程控机器人以及控制方法与流程

本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种工业领域的程序控制机器人以及机器人的控制方法。

背景技术：

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器；它接受人类的指令后，将按照设定的程序执行运动路径和作业。

作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。工业机器人的典型应用包括焊接、喷涂、组装、采集和放置、包装和码垛、产品检测和测试等。在工业发达国家中，工业机器人及自动化生产线成套装备己成为高端装备的重要组成部分及未来发展趋势，提高了加工效率与产品的一致性。

随着我国劳动力成本的逐年增加，老龄化社会的到来，可进行传统加工制造业的一线工人将保持逐年减少的趋势，同时社会服务的成本将增加，我国对工业机器人及自动化加工装备的需求将逐步增加。工业机器人作为我国高端装备制造的基础设备之一，是我国高端制造装备战略性新兴产业的重要组成部分，也是其他战略性新兴产业发展的重要基础装备。

搬运机器人是工业机器人的一个重要方向，随着技术的发展，以前由人力完成的零部件或成品的搬运工作已经逐步由搬运机器人代替完成，提高了企业的生产效率。在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒有害、易燃易爆等恶劣环境内，搬运机器人得到了广泛的应用。

现有技术中，搬运机器人在针对不同类型的工件进行搬运时，需要更换相应的夹持部，以适应不同类型的工件。为了解决这个问题，JP2008528408A以及JP特开平9-123082A分别提出了具有自适应夹持部的搬运机器人，其夹持部在夹持不同形状的工件时，能够自行改变形状从而适应不同的工件类型。但是，上述发明中夹持部反复对工件进行夹持的情况下，其与工件的接触位置总是相同，可能导致该特定的部位将受到损伤，从而影响夹持部的使用。

为了解决上述问题，丰田自动车株式会社在JP2012152860A的发明专利中，提出了一种改进的夹持部，其通过使夹持部与工件的接触部位在竖直方向上进行变化，从而变更夹持部位，提高夹持部的使用寿命。但是，该发明还存在如下缺点:(1)其接触部位的变化仅是以特定长度例如十几毫米在左右方向或者上下方向变化，变化后的接触部位与变化前的接触部位可能存在很大部分的重合，使用该变化操作可能导致部分区域持续收到工件作用，影响夹持部的使用寿命；（2）进行夹持位置的变更可能导致工件与夹持部的接触面积减少，从而使夹持部受力区域的压强增大，导致其产生损害，或者接触面接减少使工件所受摩擦力减少，而导致无法夹住工件。

为了解决上述问题，在先发明提出了一种改进的程控工业搬运机器人，通过控制部使变更后的抵接部件的接触部位与变化前的抵接部件的接触部位不存在或者仅存在很少的重合，从而减少重叠的接触区域，降低抵接部件的损耗，延长其工作寿命。该方法能够对于单个工件能够优化抵接部件的接触区域，但是不同工件的重量不同，接触面部不同，搬运次数不同，单个工件搬运结束后，抵接部件的接触区域不一定均匀分布，机器人长期工作累计以后，可能导致抵接部件的部分区域损耗严重。

技术实现要素：

本发明提出了一种改进的程控工业搬运机器人，能够解决现有技术的上述问题。

一种程控机器人，包括：夹持部，用于对工件进行夹持；控制部，用于对所述夹持部的操作进行控制；所述夹持部上设置抵接部件，所述夹持部夹持工件时，该抵接部件与工件接触而发生与工件形状一致的变形，并且保持该变形从而能够夹持工件；其特征在于：还包括区域划分部，其将抵接部件划分为多个区域；压强计算部，其计算抵接部件与工件接触面的压强；存储部，其存储抵接部件各个区域的累计压强数据；所述控制部确定夹持部的变更操作，使抵接部件各个区域的累计压强数据均匀分布。

优选的，所述区域划分部，将抵接部件沿纵向平均划分成多个区域。

优选的，所述压强计算部根据工件的质量m、工件80表面与抵接部件71材料表面之间的静摩擦系数，抵接部件与工件接触面的受力区域S，确定抵接部件71与工件80接触面的压强Pj＝mg/μS；然后，对于全部或者部分位于受力区域内的抵接部件各个区域，确定其所受压强为Pj。

优选的，存储部在每次工件夹持后，存储抵接部件各个区域的累计压强Σpj。

优选的，所述控制部在确定夹持部的变更操作时，计算候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部下一次操作的夹持位置。

作为本发明的另外一个方面，提供一种程控机器人控制方法，包括如下步骤：（1）输入被夹持工件的三维形状数据、重量以及材料数据；（2）将抵接部件划分为多个区域；（3）根据输入的工件的三维形状数据，确定该工件用于被夹持的夹持面；（4）确定所述工件夹持面的最小接触面积；（5）确定工件的初始夹持位置的操作；（6）根据工件夹持位置以及工件的三维形状，确定程控机器人的抵接部件的受力区域；（7）对于每次夹持操作，计算并且存储抵接部件各个区域的累计压强Σpj；持续进行步骤（7）直到工件夹持完毕或者抵接部件各个区域中累计压强最大的区域与累计压强最小的区域的差值超过阈值；如果工件夹持完毕，结束本次工件夹持任务；如果抵接部件各个区域中累计压强最大的区域与累计压强最小的区域的差值超过阈值，进入步骤（8）；（8）控制部根据存储抵接部件各个区域的累计压强分布以及工件夹持面的最小接触面积，确定夹持部下一次操作的夹持位置。

优选的，所述步骤（5）中，控制部根据如下方式确定夹持部的初始夹持位置：1）确定工件的夹持面；2）根据夹持面以及工件形状，确定夹持面的受力区域形状，从而确定受力区域中的所有单连通区域；3）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；4）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部的初始夹持位置。

优选的，所述步骤（8）中，控制部根据如下方式确定夹持部的变更操作：1)确定受力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部下一次操作的夹持位置。

附图说明

图1是本发明实施例的程控机器人的示意图。

图2是本发明实施例的抵接区域划分图。

图3是本发明实施例的工件的侧视图；其中图3（a）和3（b）分别是前视图和后视图；图3（c）和3（d）分别是左视图和右视图。

图4是本发明实施例的程控机器人的控制步骤流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。

本发明实施例的程控机器人系统，参见图1，包括工件数据输入部10，夹持面确定部

20，受力区域确定部30，最小接触面积确定部 40，控制部50，存储部60、夹持部70以及压强计算部90。

下面以工字型工件80为例，说明本实施例中各个部件的组成以及功能。工件数据输入部10用于输入被夹持工件的三维形状、重量以及材料数据。可以使用常规的人机交互部件例如键盘，屏幕、鼠标等进行输入，还可以例如将这些数据以特定格式存储于移动存储设备，通过移动存储设备读入这些数据，或者通过有线或者无线网络传送数据。

夹持部70用于夹持工件，其上设置抵接部件71。夹持部70在夹持工件80时，抵接部件71与工件80接触而发生与工件80形状一致的变形，并且保持该变形从而能够夹持工件。夹持部70和抵接部件71可以使用现有技术中已知的技术设置，例如如JP2012152860A技术方案中所使用的夹持部和抵接部件的设置。其中，所述抵接部件71为袋装部件，其内部填充颗粒物，在夹持时通过真空泵对于抵接部件71进行减压使抵接部件固化，从而与工件的外形一致。

区域划分部90，其将抵接部件71划分为多个区域，如图2所示，可以将抵接部件71沿纵向平均划分成多个区域。

夹持面确定部20，其根据工件数据输入部10输入的工件的三维形状数据，确定该工件用于被夹持的夹持面。为了使对于夹持面在夹持部位变更时仅可能少的重叠夹持面积，夹持面确定部20对工件各个相对的夹持侧面的单连通区域进行计数，选择单连通区域个数最多的相对的夹持侧面作为夹持面。例如，对于图2中的工字型工件80，其具有相对的前侧面81和后侧面82，以及相对的左侧面83和右侧面84；夹持面确定部20确定相对的前侧面81和后侧面82的单连通区域分别为1个，而相对的左侧面83和右侧面84的单连通区域分别为2个。夹持面确定部20确定相对的左侧面83和右侧面84作为被夹持的夹持面。

受力区域确定部30，根据工件80在夹持面的夹持位置以及工件80的三维形状，确定对应的抵接部件71的受力区域。具体的，受力区域确定部30将夹持面与抵接部件71的接触区域确定为受力区域。例如，对于图1中的工件80 ，受力区域确定部30确定夹持面83和84的区域801，802，803，804作为受力区域。

最小接触面积确定部 40，其根据工件80的重量、工件80表面与抵接部件71材料表面之间的静摩擦系数、抵接部件71能够承受的最大压强以及预设的冗余系数，确定工件80夹持面的最小接触面积；其中，最小接触面积s按照如下方式计算：s＝mg/εμP，其中m为工件质量，g为重力加速度，ε为预设的冗余系数，例如可以设置为0.6~0.8,μ为工件表面与抵接部件材料表面之间的静摩擦系数，P为抵接部件能够承受的最大压强。

压强计算部90，其用于计算抵接部件71与工件接触面的压强；具体的，压强计算部90根据工件的质量m、工件80表面与抵接部件71材料表面之间的静摩擦系数，抵接部件与工件接触面的受力区域S，确定抵接部件71与工件80接触面的压强Pj＝mg/μS。在计算出压强pj后，对于全部或者部分位于受力区域内的抵接部件各个区域，确定其所受压强为Pj。如图3中，压强计算部90确定抵接部件71的702、703、706、707区域的所受的压强的Pj。压强计算器90在每次夹持结束后，计算抵接部件71各个区域的累计压强Σpj。存储部60，其存储抵接部件各个区域的累计压强Σpj。

在工件80开始夹持时，控制部50根据如下方式确定夹持部70的初始夹持位置：1）通过夹持面确定部20确定工件80的夹持面；（2）根据夹持面以及工件形状，确定夹持面的受力区域形状，从而确定受力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部的初始夹持位置。

对于每次夹持操作，计算并且存储抵接部件各个区域的累计压强Σp，直到工件夹持完毕或者存储抵接部件各个区域的最大累计压强比最小累计压强的差值超过阈值；如果工件夹持完毕，结束本次工件夹持任务；如果抵接部件各个区域的最大累计压强比最小累计压强的差值超过阈值，控制部根据如下方式确定夹持部的变更操作：1)确定受力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部下一次操作的夹持位置。

通过本发明实施例的上述技术方案的设置，使变更后的抵接部件的各个区域的累计压强进行计算，选择累计压强总和最小的候选区域作为变更后的夹持区域，使抵接部件的各个区域的受损情况均衡，延长其工作寿命。

本发明实施例的程控机器人系统的控制方法，参见图4，包括如下步骤：（1）输入被夹持工件的三维形状数据、重量以及材料数据；（2）将抵接部件划分为多个区域；（3）根据输入的工件的三维形状数据，确定该工件用于被夹持的夹持面；（4）确定所述工件夹持面的最小接触面积；（5）确定工件的初始夹持位置的操作；（6）根据工件夹持位置以及工件的三维形状，确定程控机器人的抵接部件的受力区域；（7）对于每次夹持操作，计算并且存储抵接部件各个区域的累计压强Σpj；持续进行步骤（7）直到工件夹持完毕或者抵接部件各个区域中累计压强最大的区域与累计压强最小的区域的差值超过阈值；如果工件夹持完毕，结束本次工件夹持任务；如果抵接部件各个区域中累计压强最大的区域与累计压强最小的区域的差值超过阈值，进入步骤（8）；（8）控制部根据存储抵接部件各个区域的累计压强分布以及工件夹持面的最小接触面积，确定夹持部下一次操作的夹持位置。

优选的，所述步骤（5）中，控制部根据如下方式确定夹持部的初始夹持位置：1）确定工件的夹持面；2）根据夹持面以及工件形状，确定夹持面的受力区域形状，从而确定受力区域中的所有单连通区域；3）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；4）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部的初始夹持位置。

优选的，所述步骤（8）中，控制部根据如下方式确定夹持部的变更操作：1)确定受力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，以抵接部件的顶部作为起始部位向下进行遍历，直到抵接部件与工件接触面的受力区域小于最小接触面积结束遍历，计算不同候选区域包含的抵接部件各个区域的累计压强的总和，选择累计压强总和最小的候选区域作为夹持部下一次操作的夹持位置。

本发明各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，在不脱离本发明原理前提下，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。