CN118682796A - 一种柔性抓手及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性抓手及其控制系统，属于机器人抓手技术领域。一种柔性抓手，包括框架、连接器和若干个抓手模块；框架采用若干个上位直线执行器构建形成，框架上设置有连接器，连接器可用于与机器人连接，上位直线执行器可相互连接并沿X轴和/或Y轴方向布设扩展；每一抓手模块包括一级或多级下位直线执行器、夹抓装置和若干转接结构。控制系统包括柔性抓手控制器、现场示教管理终端和伺服定位模块，柔性抓手控制器包括逻辑控制器模块、伺服总线通讯模块、总线适配器扫描器模块和总线服务器模块。本发明解决传统柔性抓手的抓取单元结构复杂造成设备重量大及控制技术复杂，且框架及抓取单元不便于扩展的技术问题。

Description

一种柔性抓手及其控制系统

技术领域

本发明涉及机器人抓手技术领域，特别是一种柔性抓手及其控制系统。

背景技术

机器人有工业领域已经广泛应用，机器人抓手是用于机器人抓取物料的装置；目前大部分汽车厂焊装车间的传统抓手基本都是固定支腿及夹持点的前提，传统抓手的缺点在于一个型号夹具无法兼容多种夹持零件，每次更换车型都需要切换抓手或者人工切换支腿，并且该零件停产后抓手因可能复产的需求导致无法拆解报废，需专门储存并定期保养检查，以至于管理冗杂，占用库房，成本居高不下；也由于机器人的造价成本高，如何将一个机器人用于不同物料的抓取成为迫切需要解决的问题。申请号为202111225232.3的本发明提供了一种柔性抓取装置，包括框架，以及设置在框架上的多个抓取单元，多个抓取单元呈矩形阵列布置。抓取单元包括第一底座、移位机构、第一旋转驱动机构、大臂部、小臂部、第二底座、伸展驱动机构和抓手机构。通过在框架上集成多个抓取单元，采用PLC控制系统对每个抓取单元进行控制，可使每个抓取单元完成不同的抓取姿态，从而适应不同规格的注塑件，提高了该柔性抓取装置的适用范围。该方案虽然有一定的柔性，但其抓取单元结构复杂，造成设备重量大增加机器人的负载，造成初始负载大而可用负载被压缩；另外其抓取单元结构包括直线移位机构、旋转运动的第一旋转驱动机构及大臂部和小臂部的伸展驱动，其控制技术复杂；另外框架为固定结构，不便于扩展，适用工件范围不能进一步提高。

发明内容

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种柔性抓手及其控制系统，解决传统柔性抓手的抓取单元结构复杂造成设备重量大及控制技术复杂，且框架及抓取单元不便于扩展的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种柔性抓手，包括框架、连接器和若干个抓手模块；所述框架采用若干个上位直线执行器构建形成，框架上设置有连接器，所述连接器可用于与机器人连接，所述上位直线执行器可相互连接并沿X轴和/或Y轴方向布设扩展；每一所述抓手模块包括一级或多级下位直线执行器、夹抓装置和若干转接结构，若干所述若干下位直线执行器，第一级所述直线执行模块通过连接器与机器人连接，下一级的所述直线执行模块通过转接结构装设在上一级的所述直线执行模块上，最末级的所述直线执行模块上装设有所述夹抓装置；最上级的所述下位直线执行器沿Z轴方向设置并与一所述上位直线执行器连接；位于下一级的所述下位直线执行器通过另设的所述转接结构沿X轴、Y轴或Z轴方向布设扩展。

进一步的，所述上位直线执行器和所述下位直线执行器均包括结构梁和直线执行模组，所述结构梁包括包括梁本体，所述梁本体中部设置有沿梁本体长度方向设置的安装腔，所述梁本体外周沿长度方向相间设置有若干组安装孔；所述结构梁一侧设置有滑动窗口，所述直线执行模组装设在所述安装腔内，所述直线执行模组上设置有直线输出块，所述直线输出块一端设置有安装面并从所述滑动窗口伸出而位于所述安装腔外。

进一步的，所述上位直线执行器和所述下位直线执行器均可包括一个或两个所述直线执行模组。

进一步的，所述抓手模块包括抓手连接件、抓手安装座、驱动器、第一夹抓和第二夹抓，所述抓手连接件一端与最末级的所述直线执行模块连接，另一端装设有所述抓手安装座，所述第一夹抓与所述抓手安装座固定连接，所述驱动器装设在所述抓手安装座并驱动所述第二夹抓靠近所述第一夹抓。

进一步的，所述第一夹抓和所述第二夹抓靠近处均形成夹持面，所述夹持面为弧形凸面。

进一步的，还包括定位柱，所述定位柱上端与所述框架可拆连接，所述定位柱下端设置有定位插指。

一种柔性抓手控制系统，包括柔性抓手控制器、现场示教管理终端和伺服定位模块，所述柔性抓手控制器包括逻辑控制器模块、伺服总线通讯模块、总线适配器扫描器模块和总线服务器模块；所述逻辑控制器模块用于处理抓手动作控制逻辑，所述伺服总线通讯模块用于监控伺服定位模块，所述伺服定位模块用于最终控制抓手机械结构移动，所述现场示教管理终端用于人机交互监控柔性抓手整体运行，所述总线适配器扫描模块用于将柔性抓手控制器设置为通讯从站便于上位设备控制，所述总线服务器模块用于将柔性抓手控制器设置为数据服务器供柔性抓手管理系统群控。

进一步的，所述示教管理终端命令逻辑控制器通过伺服总线通讯模块驱动伺服定位模块，将所有柔性抓手位到工艺所需位置后将各个位置记录，打包成工艺对象储存至柔性抓手控制器。

进一步的，还包括机器人控制器，所述机器人控制器通过总线适配器扫描器模块下发控制命令，控制柔性抓手控制器根据生产步骤执行到初始状态或工艺对象内的夹持状态。

进一步的，还包括抓手管理系统，所述柔性抓手管理系统通过总线服务器模块实时采集单个柔性抓手控制器的夹持姿态和生产计数信息。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的柔性抓手通过设置成可沿X轴和/或Y轴扩展，形成一个可扩展的安装框架，配合可以沿X轴、Y轴和Z轴模块化扩展安装的抓手模块，可以根据工件所需要的抓取点位置和数量进行设置模块化安装。通过线性结构直接形成框架装置，减少固定框架额外设置，减轻重量。且控制中，仅需控制直线执行器的线性运动和夹抓装置的夹抓动作，控制技术简单。解决传统柔性抓手的抓取单元结构复杂造成设备重量大及控制技术复杂，且框架及抓取单元不便于扩展的技术问题。

2.本发明通过设置有带有弧形凸面的夹持面，使夹持面对工件的接触为点接触，可以应对斜面、曲面等非平面的工件的夹持。另外，对于薄边缘工件，可直接通过移动夹抓装置的方式使工件薄边缘卡入到夹持面之间，减少对夹抓装置控制，减少动作及控制，提高效率。

3.本发明的控制系统直线执行器驱动机构只有驱控一体伺服电机，减少了数字量IO模块、伺服驱动器的成本，并做到更低的重量；线束简化集成，每个直线执行器只需提供1个8Pin标准动力控制快速接头及2个4Pin标准总线接头；控制器通过总线直接与伺服通讯，实时获取伺服运行状态代码及实时位置。控制逻辑和安全保护逻辑完整内置与夹爪控制器内，上位设备无需过多编程，只需根据配置好的工艺包下发当前工作的车型型号、当前工作步序进行交互即可。

附图说明

图1是本发明实施例1柔性抓手三维图。

图2是本发明实施例1柔性抓手与机器人连接状态三维图。

图3为本发明实施例1结构梁三维图；

图4为本发明实施例1结构梁截面视图；

图5为本发明实施例1直线执行器三维图；

图6为本发明实施例1用于直线执行器的结构梁的三维图；

图7为本发明实施例1直线执行器剖视结构三维图。

图8为本发明实施例1两个具有直接执行模组的直线执行器三维图。

图9为本发明实施例1夹抓装置三维图。

图10是本发明实施例1控制系统结构框图。

图11是本发明实施例1控制系统示意图。

图12是本发明实施例2框架扩展示例。

图13是本发明实施例3夹抓装置扩展示例。

附图中，a1-框架、a2-连接器、a3-抓手模块、a4-定位柱、a5-机器人、a11-上位直线执行器、a21-下位直线执行器、a22-夹抓装置、a23-转接结构、a31-抓手连接件、a32-抓手安装座、a33-驱动器、a34-第一夹抓、a35-第二夹抓、a36-弧形凸面、a41-定位插指、a111-第一级上位直线执行器、a112-第二级上位直线执行器、a113-第三级上位直线执行器、a211-第一级下位直线执行器、a212-第二级下位直线执行器、a213-第三级下位直线执行器。

b1-结构梁、b2-直线执行模组、b3-防尘遮蔽带装置、b101-安装腔、b102-安装孔、b103-导轨槽、b104-内层、b105-外层、b106-连接筋板、b107-滑动窗口、b201-直线输出块、b202-第一安装座、b203-第二安装座、b204-驱动装置、b205-丝杆、b206-直线导轨、b207-滑块、b208-联轴器、b209-防撞块、b210-封口板。

c1-柔性抓手控制器、c2-现场示教管理终端、c3-伺服定位模块、c4-机器人控制器、c5-抓手管理系统、c11-逻辑控制器模块、c12-伺服总线通讯模块、c13-总线适配器扫描器模块、c14-总线服务器模块。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1和图2，一种柔性抓手，包括框架a1、连接器a2和若干个抓手模块a3；框架a1采用若干个上位直线执行器a11构建形成，框架a1上设置有连接器a2，连接器a2可用于与机器人a5连接，上位直线执行器a11可相互连接并沿X轴和/或Y轴方向布设扩展；具体的，本实施例的框架a1呈“工”字形，包括沿X轴方向设置的第一级上位直线执行器a111和两个沿Y轴设置的第二级上位直线执行器a112，其中X轴方向设置的第一级上位直线执行器a111和第二级上位直线执行器a112均具有两个直线执行模组b2；第一级上位直线执行器a111中部上设置有连接器a2；一个第二级上位直线执行器a112的中部与第一级上位直线执行器a111的端中部固定连接，另一第二级上位直线执行器a112的中部与第一级上位直线执行的一个直线执行模组b2的输出端连接。

每一抓手模块a3包括一级或多级下位直线执行器a21、夹抓装置a22和若干转接结构a23，若干若干下位直线执行器a21，第一级直线执行模块通过连接器a2与机器人a5连接，下一级的直线执行模块通过转接结构a23装设在上一级的直线执行模块上，最末级的直线执行模块上装设有夹抓装置a22；最上级的下位直线执行器a21沿Z轴方向设置并与一上位直线执行器a11连接；位于下一级的下位直线执行器a21通过另设的转接结构a23沿X轴、Y轴或Z轴方向布设扩展。具体的，本实施例的下位直线执行器a21为一级竖直设置的沿Z轴方向布设且仅设置一个直线执行模组b2的直线执行器，下位直线执行器a21的直线执行模组b2的直线输出端与第二级上位直线执行器a112的直线执行模组b2的输出端通过一转接结构a23连接，下位直线执行器a21的下端与夹抓装置a22固定连接。

本实施例中，还包括定位柱a4，定位柱a4上端与框架a1可拆连接，定位柱a4下端设置有定位插指a41。具体的，定位柱a4为边形柱形结构，其周身设置有安装孔b102，定位柱a4上端与第一级上位直线执行器a111另一直线执行模组b2的输出端通地一转接结构a23连接，定位插指a41通过安装孔b102与定位柱a4下端固定连接。使用时工件上可设置有定位孔，定位插指a41可插入到定位孔内与工件相对定位。

请参见图3到图8，一种直线执行器，包括结构梁b1、直线执行模组b2和防尘遮蔽带装置b3，结构梁b1包括梁本体，梁本体中部设置有沿梁本体长度方向设置的安装腔b101，梁本体外周沿长度方向相间设置有若干组安装孔b102。安装腔b101的两侧设置有沿长度方向设置有若干导轨槽b103。具体的，导轨槽b103成对设置，成对的导轨槽b103的开口相对设置，导轨槽b103预留0.5mm加工余量。梁本体的外周壁设置有包括形成双层结构的内层b104和外层b105，外层b105和内层b104之间通过若干连接筋板b106连接，若干连接筋板b106相间设置。具体的，双层结构处形成C形结构，而C形结构的开口处为单层结构，便于加工出滑动窗口b107。结构梁b1一侧设置有滑动窗口b107，直线执行模组b2装设在安装腔b101内，直线执行模组b2上设置有直线输出块b201，直线输出块b201一端设置有安装面并从滑动窗口b107伸出而位于安装腔b101外。防尘遮蔽带装置b3覆盖在滑动窗口b107上直线执行器通过设置有防尘遮蔽带装置b3，可以防止尘土等从滑动窗口b107污染直线执行模组b2。直接使用结构梁b1做为直线执行器，便于多个直线执行器灵活连接，多个直线执行器通过转接件直接连接，减少搭建框架a1结构，将直线执行模组b2装设在结构梁b1可以空间的占用。直线执行模组b2还包括第一安装座b202、第二安装座b203、驱动装置b204、丝杆b205、直线导轨b206和滑块b207，第一安装和第二安装座b203相间设置在安装腔b101内，滑动窗口b107位于第一安装座b202和第二安装座b203之间，丝杆b205一端与第一安装座b202转动连接，另一端与第二安装座b203转动连接，驱动装置b204装设在安装腔b101内并可驱动丝杆b205转动，直线导轨b206装设在安装腔b101内壁，滑块b207中部与丝杆b205螺接，滑块b207侧部可滑动在装设在直线导轨b206上，直线输出块b201与滑块b207固定连接。具体的，驱动装置b204采用伺服电机驱动。第一安装座b202的外轮廓和第二安装座b203的外轮廓均随安装腔b101截面外轮廓设置。通过设置有外轮廓与安装腔b101截面外轮廓相似的第一安装和第二安装座b203，便于装入后的第一安装和第二安装座b203的周向定位，便于安装固定；具体的，驱动装置b204装设在第一安装座b202上，驱动装置b204通过联轴器b208与丝杆b205的一端连接。滑块b207两端均设置有防撞块b209。通过设置有防撞块b209可以防止滑块b207与第一安装、第二安装座b203的直接碰撞，防止损坏。梁本体两端均设置有封口板b210。具体的，上位直线执行器a11和下位直线执行器a21均可包括一个或两个直线执行模组b2。

请参见图9，抓手模块a3包括抓手连接件a31、抓手安装座a32、驱动器a33、第一夹抓a34和第二夹抓a35，抓手连接件a31一端与最末级的直线执行模块连接，另一端装设有抓手安装座a32，第一夹抓a34与抓手安装座a32固定连接，驱动器a33装设在抓手安装座a32并驱动第二夹抓a35靠近第一夹抓a34。第一夹抓a34和第二夹抓a35靠近处均形成夹持面，夹持面为弧形凸面a36。

请参见图10和图11，一种柔性抓手控制系统，包括柔性抓手控制器c1、现场示教管理终端c2和伺服定位模块c3，柔性抓手控制器c1包括逻辑控制器模块c11、伺服总线通讯模块c12、总线适配器扫描器模块c13和总线服务器模块c14；逻辑控制器模块c11用于处理抓手动作控制逻辑，伺服总线通讯模块c12用于监控伺服定位模块c3，伺服定位模块c3用于最终控制抓手机械结构移动，现场示教管理终端c2用于人机交互监控柔性抓手整体运行，总线适配器扫描模块用于将柔性抓手控制器c1设置为通讯从站便于上位设备控制，总线服务器模块c14用于将柔性抓手控制器c1设置为数据服务器供柔性抓手管理系统c5群控。示教管理终端命令逻辑控制器通过伺服总线通讯模块c12驱动伺服定位模块c3，将所有柔性抓手位到工艺所需位置后将各个位置记录，打包成工艺对象储存至柔性抓手控制器c1。

本实施例中，还包括外设的机器人a5控制器和抓手管理系统c5，机器人a5控制器通过总线适配器扫描器模块c13下发控制命令，控制柔性抓手控制器c1根据生产步骤执行到初始状态或工艺对象内的夹持状态。柔性抓手管理系统c5通过总线服务器模块c14实时采集单个柔性抓手控制器c1的夹持姿态和生产计数信息。

具体的，逻辑控制器模块c11采用基于CODESYS研发的控制器，支持IEC61131-3标准编程语言，支持标准EtherCAT/CANOpen/Modbus TCP/Modbus RTU/OPC UA协议，同时支持Ethernet/IP协议的Scanner和Adapter功能。伺服总线通讯模块c12通过基于串行通讯协议总线的Can协议，实时获取伺服当前状态及控制伺服精确定位。伺服定位模块c3定位精度高并配有绝对值编码器，启动转矩大，定位速度快，通过定位模块内的丝杆b205快速执行将夹抓定位到工艺位置。现场示教管理终端c2支持触控屏的形式控制柔性抓手，并使用画面显示设备运行状态，触控屏尺寸为10.1英寸，分辨率1024*600，LED背光，支持基于以太网的通讯协议。总线适配器扫描器模块c13将柔性抓手控制器c1封装为Ethernet/IP设备，既可作为Adapter搭载在其他设备下属，也可作为Scanner主控制器控制其他设备。总线服务器模块c14将柔性抓手控制器c1封装为标准Ethernet设备，作为Modbus TCP协议服务器使用，供抓手管理系统c5群控。

实施例2

请参见图12，本实施例较实施例1不同之处在于框架a1的扩展结构不同，具体的，本实施例的框架a1呈“工”字形，包括沿X轴方向设置的第一级上位直线执行器a111、两个沿Y轴设置的第二级上位直线执行器a112和四个沿X轴方向扩展的第三级上位直线执行器a113，其中X轴方向设置的第一级上位直线执行器a111和第二级上位直线执行器a112均具有两个直线执行模组b2；第一级上位直线执行器a111中部上设置有连接器a2；一个第二级上位直线执行器a112的中部与第一级上位直线执行器a111的端中部固定连接，另一第二级上位直线执行器a112的中部与第一级上位直线执行的一个直线执行模组b2的输出端连接；每一第三级上位直线执行器a113的一端与第二级上位直线执行器a112的直线执行模组b2的输出端连接。

实施例3

请参见图13，本实施例较实施例1不同之处在于抓手模块a3的扩展结构不同，具体的，本实施例的下位直线执行器a21为三级设置，其中第一级下位直线执行器a211沿Z轴方向设置，第二级下位直线执行器a212沿Y轴方向设置，第三级下位直线执行器a213沿Z轴方向设置；第一级下位直线执行器a211的直线执行模组b2的下端通过一转接结构a23连接与第二级下位直线执行器a212一端固定连接，第二级下位直线执行器a212的直线执行模组b2的输出端通过一转接结构a23连接与第二级下位直线执行器a212一端固定连接，第三级下位直线执行器a213的下端与夹抓装置a22固定连接。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种柔性抓手，其特征在于：包括框架、连接器和若干个抓手模块；所述框架采用若干个上位直线执行器构建形成，框架上设置有连接器，所述连接器可用于与机器人连接，所述上位直线执行器可相互连接并沿X轴和/或Y轴方向布设扩展；

每一所述抓手模块包括一级或多级下位直线执行器、夹抓装置和若干转接结构，若干所述若干下位直线执行器，第一级所述直线执行模块通过连接器与机器人连接，下一级的所述直线执行模块通过转接结构装设在上一级的所述直线执行模块上，最末级的所述直线执行模块上装设有所述夹抓装置；最上级的所述下位直线执行器沿Z轴方向设置并与一所述上位直线执行器连接；位于下一级的所述下位直线执行器通过另设的所述转接结构沿X轴、Y轴或Z轴方向布设扩展。

2.根据权利要求1所述的一种柔性抓手，其特征在于：所述上位直线执行器和所述下位直线执行器均包括结构梁和直线执行模组，所述结构梁包括包括梁本体，所述梁本体中部设置有沿梁本体长度方向设置的安装腔，所述梁本体外周沿长度方向相间设置有若干组安装孔；所述结构梁一侧设置有滑动窗口，所述直线执行模组装设在所述安装腔内，所述直线执行模组上设置有直线输出块，所述直线输出块一端设置有安装面并从所述滑动窗口伸出而位于所述安装腔外。

3.根据权利要求2所述的一种柔性抓手，其特征在于：所述上位直线执行器和所述下位直线执行器均可包括一个或两个所述直线执行模组。

4.根据权利要求1所述的一种柔性抓手，其特征在于：所述抓手模块包括抓手连接件、抓手安装座、驱动器、第一夹抓和第二夹抓，所述抓手连接件一端与最末级的所述直线执行模块连接，另一端装设有所述抓手安装座，所述第一夹抓与所述抓手安装座固定连接，所述驱动器装设在所述抓手安装座并驱动所述第二夹抓靠近所述第一夹抓。

5.根据权利要求4所述的一种柔性抓手，其特征在于：所述第一夹抓和所述第二夹抓靠近处均形成夹持面，所述夹持面为弧形凸面。

6.根据权利要求1所述的一种柔性抓手，其特征在于：还包括定位柱，所述定位柱上端与所述框架可拆连接，所述定位柱下端设置有定位插指。

7.一种柔性抓手控制系统，其特征在于：包括柔性抓手控制器、现场示教管理终端和伺服定位模块，所述柔性抓手控制器包括逻辑控制器模块、伺服总线通讯模块、总线适配器扫描器模块和总线服务器模块；所述逻辑控制器模块用于处理抓手动作控制逻辑，所述伺服总线通讯模块用于监控伺服定位模块，所述伺服定位模块用于最终控制抓手机械结构移动，所述现场示教管理终端用于人机交互监控柔性抓手整体运行，所述总线适配器扫描模块用于将柔性抓手控制器设置为通讯从站便于上位设备控制，所述总线服务器模块用于将柔性抓手控制器设置为数据服务器供柔性抓手管理系统群控。

8.根据权利要求7所述的一种柔性抓手控制系统，其特征在于：所述示教管理终端命令逻辑控制器通过伺服总线通讯模块驱动伺服定位模块，将所有柔性抓手位到工艺所需位置后将各个位置记录，打包成工艺对象储存至柔性抓手控制器。

9.根据权利要求8所述的一种柔性抓手控制系统，其特征在于：还包括机器人控制器，所述机器人控制器通过总线适配器扫描器模块下发控制命令，控制柔性抓手控制器根据生产步骤执行到初始状态或工艺对象内的夹持状态。

10.根据权利要求9所述的一种柔性抓手控制系统，其特征在于：还包括抓手管理系统，所述柔性抓手管理系统通过总线服务器模块实时采集单个柔性抓手控制器的夹持姿态和生产计数信息。