CN117565061B - 基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统 - Google Patents
基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及机械臂搬运领域，用于解决机械臂搬运过程中以固定的程序运行无法实现不同的搬运重量和搬运速度平衡控制的问题，具体为基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统；本发明中，不仅单独采集物品的重量，还通过采集机械臂所受到的扭矩，判断物品在被机械臂夹持时物品的中心是否处于机械臂夹持的部分中，通过对搬运过程中的路径和速度分析，使得机械臂在搬运过程中能够对搬运速度和夹持力度进行动态调节，保证机械臂在不同运动状态下具有不同的控制能力，机械臂在搬运的过程中，通过对搬运物品的重量和搬运物品的速度进行综合分析，从而使得被搬运的物品能够在运动过程中实现重量和速度平衡，提高了机械臂的运行效果。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂搬运领域，具体为基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统。
背景技术
机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用；机械臂是一个复杂系统，存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性；因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务，需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿；
目前，现有技术中的机械臂搬运控制系统仍存在不足之处，机械臂在搬运的过程中，搬运的物品具有不同的形状、材质和强度，因此机械臂若采用统一的控制方式会存在夹持力度不足导致物品掉落或夹持力度过高导致物品变形的问题存在，同时对于不同形状的物品，即使在相同质量下，需要以不同的运行速度加以控制，从而保证夹持的货物重量与搬运速度的平衡协调；
针对上述技术问题，本申请提出一种解决方案。
发明内容
本发明中，对物品的重量进行分析时，不仅单独采集物品的重量，还通过采集机械臂所受到的扭矩，判断物品在被机械臂夹持时物品的中心是否处于机械臂夹持的部分中，通过对搬运过程中的路径和速度分析，使得机械臂在搬运过程中能够对搬运速度和夹持力度进行动态调节，保证机械臂在不同运动状态下具有不同的控制能力，机械臂在搬运的过程中，通过对搬运物品的重量和搬运物品的速度进行综合分析，从而使得被搬运的物品能够在运动过程中实现重量和速度平衡，既保证搬运的效率，又能够保证搬运时物品不会发生脱落，提高了机械臂的运行效果，解决机械臂搬运过程中以固定的程序运行无法实现不同的搬运重量和搬运速度平衡控制的问题，而提出基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统，包括重量采集分析单元、速度采集分析单元、夹持控制单元、搬运路径控制单元和数据中控平台，所述重量采集分析单元能够在机械臂进行搬运时，对被搬运货物的重量进行采集，根据采集结果生成重量分析信息，并将重量分析信息发送至数据中控平台；
所述速度采集分析单元能够对机械臂运行过程的当前速度进行采集，并根据机械臂运行的当前速度生成速度信息，所述速度采集分析单元将速度信息发送至数据中控平台；
所述夹持控制单元能够获取到被搬运货物的夹持力度上限，并将夹持力度上限发送至数据中控平台；
所述数据中控平台获取到重量分析信息和速度信息后，对重量分析信息和速度信息进行综合分析，并以夹持力度上限为参考，生成速度控制信号；
所述夹持控制单元能够通过数据中控平台获取到速度控制信号，所述夹持控制单元能够通过速度控制信号进行分析，并生成夹持搬运控制信号，所述夹持控制单元将夹持搬运控制信号反馈至数据中控平台；
所述搬运路径控制单元能够获取到被搬运货物的搬运位置，并根据搬运位置生成动作路径，所述搬运路径控制单元将动作路径发送至数据中控平台，所述数据中控平台获取到动作路径后，对动作路径进行分析，所述数据中控平台生成最大夹持力度信号并将最大夹持力度信号发送至夹持控制单元
作为本发明的一种优选实施方式，所述夹持控制单元获取到被搬运货物的夹持力度上限的方式为手动输入；
所述夹持控制单元在控制机械臂进行搬运时，通过手动输入的方式获取到被搬运货物的初始重量，所述夹持控制单元以能够搬运起初始重量的夹持力度控制机械臂对货物进行搬运；
所述重量采集分析单元在机械臂将被搬运货物夹持起后，通过传感器对被搬运货物的实际重量进行采集，并根据机械臂在被搬运货物所处的竖直平面内所承受的扭矩计算被搬运货物的重心位置，若机械臂所承受的扭矩小于预设的阈值，则生成重心统一信号，若机械臂所承受的扭矩大于预设的阈值，则生成重心偏移信号，所述重量采集分析单元将重心统一信号、重心偏移信号和实际重量记录为重量分析信息发送至数据中控平台。
作为本发明的一种优选实施方式，所述速度采集分析单元对机械臂的运行速度进行采集时，同时采集机械臂所搬运的货物的运行方向，将货物在每个方向上的速度记录为V。
作为本发明的一种优选实施方式，所述数据中控平台获取到被搬运货物的运行方向，将货物的运行方向与货物夹持面的夹角进行计算，并将夹角记录为H，其中货物的运行方向和货物夹持面的夹角的计算方式为：选取货物所在的竖直平面，沿水平方向和竖直方向绘制两条直线，将货物的运行方向以两条直线的交点为起点绘制第三条直线，并计算第三条直线与水平方向和竖直方向的夹角，分别记录为水平夹角和竖直夹角，选取水平夹角和竖直夹角中角度最小的一组，记录为夹角H；
所述数据中控平台将夹持力度上限记录为F0，所述数据中控平台获取到重量分析信息后，将重量分析信息中的实际重量记录为M，同时获取到速度信息中的速度V，所述数据中控平台根据公式计算被搬运货物在当前重量M下的运行危险值X，其中k为预设的权重系数，当重量分析信息中生成重心统一信号时，k取值为k1，当重量分析信息中生成重心偏移信号时，k取值为k2，其中k1＜k2。
作为本发明的一种优选实施方式，所述数据中控平台将运行危险值X与预设的运行危险值X0进行对比，若运行危险值X小于预设的运行危险值X0，则生成速度安全信号，若运行危险值X大于等于预设的运行危险值X0，则生成速度降低信号，其中速度安全信号和速度降低信号为速度控制信号。
作为本发明的一种优选实施方式，所述夹持控制单元在获取到速度控制信号后，若速度控制信号为速度降低信号，则生成夹持力度增加信号，并将夹持力度位置在被搬运货物所能够承受的最大夹持力度；若速度控制信号为速度安全信号，则生成搬运加速信号，并提高机械臂的搬运速度；
所述数据中控平台获取到搬运加速信号后，对机械臂运行过程的运行危险值进行重新计算，当通过搬运加速信号对机械臂的搬运过程进行加速时，运行危险值会逐渐增加，在运行危险值X增加至等于预设的运行位置X0时，生成速度退让信号，对速度进行预设程度的小幅度降低，并维持速度不变。
作为本发明的一种优选实施方式，所述搬运路径控制单元在获取到动作路径后，将搬运路径中的不同搬运角度进行计算，将搬运角度发生变化的位置记录为路线拐点，所述搬运路径控制单元将路线拐点发送至数据中控平台，所述数据中控平台在搬运至路线拐点时生成最大夹持力度信号，并将最大夹持力度信号发送至夹持控制单元，所述夹持控制单元在获取到最大夹持力度信号后将夹持力度增加为被搬运货物的夹持力度上限，在搬运货物经过路线拐点后，数据中控单元生成夹持力度恢复信号发送至夹持控制单元，所述夹持控制单元收到夹持恢复信号后恢复夹持力度至达到路线拐点前的力度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，机械臂在搬运的过程中，通过对搬运物品的重量和搬运物品的速度进行综合分析，从而使得被搬运的物品能够在运动过程中实现重量和速度平衡，既保证搬运的效率，又能够保证搬运时物品不会发生脱落，提高了机械臂的运行效果。
2、本发明中，在对物品的重量进行分析时，不仅单独采集物品的重量，还通过采集机械臂所受到的扭矩，当物品的中心位于机械臂夹持部位的外部时，机械臂夹持的部位会受到物品倾斜而带来的扭矩，从而判断物品在被机械臂夹持时，物品的中心是否处于机械臂夹持的部分中，为机械臂搬运时的重量提供更全面的信息支撑。
3、本发明中，通过对搬运过程中的路径和速度分析，使得机械臂在搬运过程中能够对搬运速度和夹持力度进行动态调节，保证机械臂在不同运动状态下具有不同的控制能力，提高了机械臂的稳定性和节能性。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1所示，基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统，包括重量采集分析单元、速度采集分析单元、夹持控制单元、搬运路径控制单元和数据中控平台，重量采集分析单元能够在机械臂进行搬运时，对被搬运货物的重量进行采集，根据采集结果生成重量分析信息，并将重量分析信息发送至数据中控平台；
速度采集分析单元能够对机械臂运行过程的当前速度进行采集，并根据机械臂运行的当前速度生成速度信息，速度采集分析单元将速度信息发送至数据中控平台，速度采集分析单元对机械臂的运行速度进行采集时，同时采集机械臂所搬运的货物的运行方向，将货物在每个方向上的速度记录为V；
夹持控制单元能够获取到被搬运货物的夹持力度上限，夹持控制单元获取到被搬运货物的夹持力度上限的方式为手动输入，并将夹持力度上限发送至数据中控平台；
夹持控制单元在控制机械臂进行搬运时，通过手动输入的方式获取到被搬运货物的初始重量，夹持控制单元以能够搬运起初始重量的夹持力度控制机械臂对货物进行搬运；
重量采集分析单元在机械臂将被搬运货物夹持起后，通过传感器对被搬运货物的实际重量进行采集，并根据机械臂在被搬运货物所处的竖直平面内所承受的扭矩计算被搬运货物的重心位置，若机械臂所承受的扭矩小于预设的阈值，则生成重心统一信号，若机械臂所承受的扭矩大于预设的阈值，表明重心位于机械臂和货物接触位置的外侧，因此货物发生倾斜的倾向，对机械臂夹持的部分产生挤压，从而导致机械臂承受较大扭矩，则生成重心偏移信号，重量采集分析单元将重心统一信号、重心偏移信号和实际重量记录为重量分析信息发送至数据中控平台；
数据中控平台获取到被搬运货物的运行方向，将货物的运行方向与货物夹持面的夹角进行计算，并将夹角记录为H，其中货物的运行方向和货物夹持面的夹角的计算方式为：选取货物所在的竖直平面，沿水平方向和竖直方向绘制两条直线，将货物的运行方向以两条直线的交点为起点绘制第三条直线，并计算第三条直线与水平方向和竖直方向的夹角，分别记录为水平夹角和竖直夹角，选取水平夹角和竖直夹角中角度最小的一组，记录为夹角H，数据中控平台获取到重量分析信息和速度信息后，将夹持力度上限记录为F0，数据中控平台获取到重量分析信息后，将重量分析信息中的实际重量记录为M，同时获取到速度信息中的速度V，数据中控平台根据公式计算被搬运货物在当前重量M下的运行危险值X，其中k为预设的权重系数，当重量分析信息中生成重心统一信号时，k取值为k1，当重量分析信息中生成重心偏移信号时，k取值为k2，其中k1＜k2；实现对重量分析信息和速度信息的综合分析，数据中控平台将运行危险值X与预设的运行危险值X0进行对比，若运行危险值X小于预设的运行危险值X0，表明当前重量下运行速度较为安全，则生成速度安全信号，若运行危险值X大于等于预设的运行危险值X0，表明当前重量下运行速度过高，在减速或转向时可能存在货物滑落的现象，则生成速度降低信号，其中速度安全信号和速度降低信号为速度控制信号。
实施例二：
请参阅图1所示，夹持控制单元能够通过数据中控平台获取到速度控制信号，若速度控制信号为速度降低信号，则生成夹持力度增加信号，并将夹持力度位置在被搬运货物所能够承受的最大夹持力度；若速度控制信号为速度安全信号，则生成搬运加速信号，并提高机械臂的搬运速度，夹持控制单元将夹持搬运控制信号反馈至数据中控平台，数据中控平台获取到搬运加速信号后，对机械臂运行过程的运行危险值进行重新计算，当通过搬运加速信号对机械臂的搬运过程进行加速时，运行危险值会逐渐增加，在运行危险值X增加至等于预设的运行位置X0时，生成速度退让信号，对速度进行预设程度的小幅度降低，并维持速度不变，从而避免速度过高导致机械臂在搬运的过程中出现物品滑落的现象。
搬运路径控制单元能够获取到被搬运货物的搬运位置，并根据搬运位置生成动作路径，搬运路径控制单元在获取到动作路径后，将搬运路径中的不同搬运角度进行计算，将搬运角度发生变化的位置记录为路线拐点，搬运路径控制单元将路线拐点发送至数据中控平台，数据中控平台获取到路线拐点后，对路线拐点进行分析，数据中控平台在搬运至路线拐点时生成最大夹持力度信号，数据中控平台生成最大夹持力度信号并将最大夹持力度信号发送至夹持控制单元，夹持控制单元在获取到最大夹持力度信号后将夹持力度增加为被搬运货物的夹持力度上限，在搬运货物经过路线拐点后，数据中控单元生成夹持力度恢复信号发送至夹持控制单元，夹持控制单元收到夹持恢复信号后恢复夹持力度至达到路线拐点前的力度，从而继续物品的搬运过程，同时避免长时间保持高压的压力导致机械臂的使用寿命下降和能耗增加。
本发明中，对物品的重量进行分析时，不仅单独采集物品的重量，还通过采集机械臂所受到的扭矩，判断物品在被机械臂夹持时物品的中心是否处于机械臂夹持的部分中，通过对搬运过程中的路径和速度分析，使得机械臂在搬运过程中能够对搬运速度和夹持力度进行动态调节，保证机械臂在不同运动状态下具有不同的控制能力，机械臂在搬运的过程中，通过对搬运物品的重量和搬运物品的速度进行综合分析，从而使得被搬运的物品能够在运动过程中实现重量和速度平衡，既保证搬运的效率，又能够保证搬运时物品不会发生脱落，提高了机械臂的运行效果。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统，其特征在于，包括重量采集分析单元、速度采集分析单元、夹持控制单元、搬运路径控制单元和数据中控平台，所述重量采集分析单元能够在机械臂进行搬运时，对被搬运货物的重量进行采集，根据采集结果生成重量分析信息，并将重量分析信息发送至数据中控平台；
所述速度采集分析单元能够对机械臂运行过程的当前速度进行采集，并根据机械臂运行的当前速度生成速度信息，所述速度采集分析单元将速度信息发送至数据中控平台；
所述夹持控制单元能够获取到被搬运货物的夹持力度上限，并将夹持力度上限发送至数据中控平台；
所述数据中控平台获取到重量分析信息和速度信息后，对重量分析信息和速度信息进行综合分析，并以夹持力度上限为参考，生成速度控制信号；
所述夹持控制单元能够通过数据中控平台获取到速度控制信号，所述夹持控制单元能够通过速度控制信号进行分析，并生成夹持搬运控制信号，所述夹持控制单元将夹持搬运控制信号反馈至数据中控平台；
所述搬运路径控制单元能够获取到被搬运货物的搬运位置，并根据搬运位置生成动作路径，所述搬运路径控制单元将动作路径发送至数据中控平台，所述数据中控平台获取到动作路径后，对动作路径进行分析，所述数据中控平台生成最大夹持力度信号并将最大夹持力度信号发送至夹持控制单元；
所述夹持控制单元获取到被搬运货物的夹持力度上限的方式为手动输入；
所述夹持控制单元在控制机械臂进行搬运时，通过手动输入的方式获取到被搬运货物的初始重量，所述夹持控制单元以能够搬运起初始重量的夹持力度控制机械臂对货物进行搬运；
所述重量采集分析单元在机械臂将被搬运货物夹持起后，通过传感器对被搬运货物的实际重量进行采集，并根据机械臂在被搬运货物所处的竖直平面内所承受的扭矩计算被搬运货物的重心位置，若机械臂所承受的扭矩小于预设的阈值，则生成重心统一信号，若机械臂所承受的扭矩大于预设的阈值，则生成重心偏移信号，所述重量采集分析单元将重心统一信号、重心偏移信号和实际重量记录为重量分析信息发送至数据中控平台；
所述速度采集分析单元对机械臂的运行速度进行采集时，同时采集机械臂所搬运的货物的运行方向，将货物在每个方向上的速度记录为V；
所述数据中控平台获取到被搬运货物的运行方向，将货物的运行方向与货物夹持面的夹角进行计算，并将夹角记录为H，其中货物的运行方向和货物夹持面的夹角的计算方式为：选取货物所在的竖直平面，沿水平方向和竖直方向绘制两条直线，将货物的运行方向以两条直线的交点为起点绘制第三条直线，并计算第三条直线与水平方向和竖直方向的夹角，分别记录为水平夹角和竖直夹角，选取水平夹角和竖直夹角中角度最小的一组，记录为夹角H；
所述数据中控平台将夹持力度上限记录为F0，所述数据中控平台获取到重量分析信息后，将重量分析信息中的实际重量记录为M，同时获取到速度信息中的速度V，所述数据中控平台根据公式计算被搬运货物在当前重量M下的运行危险值X，其中k为预设的权重系数，当重量分析信息中生成重心统一信号时，k取值为k1，当重量分析信息中生成重心偏移信号时，k取值为k2，其中k1＜k2；
所述数据中控平台将运行危险值X与预设的运行危险值X0进行对比，若运行危险值X小于预设的运行危险值X0，则生成速度安全信号，若运行危险值X大于等于预设的运行危险值X0，则生成速度降低信号，其中速度安全信号和速度降低信号为速度控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统，其特征在于，所述夹持控制单元在获取到速度控制信号后，若速度控制信号为速度降低信号，则生成夹持力度增加信号，并将夹持力度维持在被搬运货物所能够承受的最大夹持力度；若速度控制信号为速度安全信号，则生成搬运加速信号，并提高机械臂的搬运速度；
所述数据中控平台获取到搬运加速信号后，对机械臂运行过程的运行危险值进行重新计算，当通过搬运加速信号对机械臂的搬运过程进行加速时，运行危险值会逐渐增加，在运行危险值X增加至等于预设的运行危险值X0时，生成速度退让信号，对速度进行预设程度的小幅度降低，并维持速度不变。
3.根据权利要求1所述的基于机械臂搬运的速度与重量平衡控制系统，其特征在于，所述搬运路径控制单元在获取到动作路径后，将搬运路径中的不同搬运角度进行计算，将搬运角度发生变化的位置记录为路线拐点，所述搬运路径控制单元将路线拐点发送至数据中控平台，所述数据中控平台在搬运至路线拐点时生成最大夹持力度信号，并将最大夹持力度信号发送至夹持控制单元，所述夹持控制单元在获取到最大夹持力度信号后将夹持力度增加为被搬运货物的夹持力度上限，在搬运货物经过路线拐点后，数据中控单元生成夹持力度恢复信号发送至夹持控制单元，所述夹持控制单元收到夹持恢复信号后恢复夹持力度至达到路线拐点前的力度。
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