一种智能装车机械手的控制方法与流程

本发明涉及装车机械自动控制领域，具体的说，是一种智能装车机械手的控制方法。

背景技术：

随着工业化生产的推进和革新，现有的工业产品生产的效率非常高，为了进一步的匹配当前高效率的物料生产和运输，在物料的装车运输过程中，机械化设备逐渐的替代原始的人工搬运。且现有技术中已经存在多种能够自主实现物料装车的机械臂，但由于用于盛装物料的车厢尺寸、物料外形尺寸有所差异，因此，现有的机械臂在进行物料自动装车的过程中容易出现物料堆垛不整齐，需要人工在堆垛过程中进行微调和修正，以避免装车过程中出现漏装、叠装以及物料排列间隙大，空间占用不足的问题。同时，现有的装车机器人多采用分段式程序控制，即在物料装车过程中，会依赖人工的找准、计算和控制才能实现装车。例如现有的三臂夹持式堆垛机械臂用于物料装车时，针对不同的车箱容积量和尺寸在装车前必须依赖人工将机械臂的初始定位新型进行找准和定位，然后向用于机械臂装车的对应程序进行注入实现装车；另一方面，现有的堆垛或者装车机械臂均为固定式转动多臂铰接机械臂，其安装的底座必须是稳定固定在地面的，物料在运送前只能是在指定的区域，否则无法实现自动夹持，存在物料夹持的局限问题；另一方面，由于多臂铰接式的长度有限，存在无法进行大型货箱装车问题且物料的堆垛高度非常有限，如果对于现有的半挂车货箱为例，必须要反复的移动车辆，并且在堆垛物料的铰接处需要人工进行物料搬运，克服堆垛不齐的问题；由此，还会带来人力投入增大，装车周期长的问题。因此，现有的机械臂或者机器人受到设备本身结构和控制系统的局限，在物料装车领域智能化程度不高，无法实现自主装车；另一方面，夹持式的机械臂或者机器人不能适用于对于纸箱包装的物料，存在损坏包装的问题。

在码垛效率方面，现有的机械码垛均采用单包物料逐一码垛的方式进行，其效率相对较低，码垛周期较长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能装车机械手的控制系统用于解决现有技术中存在的系统集成化、智能化不高，在物料装车过程中针对不同的车箱不能完全自主判断和修正并完成装车，依然存在需要人工进行干预和调整，导致装车效率低，堆垛效果不好的问题；同时，针对超长车箱还需要移动车辆进行多次对接堆垛，故而在局限区域就无法实现装车问题。本发明还提供一种智能装车机械手的控制方法，用于精准的检测、计算和控制所述机械臂进行全自动的装车，并且能够自动计算处最佳的装车顺序和排列方式，完全适用与不同尺寸、不同长度、不同深度和宽度的车箱，解决现有的装配方法不智能的问题，从而避免因装车不齐导致的需要人工进行修正，费时，费力的问题；进一步地，本发明可以同时装配四个物料包，进一步的提高码垛的效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种智能装车机械手的控制方法，所述机械手包括大车行架，与所述大车行架上方滑动连接的小车，与所述小车固定连接的伸缩杆，以及安装在所述伸缩杆下端头的吸盘装置；所述控制系统包括分别安装在所述大车行架、小车和吸盘装置上用于传感距离的激光传感器，与所述激光传感器电连接的EPC控制器，以及与所述EPC控制器电连接的分别用于控制所述大车行架、小车和吸盘装置动作的伺服电机。

所述吸盘装置包括四个独立的用于吸取物料包的吸盘，每个吸盘均独立连接有伸缩杆，每根伸缩杆均独立安装有带伺服编码器的伺服电机用于驱动伸缩杆旋转和/或伸缩。所述伸缩杆可以采用液压装置驱动，也可以采用蜗杆式机械驱动。值得强调的是，采用液压驱动时，伸缩杆为液压杆，适用于单位物料包重量大的码垛，例如水泥包、河沙包、面粉包等；采用蜗杆式机械驱动同样适用于单位物料包重量较大的码垛，但其动作的效率比液压方式更快，更灵活，因此，同样适用于质量较轻的物料包的码垛工作。

本发明中所述吸盘包括但不限于普通的橡胶真空吸盘，也可以是与需要码垛的物料包外形尺寸相适应的夹持装置。

所述控制系统实现物料自动码垛装车包括以下步骤：

步骤1：通过激光传感器获知需要码垛车箱的尺寸信息；

步骤2：EPC控制器根据预设的物料尺寸信息和步骤1中获得的车箱的尺寸信息，计算获得需要码垛的坐标(x，y)和车箱偏移角度a；根据获得的码垛的坐标(x，y)和车箱偏移角度a计算并优选码垛轨迹；

步骤3：EPC控制器根据步骤2中的优选码垛轨迹分别向控制所述大车行架、小车和吸盘装置动作的伺服电机发送驱动信号，按照步骤3中优选码垛轨迹进行物料码垛装车。

优选地，步骤1中所述车箱的尺寸信息具体包括车箱的长L、宽W和高H。

优选地，步骤2中所述的物料尺寸具体包括物料的长bag-L、宽bag-W和高h，且获得车箱中同一层码垛的第一包物料D1的坐标(x1，y1)到同一层的最后一包物料Dn的坐标(xn，yn)具体为：

D1(x1,y1)＝(W/4,bag-W)，

D2(x2,y2)＝(3*W/4,bag-W)，

D3(x3,y3)＝(3*W/4,3*bag-W)，

D4(x4,y4)＝(W/4,3*bag-W)，

D5(x5,y5)＝(W/4,5*bag-W)，

D6(x6,y6)＝(3*W/4,5*bag-W)，

同理，

Dn(xn,yn)＝(3*W/4,13*bag-W)；

根据偏移角度a获得任意一个物料包Dn与对应的偏移后的位置Dn’相对坐标Dn’(xn,yn)，以车箱摆放第一个物料包的拐角为坐标零点，A＝bag-L＝1/4L，B＝bag-W，C为物料包的对角线长度，∠β为物料包长A与对角线C的夹角，C的长度为:因为C＝C’,并且∠β’＝∠β+∠α,并且∠β＝arctan(B/A)，具体计算公式如下：

D1’(x,y)＝(bag-L*cos∠α-bag-W*sin∠α),(bag-W*sin∠α+bag-L*cos∠α)；

D2’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-bag-W*sin∠α),(bag-W*sin∠α+bag-L*cos∠α)；同理，

D14’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-(13*bag-W)*sin∠α),((13*bag-W)*sin∠α+(3*w/4)*cos∠α)；

Dn’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-[(n-1)*bag]-W*sin∠α),[(n-1)*bag-W]*sin∠α+(3*w/4)*cos∠α)；

所述码垛轨迹为S型码垛轨迹，依次为：

D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8→D9→D10→D11→D12→D13→D14。

优选地，步骤2中所述的物料尺寸具体包括物料的长bag-L、宽bag-W和高h，且获得车箱中同一层码垛的第一包物料D1的坐标(x1，y1)到同一层的最后一包物料Dn的坐标(xn，yn)具体为：

D1(x1,y1)＝(bag-W,bag-L)，

D2(x2,y2)＝(bag-W,3*bag-L)，

D3(x3,y3)＝(bag-W,5*bag-L)，

D4(x4,y4)＝(bag-W,7*bag-L)，

D5(x5,y5)＝(2*bag-W+bag-L),(11*bag-W)，

D6(x6,y6)＝(2*bag-W+bag-L),(9*bag-W)，

同理，

D10(x10,y10)＝(2*bag-W+bag-L),(bag-W),

根据偏移角度a获得任意一个物料包Dn与对应的偏移后的位置Dn’相对坐标Dn’(xn,yn)，以车箱摆放第一个物料包的拐角为坐标零点，A＝bag-W,B＝bag-L。可以计算出C的长度为:因为C＝C’,并且∠β’＝∠β+∠α,并且∠β＝arctan(B/A)，

则计算出D1’点的A’＝C’*cos∠β’,B’＝C’*sin∠β’,

最终获得：

A’＝A*cos∠α-B*sin∠α,

B’＝B*sin∠α+A*cos∠α,

计算方式如下：

D1’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(bag-L)*sin∠α},{(bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α}，

D2’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(3*bag-L)*sin∠α},{(3*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D3’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(5*bag-L)*sin∠α},{(5*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D4’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(7*bag-L)*sin∠α},{(7*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D5’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(11*bag-W)*sin∠α},{(11*bag-W)*sin∠α+(2*bag-W+bag-L)*cos∠α},

D6’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(9*bag-W)*sin∠α},{(9*bag-W)*sin∠α+(2*bag-W+bag-L)*cos∠α}，

同理，

D10’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(bag-W)*sin∠α},{(bag-W)*sin∠α+(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α}，

最终采用Y轴最近点的方式进行运动路径优化，即：

D10→D1→D9→D2→D8→D7→D3→D6→D4→D5。

值得说明的是：采用本方法对物料包进行码垛可以任意的改变物料包排列的方式，能够适应不同物料包的尺寸。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过采用EPC控制器，对机械手的大车、小车、吸盘装置进行精确控制，通过采用NC闭环控制，结合伺服编码器和激光传感器能实现精准定位码垛，响应快，自动化程度高，无需人工二次修正堆垛。

(2)本发明通过独立设置有四个可以转动的吸盘，能够适应任何偏转角度环境的物料包码垛，且单次码垛可以同时实现四个物料包的同时进行，效率高，整齐度好。

(3)本发明能够在短时间自动计算码垛的路径，层级，以最优的运动轨迹进行码垛，进一步减小了机械手的能耗和磨损，且在NC控制中，采用NC闭环控制功能，配合EPC控制器，实现us级相应，同时，支持计算机高级语言，解决了传统PLC无法实现的快速闭环控制，实现了极为复杂的工艺算法。

附图说明

图1为本发明所述机械手的结构立体图；

图2为物料输送装置结构图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为实施例1中偏移角a为零度时的码垛示意图；

图5为实施例1中偏移角a大于零度时的码垛示意图；

图6为实施例2中移角a为零度时的码垛示意图；

图7为实施例2中偏移角a大于零度时的码垛示意图；

图8为在整车左右有平移时横放的吸盘在实际运动中空间位置的计算方法示意图；

图9为在整车左右有平移时竖放的吸盘在实际运动中空间的位置计算方法示意图；

其中1-传送皮带；2-停包皮带；3-横向滚组；4-推料挡板；5-纵向滚组；6-吸盘装置；7-伸缩杆；8-小车；9-真空装置。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-5、附图8-9所示，一种智能装车机械手的控制方法，本实施例以物料包横向摆放为例进行举例说明，所述机械手包括大车行架，与所述大车行架上方滑动连接的小车8，与所述小车8固定连接的伸缩杆7，以及安装在所述伸缩杆7下端头的吸盘装置6；所述控制系统包括分别安装在所述大车行架、小车8和吸盘装置6上用于传感距离的激光传感器，与所述激光传感器电连接的EPC控制器，以及与所述EPC控制器电连接的分别用于控制所述大车行架、小车8和吸盘装置6动作的伺服电机。

所述吸盘装置6包括四个独立的用于吸取物料包的吸盘，每个吸盘均独立连接有伸缩杆7，每根伸缩杆7均独立安装有带伺服编码器的伺服电机用于驱动伸缩杆7旋转和/或伸缩。所述伸缩杆7可以采用液压装置驱动，也可以采用蜗杆式机械驱动。值得强调的是，采用液压驱动时，伸缩杆7为液压杆，适用于单位物料包重量大的码垛，例如水泥包、河沙包、面粉包等；采用蜗杆式机械驱动同样适用于单位物料包重量较大的码垛，但其动作的效率比液压方式更快，更灵活，因此，同样实用于质量较轻的物料包的码垛工作。

本发明中所述吸盘包括但不限于普通的橡胶真空吸盘，也可以是与需要码垛的物料包外形尺寸相适应的夹持装置。

本发明所述的机械手还包括有用于输送物料包的传送皮带1，与传送皮带1末端相接的停包皮带2，与所述停包皮带2相接的横向滚组3，与横向滚组3侧面平行安装的纵向滚组4；所述横向滚组3远离纵向滚组4的一侧上方安装有推料挡板4，所述推料挡板4的下表面与横向滚组3的上表面存在2-5毫米的间隙，设置这个间隙的目的是防止横向滚组3与推料挡板4之间存在异常摩擦，导致机件的非正常损耗。所述推料挡板4通过伸缩装置沿横向滚组3宽度方向来回移动。

进一步地，所述停包皮带2上方还设置有用于抽吸灰尘的真空装置9。所述真空装置9连接有停包皮带2上方的吸尘装置，用于清除物料包在输送过程中产生的扬尘，例如物料包为水泥、面粉等具有粉尘的物料时，吸尘装置将物料包表面的扬尘或者粉尘吸走。进一步地，在本实施例中，当吸盘装置6采用橡胶真空吸盘时，则通过管路与所述真空装置9连接，提供真空吸力提升物料。值得说明的是：当被吸取物料为透气性物质时，所述的吸盘装置6可以采用其他夹持装置运送物料，夹持装置的驱动同样采用伺服电机作为驱动源，伺服电机通过EPC控制器进行信号智能控制。由于EPC控制器本身的控制接线方式及内部信号管理及信号发送的运行原理属于现有技术，在此就不作详述。

工作原理：

当物料包从外接运输装置输送到传输皮带1上后，在传输皮带1的作用下，依次经过传输皮带1、停包皮带2、横向滚组3，由于横向滚组3不停转动，在摩擦力的作用下，物料包位于横向滚组3靠近推料挡板4的一侧角落，当第二个物料包按照第一个物料包运动轨迹进入横向滚组3时，由于第一个物料包还停留在横向滚组3与推料挡板4的交叉角落处，即附图1中横向滚组3的左上角，则第一个物料包与第二个物料包沿着推料挡板4呈直线排列，此时，推料挡板4同时将上述两个物料包从横向滚组3推到纵向滚组5上，在纵向滚组5的作用下，物料包靠近纵向滚组4的边缘。

同理，按照上述运动轨迹当，第三、四个物料包被推料挡板4推到纵向滚组5上时，上述第一、二、三、四个物料包呈“田”字型排布，伸缩杆7下降将上述四个物料包吸住，再上升到预设安全高度，通过EPC发出的控制指令，驱动小车向前运动/左右移动，直到到达预定位置，下降到指定放置高度，松开吸盘装置6，完成第一个周期的物料包码垛。后续装配码垛流程与上述相同。

值得强调和说明的是，上述机械手的旋转、移动均是由EPC控制器向对应执行机构(如：推料挡板4、纵向滚组5、吸盘装置6、伸缩杆7、小车8)的带伺服编码器的伺服电机发送驱动信号进行工作，利用伺服编码器解决机械大惯性造成偏差的问题，在靠近目标位置时，通过激光传感器精准定位，实现NC闭环精准控制，确保码垛的准确性。

所述控制系统实现物料自动码垛装车包括以下步骤：

步骤1：通过激光传感器获知需要码垛车箱的尺寸信息；

步骤2：EPC控制器根据预设的物料尺寸信息和步骤1中获得的车箱的尺寸信息，计算获得需要码垛的坐标(x，y)和车箱偏移角度a；根据获得的码垛的坐标(x，y)和车箱偏移角度a计算并优选码垛轨迹；

步骤3：EPC控制器根据步骤2中的优选码垛轨迹分别向控制所述大车行架、小车8和吸盘装置6动作的伺服电机发送驱动信号，按照步骤3中优选码垛轨迹进行物料码垛装车。

优选地，步骤1中所述车箱的尺寸信息具体包括车箱的长L、宽W和高H。

优选地，步骤2中所述的物料尺寸具体包括物料的长bag-L、宽bag-W和高h，且获得车箱中同一层码垛的第一包物料D1的坐标(x1，y1)到同一层的最后一包物料Dn的坐标(xn，yn)具体为：

D1(x1,y1)＝(W/4,bag-W)，

D2(x2,y2)＝(3*W/4,bag-W)，

D3(x3,y3)＝(3*W/4,3*bag-W)，

D4(x4,y4)＝(W/4,3*bag-W)，

D5(x5,y5)＝(W/4,5*bag-W)，

D6(x6,y6)＝(3*W/4,5*bag-W)，

同理，

Dn(xn,yn)＝(3*W/4,13*bag-W)；

根据偏移角度a获得任意一个物料包Dn与对应的偏移后的位置Dn’相对坐标Dn’(xn,yn)，以车箱摆放第一个物料包的拐角为坐标零点，A＝bag-L＝1/4L，B＝bag-W，C为物料包的对角线长度，∠β为物料包长A与对角线C的夹角，C的长度为:因为C＝C’,并且∠β’＝∠β+∠α,并且∠β＝arctan(B/A)，具体计算公式如下：

D1’(x,y)＝(bag-L*cos∠α-bag-W*sin∠α),(bag-W*sin∠α+bag-L*cos∠α)；

D2’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-bag-W*sin∠α),(bag-W*sin∠α+bag-L*cos∠α)；同理，

D14’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-(13*bag-W)*sin∠α),((13*bag-W)*sin∠α+(3*w/4)*cos∠α)；

Dn’(x,y)＝((3*w/4)*cos-∠α-[(n-1)*bag]-W*sin∠α),[(n-1)*bag-W]*sin∠α+(3*w/4)*cos∠α)；

所述码垛轨迹为S型码垛轨迹，依次为：

D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8→D9→D10→D11→D12→D13→D14。

本实施例中，涉及到街携手NC闭环控制程序的核心片段如下：

(*启动判断*)(*axis[1]指大车轴*)

所述每个物料包对应的坐标Dn的坐标(xn，yn)计算程序核心片段如下：

实施例2：

为了更好的说明本发明方法，进一步地，在实施例1机械手的结构和工作原理的基础上，再提供一种横向、纵向混合摆放的方式，以进一步说明本发明，结合附图1-9所示，实施例1的步骤2中所述的物料尺寸具体包括物料的长bag-L、宽bag-W和高h，且获得车箱中同一层码垛的第一包物料D1的坐标(x1，y1)到同一层的最后一包物料Dn的坐标(xn，yn)具体为：

D1(x1,y1)＝(bag-W,bag-L)，

D2(x2,y2)＝(bag-W,3*bag-L)，

D3(x3,y3)＝(bag-W,5*bag-L)，

D4(x4,y4)＝(bag-W,7*bag-L)，

D5(x5,y5)＝(2*bag-W+bag-L),(11*bag-W)，

D6(x6,y6)＝(2*bag-W+bag-L),(9*bag-W)，

同理，

D10(x10,y10)＝(2*bag-W+bag-L),(bag-W),

根据偏移角度a获得任意一个物料包Dn与对应的偏移后的位置Dn’相对坐标Dn’(xn,yn)，以车箱摆放第一个物料包的拐角为坐标零点，A＝bag-W,B＝bag-L。可以计算出C的长度为:因为C＝C’,并且∠β’＝∠β+∠α,并且∠β＝arctan(B/A)，

则计算出D1’点的A’＝C’*cos∠β’,B’＝C’*sin∠β’,

最终获得：

A’＝A*cos∠α-B*sin∠α,

B’＝B*sin∠α+A*cos∠α,

计算方式如下：

D1’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(bag-L)*sin∠α},{(bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α}，

D2’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(3*bag-L)*sin∠α},{(3*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D3’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(5*bag-L)*sin∠α},{(5*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D4’(x,y)＝{(bag-W)*cos∠α-(7*bag-L)*sin∠α},{(7*bag-L)*sin∠α+(bag-W)*cos∠α},

D5’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(11*bag-W)*sin∠α},{(11*bag-W)*sin∠α+(2*bag-W+bag-L)*cos∠α},

D6’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(9*bag-W)*sin∠α},{(9*bag-W)*sin∠α+(2*bag-W+bag-L)*cos∠α}，

同理，

D10’(x,y)＝{(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α-(bag-W)*sin∠α},{(bag-W)*sin∠α+(2*(bag-W)+bag-L)*cos∠α}，

最终采用Y轴最近点的方式进行运动路径优化，即：

D10→D1→D9→D2→D8→D7→D3→D6→D4→D5。

值得说明的是：采用本方法对物料包进行码垛可以任意的改变物料包排列的方式，能够适应不同物料包的尺寸。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。