專利名稱：一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于工業用機器人技術領域，涉及一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人，主要是指在電子、食品及醫藥等領域的生產中可實現對產品的高速拾取和分級放置。
背景技術：
隨著電子、食品、醫藥等領域產品對生產效率和質量要求的不斷提高，也就對產品生產線上的自動化傳輸設備提出了更高的要求。四自由度高速并聯機器人是自動化傳輸設備的一種重要形式，它能在不同生產線間對產品高速、平穩、潔凈的拾取和分級放置。這種機器人需要三個平動自由度以實現產品在空間的傳輸，同時還應具有一個旋轉自由度以實現對不同姿態產品的拾取。.在現有技術中，對自動拾取設備，特別是具有四自由度的快速拾取機器人的研究相對較少。美國專利US4976582公開了一種空間軸對稱三平動并聯機構，該機構包括三條支鏈，每條支鏈包括上臂和下臂兩部分。此類機構下臂的形式分為兩種，一種為單桿形式， 桿的兩端通過虎克鉸分別于上臂和動平臺連接；一種為雙桿構成的平行四邊形，每根桿兩端通過球鉸分別于上臂和動平臺連接，其中上臂一端相對于固定機架僅具有一個移動或轉動自由度，另一端通過球鉸與下臂的一端連接，從而限制動平臺相對于固定平臺的三個回轉自由度。采用這種構型的機構只具有空間平動的三個自由度，不能實現拾取角度的旋轉。歐洲專利1084802公布了一種并聯四自由度機器人，該機器人包括四條支鏈，每條支鏈由伺服電機、上臂和下臂組成。支鏈上臂連接伺服電機的輸出機構，伺服電機安裝在固定平臺上；支鏈下臂為雙桿構成的平行四邊形，每根桿兩端通過球鉸與上臂和動平臺連接；動平臺由三桿組成，其中兩桿通過球鉸與支鏈下臂連接且相互平行，第三桿在兩桿之間將兩桿連接，用于安裝拾取裝置，該動平臺具有一個旋轉自由度。由于該機器人動平臺的特殊設計，使支鏈和電機的非對稱安裝，導致機器人支鏈之間受力不均勻，對機器人的高速運動和穩定性有一定的影響。

發明內容
針對上述已有技術的不足，本發明提供了一種四自由度高速并聯機器人，該機器人具有三維平動和一維轉動四個自由度，能夠實現對產品的快速拾取和分級放置，并且可與視覺系統相結合，調整動平臺的旋轉角度，實現對不同姿態產品的拾取；該機器人具有高速、高加速度運動能力，同時還有剛性好、受力均勻、定位精度高等特點。為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下本發明所述的一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人，包括機器人機械本體結構、控制系統和視覺系統。通過控制系統和視覺系統的結合，控制機器人的機械本體結構達到所需的運動動作。所述機器人機械本體結構包括固定平臺、驅動機構、支鏈和動平臺。固定平臺用于安裝固定整臺機器人，使機器人具有一個平穩的工作環境；驅動機構帶動支鏈和動平臺實現四自由度運動；四條支鏈結構相同且軸對稱均勻布置，支鏈上端連接驅動機構，末端連接動平臺，實現動作的傳遞過程；動平臺通過四條支鏈間的耦合運動具有三維移動和一維轉動四個自由度，動平臺帶動末端執行器在運動空間內實現四個自由度的運動，其中，三維平動與實際運動同步，一維轉動需經過放大機構放大可達到實際需求的旋轉角度。本發明的一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人的四個自由度可實現對產品的高速、平穩的抓取和分級放置。固定平臺，其上設有安裝孔，用于并聯機器人的安裝和電機支撐架的定位連接；固定平臺上有四個電機支撐架，四個電機支撐架在固定平臺軸對稱安裝，其上安裝有帶限位塊的上下限位支撐板以及帶限位開關的傳感器安裝架；驅動機構由伺服電機和減速器組成，固定安裝在電機支撐架上，通過輸出法蘭與支鏈上臂連接。支鏈包括主動臂、球關節、從動臂、從動臂拉簧、球關節連接件、從動臂連接銷和銷端螺母；四條支鏈結構相同且軸對稱均勻布置，其中，主動臂上端連接驅動機構的精密減速器輸出法蘭，另一端通過兩個球關節分別連接兩個相互平行的從動臂，從動臂兩端帶有球關節連接件，與球關節之間通過從動臂連接銷和銷端螺母固定連接，相對應的銷端螺母上掛有從動臂拉簧。動平臺平行四邊形機構由動平臺連接板、動平臺支架、旋轉關節、軸承座支架、帶輪連接架和末端執行器放大機構；兩個動平臺連接板相互平行，并且分別連接相對應的支鏈從動臂下端的球關節；兩個相互平行的動平臺支架通過旋轉關節與兩個相互平行的動平臺連接板連接組成動平臺平行四邊形結構；所述旋轉關節通過密封角接觸軸承安裝連接。末端執行器放大機構包括小同步帶輪、大同步帶輪、同步帶和末端執行器法蘭；大同步帶輪通過帶輪連接架固定安裝在動平臺支架上；小同步帶輪通過末端執行器法蘭和角接觸球軸承安裝連接在動平臺支撐板上，使小同步帶輪相對于平臺支撐板具有旋轉運動； 同步帶傳遞二者之間的旋轉運動，使末端執行器法蘭的旋轉角度達到±180°，末端執行器法蘭上安裝末端執行器。所述控制系統，包括網絡化可編程控制器、雙總線、高速IO擴展模塊和伺服控制器。所述控制系統以網絡化可編程控制器為核心，通過雙總線與高速IO擴展模塊組成網絡。其中可編程自動化控制器用于邏輯處理和數據運算并發出報文；雙總線用于網絡化可編程控制器與高速IO擴展模塊間的數據傳輸；高速IO擴展模塊用于接收網絡化可編程控制器發出的報文，并輸出高速脈沖給伺服控制器，還用于負責其他IO信號的讀入與輸出； 伺服器用于完成對伺服電機的閉環控制。所述視覺系統，主要包括攝像頭、圖像處理器及外接傳感器。所述外接傳感器用于檢測被撿產品；攝像頭用于被撿產品的圖像采集；圖像處理器對被檢產品的圖像經過平滑濾波，對比度增強，邊緣提取，二值化等處理，與產品標準模板進行相似度匹配，提取出被檢產品的坐標值與偏轉角度，通過網絡發送給網絡化可編程控制器。本發明的效果和益處是(I)本高速并聯機器人具有四個自由度，能夠實現空間三維平動和一維轉動，提高了該類機器人的工作能力；(2)本高速并聯機器人的支鏈和運動平臺均軸對稱均勻布置，使機構無空間奇異位置且受力均勻，并提高了機器人的整體剛性；(3)本高速并聯機器人通過控制系統與視覺系統相結合，使機器人機械本體結構能夠實現對不同姿態產品的高速自動拾取和分級放置；(4)本高速并聯機器人通過網絡化控制系統的實時通信，使該機器人能夠在高速及高加速度的情況下具有穩定的運動性能和精確定位。


圖I是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人的軸視圖。圖2是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人的正視圖。圖3是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人動平臺的俯視圖。圖4是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人動平臺的剖視圖。圖5是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人支鏈的軸視圖。圖6是本發明一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人的網絡結構圖。圖中1固定平臺，II驅動系統，III支鏈，IV動平臺平行四邊形機構；1動平臺，2 上限位支撐板，3球關節，4上限位塊，5伺服電機，6主動臂，7銷端螺母，8從動臂拉簧，9從動臂，10球關節連接件，11傳感器安裝架，12減速器，13限位開關，14電機支撐架，15動平臺連接板，16旋轉關節，17動平臺支架，18末端執行器法蘭，19大同步帶輪，20動平臺支架， 25軸承座支架，21角接觸球軸承，22小同步帶輪，23帶輪連接架，24同步帶，26從動臂連接銷。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。本發明的一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人包括機器人機械本體結構、 控制系統和視覺系統三部分；通過其中的控制系統和視覺系統的結合，控制機器人機械本體結構達到所需的運動動作。機器人機械本體結構的實施方式如圖I所示，機器人機械本體結構由固定平臺I、驅動機構II、支鏈III和動平臺 IV組成，采用電控系統驅動，實現動平臺IV的三維平動和一維轉動，并結合視覺系統對產品的準確拾取。固定安裝在電機支撐架14上的伺服電機5經減速器12上的輸出法蘭將運動傳遞給主動臂6 ;驅動裝置II為與其連接的主動臂6提供了一個轉動自由度，主動臂6通過球鉸 3帶動從動臂9運動，由從動臂9和球鉸3組成的平行四邊形機構將運動傳遞給動平臺15 ； 動平臺IV通過四條支鏈間的耦合運動實現三維移動和一維轉動；其中，組成動平臺平行四邊形結構的動平臺支架17之間相互錯動帶動固定安裝在動平臺支架間17上的大同步帶輪 19同步錯動，使大同步帶輪19與小同步帶輪22的安裝位置產生45°的錯動角度，經同步帶24連接,使小同步帶輪22的旋轉角度得到放大,與小同步帶輪22同步的末端執行器法蘭18的旋轉角度達到±180°。控制系統的實施方式控制系統以網絡化可編程控制器為控制核心，通過雙總線與高速IO擴展模塊組成網絡，雙總線的實時通信完成網絡化可編程控制器與高速IO擴展模塊進行數據交換；網絡化可編程控制器將計算好的各個伺服電機的運行數據放入到報文中，在經過每個高速IO 擴展模塊時，高速IO擴展模塊獲取各個伺服電機的運行信息，報文在經過所有高速IO擴展模塊后返回到可編程自動化控制器，完成一個周期的通信；高速IO擴展模塊在每個通信周期中接收到伺服電機下一個的運動位置、速度與加速度信息，將其轉換成高速脈沖輸出，最終控制各個伺服電機運行。視覺系統的實施方式視覺系統通過外接的傳感器檢測到被撿產品，觸發攝像頭進行圖像采集，采集到的圖像經過圖像處理器的平滑濾波，對比度增強，邊緣提取，二值化等處理后，與產品標準模板進行相似度匹配，如果匹配成功，則提取圖像的坐標值及偏轉角度的信息，然后通過網絡將信息傳送給可編程自動化控制器。本發明的整體運行過程如圖6所示，本發明的一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人采用網絡化可編程控制器與高速IO擴展模塊相結合的網絡化控制結構，視覺系統通過圖像處理器將攝像頭采集到的產品圖像與標準模板進行相似度匹配，然后提取產品坐標值及偏轉角度的信息發送給網絡化可編程控制器，網絡化可編程控制器對機器人動平臺位姿進行反解計算， 并將計算的結果換算成脈沖值，封裝成報文發送給高速IO擴展模塊，高速IO擴展模塊在每個通信周期中接收到新的報文，提取出控制信息，控制四個伺服電機的輸出位移和運轉方向，保證動平臺完成對產品的高速自動拾取和分級放置。
權利要求
1.一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人，包括機器人機械本體結構、控制系統和視覺系統；其特征在于機器人機械本體結構，包括固定平臺(I)、驅動機構(II)、支鏈(III)和用于安裝末端執行器的動平臺(IV)固定平臺(I)上設有安裝孔，用于機器人的安裝和電機支撐架(14)的定位連接；固定平臺上裝有四個電機支撐架，四個電機支撐架(14)在固定平臺(I)上軸對稱安裝，其上安裝有帶限位塊⑷的上下限位支撐板⑵以及帶限位開關(13)的傳感器安裝架(11)；驅動機構(II)包括大扭矩伺服電機(5)和精密減速器(12)，所述精密減速器采用法蘭軸式；四條支鏈(III)結構相同且軸對稱均勻布置，包括主動臂(6)、球關節(3)、從動臂(9)、 從動臂拉簧(8)、球關節連接件(10)、從動臂連接銷(25)和銷端螺母(7);主動臂(6)上端連接驅動機構(II)的精密減速器輸出法蘭軸，另一端通過兩個球關節(3)分別連接兩個相互平行的從動臂(9)，從動臂(9)兩端帶有球關節連接件(10)，與球關節(3)之間通過從動臂連接銷(26)和銷端螺母(7)固定連接，相對應的銷端螺母(7)上掛有從動臂拉簧(8)； 所述支鏈主動臂(6)采用工字型結構；所述從動臂(9)采用管型結構，材料為碳纖維；動平臺(IV)包括動平臺連接板(15)、動平臺支架(17)、旋轉關節(16)、軸承座支架(20)、帶輪連接架(23)和末端執行器放大機構；兩個動平臺連接板(15)相互平行，并且分別連接相對應的支鏈(III)從動臂(9)下端的球關節(3);兩個相互平行的動平臺支架(17)通過旋轉關節(16)與兩個相互平行的動平臺連接板(15)連接組成動平臺平行四邊形結構；所述末端執行器放大機構包括小帶輪(22)、大帶輪(19)、同步帶(24)和末端執行器法蘭(18);大帶輪通過帶輪連接架(23)固定安裝在動平臺支架(20)上；小帶輪(22)通過末端執行器法蘭(18)和角接觸球軸承(21)安裝連接在動平臺支撐板(17)上，使小帶輪(22) 相對于平臺支撐板(17)具有旋轉運動；同步帶傳遞二者之間的旋轉運動，使末端執行器法蘭(18)的旋轉角度達到±180°，末端執行器法蘭(18)上安裝末端執行器。
2.如權利要求I所述的高速并聯機器人，其特征在于所述的控制系統，以網絡化可編程控制器為核心，通過雙總線與高速IO擴展模塊組成網絡，包括網絡化可編程控制器、雙總線、高速IO擴展模塊和伺服控制器；網絡化可編程控制器用于邏輯處理和數據運算并發出報文；雙總線用于網絡化可編程控制器與高速IO擴展模塊間的數據傳輸；高速IO擴展模塊用于接收編程自動化控制器發出的報文，并輸出高速脈沖給伺服控制器，還用于負責其他IO信號的讀入與輸出；伺服器用于完成對伺服電機的閉環控制。
3.如權利要求I或權利要求2所述的高速并聯機器人，其特征在于所述的視覺系統，包括外接傳感器、攝像頭及圖像處理器。其中，外接傳感器用于檢測被撿產品；攝像頭用于被撿產品的圖像采集；圖像處理器對被檢產品的圖像經過平滑濾波，對比度增強，邊緣提取，二值化等處理，與產品標準模板進行相似度匹配，提取出被檢產品的坐標值與偏轉角度，通過網絡發送給網絡化可編程控制器。
全文摘要
本發明公開了一種三維平動和一維轉動的高速并聯機器人，屬于工業用機器人技術領域。該機器人包括機器人機械本體結構、控制系統和視覺系統三部分；通過控制系統和視覺系統的結合，控制機器人機械本體結構達到所需的運動動作。本發明機器人具有三維平動和一維轉動的四個自由度，可實現對產品的高速自動拾取和分級放置，具有高速、高加速度運動能力，同時還有剛性好、受力均勻、定位精度高等特點。
文檔編號B25J13/00GK102601797SQ201210099438
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月7日 優先權日2012年4月7日
發明者叢明, 仲崇權, 劉冬, 陳晨 申請人:大連鑌海自控股份有限公司