本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，尤其是涉及一種工業(yè)領(lǐng)域的程序控制機(jī)器人以及機(jī)器人的控制方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器；它接受人類的指令后，將按照設(shè)定的程序執(zhí)行運(yùn)動(dòng)路徑和作業(yè)。

作為先進(jìn)制造業(yè)中典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用包括焊接、噴涂、組裝、采集和放置、包裝和碼垛、產(chǎn)品檢測和測試等。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線成套裝備己成為高端裝備的重要組成部分及未來發(fā)展趨勢(shì)，提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。

隨著我國勞動(dòng)力成本的逐年增加，老齡化社會(huì)的到來，可進(jìn)行傳統(tǒng)加工制造業(yè)的一線工人將保持逐年減少的趨勢(shì)，同時(shí)社會(huì)服務(wù)的成本將增加，我國對(duì)工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化加工裝備的需求將逐步增加。工業(yè)機(jī)器人作為我國高端裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備之一，是我國高端制造裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)裝備。

搬運(yùn)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要方向，隨著技術(shù)的發(fā)展，以前由人力完成的零部件或成品的搬運(yùn)工作已經(jīng)逐步由搬運(yùn)機(jī)器人代替完成，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上下料作業(yè)中，特別是在有毒有害、易燃易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，搬運(yùn)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)中，搬運(yùn)機(jī)器人在針對(duì)不同類型的工件進(jìn)行搬運(yùn)時(shí)，需要更換相應(yīng)的夾持部，以適應(yīng)不同類型的工件。為了解決這個(gè)問題，JP2008528408A以及JP特開平9-123082A分別提出了具有自適應(yīng)夾持部的搬運(yùn)機(jī)器人，其夾持部在夾持不同形狀的工件時(shí)，能夠自行改變形狀從而適應(yīng)不同的工件類型。但是，上述發(fā)明中夾持部反復(fù)對(duì)工件進(jìn)行夾持的情況下，其與工件的接觸位置總是相同，可能導(dǎo)致該特定的部位將受到損傷，從而影響夾持部的使用。

為了解決上述問題，豐田自動(dòng)車株式會(huì)社在JP2012152860A的發(fā)明專利中，提出了一種改進(jìn)的夾持部，其通過使夾持部與工件的接觸部位在豎直方向上進(jìn)行變化，從而變更夾持部位，提高夾持部的使用壽命。但是，該發(fā)明還存在如下缺點(diǎn):(1)其接觸部位的變化僅是以特定長度例如十幾毫米在左右方向或者上下方向變化，變化后的接觸部位與變化前的接觸部位可能存在很大部分的重合，使用該變化操作可能導(dǎo)致部分區(qū)域持續(xù)收到工件作用，影響夾持部的使用壽命；（2）進(jìn)行夾持位置的變更可能導(dǎo)致工件與夾持部的接觸面積減少，從而使夾持部受力區(qū)域的壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致其產(chǎn)生損害，或者接觸面接減少使工件所受摩擦力減少，而導(dǎo)致無法夾住工件。

為了解決上述問題，在先發(fā)明提出了一種改進(jìn)的程控工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人，通過控制部使變更后的抵接部件的接觸部位與變化前的抵接部件的接觸部位不存在或者僅存在很少的重合，從而減少重疊的接觸區(qū)域，降低抵接部件的損耗，延長其工作壽命。該方法能夠?qū)τ趩蝹€(gè)工件能夠優(yōu)化抵接部件的接觸區(qū)域，但是不同工件的重量不同，接觸面部不同，搬運(yùn)次數(shù)不同，單個(gè)工件搬運(yùn)結(jié)束后，抵接部件的接觸區(qū)域不一定均勻分布，機(jī)器人長期工作累計(jì)以后，可能導(dǎo)致抵接部件的部分區(qū)域損耗嚴(yán)重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的程控工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。

一種程控機(jī)器人，包括：夾持部，用于對(duì)工件進(jìn)行夾持；控制部，用于對(duì)所述夾持部的操作進(jìn)行控制；所述夾持部上設(shè)置抵接部件，所述夾持部夾持工件時(shí)，該抵接部件與工件接觸而發(fā)生與工件形狀一致的變形，并且保持該變形從而能夠夾持工件；其特征在于：還包括區(qū)域劃分部，其將抵接部件劃分為多個(gè)區(qū)域；壓強(qiáng)計(jì)算部，其計(jì)算抵接部件與工件接觸面的壓強(qiáng)；存儲(chǔ)部，其存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)；所述控制部確定夾持部的變更操作，使抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)均勻分布。

優(yōu)選的，所述區(qū)域劃分部，將抵接部件沿縱向平均劃分成多個(gè)區(qū)域。

優(yōu)選的，所述壓強(qiáng)計(jì)算部根據(jù)工件的質(zhì)量m、工件80表面與抵接部件71材料表面之間的靜摩擦系數(shù)，抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域S，確定抵接部件71與工件80接觸面的壓強(qiáng)Pj＝mg/μS；然后，對(duì)于全部或者部分位于受力區(qū)域內(nèi)的抵接部件各個(gè)區(qū)域，確定其所受壓強(qiáng)為Pj。

優(yōu)選的，存儲(chǔ)部在每次工件夾持后，存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σpj。

優(yōu)選的，所述控制部在確定夾持部的變更操作時(shí)，計(jì)算候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部下一次操作的夾持位置。

作為本發(fā)明的另外一個(gè)方面，提供一種程控機(jī)器人控制方法，包括如下步驟：（1）輸入被夾持工件的三維形狀數(shù)據(jù)、重量以及材料數(shù)據(jù)；（2）將抵接部件劃分為多個(gè)區(qū)域；（3）根據(jù)輸入的工件的三維形狀數(shù)據(jù)，確定該工件用于被夾持的夾持面；（4）確定所述工件夾持面的最小接觸面積；（5）確定工件的初始夾持位置的操作；（6）根據(jù)工件夾持位置以及工件的三維形狀，確定程控機(jī)器人的抵接部件的受力區(qū)域；（7）對(duì)于每次夾持操作，計(jì)算并且存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σpj；持續(xù)進(jìn)行步驟（7）直到工件夾持完畢或者抵接部件各個(gè)區(qū)域中累計(jì)壓強(qiáng)最大的區(qū)域與累計(jì)壓強(qiáng)最小的區(qū)域的差值超過閾值；如果工件夾持完畢，結(jié)束本次工件夾持任務(wù)；如果抵接部件各個(gè)區(qū)域中累計(jì)壓強(qiáng)最大的區(qū)域與累計(jì)壓強(qiáng)最小的區(qū)域的差值超過閾值，進(jìn)入步驟（8）；（8）控制部根據(jù)存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)分布以及工件夾持面的最小接觸面積，確定夾持部下一次操作的夾持位置。

優(yōu)選的，所述步驟（5）中，控制部根據(jù)如下方式確定夾持部的初始夾持位置：1）確定工件的夾持面；2）根據(jù)夾持面以及工件形狀，確定夾持面的受力區(qū)域形狀，從而確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；3）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；4）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部的初始夾持位置。

優(yōu)選的，所述步驟（8）中，控制部根據(jù)如下方式確定夾持部的變更操作：1)確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；2）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；3）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部下一次操作的夾持位置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的程控機(jī)器人的示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的抵接區(qū)域劃分圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的工件的側(cè)視圖；其中圖3（a）和3（b）分別是前視圖和后視圖；圖3（c）和3（d）分別是左視圖和右視圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的程控機(jī)器人的控制步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將使用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些實(shí)施例獲取其他的技術(shù)方案，也屬于本發(fā)明的公開范圍。

本發(fā)明實(shí)施例的程控機(jī)器人系統(tǒng)，參見圖1，包括工件數(shù)據(jù)輸入部10，夾持面確定部

20，受力區(qū)域確定部30，最小接觸面積確定部 40，控制部50，存儲(chǔ)部60、夾持部70以及壓強(qiáng)計(jì)算部90。

下面以工字型工件80為例，說明本實(shí)施例中各個(gè)部件的組成以及功能。工件數(shù)據(jù)輸入部10用于輸入被夾持工件的三維形狀、重量以及材料數(shù)據(jù)。可以使用常規(guī)的人機(jī)交互部件例如鍵盤，屏幕、鼠標(biāo)等進(jìn)行輸入，還可以例如將這些數(shù)據(jù)以特定格式存儲(chǔ)于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，通過移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備讀入這些數(shù)據(jù)，或者通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。

夾持部70用于夾持工件，其上設(shè)置抵接部件71。夾持部70在夾持工件80時(shí)，抵接部件71與工件80接觸而發(fā)生與工件80形狀一致的變形，并且保持該變形從而能夠夾持工件。夾持部70和抵接部件71可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)設(shè)置，例如如JP2012152860A技術(shù)方案中所使用的夾持部和抵接部件的設(shè)置。其中，所述抵接部件71為袋裝部件，其內(nèi)部填充顆粒物，在夾持時(shí)通過真空泵對(duì)于抵接部件71進(jìn)行減壓使抵接部件固化，從而與工件的外形一致。

區(qū)域劃分部90，其將抵接部件71劃分為多個(gè)區(qū)域，如圖2所示，可以將抵接部件71沿縱向平均劃分成多個(gè)區(qū)域。

夾持面確定部20，其根據(jù)工件數(shù)據(jù)輸入部10輸入的工件的三維形狀數(shù)據(jù)，確定該工件用于被夾持的夾持面。為了使對(duì)于夾持面在夾持部位變更時(shí)僅可能少的重疊夾持面積，夾持面確定部20對(duì)工件各個(gè)相對(duì)的夾持側(cè)面的單連通區(qū)域進(jìn)行計(jì)數(shù)，選擇單連通區(qū)域個(gè)數(shù)最多的相對(duì)的夾持側(cè)面作為夾持面。例如，對(duì)于圖2中的工字型工件80，其具有相對(duì)的前側(cè)面81和后側(cè)面82，以及相對(duì)的左側(cè)面83和右側(cè)面84；夾持面確定部20確定相對(duì)的前側(cè)面81和后側(cè)面82的單連通區(qū)域分別為1個(gè)，而相對(duì)的左側(cè)面83和右側(cè)面84的單連通區(qū)域分別為2個(gè)。夾持面確定部20確定相對(duì)的左側(cè)面83和右側(cè)面84作為被夾持的夾持面。

受力區(qū)域確定部30，根據(jù)工件80在夾持面的夾持位置以及工件80的三維形狀，確定對(duì)應(yīng)的抵接部件71的受力區(qū)域。具體的，受力區(qū)域確定部30將夾持面與抵接部件71的接觸區(qū)域確定為受力區(qū)域。例如，對(duì)于圖1中的工件80 ，受力區(qū)域確定部30確定夾持面83和84的區(qū)域801，802，803，804作為受力區(qū)域。

最小接觸面積確定部 40，其根據(jù)工件80的重量、工件80表面與抵接部件71材料表面之間的靜摩擦系數(shù)、抵接部件71能夠承受的最大壓強(qiáng)以及預(yù)設(shè)的冗余系數(shù)，確定工件80夾持面的最小接觸面積；其中，最小接觸面積s按照如下方式計(jì)算：s＝mg/εμP，其中m為工件質(zhì)量，g為重力加速度，ε為預(yù)設(shè)的冗余系數(shù)，例如可以設(shè)置為0.6~0.8,μ為工件表面與抵接部件材料表面之間的靜摩擦系數(shù)，P為抵接部件能夠承受的最大壓強(qiáng)。

壓強(qiáng)計(jì)算部90，其用于計(jì)算抵接部件71與工件接觸面的壓強(qiáng)；具體的，壓強(qiáng)計(jì)算部90根據(jù)工件的質(zhì)量m、工件80表面與抵接部件71材料表面之間的靜摩擦系數(shù)，抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域S，確定抵接部件71與工件80接觸面的壓強(qiáng)Pj＝mg/μS。在計(jì)算出壓強(qiáng)pj后，對(duì)于全部或者部分位于受力區(qū)域內(nèi)的抵接部件各個(gè)區(qū)域，確定其所受壓強(qiáng)為Pj。如圖3中，壓強(qiáng)計(jì)算部90確定抵接部件71的702、703、706、707區(qū)域的所受的壓強(qiáng)的Pj。壓強(qiáng)計(jì)算器90在每次夾持結(jié)束后，計(jì)算抵接部件71各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σpj。存儲(chǔ)部60，其存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σpj。

在工件80開始夾持時(shí)，控制部50根據(jù)如下方式確定夾持部70的初始夾持位置：1）通過夾持面確定部20確定工件80的夾持面；（2）根據(jù)夾持面以及工件形狀，確定夾持面的受力區(qū)域形狀，從而確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；2）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；3）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部的初始夾持位置。

對(duì)于每次夾持操作，計(jì)算并且存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σp，直到工件夾持完畢或者存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的最大累計(jì)壓強(qiáng)比最小累計(jì)壓強(qiáng)的差值超過閾值；如果工件夾持完畢，結(jié)束本次工件夾持任務(wù)；如果抵接部件各個(gè)區(qū)域的最大累計(jì)壓強(qiáng)比最小累計(jì)壓強(qiáng)的差值超過閾值，控制部根據(jù)如下方式確定夾持部的變更操作：1)確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；2）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；3）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部下一次操作的夾持位置。

通過本發(fā)明實(shí)施例的上述技術(shù)方案的設(shè)置，使變更后的抵接部件的各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為變更后的夾持區(qū)域，使抵接部件的各個(gè)區(qū)域的受損情況均衡，延長其工作壽命。

本發(fā)明實(shí)施例的程控機(jī)器人系統(tǒng)的控制方法，參見圖4，包括如下步驟：（1）輸入被夾持工件的三維形狀數(shù)據(jù)、重量以及材料數(shù)據(jù)；（2）將抵接部件劃分為多個(gè)區(qū)域；（3）根據(jù)輸入的工件的三維形狀數(shù)據(jù)，確定該工件用于被夾持的夾持面；（4）確定所述工件夾持面的最小接觸面積；（5）確定工件的初始夾持位置的操作；（6）根據(jù)工件夾持位置以及工件的三維形狀，確定程控機(jī)器人的抵接部件的受力區(qū)域；（7）對(duì)于每次夾持操作，計(jì)算并且存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)Σpj；持續(xù)進(jìn)行步驟（7）直到工件夾持完畢或者抵接部件各個(gè)區(qū)域中累計(jì)壓強(qiáng)最大的區(qū)域與累計(jì)壓強(qiáng)最小的區(qū)域的差值超過閾值；如果工件夾持完畢，結(jié)束本次工件夾持任務(wù)；如果抵接部件各個(gè)區(qū)域中累計(jì)壓強(qiáng)最大的區(qū)域與累計(jì)壓強(qiáng)最小的區(qū)域的差值超過閾值，進(jìn)入步驟（8）；（8）控制部根據(jù)存儲(chǔ)抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)分布以及工件夾持面的最小接觸面積，確定夾持部下一次操作的夾持位置。

優(yōu)選的，所述步驟（5）中，控制部根據(jù)如下方式確定夾持部的初始夾持位置：1）確定工件的夾持面；2）根據(jù)夾持面以及工件形狀，確定夾持面的受力區(qū)域形狀，從而確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；3）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；4）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部的初始夾持位置。

優(yōu)選的，所述步驟（8）中，控制部根據(jù)如下方式確定夾持部的變更操作：1)確定受力區(qū)域中的所有單連通區(qū)域；2）選擇所有單連通區(qū)域中面積最小的單連通區(qū)域，確定其縱向最長距離；3）以縱向最長距離為步長，以抵接部件的頂部作為起始部位向下進(jìn)行遍歷，直到抵接部件與工件接觸面的受力區(qū)域小于最小接觸面積結(jié)束遍歷，計(jì)算不同候選區(qū)域包含的抵接部件各個(gè)區(qū)域的累計(jì)壓強(qiáng)的總和，選擇累計(jì)壓強(qiáng)總和最小的候選區(qū)域作為夾持部下一次操作的夾持位置。

本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。

在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述公開內(nèi)容之后，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，在不脫離本發(fā)明原理前提下，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。