[发明专利]一种割胶机器人的力反馈控制系统和方法以及割胶机器人

说明书

本发明涉及一种基于六维力传感器的割胶机器人力反馈控制系统和方法以及割胶机器人。力反馈控制系统包括线激光传感器、固定盘、六维力传感器、法兰和上位机；六维力传感器通过法兰与机械臂的第六关节固接，刀具的刀架通过固定盘与六维力传感器连接；线激光传感器垂直固接在固定盘上，位于刀片的割胶方向的前方，用于实时检测刀片与橡胶树的切割面之间的距离；六维力传感器能够检测到笛卡尔坐标系下XYZ三个方向上的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz；本发明根据力传感器得到的接触力信息实时反馈调节刀片的运动，实现了割胶过程中的受力偏差测量与矫正，提高了切割深度和耗皮量的均匀性，有效保证割胶运动的准确性，大大提高了割胶质量。

技术领域

本发明属于割胶机器人控制领域，具体涉及一种基于六维力传感器的割胶机器人力反馈控制系统和方法以及割胶机器人。

背景技术

天然橡胶与钢铁、石油、煤炭并称为四大工业原料，也是其中唯一的可再生资源，被广泛应用到工业、农业和国防等领域，是国计民生和国防战略不可或缺的资源紧缺性战略物资。割胶作业是获取天然橡胶的第一步，机械化割胶不仅可以把人从繁重的体力劳动以及恶劣的工作环境中解放出来，而且能够降低对胶工的技术依赖，极大地提高生产效率。

目前割胶机器人领域的机械臂的应用多为简单的运动位置控制，割胶机器人无法感受到末端的力和力矩的变化，并及时做出反馈处理；在树皮表面出现复杂工况，如结节、凸起等工况时，刀片在行进过程中会发生受力突变，从而导致无法达到理想的轨迹。因此针对割胶机器人在割胶过程中出现的难点，基于六维力传感器，使用机器人力反馈控制技术，优化刀片在橡胶树表面复杂受力情况下的运动控制，降低割胶轨迹误差，使割胶机器人作业具有一定的柔顺性，提高切割深度和耗皮量的均匀性。从而积极推动农业机械化在割胶领域的应用，减轻胶工高强度的劳动压力。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于六维力传感器的割胶机器人的力反馈控制系统和方法以及割胶机器人，实现自动化割胶作业，优化刀片在橡胶树表面复杂受力情况下的运动控制，降低割胶轨迹误差，提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种割胶机器人的力反馈控制系统，割胶机器人包括刀具2、机械臂7、底座8和机械臂控制柜；所述刀具2包括刀架9和刀片10，所述力反馈控制系统包括线激光传感器3、固定盘4、六维力传感器5、法兰6和上位机。

所述六维力传感器5通过法兰6与机械臂7的末端关节固接，所述刀具2的刀架9通过固定盘4与六维力传感器5连接。

所述线激光传感器3垂直固接在固定盘4上，线激光传感器3位于刀片10的割胶方向的前方；线激光传感器3的激光发射方向指向橡胶树1，且线激光传感器3的激光发射端与刀片10的端部齐平，用于实时检测刀片10与橡胶树1的切割面11之间的距离。

所述六维力传感器5能够检测到笛卡尔坐标系下XYZ三个方向上的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz。

所述上位机分别与线激光传感器3、六维力传感器5和机械臂控制柜连接，根据预先获得的橡胶树1的起割点、起割点的橡胶树半径和树干中心线信息，以及线激光传感器3和六维力传感器5的实时检测数据，向机械臂控制柜发出控制指令，控制机械臂7调整刀具2的运动轨迹，从而控制切割深度q和耗皮量p的均匀性。

所述六维力传感器5为套筒结构，包括外板、传感器主体以及内部芯片；外板和传感器主体连接；芯片具有应变检测功能，位于传感器主体内部。

一种包含所述的力反馈控制系统的割胶机器人。所述机械臂7通过底座8安装在移动车体上，机械臂7为六自由度串联机械臂，机械臂控制柜控制机械臂7完成多维运动，实现刀具2在上橡胶树1沿割线12进行高精度割胶作业。

所述刀片10与水平面夹角为30°，与割线12的螺旋升角一致；刀片10与橡胶树1的树干表面垂直。