一种智能化的剪切机器人的制作方法

本发明涉及一种智能化的剪切机器人，尤其是能剪断人力不能剪切的物品，让操作人员远离危险环境的机器人。通过和一台笔记本电脑实时通信的视频摄像器件对被剪对象摄像，并将所得的图像信号经过图像软件处理后，显示在笔记本电脑上，操作员据此发送控制指令给机器人的运动控制系统，运动控制系统接收到相关指令后，使剪切机器人到达合适的位置，由操作员在该电脑上发送剪切指令，控制末端执行器的剪切机构进行剪切，为操作人员提供便利和安全保障。

背景技术：

目前，在社会生产和日常生活中，剪切作业必不可少。大多数手工剪切效率较低，需要耗费人工，工作简单重复令人生厌。例如：在生产过程中剪断一些包扎带、绳索等。不少剪切作业劳动强度大，费时费力。例如：野外作业时剪断树枝、藤条等。有些剪切作业甚至不能依靠人手完成。例如：剪断建筑物的钢筋。在一些危险环境，不宜采用人工剪切。例如：在反恐斗争中，剪断恐怖炸弹的电线。在一些狭窄空间，手工剪切作业很难进行。例如：抗震救灾时剪断垮塌房屋废墟的钢筋、防盗窗等。采用传统的人工剪切技术不但操作难度大，剪切效率低，而且危险系数高，不利于操作人员的人身安全。

在现在社会的发展中，集成自动化、机械、人工智能计算机等高新尖端科技的机器人将成为推动“工业4.0”进程的重要力量。智能化的剪切机器人符合“工业4.0”时代背景，操作人员通过对和一台笔记本电脑实时通信的视频摄像器件传回的图像进行分析，发送控制指令和剪切指令给机器人的运动控制系统，使剪切机器人到达合适的位置，控制末端执行器的剪切机构进行剪切。智能化的剪切机器人的运用大大提高作业效率，节省大量劳力成本和时间，可以剪断人力不能剪切的物品，让操作人员远离危险环境。并且智能化的剪切机械手，可以使剪切作业更快、更精确、适应性更强，有较好的社会经济效益和较大的市场发展前景。

技术实现要素：

为了克服传统的人工剪切方式的不足，发明提供了一种智能化的剪切机器人，用于人力难以完成的剪切工作，根据视频摄像器件传回的图像，发送控制指令和剪切指令到机器人运动控制系统，使操作人员控制剪切机构进行剪切，便于轻松准确完成工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能化的剪切机器人，系统采用模块化设计，主要包括运动控制系统、人机交互系统、剪切机械手机械臂系统、无线通信系统、视觉系统。其特征在于所述的运动控制系统选择stm32单片机作为核心器件，用来在stm32单片机系统上实现剪切机械手运动控制程序，如各个关节处的舵机旋转角度和速度控制程序，图像处理和数据存储程序、响应程序，包括人机交互系统控制响应程序等；所述的人机交互系统设计的关键为串口，串口是人机控制系统与剪切机械手控制系统的连接通道，对串口信息的读写就可以实现人机控制界面对剪切机械手的控制，用来远程操作和监控；所述的剪切机械手机械臂系统由机械臂各关节控制器、动力执行机构、剪切末端执行器组成，用来剪断被剪对象。

本发明的有益效果是，可以利用视频摄像器件传回的图像对机器人进行控制，提高了作业效率，降低了操作人员执行工作时的危险性，节约了劳动成本和时间，有利于更快更准确完成剪切工作，具有广泛的应用价值和市场前景。

附图说明

图1是系统总体框图

图2是剪切机械手软件主程序流程图

图3是剪切机械手控制软件主流程图

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

在图1中，一种智能化的剪切机器人，系统采用模块化设计，主要包括运动控制系统、人机交互系统、剪切机械手机械臂系统、无线通信系统、视觉系统。当机器人开始工作时，由视频摄像器件对被剪对象摄像，视频摄像器件和一台笔记本电脑实时通信，摄像所得的图像信号经过图像软件处理后，在笔记本电脑上显示。机器人的操作员在该电脑上发送控制指令给机器人的运动控制系统。运动控制系统接收到相关指令后，先驱动底盘的4个轮子，使剪切机器人到达合适的位置。然后根据正逆运动学算式做出机械臂的轨迹规划，再控制机械臂的各个关节按照所计算出的运动轨迹运行。当机械手臂到达合适的剪切位置，末端执行器张开呈一定角度。此后，末端执行器调整空间姿态，达到合适的姿态后，由操作员在该电脑上发送剪切指令，控制末端执行器的剪切机构进行剪切。如果在限定的时间里剪断被剪对象，则末端执行器的剪切机构张开，机器人复位。如果限定的时间里不能完成剪切作业，则末端执行器的驱动舵机增加转速，再次进行剪切。如果还不能在限定的时间里剪断被剪对象，则末端执行器的剪切机构张开，机器人复位。其特征在于所述的运动控制系统选择stm32单片机作为核心器件，用来在stm32单片机系统上实现剪切机械手运动控制程序，如各个关节处的舵机旋转角度和速度控制程序、图像处理和数据存储程序、响应程序，包括人机交互系统控制响应程序等；所述的人机交互系统设计的关键为串口，串口是人机控制系统与剪切机械手控制系统的连接通道，对串口信息的读写就可以实现人机控制界面对剪切机械手的控制，用来远程操作和监控；所述的剪切机械手机械臂系统由机械臂各关节控制器、动力执行机构、剪切末端执行器组成，用来剪断被剪对象。

在图1中，为了满足剪切机械手必须具有很好适应剪切对象复杂性、剪切环境特殊性的能力、机械结构应具有简单、紧凑、灵活、运动范围大、容易控制等特点，采用多关节型机械手臂，选取自由度为4的剪切机械手臂。剪切机械手由腰部，大臂，小臂和手腕等关节串联而成。一端通过腰关节和基座相连，基座固定在具有车轮的底盘上，另一端安装末端执行器。除此之外，剪切机械手还有stm32单片机控制系统，上位机控制系统，zigbee无线通信模块，舵机，电源。上位机通过zigbee无线通信模块发送指令给下位机stm32单片机，stm32单片机接收指令后发送pwm信号控制舵机的运转，使机械臂将末端执行器移动到剪切目标位置，由末端执行器剪切物体。其中stm32具备强大的数据处理能力，为实现复杂的逻辑运算与运动控制算法提供硬件支持和精密输出高速脉冲，能够对数字舵机进行良好控制以及可以用zigbee设备进行无线串行数据通信，实现pc端的人机交互界面与控制系统的数据传输和一定距离的遥控的特点。

在图2中，开始时系统上电，初始程序运行，使得剪切机器人的stm32单片机系统和pc电脑上人机交互系统有关程序初始化，剪切机器人首先从非工作状态位姿运动到工作状态初始位姿，剪切机械手开始工作，摄像头对目标进行摄像，采集到的图像经过stm32芯片处理，传输给人机交互系统。目标图像在pc电脑上显示，操作者对图像数据进行判断。确定剪切机械手臂的运动控制方式，通过人机交互系统由按键控制stm32控制系统，stm32控制系统对剪切机械手臂关节处的舵机发送pwm信号，剪切机械手臂按照事先设定的轨迹运动到达目标处点。即先调整好机械手臂包括肩关节、肘关节、腕关节等使得末端执行器处于和目标高度基本一致的位置，然后再转动腰关节，可以使末端执行器以最快的速度到达目标的剪切合适位置。如果没有正确到达目标处，则由操作者对腰关节、肩关节、轴关节、腕关节分别进行控制，继续调整末端执行器到目标处，对于剪切机械手的位姿，由matlab根据正逆运动学公式计算得各个关节角度和关节坐标，由操作者输入到人机交互系统上发送指令，进而确保轨迹的运行。人机交互系统对末端执行器进行控制，首先控制末端执行器的云台，使其到达合适的剪切位置，然后上位机控制末端执行器的剪切机构进行有效剪切，剪切作业完成，复位结束。

在图3中，剪切机器人的控制系统发送指令，stm32接收到指令，再对剪切机械手臂各个关节的舵机发送pwm信号。剪切机械手臂按照轨迹规划所确定的轨迹运动，即先调整好机械手臂使得末端执行器处于和目标高度基本一致的位置，然后在转动腰关节，可以以最快的速度到达目标的剪切合适位置。如果没有正确到达目标处，则由操作者对腰关节、肩关节、轴关节、腕关节分别进行控制，继续调整到目标处。最后到达合适的剪切点。操作员通过人机交互系统向末端执行器发送状态指令，使末端执行器的剪切机构张开，两片剪刀的刀刃之间角度为45度。操作员通过人机交互系统的按键，控制剪切机构按照每秒60度的转速进行剪切。剪切机构在不到1秒时间内剪断物体，则剪切作业完成。如果没有按时完成剪切作业，使用“差补法”加速舵机角速度。继续进行剪切，之后无论剪切机构是否在1秒内剪切断物体，剪切机构停止剪切，然后张开，复位到初始状态，退出剪切作业模式。

本发明由于采用上述结构，提出了一种智能化的剪切机器人的设计，设计简单，剪切结果精确，避免了传统手工剪切的不安全性和复杂性，产品性能稳定，适用广泛。而且该系统的运用，大大提高作业效率，节省大量劳力成本和时间，能够根据视频摄像器件发回的图像进行分析并发送控制指令给机器人，使剪切作业更快、更精确、适应性更强，有广泛的市场价值和应用前景。