一种桁架机器人及其控制方法与流程

本发明属于自动化物流搬运技术领域，具体涉及一种桁架机器人及其控制方法。

背景技术：

在现代化生产线中，越来越讲究的是柔性化生产。机械设备自动化是这个世纪制造业发展的大趋势，机器人产业将是一个阳光产业，未来的世纪是机器人技术极度发展的世纪，人类将从单调繁杂的体力劳动中解放出来，从事更加富有创造性的工作。自动生产线和自动化程度高的加工设备已经成为今后制造工厂的一个必然趋势。单一的和普通的专用加工机床在大批量加工时越来越多的被万能的、标准化机床及柔性自动化生产线所替代。

目前，高精度物流搬运桁架式机械手将起到举足轻重的作用，桁架机器人作为桁架式机械手技术中的重要组成部分，它的技术创新将为制造业向智能化转型提供强有力的支持和帮助。

然而目前的桁架机器人由于可移动的维度有限，存在大量的运动死角，所以不能准确的定位和搬运货物。有些桁架机器人通过数据库定位(即在数据库中录入货物信息和位置)来实现精确位和搬运，但由于放置位置发生变动或录入失准，也会引起搬运错误。此外，现在的高精度桁架机器人由于机械结构复杂，其载重能力有限，不能满足现有物流行业的需要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种载重能力强、无运动死角且定位精度高的桁架机器人，并对应提供其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种桁架机器人，包括依次连接的中控系统、驱动系统和机械执行系统。

所述的机械执行系统包括支撑架、移动桁架组件和搬运组件：

所述支撑装置包括立柱和矩形框架梁；所述矩形框架梁水平设置，在所述矩形框架梁的四个角的下部各固定有一根立柱，所述立柱的上端固定在所述的矩形框架梁上，下端固定于地面，用于支撑所述的矩形框架梁。

所述的移动桁架组件包括x轴桁架组件、y轴桁架组件、z轴桁架组件；所述x轴桁架组件包括两榀x轴桁架，两榀所述x轴桁架分别固定在所述矩形框架梁的一组对边的下部，以使两榀所述x轴桁架在其长度方向上水平相对设置且相互平行，在所述的x轴桁架上设置有x轴滑轨，以供所述y轴桁架组件在其上移动。

所述y轴桁架组件包括两榀y轴桁架、y轴伺服电机和x轴行走轮；两榀所述y轴桁架相互平行且相对设置，两榀所述y轴桁架位于同一侧的一端通过与所述y轴桁架垂直的连接钢板固定，形成框架结构，以供整体移动；所述x轴行走轮共有两组，每组的个数相等，两组所述的x轴行走轮分别设置在连接钢板的下端面，并架设于与之匹配的x轴滑轨上；所述x轴行走轮通过齿轮齿条与所述的y轴伺服电机连接，用以在y轴伺服电机的带动下在x轴桁架组件上行走；在所述的y轴桁架上设置有y轴滑轨，以供所述z轴桁架组件在其上移动。

所述的z轴桁架组件包括两榀z轴桁架、z轴伺服电机和y轴行走轮；两榀所述z轴桁架相互平行且相对竖向设置，两榀所述z轴桁架的上端固定在一块与之垂直的顶梁板上，下端通过两根水平连接梁连接成矩形，以使两榀所述z轴桁架构成长方体形的桁架体；在所述桁架体的一组相对的侧面的对应位置各固定有一块侧板；所述y共有两组，每组的个数相等，两组所述的y轴行走轮分别设置在侧板的等高位位置，并架设于与之匹配的y轴滑轨上；所述y轴行走轮通过齿轮齿条与所述的z轴伺服电机连接，用以在z轴伺服电机的带动下在y轴桁架组件上行走。

所述搬运组件包括垂直移动装置、水平转动装置和夹持装置；所述的垂直移动装置安装在所述的顶梁板下，其下端与所述的水平转动装置连接，用于带动所述的水平转动装置升、降；所述夹持装置安装在所述的水平转动装置下部且位于所述的桁架体下方，能够在水平转动装置的带动下水平转动。

进一步，所述的垂直移动装置为升降机。

进一步，所述的垂直移动装置为曳轮机，在曳轮机的曳轮上缠缚有钢缆，所述钢缆的一端固定在所述的曳轮上，另一端固定在所述的水平转动装置上。

更进一步，所述的曳轮机为三台，呈等边三角形分布。

进一步，所述的水平转动装置为伺服电机减速机，用于带动所述的夹持装置每次转向90度。

进一步，在所述的水平转动装置上还设置有定位装置，所述的定位装置包括摄像头和红外测距仪。

进一步，还包括辅助立柱，所述辅助立柱位于相邻两立柱之间，其上端固定在所述的矩形框架梁，下端固定于地面。

进一步，在所述的辅助立柱、立柱和矩形框架梁之间还设置有斜向支撑筋，用于强化连接，抵抗形变。

进一步，所述的中控系统包括中控服务器和数据库服务器，所述的数据库服务器、摄像头和红外测距仪分别与中控服务器连接；所述的摄像头用于获取货物图像并传输给所述中控服务器，所述红外测距仪用于获取货物距离信息并传输给所述中控服务器；所述的数据库服务器用于动态存储货物信息并传输给中控服务器，中控服务器用于将货物的货物图像和货物距离信息与所述数据库服务器中存储的信息进行时时比对来确定待抓取货物及其当前位置，并将待抓取货物的当前位置和目标位置进行比对，将取、送距离信息传输给所述的驱动系统执行，同时将目标位置存入所述的数据库服务器；所述驱动系统包括运动分解运算器、x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器；所述的运动分解运算器与中控服务器相连，用于接收取、送距离信息并将其分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹放指令；所述x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器和夹放指令器的输入端分别与所述运动分解运算器的输入端相连，分别用于接收x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹放指令；所述x轴移动指令器的输出端与y轴伺服电机相连，用于控制y轴桁架组件在x轴桁架组件上的移动距离和方向；y轴移动指令器的输出端与z轴伺服电机相连，用于控制y轴桁架组件在z轴桁架组件上的移动距离和方向；z轴移动指令器的输出端与垂直移动装置相连，用于控制夹持装置在高度方向上的移动距离和方向；水平旋转指令器的输出端与所述水平转动装置相连，用于控制夹持装置在角度和朝向；所述夹放指令器的输出端与所述夹持装置相连，用于控制夹持装置的夹放运动。

一种上述桁架机器人的控制方法，包括以下步骤：

1)向计算机输入待抓取货物的信息及目标位置。

2)启动所述摄像头和红外测距仪，以获取货物图像和货物距离信息并传输给所述中控服务器。

3)中控服务器用于将货物的货物图像和货物距离信息与所述数据库服务器中存储的信息进行时时比对来确定待抓取货物及其当前位置，并将待抓取货物的当前位置和目标位置进行比对，将取、送距离信息传输给所述的驱动系统执行，同时将目标位置存入所述的数据库服务器。

4)所述驱动系统的运动分解运算器接收取、送距离信息，然后将取距离信息分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹取指令，并传输给相应的x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器，以控制夹持装置移动到待抓取货物的当前位置并完成夹取操作。

5)所述驱动系统的运动分解运算器再将送距离信息分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和放指令，并传输给相应的x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器，以控制夹持装置移动到目标位置并完成放置操作。

6)重复步骤1)至5)，直至所有货物搬运完成。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角，既解决了无运动死角的问题，也有利于精确定位和搬运。

2、实现了自动化控制，输入目标位置即可实现所有货物的运动。

3、主体采用桁架结构，可靠性高，承载能力强，最重可搬运重量为10t的货物。

4、中控系统、驱动系统可与搬运现场分离，机械执行系统不易损坏，可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。

5、各个轴组件均可采用滚轮导轨，具有可高速运行，安装调试方便，适合长行程应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中控系统和驱动系统的线框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种桁架机器人，包括依次连接的中控系统、驱动系统和机械执行系统。

所述的机械执行系统包括支撑架、移动桁架组件和搬运组件：

所述支撑装置包括立柱11和矩形框架梁12；所述矩形框架梁12水平设置，在所述矩形框架梁12的四个角的下部各固定有一根立柱11，所述立柱11的上端固定在所述的矩形框架梁12上，下端固定于地面，用于支撑所述的矩形框架梁12。

所述的移动桁架组件包括x轴桁架组件21、y轴桁架组件22、z轴桁架组件23；所述x轴桁架组件21包括两榀x轴桁架，两榀所述x轴桁架分别固定在所述矩形框架梁12的一组对边的下部，以使两榀所述x轴桁架在其长度方向上水平相对设置且相互平行，在所述的x轴桁架上设置有x轴滑轨，以供所述y轴桁架组件22在其上移动。

所述y轴桁架组件22包括两榀y轴桁架、y轴步进电机和x轴行走轮；两榀所述y轴桁架相互平行且相对设置，两榀所述y轴桁架位于同一侧的一端通过与所述y轴桁架垂直的连接钢板固定，形成框架结构，以供整体移动；所述x轴行走轮共有两组，每组的个数相等，两组所述的x轴行走轮分别设置在连接钢板的下端面，并架设于与之匹配的x轴滑轨上；所述x轴行走轮通过齿轮齿条与所述的y轴伺服电机连接，用以在y轴伺服电机的带动下在x轴桁架组件21上行走；在所述的y轴桁架上设置有y轴滑轨，以供所述z轴桁架组件23在其上移动。

所述的z轴桁架组件23包括两榀z轴桁架、z轴伺服电机和y轴行走轮；两榀所述z轴桁架相互平行且相对竖向设置，两榀所述z轴桁架的上端固定在一块与之垂直的顶梁板上，下端通过两根水平连接梁连接成矩形，以使两榀所述z轴桁架构成长方体形的桁架体；在所述桁架体的一组相对的侧面的对应位置各固定有一块侧板；所述y共有两组，每组的个数相等，两组所述的y轴行走轮分别设置在侧板的等高位位置，并架设于与之匹配的y轴滑轨上；所述y轴行走轮的中心通过联轴器与所述的z轴步进电机连接，用以在z轴步进电机的带动下在y轴桁架组件22上行走。

所述搬运组件包括垂直移动装置、水平转动装置24和夹持装置；所述的垂直移动装置安装在所述的顶梁板下，其下端与所述的水平转动装置24连接，用于带动所述的水平转动装置24升、降；所述夹持装置安装在所述的水平转动装置24下部且位于所述的桁架体下方，能够在水平转动装置24的带动下水平转动。

进一步，所述的垂直移动装置为升降机。

进一步，所述的垂直移动装置为曳轮机，在曳轮机的曳轮上缠缚有钢缆，所述钢缆的一端固定在所述的曳轮上，另一端固定在所述的水平转动装置24上。

更进一步，所述的曳轮机为三台，呈等边三角形分布。

进一步，所述的水平转动装置24为伺服电机减速机，用于带动所述的夹持装置每次转向90度。

进一步，在所述的水平转动装置24上还设置有定位装置，所述的定位装置包括摄像头和红外测距仪。

进一步，还包括辅助立柱13，所述辅助立柱13位于相邻两立柱11之间，其上端固定在所述的矩形框架梁12，下端固定于地面。

进一步，在所述的辅助立柱13、立柱11和矩形框架梁12之间还设置有斜向支撑筋14，用于强化连接，抵抗形变。

为了运动和定位的准确，x轴滑轨、y轴滑轨可以设计为直齿条，而x轴行走轮、y轴行走轮可设计为与之相匹配的圆柱直齿轮。

进一步，所述的中控系统包括中控服务器和数据库服务器，所述的数据库服务器、摄像头和红外测距仪分别与中控服务器连接；所述的摄像头用于获取货物图像并传输给所述中控服务器，所述红外测距仪用于获取货物距离信息并传输给所述中控服务器；所述的数据库服务器用于动态存储货物信息并传输给中控服务器，中控服务器用于将货物的货物图像和货物距离信息与所述数据库服务器中存储的信息进行时时比对来确定待抓取货物及其当前位置，并将待抓取货物的当前位置和目标位置进行比对，将取、送距离信息传输给所述的驱动系统执行，同时将目标位置存入所述的数据库服务器；所述驱动系统包括运动分解运算器、x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器；所述的运动分解运算器与中控服务器相连，用于接收取、送距离信息并将其分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹放指令；所述x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器和夹放指令器的输入端分别与所述运动分解运算器的输入端相连，分别用于接收x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹放指令；所述x轴移动指令器的输出端与y轴伺服电机相连，用于控制y轴桁架组件22在x轴桁架组件21上的移动距离和方向；y轴移动指令器的输出端与z轴伺服电机相连，用于控制y轴桁架组件22在z轴桁架组件23上的移动距离和方向；z轴移动指令器的输出端与垂直移动装置相连，用于控制夹持装置在高度方向上的移动距离和方向；水平旋转指令器的输出端与所述水平转动装置24相连，用于控制夹持装置在角度和朝向；所述夹放指令器的输出端与所述夹持装置相连，用于控制夹持装置的夹放运动。

所述的运动分解运算器、x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器可以使用dvp-es2系列、dvp-ex2系列、dvp-es2-c系列等控制器。

一种上述桁架机器人的控制方法，包括以下步骤：

1)向计算机输入待抓取货物的信息及目标位置。

2)启动所述摄像头和红外测距仪，以获取货物图像和货物距离信息并传输给所述中控服务器。

3)中控服务器用于将货物的货物图像和货物距离信息与所述数据库服务器中存储的信息进行时时比对来确定待抓取货物及其当前位置，并将待抓取货物的当前位置和目标位置进行比对，将取、送距离信息传输给所述的驱动系统执行，同时将目标位置存入所述的数据库服务器。

4)所述驱动系统的运动分解运算器接收取、送距离信息，然后将取距离信息分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和夹取指令，并传输给相应的x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器，以控制夹持装置移动到待抓取货物的当前位置并完成夹取操作。

5)所述驱动系统的运动分解运算器再将送距离信息分解成x轴移动指令、y轴移动指令、z轴移动指令、水平旋转指令和放指令，并传输给相应的x轴移动指令器、y轴移动指令器、z轴移动指令器、水平旋转指令器、夹放指令器，以控制夹持装置移动到目标位置并完成放置操作。

6)重复步骤1)至5)，直至所有货物搬运完成。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。