CN110549324B - 一种马赛克图像铺贴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及马赛克铺贴设备技术领域，特别是涉及一种马赛克图像铺贴机器人。马赛克图像铺贴机器人包括机座和水平转动装配在机座上的第一机械臂，第一机械臂上水平转动装配有第二机械臂，第二机械臂上还水平转动装配有打印装置，打印装置包括水平转动装配在第二机械臂上的固定座和沿竖直方向活动装配在固定座上的升降座，升降座上装配有打印头。利用机械臂的转动确定打印装置的水平位置，利用升降座移动以确定打印头的竖直位置，利用打印头抓取并释放马赛克颗粒，省略了直线导轨，节省占地空间；同时将机械臂的数量减少为两个，整个机器人仅有三个轴关节自由度，机器人的动作灵活方便，简化了控制器的控制系统，降低了机器人的成本。

Description

一种马赛克图像铺贴机器人

技术领域

本发明涉及马赛克铺贴设备技术领域，特别是涉及一种马赛克图像铺贴机器人。

背景技术

马赛克自动铺贴机的研究开发一直是建陶机械关注的议题，目前铺贴机的主体设计大体可以分为两类：一是基于机械手加吸盘抓取颗粒的，二是基于送料装置加多轨道落料的。第一类铺贴机系统设计复杂，加之机器人或机械手的成本过高，通常需要有六个轴关节自由度，使得控制系统复杂、价格高昂，在国内鲜见成功应用；第二类铺贴机在自控部分的设计相对简单一些，多利用螺旋送料盘送料及轨道或者滑道落料，成本较低。

授权公告号为CN105904900B，授权公告日为2019.03.26的中国发明专利公开了一种多颜色马赛克自动铺贴设备及铺贴方法，该多颜色马赛克自动铺贴设备包括上料系统、正反面识别调整系统、输送系统、铺贴堆栈系统和模盘自动上料系统；上料系统包括振动料盘放置台和振动料盘；正反面识别调整系统包括支架、光源、气嘴、导向带和色标传感器；输送系统包括导向道、滑道、传送道、直振和马赛克输送带；铺贴堆栈系统包括堆栈安装板、光电传感器和堆栈筒；模盘自动上料系统包括模盘放置架、模盘、横向直线导轨和纵向直线导轨。

上述的多颜色马赛克自动铺贴设备控制系统简单，机器成本低、专业性强，先由PLC控制的上料装置实现不同颜色马赛克颗粒排序，再将排序好的马赛克颗粒放入沿X/Y直线轨道移动的模盘内。但是由于模盘需要沿X/Y直线导轨移动，占地空间较大，灵活性不足，导致铺贴难度和成本过高，难以实现大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种马赛克图像铺贴机器人，以解决现有技术中的马赛克铺贴设备占地空间大，灵活性不足，导致铺贴难度和成本过高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种马赛克图像铺贴机器人，包括机座和水平转动装配在所述机座上的第一机械臂，所述第一机械臂上远离所述机座的一端水平转动装配有第二机械臂，所述第二机械臂远离所述第一机械臂的一端还水平转动装配有打印装置，所述打印装置包括水平转动装配在所述第二机械臂上的固定座和沿竖直方向活动装配在所述固定座上的升降座，所述升降座上装配有用于抓取与释放马赛克颗粒的打印头。

优选地，所述打印装置的固定座上还设置有升降电机，所述升降电机与所述升降座之间连接有传动机构以驱动升降座升降。

优选地，所述固定座上设置有沿竖直方向延伸的滑槽，所述升降座导向装配在所述滑槽内，所述传动机构为曲柄滑块机构。

优选地，所述固定座上装配有压槽板，所述压槽板成T型结构，压槽板具有与所述固定座垂直连接的垂直边和布置在垂直边上且平行于固定座的平行边，所述平行边与固定座之间的间隔形成所述滑槽，所述升降座上设置有与所述滑槽配合的滑板。

优选地，所述升降座上螺纹装配有螺杆，所述打印头设置在所述螺杆的底端。

优选地，所述机座上设置有控制器，所述升降电机与所述控制器信号连接。

优选地，所述打印头为吸盘，所述机座上还设置有与所述吸盘连接的气泵，所述气泵与所述控制器信号连接。

优选地，所述气泵为真空泵，所述真空泵与所述吸盘之间连接有电磁阀，所述电磁阀与所述控制器信号连接。

优选地，所述机座上装配有第一电机，所述第一机械臂与所述第一电机传动连接；所述第一机械臂上装配有第二电机，所述第二机械臂与所述第二电机传动连接；所述第二机械臂远离所述第一机械臂的一端装配有第三电机，所述打印装置与所述第三电机传动连接，所述控制器与所述第一电机、第二电机和第三电机分别信号连接以传输电机的转动角度信号。

优选地，所述机座包括底座和设置在所述底座上的立柱，所述第一机械臂转动装配在所述立柱的顶端。

本发明实施例一种马赛克图像铺贴机器人与现有技术相比，其有益效果在于：利用机械臂的转动带动打印装置在平面内移动以确定打印装置的水平位置，利用升降座移动以带动打印头移动从而确定打印头的竖直位置，利用打印头抓取并释放马赛克颗粒，省略了布置模盘移动时需要的直线导轨，节省了机器人的占地空间；同时将机械臂的数量减少为两个，整个机器人仅有三个轴关节自由度，机器人的动作灵活方便，简化了控制器的控制系统，降低了机器人的成本。

附图说明

图1是本发明实施例的一种马赛克图像铺贴机器人的结构示意图；

图2是图1的一种马赛克图像铺贴机器人的打印装置的结构示意图；

图3是图2的打印装置的分解示意图；

图4是图1的一种马赛克图像铺贴机器人的工作流程示意图。

图中，1、机座；11.底座；12、立柱；2、第一电机；3、第二电机；4、第三电机；5、第一机械臂；6、第二机械臂；7、打印装置；71、固定座；72、升降座；73、压槽板；74、滑板；75、固定板；76、螺杆；77、升降电机；8、控制器；9、气泵；91、电磁阀；10、吸盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种马赛克图像铺贴机器人的优选实施例，如图1至图4所示，该马赛克图像铺贴机器人包括机座1、第一电机2、第二电机3、第三电机4、第一机械臂5、第二机械臂6和打印装置7。机座1包括底座11和设置在所述底座11上的立柱12，底座11是该马赛克图像铺贴机器人的支撑部件，底座11为圆形结构，立柱12的底端焊接固定在底座11上且偏心布置，立柱12用于为打印装置7在竖直方向上的移动提供空间。

立柱12的顶部通过螺栓固定连接有第一电机2，第一电机2的输出轴上固定装配有沿水平方向延伸的第一机械臂5，第一机械臂5通过第一电机2转动装配在立柱12的顶端，第一机械臂5在第一电机2的驱动下可以水平转动。

第二电机3固定装配在第一机械臂5上远离机座1的一端，第二电机3的输出轴上固定装配有沿水平方向延伸的第二机械臂6，第二机械臂6通过第二电机3转动装配在立柱12的顶端，第二机械臂6在第二电机3的驱动下可以水平转动。

第二机械臂6远离第一机械臂5的一端装配有第三电机4，打印装置7固定装配在第三电机4的输出轴上，打印装置7通过第三电机4转动装配在第二机械臂6上，打印装置7可水平转动。

打印装置7包括与第三电机4固定的固定座71、沿竖直方向活动装配在所述固定座71上的升降座72和布置在升降座72上的吸盘10，固定座71上设置有升降电机77，升降电机77与升降座72之间连接有传动机构，升降电机77用于驱动升降座72在固定座71上竖直运动。在本实施例中，传动机构为曲柄滑块机构。

固定座71上装配有压槽板73，压槽板73成T型结构，压槽板73具有与固定座71垂直连接的垂直边和布置在垂直边上且平行于固定座71的平行边，平行边与固定座71之间的间隔形成滑槽，升降座72上设置有与滑槽配合的滑板74，升降座72利用滑板74和滑槽滑动装配在固定座71上。升降电机77的输出轴上转动装配有曲柄，曲柄与升降座72之间连接有连杆，连杆的两端分别与曲柄、升降座72铰接，曲柄、连杆以及升降座72形成曲柄滑块机构，升降座72为曲柄滑块机构的滑块。

升降座72包括滑板74和固定在滑板74上的固定板75，滑板74为L形结构，滑板74有两个且对称布置在固定座71的滑槽内。固定板75用于固定安装有打印头，打印头用于抓取与释放马赛克颗粒，在本实施例中，打印头为吸盘10，固定板75上螺纹装配有螺杆76，螺杆76沿竖直方向延伸，吸盘10布置在螺杆76的底部，吸盘10用于吸取或者释放马赛克颗粒。

底座11上装配有气泵9，气泵9和吸盘10之间还连接有电磁阀91，电磁阀91与吸盘10之间通过软管连接。气泵9为真空泵，电磁阀91为三通阀，气泵9布置有与外部空气连通的排气通道，电磁阀91布置有与外部空气连通的进气通道。当电磁阀91断电时，电磁阀91上的排气通道关闭，真空泵从气路中抽取空气从真空泵上的排气通道排出，吸盘10内部的气压低于外部气压，吸盘10开始吸取马赛克颗粒并保持在吸取状态；当电磁阀91通电时，电磁阀91的进气通道打开，空气从进气通道进入管路，吸盘10内的压力与外界相同，吸盘10释放马赛克颗粒。

机座1上还布置有控制器8，第一电机2、第二电机3、第三电机4以及升降电机77均为伺服电机，第一电机2、第二电机3、第三电机4以及升降电机77分别与控制器8信号连接。控制器8与气泵9、电磁阀91信号连接，控制器8可以控制气泵9与电磁阀91的启动与停止，从而控制吸盘10吸取以及释放马赛克颗粒的动作。

控制器8根据上位机器的马赛克图像生成程序产生的马赛克0/1三维矩阵数据和马赛克尺寸，按算法A计算出相应马赛克模盘坐标和颜色坐标矩阵，再通过机器人逆运动学算法B将马赛克坐标矩阵数据解算成三个轴关节角度数据，通过路径规划实现机器人末端位置和姿态满足预定要求，再通过USB串口输出到控制主板，从而向第一电机2、第二电机3和第三电机4传输电机的转动角度信号，第一电机2根据该转动角度信号控制第一机械臂5的转动角度，第二电机3根据该转动角度信号控制第二机械臂6的转动角度，第三电机4根据该转动角度信号控制打印装置7的转动角度，从而控制打印装置7在X/Y平面内的位置。

控制器的逆运动学算法原理为，已知某三维n行、m列、p种颜色马赛克0/1矩阵M(n，m，p)，其中M(i，j，k)表示第i行、第j列、第k种颜色马赛克元素(其中：1表示该位置需要铺贴，0表示该位置无需铺贴)。马赛克尺寸为S，则马赛克模盘坐标矩阵P(x_i,j,k,y_i,j,k)按公式1计算：

假设马赛克颜色坐标沿X轴排列，则坐标矩阵C(x_k,y_k)矩阵按公式2计算：

其中C_k由下式给出：

以上公式中x₀,y₀均表示模盘马赛克坐标和颜色马赛克坐标起点。

算法B为基于机器人D－H参数的逆运动学算法，原理如下，其中三个轴关节是指三个伺服电机的转动装配关系：

已知机体结构设计D－H参数表如下：

连杆序号i	ai-1	αi-1	di	θi	关节变量
						1	0	0	0	0	θ1
2	a1	0	0	0	θ2
						3	a2	0	0	0	θ3

相邻两个轴关节的变换矩阵如下：

由此可得到3个轴关节的变换矩阵如下：

由第1轴关节到第3轴关节的变换矩阵和已知末端姿态矩阵可知：

由上式可导出如下方程：

p_x＝a₁cθ₁+a₂c(θ₁+θ₂)

p_y＝a₁sθ₁+a₂s(θ₁+θ₂)

p_z＝0

c(θ₁+θ₂+θ₃)＝1

已知D－H参数和末端坐标p_x,p_y,p_z，可求得θ₁，θ₂，θ₃。

θ₃＝-(θ₁+θ₂)

以上公式中cθ_i,sθ_i分别表示为cosθ_i,sinθ_i。

综上，本发明实施例提供一种马赛克图像铺贴机器人，其利用机械臂的转动带动打印装置在平面内移动以确定打印装置的位置，利用升降座移动以带动吸盘吸取并释放马赛克颗粒，省略了布置模盘移动时需要的直线导轨，节省了机器人的占地空间；同时将机械臂的数量减少为两个，整个机器人仅有三个轴关节自由度，采用三轴机器人结构大为简化，数据解算和传输效率得到明显提高，相应控制系统更为简单，机器人的动作灵活方便，简化了控制器的控制系统，降低了机器人的成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，包括机座和水平转动装配在所述机座上的第一机械臂，所述第一机械臂上远离所述机座的一端水平转动装配有第二机械臂，所述第二机械臂远离所述第一机械臂的一端还水平转动装配有打印装置，所述打印装置包括水平转动装配在所述第二机械臂上的固定座和沿竖直方向活动装配在所述固定座上的升降座，所述升降座上装配有用于抓取与释放马赛克颗粒的打印头，所述打印装置的固定座上还设置有升降电机，所述升降电机与所述升降座之间连接有传动机构以驱动升降座升降，所述固定座上设置有沿竖直方向延伸的滑槽，所述升降座导向装配在所述滑槽内，所述传动机构为曲柄滑块机构，所述固定座上装配有压槽板，所述压槽板成T型结构，压槽板具有与所述固定座垂直连接的垂直边和布置在垂直边上且平行于固定座的平行边，所述平行边与固定座之间的间隔形成所述滑槽，所述升降座上设置有与所述滑槽配合的滑板，所述机座包括底座和设置在所述底座上的立柱，所述第一机械臂转动装配在所述立柱的顶端。

2.根据权利要求1所述的马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，所述升降座上螺纹装配有螺杆，所述打印头设置在所述螺杆的底端。

3.根据权利要求1所述的马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，所述机座上设置有控制器，所述升降电机与所述控制器信号连接。

4.根据权利要求3所述的马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，所述打印头为吸盘，所述机座上还设置有与所述吸盘连接的气泵，所述气泵与所述控制器信号连接。

5.根据权利要求4所述的马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，所述气泵为真空泵，所述真空泵与所述吸盘之间连接有电磁阀，所述电磁阀与所述控制器信号连接。

6.根据权利要求5所述的马赛克图像铺贴机器人，其特征在于，所述机座上装配有第一电机，所述第一机械臂与所述第一电机传动连接；所述第一机械臂上装配有第二电机，所述第二机械臂与所述第二电机传动连接；所述第二机械臂远离所述第一机械臂的一端装配有第三电机，所述打印装置与所述第三电机传动连接，所述控制器与所述第一电机、第二电机和第三电机分别信号连接以传输电机的转动角度信号。