【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 緒論 課題的研究目的與意義 本課題的主要來源是人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。隨著社會(huì)快速發(fā)展 ，機(jī)器人在各種行業(yè)中扮演了各種角色，同時(shí)也因?yàn)榭萍嫉目焖龠M(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的需求量變得日益增長(zhǎng)。出于這個(gè)原因，傳統(tǒng)人工作業(yè)在與其相比較下的局限性和缺陷體現(xiàn)的也日益突出。 因?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化智能技術(shù)一天又一天的進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人越來越成為國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)企業(yè)研究的智能技術(shù)產(chǎn)品，并將其應(yīng)用和推廣到生產(chǎn)生活的方方面面。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展有它的必然性。人們?cè)絹碓蕉嗟氖褂霉I(yè)機(jī)器人，機(jī)器人從而不斷改變著人類的工作和生活方式，智能機(jī)器人技術(shù)也可能引領(lǐng)人類的第三代工業(yè)革命的。 “十三五”時(shí)期是我國(guó)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的重 要時(shí)期，應(yīng)該把握國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，整合優(yōu)勢(shì)機(jī)器人的資源，制定相關(guān)發(fā)展對(duì)策，抓住機(jī)器人行業(yè)發(fā)展機(jī)遇，營(yíng)造機(jī)器人行業(yè)良好發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)又快又好的發(fā)展。機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展受到地球各國(guó)的密切關(guān)注，我國(guó)在許多發(fā)展規(guī)劃中設(shè)置了機(jī)器人行業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，鼓勵(lì)機(jī)器人行業(yè)健康快速穩(wěn)定的發(fā)展。 如何讓機(jī)器人又快又好又穩(wěn)定工作起來，就需要對(duì)各種學(xué)科進(jìn)行探索。來保確定機(jī)器人能正常工作，并遵從人們所預(yù)想的動(dòng)作去行動(dòng)。這樣需要控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以上功能。機(jī)器人是一個(gè)特別特別讓人難以理解的系統(tǒng)工程，是很 多很多的知識(shí)組成。 工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)需求 如今，因?yàn)楣と斯べY不斷上漲，生產(chǎn)領(lǐng)域大家普遍開始使用機(jī)器人代替工人，由此工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)開始變大。地球各個(gè)國(guó)家爭(zhēng)先恐后研究、規(guī)劃、制定符合自己國(guó)家工業(yè)發(fā)展的復(fù)興政策來增強(qiáng)自己國(guó)制造業(yè)的能力。美國(guó)再工業(yè)化和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略、德國(guó)工業(yè) 戰(zhàn)略、日本機(jī)器人新戰(zhàn)略、歐洲火花計(jì)劃、韓國(guó)機(jī)器人強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、新工業(yè)法國(guó)、中國(guó)制造 2025 戰(zhàn)略，全部將發(fā)展重點(diǎn)瞄向機(jī)器人。機(jī)器人將對(duì)全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)格局帶來重大的影響。我國(guó)工人工資相比幾年前的翻了好幾倍，在如此的情況下，使用機(jī) 器人變換成為智能生產(chǎn)，也是我國(guó)的戰(zhàn)略。 國(guó)內(nèi)企業(yè)引入機(jī)器人既能減少用工成本，又可以提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)數(shù)據(jù)，天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 2021 年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷量為 萬臺(tái)； 2021 年達(dá)到 萬臺(tái)，同比增長(zhǎng) %；2021 年達(dá)到 萬臺(tái)，同比增幅達(dá) 60%； 2021 年達(dá)到 萬臺(tái)，同比增長(zhǎng) 56%，占全球銷量的四分之一； 2021 年達(dá) 萬臺(tái)，占全球銷量的 %； 2021 年達(dá) 萬臺(tái)，占全球銷量的 %。如我國(guó)已經(jīng)連續(xù)五年成為地球上工業(yè)機(jī)器人買入量最多的國(guó)家。 現(xiàn)如今這個(gè)階段，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展 在全地球范圍內(nèi)加速，大概 2021 年的全世界工業(yè)機(jī)器人賣出量將繼續(xù)大幅度的增長(zhǎng)，賣出量也許飆升至 30 萬臺(tái)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展水平差距很大，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)先進(jìn)于國(guó)內(nèi)?，F(xiàn)如今這個(gè)階段國(guó)際機(jī)器人市場(chǎng)估計(jì)有 82 億到 110 億，尤其是工業(yè)機(jī)器人占比最多。大概到 2025 年，整個(gè)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將達(dá)到 500 多億，服務(wù)機(jī)器人從原來的 300 多萬臺(tái)增到 1200 多萬臺(tái)，美利堅(jiān)合眾國(guó)和日本國(guó)一直代表著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展方向，是地球上工業(yè)機(jī)器人方向的最完美水平?，F(xiàn)今這個(gè)階段全球賣出的 10000 多臺(tái)軍事方面的機(jī)器人有 70%來自美利堅(jiān)合眾國(guó)。美利堅(jiān)合眾國(guó)最近研發(fā)的軍用機(jī)器人，表示拿起 120公斤很輕松，而且還能運(yùn)動(dòng)的跟人行走速度一般，也就 6km/h，能夠自由行動(dòng)于各式各樣的地方，就算旁側(cè)受到敵人進(jìn)攻，還可以繼續(xù)完美運(yùn)行，非常靠譜。 我國(guó)的機(jī)器人相關(guān)技術(shù)發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段。從 20 世紀(jì) 80 年代開始起步，1990 年開始展頭露角并得到了一定的發(fā)展，在 21 世紀(jì)初開始進(jìn)入到機(jī)器人加快生產(chǎn)的時(shí)代。 21 世紀(jì)第十年后，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在工廠工作的情況越來越普遍，在這個(gè)階段工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)鏈開始又快又好的發(fā)展 了。在我國(guó)攻關(guān)和我國(guó)工業(yè)機(jī)器人加速發(fā)展等計(jì)劃支持下， 1990 年開始，一部分有自己專利的焊接、組裝、抓取、搬運(yùn)、堆垛等高科技工業(yè)機(jī)器人全面出世，使得我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)生活的方方面面都走出了重要的一步步?，F(xiàn)今這個(gè)階段，國(guó)產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人開始大批大批的出口，國(guó)內(nèi)各種各樣的工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人企業(yè)擁有了毀天滅地的技術(shù)實(shí)力， 2021 年國(guó)產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人銷售總量輕輕松松的超過 12021 多臺(tái)。在這種情況下，我國(guó)政府繼續(xù)無條件努力支持工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，如今憑借我國(guó)相關(guān)政策已經(jīng)形成了以安徽埃夫特機(jī)器人公司、廣州數(shù) 控機(jī)器人公司、廣東拓斯達(dá)機(jī)器人公司等為行業(yè)代表的眾多工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人公司，使我國(guó)加快推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)建立了堅(jiān)實(shí)的地基。 21 世紀(jì)第 13 年，由我國(guó)政府聯(lián)合各家工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人公司組成了中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)銷售技術(shù)支持同盟會(huì)。同盟會(huì)將以各家的生產(chǎn)線為依托，匯集各家有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)、實(shí)行取其精華，去其糟粕政策、牽手共同面對(duì)、有錢一起賺的協(xié)同作戰(zhàn)的方式，一起提升產(chǎn)業(yè)附加值，實(shí)現(xiàn)又快又好的發(fā)展。雖然我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)業(yè)發(fā)展水平相當(dāng)好，但就現(xiàn)今這個(gè)階段國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額幾乎可以忽略，工業(yè)機(jī)器人公司名稱很多無人知曉 。據(jù)可靠情報(bào)顯示世界四大工天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 業(yè)機(jī)器人公司：瑞士 ABB、日本發(fā)那科、日本安川電機(jī)、德國(guó)庫(kù)卡，其中無一中國(guó)公司，然而它們卻占有了世界工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)多達(dá) 95%，然而我國(guó)工業(yè)機(jī)器人制造商的份額基本可以忽略不計(jì)。 主要研究?jī)?nèi)容及本文基本結(jié)構(gòu) 本選題主要來源于生產(chǎn)生活中人類工業(yè)自動(dòng)化對(duì)機(jī)器人的需求越來越大了，隨著科技技術(shù)的一天天發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也日益增大。傳統(tǒng)的人工作業(yè)的缺點(diǎn)表現(xiàn)的日益明顯。目前，人工作業(yè) 存在著許多不確定因素，使用機(jī)器人可以節(jié)約成本，提高工作效率，更大程度保護(hù)勞動(dòng)人民的生命安全，更加方便 企業(yè)進(jìn)行管理，但由于技術(shù)限制和人們對(duì)該技術(shù)的懷疑，使得機(jī)器人的推廣受到了巨大的限制。 本課題研究的主要問題中有如下面幾個(gè)： 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本文的研究方法和手段有如下幾個(gè)方面： 首先，通過對(duì)課題進(jìn)行了理性的研究與分析，初步認(rèn)知課題的現(xiàn)實(shí)性與實(shí)用性。其次， 在 圖書館 根據(jù) 需求 查 閱 有關(guān) 資料 ， 學(xué)習(xí) 相關(guān)的理論知識(shí)， 了解所需的專業(yè)技術(shù)知識(shí)并對(duì)產(chǎn)品有初步的設(shè)計(jì)思路。然后對(duì)其硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后使用電腦，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 本文的研究步驟如下： 閱讀任務(wù)書，了解課題內(nèi)容，明確具體要求。 對(duì) 產(chǎn)品進(jìn)行深入分析。 提出合理的設(shè)計(jì)方案。 查閱參考文獻(xiàn) 與相關(guān)資料，進(jìn)行篩選 。 使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。 本文的結(jié)構(gòu)大致如下： 第一章： 前言，闡述工業(yè)機(jī)器人的研究目的和意義以及市場(chǎng)對(duì)它需求和目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。 第二章： 課題設(shè)計(jì)方案的選型，介紹了平面多關(guān)節(jié) SCARA 機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)、計(jì)米輪、編碼器、機(jī)器人控制系統(tǒng)和機(jī)器人視覺系統(tǒng)。 第三章：機(jī)器人視覺部分的硬件選型，機(jī)器人控制器的具體分析以及相關(guān)技術(shù)說明。 第四章： 這章主要介紹了 基于 YAMAHA SCARA 機(jī)器人 的控制器 RCX340 和 IVY2天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 視覺系統(tǒng)的軟件和硬件的連接，這部分很關(guān)鍵，直接影響到成功與否。接著進(jìn)行相關(guān)的軟件初始化設(shè)置，最后我自己再編寫相關(guān)的雅馬哈機(jī)器人語言，進(jìn)行仿真，無誤后基本可確定實(shí)現(xiàn)了本課題的要求。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 第二章 課題設(shè)計(jì)方案的選型 SCARA 機(jī)器人的優(yōu)勢(shì) SCARA 機(jī)器人，即 Selective Compliance Assemblyrobot Arm，又名水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，是工業(yè)機(jī)器人家庭應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)構(gòu)型。 圖 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 Fig. SCARA Robot structure diagram SCARA 機(jī)器人有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向 [1]。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ 1 和φ 2，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移 z 決定的，即 p=f(φ 1,φ 2,z) [3]，這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快， SCARA 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá) 10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。 1978 年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明 SCARA 機(jī)器 人，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度 (包括沿 X,Y,Z 方向的平移和繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)自由度 ) [4]。 SCARA 系統(tǒng)在 x,y 方向上具有順從性，而在 Z 軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作 [2]。 SCARA 的另一個(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等 [5]。 在現(xiàn)在這個(gè)階段 SCARA 機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多很多工業(yè)領(lǐng)域。它的主要職能是搬取工件和裝配工作。它的第一個(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成 相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 線性移動(dòng)的特性 [6]。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個(gè)扇形區(qū)域。 SCARA 機(jī)器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在 100 毫米至 1000 毫米之間，此類的 SCARA 機(jī)器人的凈載重量在 1 千克至 200 千克之間 [7]。 SCARA 機(jī)器人的特點(diǎn)是負(fù)載小、速度快，因此其主要應(yīng)用在快速分揀、精密裝配等 3C 行業(yè)、食品行業(yè)等領(lǐng)域。 計(jì)米輪和編碼器介紹 計(jì)米輪即計(jì)米器，主要功能是在長(zhǎng)條形材料加工設(shè)備上作精密長(zhǎng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)工具，普遍使用于工程機(jī)械。 圖 計(jì)米輪實(shí)物圖 Meter counting wheel physical map 特點(diǎn)： 鋁合金輪架結(jié)合而成，用于長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)計(jì)量工具； ，完全采用進(jìn)口器件，國(guó)產(chǎn)的可能不是很靠譜，整體性能既可靠又很穩(wěn)定，還能夠抵御強(qiáng)大的外部干擾。 性能參數(shù)： 輸出脈沖 1 脈沖 /米（型號(hào) CDJM1） 10 脈沖 /米（型號(hào) CDJM2） 100 脈沖 /米（型號(hào) CDJM3） 電源電壓 DC12V177。 10% 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 計(jì)長(zhǎng)誤差 ≤ 5‰ 輸出脈沖電平 高電平 DC 低電平 DC 適用環(huán)境 海拔： 1000m 環(huán)境溫度： 0℃ ~60℃ 相對(duì)濕度：≤ 85% 無腐蝕性氣體和粉塵的場(chǎng)合。 編碼器（ encoder）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備 [8]。 圖 編碼器實(shí)物圖 Encoder physical map 編碼器就是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。增量式編碼 器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小 [9]。 控制系統(tǒng)單元 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 圖 控制系統(tǒng)單元圖 Control system unit diagram IVY2 機(jī)器人視覺模塊具有非常強(qiáng)大的畫面捕捉功能，它可以做到將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成為模擬或數(shù)字圖像，并將其輸出至圖像處理單元，可以完成圖像采集單元數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)，并使用圖像處理軟件來對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，能夠達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)型約 2 倍的搜索速度，數(shù)量較多的工件也能高速檢測(cè) [11]。它即使面對(duì)貼近的 工件和奇形怪狀的工件也能進(jìn)行非常精密的邊緣檢測(cè) [10]。使用其配套的軟件 IVY2studio 可監(jiān)控校準(zhǔn)設(shè)置中和自動(dòng)運(yùn)行中的搜索情況（輸出內(nèi)容：選擇品種 /捕捉圖像；搜索結(jié)果（位置刻痕比例 )；已執(zhí)行的命令；命令所需時(shí)間），大大減輕了 PC 計(jì)算 機(jī) 的負(fù)擔(dān)，提供了簡(jiǎn)單、高性能、可靠的支持。其最大的特點(diǎn)就是僅使用機(jī)器人程序即可統(tǒng)一控制（使用 RCX340 控制器）。 機(jī)器人視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)如圖 所示。不同種類的工件被隨機(jī)放置在傳送帶上，圖像采集設(shè)備獲取目標(biāo)物體樣式，由計(jì)算機(jī)識(shí)別目標(biāo)類型并提取實(shí)時(shí)坐標(biāo) ，將上述信息傳遞到控制器，進(jìn)而導(dǎo)引機(jī)器人完成工件分揀工作。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 視覺系統(tǒng)運(yùn)行過程 Visual system operation process 該系統(tǒng)主要由工件傳送單元、圖像捕捉部分、信息處理單元以及機(jī)器人與控制器單元等部分組成。 工件傳送單元主要由傳送帶，計(jì)米輪和編碼器等構(gòu)成。本課題中分揀的物件是鐵碗，他們都具有金屬光澤，與工件傳送帶形成了較大的顏色反差，這有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)工件的準(zhǔn)確識(shí)別與跟蹤，為更好的完成分揀抓取任務(wù)提供了必要基礎(chǔ)。 圖像捕捉部分由工業(yè)相機(jī)與光學(xué)鏡頭、圖像 追蹤板卡以及補(bǔ)光設(shè)備構(gòu)成。光源作為分揀平臺(tái)的照明設(shè)備，被固定在傳送帶的兩側(cè)，用以消除工件自身的陰影。工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍攝傳送帶上的目標(biāo)工件，并將獲取到的信息傳遞到圖像追蹤板卡中，為后續(xù)圖像處理做好必要準(zhǔn)備。 信息處理單元主要由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。該單元對(duì)視頻序列進(jìn)行一系列處理，其中包括采用相應(yīng)視覺算法對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行識(shí)別和跟