CN116423496A - 一种刚柔双臂协作机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚柔双臂协作机器人，包括依次连接的机器人控制器及视觉测量装置、刚性串联多自由度机械臂与柔性串并联多自由度机械臂，刚性串联多自由度机械臂端部设有机械臂末端工装夹具，能够夹取刚性串联多自由度机械臂工作空间内目标物体。本发明实现机械臂在抓取目标物体后在其表面或附近进行二次协作操作，能够拓展一般多自由机械臂的功能，实现协作机械臂大负载、大范围工作和小空间柔性灵活协作作业。

Description

一种刚柔双臂协作机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种刚柔双臂协作机器人。
背景技术
进入21世纪，工业机器人成为一种重要的产业。目前，国内外工业机械臂应用场景大多为固定式场景环境，以运动物体为作业目标的场景较少，其应用场景和功能有所局限。
在现有技术中，如专利CN201610065290.7，为一种工业机械臂，其包括回转底部、大臂、小臂和腕部，采用这种机械臂对目标物体进行二次操作则需要双臂协同，限制了其使用范围，需要改进并提升。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种刚柔双臂协作机器人，实现机械臂在抓取目标物体后在其表面或附近进行二次协作操作，能够拓展一般多自由机械臂的功能，实现协作机械臂大负载、大范围工作和小空间柔性灵活协作作业。
技术方案：本发明的一种刚柔双臂协作机器人，其特征在于：包括依次连接的机器人控制器及视觉测量装置、刚性串联多自由度机械臂与柔性串并联多自由度机械臂，刚性串联多自由度机械臂端部设有机械臂末端工装夹具，能够夹取刚性串联多自由度机械臂工作空间内目标物体；
所述刚性串联多自由度机械臂包括依次连接的回转底座、大臂、小臂与腕部，回转底座与机器人控制器及视觉测量装置连接，腕部与机械臂末端工装夹具连接；刚性串联多自由度能够到达其工作空间内任意点位位姿，能够实现大负载及大范围运动；
所述柔性串并联多自由度机械臂位于腕部的第六轴上，其基坐标相对于多自由度机械臂工具坐标为固定的坐标变换，其由若干个多自由度并联机构串联而成，并由其底部的驱动设备进行驱动，其端部设有机械夹爪；柔性串并联多自由度机械臂用于根据刚性串联多自由机械臂步骤抓取目标物体后需要精细移动操作对柔性串并联多自由基机械臂的伸缩组合杆件进行调整，机械夹爪固定在柔性串并联多自由度机械臂末端，能够在目标物体表面进行精细操作，机械夹爪用于柔性串并联多自由度机械臂捕获目标物体后在其表面进行夹取与旋转精细操作；
所述机器人控制器及视觉测量装置对刚性串联多自由度机械臂、柔性串并联多自由度机械臂、机械臂末端工装夹具进行控制。
其中，所述的刚性串联多自由度机械臂为四-六自由度串联机构，四-六自由度串联机构包括四-六支链以及四-六个驱动电机，每个支链通过转动副链接。
其中，所述的机械臂末端工装夹具具有两自由度，通过控制其电流量大小控制其抓取或吸附力矩。用于捕获目标物体。
其中，所述的柔性串并联多自由度机械臂为串并联机械结构，包括伸缩组合杆件、球铰、安装底盘、驱动设备与机械夹爪；所述驱动设备控制多自由度并联机构各个关节伸缩量，实现臂展的伸长与机械夹爪的状态。使串并联机械结构具有更丰富的工作空间。
其中，3个所述的多自由度并联机构串联形成三自由度并联机器人串联机构。
其中，所述的机器人控制器及视觉测量装置是以PLC控制器为基础的控制***，内部包含机器人运动控制器；所述控制***包括4G/5G模块及视频监控模块，通过PLC控制器、4G/5G模块及视频监控模块实现设备远程视频监控、操作与数据传输。
刚柔双臂协作机器人，其特征在于：工作流程如下：
1)接受到工作指令，视觉测量***确定目标位姿；
2)运动控制***解算出路径，移动机械臂末端工装夹具至目标物旁；
3)机械臂末端工装夹具捕获运动目标物，并反馈信号；
4)控制***接受信号后，视觉及激光***确定目标物***姿；
5)控制***驱动柔性串并联多自由度机械臂移动至目标物体旁进行协作作业；
6)作业完成，刚柔双臂协助机器人回到初始位姿。
刚柔双臂协作机器人，其特征在于：工作流程如下：
1)刚柔双臂协作机器人接受到工作信号，外部输入设备向刚性串联多自由度机械臂传递目标物体相对于外部输入设备坐标，外部输入设备为视觉测量装置，控制箱内运动控制器将相对坐标通过坐标变换解析出目标物体的工件坐标；
2)运动控制器通过解析确定其坐标满足刚性串联多自由度机械臂工作空间要求，刚性串联多自由度机械臂以目标物体为目标点，PLC控制单元根据目标点相对机械臂底座坐标的位置，给四-六自由度机械臂臂各关节电机驱动信号，使刚性串联多自由度机械臂在其工作空间内移动并将机械臂末端工装夹具移动至夹取位姿；
3)机械臂末端工装夹具到达夹取位姿后，PLC控制机械臂末端工装夹具夹取目标物体，使目标物体与刚性串联多自由度机械臂工具坐标之间的相对坐标不变；
4)外部输入设备传递目标物体上所需作业位置与刚性串联多自由度机械臂工具坐标之间的相对坐标至运动控制器，运动控制器将接收到的相对坐标通过坐标变换解析出目标物体相对于柔性串并联多自由度机械臂的工件坐标；
5)运动控制器通过运动学解析，以目标物作位置为目标位姿，运动控制单元根据目标位姿，给柔性串并联多自由度机械臂各并联机构关节驱动信号，使得柔性串并联多自由度机械臂能够移动并将末端机械夹爪移动至目标位姿并进行拧紧、打磨及装配的协作操作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明刚柔协作机器人，该机构可以实现对一般工业机械臂功能的拓展，相对于单臂机械臂作业，本发明能够在实现单臂作业内容后通过对其末端柔性机械装置遥控，从而能够在目标物表面和周边进行拧紧、打磨及装配等二次协作操作，实现双臂协作的功能。
本发明刚柔协作机器人，该机构可以应用于处于不规则运动状态的目标物体，通过刚性串联多自由度机械臂捕捉物体，并限制其不规则运动，此时柔性串并联多自由度机械臂与运动物体处于相对静止状态，柔性串并联多自由度机械臂的目标位姿为固定不变的，此时所述柔性串并联多自由度机械臂工作环境比双臂协同工作环境更稳定，且相对于双臂***更具有经济性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构框图；
图3为本发明的刚性串联多自由度机械臂的结构示意图；
图4为本发明的柔性串并联多自由度机械臂的结构示意图；
图5为本发明的工作流程图；
图6为本发明的柔性串并联多自由度机械臂的坐标转换关系示意图；
图中1为刚性串联多自由度机械臂；2为机械臂末端工装夹具；3为柔性串并联多自由度机械臂；4为机器人控制器及视觉测量装置；11为回转底座；12为大臂；13为小臂；14为腕部；31为安装底盘；32为多自由度并联机构；33为驱动设备；34为机械夹爪。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
如图1、图3与图4，本发明提供一种刚柔双臂协作机器人，包括依次连接的机器人控制器及视觉测量装置4、刚性串联多自由度机械臂1与柔性串并联多自由度机械臂3，刚性串联多自由度机械臂1端部设有机械臂末端工装夹具2。刚性串联多自由度机械臂1包括依次连接的回转底座11、大臂12、小臂13与腕部14，回转底座11与机器人控制器及视觉测量装置4连接，腕部14与机械臂末端工装夹具2连接。机器人控制器及视觉测量装置4放置在刚性串联多自由度机械臂1底部，机械臂末端工装夹具2安装在刚性串联多自由度机械臂1第六轴末端。柔性串并联多自由度机械臂3位于腕部14的第六轴上，其基坐标相对于多自由度机械臂工具坐标为固定的坐标变换，其由若干个多自由度并联机构32串联而成，并由其底部的驱动设备33进行驱动，其端部设有机械夹爪34。柔性串并联多自由度机械臂3安装在机械臂腕部14其第七杆件上，与机械臂末端工装夹具2的安装平面相互垂直，柔性串并联多自由度机械臂3包含安装底盘31、多个三自由度并联机器人串联机构及驱动设备33。
机器人控制器及视觉测量装置4对刚性串联多自由度机械臂1、柔性串并联多自由度机械臂3、机械臂末端工装夹具2进行控制。刚性串联多自由度机械臂1为四-六自由度串联机构，四-六自由度串联机构包括四-六支链以及四-六个驱动电机，每个支链通过转动副链接。机械臂末端工装夹具2具有两自由度，通过控制其电流量大小控制其抓取或吸附力矩。柔性串并联多自由度机械臂3为串并联机械结构，包括伸缩组合杆件、球铰、安装底盘31、驱动设备33与机械夹爪34；驱动设备33控制多自由度并联机构32各个关节伸缩量，实现臂展的伸长与机械夹爪34的状态。3个多自由度并联机构32串联形成三自由度并联机器人串联机构。机器人控制器及视觉测量装置4是以PLC控制器为基础的控制***，内部包含机器人运动控制器；所述控制***包括4G/5G模块及视频监控模块，通过PLC控制器、4G/5G模块及视频监控模块实现设备远程视频监控、操作与数据传输。
当设备开始工作时，通过视觉测量装置确定目标物***姿，机器人控制器控制刚性多自由度工业机械臂1移动至工作位置，机械臂端部工装夹具2夹取目标物体，可进行大行程范围移动至安装位置后，柔性装置根据视觉定位测量，进行轨迹规划，灵活完成在目标物体上小行程范围受限空间的拧紧、打磨及装配等协作操作。
本发明刚柔双臂协作机器人工作时，包括下述步骤：
1)刚柔双臂协作机械臂***接收到对水上浮动物体回收的工作信号，此时视觉***即激光测距设备绘测浮动目标物位置为一组坐标向量矩阵Cn，运动控制器内部通过控制算法确定出一个目标物体坐标C，此坐标C是以视觉***的坐标Q为基坐标而确定，通过坐标变换将目标物体坐标C转换为坐标B，此时坐标B是以刚性串联多自由度机械臂1坐标A为基坐标确定。
2)浮动目标物体坐标被确定后，运动控制器进行逆运动学计算及轨迹规划，PLC给四-六自由度机械臂各关节驱动信号，使得刚性串联多自由度机械臂1在其工作空间内移动并将末端工装夹具2移动至夹取位姿。
3)机械臂末端工装夹具2到达夹取位姿后，PLC控制单元控制机械臂末端工装夹具2夹取目标物体，使目标物体与刚性串联多自由度机械臂1工具坐标之间的相对坐标不变，并反馈信号至机器人控制器。
4)机器人控制器接受到夹取完成信号后，视觉***确定吊钩位置坐标，运动控制器解算出吊钩相对于柔性串并联多自由度机械臂3的坐标，PLC给控制单元根据目标位姿，给柔性串并联多自由度机械臂3各并联机构关节驱动信号，使得柔性串并联多自由度机械臂3能够移动并将末端机械夹具移动至吊钩位姿，并驱动末端夹具夹取吊钩，夹取完成后反馈信号至机器人控制器。
5)机器人控制器接受到夹取完成信号后，视觉***确定目标物体吊环位置，运动控制器解算出吊环相对于柔性串并联多自由度机械臂3末端吊钩的坐标，PLC给控制单元根据目标位姿，给柔性串并联多自由度机械臂3各并联机构关节驱动信号，使得柔性串并联多自由度机械臂3能够移动并将末端吊钩移动至吊环位姿，并驱动柔性串并联多自由度机械臂3使吊钩勾取吊环，完成后反馈信号至机器人控制器。
6)控制箱接受到完成勾取信号后，柔性串并联多自由度机械臂3及机械臂末端工装夹具2松开，刚柔双臂协同机器人回到初始位姿，等待操作指令。
目前，国内外工业机械臂应用场景大多为固定式场景环境，以运动物体为作业目标的场景较少，其应用场景和功能有所局限。
针对此，本发明根据实际需求，开发一种适用于不稳定环境工作并可以对目标物进行二次操作的串联机械臂设备，拓展一般机械臂功能。
现有技术中，如专利CN201610065290.7，为一种工业机械臂，其包括回转底部、大臂、小臂和腕部，采用这种机械臂对目标物体进行二次操作则需要双臂协同，限制了其使用范围，需要改进并提升。
针对此，本设计中机器人控制器控制刚性多自由度机械臂1进行大范围移动并夹取目标，柔性串并联多自由度机械臂3根据视觉定位测量，进行轨迹规划，灵活完成在目标物体上小行程范围受限空间的拧紧、打磨及装配等协作操作。能够实现协作机械臂大负载、大范围工作和小空间柔性灵活协作作业。

Claims (8)

1.一种刚柔双臂协作机器人，其特征在于：包括依次连接的机器人控制器及视觉测量装置(4)、刚性串联多自由度机械臂(1)与柔性串并联多自由度机械臂(3)，刚性串联多自由度机械臂(1)端部设有机械臂末端工装夹具(2)；
所述刚性串联多自由度机械臂(1)包括依次连接的回转底座(11)、大臂(12)、小臂(13)与腕部(14)，回转底座(11)与机器人控制器及视觉测量装置(4)连接，腕部(14)与机械臂末端工装夹具(2)连接；
所述柔性串并联多自由度机械臂(3)位于腕部(14)的第六轴上，其基坐标相对于多自由度机械臂工具坐标为固定的坐标变换，其由若干个多自由度并联机构(32)串联而成，并由其底部的驱动设备(33)进行驱动，其端部设有机械夹爪(34)；
所述机器人控制器及视觉测量装置(4)对刚性串联多自由度机械臂(1)、柔性串并联多自由度机械臂(3)、机械臂末端工装夹具(2)进行控制。
2.根据权利要求1所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：所述的刚性串联多自由度机械臂(1)为四-六自由度串联机构，四-六自由度串联机构包括四-六支链以及四-六个驱动电机，每个支链通过转动副链接。
3.根据权利要求1所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：所述的机械臂末端工装夹具(2)具有两自由度，通过控制其电流量大小控制其抓取或吸附力矩。
4.根据权利要求1所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：所述的柔性串并联多自由度机械臂(3)为串并联机械结构，包括伸缩组合杆件、球铰、安装底盘(31)、驱动设备(33)与机械夹爪(34)；所述驱动设备(33)控制多自由度并联机构(32)各个关节伸缩量，实现臂展的伸长与机械夹爪(34)的状态。
5.根据权利要求4所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：3个所述的多自由度并联机构(32)串联形成三自由度并联机器人串联机构。
6.根据权利要求1所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：所述的机器人控制器及视觉测量装置(4)是以PLC控制器为基础的控制***，内部包含机器人运动控制器；所述控制***包括4G/5G模块及视频监控模块，通过PLC控制器、4G/5G模块及视频监控模块实现设备远程视频监控、操作与数据传输。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：工作流程如下：
1)接受到工作指令，视觉测量***确定目标位姿；
2)运动控制***解算出路径，移动机械臂末端工装夹具至目标物旁；
3)机械臂末端工装夹具(2)捕获运动目标物，并反馈信号；
4)控制***接受信号后，视觉及激光***确定目标物***姿；
5)控制***驱动柔性串并联多自由度机械臂(3)移动至目标物体旁进行协作作业；
6)作业完成，刚柔双臂协助机器人回到初始位姿。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的刚柔双臂协作机器人，其特征在于：工作流程如下：
1)刚柔双臂协作机器人接受到工作信号，外部输入设备向刚性串联多自由度机械臂(1)传递目标物体相对于外部输入设备坐标，外部输入设备为视觉测量装置，控制箱内运动控制器将相对坐标通过坐标变换解析出目标物体的工件坐标；
2)运动控制器通过解析确定其坐标满足刚性串联多自由度机械臂(1)工作空间要求，刚性串联多自由度机械臂(1)以目标物体为目标点，PLC控制单元根据目标点相对机械臂底座坐标的位置，给四-六自由度机械臂臂各关节电机驱动信号，使刚性串联多自由度机械臂(1)在其工作空间内移动并将机械臂末端工装夹具(2)移动至夹取位姿；
3)机械臂末端工装夹具(2)到达夹取位姿后，PLC控制机械臂末端工装夹具(2)夹取目标物体，使目标物体与刚性串联多自由度机械臂(1)工具坐标之间的相对坐标不变；
4)外部输入设备传递目标物体上所需作业位置与刚性串联多自由度机械臂(1)工具坐标之间的相对坐标至运动控制器，运动控制器将接收到的相对坐标通过坐标变换解析出目标物体相对于柔性串并联多自由度机械臂(3)的工件坐标；
5)运动控制器通过运动学解析，以目标物作位置为目标位姿，运动控制单元根据目标位姿，给柔性串并联多自由度机械臂(3)各并联机构关节驱动信号，使得柔性串并联多自由度机械臂(3)能够移动并将末端机械夹爪移动至目标位姿并进行拧紧、打磨及装配的协作操作。
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