工业机器人控制方法技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种工业领域的程序控制机器人的控制方
法。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工
作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器；它接受人类的指令
后，将按照设定的程序执行运动路径和作业。
作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备，工业机器人已经成为衡量一个
国家制造业水平和科技水平的重要标志。工业机器人的典型应用包括焊接、喷涂、组装、采
集和放置、包装和码垛、产品检测和测试等。在工业发达国家中，工业机器人及自动化生产
线成套装备己成为高端装备的重要组成部分及未来发展趋势，提高了加工效率与产品的一
致性。
随着我国劳动力成本的逐年增加，老龄化社会的到来，可进行传统加工制造业的
一线工人将保持逐年减少的趋势，同时社会服务的成本将增加，我国对工业机器人及自动
化加工装备的需求将逐步增加。工业机器人作为我国高端装备制造的基础设备之一，是我
国高端制造装备战略性新兴产业的重要组成部分，也是其他战略性新兴产业发展的重要基
础装备。
搬运机器人是工业机器人的一个重要方向，随着技术的发展，以前由人力完成的
零部件或成品的搬运工作已经逐步由搬运机器人代替完成，提高了企业的生产效率。在自
动化生产线上下料作业中，特别是在有毒有害、易燃易爆等恶劣环境内，搬运机器人得到了
广泛的应用。
现有技术中，搬运机器人在针对不同类型的工件进行搬运时，需要更换相应的夹
持部，以适应不同类型的工件。为了解决这个问题，JP2008528408A以及JP特开平9-123082A
分别提出了具有自适应夹持部的搬运机器人，其夹持部在夹持不同形状的工件时，能够自
行改变形状从而适应不同的工件类型。但是，上述发明中夹持部反复对工件进行夹持的情
况下，其与工件的接触位置总是相同，可能导致该特定的部位将受到损伤，从而影响夹持部
的使用。
为了解决上述问题，丰田自动车株式会社在JP2012152860A的发明专利中，提出了
一种改进的夹持部，其通过使夹持部与工件的接触部位在竖直方向上进行变化，从而变更
夹持部位，提高夹持部的使用寿命。但是，该发明还存在如下缺点:(1)其接触部位的变化仅
是以特定长度例如十几毫米在左右方向或者上下方向变化，变化后的接触部位与变化前的
接触部位可能存在很大部分的重合，使用该变化操作可能导致部分区域持续收到工件作
用，影响夹持部的使用寿命；（2）进行夹持位置的变更可能导致工件与夹持部的接触面积减
少，从而使夹持部受力区域的压强增大，导致其产生损害，或者接触面接减少使工件所受摩
擦力减少，而导致无法夹住工件。
发明内容
本发明提出了一种改进的程控工业搬运机器人，能够解决现有技术的上述问题。
作为本发明的一个方面，提供了一种程控机器人，包括：夹持部，用于对工件进行
夹持；控制部，用于对所述夹持部的操作进行控制；所述夹持部上设置抵接部件，所述夹持
部夹持工件时，该抵接部件与工件接触而发生与工件形状一致的变形，并且保持该变形从
而能够夹持工件；工件数据输入部，能够输入被夹持工件的三维形状数据；夹持面确定部，
其根据输入的工件的三维形状数据，确定该工件用于被夹持的夹持面；受力区域确定部，根
据工件夹持位置以及工件的三维形状，确定对应的抵接部件的受力区域；所述控制部根据
受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域以及夹持面确定部确定的夹持面的形状数据，
确定夹持部的变更操作，使变更后抵接部件与工件的接触位置的受力区域与受力区域确定
部确定的抵接部件的受力区域没有重叠面积。
优选的，所述夹持面确定部根据如下方式确定夹持面，对于各个相对的夹持侧面
的单连通区域进行计数，选择单连通区域个数最多的相对的夹持侧面作为夹持面。
优选的，如果所述控制部根据所述根据受力区域确定部确定的抵接部件的受力区
域以及夹持面确定部确定的夹持面的形状数据，无法确定能够使变更后抵接部件与工件的
接触位置的受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域没有重叠面积的操作，
所述控制部确定夹持部的变更操作，使变更后抵接部件与工件的接触位置的受力区域与受
力区域确定部确定的抵接部件的受力区域的重叠面积最小。
优选的，所述工件数据输入部还能够输入被夹持工件的重量以及材料数据；还包
括最小接触面积确定部，其根据所述工件的重量、所述工件表面与抵接部件材料表面之间
的静摩擦系数、所述抵接部件能够承受的最大压强以及预设的冗余系数，确定所述工件夹
持面的最小接触面积；所述控制部在确定夹持部的变更操作时，使变更后抵接部件与工件
的接触位置的受力区域面积大于所述工件夹持面的最小接触面积。
优选的，所述最小接触面积s按照如下方式计算：s＝mg/εμP，其中m为工件质量，g
为重力加速度，ε为预设的冗余系数，μ为工件表面与抵接部件材料表面之间的静摩擦系数，
P为所述抵接部件能够承受的最大压强。
优选的，所述工件为相对两侧对称的工件。
优选的，所述工件为“工”字型工件。
优选的，还包括计数器，所述控制部在确定夹持部的单次操作后，对于该操作进行
计数，当该操作的次数的达到阈值时，所述控制部确定夹持部的变更操作，对夹持部的操作
进行变更。
优选的，所述抵接部件为袋装部件，其内部填充颗粒物。
优选的，在夹持时通过真空泵对于抵接部件进行减压使抵接部件固化，从而与工
件的外形一致。
优选的，所述受力区域确定部将夹持面与抵接部件的接触区域确定为受力区域。
优选的，还包括初始部位确定部，所述初始部位确定夹持部的初始位置，使工件的
顶部与抵接部件的顶部一致。
作为本发明的另外一个方面，提供上述程控机器人的控制方法，包括如下步骤：
（1）输入被夹持工件的三维形状数据、重量以及材料数据；（2）根据输入的工件的三维形状
数据，确定该工件用于被夹持的夹持面；（3）确定所述工件夹持面的最小接触面积；（4）确定
工件的初始夹持位置的操作；（5）根据工件夹持位置以及工件的三维形状，确定程控机器人
的抵接部件的受力区域；（6）计步器对于该操作进行计数；（7）当该操作的次数的达到阈值
时，所述控制部确定夹持部的变更操作，对夹持部的操作进行变更；其中，控制部根据抵接
部件的受力区域、夹持面的形状数据以及最小接触面积，确定夹持部的变更操作，使变更后
抵接部件与工件的接触位置的受力区域与变更前的受力区域没有重叠面积。
优选的，所述步骤（3）中，根据所述工件的重量、所述工件表面与抵接部件材料表
面之间的静摩擦系数、所述抵接部件能够承受的最大压强以及预设的冗余系数，确定所述
工件夹持面的最小接触面积；所述步骤（7）中，控制部在确定夹持部的变更操作时，使变更
后抵接部件与工件的接触位置的受力区域面积大于所述工件夹持面的最小接触面积。
优选的，所述步骤（7）中，控制部根据如下方式确定夹持部的变更操作：1)确定受
力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵
向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，依次判断夹持部向下偏移该步长n倍数时，该操作
是否使变更后抵接部件与工件的接触位置的受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件
的受力区域没有重叠面积；如果n＝N时，该操作是使变更后抵接部件与工件的接触位置的
受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域没有重叠面积，则控制部确定该操
作为夹持部的下一步的变更操作。
可选的，所述步骤3）中，如果n＝m时，该操作使变更后抵接部件与工件的接触位置
的受力区域小于最小接触面积s，则控制部确定n＝m-1时的操作作为下一步的变更操作。
可选的，所述步骤3）中，如果n＝m时，该操作使变更后抵接部件与工件的接触位置
的受力区域小于最小接触面积s，则控制部将n＝1到n＝m-1的操作中，变更后抵接部件与工
件的接触位置的受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域的重叠面积最小
的操作，确定为下一步的变更操作。
附图说明
图1是本发明实施例的程控机器人的示意图。
图2是本发明实施例的工件的侧视图；其中图2（a）和2（b）分别是前视图和后视图；
图2（c）和2（d）分别是左视图和右视图。
图3是本发明实施例的程控机器人的控制步骤流程图。
图4是本发明实施例的控制部确定夹持部的变更操作的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介
绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来
讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于
本发明的公开范围。
本发明实施例的程控机器人系统，参见图1，包括工件数据输入部10，夹持面确定
部
20，受力区域确定部30，最小接触面积确定部 40，控制部50，计数部60以及夹持部70。
下面以工字型工件80为例，说明本实施例中各个部件的组成以及功能。工件数据
输入部10用于输入被夹持工件的三维形状、重量以及材料数据。可以使用常规的人机交互
部件例如键盘，屏幕、鼠标等进行输入，还可以例如将这些数据以特定格式存储于移动存储
设备，通过移动存储设备读入这些数据，或者通过有线或者无线网络传送数据。
夹持部70用于夹持工件，其上设置抵接部件71。夹持部70在夹持工件80时，抵接部
件71与工件80接触而发生与工件80形状一致的变形，并且保持该变形从而能够夹持工件。
夹持部70和抵接部件71可以使用现有技术中已知的技术设置，例如如JP2012152860A技术
方案中所使用的夹持部和抵接部件的设置。其中，所述抵接部件71为袋装部件，其内部填充
颗粒物，在夹持时通过真空泵对于抵接部件71进行减压使抵接部件固化，从而与工件的外
形一致。
夹持面确定部20，其根据工件数据输入部10输入的工件的三维形状数据，确定该
工件用于被夹持的夹持面。为了使对于夹持面在夹持部位变更时仅可能少的重叠夹持面
积，夹持面确定部20对工件各个相对的夹持侧面的单连通区域进行计数，选择单连通区域
个数最多的相对的夹持侧面作为夹持面。例如，对于图2中的工字型工件80，其具有相对的
前侧面81和后侧面82，以及相对的左侧面83和右侧面84；夹持面确定部20确定相对的前侧
面81和后侧面82的单连通区域分别为1个，而相对的左侧面83和右侧面84的单连通区域分
别为2个。夹持面确定部20确定相对的左侧面83和右侧面84作为被夹持的夹持面。
受力区域确定部30，根据工件80在夹持面的夹持位置以及工件80的三维形状，确
定对应的抵接部件71的受力区域。具体的，受力区域确定部30将夹持面与抵接部件71的接
触区域确定为受力区域。例如，对于图1中的工件80 ，受力区域确定部30确定夹持面83和84
的区域801，802，803，804作为受力区域。
最小接触面积确定部 40，其根据工件80的重量、工件80表面与抵接部件71材料表
面之间的静摩擦系数、抵接部件71能够承受的最大压强以及预设的冗余系数，确定工件80
夹持面的最小接触面积；其中，最小接触面积s按照如下方式计算：s＝mg/εμP，其中m为工件
质量，g为重力加速度，ε为预设的冗余系数，例如可以设置为0.6~0.8,μ为工件表面与抵接
部件材料表面之间的静摩擦系数，P为抵接部件能够承受的最大压强。
在进行工件夹持时，通过初始部位确定部确定夹持部的初始位置，使工件80的顶
部与抵接部件71的顶部处于同一水平线。受力区域确定部30确定本次夹持操作的受力区
域。计数部60对于本次夹持操作进行计数，当本次夹持操作的次数的达到阈值时，控制部50
确定夹持部70的变更操作，对夹持部70的操作进行变更。该阈值可以由操作人员设定，例如
可以设置为500～1000次。
具体的，控制部50根据如下方式确定夹持部70的变更操作：1)确定受力区域中的
所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵向最长距离；
3）以纵向最长距离为步长，依次判断夹持部70向下偏移该步长n倍数时，该操作是否使变更
后抵接部件71与工件80的接触位置的受力区域与受力区域确定部30确定的抵接部件71的
受力区域没有重叠面积；如果n＝N时，该操作是使变更后抵接部件71与工件80的接触位置
的受力区域与受力区域确定部30确定的抵接部件71的受力区域没有重叠面积，则控制部50
确定该操作为夹持部70的下一步的变更操作。
通过本发明实施例的上述技术方案的设置，使变更后的抵接部件71接触部位与变
化前的抵接部件接触部位71不存在或者仅存在很少的重合，从而减少重叠的接触区域，降
低抵接部件71的损耗，延长其工作寿命。
本发明实施例的程控机器人系统的控制方法，参见图3，包括如下步骤：（1）通过工
件数据输入部10输入被夹持工件的三维形状数据、重量以及材料数据；（2）夹持面确定部20
根据输入的工件的三维形状数据，确定该工件80用于被夹持的夹持面；（3）通过最小接触面
积确定部 40确定工件80夹持面的最小接触面积；（4）通过初始部位确定部确定工件的初始
夹持位置的操作；（5）受力区域确定部30根据工件夹持位置以及工件的三维形状，确定程控
机器人的抵接部件71的受力区域；（6）计步器60对于该夹持操作进行计数；（7）当该夹持操
作的次数的达到阈值时，控制部50确定夹持部的变更操作，对夹持部的操作进行变更；其
中，控制部50根据抵接部件71的受力区域、夹持面的形状数据以及最小接触面积，确定夹持
部70的变更操作，使变更后抵接部件71与工件80的接触位置的受力区域与变更前的受力区
域没有重叠面积或者使重叠面积最小。
其中，步骤（2）中，夹持面确定部20对工件各个相对的夹持侧面的单连通区域进行
计数，选择单连通区域个数最多的相对的夹持侧面作为夹持面。步骤（3）中，根据工件80的
重量、工件80表面与抵接部件71材料表面之间的静摩擦系数、抵接部件71能够承受的最大
压强以及预设的冗余系数，确定工件夹持面的最小接触面积。步骤（4）中，初始部位确定夹
持部的初始位置，使工件80的顶部与抵接部件71的顶部一致。步骤（5）中，受力区域确定部
30将夹持面与抵接部件71的接触区域确定为受力区域。步骤（7）中，控制部50在确定夹持部
70的变更操作时，使变更后抵接部件71与工件80的接触位置的受力区域面积大于工件夹持
面的最小接触面积。
参见图4，步骤（7）中，控制部50根据如下方式确定夹持部70的变更操作：1)确定受
力区域中的所有单连通区域；2）选择所有单连通区域中面积最小的单连通区域，确定其纵
向最长距离；3）以纵向最长距离为步长，依次判断夹持部向下偏移该步长n倍数时，该操作
是否使变更后抵接部件与工件的接触位置的受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件
的受力区域没有重叠面积；如果n＝N时，该操作是使变更后抵接部件与工件的接触位置的
受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域没有重叠面积，则控制部确定该操
作为夹持部的下一步的变更操作。
可选的，所述步骤3）中，如果n＝m时，该操作使变更后抵接部件与工件的接触位置
的受力区域小于最小接触面积s，则控制部确定n＝m-1时的操作作为下一步的变更操作。
可选的，所述步骤3）中，如果n＝m时，该操作使变更后抵接部件与工件的接触位置
的受力区域小于最小接触面积s，则控制部将n＝1到n＝m-1的操作中，变更后抵接部件与工
件的接触位置的受力区域与受力区域确定部确定的抵接部件的受力区域的重叠面积最小
的操作，确定为下一步的变更操作。
本发明各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相
参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而
言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分
说明即可。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用
作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本发明的保护范围并不
仅局限于上述实施例，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，在不脱离本发明
原理前提下，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。