一種輪胎搬運機器人及其控制方法
【專利摘要】本發明提出了一種輪胎搬運機器人，包括搬運機器人本體、安裝在搬運機器人本體上的輪胎抓取裝置、紅外測距傳感器、機器人控制器，所述紅外測距傳感器與機器人控制器連接，用于實時檢測目標位置，并把位置信息傳送給機器人控制器；所述機器人控制器與搬運機器人本體連接；本發明采用了運動和操作精度更高的垂掛式六自由度直角坐標結構的搬運機器人，以及氣缸驅動的輪胎抓取裝置，抓取范圍可調，能夠實現高精度、大行程的運動要求；基于傳感器的閉環軌跡規劃方法和智能指令系統，大大節約了操作人員示教編程的時間，提高了機器人的運行效率；開放式的機器人控制系統結構，有助于開發人員對機器人控制系統進行后期的擴充和開發，提高系統的柔性。
【專利說明】一種輪胎搬運機器人及其控制方法

【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及到一種搬運機器人及其控制方法，特別涉及一種應用于汽車生產線的輪胎搬運機器人及其控制方法。

【背景技術】
[0002]隨著現代工業自動化技術的迅速發展，許多人工生產加工的工作領域被工業機器人所代替，汽車生產線中的輪胎搬運作為一項體力繁重而又重復繁瑣的作業逐步被工業機器人取代。
[0003]然而，由于汽車輪胎的重量較大，再加上機器人末端的輪胎抓取裝置，目前，廣泛使用的輪胎搬運機器人主要為具有較大負載的通用關節機器人，機器人的購買和維修保養成本較高。大部分用于搬運的工業機器人都采用人工逐步按指令進行程序示教的方式，操作工人需要操作機器人對所需要經過的空間路徑進行逐一示教，而且，關節機器人相對于直角坐標機器人的空間坐標并不直觀，示教過程難度較大，需要專業的機器人操作工人才能熟練掌握，所需要花費的時間也非常多。另外，如果缺少外部設備的反饋形成閉環控制，直接采用人工示教方式的關節機器人的運動軌跡精度不高，需要人為對所示教的軌跡程序進行不斷的修正，從而使機器人得到較為理想的運動軌跡。
[0004]從控制系統的角度考慮，目前市場上大部分關節機器人的控制系統都是專業開發，具有封閉性，不易進行二次開發或者進行控制系統的修改，對于一些需求的變化而難以進行修改無法滿足控制系統柔性的要求。在汽車生產線中，大部分負責輪胎搬運的機器人并沒有與目標工位相關的裝置形成位置閉環反饋，機器人的抓取輪胎進行運動的過程對于目標工位裝置來說是一種開環的軌跡運動，如果機器人搬運輪胎的實際位置軌跡與目標位置存在較大偏差，而又因為缺少位置反饋，機器人無法識別位置偏差，這不僅造成運動的位置誤差，而且有可能產生碰撞甚至其他危險。


【發明內容】

[0005]所要解決的技術問題:
本發明鑒于上述現有情況的不足和生產需要，為了解決輪胎搬運機器人成本較高、示教過程繁瑣、搬運位置精度不高、編程效率較低、機器人運行效率不高等方面的缺陷，本發明提出了一種應用于汽車生產線的輪胎搬運機器人及其控制方法。
[0006]技術方案:
為了實現以上功能，本發明提供了一種輪胎搬運機器人，包括搬運機器人本體、安裝在搬運機器人本體上的輪胎抓取裝置、紅外測距傳感器、機器人控制器，所述紅外測距傳感器與機器人控制器連接，用于實時檢測目標位置，并把位置信息傳送給機器人控制器；所述機器人控制器與搬運機器人本體連接；其特征在于:
其中，輪胎抓取裝置與搬運機器人本體連接處設有可以旋轉的第一手腕單元，所述第一手腕單元繞搬運機器人本體的長度方向的第一軸線A旋轉； 在該第一手腕單元上，繞大致垂直于所述第一軸線A的第二軸線B可以旋轉的設置第~■手單兀；
在該第二手腕單元上，設置有輪胎抓取裝置，所述輪胎抓取裝置繞大致垂直于第二軸線B的第三軸線C旋轉。
[0007]所述搬運機器人本體包括底座、活動定位于底座上并與底座垂直設置的懸臂、垂直安裝于懸臂末端的前臂；
所述底座設有梁，梁上設有第一導軌，所述懸臂上設有第二導軌，懸臂與底座連接處設有連接件，該連接件與第一導軌和第二導軌連接處分別設有滾輪，使懸臂沿梁的長度方向水平移動，并且使懸臂上下移動；
所述前臂的末端連接第一手腕單元，并且所述第一手腕單元繞前臂的長度方向的第一軸線A旋轉。
[0008]所述前臂采用皮帶傳動的伸縮式倍速機構對其長度方向的運動進行控制。
[0009]所述機器人控制器上設有顯示器。
[0010]所述紅外測距傳感器上設有紅外測距傳感器，所述輪胎抓取裝置的末端為一輪胎抓取執行機構，紅外測距傳感器設置在輪胎抓取執行機構前端，用于檢測汽車輪胎裝配螺紋孔位置。
[0011]所述輪胎抓取裝置采用氣缸驅動，具體包括氣缸、電磁氣閥、輪胎抓取執行機構；電磁閥與汽缸通過氣動接頭、PU管相連接，汽缸與輪胎抓取執行機構直接連接，通過控制電磁氣閥通電斷電來控制汽缸的運動，進而控制輪胎抓取執行機構抓取或松開輪胎。
[0012]一種輪胎搬運機器人控制方法，具體的搬運方法包括以下步驟:所述
51、安裝調試:將搬運機器人本體、機器人控制器以及紅外測距傳感器安裝在汽車總生產線上,并進行系統調試；
52、啟動:搬運機器人通電后，進入啟動過程，搬運機器人完成初始化、自檢診斷過程以及自動回零過程，并進行位置校正；
53、示教:人工示教搬運機器人運動軌跡中的若干關鍵位置點，并保存指令代碼；
54、取料:搬運機器人運動到取料位置抓取輪胎，經過預先規劃的若干中間位置點，到達位置等待點；進行中間位置點規劃時，控制系統內部使用單軸運動算法進行規劃，以梁X的方向、懸臂的方向Z、前臂的方向Y進行規劃，以設定的步長進行計算，并避開障礙物；抓取時，夾爪首先松開，機械手向著輪胎方向運動，在即將到達輪胎位置時，運動速度放緩，輪胎抓取裝置沿第一軸線A、第二軸向B、第三軸線C調整輪胎抓取執行機構的姿態，并運行到抓取位置，然后夾緊夾爪抓取輪胎；
55、檢測:紅外測距傳感器實時檢測輪胎的位置信號并發送給機器人控制器；
56、軌跡規劃:機器人控制器將讀取的傳感信號進行解析，并對目標位置進行規劃和軌跡插補；
57、搬運:搬運機器人從位置等待點，根據規劃的運動軌跡運動，并根據反饋的位置信號，并實時監測是否有干涉信號的存在，及時調整搬運機器人本體和抓手的運動，直至完成整個輪胎搬運過程；其中，干涉信號由紅外測距傳感器提供，當存在干涉時傳感器將信號傳輸給控制器，控制器發出停止信號，搬運機器人停止運動，重新進行規劃和軌跡插補，調整搬運機器人本體和抓手的運動，直至完成整個輪胎搬運過程。
[0013]搬運機器人抓住輪胎后將輪胎搬運到指定位置的具體過程為:
首先，紅外測距傳感器信號經過位置采集模塊實時發送給搬運機器人控制系統，機器人控制系統實時讀取傳感信號；
然后，處于等待狀態的機器人控制器根據讀取的位置信號進行判斷，如果滿足運動要求就進行位置解析和轉換，計算出目標位置，經過路徑規劃算法模塊的目標位置軌跡規劃、軌跡優化過程，最終發送運動指令機器人執行機構；
最后，搬運機器人沿搬運機器人本體梁X的方向、懸臂的方向Z、前臂的方向Y調整輪胎抓取裝置的位置，輪胎抓取裝置沿第一軸線A、第二軸向B、第三軸線C調整輪胎抓取執行機構的姿態；到達目標位置，從而完成整個運動過程。
[0014]有益效果:
本發明提供的輪胎搬運機器人及其控制方法，能夠自動完成輪胎搬運過程，大大節約人力成本，并提高生產效率；采用的六自由度直角坐標結構式機器人，以及抓取范圍可調的輪胎抓取裝置，能夠實現高精度、大行程的運動要求；通過智能指令系統及簡單的示教過程完成機器人的編程，大大簡化了傳統人工逐點位置編程的過程；通過紅外測距傳感器檢測汽車輪胎裝配螺紋孔位置而實現自動進行輪胎搬運的軌跡規劃與運動控制的方法，避免了人工示教繁瑣、費時而精度不高的缺陷，實現高效率的輪胎搬運程序規劃與運動控制；通過采用開放式的機器人控制系統結構，有助于開發人員對機器人控制系統進行后期的擴充和開發，提高系統的柔性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
圖1為本發明的輪胎搬運機器人的結構簡圖；
圖2為本發明的基于傳感器信號進行機器人運動控制的原理圖；
圖3為本發明的輪胎搬運機器人的智能指令系統框架圖；
圖4為本發明的輪胎搬運機器人的控制系統結構圖。

【具體實施方式】
[0016]本發明提供一種輪胎搬運機器人及其控制方法，為使本發明的目的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0017]請參閱圖1，其為本發明的輪胎搬運機器人的結構簡圖。如圖所示，所述的輪胎搬運機器人包括:搬運機器人本體，所述搬運機器人本體上設置有以輪胎搬運機器人的梁為X軸、前臂為Y軸、懸臂為Z軸的三個直線運動機構，以及前臂與輪胎抓取裝置連接部位設有第一軸線A軸、第二軸線B軸、第三軸線C軸的三個末端旋轉運動軸；以及與搬運機器人本體相連接的機器人控制器9，與機器人控制器9相連接的紅外測距傳感器裝置8，顯示器10。所述的X軸、Y軸、Z軸三個直線運動軸遵循笛卡爾坐標系原理，各軸的分布從壁掛基座從X軸依次經過Z軸、Y軸、A軸、B軸、C軸以及輪胎抓取裝置7呈現開放式的鏈狀結構；所述的搬運機器人本體連接機器人控制器9連接紅外測距傳感器，用于反饋搬運輪胎的實際目標位置并進行干涉檢測。
[0018]所述的搬運機器人本體根據機器人控制器9發出的運動指令，控制機器人X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸、C軸做出各種動作，從而帶動與其相連的輪胎抓取裝置對輪胎進行抓取，并通過輪胎搬運機器人的運動將輪胎移動到所規定的位置。
[0019]所述的輪胎抓取裝置7用于對輪胎進行抓取或松開，當輪胎到達所規定放置的位置時，松開輪胎，包括抓取執行裝置、氣缸、電磁氣閥，所述的氣缸用于將壓縮氣體的壓力能轉換成機械能，從而帶動輪胎抓取執行裝置進行運動，所述的夾具執行裝置用于實現對輪胎的抓取和松開，能夠適應一定范圍內不同規格的輪胎。
[0020]所述的機器人控制器9通過發送控制信號控制機器人和輪胎抓取裝置進行運動。另外，所述的機器人控制器9上連接有紅外測距傳感器8，傳感裝置安裝在目標工位位置，用于反饋機器人搬運輪胎到實際目標位置，從而控制機器人進行位置的修正和自動規劃運動軌跡，也可以調整機器人本體和抓取裝置的運動，最終使機器人運動到達規定的目標位置；所述的紅外測距傳感器為紅外傳感裝置，所述檢測的目標位置為汽車輪胎裝配螺紋孔位置。機器人控制系統具體包括:如圖4所示:
調試模塊，用于機器人的初步安裝與調試的參數設置與位置修正，技術人員可進行機器人出廠參數的修改以及安裝調試參數的校正；
啟動模塊，包括初始化模塊、自檢診斷模塊和自動回零模塊等子模塊，完成機器人的初始化、自檢和回零等啟動過程，其中所述的初始化模塊用于對機器人進行系統初始化，所述的自檢診斷模塊用于對機器人系統及運行狀態進行自動檢測以及故障診斷，所述的自動回零模塊，用于控制機器人進行各軸的自動回零；
示教模塊，用于人工示教機器人運動軌跡的若干關鍵位置點，并保存指令代碼，其中指令代碼包括自由運動指令、智能取料指令、智能目標指令等，從而控制機器人根據指令執行運動程序；
參數管理模塊，用于設置與搬運機器人運動過程相關的參數并進行管理；
文件管理模塊，用于管理搬運機器人的程序文件和報警診斷文件，進行文件的新建、重命名、復制、保存、刪除等操作；
運動執行模塊，包括智能算法模塊、運動規劃模塊和狀態顯示模塊三個子模塊，通過各個子模塊的配合完成搬運機器人的整個運動過程，其中，所述的智能算法模塊，用于讀取紅外傳感器的信號并根據信號計算搬運機器人的目標位置以及若干中間軌跡位置，并對所需要運行的位置點進行軌跡規劃，從而平滑的完成運動過程，所述的運動規劃模塊，用于規劃機器人的取料運動、中間自由點位置運動等軌跡運動過程，所述的狀態顯示模塊用于顯示機器人的實時運動狀態；
進一步地，本發明還提供了一種所述的輪胎搬運機器人的控制方法，包括:
基于傳感器的輪胎搬運軌跡規劃方法:進行輪胎搬運機器人的軌跡控制和規劃，包括紅外測距傳感器、信號采集電路以及連接電纜，系統內部將采集的傳感器信號進行解析，從而計算得到實際目標位置，經過智能算法模塊和運動規劃模塊控制機器人抓取輪胎運動到達目標位置
智能指令系統:包含智能取料指令、智能等待指令、智能目標運動指令。
[0021]進一步地，所述的輪胎搬運機器人的控制方法，其中，所述的基于傳感器的輪胎搬運軌跡規劃方法:傳感裝置與機器人通過一定的機械裝置固定在生產線工作臺上，機器人控制系統實時讀取紅外傳感裝置的信號狀態，控制系統通過所讀取的紅外傳感裝置的信號狀態，判斷計算目標運動的準確位置，機器人控制系統根據這一位置信息并結合相對的位置進行運算，轉換成機器人末端執行裝置的規劃目標位置，根據規劃目標位置以及若干運動的中間點，從而控制機器人運動到目標位置。這個方法可以有效解決汽車到達工位存在偏差而導致機器人搬運輪胎不能有效準確的進行相應的位置調整的問題，故能提高搬運機器人搬運輪胎的運動位置精度。
[0022]進一步地，所述的輪胎搬運機器人的控制方法，其中，搬運機器人的智能指令系統結構如圖3所示，每條指令劃分為運動屬性、工藝屬性和類型屬性三種不同的屬性，其中運動屬性包括直線運動、圓弧運動、點位運動和特殊軌跡運動，工藝屬性包括自由運動、輪胎抓取或釋放運動和輔助運動，類型屬性包括自由點和約束點。機器人在搬運空間運動時，示教若干抓取運動點、輔助運動點，并自動規劃中間自由運動位置點。
[0023]進一步地，所述的輪胎搬運機器人的控制方法，具體的搬運步驟包括:
51、安裝調試:將搬運機器人本體、控制系統以及傳感裝置安裝在汽車總生產線上，并完成系統調試過程；
52、啟動:輪胎搬運機器人通電后，進入啟動過程，輪胎搬運機器人完成初始化過程、自檢診斷過程以及自動回零過程，確保控制系統運行正常，并進行位置校正；
53、示教:人工示教機器人運動軌跡中的若干關鍵位置點，并保存指令代碼；
54、取料:輪胎搬運機器人運動到取料位置抓取輪胎，經過自動規劃的若干中間位置點，到達位置等待點；
55、檢測:紅外測距傳感器實時檢測位置信號并發送給搬運機器人控制器；
56、軌跡規劃:機器人控制器將讀取的傳感信號進行解析，并對目標位置進行規劃和軌跡插補；
57、搬運:輪胎搬運機器人從位置等待點，根據規劃的運動軌跡運動，并根據反饋的位置信號，并實時監測是否有干涉信號的存在，及時調整機器人本體和抓手的運動，直至完成整個輪胎搬運過程。
[0024]進一步的，上述步驟S6基于傳感器信號進行機器人軌跡規劃運動控制的原理圖如圖2所示。根據圖中所示，采用這一方法的搬運機器人的運行過程包括以下步驟:
首先，傳感裝置信號經過位置采集模塊實時發送給搬運機器人控制系統，機器人控制系統實時讀取傳感信號；
然后，處于等待狀態的機器人控制器統根據讀取的位置信號進行判斷，如果滿足運動要求就進行位置解析和轉換，計算出目標位置，經過路徑規劃算法模塊的目標位置軌跡規劃、軌跡優化過程，最終發送運動指令機器人執行機構；
最后，搬運機器人沿搬運機器人本體梁X的方向、懸臂的方向Z、前臂的方向Y調整輪胎抓取裝置的位置，輪胎抓取裝置沿第一軸線A、第二軸向B、第三軸線C調整輪胎抓取執行機構的姿態；到達目標位置，從而完成整個運動過程。
[0025]本發明使用的機器人控制器9為固高工業機器人控制器CPAC-0T0B0X-800-TPG，適用于垂直關節型機械手，可最多容納8根控制軸，具有豐富的控制指令集和開發接口。
[0026]通過本發明提供的輪胎搬運機器人及其軌跡規劃方法，能夠自動完成輪胎搬運過程，大大節約人力成本，并提高生產效率；能夠通過智能指令系統及簡單的示教過程完成機器人的編程，從而簡化傳統人工逐點位置編程的過程；能夠通過傳感反饋裝置與機器人形成運動控制的反饋，從而實現機器人的更高精度運動，并及時調整機器人本體和抓手運動，從而保證了整個搬運過程及時有效。
[0027]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種輪胎搬運機器人，包括搬運機器人本體、安裝在搬運機器人本體上的輪胎抓取裝置、紅外測距傳感器、機器人控制器，所述紅外測距傳感器與機器人控制器連接，用于實時檢測目標位置，并把位置信息傳送給機器人控制器；所述機器人控制器與搬運機器人本體連接；其特征在于: 其中，輪胎抓取裝置與搬運機器人本體連接處設有可以旋轉的第一手腕單元，所述第一手腕單元繞搬運機器人本體的長度方向的第一軸線(A)旋轉； 在該第一手腕單元上，繞大致垂直于所述第一軸線(A)的第二軸線(B)可以旋轉的設置第二手腕單元； 在該第二手腕單元上，設置有輪胎抓取裝置，所述輪胎抓取裝置繞大致垂直于第二軸線(B)的第三軸線(C)旋轉。
2.根據權利要求1所述的一種輪胎搬運機器人，其特征在于:所述搬運機器人本體包括底座、活動定位于底座上并與底座垂直設置的懸臂、垂直安裝于懸臂末端的前臂； 所述底座設有梁，梁上設有第一導軌，所述懸臂上設有第二導軌，懸臂與底座連接處設有連接件，該連接件與第一導軌和第二導軌連接處分別設有滾輪，使懸臂沿梁的長度方向水平移動，并且使懸臂上下移動； 所述前臂的末端連接第一手腕單元，并且所述第一手腕單元繞前臂的長度方向的第一軸線(A)旋轉。
3.根據權利要求1所述的一種輪胎搬運機器人，其特征在于:所述前臂采用皮帶傳動的伸縮式倍速機構對其長度方向的運動進行控制。
4.根據權利要求1所述的一種輪胎搬運機器人，其特征在于:所述機器人控制器上設有顯示器。
5.根據權利要求2所述的一種輪胎搬運機器人，其特征在于:所述輪胎搬運機器人上設有紅外測距傳感器，所述輪胎抓取裝置的末端為一輪胎抓取執行機構，紅外測距傳感器設置在輪胎抓取執行機構前端，用于檢測汽車輪胎裝配螺紋孔位置。
6.根據權利要求5所述的一種輪胎搬運機器人，其特征在于:所述輪胎抓取裝置采用氣缸驅動，具體包括氣缸、電磁氣閥、輪胎抓取執行機構；電磁閥與汽缸通過氣動接頭、PU管相連接，汽缸與輪胎抓取執行機構直接連接，通過控制電磁氣閥通電斷電來控制汽缸的運動，進而控制輪胎抓取執行機構抓取或松開輪胎。
7.一種輪胎搬運機器人控制方法，具體的搬運方法包括以下步驟:所述 51、安裝調試:將搬運機器人本體、機器人控制器以及紅外測距傳感器安裝在汽車總生產線上,并進行系統調試； 52、啟動:搬運機器人通電后，進入啟動過程，搬運機器人完成初始化、自檢診斷過程以及自動回零過程，并進行位置校正； 53、示教:人工示教搬運機器人運動軌跡中的若干關鍵位置點，并保存指令代碼； 54、取料:搬運機器人運動到取料位置抓取輪胎，經過預先規劃的若干中間位置點，到達位置等待點；進行中間位置點規劃時，控制系統內部使用單軸運動算法進行規劃，以梁(X)的方向、懸臂的方向(Z)、前臂的方向(Y)進行規劃，以設定的步長進行計算，并避開障礙物；抓取時，夾爪首先松開，機械手向著輪胎方向運動，在即將到達輪胎位置時，運動速度放緩，輪胎抓取裝置沿第一軸線(A)、第二軸向(B)、第三軸線(C)調整輪胎抓取執行機構的姿態，并運行到抓取位置，然后夾緊夾爪抓取輪胎； 55、檢測:紅外測距傳感器實時檢測輪胎的位置信號并發送給機器人控制器； 56、軌跡規劃:機器人控制器將讀取的傳感信號進行解析，并對目標位置進行規劃和軌跡插補； 57、搬運:搬運機器人從位置等待點，根據規劃的運動軌跡運動，并根據反饋的位置信號，并實時監測是否有干涉信號的存在，及時調整搬運機器人本體和抓手的運動，直至完成整個輪胎搬運過程；其中，干涉信號由紅外測距傳感器提供，當存在干涉時傳感器將信號傳輸給控制器，控制器發出停止信號，搬運機器人停止運動，重新進行規劃和軌跡插補，調整搬運機器人本體和抓手的運動，直至完成整個輪胎搬運過程。
8.根據權利要求7所述的一種輪胎搬運機器人控制方法，其特征在于:搬運機器人抓住輪胎后將輪胎搬運到指定位置的具體過程為: 首先，紅外測距傳感器信號經過位置采集模塊實時發送給搬運機器人控制系統，機器人控制系統實時讀取傳感信號； 然后，處于等待狀態的機器人控制器根據讀取的位置信號進行判斷，如果滿足運動要求就進行位置解析和轉換，計算出目標位置，經過路徑規劃算法模塊的目標位置軌跡規劃、軌跡優化過程，最終發送運動指令機器人執行機構； 最后，搬運機器人沿搬運機器人本體梁(X)的方向、懸臂的方向(Z)、前臂的方向(Y)調整輪胎抓取裝置的位置，輪胎抓取裝置沿第一軸線(A)、第二軸向(B)、第三軸線(C)調整輪胎抓取執行機構的姿態；到達目標位置，從而完成整個運動過程。
【文檔編號】B25J19/02GK104354157SQ201410590380
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】樓佩煌, 錢曉明, 劉榮 申請人:南京航空航天大學