一种四轴工业码垛机器人

1.本实用新型涉及一种四轴工业码垛机器人，属于码垛机器人领域。


背景技术：

2.在机械制造行业高速发展的今天，现代化的机械设备已遍布于加工、制造、生产、物流、医疗、军事等各行各业，而机器人作为现代科技的新生产物，也已备受各个领域的青睐；其中工业机器人作为机械臂应用的重要领域之一，以被广泛应用于工业现场，尤其是在不适宜工作人员工作的一些环境，比如高温、噪音、粉尘、污染等环境中；工业码垛机器人就是工业机器人的主要应用之一。
3.随着计算机技术的高速发展，图像的处理和识别技术也得到了质的发展，进入21世纪以来，图像处理技术在越来越多的领域得到广泛应用，图像处理技术也成为智能制造发展的一个重要方向，随着技术的不断成熟，越来越多的企业和机构也投入大量的人力物力到图像处理的研究和应用中来，在物体的辨识、目标的跟踪和物体的检测等都取得了不错的成果。
4.在工业生产流水线当中，码垛机器人一般处于生产流水线的最末端，主要作用是对目标物体进行抓取和搬运，按照事先设定好的抓取位置和码放位置进行相应的动作，只是简单的重复执行预先设定好的程序，完成既定的动作，这种工作方式较为单一和固定，局限性较大。当生产线上的物体位置或种类发生变化时，传统的码垛机器人缺少必要的辨识能力，不能根据物体的实际情况做出相应的动作调整，这对码垛机器人在工业上的应用造成了很大限制。相比于传统的码垛机器人来说，基于视觉的码垛机器人能够在不同的生产环境下，通过机器人视觉系统进行图像采集、处理和分析，分辨出物体的类型和位置，对不同的物体在码垛时进行快速、准确的定位和判断，从而准确的抓取物体并将其置于指定的位置，具有良好的市场发展前景。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一猴子那个四轴工业码垛机器人及其控制方法，具有图像识别功能，结构合理，功能完善。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种四轴工业码垛机器人，包括机械臂系统和传送带，所述传送带系统设置在机械臂系统一侧；所述机械臂系统包括底座部分、大臂部分、小臂部分以及机械手部分，所述底座部分包括下底座，底座轴承，上底座，底座电机，底座减速机，右侧板，所述底座轴承设置在上底座与下底座之间，并能进行水平方向上的360
°
旋转，所述底座减速机设置在上底座上，并通过螺丝固定，所述底座电机设置在底座减速机上，所述上底座两侧分别设置右侧板和左侧板，所述右侧板内侧连接大臂减速机，所述大臂减速机另一侧连接大臂电机所述右侧板外侧连接大臂一端，所述大臂一端外侧设置大臂轴承，所述大臂另一端连接小臂，所述左侧板内侧连接有小臂减速机，所述小臂减速机另一侧连接有小臂电机；所述左侧板外
侧连接有一号小臂传动杆，所述一号小臂传动杆外连接有二号小臂传动杆，且所述二号小臂传动杆不与所述左侧板连接，所述左侧板与右侧板之间连接有水平辅助杆支撑，所述水平辅助杆支撑中间与一号辅助杆一端连接，所述一号辅助杆另一端通过三角支架一边与二号辅助杆一端连接，所述大臂与小臂连接处为与三角支架的一顶点连接，该顶点为所述三角支架与一号辅助杆和二号辅助杆连接边相对的顶点；所述二号辅助杆另一端和所述小臂另一端通过电机挂板与末端执行器电机一侧连接，所述末端执行器电机所述末端执行器电机、电机挂板下方设置蜗杆装置，所述蜗杆装置通过立式轴承与吸盘架连接，所述吸盘架下连接真空吸盘组件；所述传送带系统包括光电传感器、皮带、传送带电机、传送链条、摄像头支架、摄像头和支架，所述传送带电机设置在支架下方，通过传送链条连接至支架一侧的转轴上，所述支架上设置皮带，所述皮带通过设置啊支架两侧的转轴带动进行传送，所述光电传感器通过螺栓固定在支架上，所述摄像头通过摄像头支架固定在皮带面正上方。
8.进一步的，所述一号辅助杆、大臂和三角支架之间形成一个平行四边形结构，所述二号辅助杆、小臂和三角支架之间形成一个平行四边形结构。
9.进一步的，所述吸盘架为方形，所述真空吸盘组件设置在方形吸盘架的四个角上。
10.一种四轴工业码垛机器人的控制方法，为利用图像处理技术通过摄像头对待抓取的物体上的二维码进行采集和识别，并对采集到的二维码坐标嘻嘻通过寿宴标定进行坐标转换，计算出机械臂坐标系下的最表并且进行机械臂运动学逆解，求出机械臂每个轴的旋转角度，然后将数据发送至plc段，plc控制传送爱将物体送入识别区域内，摄像头进行二维码的识别和定位，吸盘负责抓取与码放物体，机械臂完成物体在空间的移动，实现对抓取后的物体的分类码垛；所述控制方法包括上位机系统的控制方法和plc的控制方法，上位机系统作为modbustcp的客户端，plc作为服务器，上位机系统负责处理采集图像信息，并匹配识别结果和计算抓取坐标值，同时根据机器人的动作情况和码垛规则设置、盒子参数设置信息及时计算出包装盒码放坐标值，然后通过modbustcp协议发送给下位机系统，下位机系统根据上位机发送到坐标值完成码垛过程。
11.进一步的，所述上位机部分中，摄像头与计算机通过usb接口进行数据传输；下位机部分中，包括s7
‑
1200plc、启停按钮、限位开关、光电传感器、大臂电机、小臂电机、底座电机、末端执行器电机、传送带电机、电磁阀等，plc通过导轨安装在控制电箱的背板上，通过导线与起停按钮、限位开关、光电传感器、四轴电机、直流电机、电磁阀相连；所述启停按钮安装在控制电箱的面板上，所述限位开关安装在所述控制电箱的侧板内侧，并利用螺丝固定，电磁阀利用螺丝固定在在控制电箱内，计算机与plc通过以太网线相连；上位机主要通过摄像头进行数据的采集和识别，并根据手眼标定和数学模型进行坐标和角度之间的转换，并通过modbustcp通信协议发送给下位机。下位机以西门子s7
‑
1200plc为控制器，主要依据上位机所传送的角度值对码垛过程进行4轴协同运动控制，避免由于机器振动而产生的不良影响并提高码垛的精度和效率；上位机通过摄像头采集图像信息，利用上位机系统控制软件对待抓取包装盒进行定位与识别，然后将待抓取包装盒的位置坐标、旋转角度、码放坐标、识别结果等数据发送给plc，同时可以对码垛规则、盒子信息等参数进行设置。
12.进一步的，所使用的机械臂系统进行d
‑
h建模，其中o1、o2、o3为关节轴线垂直于纸面的旋转关节，o0、o4为关节轴线平行于纸面的旋转关节，坐标系{0}
‑
{4}为根据机器人的结构建立的各个关节的坐标系，其中a0为o0到o1的水平距离，d0为o0到o1的垂直距离，l1为大臂
长度，l2为小臂长度，a1为o3到o4的水平距离，d1为o3到o4的垂直距离，z1、z2、z3方向为垂直纸面向外；从{0}坐标系到{5}坐标系的齐次变换矩阵记为且表示{5}坐标系相对{0}坐标系的位姿，根据d
‑
h参数表，和式(1)可以写出每一步的齐次变换矩阵，表内的每一行对应一个齐次变换矩阵。
[0013][0014][0015][0016][0017][0018][0019]
进一步的，所述四轴工业码垛机器人为四自由度串联机器人，四个自由度分别为基座旋转轴、大臂旋转轴、小臂旋转轴和吸盘旋转轴。由于吸盘旋转轴的功能为调整被码垛物体角度，因此在建立机器人运动学逆解模型时可在模型中对其简化。运动学逆解即在已知末端执行器运行的目标位姿的情况下，求出所需的关节变量值，通过对这些数据的处理来控制各关节驱动电机的运行，使机器人末端执行器按照给定方式运动；坐标系通常由3个互相正交的轴来表示，故使用x，y，z轴表示固定的全局参考坐标系，用n，o，a轴表示相对于参考坐标系的末端执行器的坐标系，分别用参考坐标系的三个分量来表示每个坐标轴向量，假设末端执行器的中心点在基坐标系中的位置p＝[p
x p
y p
z
]
t
，则最后的期望姿态矩阵如式7所示：
[0020][0021]
由可得，带入相应参数即可求得机器人逆解，其中a
x
＝0，a
y
＝0，a
z
＝
‑
1；最后求解出各个关节的关节转角θ1、θ2、θ3、θ4、θ5其中θ4为机器人自身特有结构的关
节转角，不能进行控制，故不需要进行求解。具体求解结果如下：
[0022][0023][0024][0025][0026]
本实用新型的有益效果在于：
[0027]
本实用新型搭建出了一机械臂为核心，以传送带为物料输送平台的机械结构，并设计出了相应的控制系统，以商品小型包装盒为码放物品，利用图像处理技术实现待抓取包装盒的定位以及分类码垛。控制系统设计包括上位机和下位机，两者之间采用modbustcp协议进行通信。上位机采用windows操作系统的计算机，利用摄像头对待抓取物体上的二维码信息进行采集和识别，并对采集到的二维码坐标通过手眼标定进行坐标转换，计算出机械臂坐标系下的坐标并且进行机械臂运动学逆解，求出机械臂每个轴的旋转角度，引导机械臂对其进行抓取，最后对抓取后的物体进行分类码垛。下位机采用西门子s7
‑
1200plc为控制器，通过对4个电机的控制，实现对机械臂的基座轴、大臂轴、小臂轴的运动控制以及吸盘的水平旋转控制。
附图说明
[0028]
图1为本实用新型所述四轴工业码垛机器人系统机械结构图；
[0029]
图2为本实用新型机械臂结构简化图；
[0030]
图3为底座电机安装结构图；
[0031]
图4为大臂电机安装结构图；
[0032]
图5为小臂电机安装结构图；
[0033]
图6为水平辅助杆安装结构图；
[0034]
图7为末端执行器电机安装结构图；
[0035]
图8为底座减速机结构图；
[0036]
图9为蜗杆装置结构图；
[0037]
图10为本实用新型机械臂数学模型示意图；
[0038]
图11为控制系统结构图；
[0039]
图12为控制软件主界面图；
[0040]
图13为plc外部接线图；
[0041]
图14为复位程序流程图；
[0042]
图15为循环工作流程图。
[0043]
图中：1，下底座；2，底座轴承；3，上底座；4，底座电机；5，底座减速机；6，右侧板；7，大臂电机；8，大臂减速机；9，大臂轴承；10，大臂；11，左侧板；12，小臂电机；13，小臂减速机；
14，一号小臂传动杆；15，二号小臂传动杆；16，小臂；17，水平辅助杆支撑，18，一号辅助杆；19，三角支架；20，二号辅助杆；21，末端执行器电机；22，蜗杆装置；23，真空吸盘组件；24，电机挂板；25，立式轴承；26，底座固定铝材；27，光电传感器；28，皮带；29，传送带电机；30，传动链条；31，摄像头支架；32，摄像头；33，吸盘架；34，支架。
具体实施方式
[0044]
以下实施例所用材料、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、方法和仪器，本领域普通技术人员均可通过商业渠道获得。
[0045]
在本实用新型以下的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。
[0046]
在本实用新型以下的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间介质间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以是具体情况理解上书术语在本实用新型中的具体含义。
[0047]
此外，在本实用新型以下的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
[0048]
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明，但以下详细说明不视为对本实用新型的限定。
[0049]
如图1
‑
图15所示，
[0050]
一种四轴工业码垛机器人，包括机械臂系统和传送带，所述传送带系统设置在机械臂系统一侧；所述机械臂系统包括底座部分、大臂部分、小臂部分以及机械手部分，所述底座部分包括下底座，底座轴承，上底座，底座电机，底座减速机，右侧板，所述底座轴承设置在上底座与下底座之间，并能进行水平方向上的360
°
旋转，所述底座减速机设置在上底座上，并通过螺丝固定，所述底座电机设置在底座减速机上，所述上底座两侧分别设置右侧板和左侧板，所述右侧板内侧连接大臂减速机，所述大臂减速机另一侧连接大臂电机所述右侧板外侧连接大臂一端，所述大臂一端外侧设置大臂轴承，所述大臂另一端连接小臂，所述左侧板内侧连接有小臂减速机，所述小臂减速机另一侧连接有小臂电机；所述左侧板外侧连接有一号小臂传动杆，所述一号小臂传动杆外连接有二号小臂传动杆，且所述二号小臂传动杆不与所述左侧板连接，所述左侧板与右侧板之间连接有水平辅助杆支撑，所述水平辅助杆支撑中间与一号辅助杆一端连接，所述一号辅助杆另一端通过三角支架一边与二号辅助杆一端连接，所述大臂与小臂连接处为与三角支架的一顶点连接，该顶点为所述三角支架与一号辅助杆和二号辅助杆连接边相对的顶点；所述二号辅助杆另一端和所述小臂另一端通过电机挂板与末端执行器电机一侧连接，所述末端执行器电机所述末端执行器电机、电机挂板下方设置蜗杆装置，所述蜗杆装置通过立式轴承与吸盘架连接，所述吸盘架下连接真空吸盘组件；所述传送带系统包括光电传感器、皮带、传送带电机、传送链条、摄像头
支架、摄像头和支架，所述传送带电机设置在支架下方，通过传送链条连接至支架一侧的转轴上，所述支架上设置皮带，所述皮带通过设置啊支架两侧的转轴带动进行传送，所述光电传感器通过螺栓固定在支架上，所述摄像头通过摄像头支架固定在皮带面正上方。
[0051]
所述一号辅助杆、大臂和三角支架之间形成一个平行四边形结构，所述二号辅助杆、小臂和三角支架之间形成一个平行四边形结构。
[0052]
所述吸盘架为方形，所述真空吸盘组件设置在方形吸盘架的四个角上。
[0053]
所述底座1下方设置底座固定铝材26，底座固定铝材26位将码垛机器人的底座1与传送带支撑进行连接的装置，利用角件和螺丝固定在底座1下方和传送带骨架支撑上，使二者相互固定。
[0054]
一种四轴工业码垛机器人的控制方法，为利用图像处理技术通过摄像头对待抓取的物体上的二维码进行采集和识别，并对采集到的二维码坐标嘻嘻通过寿宴标定进行坐标转换，计算出机械臂坐标系下的最表并且进行机械臂运动学逆解，求出机械臂每个轴的旋转角度，然后将数据发送至plc段，plc控制传送爱将物体送入识别区域内，摄像头进行二维码的识别和定位，吸盘负责抓取与码放物体，机械臂完成物体在空间的移动，实现对抓取后的物体的分类码垛；所述控制方法包括上位机系统的控制方法和plc的控制方法，上位机系统作为modbustcp的客户端，plc作为服务器，上位机系统负责处理采集图像信息，并匹配识别结果和计算抓取坐标值，同时根据机器人的动作情况和码垛规则设置、盒子参数设置信息及时计算出包装盒码放坐标值，然后通过modbustcp协议发送给下位机系统，下位机系统根据上位机发送到坐标值完成码垛过程。
[0055]
所述上位机部分中，摄像头与计算机通过usb接口进行数据传输；下位机部分中，包括s7
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1200plc、启停按钮、限位开关、光电传感器、大臂电机、小臂电机、底座电机、末端执行器电机、传送带电机、电磁阀等，plc通过导轨安装在控制电箱的背板上，通过导线与起停按钮、限位开关、光电传感器、四轴电机、直流电机、电磁阀相连；所述启停按钮安装在控制电箱的面板上，所述限位开关安装在所述控制电箱的侧板内侧，并利用螺丝固定，电磁阀利用螺丝固定在在控制电箱内，计算机与plc通过以太网线相连；上位机主要通过摄像头进行数据的采集和识别，并根据手眼标定和数学模型进行坐标和角度之间的转换，并通过modbustcp通信协议发送给下位机。下位机以西门子s7
‑
1200plc为控制器，主要依据上位机所传送的角度值对码垛过程进行4轴协同运动控制，避免由于机器振动而产生的不良影响并提高码垛的精度和效率；上位机通过摄像头采集图像信息，利用上位机系统控制软件对待抓取包装盒进行定位与识别，然后将待抓取包装盒的位置坐标、旋转角度、码放坐标、识别结果等数据发送给plc，同时可以对码垛规则、盒子信息等参数进行设置。
[0056]
进一步的，所使用的机械臂系统进行d
‑
h建模，其中o1、o2、o3为关节轴线垂直于纸面的旋转关节，o0、o4为关节轴线平行于纸面的旋转关节，坐标系{0}
‑
{4}为根据机器人的结构建立的各个关节的坐标系，其中a0为o0到o1的水平距离，d0为o0到o1的垂直距离，l1为大臂长度，l2为小臂长度，a1为o3到o4的水平距离，d1为o3到o4的垂直距离，z1、z2、z3方向为垂直纸面向外；从{0}坐标系到{5}坐标系的齐次变换矩阵记为且表示{5}坐标系相对{0}坐标系的位姿，根据d
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h参数表，和式(1)可以写出每一步的齐次变换矩阵，表内的每一行对应一个齐次变换矩阵。
[0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063]
进一步的，所述四轴工业码垛机器人为四自由度串联机器人，四个自由度分别为基座旋转轴、大臂旋转轴、小臂旋转轴和吸盘旋转轴。由于吸盘旋转轴的功能为调整被码垛物体角度，因此在建立机器人运动学逆解模型时可在模型中对其简化。运动学逆解即在已知末端执行器运行的目标位姿的情况下，求出所需的关节变量值，通过对这些数据的处理来控制各关节驱动电机的运行，使机器人末端执行器按照给定方式运动；坐标系通常由3个互相正交的轴来表示，故使用x，y，z轴表示固定的全局参考坐标系，用n，o，a轴表示相对于参考坐标系的末端执行器的坐标系，分别用参考坐标系的三个分量来表示每个坐标轴向量，假设末端执行器的中心点在基坐标系中的位置p＝[p
x p
y p
z
]
t
，则最后的期望姿态矩阵如式7所示；
[0064][0065]
由可得，带入相应参数即可求得机器人逆解，其中a
x
＝0，a
y
＝0，a
z
＝
‑
1；最后求解出各个关节的关节转角θ1、θ2、θ3、θ4、θ5其中θ4为机器人自身特有结构的关节转角，不能进行控制，故不需要进行求解。具体求解结果如下：
[0066]
[0067][0068][0069][0070]
每次程序开始运行时，首先进行的都是复位操作。复位的目的是使每个轴都回到原点位置，在原点的基础上机械臂才能根据上位机所发送的数据准确的进行相对位移。各轴复位流程如图14所示。
[0071]
根据码垛过程的工作要求，当机械臂处于循环码垛过程时主要包括以下动作：通讯——复位——光电开关触发——移动到抓取点——抓取盒子——移动到码放位置——码放盒子——下一循环开始。循环码垛过程是整个控制程序的核心，机械臂在该程序的驱动下循环往复地进行分类码垛。循环码垛程序流程图如图15所示。
[0072]
虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。