一种机器人抓手系统及其提高其控制精度稳定性的方法与流程

1.本发明涉及一种机器人抓手系统及其提高其控制精度稳定性的方法，属于自动化设备领域，特别是针对使用机器人中低速抓取小型精密工件或工具的自动化工位。


背景技术：

2.自动化生产线使用较多的机器人，对工件或工具进行抓取。机器人的电机一般都使用伺服电机。伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确，可以将电信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。机器人控制系统正常情况下会监控各关节电机的电信号，进行判断机器人负载是否过大，对关节伺服电机进行保护。然而，电信号波动较大，抗干扰能力不强。若将负载保护设定的较灵敏，则会产生较多的误报警信息。机器人超负载故障为高等级报警，会造成设备直接停机，影响生产任务的完成；需要专业维修人员排查故障并解决，增加维修成本。若将负载保护设定的较迟钝，在特殊情况下反应不及时，负载过载时，会导致电机或驱动模块元器件损坏，以及手爪和工件或工具发生碰撞导致零件损坏等现象发生。因此现有技术的机器人抓手不适合抓取高精度要求的工件或工具。
3.为此，本领域亟需一种提高精度稳定性的机器人抓手及其方法。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于获得一种尽量降低对机器人抓手精度的影响、提高机器人抓手精度稳定性，从而适合抓取高精度工件的机器人抓手系统。
5.本发明的第二目的在于获得一种尽量降低对机器人抓手精度影响、提高机器人抓手精度稳定性的方法。
6.本发明的第一方面提供一种机器人抓手系统，包括抓取单元、位置检测单元和控制单元：其中，所述抓取单元设置为用于抓取工件；其中，所述抓取单元的中间部分设有柔性移动结构，所述柔性移动结构设置为在抓取工件过程中发生干涉过载的情况下产生柔性移动，所述位置检测单元设置为对所述柔性移动的位移量进行监测，并将所述监测结果发送给所述控制单元；所述控制单元设置为根据所述位置检测单元的监测结果，判断所述机器人抓手的位置是否正确以及是否有干涉情况发生，并根据所得到的判断结果执行预设的抓取策略。
7.在本发明的一个具体实施方式中，所述柔性移动结构包括柔性承重结构和套接在所述柔性承重结构外部的弹性装置，其中，所述柔性承重结构的一端设为连接于所述机器人的末端；所述柔性承重结构的另一端设为连接于所述机器人的驱动单元。
8.在本发明的一个具体实施方式中，所述驱动单元为气动驱动器。
9.在本发明的一个具体实施方式中，所述弹性装置为套接安装的弹簧。
10.在本发明的一个具体实施方式中，所述机器人抓手系统还设有可拆卸固定结构，其中，所述可拆卸固定结构的第一端设置为固定连接于所述机器人的末端；所述可拆卸固定结构的第二端设置为固定连接于所述机器人的驱动单元；所述柔性移动结构设在所述可拆卸固定结构的第一端和所述可拆卸固定结构的第二端之间。
11.在本发明的一个具体实施方式中，所述位置检测单元包括监控传感器和监控对象；所述监控传感器设置为在监控范围内对监控对象进行监控，若发现监控对象则判定为异常干涉信息，并将所述异常干涉信息发送给所述控制单元；所述监控对象设置为当所述柔性移动的位移量超出异常时则进入所述监控传感器的监管范围。
12.在本发明的一个具体实施方式中，所述抓取策略配置为：通过监控传感器的检测结果，判断所述抓取单元是否在正确的位置且没有干涉情况发生，如果干涉发生时，采用如下策略：第一策略，所述抓取单元退回，避免反应不及时造成损伤；和/或第二策略，所述机器人抓手系统进行报警停机。
13.本发明的第二方面提供一种提高控制机器人抓手系统精度稳定性的方法，应用于本发明的机器人抓手系统，包括：采用所述抓取单元抓取工件；其中，所述抓取单元的中间部分设有柔性移动结构，所述柔性移动结构设置为在抓取工件过程中发生干涉过载的情况下产生柔性移动，采用所述位置检测单元设监测所述柔性移动的位移量进行监测，并将所述监测结果发送给所述控制单元；根据所述位置检测单元的监测结果，所述控制单元判断所述机器人抓手的位置是否正确以及是否有干涉情况发生，并根据所得到的判断结果执行预设的抓取策略。
14.本发明能够带来以下至少一种有益效果：发明人将电信号监测的方式改为通过位移量来监测，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生，并发现该种判断方式可以完全确定是否和其他物体发生干涉，从而避免误报警；由此，本发明能够解决机器人干涉过载的问题，达到了对精度稳定性的提高，同时所述柔性移动单元能够保持机器人抓手的抓取能力和抓取位置的准确控制。例如，以六关节自由度的机器人举例，现有技术中其末端重复定位精度通常为
±
0.08，而本发明由于采用了位移量检测法（如通过监控传感器），可将精度稳定提高至0.029，甚至可达到0.015。因此适合抓取高精度的工件或是工具。
附图说明
15.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
16.图1为本发明的提高精度稳定性的机器人抓手系统的示例图。
17.附图标记说明：
图中1.上连接板、2.连接杆、3.压缩弹簧、4.限位器、5.下连接板、6.支架、7.接近开关、8.发讯板。
具体实施方式
18.本发明中，发明人经过了广泛和深入的试验，发现将电信号监测的方式改为通过位移量来监测可以大大提高机器人抓手的精度稳定性。
19.除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“and”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“or”，而“and”是“or”的子集。
20.除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者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技术中的具体含义。
21.在此术语例如“顶”、“底”、“上方”、“下方”、“上面”、“下面”等等用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。可以理解到，除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。
22.可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
23.以下对本发明的各个方面进行详述：机器人抓手系统本发明的第一方面提供一种机器人抓手系统，包括抓取单元、位置检测单元和控制单元：其中，所述抓取单元设置为用于抓取工件；其中，所述抓取单元的中间部分设有柔性移动结构，所述柔性移动结构设置为在抓取工件过程中发生干涉过载的情况下产生柔性移动，所述位置检测单元设置为对所述柔性移动的位移量进行监测，并将所述监测结果发送给所述控制单元；所述控制单元设置为根据所述位置检测单元的监测结果，判断所述机器人抓手的位置是否正确以及是否有干涉情况发生，并根据所得到的判断结果执行预设的抓取策略。
24.现有技术靠电信号监测解决机器人干涉过载的问题。发明人发现，现有技术监控过程中，通过电流等电信号进行检测，由于电信号不稳定抗干扰能力差，电信号一般呈现出正弦或余弦波动，因此设定的报警阈值容易被电信号的波动触发导致误报警。如果为了避免误报警而将阈值设定的偏大，则会导致延迟报警，在需要报警的时候没有报警从而导致元器件损坏。总之，灵敏会导致误报警，迟钝会导致反应不及时，因此过载监控的灵敏度不好设置。
25.为此发明人经过深入而广泛的研究，将电信号监测的方式改为通过位移量来监测，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生，并发现该种判断方式可以完全确定是否和其他物体发生干涉，从而避免误报警；由此，本发明能够解决机器人干涉过载的问题，达到了对精度稳定性的提高，同时所述柔性移动单元能够保持机器人抓手的抓取能力和抓取位置的准确控制。例如，以六关节自由度的机器人举例，现有技术中其末端重复
定位精度通常为
±
0.08，而本发明由于采用了位移量检测法（如通过监控传感器取代现有技术的位移量传感器），可将精度稳定性稳定在0.029，甚至到
±
0.015。
26.另外应当理解本发明的精度稳定性并不直接导致精度的提高，而是使得精度的波动范围趋于平稳。
27.抓取单元如前所述，所述抓取单元设置为用于抓取工件；其中，所述抓取单元的中间部分设有柔性移动结构，所述柔性移动结构设置为在抓取工件过程中发生干涉过载的情况下产生柔性移动。
28.在本发明的一个具体实施方式中，所述柔性移动结构包括柔性承重结构和套接在所述柔性承重结构外部的弹性装置，其中，所述柔性承重结构的一端设为连接于所述机器人的末端；所述柔性承重结构的另一端设为连接于所述机器人的驱动单元。
29.在一个具体实施方式中，所述柔性承重结构采用连接杆。例如，在一个优选实施方式中，采用6根连接杆连接，可采用均布或不完全均布的方式，保持机器人抓手在各个方向角度或在重点承重方向角度上的强度。应当理解，所述连接杆的数量并没有具体的限制，只要可以达到承重的效果即可。
30.在一个具体实施方式中，所述弹性装置采用弹簧。在本发明的一个具体实施方式中，所述弹性装置为套接安装的弹簧。所述弹性装置通过套接的方式设在所述柔性承重结构的外部。
31.发明人还发现，若采用弹性装置，不仅能够解决机器人干涉过载的问题，而且能够保持机器人抓手的抓取能力和抓取位置的准确控制。以六自由度机器人抓手为例，在浮动抓手主体部分，采用6根连接杆链接，每个连接杆与连接板采用常用的间隙配合h7/h6，则孔的直径与连接杆的直径相差0.029，即在极限状态下在水平方向上本发明的位置偏差为0.015。针对不同的抓取情况，可采用均布或不完全均布的方式，保持机器人抓手在各个方向角度或在重点承重方向角度上的强度。其次浮动抓手中采用压缩弹簧，对上下两个连接板相反方向的力的作用，使得抓手始终处于最远端，而最远端受两个锁紧螺母的定位限制，使得在竖直方向上位置偏差为0。因此本发明在空间坐标系下的位置偏差为0.029，极限状态下位置偏差为
±
0.015。而普通的六关节自由度机器人的末端重复定位精度为
±
0.08，远大于本发明产生的位置偏差。由此进一步实现了本发明的优势，也即本发明不仅能够解决机器人干涉过载的问题，而且能够保持机器人抓手的抓取能力和抓取位置的准确控制。
32.在本发明的一个具体实施方式中，所述驱动单元为气动驱动器。应当理解的是，本发明还可以采用各种本领域常用的驱动器，只要不对本发明的发明目的产生限制即可，特别是针对使用机器人中低速抓取小型工件或工具的自动化工位可用的驱动器。
33.在本发明的一个具体实施方式中，所述机器人抓手系统还设有可拆卸固定结构，其中，所述可拆卸固定结构的第一端设置为固定连接于所述机器人的末端；所述可拆卸固定结构的第二端设置为固定连接于所述机器人的驱动单元；所述柔性移动结构设在所述可拆卸固定结构的第一端和所述可拆卸固定结构的第二端之间。
34.本发明人通过所述第一连接部和第二连接部的设置增加了其他装置的可替换性。例如，在一个具体实施方式中，在手爪的气动驱动器上增加连接板（也即可拆卸固定结构的示例），而不是将连接杆直接安装在气动驱动器上，保持了气动驱动器的可替换性，可选用
标准化的气动驱动器。
35.在本发明的一个具体实施方式中，所述驱动单元为可替换的驱动单元，本发明并未直接将驱动单元连接所述柔性移动结构，从而保证了驱动单元的可替换性。
36.在本发明的一个具体实施方式中，所述第一连接部位连接所述机器人的末端时，采用的是法兰连接。
37.在本发明的一个具体实施方式中，所述第二连接部位连接所述机器人的驱动单元时，采用的是螺栓连接。
38.在本发明的一个具体实施方式中，所述第一连接部设在所述柔性移动单元的上部，所述第二连接部在所述柔性移动单元的下部。通常位置下的所述第一连接部为上连接板；所述第二连接部为下连接板，所述上连接板和下连接板之间设有所述柔性移动单元。
39.在本发明的一个具体实施方式中，连接杆穿过第一连接部（例如上连接板）的通孔通过下端螺纹连接在第二连接部（例如下连接板）的螺纹孔中。
40.在本发明的一个具体实施方式中，压缩弹簧套在连接杆上，处于上连接板和下连接板之间，预压缩量由两个锁紧螺母调整。应当理解，所述预压缩量的调整办法，不仅仅现有的两个锁紧螺母调整，可以是现有技术其它的方式，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。例如隔圈或顶紧螺钉等。下连接板上优选地设有限位器，防止压缩弹簧被压缩过大而损坏弹簧。下连接板例如通过螺栓与气动驱动器固联。应当理解，所述固联的方式不仅仅现有螺栓方式，可以是现有技术其他的方式，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。
41.除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“连接”、“相连”、“连通”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者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技术中的具体含义。
42.位置检测单元所述位置检测单元设置为对所述柔性移动的位移量进行监测，并将所述监测结果发送给所述控制单元。在本发明的一个具体实施方式中，所述位置检测单元包括监控传感器和监控对象；所述监控传感器设置为在监控范围内对监控对象进行监控，若发现监控对象则判定为异常干涉信息，并将所述异常干涉信息发送给所述控制单元；所述监控对象设置为当所述柔性移动的位移量超出异常时则进入所述监控传感器的监管范围。
43.本发明的监控传感器可以采用接近开关，还可以是其他可用的开关量传感器。
44.本发明的监控对象可以是发讯板。
45.所述监控传感器（例如接近开关）和所述监控对象（例如发讯板）可以设置在所述机器人抓手系统的任意位置，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。例如，在本发明的一个具体实施方式中，设置在支架上。若本发明采用可拆卸的设置，则所述监控传感器可以通过螺栓安装在下连接板上，接近开关穿过支架的孔，双侧使用螺母固定。例如，所述发讯板安装在两个锁紧螺母之间。
46.在本发明的一个具体实施方式中，本发明通过接近开关的检测结果，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生。因为当有干涉情况发生时，弹簧被压缩，连接杆发生位移，接近开关会有信号输出。
47.在本发明的一个具体实施方式中，现有技术下发生干涉过载的情况时，本发明的
柔性结构安装在机器人手爪和末关节之间，使用本发明后则会引起机构产生柔性移动，该移动量范围内没有任何零件发生损坏，避免了原有技术反应迟钝造成的不良后果；只有当移动量达到一定程度，才是可确定干涉过载已经发生，才会触发接近开关，避免了过灵敏的问题。信号产生后，可采取两种处理办法。一种是机器人抓手退回，重新规划移动路径和姿态进行抓取，没有报警输出，不停机。另一种是报警停机，此种情况下可完全确定机器人抓手的确和其它物体发生干涉，从而避免误报警的情况。两种处理办法也可结合使用。
48.本发明人发现，通过抓取单元、检测单元和控制单元的配合，减少故障停机次数，提高开动率，减少维修成本，减少故障停机时间提高产量。也可报警停机，此种情况下可完全确定机器人抓手的确和其它物体发生干涉，从而避免误报警的情况。
49.控制单元所述控制单元设置为根据所述位置检测单元的监测结果，判断所述机器人抓手的位置是否正确以及是否有干涉情况发生，并根据所得到的判断结果执行预设的抓取策略。
50.在本发明的一个具体实施方式中，所述抓取策略配置为：通过监控传感器的检测结果，判断所述抓取单元是否在正确的位置且没有干涉情况发生，如果干涉发生时，采用如下策略：第一策略，所述抓取单元退回，避免反应不及时造成损伤；和/或第二策略，所述机器人抓手系统进行报警停机。
51.提高控制机器人抓手系统精度稳定性的方法本发明的第二方面提供一种提高控制机器人抓手系统精度的方法，应用于本发明的机器人抓手系统，包括：采用所述抓取单元抓取工件；其中，所述抓取单元的中间部分设有柔性移动结构，所述柔性移动结构设置为在抓取工件过程中发生干涉过载的情况下产生柔性移动，采用所述位置检测单元设监测所述柔性移动的位移量进行监测，并将所述监测结果发送给所述控制单元；根据所述位置检测单元的监测结果，所述控制单元判断所述机器人抓手的位置是否正确以及是否有干涉情况发生，并根据所得到的判断结果执行预设的抓取策略。
52.基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
53.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
54.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
55.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。术语“第一”、“第二”等仅
用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等描述的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
56.如图1的一种机器人浮动抓手，主要由上连接板1、连接杆2、压缩弹簧3、限位器4、下连接板5、支架6、接近开关7、发讯板8组成。
57.连接杆2穿过上连接板5的通孔通过下端螺纹连接在下连接板5的螺纹孔中。压缩弹簧3套在连接杆2上，预压缩量由两个锁紧螺母调整。限位器4安装在下连接板5上，防止压缩弹簧3被压缩过大而损坏弹簧。下连接板5通过螺栓与气动驱动器固联。支架6通过螺栓安装在下连接板5上，接近开关穿过支架6的孔，双侧使用螺母固定，发讯板8（监控对象的一个示例）安装在两个锁紧螺母之间。通过接近开关7（监控传感器的一个示例）的检测结果，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生。
58.本实施方式主要通过接近开关7的检测结果，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生。因为当有干涉情况发生时，弹簧3被压缩，连接杆2发生位移，接近开关7会有信号输出。信号产生后，可采取两种处理办法。一种是机器人抓手退回，重新规划移动路径和姿态进行抓取，没有报警输出，不停机。另一种是报警停机，此种情况下可完全确定机器人抓手的确和其它物体发生干涉，从而避免误报警的情况。两种处理办法也可结合使用。
59.本实施方式可安装在机器人手爪和末关节之间。首先，在浮动抓手主体部分，例如可采用6根连接杆连接，可采用均布或不完全均布的方式，保持机器人抓手在各个方向角度或在重点承重方向角度上的强度。其次浮动抓手中采用压缩弹簧，对上下两个连接板相反方向的力的作用，保持机器人抓手的抓取能力和抓取位置的准确控制。调节两个锁紧螺母，调节压缩弹簧的预变形量，使得在压缩弹簧的作用下，能够在各个方向承载抓手和工件而没有变形。再次，在手爪的气动驱动器上增加连接板，而不是将连接杆直接安装在气动驱动器上，保持了气动驱动器的可替换性，可选用标准化的气动驱动器。
60.当有干涉情况发生时，弹簧3被压缩，连接杆2发生位移，接近开关7会有信号输出。信号产生后，可使机器人抓手退回，重新规划移动路径进行抓取，没有报警输出，不停机。减少故障停机次数，提高开动率，减少维修成本，减少故障停机时间提高产量。也可报警停机，此种情况下可完全确定机器人抓手的确和其它物体发生干涉，从而避免误报警的情况。该实施方式的优点在于减少故障停机次数，减少维修成本，提高产量，避免误报警。
61.在使用过程中，在机器人过载监控过程中，通过电流等电信号进行检测，由于电信号不稳定抗干扰能力差，电信号一般呈现出正弦或余弦波动，因此设定的报警阈值容易被电信号的波动触发导致误报警。如果为了避免误报警而将阈值设定的偏大，则会导致延迟报警，在需要报警的时候没有报警从而导致元器件损坏。本发明中采用的方法，将是否过载，转变成位移量的大小进行判断。原有技术下发生干涉过载的情况时，使用本发明后则会引起机构产生柔性移动，该移动量范围内没有任何零件发生损坏，避免了原有技术反应迟钝造成的不良后果；只有当移动量达到一定程度，才是可确定干涉过载已经发生，才会触发接近开关，避免了过灵敏的问题。
62.本发明有益效果是，通过接近开关的检测结果，判断机器人抓手是否在正确的位置且没有干涉情况发生。因为当有干涉情况发生时，弹簧被压缩，连接杆发生位移，接近开
关会有信号输出。信号产生后，可使机器人抓手退回，重新规划移动路径进行抓取，没有报警输出，不停机。减少故障停机次数，提高开动率，减少维修成本，减少故障停机时间提高产量。也可报警停机，此种情况下可完全确定机器人抓手的确和其它物体发生干涉，从而避免误报警的情况。
63.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。