2機械手實物對象參賽方案書

1、第四屆臺達(dá)杯高校自動化設(shè)計大賽DELTA III 參賽方案書廈門大學(xué)機械獵人隊參賽編號：delta2017152隊員：王玥 金廣垠 張巖指導(dǎo)教師：李繼芳目錄1 任務(wù)分析41.1 項目背景和意義41.2 系統(tǒng)需求分析51.3 系統(tǒng)主要任務(wù)和應(yīng)用簡介61.3.1 DELTA III 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)61.3.2 DELTA III 具體應(yīng)用任務(wù)7二、系統(tǒng)方案設(shè)計82.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡介92.2 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)方案設(shè)計113 運動學(xué)分析133.1 坐標(biāo)系的建立133.2 位置反解分析143.3 位置正解分析153.4軟件工作空間分析163.4.1 機械手運動學(xué)正解代碼（基于主動臂正常工作情況下的角度

2、）163.4.2 機械手工作空間.17四、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計174.1 Delta III 外觀184.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計184.3 其他零件表21五、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計225.1 選型225.2 選型.225.3 選型電氣圖紙設(shè)計245.3.1 系統(tǒng)進(jìn)電總框圖245.4.2 信號圖245.4.3 布局圖245.4 參數(shù)配置表24六、程序設(shè)計266.1 程序流圖266.1.1 運動平臺的速度和位置6.1.2 運動平臺的實施抓取的.26.276.1.3 相機和圖像處理程序流程圖276.2 程序界面設(shè)計296.2.1 程序操作流程圖296.2.2 界面結(jié)構(gòu)圖296.2.3 界面設(shè)計306.3.MODBUS 通信

3、程序336.4 底層運動程序設(shè)計366.4.1 I/O 分配表366.4.2 底層運動程序說明36七、附錄4727.1 機械圖紙477.2 電氣圖紙5231 任務(wù)分析1.1 項目背景和意義本項目 DELTA III 在原有三自由度 DELTA PLUS 基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)四自由度DELTA 機械手，并基于視覺完成分揀、堆疊物塊、排列物塊任務(wù)，涉及到的背景包括 DELTA 機械手以及視覺，下面分別從這兩個方面分別簡單介紹其背景。DELTA III 中的 DELTA 機械手是一種并聯(lián)人，同時 DELTA III 含有視覺識別能力，屬于第三代智能人。并聯(lián)人是一類全新的人，它具有剛度大、承載能力強、精度

4、高、自重負(fù)荷比小、動力性能好等一系列優(yōu)點，Delta并聯(lián)人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機構(gòu)，Delta 機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，驅(qū)動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有良好的運動學(xué)和動力學(xué)特性。目前 Delta 并聯(lián)機械手已被公認(rèn)為速度最快的人之一，是高速搬運輕質(zhì)物料的理想工具。由于 Delta 并聯(lián)人采用閉環(huán)機構(gòu)，其末端件上的動平臺同時由 4 根驅(qū)動桿支撐，與串聯(lián)人的懸臂梁相比，其承載能力高、剛度大，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以 Delta 并聯(lián)人在電子、輕工、食品與等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。Delta手屬于高速、輕載的并聯(lián)手，一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標(biāo)物體，由四個并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心

5、（TCP）的空間位置，實現(xiàn)目標(biāo)物體的，等操作。Delta手主要應(yīng)用于食品、藥品和電子等、裝配。Delta手以其重量輕、體積小、運動速度快、精確、成本低、效率高等特點，正在市場上被廣泛應(yīng)用。21 世紀(jì)以來，Delta 系列人更呈現(xiàn)出高速、高精度、靈活性等發(fā)展方向近幾年來，工業(yè)需求刺激與專利保護(hù)解限、柔體動力學(xué)的發(fā)展與輕量化結(jié)構(gòu)應(yīng)用、虛擬平臺與多領(lǐng)域新技術(shù)等使得 Delta 系列人更加成為研究熱點Delta 系列機構(gòu)人的綜合設(shè)計與優(yōu)化為近年來研究熱點與重點，受到了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，主要從運動學(xué)尺度綜合、動力學(xué)尺度綜合、彈性動力學(xué)優(yōu)化、精度標(biāo)定等層面展開。我們在設(shè)計 DELTA III 時著重考

6、慮了它的工作空間，它的誤差估計和精度估計，以及它的速度等問題，并獲得了一定的結(jié)果，用于解決我們遇到的問題。4計算機視覺是利用計算機實現(xiàn)人的視覺功能對客觀世界三維場景的感知、識別和理解。視覺主要利用計算機來模擬人或再現(xiàn)與人類視覺有關(guān)的某些智能行為, 從客觀事物的圖像中提取信息進(jìn)行處理,并加以理解,最終用于實際檢測和.主要應(yīng)用于如工業(yè)檢測 、工業(yè)探傷 、精密測控 、自動生產(chǎn)線、郵政自動化 、糧食選優(yōu)、顯微醫(yī)學(xué)操作以及各種場合工作的人等 .機器視覺是在 20 世紀(jì) 50 年代從統(tǒng)計模式識別開始，當(dāng)時的工作主要集中在二維圖像分析、識別和理解上。從 20 世紀(jì) 70 年代才真正開始發(fā)展，并涌現(xiàn)出了主動視

7、覺理論框架、基于感知特征群島物體識別理論框架等新的概念、方法及理論。Marr 視覺計算機理論是視覺研究迄今較為完善的理論，其使視覺研究有了一個較為明確的體系?？梢哉f視覺技術(shù)是整個 DELTA III 的技術(shù)特色，視覺技術(shù)提供了對任務(wù)中的擬工業(yè)場景的測量結(jié)果和對操作目標(biāo)的預(yù)判，是后續(xù)操作機械手的前提，當(dāng)然整個過程中機械手的操作和視覺技術(shù)的結(jié)合無處不在。我們的 DELTA III 是順應(yīng)工業(yè)發(fā)展的趨勢而提出的，我們基于并聯(lián)人中的 DELTA 機械手，通過加入視覺識別單元極大的提高了其自身的智能化自動化程度，實現(xiàn)多種功能，可用于各種高速輕載的電子化工工業(yè)場合，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本。1.2 系統(tǒng)

8、需求分析本項目的 DELTA III 相較于 DELTA PLUS 機械手增加了的基本功能，使用了 ASDA-MS 系列器使開發(fā)更為方便。同時我們增加了視覺識別系統(tǒng)，即具有了圖像處理功能，使用視覺來進(jìn)量和獲取數(shù)據(jù)量，能夠獲取的信息和更精確的測量，相較于一般的傳感器有更強大的功能。我們設(shè)計的分揀任務(wù)可用于包裝盒的分揀；堆疊功能可以用于物體的拼裝組合；而排列功能可以用于物體包裝的前期工作，最常見的可以用于食品生產(chǎn)線比如盒裝餅干以及其他有外包裝的食品的分揀等。適用面廣，實用性強，有強大的市場需求。我們設(shè)計的印制標(biāo)識任務(wù)可用在商標(biāo)等在上的印制。DELTA III 還可用于如嬰兒紙尿布的生產(chǎn)的多層材料的

9、連接上，功能的擴展性極強。據(jù)總部設(shè)在德國的國際人會報告，中國是全球發(fā)展最快的工業(yè)人市場。從 2005 年到 2012 年，中國內(nèi)地人銷售量平均每年增加 25%，20125年已達(dá)到 2.7 萬個。該會中國工業(yè)人的市場需求會在 2014 年開始爆發(fā)，到 2016 年中國將成為最大的市場。2010-2014 年，受到下游、食品等行業(yè)規(guī)模較快增長，自動化水平逐步提高，工業(yè)人需求量較快增長的影響，中國工業(yè)人需求量出現(xiàn)高速增長，2014 年工業(yè)人需求量達(dá)到約 6.14 萬臺，同比增長約為 30.3%。國內(nèi)工業(yè)自動化和智能化水平和要求正在不斷提高，特別是在汽車、電子、食品、化工、制藥等行業(yè)，對人的需求不斷增

10、長，特別是對有一定智能的有視覺識別功能的人，需求越來越大，DELTA III 作為一種擁有視覺識別功能的高速輕載的 DELTA 機械手，必定在這些行業(yè)中有強大的需求。且國內(nèi)的機器人發(fā)展剛剛起步，所以本項目的 DELTA III 的還是有一定的競爭力的，因為國內(nèi)沒有強大的用于高速輕載的含視覺識別的人的生產(chǎn)廠家，而國外的廠商還沒有占領(lǐng)市場，所以需求還是很大的。1.3 系統(tǒng)主要任務(wù)和應(yīng)用簡介1.3.1 DELTA III 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)1.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)主要包括主動臂、從動臂、主從臂連接件、動平臺，萬向伸縮桿等機械零部件的設(shè)計以及，其中最主要的是主動臂從動臂的長度和比例，因為它們直接決定了工作空間的

11、大小。還有主從臂連接件也很重要，因為機械臂的剛度和穩(wěn)定性及振動等性質(zhì)和連接緊密牢固與否密切相關(guān)。動平臺的設(shè)計則要考慮真空吸盤的放置，旋轉(zhuǎn)體與伸縮桿的連接，而且動平臺要設(shè)計成內(nèi)外環(huán)分立的結(jié)構(gòu)，真空吸盤放置在內(nèi)環(huán)，伺服電機通過萬向伸縮桿傳遞扭矩，驅(qū)動內(nèi)環(huán)的角度調(diào)整，從而實現(xiàn)吸盤與工件的對準(zhǔn)，外環(huán)與從動臂連接，要在外環(huán)上設(shè)計連接結(jié)構(gòu)保證連接剛度和穩(wěn)定性。整個機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計是 DELTA 中最基本、最重要的部分之一,對電氣結(jié)構(gòu)和程序有相當(dāng)大的影響。2.電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)由于是對原來已有的 DELTA 機械手進(jìn)行全新的改造，其中原有的伺服電機、等電氣元件、視覺識別系統(tǒng)（相機、鏡頭、光源等）仍然保留，換用了

12、 ASDA-MS系列驅(qū)動一體機和傳送帶、三相電機等新的電氣元件，所以要重新設(shè)計電氣元件的布局和接線和電控部分的邏輯結(jié)構(gòu)，如何把新的器件和原有的器件的信號傳輸及電路連接也是一個重要任務(wù)。正確的完成各類電氣圖紙是進(jìn)行實物連接的6保證和前提。3.程序設(shè)計任務(wù)程序設(shè)計又分為以下三點：（1）運動平臺的位置和速度：DELTA 機械手是通過運動平臺的在空間直角坐標(biāo)系的平移運動來實現(xiàn)特定的動作的，因此運動平臺的位置和速度控制是一個最基本的要求，通過上位機運動軸卡伺服驅(qū)動器伺服電機這樣的雙向信息流最終使器輸出一個特定的轉(zhuǎn)動角度使主動臂擺動，帶動從動臂擺動，從而運動平臺的平動。（2）運動平臺的實施抓取的：視覺識別

13、系統(tǒng)獲取在傳送帶上恒定速度運動的工件的圖像進(jìn)行識別并抓取后，根據(jù)識別系統(tǒng)傳回來的識別結(jié)果計算工件與目標(biāo)區(qū)域的位置和角度差，將得到的圖像坐標(biāo)經(jīng)由手眼標(biāo)定得到的轉(zhuǎn)化關(guān)系轉(zhuǎn)化成機械手的坐標(biāo)，使機械手沿一定的軌跡前往工件所在坐標(biāo)，離到達(dá)工件坐標(biāo)一定距離前打開吸盤，在到達(dá)工件所在目標(biāo)并吸取工件后，上位機通過 RS485指令給 PLC，PLC 再指令使步進(jìn)電機帶動真空吸盤旋轉(zhuǎn)由圖像處理得到的角度差值，到達(dá)點后，吸盤關(guān)閉工件，等待一定時間后，吸盤回到之前未轉(zhuǎn)動的位置，等待下一次的抓取。（3）相機和圖像處理程序相機是整個 DELTA PLUS 獲取信息的窗口，相機的是程序?qū)崿F(xiàn)對硬件的第一步。圖像處理是實現(xiàn) D

14、ELTA PLUS 功能的基礎(chǔ)，所有的功能都要進(jìn)行圖像、圖像處理以及圖像測量。良好的圖像處理流程及方法和參數(shù)設(shè)置決定了功能實現(xiàn)的好壞，因此圖像處理是整個程序的關(guān)鍵。這三個方面的都要通過上位機的程序進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，三者是緊密的，的。三者都要求很高的精度才能完成高精度的動作要求。機械、電氣、程序三個方面的設(shè)計是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的，三個方面都互相影響，三個方面都做好才能保證最終效果。1.3.2 DELTA III 具體應(yīng)用任務(wù)1. 分揀包裝包裝盒的外形可如下圖 1.1 所示，傳送帶上可同時傳送兩種以上不同的工件，然后通過識別其形狀大小或其他特征將不同的工件放入對應(yīng)的包裝盒中，充分利用傳送帶的能力。7圖 1.1

15、 工件包裝盒工件在傳送帶上的擺放方位隨機，而包裝盒的擺放位置固定，在檢測工件方位之前，先確定包裝盒的方位，根據(jù)包裝盒的方位，以其為基準(zhǔn)，在檢測到工件之后，傳送帶暫時停止，機械手在傳送帶上快速到達(dá)工件的位置并抓取工件，傳送帶繼續(xù)運械手抓取工件之后移動到容器所在區(qū)域，邊移動邊轉(zhuǎn)動真空吸盤，調(diào)整工件的方位，使其與包裝盒方位相吻合，在包裝盒上方將真空吸盤關(guān)閉，將工件放入包裝盒之中。2. 物塊堆疊任務(wù)機械手啟動后根據(jù)鏡頭預(yù)判出的物塊位置信息先抓取物塊，在傳送帶運行的同時將物塊 2 堆疊在物塊 1 上，在運行到物塊 3 上方，將其吸取并在此堆疊在物塊 1 上。工件在傳送帶上的擺放方位隨機，在開始抓取之前，

16、先拍攝圖像獲取物塊的角度和位置坐標(biāo)，根據(jù)物塊 1 的角度和坐標(biāo)，以其為基準(zhǔn)，快速移械手使其到達(dá)物塊 1 所在位置，并同時旋轉(zhuǎn)動平臺，將手爪上的物塊旋轉(zhuǎn)到合適的角度，機械手移動到工件正上方 2-3mm 執(zhí)行放下物塊操作。3. 物塊排列任務(wù)機械手啟動之后根據(jù)視覺傳輸?shù)奈飰K 1 的角度計算物塊 2 和物塊 3 應(yīng)當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角度，先抓取物塊 2，中間軸對其旋轉(zhuǎn)一定角度的同時機械手臂跟隨物塊到達(dá)相對傳送帶的原位置上方并將物塊放下使得原本隨機排序的物塊經(jīng)機械手排列變成平行排列。二、系統(tǒng)方案設(shè)計82.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡介上一屆參賽的 DELTA 機械手主要包括這幾個部分：1.上位機及其中的程序2.柜中的空氣開

17、關(guān)，接觸器及按鈕和 PLC器等電氣元件3.運動軸卡、伺服驅(qū)動器、伺服電機及機和機械臂單元4.包含步進(jìn)電機和真空吸盤的動平臺單元5.視覺識別及處理單元6.伺服電機、伺服電機及傳送帶單元上圖圖 2.1 上一屆參賽的 DELTA 機械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖而我們的 DELTA PLUS 由以下幾個部分組成：.上位機及其中的程序.柜中的空氣開關(guān)，接觸器及按鈕等電氣元件. 驅(qū)動一體機、伺服電機及機和機械臂單元.連接在第四軸的伺服電機和真空吸盤的動平臺單元.視覺識別及處理單元96.三相電機、三相電頻器及傳送帶單元DELTA III 的程序功能更加靈活和復(fù)雜，同時我們的機械臂是部分重新設(shè)計的，因為原本 DELTA P

18、LUS 機械手結(jié)構(gòu)的剛度、強度和穩(wěn)定性都有待提升，經(jīng)過我們的重新設(shè)計以后，極大的提高了機械手的剛度和強度。EthernetPCIModbus TCP協(xié)議CN1、CN2CN3CN2編碼器卡；工業(yè)相機；PC；ASD-MS-0721-F；電子手輪；變頻器；伺服電機；機；三相電機；圖 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖下面從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖來介紹整個系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖的左下部分是機械結(jié)構(gòu)圖，右及右上部分是電氣結(jié)構(gòu)圖。我們根據(jù)之前機械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、改進(jìn)，再與現(xiàn)有的進(jìn)行對比之后進(jìn)行了機械結(jié)構(gòu)的理論計算和初步設(shè)計，并用 Solidworks 軟件繪制了機械手3D 圖。整個機械結(jié)構(gòu)包括與機相連的主動臂、墊塊、從動臂

19、、關(guān)節(jié)軸承、緊固塊、動平臺、萬向伸縮桿，拉簧等，還包括傳送帶及其電機，相機、光源支架，以及鋁型材框架。主動臂是通過法蘭連接器輸出，并通過關(guān)節(jié)軸承帶動從動臂，從動臂通過關(guān)節(jié)軸承帶動動平臺，從動臂頭尾兩端都有拉簧來保持從動10臂兩根碳的平行性，主動臂和從動臂及其連接帶動動平臺平移運動，動平臺旋轉(zhuǎn)體通過萬向伸縮桿連接位于靜平臺中心的伺服電機，旋轉(zhuǎn)體連接真空吸盤進(jìn)行抓取等操作。對比之前參賽的 DELTA III 機械手的結(jié)構(gòu)，伺服電機直接旋轉(zhuǎn)體和吸嘴運動，增強了穩(wěn)定性和承載能力，簡化了編程主從動臂連接件改變了裝配方式，改變了以往套筒式連接，這次使用螺釘。夾緊式連接使得裝配方便精確。電氣分為三塊，首先是

20、相機的，上位機直接通過千兆網(wǎng)卡相機。其次是機械手的，上位機程序命令到驅(qū)動器調(diào)用某一段寫好的DRAS 程序或者改變某一部分內(nèi)存代表的參數(shù)或者自設(shè)的變量，驅(qū)動器內(nèi)部運行程序來電機以不同的參數(shù)運行，伺服電機帶動機，機帶械手實現(xiàn)運動。同時通過驅(qū)動器上的編碼器信號接口和 DI/DO 接口連接手輪，使器接受手輪信號來機械臂的運動。最后是通過變頻器三相電機來傳送帶的運動速度大小和啟動停止。2.2 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)方案設(shè)計DELTA III 主要由以下幾個單元組成：1.機械手單元2.視覺識別單元3.傳送帶單元4.程序（1）機械手單元包括驅(qū)動一體機、四臺伺服電機、三臺機，手輪以及機械手的整個機械結(jié)構(gòu)。驅(qū)動器通過

21、千兆網(wǎng)卡連接至 PC 端，通過modbusTCP 協(xié)議與主機進(jìn)行通訊。四臺 200W 的 ECMA 伺服電機與驅(qū)動器連接，伺服電機通過編碼反饋給驅(qū)動器，三臺機械臂的伺服電機與法蘭式機連接，三臺機與相應(yīng)機械手臂相連接。這樣，程序通過驅(qū)動器控制機械臂完成指定的動作。機械手的動平臺上裝載伺服電機，伺服電機帶動中間軸的運行。動平臺跟隨機械手的主從臂及中間軸進(jìn)行平移運動，真空吸盤安裝在動平臺上。前面是通過程序輸入（即選擇功能或程序上的機械手操作按鈕）機械手的運動，手柄也能機械手，手柄通過輸出脈沖給驅(qū)動器上的編碼11器接口，在經(jīng)過 modbus TCP 協(xié)議通過網(wǎng)卡將信號上傳上位機，再通過前面所說的程序途

22、徑機械手運動。（2）視覺識別單元包括相機、千兆網(wǎng)卡以及相應(yīng)的光源，選擇千兆網(wǎng)卡的是上位機是比較老的機型，只有百兆的網(wǎng)卡，沒有千兆的網(wǎng)卡，而相機獲取的圖像數(shù)據(jù)量比較大，只有用千兆網(wǎng)卡來傳輸數(shù)據(jù)才不至于丟幀，在圖像方面才比較有效和穩(wěn)定。光源調(diào)整現(xiàn)場的亮度以保證到清晰的能順利進(jìn)行圖像處理的圖像。上位機程序直接通過千兆網(wǎng)卡相機進(jìn)行圖像，到的圖像通過千兆網(wǎng)卡傳回上位機程序進(jìn)行圖像處理，經(jīng)過圖像處理獲得有效的輸出參數(shù)已進(jìn)行下一步的操作。（4）傳送帶單元包括變頻器、三相電機。傳送帶由三相電機帶動。（5）在程序上，整個程序的是運動及通訊部分。通過圖像處理得到物塊的點位坐標(biāo)，通過通訊程序傳入器內(nèi)存供運動程序調(diào)用

23、使機械手運行至相應(yīng)位置。運動部分通過編碼器讀入傳送帶及機械手的速度來計算機械手應(yīng)該追趕的距離。通訊部分采用的是 modbus TCP 協(xié)議，可以傳入視覺識別的點位以及在每個 C#界面的按鈕的中寫入需要傳送的功能碼，可以進(jìn)行“伺服啟動”、“手臂寸動”、或者通過選擇程序編號來選擇功能等。編寫C#軟件程序的目的是為了提升用戶體驗，方便機械手的使用。除了這幾個單元之外，還有柜上的啟動、停止、急停按鈕，用以電路的通斷情況。123 運動學(xué)分析3.1 坐標(biāo)系的建立圖 3.1 機構(gòu)模型圖圖 3.2 機構(gòu)簡化圖首先，是對機械手的運動學(xué)分析。人的運動學(xué)分析是當(dāng)已知人的主動件位置時,求解其末端構(gòu)件的位姿稱作位置正解

24、?；蚋鶕?jù)人的末端構(gòu)件的位姿求解其主動件位置稱為位置反解。在并聯(lián)人位置分析中,由于其結(jié)構(gòu)特點,位置反解比正解容易的多,研究一種簡單、快速的位置反解方法對于并聯(lián)人的具有實際意義。并聯(lián)人位置正解分析的方法主要分為法和數(shù)值法法的方法一般是從機構(gòu)的運動學(xué)方程出發(fā),經(jīng)過一系列消元運算,使得機構(gòu)的輸入輸出方程稱為只含有一個未知數(shù)的高次方程,這時就可以說得到封閉解。若得到的一元方程的次數(shù)不大于,解方程則不需要額外的迭代數(shù)值方法,此時正解計算速度和精度可以大大提高。這種方法的優(yōu)點是能求出所有可能的解,可消元過程一般都非常繁瑣,而且求解一元高次方程對計算精度要求非常高。數(shù)值法是可以應(yīng)用于任何結(jié)構(gòu),計算較為簡單。因

25、此，我們應(yīng)用數(shù)學(xué)知識分析，并用軟件進(jìn)行，解決了運動學(xué)問題。為了方便求解三自由度平臺的空間位置關(guān)系,研究平臺的運動規(guī)律,首先將機構(gòu)稍加改造,將三組平行四邊形閉環(huán)上下兩邊中點之間加入三根虛擬連桿,如圖 3.1 所示?？紤]到運動平臺只有平動沒有轉(zhuǎn)動,相對于固定平臺姿態(tài)固定,機構(gòu)中所有分支中的平行四邊形框架始終為平面四邊形,而扭曲為空間四邊形。在此條件下,平行四邊形左右兩邊的運動與上下兩邊中點連線的運動完全相同。因此,在進(jìn)行運動分析時,將機構(gòu)簡化為圖 3.2 所示。接著建立動、靜兩個坐標(biāo)系,標(biāo)系 O-XYZ 原點 O 位于上平臺(固定平臺)13的幾何中心。動平臺上建立動坐標(biāo)系 O-XYZ, O為動平臺

26、的幾何中心,其中Z 軸和Z軸分別垂直于靜平臺和動平臺,OX 軸和OX軸分別垂直于B1B3 和P1P3。三根主動桿為圖中的 BiEi,長度均為 L1,從動桿為圖中 EiPi,長度均為 L2。123 為主動臂與垂直方向的張角。3.2 位置反解分析機械手通過三對主、從動臂將上下平臺連接起來,主動臂在電機的驅(qū)動下完成一定角度的反復(fù)擺動,再通過平行四邊形閉環(huán)和轉(zhuǎn)動副使動平臺作平移運動。對于該機構(gòu),求解位置反解即給定運動平臺的中心點在標(biāo)系中的坐標(biāo),求解靜平臺的三個電機的旋轉(zhuǎn)角度,也就是三個主動臂對固定平臺的張角。運動學(xué)逆問題的求解是人的關(guān)鍵,因為只有使各關(guān)節(jié)變量按反解中求得的值運動,才能使末端操作器達(dá)到所

27、要求的位姿。位置反解的具體分析如下:圖 3.3 機械手坐標(biāo)系如圖 3.3 所示,動平臺己知|OBi|=R，|OPi|=r，則點 Bi 在標(biāo)系 O-XYZ中的位置矢量為:同理可得：P 在 O-XYZ坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，得出 Ei 在 O-XYZ 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：假設(shè) OO在 O-XYZ 坐標(biāo)系下表示為，那么 Pi 在 O-XYZ 坐標(biāo)系下就可寫為14(R + L1sinqi) coshi (R + L1sinqi) sinh 4i - 3Ei-O= i ，其中i=p ,i=(1,2,3) （3-3）-L1cosqi 6R coshi R sinh 4i - 3Bi-o= i ，其

28、中i=p ,i=(1,2,3)（3-1）06再根據(jù) PiEi=L2，根據(jù)坐標(biāo)系中兩點距離公式可得方程：將 = 4i - 3p,i=(1,2,3)代入式 3-5 方程得：i6將式 3-6，式 3-7，式 3-8 整理化簡可得：（3-9）（3-10）其中：主動臂 1 參數(shù)：主動臂 2 參數(shù)：主動臂 3 參數(shù)：=+zV-z解式 3-9，式 3-10 方程可得：式 3-11 的解即為所要求的三個主動臂與豎直方向的夾角123。3.3 位置正解分析對于 DELTA 機構(gòu)的位置正解，即為已知三個主動臂與豎直方向的夾角，求動15=2arctan(ti)（3-12）-Ui Ui2 - 4KiViti=（正負(fù)號由

29、角范圍決定）,其中 i=1,2,3 （3-11）2Ki3=U3=-2(R-r+y)K3V2=-2zU2=-22(R-r)+x-yK2=+2zV1=-2zU1=-22(R-r)-x-yK1=+2zti=tan(i)2Kiti +Uiti+Vi=0X2+ (R+L sin -r)-y2+( L cos +z)=L 2（3-8）131322222-(R+L1sin2-r)-x +(R+L1sin2-r)-y +( L1cos2+z) = L2（3-7）2222(R+L1sin1-r)-x +(R+L1sin1-r)-y +( L1cos1+z) = L2（3-6）2222(R+L1sini-r)i-

30、x +(R+L1sini-r)i-y +(-L1cosi-z) =L2（3-5）r coshi + xP = r sinhi + y ，其中 = 4i - 3p ,i=(1,2,3)（3-4）i-O i6 z平臺坐標(biāo)的問題，對于動平臺坐標(biāo)（x,y,z）與三個主動臂與靜平臺夾角123 有式 3-6，式 3-7，式 3-8 這樣 3 個關(guān)系式：上式為一個 3 元非線性方程組，對于求解類似的方程組，我們需要用到進(jìn)行求解，求解此方程的解 x，y，z 即為動平臺所在位置。3.4軟件工作空間分析3.4.1 機械手運動學(xué)正解代碼（基于主動臂正常工作情況下的角度）/以下為clear; syms x y z;

31、La=0.21; Lb=0.55; R=0.14;r= 0.05;求解代碼for o1=70:1:90for o2=70:1:90for o3=70:1:90syms x y z;eq3=(R-r+La*sin(o3*pi/180)-y).2+x2+(La*cos(o3*pi/180)+z).2-Lb2; eq2=(1/2*(R-r+La*sin(o2*pi/180)-y).2+(-1/2*sqrt(3)*(R-r+La*sin(o2*p i/180)-x).2+(La*cos(o2*pi/180)+z).2-Lb2;eq1=(1/2*(R-r+La*sin(o1*pi/180)-y).2+(

32、1/2*sqrt(3)*(R-r+La*sin(o1*pi/180)-x).2+(La*cos(o1*pi/180)+z).2-Lb2; x,y,z=solve(eq1,eq2,eq3);x=vpa(x,5);y=vpa(y,5);z=vpa(z,5); for i=1:2if (z(i)0)&(x(i).2+y(i).2+z(i).210000000) scatter(x,y)hold onendend16X2+ (R+L sin -r)-y2+( L cos +z)2= L 2（3-8）131322222-(R+L1sin2-r)-x +(R+L1sin2-r)-y +( L1cos2+z

33、) = L2（3-7）2222(R+L1sin1-r)-x +(R+L1sin1-r)-y +( L1cos1+z) = L2（3-6）endendend/以上為求解代碼3.4.2 機械手工作空間選取數(shù)據(jù)：La=21；Lb=55；R=14；r=5運動空間：圖3.4 工作空間分析工作空間三維示意圖如下所示，有效的工作空間為一個一定高度的六棱柱體圖 3.5 工作空間三維示意圖四、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計174.1DeltaIII 外觀視覺部分機械手部分傳送帶部分電控部分圖 4.1 整體布局圖圖 4.1 為 Delta Plus 的整體布局圖，Delta Plus 由電氣柜、視覺部分、機械手、傳送帶等部分。其中

34、機械手的整體框架通過碳鋼架固定，電機和減速機通過的固定板固定于定平臺上。主動臂和從動臂、從動臂和動平臺之間通過關(guān)節(jié)軸承連接（鋁型材連接角件、各部分連接處的螺栓螺母、及拉簧均未標(biāo)出）。4.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計本機械手主動臂的設(shè)計采用鋁合金薄片，并在板上銑出孔以減輕主動臂的重量，從而提高其運動性能。18圖4.2主動臂示意圖圖 4.3 為主動臂與從動臂的連接示意圖。主動臂通過兩個墊塊，與相應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承通過螺紋連接。墊塊保證了兩從動臂之間的距離，關(guān)節(jié)軸承保證了從動臂在空間的靈活旋轉(zhuǎn)。用 2 個對鎖的緊固件，使軸承與從動臂的連接更加牢靠。緊固塊上加裝拉簧，使兩從動臂在轉(zhuǎn)動時，始終保持平行四邊形的同步運動。關(guān)

35、節(jié)軸承緊固件從動臂圖 4.3 主動臂與從動臂從動臂采用 6 根直徑為 10mm 的碳棒，該方案減輕了從動臂的總重量，同時減少了成本，可靠。同時，主動臂與從動臂的連接采用關(guān)節(jié)軸承，該軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，無需設(shè)計或，使用方便并降低機械手的成本。Delta III 采從動臂的形式，并用兩個關(guān)節(jié)軸承支撐從動臂的運動，較之前采用單一點支撐更加穩(wěn)固，避免了繞支撐點因不穩(wěn)定導(dǎo)致的晃動，使其在高速運動時更加可靠。19圖 4.4 伸縮桿如圖4.4為連接靜平臺中心正上方伺服電機與動平臺旋轉(zhuǎn)體的伸縮桿。該伸縮桿上下兩端均連接萬向聯(lián)軸器，以保證機械手的運動不被約束并且在中心電機轉(zhuǎn)動時能傳遞扭矩，帶動旋轉(zhuǎn)體一起運動。動平臺中

36、旋轉(zhuǎn)體的運動轉(zhuǎn)速與電機相同，由伺服系統(tǒng)可以直接測得。伸縮桿由一圓柱滑槽和一末端帶有凸起的圓柱桿組成，機械手在 Z 軸方向運動時，圓柱桿在空心圓柱滑槽中滑動，中間軸轉(zhuǎn)動時，圓柱桿底端的凸起在滑槽中帶動整個伸縮桿一起運動。動平臺采用鋁合金設(shè)計，并配有可以連接萬向聯(lián)軸器的平臺。圖 4.5 動平臺如圖 4.5，動平臺上方為一蓋板，內(nèi)部有旋轉(zhuǎn)體和滾針推力軸承，旋轉(zhuǎn)體上伸出一短軸，可配合連接萬向聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器與伸縮桿連接。動平臺的下方20有 M5 的螺紋孔，可連接氣爪或吸盤，以完成抓取動作。本設(shè)計采用綠色設(shè)計以及面向可拆卸的設(shè)計原則。從的設(shè)計、制造、報廢、回收，關(guān)注了的全生命周期。簡化了對 Delta

37、 機械手的設(shè)計并減少了零件數(shù)量，多采用螺紋連接代替了鉚接、焊接等不可拆卸的連接方式，具有良好的可拆卸性能。材料上，本設(shè)計采用了較少的材料種類，僅使用鋁合金和碳，便于拆卸后的零件分類、回收。連接方式上本設(shè)計多采用標(biāo)準(zhǔn)件連接，減少了非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計、制造及，節(jié)省時間的同時減少了材料的損耗，設(shè)計更為綠色。標(biāo)準(zhǔn)件的使用也使更易于拆卸、更換和重復(fù)利用。4.3 其他零件表表 4.1 其他零件的型號、數(shù)量表21名稱型號數(shù)量關(guān)節(jié)軸承M812M3 螺栓螺母M31050M5 螺栓螺母M52050M8 螺絲M8*4012M6 螺栓螺母M6*3512拉簧0.3*3*50610 碳棒4006五、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1 選型表

38、 5.1 臺達(dá)選型表表 5.2 其他選型表5.2 選型22序號名稱廠商型號數(shù)量1斷路器施耐德A9F1823222接觸器施耐德LC1R1801M5N23繼電器歐姆龍MY4N-J35啟動按鈕施耐德XB2EW33M116停止按鈕施耐德XB2BW34M1C18急停按鈕施耐德XB2BS542C19手輪瑞普海德MBL1469-04-100p-5l110工業(yè)相機維視EM200C/M111工業(yè)鏡頭computarH0514-MP2112圖像卡維視MV-EGigE Dual113三相電頻器森創(chuàng)SD-20403114三相電機森創(chuàng)35BYG250B115真空吸盤SMCZPR16UN-06-A5116真空發(fā)生器SMC

39、ZH10BS-06-061序號名稱廠商型號數(shù)量1驅(qū)動一體機臺達(dá)ASD-MS-0721-F1224V 電源臺達(dá)AA60S2400A13伺服電機臺達(dá)ECMA-CA0602SS44編碼器線臺達(dá)ASDA2EB000345動力線臺達(dá)ASDA2PW030341、臺達(dá)選型：（1）選擇臺達(dá) ASDA-MS 驅(qū)動器是因為它開發(fā)方便，可以編寫已經(jīng)寫好的參數(shù)直接調(diào)用功能，對應(yīng)的程序語言可讀性強。并且對機械結(jié)構(gòu)安全，在異警報錯方面很靈敏。而且驅(qū)動一體可以減少接線的復(fù)雜程度?？蓴U展性強，硬件上，可以擴充的軸，軟件上，可以自編 lua 函式庫，增加它的功能。（2）選擇臺達(dá) ECMA-CA0602SS 的低慣量伺服電機能夠

40、保證精度，并能夠跟750W 的伺服驅(qū)動器相匹配，絕對型的編碼器不需要參考零點，誤差積累。對應(yīng)使用 ASDA2PW0303 動力線；（3）選用臺達(dá)絕對值電纜用于伺服電機編碼器反饋；（4）選用 AA60S2400A 的 24V 的直流電源，大功率，滿足器多輸出的需求，并用于手輪的供電。2、其他選型：（1）啟動、停止、復(fù)位、急停按鈕用于系統(tǒng)的狀態(tài)切換；（2）選用森創(chuàng)三相電機是因為其重心穩(wěn)定，可放置在機械手動平臺上，降低成本。（3）相機選型：因為現(xiàn)有工作平臺為 600mm*600mm 的方形工作平臺，根據(jù)設(shè)計方案要求，視覺系統(tǒng)至少可覆蓋一般的工作區(qū)域，即 600mm*300mm 的區(qū)域。由于將相機安裝

41、在工作范圍內(nèi)可能影響機械手的工作，所以考慮將攝像機安裝在工作臺邊緣。之所以選用 CCD 相機是因為相同的 CCD 與 CMOS 時，CCD 傳感器的分辨率通常會優(yōu)于 CMOS 傳感器，而且在捕捉運動中物體的要求下，CCD 攝像機的性能要優(yōu)于 CMOS 相機。另外根據(jù)經(jīng)費和系統(tǒng)精度的要求，選擇分辨率為2 百萬的 CCD 攝像機。圖 5.1 相機焦距計算相機型號為 6.4mm，鏡頭到物體距離為 450mm，物體高度為 600mm,則 f=（450x6.4）/600=4.8mm。23（4）分辨精度計算相機像素為 200M，相機最高分辨率 1600*1200，視場為 600mm*450mm 的矩形區(qū)域

42、，則理想系統(tǒng)精度為 600/1600=0.375mm，即圖像每個像素單元為實際0.375mm 的方形區(qū)域。系統(tǒng)精度另外還受傳輸速率，系統(tǒng)反應(yīng)速度的影響，但總體已滿足本系統(tǒng)的分辨精度。5.3 選型電氣圖紙設(shè)計5.3.1 系統(tǒng)進(jìn)電總框圖220V交流電斷路器變頻器斷路器24V電源進(jìn)柜燈相機光源驅(qū)動器動力端驅(qū)動手輪器端圖 5.2 系統(tǒng)進(jìn)電總框圖5.4.2 信號圖信號圖詳見附錄5.4.3 布局圖布局圖詳見附錄5.4 參數(shù)配置表表 5.3 ASD-MS-機構(gòu)參數(shù)設(shè)定24功能設(shè)定值齒輪比100000比（）7比（分母）1最大轉(zhuǎn)速度限置500最大度限制500最大度限制500最大加度限制100最大線速度80AMF

43、 時間百分比50AMF 時間最小值1025Rb170000Rp70000ArmU200000ArmL550000速度增益500速度補償100共振抑制 Notch filter（1）1000共振抑制 Notch filter 衰減率（1）0共振抑制低通濾波1001外部干擾抵抗增益0共振抑制 Notch filter（2）1000共振抑制 Notch filter 衰減率（2）0共振抑制 Notch filter（3）1000共振抑制 Notch filter 衰減率（3）0共振抑制 Notch filter（4）1000共振抑制 Notch filter 衰減率（4）0速度檢測濾波及微振抑制00

44、0B六、程序設(shè)計上一屆的 DELTA 機械手的程序設(shè)計主要是在利用軸卡進(jìn)行通訊，借助視覺系統(tǒng)實現(xiàn)物體在固置的抓取分類。相比之下，我們的 DELTA PLUS 在保留了視覺系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)隨動抓取，器也改為 MS器，可以將很多相關(guān)的底層運動算法寫到器內(nèi)部預(yù)先儲存，對于調(diào)取相應(yīng)的功能以及開發(fā)界面提供了巨大便利。我們的程序設(shè)計完成了利用 c# socket 編程實現(xiàn)網(wǎng)口通訊，分煉以及堆疊物體的功能。以下從流圖，程序界面設(shè)計，和部分重要的程序等幾個方面進(jìn)行闡述。6.1 程序程序流圖又分為運動平臺的速度和位置、運動平臺的實施抓取的、相機和圖像處理程序流程圖這三個方面。6.1.1 運動平臺的速度和位置通過

45、調(diào)用 MS器內(nèi)部的三軸機械手模型，達(dá)到運動平臺的速度和位置的。流程圖如下圖（上位機程序是的中心，流向它的表示輸入或反饋信息流，有它流出的表示信息流）：上位機輸入MS器伺服驅(qū)動器圖 6.1 運動平臺的速度和位置流程圖26器輸出伺服電機C#處理后位置信息利用相機標(biāo)定參數(shù)完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換C#輸入數(shù)據(jù)6.1.2 運動平臺的實施抓取的視覺識別系統(tǒng)獲取在傳送帶上恒定速度運動的工件的圖像進(jìn)行識別并抓取后，根據(jù)識別系統(tǒng)傳回來的識別結(jié)果計算工件與目標(biāo)區(qū)域的位置和角度差，將得到的圖像坐標(biāo)經(jīng)由手眼標(biāo)定得到的轉(zhuǎn)化關(guān)系轉(zhuǎn)化成機械手的坐標(biāo)，使機械手沿一定的軌跡前往工件所在坐標(biāo)，離到達(dá)工件坐標(biāo)一定距離前打開吸盤，在到達(dá)工件所

46、在目標(biāo)并吸取工件后，上位機通過 Modbus tcp/ip 通訊, 向 MS器功能指令，進(jìn)而伺服電機帶動真空吸盤旋轉(zhuǎn)，由圖像處理得到的角度差值，到達(dá)點后，吸盤關(guān)閉工件，在判定是否仍有物體需要抓取之后，如果沒有，吸盤回到之前未轉(zhuǎn)動的位置，等待下一次的抓?。ㄉ衔粰C程序是的中心，流向它的表示輸入或反饋信息流，有它流出的表示信息流）：攝像機捕捉工件圖像圖像卡（千兆網(wǎng)卡）運動中執(zhí)行圖 6.2 運動平臺的實施抓取的6.1.3 相機和圖像處理程序流程圖27運動到工件區(qū)域真空吸盤工件步進(jìn)電機帶動動平臺旋轉(zhuǎn)一定角度動平臺的速度和位置流程圖運動到工件區(qū)域真空吸盤吸取工件將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為機械手坐標(biāo)(手眼標(biāo)定)程序計

47、算出工件與目標(biāo)區(qū)域的位置坐標(biāo)以及和參考邊緣的角度差上位機進(jìn)行任何功能任務(wù)操作之前，先要打開攝像機，進(jìn)行圖像,進(jìn)行相機的各項參數(shù)的合理設(shè)置才能獲得清晰易于處理的圖像，所以最開始就應(yīng)該設(shè)置好相機的各項參數(shù)。然后是采取合適的圖像處理流程和圖像處理算子。相機和圖像處理程序流程圖如下：開始圖像的預(yù)處理根據(jù)模式是否繼續(xù)結(jié)束圖 6.3相機和圖像處理程序流程圖28獲取感域結(jié)果輸出二值化閾值分割參數(shù)測量增強對比度平滑圖像載入標(biāo)定信息進(jìn)行校正圖像獲取消除噪聲選擇圖像模式相機參數(shù)設(shè)置打開相機6.2 程序界面設(shè)計6.2.1 程序操作流程圖程序以啟動設(shè)置執(zhí)行功能的順序展開，包含對各個器件的以及可能需要進(jìn)行的調(diào)整。開始主界面圖像顯示界面結(jié)束圖 6.4 程序操作流程圖6.2.2 界面結(jié)構(gòu)圖29排列主界面：斷開連接堆疊寸動相關(guān)參數(shù)設(shè)置功能選擇界面分揀X,Y,Z三坐標(biāo)系的移動寸動界面調(diào)零界面機械手手動操控界面選擇觸發(fā)方式解除視覺調(diào)試界面啟動攝像頭啟動伺服電機數(shù)據(jù)界面建立與器連接界面圖 6.5 界面結(jié)構(gòu)圖6.2.3 界面設(shè)計首先進(jìn)入主界面，分為兩部分，左邊為可切換界面，擁有不同的切換，可以進(jìn)入視覺界面，手動操作界面，功能切換界面。右邊界面為通訊界面，可以觀察到兩者之間，MS器與上位機 PC 端之間的通訊內(nèi)容，方便調(diào)試，故也可稱之為調(diào)試界面。整體界面的排布如下圖所示：圖 6.6