专利名称：型材搬运上下料机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及中大型、重型材料的自动搬运与上下料机器人，特别涉及船舶、桥梁、建筑等钢结构制造工业型材自动加工生产线中大型、重型材料的自动搬运与上下料机器人。
背景技术：
在国外，德国的IMG公司研制的型材切割加工生产线，能实现对直线型材搬运。我国有的船厂近年引进了这套设备。IEEERobotics&Automation Magazine杂志2002年三月刊上题为《用于搬运重型材料的混合驱动式平行手臂》的文章中公开了日本国家贸易工业学会主持开发了一种能控制重型材料的六个自由度(DOF)的新型手臂。它是一种用缆绳和油缸驱动的混合动力型平行机械手臂，以求扩大搬运加工范围。Advanced Robotics期刊2001年第15卷第3期作者OSHIAKI SHINOHARA*，KUNIO MIYAWAKI撰写的《协作机器人控制重型材料搬运》中公开了由双悬臂协同控制机械手和一个重力补偿提升装置组成的一个系统，应用合成位置/力控制作为控制方法用来在造船与造桥工程中操作大尺寸工件的搬运和装配。
在船厂肋骨冷弯机加工肋骨，肋骨搬运与上下料，操作工人一般依靠车间的龙门吊车来完成。因为吊车能利用一定长度的缆绳沿一定轨道在水平和竖直方向抓住和运输物体。然而，由于存在摇摆和旋转，要控制物体，获得物体的精确位置、装配方向比较难。因此，工人要抓住重型材料来阻止物体振荡，并固定之。这项工作对工人来说是危险的，同时也限制了生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能代替常规的龙门吊车利用缆绳吊运型材由工人抓住重型材料来阻止物体振荡，控制其摇摆和旋转，完成精确定位，既能搬运直线型材又能搬运曲线型材，操作控制方法简便，安全可靠的型材搬运上下料机器人。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是由运动于直角坐标系中的行走机构、机械手、电脑控制装置组成。
行走机构包括导轨、门架、左侧推拉杠、右侧推拉杠、电磁离合器、传动装置。传动装置由伺服电机、变速箱、弹性压紧机构、齿轮、齿条等组成。传动装置安装在主动门架座箱内，靠钢体支架连接在门架座上。伺服电机由螺丝固定在变速箱上，齿轮装在变速箱传动轴的末端，齿轮颈部装有弹性压紧机构，使齿轮与固定在导轨上的齿条弹性耦合，由伺服电机通过变速箱变速拖动。
可根据操作的型材的长短确定所需要的门架个数，少到一门架(主动)，多至四门架(一主动，三从动)。主动门架与从动门架不同之处在于多一套传动装置。各门架采用限位轮防止门架运动时脱轨。主动门架与从动门架由左侧推拉杠、右侧推拉杠联动，门架与左侧推拉杠、右侧推拉杠连接靠电磁离合器离合，因而它们之间相对间距可调。
机械手包括摄像头、球形连接器、三手指、重力支撑轮、伺服电机、钢丝绳、机械手滑块、滑道集成块、滚珠丝杠集成块、电磁铁吸附块、第一手指伺服电机驱动齿轮组，第三手指伺服电机驱动齿轮组。机械手构架在T型衬板上(T型衬板由横撑板和纵衬板组成)与门架横梁滚动接触。滑道集成块固定在纵衬板上，滑道集成块上滑动副连接机械手滑块，滑块下端装一连接三手指的中心轴，自上而下安装了第三手指伺服电机驱动齿轮组、第一手指伺服电机驱动齿轮组，中心轴的末端直接与第二手指球形连接器连接，各伺服电机驱动齿轮组驱动体均与球形连接器连接，各球形连接器末端连接电磁铁吸附块，实现吸附抓举提升功能。机械手滑块上端装有钢丝绳套环，环拴钢丝绳。钢丝绳前、后导向轮分别装在纵衬板上端支撑架上。伺服电机轴端装有钢丝绳收放轮，伺服电机安装在横衬板上。横衬板右端焊接在纵横衬板背部，左边由撑板支撑，重力支撑轮装在撑板与纵衬板背部，重力支撑轮与门架横梁滑动接触。
机械手可随门架在直角坐标系里作三维运动。X轴移动随门架，Y轴沿门架横梁方向移动靠滚珠丝杠集成块实现，由伺服电机通过钢丝绳由导向轮导向拖动连接机械手指的滑块沿滑道集成块实现Z轴方向移动。第一与第三手指由伺服电机驱动齿轮组可绕Z轴旋转，满足曲线型材搬运要求。整个机械手的提升重量和自重通过滚珠丝杠集成块和重力支撑轮多点加在门架横梁上。
具有光学视觉定位功能的电脑控制装置，离线编程根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令进行运动控制。在线编程是根据鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图上型材的源方位和目的方位，获取相对运动坐标移动，当被搬运的型材进入安装在机器人的机械手上的摄像头视觉范围时，机械手手指精确定位的具体坐标可由视觉感知，实现现场实时精确定位。
系统对各坐标系定义与摄影机标定如下车间电子地图坐标系Owxyz与机器人的导轨行走机构的坐标系重合，摄像机成像平面坐标系为Ocxyz，且Ocxy平面与Owxy平面平行。Owxyz分为四个象限，型材上料零点设为Owxyz的原点。被加工的原材料型材放在堆场I、IV象限，加工成型后型材，反弯线形型材位于II象限，正弯线形型材位于III象限，S弯线形型材位于II、III象限之间。
被搬运型材腹板弯向边缘曲线上点在Owxyz中的坐标P(xi，yizi，)，由光学视觉装置采集，按常规摄像机变换模型标定(确定物空间三维坐标系与三维摄像机坐标系之间的关系，确定物点在摄像机坐标系中的三维坐标与计算机图像二维坐标系之间的关系)，进行坐标变换处理后形成计算机图像的二维坐标P(ui，vi)。
型材搬运上下料机器人一般操作流程(见图6)下面以机器人将位于下料区域内弯曲成形的型材搬运到下一个工区(或装配托盘中)这个过程为例，在计算机图像的二维坐标系Oiuv下，说明搬运机器人依靠计算机视觉测量系统，机械手的电磁吸附块实现自动定位抓取型材，自动吊运的过程1.型材腹板弯向边缘曲线数据提取根据需搬运型材末端方位，鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图，读取型材末端方位坐标P(um，vm)；或将型材上料零点P(0，0)(即Owxyz的原点)作为下料零点P(0，0)，也可作为型材末端方位坐标P(um，vm)的参考坐标。以机器人的从动门架(2D)机械手(3D)为定位对象，以P(um，vm)为目的坐标，插补移动。当被搬运的型材进入安装在机器人的机械手上的摄像头(3-7)视觉范围时，机器人对型材进行扫描，完成对型材腹板弯向边缘曲线数据G(ui，vi)提取。计算型材两端点坐标P(u0，v0)和P(uN，vN)之间直线(后面称弦线)的距离L=R=(uN-u)2+(vN-v0)2-------(1)]]>与x轴夹角θ=arctgvN-v0uN-u0-----(2)]]>2.调正型材位置。
为了尽可能使门架提升型材重量均等，我们需要将型材弦线倾斜于x轴的型材调正，使其弦线与x轴平行(即夹角为0)。这里仅需靠近型材始端的机器人任一门架机械手磁铁吸附型材始端执行圆弧插补移动，调正型材位置。
3.确定所需门架个数和门架间距。
4个门架可搬运型材最长可达12m。如果在某批加工的是小型船舶的型材小于12m，可根据不同弦线长度L的型材可根据表1选择门架个数n和门架间距ΔL。
再将n与ΔL代入下式(3)确定第k个门架(2A)中心电磁铁吸附块的定位坐标XkXk=-12[L-(n-1)ΔL]-(k-1)ΔL--2≤n≤4,1≤k≤4--(3)]]>当确定了各机械手中心电磁铁吸附块的定位坐标Xk后，电脑依Xk在型材曲线坐标集G(ui，vi)中自动匹配出最接近的坐标点作为各中心电磁铁吸附块所需运动到的最终定位坐标P(uk，vk)。
表1 搬运不同弦线长度L的型材的门架个数和间距列表
4.确定侧电磁铁吸附块旋转角。
根据P(uk，vk)与Δl＝r＝0.45m(机器人三手指电磁铁吸附块之间中心间距)，在型材曲线坐标集G(ui，vi)中自动匹配出最接近的坐标点作为每个机械手左右侧电磁铁吸附块的最终定位坐标P(uk-l，vk-l)P(uk，vk)与P(uk+l，vk+l)并计算出其旋转角。
5.当各个机械手三个手指电磁铁吸附块均调至所需位置P(uk-l，vk-l)，P(uk，vk)与P(uk+l，vk+l)时，机械手Z方向下降定位由接近传感器接近到型材为止。再启动电磁铁吸附型材，起吊搬运型材至指定的目标坐标P(um，vm)。
本发明的主要优点1.由于型材搬运上下料机器人替代了工人操作，克服了常规的龙门吊车利用缆绳吊运型材由工人抓住重型材料来阻止物体振荡，控制其摇摆和旋转，完成精确定位时对工人带来的危险，提高了型材加工的安全性和生产效率。
2.它可实现型材冷弯机、切割机和焊接机工位串联，使型材加工全面实现自动化，形成型材加工自动生产线成为可能。这一设备为改善传统的型材加工工艺不足之处创造了条件。
3.它可搬运大、中、小型船舶各种型号，不同长度的型材。它既能搬运直线型材又能搬运曲线型材。操作简便可靠。
图面说明
图1为本发明的俯视结构示意图；图2为本发明的侧视结构示意图；图3为本发明的主视结构示意图；图4为机械手的结构示意图；图5为行走机构的传动装置结构剖面示意图图6为操作流程图其中1—导轨，2—门架，2A—主动行走门架，2B、2C、2D—三从动行走门架，3—钢丝收放轮，3A、3B、3C、3D—机械手，4A1—右侧下推拉杠，4B1—左下侧推拉杠，5A、5B、5C—电磁离合器，6—型材，9—肋骨冷弯机，7—传动装置，7A主动行走门架箱形座，8—摄像头，4A2—右侧上推拉杠，4B2—左侧上推拉杠，5A、5B、5C—电磁离合器，11，24—球形连接器，13、12、23—三手指，14—重力支撑轮，15—门架横梁，16—伺服电机，16A—横撑板，17—钢丝绳，18—机械手滑块，18A—钢丝绳套环，19—滑道集成块，19A—纵撑板，20—滚珠丝杠集成块，21—第三手指伺服电机驱动齿轮组，22—第一手指伺服电机驱动齿轮组，25，26，27—电磁铁吸附块，28前导向轮，29后导向轮，30—伺服电机，31—变速箱，32—弹性压紧机构，33—齿轮，34—齿条，35—限位轮，36—门架座，37—钢体支架，38—门架座箱。
具体实施方式
由运动于直角坐标系中的行走机构、机械手、电脑控制装置组成。
行走机构包括导轨1，主动门架2A，从动门架2B、2C、2D，右侧上下推拉杠4A2、4A1，左侧上下推拉杠4B2、4B1，电磁离合器5A、5B、5C，位于主动门架箱形座7A内的传动装置7。传动装置7由伺服电机30、变速箱31、弹性压紧机构32、齿轮33、齿条34、限位轮35等组成。传动装置7安装在主动门架座箱38内，靠钢体支架37通过弹性压紧机构32连接在门架座36上。伺服电机30由螺丝固定在变速箱31上，齿轮33装在变速箱31传动轴的末端，齿轮33颈部装有弹性压紧机构32，使齿轮33与固定在导轨1上的齿条34弹性耦合。
门架2A、2B、2C、2D均采用限位轮29防止门架运动时脱轨。主动门架2A与从动门架2B、2C、2D由右侧上下推拉杠4A2、4A1，左侧上下推拉杠4B2、4B1联动，门架与右侧上下推拉杠4A2、4A1，左侧上下推拉杠4B2、4B1连接靠电磁离合器5A、5B、5C离合。
机械手3A、3B、3C、3D包括球形连接器11、24，三手指13、12、23，重力支撑轮14，伺服电机16，钢丝绳17、前导向轮28，后导向轮29，机械手滑块18、滑道集成块19、滚珠丝杠集成块20、电磁铁吸附块25、26、27，第一手指伺服电机驱动齿轮组22，第三手指由伺服电机驱动齿轮组23。
整个机械手3A、3B、3C、3D构架在T型衬板上(T型衬板由横撑板16A与纵衬板19A组成)与门架横梁15滚动接触。门架横梁15右侧内嵌滚珠丝杠集成块20，与纵衬板19A背面相连。滑道集成块19固定在纵衬板19A上，滑道集成块19上滑动副连接机械手滑块18，机械手滑块18下端装一连接三手指的中心轴，自上而下安装了第三手指伺服电机驱动齿轮组21、第一手指伺服电机驱动齿轮组22，中心轴的末端直接与第二手指12的球形连接器连接，第一手指伺服电机驱动齿轮组22驱动体与球形连接器11连接，第三手指伺服电机驱动齿轮组21驱动体与球形连接器24连接，各球形连接器末端连接电磁铁吸附块25、26、27，实现吸附抓举提升功能。机械手滑块18上端装有钢丝绳套环18A，环拴钢丝绳17。钢丝绳17前导向轮28后导向轮29分别装在纵衬板上端支撑架上。拖动电机轴端装有钢丝绳收放轮3，伺服电机16安装在横衬板16A上。横衬板右端焊接在纵横衬板背部，左边由撑板支撑，重力支撑轮14装在撑板与纵衬板19A背部，重力支撑轮14与门架横梁15滑动接触。
带有摄像头8，具有光学视觉定位功能的电脑控制装置，离线编程根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令进行运动控制。在线编程是根据鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图上型材的源方位和目的方位，获取相对运动坐标移动。
权利要求1.一种型材搬运上下料机器人，包括导轨(1)、行走机构、机械手(3A)，其特征在于还包括运动于导轨(1)上的门架(2)、具有摄像头(8)的电脑控制装置；所述的机械手(3A)构架在门架(2)T型衬板上(T型衬板由横撑板(16A)和纵衬板(19A)组成)，与门架(2)横梁滚动接触；其三个手指(12、13、23)的末端靠球形连接器(11、24)和中心轴的末端分别连接电磁铁吸附块(25、26、27)，第一手指(13)与第三手指(23)分别由第一手指伺服电机驱动齿轮组(22)、第三手指伺服电机驱动齿轮组(21)驱动可绕Z轴旋转。
2.根据权利要求1所述的型材搬运上下料机器人，其特征在于所述行走机构的传动装置(7)由伺服电机(30)、变速箱(31)、弹性压紧机构(32)、齿轮(33)、齿条(34)、限位轮(35)等组成；传动装置(7)安装在主动门架座箱(38)内，靠钢体支架(37)连接在门架座(36)上；伺服电机(30)由螺丝固定在变速箱(31)上，齿轮(33)装在变速箱(31)传动轴的末端，齿轮(33)颈部装有弹性压紧机构(32)，使齿轮(33)与固定在导轨(1)上的齿条(34)弹性耦合。
3.根据权利要求1或2所述的型材搬运上下料机器人，其特征在于可根据操作的型材的长短确定采用多至四门架(一主动2A，三从动2B、2C、2D)，门架(2A)与门架(2B)、(2C)、(2D)分别由右侧下推拉杠(4A1)、右侧上推拉杠(4A2)、左侧下推拉杠(4B1)、左侧上推拉杠(4B2)联动，门架(2A)、(2B)、(2C)、(2D)与左侧下推拉杠(4A1)、左侧上推拉杠(4A2)、左侧下推拉杠(4B1)、左侧上推拉杠(4B2)的连接分别靠电磁离合器(5A、5B、5C)离合。
4.根据权利要求13所述的型材搬运上下料机器人，其特征在于具有摄像头(8)定位功能的电脑装置具有离线根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令进行运动控制；在线根据鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图上型材的源方位坐标和目的方位坐标移动，当被搬运的型材进入机器人视觉范围时，机械手手指具体定位坐标可由视觉感知。
专利摘要一种型材搬运上下料机器人，由运动于导轨上多至四门架(一主动三从动)少到一门架(一主动)的行走机构以及挂在门架上的三手指电磁铁吸附提升机械手和具有摄像头的电脑装置组成；搬运上下料机器人运动定位采用离线与在线两种方式，离线运动定位是根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令完成。在线运动定位是根据鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图获取型材的源方位坐标和目的方位坐标完成移动。当被搬运的型材进入机器人视觉范围时，机械手手指具体定位坐标由机器人视觉感知，实现现场实时精确定位。适用于造船、造桥、建筑等钢结构制造工业中用型材弯曲机弯制型材时，实现型材自动搬运上下料。
文档编号B25J5/02GK2625121SQ0325470
公开日2004年7月14日 申请日期2003年7月3日 优先权日2003年7月3日
发明者郑绍春 申请人:武汉理工大学