一种用于棒体自动上下料的多功能机械手爪和机器人的制作方法

本发明属于桁架机器人与激光雷达定位领域，具体涉及一种用于棒体自动上下料的多功能机械手爪和机器人。

背景技术：

针对圆柱形棒体其在生产过程中通常需要进行机械化包装，整个过程包含人工辅助上下料、自动涂油缠膜等工序，其中上下料过程主要依靠人工作业，劳动强度大。随着社会的发展，工业自动化程度越来越高，采用桁架机器人对现有的人工辅助上下料过程，进行自动化升级改造，达到减轻人的劳动强度和提高工厂的智能作业程度的效果。目前圆柱形棒体自动上下料过程中需要解决机器人能够自动识别并获取周转箱箱盖、棒体压条、棒体的空间位置信息，以及能够使用机械手爪完成周转箱箱盖、棒体压条、棒体的夹取等动作。其中特别需要解决在两侧的棒体与箱体壁间隙过小、无法采用对称的机械手爪进行深入夹取的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种用于棒体自动上下料的多功能机械手爪和机器人，本发明能够实现生产过程中圆柱形棒体的自动上下料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：

一种用于棒体自动上下料的多功能机械手爪，包括手爪整体框架、电磁吸盘、电磁吸盘驱动气缸、气动手指、棒体压板、单边钩爪、单边钩爪驱动装置、压板驱动气缸和激光雷达视觉定位模块；电磁吸盘驱动气缸安装于手爪整体框架，电磁吸盘驱动气缸的活塞杆与电磁吸盘连接，电磁吸盘位于手爪整体框架的下方，电磁吸盘的下部安装有距离探测器；气动手指与安装于手爪整体框架，气动手指的夹爪位于手爪整体框架的下方；单边钩爪的形状呈l形，单边钩爪的结构包括第一边和第二边，单边钩爪设置在手爪整体框架的下部，单边钩爪第一边的端部与手爪整体框架可转动连接，所述第一边还与单边钩爪驱动装置连接，单边钩爪驱动装置安装于手爪整体框架；所述单边钩爪包括第一单边钩爪和第二单边钩爪，第一单边钩爪和第二单边钩爪对称；压板驱动气缸安装于手爪整体框架，棒体压板与压板驱动气缸的活塞杆连接，棒体压板位于手爪整体框架的下部以及位于第一单边钩爪和第二单边钩爪之间；激光雷达视觉定位模块安装于手爪整体框架的下部。

优选的，单边钩爪驱动装置包括直线气缸、齿条和安装在单边钩爪第一边上的齿轮，直线气缸安装于手爪整体框架，直线气缸的活塞杆与齿条连接，齿条与齿轮啮合。

优选的，所述齿条采用双边齿条，所述双边齿条沿着齿条的运动方向开设有长孔，所述长孔长边的内壁中，一侧内壁设有与齿轮啮合的齿，另一侧内壁为光滑内壁并与齿轮相抵。

优选的，电磁吸盘驱动气缸的活塞杆与电磁吸盘之间通过摆动接头连接。

优选的，激光雷达视觉定位模块包括纵向激光雷达、横向激光雷达、激光雷达固定板和激光光源；所述的激光雷达固定板连接在手爪整体框架上，纵向激光雷达和横向激光雷达检测方向相互垂直，纵向激光雷达和横向激光雷达均配备有激光光源。

优选的，手爪整体框架上在第一单边钩爪和第二单边钩爪整体的两侧均设有气动手指；手爪整体框架上在气动手指整体的两侧均设有电磁吸盘。

优选的，棒体压板为楔形接结构，棒体压板朝向单边钩爪第二边端部的一端为大端。

本发明还提供了一种用于棒体自动上下料的机器人，包括桁架整体结构框架和权利要求-任意一项所述的多功能机械手爪，桁架整体结构框架包含桁架x轴、桁架y轴和桁架z轴以及支撑组件和传动装置，桁架z轴的下端与多功能机械手爪的手爪整体框架连接。

优选的，桁架z轴末端设有伺服旋转平台，手爪整体框架的上部与伺服旋转平台连接。

优选的，桁架z轴上安装有桁架z轴平衡装置和z轴固定板，z轴固定板固定安装于桁架z轴，桁架z轴平衡装置包括高压氮气瓶、平衡油缸和拉杆；高压氮气瓶和平衡油缸安装于z轴固定板，高压氮气瓶和平衡油缸通过高压油管连接，平衡油缸的活塞杆与拉杆连接，拉杆延伸至z轴固定板的下方并与z轴立柱连接。

本发明具有如下有益效果：

本发明的用于棒体自动上下料的多功能机械手爪中，通过设置电磁吸盘驱动气缸能够驱动电磁吸盘移动，使得电磁吸盘靠近周转箱箱盖，通过距离探测器能够检测电磁吸盘是否已经接触周转箱箱盖，通过设置电磁吸盘，当电磁吸盘与周转箱箱盖接触后，电磁吸盘可对周转箱箱盖进行吸取和放置，从而实现对周转箱箱盖的转移；通过设置气动手指，能够通过气动手指的夹爪夹取和释放棒体压条，从而实现对棒体压条的转移；通过设置单边钩爪、单边钩爪的形状呈l形、单边钩爪第一边的端部与手爪整体框架可转动连接、第一边还与单边钩爪驱动装置连接，这使得单边钩爪能够转动，当转移棒体前，旋转单边钩爪，使单边钩爪得第二边与棒体平行，然后单边钩爪能够从两个棒体之间的缝隙下到单边钩爪的下方，然后旋转单边钩爪，使单边钩爪的第二边与棒体轴线垂直并托住棒体，本发明的单边钩爪有效的克服了两侧的棒体与箱体壁间隙过小以及相邻棒体之间的间隙过小、无法采用对称的机械手爪进行深入夹取的问题；通过设置棒体压板，能够在单边钩爪托住棒体后，将棒体压紧在单边钩爪上，保证棒体在转移过程中状态的稳定，保证作业安全。通过设置激光雷达视觉定位模块，能够获取物体空间位置信息，以便自动的控制本发明多功能机械手爪移动到合适的位置，准确实现对周转箱箱盖、棒体压条和棒体的转移。

进一步的，齿条采用双边齿条，该齿条能够保证齿与齿轮之间啮合的稳定性，使齿轮两侧受力相对均衡，保证啮合效果。

进一步的，通过设置摆动接头，能够使得电磁吸盘适应周转箱箱盖表面的不平整情况，进而有效实现箱盖的吸取。

进一步的，手爪整体框架上在第一单边钩爪和第二单边钩爪整体的两侧均设有气动手指；手爪整体框架上在气动手指整体的两侧均设有电磁吸盘，这种布局形式比好合理，有利于提高作业效率。

进一步的，棒体压板为楔形接结构，棒体压板朝向单边钩爪第二边端部的一端为大端，该结构能够保证棒体压板与单边钩爪稳定的夹持住棒体，保证作业的安全。

本发明用于棒体自动上下料的机器人中，桁架整体结构框架能够驱动本发明上述的多功能机械手爪自由移动，以便于转移棒体，由上述本发明上述的多功能机械手爪的有益效果可知，本发明用于棒体自动上下料的机器人能够自动完成周转箱箱盖、棒体压条、棒体的夹取、转移等一系列动作，完全实现整个棒体上下过程中的自动化运行。

进一步的，通过设置桁架z轴平衡装置，其中，高压氮气瓶能够通过调节平衡缸内气压进而驱动液压油通过高压油管进入平衡油缸，使得平衡油缸内部压力平衡掉z轴立柱所连接负载重量，从而达到减少桁架z轴伺服电机负载，提高桁架z轴伺服电机使用寿命、以及可以选用较低输出功率的桁架z轴伺服电机，节约成本。

附图说明

图1为本发明所述基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人整体正视图；

图2为本发明所述基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人整体轴视图；

图3为本发明所述基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人z轴平衡装置示意图；

图4为本发明所述基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人多功能机械手爪示意图；

图5为本发明所述多功能机械手爪的钩爪驱动结构示意图；

图6(a)为本发明所述多功能机械手爪的电磁吸盘的第一结构示意图；

图6(b)为本发明所述多功能机械手爪的电磁吸盘的第二结构示意图；

图7为本发明所述多功能机械手爪的夹取压条示意图；

图8为本发明所述多功能机械手爪的钩爪进入棒体间隙示意图；

图9为本发明所述多功能机械手爪的夹取棒体示意图；

图10为本发明所述一种基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人的激光雷达定位模块示意图；

图11为本发明所述激光雷达定位模块扫描棒体轮廓信息示意图；

图12为本发明所述机器人需要上下料的棒体及其存储周转箱示意图：

图中：

1为桁架整体结构框架；

2为桁架z轴平衡装置，201为高压氮气瓶，202为高压油管，203为平衡油缸，204为拉杆，205为z轴立柱，206伺服旋转平台，207z轴固定板；

3为多功能机械手爪模块，301为电磁吸盘驱动气缸，302为电磁吸盘，303为摆动接头，304为光电传感器，305为气动手指，306为棒体压板，307为单边钩爪，308为压板驱动气缸，309为齿轮，3010为双边齿条，3011为直线气缸，3012为手爪整体框架；

4为激光雷达视觉定位模块，401为纵向激光雷达，402为横向激光雷达，403为激光雷达固定板，404为串口数据通讯线，405为激光光源；

5为棒体及其存储周转箱模块，501为周转箱箱盖、502为棒体压条，503为箱体，504为棒体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。

参照图1、图2、图4～图9，本发明用于棒体自动上下料的多功能机械手爪包括手爪整体框架3012、电磁吸盘302、电磁吸盘驱动气缸301、气动手指305、棒体压板306、单边钩爪307、单边钩爪驱动装置、压板驱动气缸308和激光雷达视觉定位模块4；电磁吸盘驱动气缸301安装于手爪整体框架3012，电磁吸盘驱动气缸301的活塞杆与电磁吸盘302连接，电磁吸盘302位于手爪整体框架3012的下方，电磁吸盘302的下部安装有距离探测器；气动手指305与安装于手爪整体框架3012，气动手指305的夹爪位于手爪整体框架3012的下方；单边钩爪307的形状呈l形，单边钩爪307的结构包括第一边和第二边，单边钩爪307设置在手爪整体框架3012的下部，单边钩爪307第一边的端部与手爪整体框架3012可转动连接，所述第一边还与单边钩爪驱动装置连接，单边钩爪驱动装置安装于手爪整体框架3012；所述单边钩爪307包括第一单边钩爪和第二单边钩爪，第一单边钩爪和第二单边钩爪对称；压板驱动气缸308安装于手爪整体框架3012，棒体压板306与压板驱动气缸308的活塞杆连接，棒体压板306位于手爪整体框架3012的下部以及位于第一单边钩爪和第二单边钩爪之间；激光雷达视觉定位模块4安装于手爪整体框架3012的下部。

作为本发明优选的实施方案，参照图5，单边钩爪驱动装置包括直线气缸3011、齿条和安装在单边钩爪307第一边上的齿轮309，直线气缸3011安装于手爪整体框架3012，直线气缸3011的活塞杆与齿条连接，齿条与齿轮309啮合。

作为本发明优选的实施方案，参照图5，所述齿条采用双边齿条3010，所述双边齿条3010沿着齿条的运动方向开设有长孔，所述长孔长边的内壁中，一侧内壁设有与齿轮309啮合的齿，另一侧内壁为光滑内壁并与齿轮309相抵。

作为本发明优选的实施方案，参见图6(a)和图6(b)，电磁吸盘驱动气缸301的活塞杆与电磁吸盘302之间通过摆动接头303连接。

作为本发明优选的实施方案，参照图10，激光雷达视觉定位模块4包括纵向激光雷达401、横向激光雷达402、激光雷达固定板403和激光光源405；所述的激光雷达固定板405连接在手爪整体框架3012上，纵向激光雷达401和横向激光雷达402检测方向相互垂直，纵向激光雷达401和横向激光雷达402均配备有激光光源405。

作为本发明优选的实施方案，参照图4和图7，手爪整体框架3012上在第一单边钩爪和第二单边钩爪整体的两侧均设有气动手指305；手爪整体框架3012上在气动手指305整体的两侧均设有电磁吸盘302。

作为本发明优选的实施方案，参照图7和图9，棒体压板306为楔形接结构，棒体压板306朝向单边钩爪307第二边端部的一端为大端。

参照图1和图2，本发明的用于棒体自动上下料的机器人包括桁架整体结构框架1和权利要求1-7任意一项所述的多功能机械手爪3，桁架整体结构1包含桁架x轴、桁架y轴和桁架z轴以及支撑组件和传动装置，桁架z轴的下端与多功能机械手爪3的手爪整体框架3012连接。

作为本发明优选的实施方案，参照图3，桁架z轴末端设有伺服旋转平台206，手爪整体框架3012的上部与伺服旋转平台206连接。

作为本发明优选的实施方案，参照图3，桁架z轴上安装有桁架z轴平衡装置2和z轴固定板207，z轴固定板207固定安装于桁架z轴，桁架z轴平衡装置2包括高压氮气瓶201、平衡油缸203和拉杆204；高压氮气瓶201和平衡油缸203安装于z轴固定板207，高压氮气瓶201和平衡油缸203通过高压油管202连接，平衡油缸203的活塞杆与拉杆204连接，拉杆204延伸至z轴固定板207的下方并与z轴立柱205连接。

实施例

本实施例的用于棒体自动上下料的机器人包括桁架整体结构框架1、桁架z轴平衡装置2和多功能机械手爪3；桁架整体结构框架1包含桁架x轴、桁架y轴、桁架z轴、支撑组件及传动装置，桁架z轴平衡装置2与桁架z轴连接在一起，多功能机械手爪3与桁架z轴末端伺服旋转平台206连接，激光雷达视觉定位模块4固定在多功能机械手爪3上。其中，桁架z轴平衡装置2包括高压氮气瓶201、高压油管202、平衡油缸203和拉杆204。高压氮气瓶201通过调节平衡缸内气压进而驱动液压油通过高压油管202进入平衡油缸203，使得平衡油缸203内部压力平衡掉z轴立柱205所连接负载重量，从而达到减少z轴伺服电机负载。其中平衡油缸203通过拉杆204与z轴立柱205相连接。多功能机械手爪3包括电磁吸盘驱动气缸301、电磁吸盘302、摆动接头303、光电传感器304、气动手指305、棒体压板306、单边钩爪307、压板驱动气缸308、齿轮309、双边齿条3010、直线气缸3011和手爪整体框架3012。电磁吸盘302通过摆动接头303与电磁吸盘驱动气缸301连接，电磁吸盘302主要用于周转箱箱盖501的取放，光电传感器304用于判断电磁吸盘302与周转箱箱盖501之间的距离，摆动接头303可以使得电磁吸盘302适应周转箱箱盖501表面的不平整情况，进而有效实现箱盖的吸取；气动手指305用于实现棒体压条502的夹取；双边齿条3010与齿轮309之间形成转动副，直线气缸3011通过驱动双边齿条3010的直线运动实现单边钩爪307的转动，配合通过压板驱动气缸308驱动棒体压板306并配合单边钩爪307实现棒体504的夹取，有效解决棒体504与箱体503的箱壁之间的间隙过小双边钩爪不能进入夹取的问题。激光雷达视觉定位模块4包括纵向激光雷达401、横向激光雷达402、激光雷达固定板403、串口数据通讯线404、激光光源405。所述的激光雷达固定板405连接在手爪整体框架3012上，参照10和图11，横向激光雷达401用于测量箱体503的空间长度，纵向激光雷达402用于测量箱体503的空间宽度和棒体504的空间轮廓信息，所测得距离信息通过串口数据通讯线404进行数据传输。

本实施例的用于棒体自动上下料的机器人使用时，首先进行桁架整体结构框架1的安装，完成整体结构框架组装后；进行桁架z轴平衡装置的安装，将高压氮气瓶201与平衡油缸203固定在z轴固定板207上，两者之间通过高压油管202进行连接，拉杆204与桁架z轴立柱205连接，当桁架z轴所提取的负载发生变化时，高压氮气瓶201将自动调节瓶内气压，进而驱动瓶内液压油通过高压油管202流入或流出平衡油缸203使得平衡油缸内压力发生变化，从而达到平衡z轴负载的目的，可大大减轻z轴伺服电机的驱动功率。同时伺服旋转平台206与桁架z轴立柱固定在一起，最后多功能机械手爪3通过法兰与伺服旋转平台206连接在一起，激光雷达视觉定位模块4固定在多功能机械手爪3上。

接着进行周转箱箱盖501的吸取：当工作人员将装有棒体504的箱体503运送至上料区后，纵向激光雷达401和横向激光雷达402进行箱体503轮廓的扫描并获取其空间位置信息，桁架机器人将多功能机械手爪3移动到周转箱箱盖501的正上方一定距离位置处，电磁吸盘驱动气缸301驱动的电磁吸盘302向下移动靠近周转箱箱盖501，基于光电传感器304反馈数据判断电磁吸盘302是否已经接触周转箱箱盖501，当电磁吸盘302接触周转箱箱盖501后，电磁吸盘302通电完成周转箱箱盖501的吸取，从而完成第一步打开周转箱箱盖的动作；摆动接头303可确保电磁吸盘完全接触周转箱箱盖，对电磁吸盘进行通电可完成周转箱箱盖的吸取与转移，当周转箱箱盖转移到位后，电磁吸盘断电，完成周转箱箱盖的放置。

然后进行棒体压条502的夹取：通过横向激光雷达402沿着箱体503的长度方向进行扫描，并结合已经扫描得到的箱体403的空间位置信息，得到箱体相对多功能机械手爪3的距离信息，多功能机械手爪3移动到棒体压条502上方，通过对称分布的气动手指305，进行箱体503内部对称分布的棒体压条502进行夹取，并进行转移暂存。

最后进行棒体504的夹取上料动作：通过纵向激光雷达401进行棒体504的轮廓信息扫描，并通过数据处理算法获取其中心位置信息，首先由直线气缸3011驱动双边齿条带动齿轮3010进行转动，使得单边钩爪307旋转90°可顺着相邻棒体504之间的间隙进入箱体内部，当单边钩爪307到达位置后，接着直线气缸3011反向运动，使得单边钩爪307反向旋转90°进入棒体504的底部，多功能机械手爪3小幅度上移提起棒体504，使得单边钩爪307托起棒体504，接着由压板驱动气缸308驱动棒体压板306向下移动完成棒体504的夹紧，可有效的防止棒体504在上料过程中的抖动，最终桁架机器人将棒体504转移至上料工位处。棒体504的下料过程即自动放入箱体503与上料过程相反。

其中，横向激光雷达402进行棒体压条502的轮廓信息识别并获取其空间位置信息，并通过多功能机械手爪3上的气动手指305完成棒体压条502的夹取动作。纵向激光雷达401进行棒体504的轮廓信息识别并获取其空间位置信息，首先由直线气缸3011驱动双边齿条带动齿轮3010进行转动，使得单边钩爪307旋转90°可进入棒体504之间的间隙，接着直线气缸3011反向运动，使得单边钩爪307进入棒体504的底部，接着由压板驱动气缸308驱动棒体压板306运动完成棒体504的夹紧，从而实现棒体504的上料动作。

综上，本发明提供的是一种基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人，能够有效解决人工辅助上下料过程劳动强度大、效率低等问题。通过激光雷达视觉定位系统进行物体空间位置信息是被获取，并通过桁架机器人自动完成箱盖、压条、棒体的夹取等一系列动作，完全实现整个棒体上下过程中的自动化运行。从上述描述可以看出，本发明基于激光雷达视觉定位的棒体自动上下料桁架机器人，基于激光笔雷达视觉定位获取物体轮廓并得到物体的空间位置信息，并通过桁架机器人的多功能机械手爪完成棒体上下料过程中多个夹取动作的自动化运行。

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