一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及轮胎生产技术领域，尤其涉及一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法及一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统。


背景技术：

2.在轮胎生产过程后半部分，有成型机车间生产出的胎胚（生胎）运送至硫化车间对胎胚进行硫化成型的输送环节，老式的车间中基本都是靠人力推车来将进行胎胚的输送。近些年随着自动化应用的成熟，越来越多的车间选择了自动化物流系统。流程为：成型机生产出胎胚送至接胎器-》工业机器人从接胎器上取胎-》机器人将胎胚放置到物流输送线上-》胎胚输送至硫化车间-》 机械手将胎胚抓至硫化机进行硫化-》硫化完成的轮胎入立体库。
3.其中，工业机器人从接胎器上取胎的环节存在以下控制难点：1. 成型机生产出的生胎型号尺寸多样，经常换型生产，因此需要抓手能够适应多种尺寸规格；2. 生胎是软的，而且从成型机出来后在接胎器上竖直摆放，在生胎自身重力的作用下，会从一个圆形胎胚变形成一个椭圆形轮胎，变形导致抓取困难；3. 接胎器上是一块软的帆布（为了尽可能保护胎胚）从下面托着胎胚，胎胚尺寸不一样，形状不一样，胎胚在接胎器上的高低也不一样；4. 为了防止软生胎受损，抓取力度要控制得当，抓的太紧会伤胎，抓的太松轮胎会抓不住从而发生掉胎事故。
4.以上难点使得机器人抓取系统对控制系统和控制方法有较高的要求。
5.而现有技术中工业机器人从接胎器上取胎存在以下缺陷，（1）轮胎是放置在位置固定的接胎器中，每种轮胎型号机器人抓取的点位都是固定的，不能够实现自主检测和自适应抓取；（2）自适应抓取是需要3d视觉来进行拍照识别定位抓取的，可靠性低，而且成本高。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法，能够实现轮胎胎坯自主检测和自适应抓取，可靠性高且成本大幅度降低。
7.作为本发明的第一个方面，提供一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法，所述轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法包括：步骤s1：当轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，将设置在机器人末端法兰上的抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动，以使得所述机器人配合抓手上的第一光电传感器检测出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置，然后将所述抓手运动到所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置；步骤s2：将抓手在所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线运动，以使得所述机器人配合抓手上的第二光电传感器检测出所述轮胎胎坯的厚
度及圆心的水平方向位置；步骤s3：依据所述轮胎胎坯的直径和厚度计算出所述轮胎胎坯的重量，以及依据所述轮胎胎坯的重量计算出所述抓手的撑力；步骤s4：依据所述抓手的撑力，控制所述抓手采取从所述轮胎胎坯内部支撑的方式抓取所述轮胎胎坯。
8.进一步地，所述将设置在机器人末端法兰上的抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动，以使得所述机器人配合抓手上的第一光电传感器检测出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置，还包括：在所述抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动过程中，监控第一光电传感器的信号变化；在第一光电传感器的信号每次跳变时，记录所述抓手的当前坐标位置；当运动完成后，根据记录的所有抓手的坐标位置，计算出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置。
9.进一步地，所述将抓手在所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线运动，以使得所述机器人配合抓手上的第二光电传感器检测出所述轮胎胎坯的厚度及圆心的水平方向位置，还包括：抓手运动至所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处，然后抓手延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线往所述轮胎胎坯内部运动，并在运动过程中监测第二光电传感器的信号变化；在第二光电传感器的信号每次跳变时，记录所述抓手的当前坐标位置；当运动完成后，根据记录的所有抓手的坐标位置，计算出所述轮胎胎坯的厚度及圆心的水平方向位置。
10.进一步地，依据所述轮胎胎坯的直径和厚度计算出所述轮胎胎坯的重量，以及依据所述轮胎胎坯的重量计算出所述抓手的撑力，还包括：所述抓手的撑力f的计算公式为f=w*β，其中，w为所述轮胎胎坯的重量，β为常量系数。
11.进一步地，依据所述抓手的撑力，控制所述抓手采取从所述轮胎胎坯内部支撑的方式抓取所述轮胎胎坯，还包括：根据所述第一光电传感器检测出的所述轮胎胎坯的内圆直径，计算出所述抓手外撑的半径r；抓手由伺服电机进行控制，伺服电机的位置p与抓手外撑半径r的关系为p=f(r)，伺服电机输出扭矩t与抓手输出撑力f的关系为t=f(f)；设置抓手伺服电机为位置控制模式，根据所述抓手外撑的半径r控制抓手向外扩张运动至轮胎胎坯内圆的边缘附近；设置抓手伺服电机为扭矩-速度控制模式，控制抓手以固定速度继续向外扩张运动，当检测到伺服电机输出扭矩t达到设定扭矩，即抓手输出撑力f达到设定撑力时，抓手停止运动，所述轮胎胎坯抓取到位。
12.进一步地，在所述轮胎胎坯开始尺寸识别和抓取之前，还包括：机器人在预备位置等待成型机将生产出的轮胎胎坯放到接胎器上；
当接胎器上有轮胎胎坯时，接胎器上的轮胎有无检测光电传感器检测到轮胎并将信号反馈给机器人；机器人根据传感器信号确认出轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，开始轮胎胎坯尺寸识别和抓取流程。
13.作为本发明的第二个方面，提供一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统，所述轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统包括控制器以及分别与所述控制器连接的第一光电传感器和第二光电传感器，当轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，将设置在机器人末端法兰上的抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动，以使得所述机器人配合抓手上的第一光电传感器检测出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置，然后将所述抓手运动到所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置；所述控制器将抓手在所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线运动，以使得所述机器人配合抓手上的第二光电传感器检测出所述轮胎胎坯的厚度及圆心的水平方向位置；所述控制器依据所述轮胎胎坯的直径和厚度计算出所述轮胎胎坯的重量，以及依据所述轮胎胎坯的重量计算出所述抓手的撑力；所述控制器依据所述抓手的撑力，控制所述抓手采取从所述轮胎胎坯内部支撑的方式抓取所述轮胎胎坯。
14.进一步地，所述第一光电传感器为一个延抓手轴向方向安装的光电传感器。
15.进一步地，所述第二光电传感器为一个垂直于抓手轴向安装的光电传感器。
16.进一步地，还包括与所述控制器连接的伺服电机，所述伺服电机用于根据所述轮胎胎坯的重量和位置控制所述抓手的位置和撑力。
17.本发明提供的轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法具有以下优点：能够实现轮胎胎坯自主检测和自适应抓取，可靠性高且成本大幅度降低。
附图说明
18.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
19.图1为本发明提供的轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法的流程图。
20.图2为本发明提供的轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统的原理框图。
21.图3为本发明提供的轮胎胎坯放置在接胎器上的示意图。
22.图4为本发明提供的第一光电传感器和第二光电传感器的安装位置示意图。
23.图5为本发明提供的第一光电传感器的信号跳变示意图。
24.图6为本发明提供的第二光电传感器的信号跳变示意图。
25.图7为本发明提供的抓手在轮胎内部抓取轮胎的示意图。
26.图8为本发明提供的轮胎胎坯直径与圆心位置的检测过程示意图。
27.图9为本发明提供的轮胎胎坯厚度的检测过程示意图。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.在本实施例中提供了一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法，图1为本发明提供的轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法的流程图。如图1所示，所述轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法，包括：步骤s1：当轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，将设置在机器人末端法兰上的抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动，以使得所述机器人配合抓手上的第一光电传感器检测出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置，然后将所述抓手运动到所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置；需要说明的是，所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置指的是圆心在z方向的位置，如图8所示。
32.需要说明的是，本文的机器人指的是工业机器人。
33.优选的，本文的光电传感器可以采用激光光飞行时间技术的传感器。
34.具体地，在所述抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动过程中，监控第一光电传感器的信号变化；在第一光电传感器的信号每次跳变时，记录所述抓手的当前坐标位置；当运动完成后，根据记录的所有抓手的坐标位置，计算出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置。
35.具体地，在所述轮胎胎坯开始尺寸识别和抓取之前，还包括：机器人在预备位置等待成型机将生产出的轮胎胎坯放到接胎器上；当接胎器上有轮胎胎坯时，接胎器上的轮胎有无检测光电传感器检测到轮胎并将信号反馈给机器人；机器人根据传感器信号确认出轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，开始轮胎胎坯尺寸识别和抓取流程。
36.步骤s2：将抓手在所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线运动，以使得所述机器人配合抓手上的第二光电传感器检测出所述轮胎胎坯的厚度及圆心的水平方向位置；需要说明的是，如图3所示，胎胚在接胎器上时，因成型机放置机构的因素，胎胚在平行于其轴心的方向上位置会有偏差；由于胎胚尺寸不同、胎胚柔软形变以及帆布的原因，在垂直于其轴心的竖直方向上，位置也会不同；在重力的作用下，在垂直于其轴心的水平方向上，位置相对固定。
37.因此，如图4所示，在控制方法上，采用带第一光电传感器的抓手延轮胎轴线的垂直方向运动，以检测轮胎直径与圆心位置，然后根据找到的圆心位置，将抓手伸进轮胎孔中，控制抓手往轮胎内部运动的过程中，同时通过第二光电传感器检测轮胎厚度以及轮胎延平行轴线方向的位置。最终根据确认轮胎的位置与大小以进行抓取。
38.具体地，抓手运动至所述轮胎胎坯的圆心位置，然后抓手延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线往所述轮胎胎坯内部运动，并在运动过程中监测第二光电传感器的信号变化；在第二光电传感器的信号每次跳变时，记录所述抓手的当前坐标位置；当运动完成后，根据记录的所有抓手的坐标位置，计算出所述轮胎胎坯的厚度。
39.如图5-6所示，识别算法原理为：在抓手上下运动过程中，监控第一光电传感器的信号，第一光电传感器在照射到胎胚时，信号为true，没有照到胎胚时，信号为false，所以抓手在上下运动识别轮胎直径时，第一光电传感器的信号依次为false-》true-》false-》true-》false，在每次第一光电传感器信号跳变时，控制器记录当前机器人tcp的坐标位置，当运动完成后，即可根据记录的抓手的坐标位置计算出轮胎直径和圆心位置；找到轮胎圆心后，抓手移动到与轮胎的水平方向中轴线重合，然后往轮胎内部运动，在抓手运动过程中监控第二光电传感器的信号，第二光电传感器在轮胎外时，没有照射到轮胎，信号为false，运动到照射到轮胎时，信号变为true，继续运动到轮胎的另一边后，信号又变为false，在每次第二光电传感器信号跳变时，控制器记录当前机器人tcp的坐标位置，运动完成后，即可根据记录的抓手的坐标位置确认出轮胎厚度以及轮胎轴线方向上的位置。全部运动完成后，可以根据获取到的轮胎的尺寸（直径、厚度），估算出轮胎的重量。即可进行后续的抓取控制环节。
40.步骤s3：依据所述轮胎胎坯的直径和厚度计算出所述轮胎胎坯的重量，以及依据所述轮胎胎坯的重量计算出所述抓手的撑力；具体地，所述抓手的撑力f的计算公式为f=w*β，其中，w为所述轮胎胎坯的重量，β为常量系数。
41.步骤s4：如图7所示，依据所述抓手的撑力，控制所述抓手采取从所述轮胎胎坯内部支撑的方式抓取所述轮胎胎坯。
42.具体地，步骤s4还包括：根据所述第一光电传感器检测出的所述轮胎胎坯的内圆直径，计算出所述抓手外撑的半径r；抓手由机器人的伺服电机进行控制，伺服电机的位置p与抓手外撑半径r的关系为p=f(r)，伺服电机输出扭矩t与抓手输出撑力f的关系为t=f(f)；设置抓手伺服电机为位置控制模式，根据所述抓手外撑的半径r控制抓手向外扩张运动至轮胎胎坯内圆的边缘附近；设置抓手伺服电机为扭矩-速度控制模式，控制抓手以固定速度继续向外扩张运动，当检测到伺服电机输出扭矩t达到设定扭矩，即抓手输出撑力f达到设定撑力时，抓手停止运动，所述轮胎胎坯抓取到位。
43.作为本发明的另一实施例，如图2所示，提供一种轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统，其中，所述轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制系统包括控制器以及分别与所述控制器连接的第一光电传感器和第二光电传感器，当轮胎胎坯在接胎器上放置完成后，
将设置在机器人末端法兰上的抓手延所述轮胎胎坯的垂直方向运动，以使得所述机器人配合抓手上的第一光电传感器检测出所述轮胎胎坯的直径与圆心的竖直方向位置，然后将所述抓手运动到所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置；所述控制器将抓手在所述轮胎胎坯的圆心竖直方向位置处延所述轮胎胎坯的水平方向中轴线运动，以使得所述机器人配合抓手上的第二光电传感器检测出所述轮胎胎坯的厚度及圆心的水平方向位置；所述控制器依据所述轮胎胎坯的直径和厚度计算出所述轮胎胎坯的重量，以及依据所述轮胎胎坯的重量计算出所述抓手的撑力；所述控制器依据所述抓手的撑力，控制所述抓手采取从所述轮胎胎坯内部支撑的方式抓取所述轮胎胎坯。
44.需要说明的是，所述第一光电传感器为一个延抓手轴向方向安装的光电传感器。所述第二光电传感器为一个垂直于抓手轴向安装的光电传感器。
45.优选地，还包括与所述控制器连接的伺服电机，所述伺服电机用于根据所述轮胎胎坯的重量和位置控制所述抓手的位置和撑力。
46.在本实施例中，控制器采用机器人本身的控制器，除控制机器人外，同时也控制抓手伺服电机和负责胎胚尺寸位置检测流程控制。
47.下面结合图8-9对本发明提供的轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法的具体实施过程进行详细说明。
48.轮胎胎坯的尺寸位置识别和抓取控制方法的具体实施过程如下：等待成型机将生产出的胎胚放在接胎器上（因接胎器具有重力自动对心功能，故胎胚放上去后，胎胚垂直方向的中轴线y方向的位置是固定的）。
49.（1）机器人带抓手运动至垂直方向的中轴线起始位置a(x0,y0,z0)；（2）机器人带抓手延胎胚垂直方向的中轴线在空间旋转姿态不变的条件下运动至位置b(x0,y0,z5)，并在运动过程中监测第一光电传感器的信号变化；（3）如图8所示，第一光电传感器会在经过轮胎c1、c2、c3、c4四个位置时产生false-》true、true-》false、false-》true、true-》false四个跳变，记录在这四个跳变时，机器人的tcp位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，由于抓手为垂直上下运动，故x0=x1=x2=x3=x4,y0=y1=y2=y3=y4,运动过程中仅z方向位置发生变化；（4）根据记录的四个机器人tcp的位置的高度差，计算出胎胚尺寸d1=(z1-z2)、d2=(z2-z3)、d3=(z3-z4)，抓手中轴线经过内圆圆心的tcp位置(x0，y0,z3+(z2-z3)/2)；（5）机器人带抓手运动至抓手位置c；（6）机器人带抓手在抓手位置c处延胎胚水平方向中轴线在空间旋转姿态不变的条件下运动，以位置d(x1,y0,z3+(z2-z3)/2)为目标点进行水平运动，并在运动过程中监测厚度检测激光光电的信号变化；（7）如图9所示，第二光电传感器会在经过轮胎e1、e2两个位置时产生false-》true、true-》false两个跳变，记录在这两个跳变时，机器人的tcp位置分别为(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)，由于抓手为水平运动，故y0=y4=y5,z5=z6=(z2-z3)/2,运动过程中仅x方向位置发生变化；（8）检测到第二次跳变时，立即停止机器人，防止机器人运动距离过大导致与胎胚
发生碰撞。根据记录的两个机器人tcp位置x方向的偏压，可以计算出胎胚的厚度为x6-x5；（9）根据测量出的轮胎尺寸，估算出轮胎的重量为w=π*((d1+d3)/2)
²
*(x6-x5)*α，其中α为常量系数，由实际轮胎称重测量所得；（10）控制机器人继续运动至位置g(x6+f1,y0,z3+(z2-z3)/2),其中f1为为了抓手可靠抓取，需要从e2点伸出轮胎的距离，至此轮胎定位与测量完成，抓手运动到位，准备下一步抓取；（11）由测量出的轮胎重量w估算出抓取轮胎需要抓手输出的撑力为f=w*β，其中β为常量系数，由实际轮胎抓取试验所得；（12）由测得的轮胎内圆直径d2，可以计算出抓手外撑的半径为r=d2/2；（13）抓手由伺服电机进行控制，伺服电机的位置p与抓手外撑半径r的关系为p=f(r)，伺服电机输出扭矩t与抓手输出撑力f的关系为t=f(f)；（14）设置抓手伺服电机为位置控制模式，控制抓手撑开至r-l1，使抓手运动至胎胚内圆的边缘附近；（15）设置抓手伺服电机为扭矩-速度控制模式，使抓手以固定速度继续向外扩张运动，当检测到扭矩达到设定扭矩时，抓手达到需要的撑力，抓手停止运动；（16）由于轮胎是软的，在搬运过程中，随着时间的推移，抓手会将轮胎外撑导致形变，而使得撑力下降，存在掉胎风险，所以抓手在整个搬运过程中一直保持扭矩控制，控制撑力f，使抓手能够自动适应轮胎的形变；（17）随后机器人即可将轮胎提起进行搬运操作。
50.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。