一种三维平动和一维转动的高速并联机器人

1.一种三维平动和一维转动的高速并联机器人，包括机器人机械本体结构、控制系统和视觉系统；其特征在于：
机器人机械本体结构，包括固定平台(Ⅰ)、驱动机构(Ⅱ)、支链(Ⅲ)和用于安装末端执行器的动平台(Ⅳ)：
固定平台(Ⅰ)上设有安装孔，用于机器人的安装和电机支撑架(14)的定位连接；固定平台上装有四个电机支撑架，四个电机支撑架(14)在固定平台(Ⅰ)上轴对称安装，其上安装有上限位块(4)的上限位支撑板(2)以及带限位开关(13)的传感器安装架(11)；
驱动机构(Ⅱ)包括大扭矩伺服电机(5)和精密减速器(12)，所述精密减速器采用法兰轴式；
四条支链(Ⅲ)结构相同且轴对称均匀布置，包括主动臂(6)、球关节(3)、从动臂(9)、从动臂拉簧(8)、球关节连接件(10)、从动臂连接销(26)和销端螺母(7)；主动臂(6)上端连接驱动机构(Ⅱ)的精密减速器输出法兰轴，另一端通过两个球关节(3)分别连接两个相互平行的从动臂(9)，从动臂(9)两端带有球关节连接件(10)，与球关节(3)之间通过从动臂连接销(26)和销端螺母(7)固定连接，相对应的销端螺母(7)上挂有从动臂拉簧(8)；
所述支链主动臂(6)采用工字型结构；所述从动臂(9)采用管型结构，材料为碳纤维；
动平台(Ⅳ)包括动平台连接板(15)、动平台支架(17、20)、旋转关节(16)、轴承座支架(25)、带轮连接架(23)和末端执行器放大机构；两个动平台连接板(15)相互平行，并且分别连接相对应的支链(Ⅲ)从动臂(9)下端的球关节(3)；两个相互平行的动平台支架(17、20)通过旋转关节(16)与两个相互平行的动平台连接板(15)连接组成动平台平行四边形结构；
所述末端执行器放大机构包括小同步带轮(22)、大同步带轮(19)、同步带(24)和末端执行器法兰(18)；大同步带轮通过带轮连接架(23)固定安装在一个动平台支架(20)上；
小同步带轮(22)通过末端执行器法兰(18)和角接触球轴承(21)安装连接在另一个动平台支架(17)上，使小同步带轮(22)相对于动平台支架(17)具有旋转运动；同步带传递二者之间的旋转运动，使末端执行器法兰(18)的旋转角度达到±180°，末端执行器法兰(18)上安装末端执行器；
所述的控制系统，以网络化可编程控制器为核心，通过双总线与高速IO扩展模块组成网络，包括网络化可编程控制器、双总线、高速IO扩展模块和伺服控制器；网络化可编程控制器用于逻辑处理和数据运算并发出报文；双总线用于网络化可编程控制器与高速IO扩展模块间的数据传输；高速IO扩展模块用于接收编程自动化控制器发出的报文，并输出高速脉冲给伺服控制器，还用于负责其他IO信号的读入与输出；伺服器用于完成对伺服电机的闭环控制；
所述的视觉系统，包括外接传感器、摄像头及图像处理器；其中，外接传感器用于检测被捡产品；摄像头用于被捡产品的图像采集；图像处理器对被检产品的图像经过平滑滤波、对比度增强、边缘提取、二值化处理，与产品标准模板进行相似度匹配，提取出被检产品的坐标值与偏转角度，通过网络发送给网络化可编程控制器。

一种三维平动和一维转动的高速并联机器人\n技术领域\n[0001] 本发明属于工业用机器人技术领域，涉及一种三维平动和一维转动的高速并联机器人，主要是指在电子、食品及医药等领域的生产中可实现对产品的高速拾取和分级放置。\n背景技术\n[0002] 随着电子、食品、医药等领域产品对生产效率和质量要求的不断提高，也就对产品生产线上的自动化传输设备提出了更高的要求。四自由度高速并联机器人是自动化传输设备的一种重要形式，它能在不同生产线间对产品高速、平稳、洁净的拾取和分级放置。这种机器人需要三个平动自由度以实现产品在空间的传输，同时还应具有一个旋转自由度以实现对不同姿态产品的拾取。.\n[0003] 在现有技术中，对自动拾取设备，特别是具有四自由度的快速拾取机器人的研究相对较少。美国专利US4976582公开了一种空间轴对称三平动并联机构，该机构包括三条支链，每条支链包括上臂和下臂两部分。此类机构下臂的形式分为两种，一种为单杆形式，杆的两端通过虎克铰分别于上臂和动平台连接；一种为双杆构成的平行四边形，每根杆两端通过球铰分别于上臂和动平台连接，其中上臂一端相对于固定机架仅具有一个移动或转动自由度，另一端通过球铰与下臂的一端连接，从而限制动平台相对于固定平台的三个回转自由度。采用这种构型的机构只具有空间平动的三个自由度，不能实现拾取角度的旋转。\n[0004] 欧洲专利1084802公布了一种并联四自由度机器人，该机器人包括四条支链，每条支链由伺服电机、上臂和下臂组成。支链上臂连接伺服电机的输出机构，伺服电机安装在固定平台上；支链下臂为双杆构成的平行四边形，每根杆两端通过球铰与上臂和动平台连接；动平台由三杆组成，其中两杆通过球铰与支链下臂连接且相互平行，第三杆在两杆之间将两杆连接，用于安装拾取装置，该动平台具有一个旋转自由度。由于该机器人动平台的特殊设计，使支链和电机的非对称安装，导致机器人支链之间受力不均匀，对机器人的高速运动和稳定性有一定的影响。\n发明内容\n[0005] 针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种四自由度高速并联机器人，该机器人具有三维平动和一维转动四个自由度，能够实现对产品的快速拾取和分级放置，并且可与视觉系统相结合，调整动平台的旋转角度，实现对不同姿态产品的拾取；该机器人具有高速、高加速度运动能力，同时还有刚性好、受力均匀、定位精度高等特点。\n[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：\n[0007] 本发明所述的一种三维平动和一维转动的高速并联机器人，包括机器人机械本体结构、控制系统和视觉系统。通过控制系统和视觉系统的结合，控制机器人的机械本体结构达到所需的运动动作。\n[0008] 所述机器人机械本体结构包括固定平台、驱动机构、支链和动平台。固定平台用于安装固定整台机器人，使机器人具有一个平稳的工作环境；驱动机构带动支链和动平台实现四自由度运动；四条支链结构相同且轴对称均匀布置，支链上端连接驱动机构，末端连接动平台，实现动作的传递过程；动平台通过四条支链间的耦合运动具有三维移动和一维转动四个自由度，动平台带动末端执行器在运动空间内实现四个自由度的运动，其中，三维平动与实际运动同步，一维转动需经过放大机构放大可达到实际需求的旋转角度。本发明的一种三维平动和一维转动的高速并联机器人的四个自由度可实现对产品的高速、平稳的抓取和分级放置。\n[0009] 固定平台，其上设有安装孔，用于并联机器人的安装和电机支撑架的定位连接；固定平台上有四个电机支撑架，四个电机支撑架在固定平台轴对称安装，其上安装有上限位块的上限位支撑板以及带限位开关的传感器安装架；\n[0010] 驱动机构由伺服电机和减速器组成，固定安装在电机支撑架上，通过输出法兰与支链上臂连接。\n[0011] 支链包括主动臂、球关节、从动臂、从动臂拉簧、球关节连接件、从动臂连接销和销端螺母；四条支链结构相同且轴对称均匀布置，其中，主动臂上端连接驱动机构的精密减速器输出法兰，另一端通过两个球关节分别连接两个相互平行的从动臂，从动臂两端带有球关节连接件，与球关节之间通过从动臂连接销和销端螺母固定连接，相对应的销端螺母上挂有从动臂拉簧。\n[0012] 动平台平行四边形机构由动平台连接板、动平台支架、旋转关节、轴承座支架、带轮连接架和末端执行器放大机构；两个动平台连接板相互平行，并且分别连接相对应的支链从动臂下端的球关节；两个相互平行的动平台支架通过旋转关节与两个相互平行的动平台连接板连接组成动平台平行四边形结构；所述旋转关节通过密封角接触轴承安装连接。\n[0013] 末端执行器放大机构包括小同步带轮、大同步带轮、同步带和末端执行器法兰；大同步带轮通过带轮连接架固定安装在一个动平台支架上；小同步带轮通过末端执行器法兰和角接触球轴承安装连接在另一个动平台支架上，使小同步带轮相对于该动平台支架具有旋转运动；同步带传递二者之间的旋转运动，使末端执行器法兰的旋转角度达到±180°，末端执行器法兰上安装末端执行器。\n[0014] 所述控制系统，包括网络化可编程控制器、双总线、高速IO扩展模块和伺服控制器。所述控制系统以网络化可编程控制器为核心，通过双总线与高速IO扩展模块组成网络。其中可编程自动化控制器用于逻辑处理和数据运算并发出报文；双总线用于网络化可编程控制器与高速IO扩展模块间的数据传输；高速IO扩展模块用于接收网络化可编程控制器发出的报文，并输出高速脉冲给伺服控制器，还用于负责其他IO信号的读入与输出；\n伺服器用于完成对伺服电机的闭环控制。\n[0015] 所述视觉系统，主要包括摄像头、图像处理器及外接传感器。所述外接传感器用于检测被捡产品；摄像头用于被捡产品的图像采集；图像处理器对被检产品的图像经过平滑滤波，对比度增强，边缘提取，二值化等处理，与产品标准模板进行相似度匹配，提取出被检产品的坐标值与偏转角度，通过网络发送给网络化可编程控制器。\n[0016] 本发明的效果和益处是：\n[0017] (1)本高速并联机器人具有四个自由度，能够实现空间三维平动和一维转动，提高了该类机器人的工作能力；\n[0018] (2)本高速并联机器人的支链和运动平台均轴对称均匀布置，使机构无空间奇异位置且受力均匀，并提高了机器人的整体刚性；\n[0019] (3)本高速并联机器人通过控制系统与视觉系统相结合，使机器人机械本体结构能够实现对不同姿态产品的高速自动拾取和分级放置；\n[0020] (4)本高速并联机器人通过网络化控制系统的实时通信，使该机器人能够在高速及高加速度的情况下具有稳定的运动性能和精确定位。\n附图说明\n[0021] 图1是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人的轴视图。\n[0022] 图2是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人的正视图。\n[0023] 图3是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人动平台的俯视图。\n[0024] 图4是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人动平台的剖视图。\n[0025] 图5是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人支链的轴视图。\n[0026] 图6是本发明一种三维平动和一维转动的高速并联机器人的网络结构图。\n[0027] 图中：Ⅰ固定平台，Ⅱ驱动机构，Ⅲ支链，Ⅳ动平台；\n[0028] 1定平台，2上限位支撑板，3球关节，4上限位块，5伺服电机，6主动臂，7销端螺母，8从动臂拉簧，9从动臂，10球关节连接件，11传感器安装架，12减速器，13限位开关，14电机支撑架，15动平台连接板，16旋转关节，17动平台支架，18末端执行器法兰，19大同步带轮，20动平台支架，25轴承座支架，21角接触球轴承，22小同步带轮，23带轮连接架，24同步带，26从动臂连接销。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。\n[0030] 本发明的一种三维平动和一维转动的高速并联机器人包括机器人机械本体结构、控制系统和视觉系统三部分；通过其中的控制系统和视觉系统的结合，控制机器人机械本体结构达到所需的运动动作。\n[0031] 机器人机械本体结构的实施方式\n[0032] 如图1所示，机器人机械本体结构由固定平台Ⅰ、驱动机构Ⅱ、支链Ⅲ和动平台Ⅳ组成，采用电控系统驱动，实现动平台Ⅳ的三维平动和一维转动，并结合视觉系统对产品的准确拾取。\n[0033] 固定安装在电机支撑架14上的伺服电机5经减速器12上的输出法兰将运动传递给主动臂6；驱动机构Ⅱ为与其连接的主动臂6提供了一个转动自由度，主动臂6通过球关节3带动从动臂9运动，由从动臂9和球关节3组成的平行四边形机构将运动传递给动平台连接板15；动平台Ⅳ通过四条支链间的耦合运动实现三维移动和一维转动；其中，组成动平台平行四边形结构的动平台支架17之间相互错动带动固定安装在动平台支架间17上的大同步带轮19同步错动，使大同步带轮19与小同步带轮22的安装位置产生45°的错动角度，经同步带24连接，使小同步带轮22的旋转角度得到放大，与小同步带轮22同步的末端执行器法兰18的旋转角度达到±180°。\n[0034] 控制系统的实施方式\n[0035] 控制系统以网络化可编程控制器为控制核心，通过双总线与高速IO扩展模块组成网络，双总线的实时通信完成网络化可编程控制器与高速IO扩展模块进行数据交换；网络化可编程控制器将计算好的各个伺服电机的运行数据放入到报文中，在经过每个高速IO扩展模块时，高速IO扩展模块获取各个伺服电机的运行信息，报文在经过所有高速IO扩展模块后返回到可编程自动化控制器，完成一个周期的通信；高速IO扩展模块在每个通信周期中接收到伺服电机下一个的运动位置、速度与加速度信息，将其转换成高速脉冲输出，最终控制各个伺服电机运行。\n[0036] 视觉系统的实施方式\n[0037] 视觉系统通过外接的传感器检测到被捡产品，触发摄像头进行图像采集，采集到的图像经过图像处理器的平滑滤波，对比度增强，边缘提取，二值化等处理后，与产品标准模板进行相似度匹配，如果匹配成功，则提取图像的坐标值及偏转角度的信息，然后通过网络将信息传送给可编程自动化控制器。\n[0038] 本发明的整体运行过程\n[0039] 如图6所示，本发明的一种三维平动和一维转动的高速并联机器人采用网络化可编程控制器与高速IO扩展模块相结合的网络化控制结构，视觉系统通过图像处理器将摄像头采集到的产品图像与标准模板进行相似度匹配，然后提取产品坐标值及偏转角度的信息发送给网络化可编程控制器，网络化可编程控制器对机器人动平台位姿进行反解计算，并将计算的结果换算成脉冲值，封装成报文发送给高速IO扩展模块，高速IO扩展模块在每个通信周期中接收到新的报文，提取出控制信息，控制四个伺服电机的输出位移和运转方向，保证动平台完成对产品的高速自动拾取和分级放置。