平面多关节SCARA机器人搬运应用机器人本体部分姚震宇论文最终打印版.docx

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平面多关节SCARA机器人搬运应用机器人本体部分姚震宇论文最终打印版

　　毕业设计

平面多关节SCARA机器人搬运应用机器人本体部分

姓名：

姚震宇　　

学号：

13020019　　　　

班级：

13电气1　　

专业：

　电气工程及其自动化　

所在系：

自动化工程系

指导老师：

孔祥迪　　　

平面多关节SCARA机器人搬运应用机器人本体部分

摘要

从生活中我们知道，工业机器人自动化生产在生产生活中占重要地位，我国国内市场需求也在行业转型的推动下迅速增长，2014年就成为全球最大的机器人市场。

我国现在已是全球最大制造业国家，有全球工厂的称号，但是很大程度都是国内制造业当中大量的劳动密集型产业供献出来的。

对我们来说，现在这个阶段如果想要保住我国在全球的市场地位，必定要进行相关的技术大升级，大力发展劳动生产力。

机器人技术现今广泛应用于工业生产等行业,实现了替代人力工作。

平面多关节SCARA机器人，也叫关节手臂机器人，是现阶段工业生产中最最普遍的工业机器人的形式。

大量劳动密集型行业正在使用关节机械手臂设备替代人工操作流水线作业，使生产方式得以革新，效率大大提高。

近年来，每个发达国家纷纷制定符合自己国家工业发展的复兴计划以加强自己国家制造业的竞争力。

将来，机器人技术必将成为引领世界工业再发展！

本次设计采用YAMAHASCARA机器人完成生产线输送搬运。

为实现准确的物料追踪及抓取，设计了相应的识别及追踪方案，采集位置及运动轨迹，进行插补计算。

视觉识别系统在许多行业中已得到应用。

通过视觉识别系统，可在高速连续的生产线上准确的抓拍物体的平面坐标及旋转角度。

通过计算机技术、相应的YAMAHA机器人语言和YAMAHA机器人设计软件（RCX-Studio、iVY2Studio等），结合YAMAHASCARA机器人手册、YAMAHA追踪设计手册和YAMAHA视觉使用手册完成相应的设计。

关键字:

工业机器人;YAMAHASCARA机器人;视觉识别系统

PlanarMultiJointSCARARobotHandlingRobotBodyPart

ABSTRACT

Weknowfromlife,industrialrobotautomationproductionoccupiesanimportantpositionintheproductionoflife,topromoteChina'sdomesticmarketdemandintheindustrytransformationoftherapidgrowthin2014tobecometheworld'slargestrobotmarket.Chinaisnowtheworld'slargestmanufacturingcountry,thetitleoftheworld'sfactories,butalargepartofthedomesticmanufacturingindustry,whichisalargenumberoflabor-intensiveindustriestooffer.Forus,atthisstage,ifyouwanttopreservethestatusofourcountryintheglobalmarket,itisnecessarytocarryouttherelevanttechnicalupgrading,andvigorouslydeveloplaborproductivity.Robottechnologyisnowwidelyusedinindustrialproductionandotherindustries,toachievethereplacementofhumanwork.PlanarmultijointSCARArobot,alsoknownasjointarmrobot,isthemostcommonformofindustrialrobotsinthecurrentstageofindustrialproduction.Alargenumberoflabor-intensiveindustriesareusingjointmechanicalarmequipmenttoreplacethemanualoperationoftheassemblyline,sothatthemodeofproductioncanbeimproved,greatlyimprovedefficiency.

Inrecentyears,eachdevelopedcountryhasdevelopedaplantomeetthenationalindustrialdevelopmenttoenhancethecompetitivenessofthenationalmanufacturingindustry.Inthefuture,robottechnologywillbecometheleadingindustryintheworld!

ThisdesignusesYAMAHASCARArobottocompletetheproductionlinetransportation.Inordertorealizetheaccuratematerialtrackingandgrasping,thecorrespondingrecognitionandtrackingschemeisdesigned,andthepositionandtrajectoryarecollected.Visualrecognitionsystemhasbeenappliedinmanyindustries.Throughthevisionrecognitionsystem,theplanecoordinatesandtherotationangleoftheobjectcanbeaccuratelycapturedonthehighspeedcontinuousproductionline.Throughthecomputertechnology,thecorrespondingYAMAHArobotandYAMAHArobotlanguagedesignsoftware（RCX-Studio,iVY2,Studioetc.）combinedwiththeYAMAHASCARAmanual,YAMAHAtrackingrobotdesignmanualandYAMAHAvisualmanualtocompletethecorrespondingdesign. 

KeyWords:

IndustrialRobot；YAMAHASCARARobot；VisualRecognitionSystem.

目　　录

第一章　绪论1

1.1课题的研究目的与意义1

1.2工业机器人的市场需求1

1.3国内外发展现状2

1.4主要研究内容及本文基本结构3

第二章　课题设计方案的选型5

2.1SCARA机器人的优势5

2.2计米轮和编码器介绍6

2.3控制系统单元7

2.4机器人视觉系统8

2.5小节10

第三章　SCARA机器人系统硬件的设计11

3.1视觉识别系统硬件分析11

3.2视觉识别系统主要硬件选型11

3.2.1选择具体的主体控制器类型12

3.2.2相机的选择与应用介绍12

3.2.3机器人选型15

3.3雅马哈控制器RCX34015

3.3.1RCX340的外观15

3.3.2控制系统17

3.3.3RCX340控制器电源连接17

3.3.4输入输出接口18

3.4小节20

第四章　SCARA机器人视觉控制系统软件设计21

4.1控制系统工作流程21

4.2　IVY2Studio使用步骤22

4.3　IVY2系统的软件设置22

4.3.1iVY2单元的连接设置22

4.3.2确认电脑与iVY2单元的连接23

4.3.3使用iVY2Studio前的设置24

4.3.4连接IVY2Studio与iVY2单元29

4.4详细追踪说明30

4.4.1参数说明30

4.4.2摄像机标定和输送机校准方法31

4.5程序设计32

4.5.1程序的编写32

4.5.2程序的检查34

4.6　小节36

第五章　总结与展望37

参考文献38

致　　谢39

第一章　绪论

1.1课题的研究目的与意义

本课题的主要来源是人们在生产实践中对工业机器人的需求。

随着社会快速发展，机器人在各种行业中扮演了各种角色，同时也因为科技的快速进步，工业机器人的需求量变得日益增长。

出于这个原因，传统人工作业在与其相比较下的局限性和缺陷体现的也日益突出。

因为工业自动化智能技术一天又一天的进步和发展，工业机器人越来越成为国内外高新技术企业研究的智能技术产品，并将其应用和推广到生产生活的方方面面。

工业机器人技术的产生和发展有它的必然性。

人们越来越多的使用工业机器人，机器人从而不断改变着人类的工作和生活方式，智能机器人技术也可能引领人类的第三代工业革命的。

“十三五”时期是我国机器人行业发展的重要时期，应该把握国际机器人产业发展趋势，整合优势机器人的资源，制定相关发展对策，抓住机器人行业发展机遇，营造机器人行业良好发展环境，促进我国机器人产业实现又快又好的发展。

机器人行业的发展受到地球各国的密切关注，我国在许多发展规划中设置了机器人行业相关发展规划，鼓励机器人行业健康快速稳定的发展。

如何让机器人又快又好又稳定工作起来，就需要对各种学科进行探索。

来保确定机器人能正常工作，并遵从人们所预想的动作去行动。

这样需要控制系统、驱动系统和感知系统实现以上功能。

机器人是一个特别特别让人难以理解的系统工程，是很多很多的知识组成。

1.2工业机器人的市场需求

如今，因为工人工资不断上涨，生产领域大家普遍开始使用机器人代替工人，由此工业机器人的市场开始变大。

地球各个国家争先恐后研究、规划、制定符合自己国家工业发展的复兴政策来增强自己国制造业的能力。

美国再工业化和工业互联网战略、德国工业4.0战略、日本机器人新战略、欧洲火花计划、韩国机器人强国战略、新工业法国、中国制造2025战略，全部将发展重点瞄向机器人。

机器人将对全球科技创新和产业格局带来重大的影响。

我国工人工资相比几年前的翻了好几倍，在如此的情况下，使用机器人变换成为智能生产，也是我国的战略。

国内企业引入机器人既能减少用工成本，又可以提升生产效率和产品质量。

据数据，2010年，我国工业机器人销量为1.50万台；2011年达到2.26万台，同比增长50.7%；2013年达到3.66万台，同比增幅达60%；2014年达到5.71万台，同比增长56%，占全球销量的四分之一；2015年达6.6万台，占全球销量的27.02%；2016年达8.2万台，占全球销量的28.18%。

如我国已经连续五年成为地球上工业机器人买入量最多的国家。

现如今这个阶段，机器人产业发展在全地球范围内加速，大概2017年的全世界工业机器人卖出量将继续大幅度的增长，卖出量也许飙升至30万台。

1.3国内外发展现状

目前，国内外工业机器人的技术发展水平差距很大，一些发达国家的机器人技术远远先进于国内。

现如今这个阶段国际机器人市场估计有82亿到110亿，尤其是工业机器人占比最多。

大概到2025年，整个工业机器人市场将达到500多亿，服务机器人从原来的300多万台增到1200多万台，美利坚合众国和日本国一直代表着工业机器人发展方向，是地球上工业机器人方向的最完美水平。

现今这个阶段全球卖出的10000多台军事方面的机器人有70%来自美利坚合众国。

美利坚合众国最近研发的军用机器人，表示拿起120公斤很轻松，而且还能运动的跟人行走速度一般，也就6km/h，能够自由行动于各式各样的地方，就算旁侧受到敌人进攻，还可以继续完美运行，非常靠谱。

我国的机器人相关技术发展大体可以分为三个阶段。

从20世纪80年代开始起步，1990年开始展头露角并得到了一定的发展，在21世纪初开始进入到机器人加快生产的时代。

21世纪第十年后，我国工业机器人在工厂工作的情况越来越普遍，在这个阶段工业机器人生产链开始又快又好的发展了。

在我国攻关和我国工业机器人加速发展等计划支持下，1990年开始，一部分有自己专利的焊接、组装、抓取、搬运、堆垛等高科技工业机器人全面出世，使得我国工业机器人在生产生活的方方面面都走出了重要的一步步。

现今这个阶段，国产工业自动化机器人开始大批大批的出口，国内各种各样的工业自动化机器人企业拥有了毁天灭地的技术实力，2014年国产工业自动化机器人销售总量轻轻松松的超过12000多台。

在这种情况下，我国政府继续无条件努力支持工业自动化机器人产业的建设，如今凭借我国相关政策已经形成了以安徽埃夫特机器人公司、广州数控机器人公司、广东拓斯达机器人公司等为行业代表的众多工业自动化机器人公司，使我国加快推进工业机器人产业建立了坚实的地基。

21世纪第13年，由我国政府联合各家工业自动化机器人公司组成了中国工业自动化机器人研发生产销售技术支持同盟会。

同盟会将以各家的生产线为依托，汇集各家有创意的设计、实行取其精华，去其糟粕政策、牵手共同面对、有钱一起赚的协同作战的方式，一起提升产业附加值，实现又快又好的发展。

虽然我国工业机器人实业发展水平相当好，但就现今这个阶段国产工业机器人市场份额几乎可以忽略，工业机器人公司名称很多无人知晓。

据可靠情报显示世界四大工业机器人公司：

瑞士ABB、日本发那科、日本安川电机、德国库卡，其中无一中国公司，然而它们却占有了世界工业机器人市场多达95%，然而我国工业机器人制造商的份额基本可以忽略不计。

1.4主要研究内容及本文基本结构

本选题主要来源于生产生活中人类工业自动化对机器人的需求越来越大了，随着科技技术的一天天发展，机器人的应用范围也日益增大。

传统的人工作业的缺点表现的日益明显。

目前，人工作业存在着许多不确定因素，使用机器人可以节约成本，提高工作效率，更大程度保护劳动人民的生命安全，更加方便企业进行管理，但由于技术限制和人们对该技术的怀疑，使得机器人的推广受到了巨大的限制。

本课题研究的主要问题中有如下面几个：

1.插补计算的研究与应用

2.机器人各个模块的应用与实现

3.相应的识别及追踪方案的设计与实现

4.机器人视觉系统的软件调试

本文的研究方法和手段有如下几个方面：

首先，通过对课题进行了理性的研究与分析，初步认知课题的现实性与实用性。

其次，在图书馆根据需求查阅有关资料，学习相关的理论知识，了解所需的专业技术知识并对产品有初步的设计思路。

然后对其硬件进行设计，最后使用电脑，进行软件设计。

本文的研究步骤如下：

阅读任务书，了解课题内容，明确具体要求。

对产品进行深入分析。

提出合理的设计方案。

查阅参考文献与相关资料，进行筛选。

使用计算机进行软件设计。

进行相应的调试。

本文的结构大致如下：

第一章：

前言，阐述工业机器人的研究目的和意义以及市场对它需求和目前国内外发展状况。

第二章：

课题设计方案的选型，介绍了平面多关节SCARA机器人的优势、计米轮、编码器、机器人控制系统和机器人视觉系统。

第三章：

机器人视觉部分的硬件选型，机器人控制器的具体分析以及相关技术说明。

第四章：

这章主要介绍了基于YAMAHASCARA机器人的控制器RCX340和IVY2视觉系统的软件和硬件的连接，这部分很关键，直接影响到成功与否。

接着进行相关的软件初始化设置，最后我自己再编写相关的雅马哈机器人语言，进行仿真，无误后基本可确定实现了本课题的要求。

第二章　课题设计方案的选型

2.1SCARA机器人的优势

SCARA机器人，即SelectiveComplianceAssemblyrobotArm，又名水平多关节机器人，是工业机器人家庭应用非常广泛的一个构型。

图2.1SCARA机器人结构图

Fig.2.1SCARARobotstructurediagram

SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向[1]。

另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。

手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1和φ2，及移动关节的位移z决定的，即p=f（φ1,φ2,z）[3]，这类机器人的结构轻便、响应快，SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。

它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。

1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA机器人，该机器人具有四个轴和四个运动自由度（包括沿X,Y,Z方向的平移和绕Z轴的旋转自由度）[4]。

SCARA系统在x,y方向上具有顺从性，而在Z轴方向具有良好的刚度，此特性特别适合于装配工作[2]。

SCARA的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等[5]。

在现在这个阶段SCARA机器人已经广泛应用于很多很多工业领域。

它的主要职能是搬取工件和装配工作。

它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性[6]。

由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。

SCARA机器人可以被制造成各种大小，最常见的工作半径在100毫米至1000毫米之间，此类的SCARA机器人的净载重量在1千克至200千克之间[7]。

SCARA机器人的特点是负载小、速度快，因此其主要应用在快速分拣、精密装配等3C行业、食品行业等领域。

2.2计米轮和编码器介绍

计米轮即计米器，主要功能是在长条形材料加工设备上作精密长度测量的标准工具，普遍使用于工程机械。

图2.2计米轮实物图

Fig.2.2Metercountingwheelphysicalmap

特点：

1.本课题所使用的计米轮是由特殊耐磨防滑质量非常好的橡胶塑料材料与高纯度的铝合金轮架结合而成，用于长时间精准计量工具；

2.它的内部数字电路非常高级，完全采用进口器件，国产的可能不是很靠谱，整体性能既可靠又很稳定，还能够抵御强大的外部干扰。

性能参数：

输出脉冲

1脉冲/米（型号CDJM1）10脉冲/米（型号CDJM2）100脉冲/米（型号CDJM3）

电源电压

DC12V±10%

计长误差

≤5‰

输出脉冲电平

高电平DC11.5V低电平DC0.3V

适用环境

海拔：

<1000m环境温度：

0℃~60℃相对湿度：

≤85%无腐蚀性气体和粉尘的场合。

编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备[8]。

图2.3编码器实物图

Fig.2.3Encoderphysicalmap

编码器就是把角位移或直线位移转变成电信号。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小[9]。

2.3控制系统单元

图2.4控制系统单元图

Fig.2.4Controlsystemunitdiagram

IVY2机器人视觉模块具有非常强大的画面捕捉功能，它可以做到将光学图像转变成为模拟或数字图像，并将其输出至图像处理单元，可以完成图像采集单元数据的快速存储，并使用图像处理软件来对其进行相应的图像处理，能够达到传统机型约2倍的搜索速度，数量较多的工件也能高速检测[11]。

它即使面对贴近的工件和奇形怪状的工件也能进行非常精密的边缘检测[10]。

使用其配套的软件IVY2-studio可监控校准设置中和自动运行中的搜索情况（输出内容：

选择品种/捕捉图像；搜索结果（位置·刻痕·比例）；已执行的命令；命令所需时间），大大减轻了PC计算机的负担，提供了简单、高性能、可靠的支持。

其最大的特点就是仅使用机器人程序即可统一控制（使用RCX340控制器）。

2.4机器人视觉系统

视觉系统如图2.5所示。

不同种类的工件被随机放置在传送带上，图像采集设备获取目标物体样式，由计算机识别目标类型并提取实时坐标，将上述信息传递到控制器，进而导引机器人完成工件分拣工作。

图2.5视觉系统运行过程

Fig.2.5Visualsystemoperationprocess

该系统主要由工件传送单元、图像捕捉部分、信息处理单元以及机器人与控制器单元等部分组成。

工件传送单元主要由传送带，计米轮和编码器等构成。

本课题中分拣的物件是铁碗，他们都具有金属光泽，与工件传送带形成了较大的颜色反差，这有助于实现对目标工件的准确识别与跟踪，为更好的完成分拣抓取任务提供了必要基础。

图像捕捉部分由工业相机与光学镜头、图像追踪板卡以及补光设备构成。

光源作为分拣平台的照明设备，被固定在传送带的两侧，用以消除工件自身的阴影。

工业相机连续拍摄传送带上的目标工件，并将获取到的信息传递到图像追踪板卡中，为后续图像处理做好必要准备。

信息处理单元主要由计算机构成。

该单元对视频序列进行一系列处理，其中包括采用相应视觉算法对目标工件进行识别和跟踪，进而获取到目标种类及其位置坐标，将该信息传递给机器人控制器，进而控制机器人完成分拣任务。

该部分是整个系统的核心，具有分析图像信息以及给出控制信息的重要作用，是连接自动控制系统中传感器和执行器的桥梁。

机器人与控制器单元主要是由基于平面多关节SCARA的四轴机械手臂和其相对应的控制器所构成。

机器人与控制器通过专用的电缆进行连接，控制器配有正常接口，使用该接口可与PC进行数据通信。

主机将控制信号传递给机器人控制器，进而控制机器人的关节运动，即可完美完成成分拣工件的抓取作业。

2.5小节

本章介绍了SCARA机器人相比于其他机器人的优势，详细介绍了我们所使用的相应的计米轮和编码器的相关参数，我们选用了雅马哈最新款的RCX340控制器，超高清的摄像头和目前顶配版的机器人视觉系统IVY2，只为更好的完成课题的要求。

第三章　SCARA机器人系统硬件的设计

硬件的堆砌就如同盖房子前打地基一样重要，它将直接影响到整个系统的正常运转。

硬件的核心是主体控制器，它有着无可替代的作用，因此选择一款合适的主体控制器至关重要。

为了使得设计的整个系统体积小，工作效率高，能耗低，更加丰富的扩展性，本文选用雅马哈最新款的控制器RCX340作为主体控制器，并在此基础上设计基于RCX340的机器人视觉系统系统。

3.1视觉识别系统硬件分析

视觉系统如图3.1所示。

工件被随机放置在传送带上，图像采集设备获取目标物体样式，由计算机识别目标类型并提取实时坐标，将上