机器人柔性抓取系统

图2-1所示为参加全国大学生机器人大赛的一个“物品收集机器人”,图(a)是实物照片,图(b)是该机器人的结构示意图。下面对该机器人作概要介绍。

1.制作背景

大赛规定:每组用三个机器人,将货架上的物品以最短的时间放到储物筐内,用时最短者为冠军。对三个机器人的要求是:第一个机器人,由坐在其上的人员操作沿指定路线行走,完成规定的任务(注册、搬运或托起第三个机器人、搬运储物筐);第二个机器人要自动行走,是自动寻迹搬运机器人,其行走途中有上下坡道,其任务是搬运储物筐或搬运第三个机器人;第三个机器人的主要任务是从货架上取下物品放到储物筐内,故称为收集机器人。(可看录像,网址:www.buptpress.com)

收集机器人的设计制作将在第5章中作为机电一体化系统(产品)的实例给予详细的介绍,这里不再赘述。本节作为机器人的实例,只对收集机器人的构造作一重点介绍。

图2-1　收集机器人

1,5,15—手爪;2,6,16,17,18—手臂;3,7—滑动套;4,8,20—感知传感器;9—寻位传感器;10—导柱;11—钢丝绳;12,13—绳轮;14,22,28—电动机;19,25,26,32—气缸;21,27,29驱动轮;23—滑动杆;24—导套;30,33,34—滚动轮;31—折叠腿;35—控制器;36—驱动控制器;37—定位传感器;38—边沿检测传感器

2.对收集机器人的功能要求

收集机器人要完成以下功能:首先要上一个台阶(20厘米高)到货架平台上,然后取下货架上的物品放到储物筐内。货架分三层,放置了规格不同的两种物品(松糕)。机器人取物动作如下:首先移动定位,走到取物地点,然后由机械手从货架上抓取物品后再走到储物筐旁,将物品放入筐内;重复以上动作,将所有物品取完为止。(动作可看录像,机器人尺寸及具体设计见5.1节)

3.收集机器人的结构及其运动原理

下面依照图2-1介绍收集机器人的结构及其运动原理,以便同学们对机电一体化系统(产品)有些感性认识。

由图2-1可见,收集机器人由三个机械手和一个小车组成。小车下面有三个驱动轮和四个滚动轮,驱动轮可使机器人移动或旋转,滚动轮是辅助机器人上台阶用的;小车上面安装了三个机械手,另外还装有控制器、驱动控制器和压缩空气瓶;小车下面还装有传感器,用于机器人定位与寻迹;机械手上也装了传感器用于寻物与取物。

该机器人的结构及其运动原理具体说明如下〔见图2-1(b)〕。

(1)机械手运动机构:1、2、3构成第一个机械手,1是手爪,2是手臂,3是滑套,三者联为一体,该机械手的滑套3被钢丝绳11(3与11固联)带动,可沿导柱10上下移动。4是寻物传感器,用于感知被抓物品,指令手爪抓取。5、6、7构成第二个机械手,5是手爪,6是手臂,7是滑套,三者联为一体,该机械手的滑套7也可被钢丝绳11(7与11是固联的)带动沿导柱10上下移动。8是感知传感器,作用与4相同。9是寻位传感器,用于寻找被抓取物品的位置或寻找储物筐的位置。10是导柱,被固定在小车上。11是钢丝绳,12、13是绳轮(11、12、13构成绳轮传动机构)。14是电动机,绳轮13装在电动机14的轴上,当通电时,电动机14带动绳轮13转动,绳轮13再带动钢丝绳11运动,11再带着滑套3与7沿导柱10上下滑动,从而使第一、第二个机械手沿导柱10上下移动。15、16、17、18构成第三个机械手,15是手爪,16、17构成可伸缩手臂,16是外套,17是其内的伸缩杆,由气缸19推动17在16内作伸缩运动,手爪15固定在伸缩杆17上,18固定在小车上。20是感知传感器,作用与4相同。手爪1、5、15构造一样,都是由两个手指构成,在二手指根部有气缸相连(图中未画),当气缸动作时,驱动两个手指开或合,释放或抓取物品。

(2)小车运动机构:21、27、29是驱动车轮(都是全向轮),27、29是前轮,21是后轮;22、28是电动机;21被装在22的轴上;27被装在28的轴上,29的电动机没有画出。驱动轮21、27、29都安装在小车上,安装时使21、27、29三个轮的触地点在同一个圆周上(各相隔120°角),其中,两个前轮27、29的轴的方向均与前进方向夹角为60°(两个轮轴线间夹角为120°),这样机器人在地面上旋转起来就很灵活。

(3)小车后轮(21)运动机构:23是一个滑动杆(可上下滑动,也可绕自身的轴转),驱动轮21和电动机22被固定在23的下端;24是导套,被固定在车架上;25是气缸,它能驱动滑动杆23在导套24内上下移动;26也是气缸,它一端固定在小车上(杆18),另一端连在滑动杆23上,当26动作时,能驱动滑动杆23绕自身轴线转动。可见驱动轮21有三种运动形式:即绕自身轮轴的转动(由电动机22驱动);由滑动杆23带动,沿导套24的上升与下降移动(由气缸25驱动);绕滑动杆23的轴线的转动(由气缸26驱动)。

(4)折叠腿的运动机构:30是滚动轮(两个);31是折叠腿,下端安装两个滚动轮30,上端用铰链固定在车架上;32是气缸,左端连在车架上,右端连在折叠腿31上,它驱动折叠腿31收起(收到小车底下,成水平状态),或放下(图示状态)。

(5)其他构件:33、34也是滚动轮,它们直接安装在车架底下。四个滚动轮的轮面都平行于前进方向。35是控制器,它是一块电路板,上面安装了微处理器和所需的元器件;微处理器有两个用途,一个是对传感器采集的信号进行处理,另一个是预置控制机器人运动的某些程序。36是驱动控制器,里边装有继电器和气压阀,以便控制电机或气缸运动。37是定位传感器(由激光测距传感器构成),它和传感器9一起指挥机器人走到指定位置。38是边沿检测传感器,用于探测前进方向的台阶。

4.收集机器人动作的实现

(1)平面(地面)上的运动

收集机器人前进、后退和在水平面上转动由三个驱动轮21、27、29完成。其运动状态完全由后驱动轮21的状态来控制,当21的轮面平行于前进方向时(记为0°),若通电则机器人前后移动;当21的轮面垂直于前进方向时(记为90°),若通电则机器人原地旋转;机器人沿任一曲线运动是由程序调整三个轮的不同转速完成的。

(2)爬台阶

收集机器人的初始位置就是图2-1(b)所示状态,当后驱动轮21驱动机器人前进时,若传感器38检测到前面有台阶,则马上将信号传给控制器35,经微处理器处理后,传给驱动控制器36,指令气缸32动作,收起折叠腿31;继而气缸25动作,驱动滑动杆23上升,收起后驱动轮21。这样就爬过一个台阶继续前进。

(3)抓取搬运物品

抓取搬运物品分两次完成,第一次抓取搬运货架上一、二层的松糕,第二次抓取搬运货架上第三层的松糕。

机器人爬上台阶以后,进行第一次抓取搬运,分四步完成。第一步,由寻位传感器9和定位传感器37(通过驱动控制器36控制)指挥机器人走到货架旁的指定位置(即被抓取松糕的旁边);第二步,在感知传感器4与8的指挥下,第一与第二个机械手上的手爪气缸同时驱动二手爪的手指动作,将货架上一、二层的松糕同时抓起;第三步,电动机14驱动钢丝绳11将滑套3与7上提,使两个机械手上移,将所取第一、二层的松糕举高,超过定位销的高度;第四步,机器人在程序的控制下,依传感器9与37的引导走到储物筐边,由边沿检测传感器38控制定位并将第一、二个机械手的手爪松开,使二松糕落到储物筐内。完成第一次抓取搬运。

然后,进行第二次抓取搬运,分五步完成。第一步,在程序的控制下,依寻位传感器9和定位传感器37的引导,机器人回到货架旁;第二步,由人操作的第一个机器人把收集机器人托起(为了抓取第三层货架上的松糕);第三步,第三个机械手由气缸19驱动将伸缩杆17和手爪15伸出;第四步,人操作第一个机器人移动,使收集机器人的第三个手臂的手爪15接近第三层货架上的松糕,由感知传感器20指挥手爪15抓走。第五步,与第一次抓取搬运的第五步相同,将松糕送到储物筐中,这里不再赘述。至此,抓取搬运物品结束。