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视觉拾取机器人说明书

四川现代职业学院

设计说明书

三杆并联四自由度视觉拾取机器人

学院：

四川现代职业学院

队伍名称：

骑兵团队

专业：

数控设备应用与维护

指导教师：

赵波牟世茂

队员：

庹超

刘成文

杨琪

设计说明时间:

二零一三年八月一日～十月一日

摘要

21世纪是一个科技飞速发展的时代，随着时代的大潮，高端装备制造业的发展犹如过江之鲤一样不可阻挡其前进的脚步。

而机器人则在本行业中占据了举足轻重的作用。

机器人呈现飞速发展的趋势，不管是其种类，还是其功能都在不断的丰富和发展。

机器人也从原先的低端行业不断地进入高端行业，甚至进入人们的生活中。

特别是多自由度机器人在高端装备制造业中的应用愈来愈广。

本项目设计一台视觉拾取工业机器人完成了如下工作：

机器人的总体设计与零件结构，借助于UG完成了机器人的建模，而机器人的零件图和装配图则是由AutoCAD来完成。

而机器人的部件装配、运动仿真则是由UG来制作并实现的。

当然，零件的加工程序也是由UG的后处理功能生成的。

三杆四自由度视觉拾取机器人由静平台、动平台、杆、伺服电机等主要部件和辅件通过一定的方式制作而成。

其中，电机传动轴通过法兰的连接方式与机械杆连接并固定。

本项目设计的视觉拾取机器人具有结构简单、维护便捷、运动灵活、高效率、输出力量强、劳动抗疲劳性等优点。

该产品适合于多种行业的应用，特别是医药行业的药品抽检、搬运以及防伪标识的制作等。

关键词：

拾取机器人，并联机构，伺服电机，三杆四自由度

-Ⅰ-

Abstract

The21stcenturyisaneraofrapiddevelopmentofscienceandtechnology,asthetideofTheTimes,thedevelopmentofhigh-endequipmentmanufacturingindustryislikeariverofcarpasunstoppableastheforwardsteps.Whiletherobotoccupiesimportantroleintheindustry.Showedatrendofrapiddevelopmentofrobots,whetherthetype,anditsfunctionisconstantlyenrichedanddeveloped.Robots,oncealow-endindustriesintothehigh-endindustryunceasingly,andevenintothelifeofpeople.Especiallymanydegreesoffreedomrobotapplicationinthehigh-endequipmentmanufacturingindustrybecomesmoreandmorewidely.Thisprojecttodesignavisualpickupindustrialrobottocompletethefollowingwork:

Therobot'soveralldesignandpartsstructure,withtheaidofUGcompletedthemodelingoftherobot,therobot'sdetaildrawingandassemblydrawingisdonebyAutoCAD.Therobotpartsassembly,motionsimulationismadebyUGandimplementation.Machiningprogram,ofcourse,isalsogeneratedbythepost-processingfunctionofUG.

Threevisualpickupfourdegreesoffreedomrobotbystaticplatform,movingplatform,auxiliarypole,servomotorandothermaincomponentsandpartsproducedbyacertainway.Amongthem,themotorshaftthroughtheflangeconnectionmodeandmechanicalleverconnectedandfixed.

Theprojectdesignofvisualpickingrobothassimplestructure,convenientmaintenance,flexiblemovement,highefficiency,strongoutputpower,laborfatigueresistance,etc.Thisproductissuitableforavarietyofindustryapplications,especiallyinthepharmaceuticalindustryofdrugsampling,handling,andtheproductionofanti-counterfeitingmark,etc.

Keywords:

Pickuptherobot,Parallelmechanism,Servomotor,Threepolefourdegreesoffreedom

-Ⅱ-

目录

摘要………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论…………………………………………………1

1.1并联机器人………………………………………………1

1.1.1并联机器人的释意……………………………………………1

1.1.2并联机器人的起源……………………………………………2

1.2并联机器人的应用范围…………………………………3

1.2.1并串联机器人的差异比对……………………………………5

1.2.2并联机器人的分类……………………………………………6

1.3本章小结…………………………………………………6

第二章机器人的总体设计…………………………………7

2.1设计构思与创意来源……………………………………7

2.2机器人的总体设计………………………………………7

2.2.1机器人的整体参数……………………………………………7

2.2.2外形尺寸及工作范围…………………………………………8

2.2.3整体组成部件…………………………………………………8

2.3结构特点与创新…………………………………………9

2.4抓取平台设计…………………………………………11

第三章传动结构和部件参数分析…………………………12

3.1动平台和杆的连接结构…………………………………12

3.2杆与杆之间的连接………………………………………13

-Ⅰ-

3.3杆与静平台的连接………………………………………14

第四章视觉拾取系统简介…………………………………15

4.1PLC控制系统介绍………………………………………15

4.1.1PLC的类型……………………………………………………15

4.1.2PLC的选择……………………………………………………15

4.2视觉系统数据处理分析…………………………………15

4.2.1视觉系统信息收集……………………………………………16

4.2.2视觉系统信息处理……………………………………………16

4.3视觉系统的分布…………………………………………16

第五章总结…………………………………………………17

5.1产品特色…………………………………………………17

5.2设计心得…………………………………………………17

5.3结论…………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………19

致谢……………………………………………………………………20

-Ⅱ-

第一章绪论

1.1并联机器人

1.1.1并联机器人的释意

并联机构（ParallelMechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

用两个手臂或多个人用多条手臂同时推动箱子，这种多个手臂并行工作的概念应用到机构中就产生了并联机构。

与只有一条运动链的串联机构不同，并联机构的基座和末端执行器之间具有两条或者两条以上的运动链。

并联机构的典型结构如图1-1所示。

图1-1并联机构典型结构

并联机构是由多个运动链的一端同时与有多个自由度的终端操作器相连而构成，即是由多个并行链构成的闭环运动系统。

并联机构一般表示为运动平台和固定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，并且以并联方式驱动的一种闭环机构。

如果从机构学的这方面来考虑，并联机构还可以这样定义：

机构若有多个自由度，且在不同的环路上都定义了驱动的并联多环机构[1]。

1.1.2并联机器人的起源

并联机构的出现可以回溯至20世纪30年代。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置（图1-2）；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆（图1-3）；之后，Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置（图1-4）；三年后，Stewart首次对Gough发明的这-1-

种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构（图1-5）。

图1-2并联娱乐装置图1-3Pollard的并联机构

图1-4并联机器人图1-5Gough-Stwart机构

1978年，Hunt首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开并联机器人研究的序幕，但在随后的近10年里，并联机器人研究似乎停滞不前。

直到80年代末90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。

在国内，燕山大学教授黄真教授在1991年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机（图1-6），在1994年研制出一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器。

-2-

图1-6六自由度机器人误差补偿器

1.2并联机器人的应用范围

（1）运动模拟器

图1-7波音737-400飞行模拟器图1-8CAE飞行模拟器

-3-

（2）并联机床

图1-9

图1-10

（3）微操作机器人（图略）

-4-

（4）力传感器

图1-11AMTI多轴力传感器

其他：

军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；微外科手术机器人；大型射电天文望远镜的姿态调整装置；混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。

1.2.1并串联机器人的差异比对

由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：

（1）无累积误差、精度较高；

（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；

（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；

（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；

（5）工作空间较小；

根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

并联机床与传统机床的区别（图形比对）

-5-

图1-12

1.2.2并联机器人的分类

从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构,另可按并联机构的自由度数分类：

（1）2自由度并联机构。

（2）3自由度并联机构。

（3）4自由度并联机构。

（4）5自由度并联机构。

（5）6自由度并联机构。

1.3本章小结

本文主要以四自由度三杆并联机器人为研究对象，研究机器人的结构，功能作用，适用范围，以及如何实现传动等。

采用PLC控制，符合实际生产要求，通过编制机器人的运行程序来让机器人实现相应的操作。

当然，在机器人的工作过程中，也可以检测机器人工作的灵活度，操作的难易程度，从而实现机器人在现实生活中的应用。

随着时代的不断进步，机器人呈现飞速的发展趋势，这也迎合了人们迫切需要解放生产力的需求。

-6-

第二章机器人的总体设计

2.1设计构思与创意来源

本设计起初的设想是在考虑工厂流水线作业时，对于产品的包装和分拣，以及产品的抽查时，如若实行人工作业则会花费大量的时间和人力，当然，也不能够保证产品质量。

所以，我组就想设计一个机器人来替代人工劳作。

这样不仅能够提高效率，节约资源。

同时，它也能保证产品的质量。

因为，机器人抽检不带感情性，随机性更强，故抽检的数据更具有象征性，更能够说明一批次产品的总体质量。

2.2机器人的总体设计

并联机器人主要由静平台、动平台、机械杆、伺服电机、PLC控制器等组成。

静平台主要是起固定和支撑机器人的作用；动平台则是用来安装机械手或者其他拾取类装置的；机械杆件与伺服电机轴连接主要是传递动能；当然，伺服电机则是驱动装置了。

至于，PLC系统则是负责指令的分析和发送。

便于机器人的控制，使其能够完成人们需要其完成的动作。

2.2.1机器人的整体参数

四自由度机器人整体规格如表2-1：

机构名称

视觉拾取机器人

额定电压

380V

控制轴数

4

额定功率

2.5kVA

额定负载

1kg

本体质量

85kg

最大负载

3kg

安装方式

吊顶安装

最大速度

10m/s

结构

并联

最大加速度

50m/s²

驱动方式

AC伺服电机

-7-

2.2.2外形尺寸及工作范围

图2-1总体尺寸

2.2.3整体组成部件

（1）机架

（2）静平台（3）伺服电机（4）法兰

（5）减速器（6）传动轴（7）交叉滚子轴承（8）短管

（9）三通管盖（10）三通管（11）短管盖

（12）球铰（13）长杆（14）动平台

（15）抓取器（16）M16预紧螺母（17）M10螺栓

（18）M10螺母（19）M8内6角螺栓（20）键1

（21）键2（22）键3（23）计算机

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图2-2组成部件

2.3结构特点与创新

（1）小巧的机身

机身小巧，占地面积小，能够在多种环境下工作。

由于其小巧的机身，使得其能够有多种安装方式，可以正装，也可斜装。

同时，这也方便了其运动灵活。

图2-3机身外形

-9-

（2）短管与长杆的配合

本机构连接与传动采用了短管与长杆通过一个装置的球铰连接，有效的将运动传递；并且，这种连接方式能够有效的扩大工作范围。

增加机构灵活度，改善机械性能等。

图2-4短管与长杆

（3）高速低振高效性

机构采用国产伺服电机，有效的降低了生产成本，减轻企业负担。

同时，使用普瑞森交叉滚子轴承、谐波减速器，提高了运转速度，保障了精度，更重要的是降低了工作时候的振动，从而又提高了精度。

（4）高精度的设计要求

无论是伺服电机、交叉滚子轴承、谐波减速器的选取，还是机身、连接装置、传动装置的设计，都是经过大量计算，考虑了多种因素设计而得，这只是为了保证工作的时候能够达到的精度更高。

（5）材料的精挑细选

本机构所用材料均是通过我们的精心挑选，为了能够使机构获得更快速度、更好的强度、更强的力学性能，总结了多种方案，逐一挑选排除，综合选择觉

得铝合金相比之下价格更便宜，刚度相对较好，综合性能不错。

-10-

2.4抓取平台设计

抓取平台采用了一个“人”字形的设计，这样的结构不仅方便球铰的安装和预紧，而且减轻了重量，可以使该机构获得更大的运动速度和载荷。

使该机构能够更加运动灵活，传动更加精确。

结构如下图：

图2-5动平台

-11-

第三章传动结构和部件参数分析

3.1动平台和杆的连接结构

我组设计的这个产品在动平台和杆的连接上采用了球铰连接，这样做的好处有：

（1）可以使动平台更好的运动，增大了运动范围；

（2）杆能随着动平台能够更灵活的转动。

图形如下：

图2-6拾取器

-12-

图2-7拾取器

3.2杆与杆之间的连接

杆与杆之间的连接同样是通过球铰的连接方式连接的，它的作用与杆与动平台之间的连接有着异曲同工之妙。

优点如下：

（1）使得长杆能够随着短管更好的运动，增大了运动范围；

（2）使杆与杆之间的传动更灵活，传动效果更好。

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图形如下：

图2-8球铰连接

3.3杆与静平台的连接

杆与静平台之间通过了一个三通管转换，将电机轴的转动转化为三通管的转动，而短管则固定在三通管的正通位，将运动传出。

优点如下：

（1）便于拆装；

（2）易于故障的检查和处理；

（3）能够更加方便的传递出电机轴的运动。

图形如下：

图2-9三通管

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第四章视觉拾取系统简介

4.1PLC控制系统介绍

所谓的PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

4.1.1PLC的品牌

三菱PLC、施耐德PLC、犹尼康Unitronics（以色列）台达PLC、松下PLC、欧姆龙PLC、富士PLC、西门子PLC、GEPLC、光洋PLC、永宏PLC、LGPLC、顾美PLC、日立PLC、罗克韦尔PLC、德维森PLC、ABB-PLC、A-BPLC、科威PLC、嘉华PLC、信捷PLC、研华PLC、和利时PLC等。

4.1.2PLC的选择

本机构所采用的PLC是大众化的三菱PLC，这样选择一是因为该PLC在国内普遍使用，方便维修和更换；二是可以节约生产成本，便于其大面积推广。

（一）分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对三菱PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

（二）如何确定三菱plc的输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：

按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：

接触器、电池阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与三菱PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

（三）如何选择三菱PLC

三菱PLC的选择包括对三菱PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

4.2视觉系统数据处理分析

-15-

4.2.1视觉系统信息收集

该机构的信息收集采用高清摄像头与电脑直接通过数据线连接，从而能够保证信息传递的时效性。

4.2.2视觉系统信息处理

信息的处理由电脑自动运算并编写程序，即时传给PLC控制系统，便于其实现准确拾取，保证其拾取精度，同时更是确保了产品的质量。

4.3视觉系统的分布

由于要保证信息的准确采集和传输，故我组决定将高清摄像头安装在机构的两旁，这样既不会因为安装在机械手臂上，导致机械手臂负载过重，同时也避免了视觉误区，更是保证了信息准确及时传输。

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第五章总结

5.1产品特色

本设计基于并联机构的特点，在与以前传统机构的比对中发现：

并联机构运动范围大，动作迅速，机构刚度好，能够承载反复的往返运动。

而且，动作无累计误差，精度较高。

可用于流水线作业时的产品分拣，包装，商标的打印，以及产品的抽检等。

特别是在制药行业，三杆并联机器人可以应用于药品的抽检，由于精度高，从而可以保证药品抽检的随机性，大大提高了药品质量的可靠性。

5.2设计心得

通过这次比赛产品的设计，使我们明白了自身的不足和知识的短缺。

整个产品的设计过程其实也是我组成员不断学习和“成长”的过程。

在这个设计过程中，我们不断的在寻找相关的资料，以供参考；同时，我们也在回味和复习以前上课老师教授的相关知识和文献。

不仅能够更加熟练的使用UG、AutoCAD等软件，同时更是好好的复习了一下制图、工差与配合和液压与气压等方面的知识。

当然，我们也不会忘记自身处于信息高速发展的时代，我们在网络上也寻找到大量的资料供我们使用。

我们小组在这八周的时光中，通过在自身不断努力，同时也四处引经据典，终于完成了本产品的设计。

他就如同我们的孩子一样，我们看着他在我们“养育”下不断的长大，不断的变完美。

我们像慈父一样，渴望着“孩子”走向成功，为社会做贡献。

5.3结论

本次设计的三杆四自由度视觉拾取机器人，其设计理念是为了节约人力，解放劳动力，提高工作效率。

同时，也提高了产品的受检率。

通过本次设计所做的工作，我们得到了如下结论：

（1）本设计电动三杆四自由度机器人，相对于专用机器人来说，多用机器人的适用范围更广；

（2）机器人采用电作为能源，能够最大限度的减少对环境的污染，从而达到环保的效果；

（3）该机器人的动平台为多用平台，既可以直接安装机械手臂，又可以安装电机提供动力，增大机器人的功率；同时，也增大了该机器人的应用范围；

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（4）机器人采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。

可以根据机器人的动作顺序修改程序，使机器人的通用性更强。

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参考文献

【1】武振华3-RPR四自由度并联机构的性能研究：

【硕士学位论文】中北大学，2013年

【2】武振华3-RPR四自由度并联机构的性能研究：

【硕士学位论文】中北大学，2013年

【3】刘力主编机械制图：

普通高等教育“十一五”国家级规划教材

【4】郭萍主编数控加工编程与操作：

高职高专“十一五”规划教材·机械电子类

【5】候会喜主编液压传动与气动技术：

高职高专“十一五”规划教材·机械电子类

【6】马华琦主编公差配合与测量简明教材：

高职高专“十二五”规划教材·机械电子类

【7】彭宝成主编新编机械工程材料：

高职高专“十一五”规划教材·机械类

【8】陈立德主编机械设计基础（第三版）