1、第四屆臺達杯高校自動化設計大賽DELTA III 參賽方案書廈門大學機械獵人隊參賽編號：delta2017152隊員：王玥 金廣垠 張巖指導教師：李繼芳目錄1 任務分析41.1 項目背景和意義41.2 系統需求分析51.3 系統主要任務和應用簡介61.3.1 DELTA III 系統設計任務61.3.2 DELTA III 具體應用任務7二、系統方案設計82.1 系統總體結構簡介92.2 系統主要功能實現方案設計113 運動學分析133.1 坐標系的建立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、機械結構設計174.1 Delta III 外觀184.2 機械結構設計184.3 其他零件表21五、電氣結構設計225.1 選型225.2 選型.225.3 選型電氣圖紙設計245.3.1 系統進電總框圖245.4.2 信號圖245.4.3 布局圖245.4 參數配置表24六、程序設計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 程序界面設計296.2.1 程序操作流程圖296.2.2 界面結構圖296.2.3 界面設計306.3.MODBUS 通信

3、程序336.4 底層運動程序設計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 基礎上，設計開發四自由度DELTA 機械手，并基于視覺完成分揀、堆疊物塊、排列物塊任務，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 機械手是一種并聯人，同時 DELTA III 含有視覺識別能力，屬于第三代智能人。并聯人是一類全新的人，它具有剛度大、承載能力強、精度

4、高、自重負荷比小、動力性能好等一系列優點，Delta并聯人是最典型的空間三自由度移動的并聯機構，Delta 機構整體結構簡單、緊湊，驅動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有良好的運動學和動力學特性。目前 Delta 并聯機械手已被公認為速度最快的人之一，是高速搬運輕質物料的理想工具。由于 Delta 并聯人采用閉環機構，其末端件上的動平臺同時由 4 根驅動桿支撐，與串聯人的懸臂梁相比，其承載能力高、剛度大，而且結構穩定，所以 Delta 并聯人在電子、輕工、食品與等行業中得到了廣泛的應用。Delta手屬于高速、輕載的并聯手，一般通過示教編程或視覺系統捕捉目標物體，由四個并聯的伺服軸確定抓具中心

5、（TCP）的空間位置，實現目標物體的，等操作。Delta手主要應用于食品、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用。21 世紀以來，Delta 系列人更呈現出高速、高精度、靈活性等發展方向近幾年來，工業需求刺激與專利保護解限、柔體動力學的發展與輕量化結構應用、虛擬平臺與多領域新技術等使得 Delta 系列人更加成為研究熱點Delta 系列機構人的綜合設計與優化為近年來研究熱點與重點，受到了國內外學者的極大關注，主要從運動學尺度綜合、動力學尺度綜合、彈性動力學優化、精度標定等層面展開。我們在設計 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與人類視覺有關的某些智能行為, 從客觀事物的圖像中提取信息進行處理,并加以理解,最終用于實際檢測和.主要應用于如工業檢測 、工業探傷 、精密測控 、自動生產線、郵政自動化 、糧食選優、顯微醫學操作以及各種場合工作的人等 .機器視覺是在 20 世紀 50 年代從統計模式識別開始，當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 70 年代才真正開始發展，并涌現出了主動視

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視覺技術是整個 DELTA III 的技術特色，視覺技術提供了對任務中的擬工業場景的測量結果和對操作目標的預判，是后續操作機械手的前提，當然整個過程中機械手的操作和視覺技術的結合無處不在。我們的 DELTA III 是順應工業發展的趨勢而提出的，我們基于并聯人中的 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，實現多種功能，可用于各種高速輕載的電子化工工業場合，提高生產效率，降低人力成本。1.2 系統

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 系列器使開發更為方便。同時我們增加了視覺識別系統，即具有了圖像處理功能，使用視覺來進量和獲取數據量，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。我們設計的分揀任務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。我們設計的印制標識任務可用在商標等在上的印制。DELTA III 還可用于如嬰兒紙尿布的生產的多層材料的

9、連接上，功能的擴展性極強。據總部設在德國的國際人會報告，中國是全球發展最快的工業人市場。從 2005 年到 2012 年，中國內地人銷售量平均每年增加 25%，20125年已達到 2.7 萬個。該會中國工業人的市場需求會在 2014 年開始爆發，到 2016 年中國將成為最大的市場。2010-2014 年，受到下游、食品等行業規模較快增長，自動化水平逐步提高，工業人需求量較快增長的影響，中國工業人需求量出現高速增長，2014 年工業人需求量達到約 6.14 萬臺，同比增長約為 30.3%。國內工業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，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，必定在這些行業中有強大的需求。且國內的機器人發展剛剛起步，所以本項目的 DELTA III 的還是有一定的競爭力的，因為國內沒有強大的用于高速輕載的含視覺識別的人的生產廠家，而國外的廠商還沒有占領市場，所以需求還是很大的。1.3 系統主要任務和應用簡介1.3.1 DELTA III 系統設計任務1.機械結構設計任務主要包括主動臂、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定性及振動等性質和連接緊密牢固與否密切相關。動平臺的設計則要考慮真空吸盤的放置，旋轉體與伸縮桿的連接，而且動平臺要設計成內外環分立的結構，真空吸盤放置在內環，伺服電機通過萬向伸縮桿傳遞扭矩，驅動內環的角度調整，從而實現吸盤與工件的對準，外環與從動臂連接，要在外環上設計連接結構保證連接剛度和穩定性。整個機械結構的設計是 DELTA 中最基本、最重要的部分之一,對電氣結構和程序有相當大的影響。2.電氣結構設計任務由于是對原來已有的 DELTA 機械手進行全新的改造，其中原有的伺服電機、等電氣元件、視覺識別系統（相機、鏡頭、光源等）仍然保留，換用了

12、 ASDA-MS系列驅動一體機和傳送帶、三相電機等新的電氣元件，所以要重新設計電氣元件的布局和接線和電控部分的邏輯結構，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。正確的完成各類電氣圖紙是進行實物連接的6保證和前提。3.程序設計任務程序設計又分為以下三點：（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系的平移運動來實現特定的動作的，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、系統獲取在傳送帶上恒定速度運動的工件的圖像進行識別并抓取后，根據識別系統傳回來的識別結果計算工件與目標區域的位置和角度差，將得到的圖像坐標經由手眼標定得到的轉化關系轉化成機械手的坐標，使機械手沿一定的軌跡前往工件所在坐標，離到達工件坐標一定距離前打開吸盤，在到達工件所在目標并吸取工件后，上位機通過 RS485指令給 PLC，PLC 再指令使步進電機帶動真空吸盤旋轉由圖像處理得到的角度差值，到達點后，吸盤關閉工件，等待一定時間后，吸盤回到之前未轉動的位置，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，相機的是程序實現對硬件的第一步。圖像處理是實現 D

14、ELTA PLUS 功能的基礎，所有的功能都要進行圖像、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設置決定了功能實現的好壞，因此圖像處理是整個程序的關鍵。這三個方面的都要通過上位機的程序進行統籌協調，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、程序三個方面的設計是協調統一的，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 具體應用任務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，根據包裝盒的方位，以其為基準，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工件的位置并抓取工件，傳送帶繼續運械手抓取工件之后移動到容器所在區域，邊移動邊轉動真空吸盤，調整工件的方位，使其與包裝盒方位相吻合，在包裝盒上方將真空吸盤關閉，將工件放入包裝盒之中。2. 物塊堆疊任務機械手啟動后根據鏡頭預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，根據物塊 1 的角度和坐標，以其為基準，快速移械手使其到達物塊 1 所在位置，并同時旋轉動平臺，將手爪上的物塊旋轉到合適的角度，機械手移動到工件正上方 2-3mm 執行放下物塊操作。3. 物塊排列任務機械手啟動之后根據視覺傳輸的物塊 1 的角度計算物塊 2 和物塊 3 應當旋轉的角度，先抓取物塊 2，中間軸對其旋轉一定角度的同時機械手臂跟隨物塊到達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機械手排列變成平行排列。二、系統方案設計82.1 系統總體結構簡介上一屆參賽的 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，接觸器及按鈕和 PLC器等電氣元件3.運動軸卡、伺服驅動器、伺服電機及機和機械臂單元4.包含步進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 機械手系統結構圖而我們的 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，接觸器及按鈕等電氣元件. 驅動一體機、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雜，同時我們的機械臂是部分重新設計的，因為原本 DELTA P

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

19、、關節軸承、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，并通過關節軸承帶動從動臂，從動臂通過關節軸承帶動動平臺，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，動平臺旋轉體通過萬向伸縮桿連接位于靜平臺中心的伺服電機，旋轉體連接真空吸盤進行抓取等操作。對比之前參賽的 DELTA III 機械手的結構，伺服電機直接旋轉體和吸嘴運動，增強了穩定性和承載能力，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卡相機。其次是機械手的，上位機程序命令到驅動器調用某一段寫好的DRAS 程序或者改變某一部分內存代表的參數或者自設的變量，驅動器內部運行程序來電機以不同的參數運行，伺服電機帶動機，機帶械手實現運動。同時通過驅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 系統主要功能實現方案設計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構。驅動器通過

21、千兆網卡連接至 PC 端，通過modbusTCP 協議與主機進行通訊。四臺 200W 的 ECMA 伺服電機與驅動器連接，伺服電機通過編碼反饋給驅動器，三臺機械臂的伺服電機與法蘭式機連接，三臺機與相應機械手臂相連接。這樣，程序通過驅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動器上的編碼11器接口，在經過 modbus TCP 協議通過網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、千兆網卡以及相應的光源，選擇千兆網卡的是上位機是比較老的機型，只有百兆的網卡，沒有千兆的網卡，而相機獲取的圖像數據量比較大，只有用千兆網卡來傳輸數據才不至于丟幀，在圖像方面才比較有效和穩定。光源調整現場的亮度以保證到清晰的能順利進行圖像處理的圖像。上位機程序直接通過千兆網卡相機進行圖像，到的圖像通過千兆網卡傳回上位機程序進行圖像處理，經過圖像處理獲得有效的輸出參數已進行下一步的操作。（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，通過通訊程序傳入器內存供運動程序調用

23、使機械手運行至相應位置。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該追趕的距離。通訊部分采用的是 modbus TCP 協議，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 運動學分析3.1 坐標系的建立圖 3.1 機構模型圖圖 3.2 機構簡化圖首先，是對機械手的運動學分析。人的運動學分析是當已知人的主動件位置時,求解其末端構件的位姿稱作位置正解

24、。或根據人的末端構件的位姿求解其主動件位置稱為位置反解。在并聯人位置分析中,由于其結構特點,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人的具有實際意義。并聯人位置正解分析的方法主要分為法和數值法法的方法一般是從機構的運動學方程出發,經過一系列消元運算,使得機構的輸入輸出方程稱為只含有一個未知數的高次方程,這時就可以說得到封閉解。若得到的一元方程的次數不大于,解方程則不需要額外的迭代數值方法,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。數值法是可以應用于任何結構,計算較為簡單。因

25、此，我們應用數學知識分析，并用軟件進行，解決了運動學問題。為了方便求解三自由度平臺的空間位置關系,研究平臺的運動規律,首先將機構稍加改造,將三組平行四邊形閉環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動,相對于固定平臺姿態固定,機構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,在進行運動分析時,將機構簡化為圖 3.2 所示。接著建立動、靜兩個坐標系,標系 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,主動臂在電機的驅動下完成一定角度的反復擺動,再通過平行四邊形閉環和轉動副使動平臺作平移運動。對于該機構,求解位置反解即給定運動平臺的中心點在標系中的坐標,求解靜平臺的三個電機的旋轉角度,也就是三個主動臂對固定平臺的張角。運動學逆問題的求解是人的關鍵,因為只有使各關節變量按反解中求得的值運動,才能使末端操作器達到所

27、要求的位姿。位置反解的具體分析如下:圖 3.3 機械手坐標系如圖 3.3 所示,動平臺己知|OBi|=R，|OPi|=r，則點 Bi 在標系 O-XYZ中的位置矢量為:同理可得：P 在 O-XYZ坐標系下的坐標為：根據幾何學關系，得出 Ei 在 O-XYZ 坐標系下的坐標為：假設 OO在 O-XYZ 坐標系下表示為，那么 Pi 在 O-XYZ 坐標系下就可寫為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 PiEi=L2，根據坐標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：主動臂 2 參數：主動臂 3 參數：=+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平臺坐標的問題，對于動平臺坐標（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據：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、機械結構設計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節軸承連接（鋁型材連接角件、各部分連接處的螺栓螺母、及拉簧均未標出）。4.2 機械結構設計本機械手主動臂的設計采用鋁合金薄片，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，與相應的關節軸承通過螺紋連接。墊塊保證了兩從動臂之間的距離，關節軸承保證了從動臂在空間的靈活旋轉。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，使兩從動臂在轉動時，始終保持平行四邊形的同步運動。關

35、節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節軸承，該軸承為標準件，無需設計或，使用方便并降低機械手的成本。Delta III 采從動臂的形式，并用兩個關節軸承支撐從動臂的運動，較之前采用單一點支撐更加穩固，避免了繞支撐點因不穩定導致的晃動，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體的伸縮桿。該伸縮桿上下兩端均連接萬向聯軸器，以保證機械手的運動不被約束并且在中心電機轉動時能傳遞扭矩，帶動旋轉體一起運動。動平臺中

36、旋轉體的運動轉速與電機相同，由伺服系統可以直接測得。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計，并配有可以連接萬向聯軸器的平臺。圖 4.5 動平臺如圖 4.5，動平臺上方為一蓋板，內部有旋轉體和滾針推力軸承，旋轉體上伸出一短軸，可配合連接萬向聯軸器，萬向聯軸器與伸縮桿連接。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。本設計采用綠色設計以及面向可拆卸的設計原則。從的設計、制造、報廢、回收，關注了的全生命周期。簡化了對 Delta

37、 機械手的設計并減少了零件數量，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。連接方式上本設計多采用標準件連接，減少了非標準件的設計、制造及，節省時間的同時減少了材料的損耗，設計更為綠色。標準件的使用也使更易于拆卸、更換和重復利用。4.3 其他零件表表 4.1 其他零件的型號、數量表21名稱型號數量關節軸承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、電氣結構設計5.1 選型表

38、 5.1 臺達選型表表 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工業相機維視EM200C/M111工業鏡頭computarH0514-MP2112圖像卡維視MV-EGigE Dual113三相電頻器森創SD-20403114三相電機森創35BYG250B115真空吸盤SMCZPR16UN-06-A5116真空發生器SMC

39、ZH10BS-06-061序號名稱廠商型號數量1驅動一體機臺達ASD-MS-0721-F1224V 電源臺達AA60S2400A13伺服電機臺達ECMA-CA0602SS44編碼器線臺達ASDA2EB000345動力線臺達ASDA2PW030341、臺達選型：（1）選擇臺達 ASDA-MS 驅動器是因為它開發方便，可以編寫已經寫好的參數直接調用功能，對應的程序語言可讀性強。并且對機械結構安全，在異警報錯方面很靈敏。而且驅動一體可以減少接線的復雜程度?？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 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。對應使用 ASDA2PW0303 動力線；（3）選用臺達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、復位、急停按鈕用于系統的狀態切換；（2）選用森創三相電機是因為其重心穩定，可放置在機械手動平臺上，降低成本。（3）相機選型：因為現有工作平臺為 600mm*600mm 的方形工作平臺，根據設計方案要求，視覺系統至少可覆蓋一般的工作區域，即 600mm*300mm 的區域。由于將相機安裝

41、在工作范圍內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 攝像機的性能要優于 CMOS 相機。另外根據經費和系統精度的要求，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 的矩形區域

42、，則理想系統精度為 600/1600=0.375mm，即圖像每個像素單元為實際0.375mm 的方形區域。系統精度另外還受傳輸速率，系統反應速度的影響，但總體已滿足本系統的分辨精度。5.3 選型電氣圖紙設計5.3.1 系統進電總框圖220V交流電斷路器變頻器斷路器24V電源進柜燈相機光源驅動器動力端驅動手輪器端圖 5.2 系統進電總框圖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 參數配置表表 5.3 ASD-MS-機構參數設定24功能設定值齒輪比100000比（）7比（分母）1最大轉速度限置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、程序設計上一屆的 DELTA 機械手的程序設計主要是在利用軸卡進行通訊，借助視覺系統實現物體在固置的抓取分類。相比之下，我們的 DELTA PLUS 在保留了視覺系統的情況下實現隨動抓取，器也改為 MS器，可以將很多相關的底層運動算法寫到器內部預先儲存，對于調取相應的功能以及開發界面提供了巨大便利。我們的程序設計完成了利用 c# socket 編程實現網口通訊，分煉以及堆疊物體的功能。以下從流圖，程序界面設計，和部分重要的程序等幾個方面進行闡述。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、調用 MS器內部的三軸機械手模型，達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定參數完成坐標系轉換C#輸入數據6.1.2 運動平臺的實施抓取的視覺識別系統獲取在傳送帶上恒定速度運動的工件的圖像進行識別并抓取后，根據識別系統傳回來的識別結果計算工件與目標區域的位置和角度差，將得到的圖像坐標經由手眼標定得到的轉化關系轉化成機械手的坐標，使機械手沿一定的軌跡前往工件所在坐標，離到達工件坐標一定距離前打開吸盤，在到達工件所

46、在目標并吸取工件后，上位機通過 Modbus tcp/ip 通訊, 向 MS器功能指令，進而伺服電機帶動真空吸盤旋轉，由圖像處理得到的角度差值，到達點后，吸盤關閉工件，在判定是否仍有物體需要抓取之后，如果沒有，吸盤回到之前未轉動的位置，等待下一次的抓取（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）：攝像機捕捉工件圖像圖像卡（千兆網卡）運動中執行圖 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運動到工件區域真空吸盤工件步進電機帶動動平臺旋轉一定角度動平臺的速度和位置流程圖運動到工件區域真空吸盤吸取工件將圖像坐標轉化為機械手坐標(手眼標定)程序計

47、算出工件與目標區域的位置坐標以及和參考邊緣的角度差上位機進行任何功能任務操作之前，先要打開攝像機，進行圖像,進行相機的各項參數的合理設置才能獲得清晰易于處理的圖像，所以最開始就應該設置好相機的各項參數。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：開始圖像的預處理根據模式是否繼續結束圖 6.3相機和圖像處理程序流程圖28獲取感域結果輸出二值化閾值分割參數測量增強對比度平滑圖像載入標定信息進行校正圖像獲取消除噪聲選擇圖像模式相機參數設置打開相機6.2 程序界面設計6.2.1 程序操作流程圖程序以啟動設置執行功能的順序展開，包含對各個器件的以及可能需要進行的調整。開始主界面圖像顯示界面結束圖 6.4 程序操作流程圖6.2.2 界面結構圖29排列主界面：斷開連接堆疊寸動相關參數設置功能選擇界面分揀X,Y,Z三坐標系的移動寸動界面調零界面機械手手動操控界面選擇觸發方式解除視覺調試界面啟動攝像頭啟動伺服電機數據界面建立與器連接界面圖 6.5 界面結構圖6.2.3 界面設計首先進入主界面，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 端之間的通訊內容，方便調試，故也可稱之為調試界面。整體界面的排布如下圖所示：圖 6.6