面和部分扇面均刨除基础单元对线控单元的干扰区域。
8.根据权利要求6所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,其特征在于,
当基础单元和臂单元之间、或所述臂单元和线控单元之间存在旋转自由度时,所述空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。
9.根据权利要求6所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,其特征在于,
当基础单元和臂单元之间、所述臂单元和线控单元之间均存在旋转自由度时,所述空间转移模式包括一级空间转移模式和二级空间转移模式;
所述一级空间转移模式通过臂单元相对基础单元旋转,线控单元在空间上随之转动完成当前工作区域在空间上的旋转;
所述二级空间转移模式通过移动基础单元的位置实现。
10.根据权利要求9所述的多自由度平面线控机器人的线控方法,其特征在于,还包括以下步骤:
获取当前空间区域在利用一级空间转移模式旋转一圈后的工作覆盖面S1,若PS,Pe∈S1,则选用一级空间转移模式;
若PS∈S1,
Figure FDA0004116768840000021
则按照一级空间转移模式、二级空间转移模式的优先级进行空间转移;反之,/>
Figure FDA0004116768840000022
Pe∈S1,则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移;
Figure FDA0004116768840000023
则按照二级空间转移模式、一级空间转移模式的优先级进行空间转移,依次/全部覆盖起始位置Ps和终点位置Pt。/>
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