四自由度搬运物料工业机器人的设计
目录
引言 1
一、机器人的组成与发展 2
（一）机器人概述 2
（二）机器人的组成 2
（三）机器人发展趋势 2
二、机器人控制系统硬件的设计 3
（一）机器人本体的选型 3
（二）机械手本体介绍及传动方式 3
（三）控制系统模式的选择 6
三、机器人控制系统软件的设计 10
（一）软件功能介绍 10
（二）软件界面介绍 11
（三）SPEL+语言 12
四、实验平台介绍及机械手的方案与设计 13
（一）设备总图 13
（二）示教编程及I/O分配 15
（三）视觉设定方法 16
（四）传送带跟踪的实现 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
引言
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多个学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备；广泛适用的能自主动作，且多轴联动的机械设备。工业机器人的应用背景是为了解决由于人力成本上升带来的招工难的问题还有由于某些恶劣的工作环境比如噪音、污染等。更为重要的是工业自动化近年来的发张趋势迅猛客户要求自动化设备缩短开发周期提高产能高进度高速度的工作要求。本篇论文重点讲述机器人的构成以及他在自动化设备中所担任的角色以及能够实现的功能。
一、机器人的组成与发展
（一）机器人概述
EPSON工业机器人是起源于高进度，高效率零部件组装生产线的技术研发。30年来，一直引领工业机器人最新技术的发展，通过多年的积累，开发了EPSON独 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
有的，灵魂智能运动控制技术，并不断完善。未来工业机器人的运用需求越来越多元化。EPSON工业机器人也会强化技术革新，设计出满足不同应用需求的产品，继续为机器人产业和中国制造业的自动化转型贡献力量。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。工业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。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人的分类可以分为四种包括单轴机器人、直角坐标系机器人（XYZ机器人）、四轴机器人（SCARA、水平多关节）、六轴机器人（垂直多关节）知名品牌包括日本的发那科（FANUC）、安川、那智、爱普生、德国的库卡、瑞典的ABB、瑞士的史陶比尔等等。工业机器人的优点包括其高速度、高精度、高稳定性还有更为重要的是它可以与视觉系统配合实现互动从而解决工业上的很多难题。§
（二）机器人的组成
机器人是由执行机构、传动系统和控制系统这三部分组成。其中执行机构包括手部、腕部、臀部、和腰部，驱动系统包括电和气驱动，控制系统这是伺服驱动及其他信息交换计算机。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响。机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机，相当于本文中的执行机构部分。
（三）机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
二、机器人控制系统硬件的设计
（一）机器人本体的选型
工业机器人的选型要点主要包括九点分别是它的负载能力（简单的说就是机器人末端夹具与待测工件的重量之和）、工作半径和范围（即机人的臂长）、安装方式（桌面、墙壁、吊顶内）、精度和速度要求、Z轴行程、用途（主要取决于机器人的应用场合）以及选件的选择。另外是关于选件的概述，选件即机器人控制器的拓展功能其优点在于能够满足不同的技术需求主要包括工业相机、示教器、传送带跟踪、总线方式、拓展I/O等等。
（二）机械手本体介绍及传动方式
如图2-1所示位该机械手本体结构它有四个自由度，分别是X、Y、Z、U。
图 2-1 机器人结构示意图
如图2-2所示为机械手的工作范围。
图 2-2 机器人结构示意图
如图2-3所示为机械手的基座，它是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。
图 2-3 机器人基座示意图
大臂长度230mm，具体尺寸如图2-4所示：
图2-4 大臂外形
小臂长度240mm，具体尺寸如图2-5所示：
图2-5 小臂外形
传动方式是通过PG动作系统属于机器人控制器RC700/RC90选件，包括EPSONRC+软件组件和一个或多个脉冲生成器板。客户提供采用第三方设备的驱动器和电机。对于RC700，PG动作系统最多支持4个PG板；对于RC90，最多支持2个PG板。各板均设有四条通道；对于RC700，最多允许使用16个关节，对于RC90，最多可使用8 个关节。PG机器人若为直角坐标型，则可采用关节1到关节4，若为关节型，则可采用关节1至关节7。 此系统包含有：Pulse Generator（脉冲生成器）板（下文简称PG板）PG板标签（仅在单独购买PG板时贴附）PG板连接器（插头：DX40-100P，顶盖：DX-100-CV-1 Hirose Electric Co.,Ltd.）PG板电缆可作为选装部件提供。由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动器两类。在机器人机构中，需要使用制动器的情况如下：特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施、停电时防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器：机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器：电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和肘关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和肘关节的电气制动。采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。
引言 1
一、机器人的组成与发展 2
（一）机器人概述 2
（二）机器人的组成 2
（三）机器人发展趋势 2
二、机器人控制系统硬件的设计 3
（一）机器人本体的选型 3
（二）机械手本体介绍及传动方式 3
（三）控制系统模式的选择 6
三、机器人控制系统软件的设计 10
（一）软件功能介绍 10
（二）软件界面介绍 11
（三）SPEL+语言 12
四、实验平台介绍及机械手的方案与设计 13
（一）设备总图 13
（二）示教编程及I/O分配 15
（三）视觉设定方法 16
（四）传送带跟踪的实现 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
引言
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多个学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备；广泛适用的能自主动作，且多轴联动的机械设备。工业机器人的应用背景是为了解决由于人力成本上升带来的招工难的问题还有由于某些恶劣的工作环境比如噪音、污染等。更为重要的是工业自动化近年来的发张趋势迅猛客户要求自动化设备缩短开发周期提高产能高进度高速度的工作要求。本篇论文重点讲述机器人的构成以及他在自动化设备中所担任的角色以及能够实现的功能。
一、机器人的组成与发展
（一）机器人概述
EPSON工业机器人是起源于高进度，高效率零部件组装生产线的技术研发。30年来，一直引领工业机器人最新技术的发展，通过多年的积累，开发了EPSON独 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
有的，灵魂智能运动控制技术，并不断完善。未来工业机器人的运用需求越来越多元化。EPSON工业机器人也会强化技术革新，设计出满足不同应用需求的产品，继续为机器人产业和中国制造业的自动化转型贡献力量。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。工业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。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人的分类可以分为四种包括单轴机器人、直角坐标系机器人（XYZ机器人）、四轴机器人（SCARA、水平多关节）、六轴机器人（垂直多关节）知名品牌包括日本的发那科（FANUC）、安川、那智、爱普生、德国的库卡、瑞典的ABB、瑞士的史陶比尔等等。工业机器人的优点包括其高速度、高精度、高稳定性还有更为重要的是它可以与视觉系统配合实现互动从而解决工业上的很多难题。§
（二）机器人的组成
机器人是由执行机构、传动系统和控制系统这三部分组成。其中执行机构包括手部、腕部、臀部、和腰部，驱动系统包括电和气驱动，控制系统这是伺服驱动及其他信息交换计算机。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响。机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机，相当于本文中的执行机构部分。
（三）机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
二、机器人控制系统硬件的设计
（一）机器人本体的选型
工业机器人的选型要点主要包括九点分别是它的负载能力（简单的说就是机器人末端夹具与待测工件的重量之和）、工作半径和范围（即机人的臂长）、安装方式（桌面、墙壁、吊顶内）、精度和速度要求、Z轴行程、用途（主要取决于机器人的应用场合）以及选件的选择。另外是关于选件的概述，选件即机器人控制器的拓展功能其优点在于能够满足不同的技术需求主要包括工业相机、示教器、传送带跟踪、总线方式、拓展I/O等等。
（二）机械手本体介绍及传动方式
如图2-1所示位该机械手本体结构它有四个自由度，分别是X、Y、Z、U。
图 2-1 机器人结构示意图
如图2-2所示为机械手的工作范围。
图 2-2 机器人结构示意图
如图2-3所示为机械手的基座，它是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。
图 2-3 机器人基座示意图
大臂长度230mm，具体尺寸如图2-4所示：
图2-4 大臂外形
小臂长度240mm，具体尺寸如图2-5所示：
图2-5 小臂外形
传动方式是通过PG动作系统属于机器人控制器RC700/RC90选件，包括EPSONRC+软件组件和一个或多个脉冲生成器板。客户提供采用第三方设备的驱动器和电机。对于RC700，PG动作系统最多支持4个PG板；对于RC90，最多支持2个PG板。各板均设有四条通道；对于RC700，最多允许使用16个关节，对于RC90，最多可使用8 个关节。PG机器人若为直角坐标型，则可采用关节1到关节4，若为关节型，则可采用关节1至关节7。 此系统包含有：Pulse Generator（脉冲生成器）板（下文简称PG板）PG板标签（仅在单独购买PG板时贴附）PG板连接器（插头：DX40-100P，顶盖：DX-100-CV-1 Hirose Electric Co.,Ltd.）PG板电缆可作为选装部件提供。由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动器两类。在机器人机构中，需要使用制动器的情况如下：特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施、停电时防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器：机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器：电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和肘关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和肘关节的电气制动。采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。
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