专利名称：三自由度运动控制系统教学实训机器人平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及机电一体化的机器人技术领域，尤其涉及运动控制系统的机器人教学实训装置的开发，包括工件的自动识别、抓取、避障、输送与码放等。
背景技术：
机械制造是国民经济的支柱产业，我国是制造业大国，但非制造业强国，其中一个重要原因是高级技术人才的培养存在一定的问题，我国现行的高等教育存在重理论轻实践的现象，事实上，实践教学实训平台的建设在人才培养过程中占有非常重要的地位，为了实现培养高质量的优秀应用型人才的目标，就必须使学生在校期间就能够接受高质量的工程训练。目前对机械制造及自动化类学科，大多数的教学实验设备基本不具备模拟真实生产现场的功能，一般只能做到电动机级，虽然有些高校购入了非常昂贵的高档设备、但这些设备又过于复杂、只能让学生进行认识参观，无法让学生亲自动手调试与编程。
发明内容
本发明的目的是提供一套能够让学生亲自动手编程的简单实用而原理清晰的三自由度运动控制机器人实训设备，解决上述目前教学设备的不足之处。本发明解决技术问题所采用的技术方案是
一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，它包括底板、龙门式支架、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，X轴伺服电机和伺服控制器、Y轴伺服电机和伺服控制器、Z轴伺服电机和伺服控制器、拖链、用于安放工件的开有mXn个槽位的托板、mXn个不同颜色的工件块、平行气动或电动爪手，开有横向锯齿纹的爪指、颜色传感器、若干个反射线束型激光传感器、障碍板、多轴运动控制器、分布式I/O模板、计算机、触摸屏、静音式气泵气源等
所述的六柱或四柱龙门式支架安装在底板上，X轴运动机构安装在六柱或四柱龙门式支架上，X轴运动机构由并排平行的两个轴Xl和X2组成，其中Xl轴为滚珠丝杠结构伺服电机驱动，通过直线导轨导向，X2轴或与Xl轴一样，或为无动力驱动、直线导轨导向结构；在Xl轴的两端和中间位置安装有光电限位开关，
所述的Y轴为滚珠丝杠结构伺服电机驱动，Y轴安装于X1、X2移动滑块上，横跨于X1、X2之间，在Y轴的两端和中间位置安装有光电限位开关；
所述的Z轴为滚珠丝杠结构伺服电机驱动，Z轴垂直安装于Y轴滑块上，在Z轴的两端和中间位置安装有光电限位开关；
所述的平行气动爪手、颜色传感器、反射型线束激光传感器都安装于Z轴下端，其中颜色传感器向下照射，激光传感器中有向下照射的，有向四周横向照射的；
所述的爪指安装于气爪上，爪指内侧开有横向的锯齿纹；
所述的安放工件的托板，为开有mXn个工件安放槽的托板，mXn种不同颜色的工件可以安放于工件槽中，托板的数量为两块，其外形结构相同，分别安装于障碍板两侧；
所述的不同颜色的工件块为正方形工件块，四周外侧开有锯齿文所述的障碍板形式有多种，可以是若干个错开安装的挡板组成的迷宫胡同式，也可以是若干开有不同槽宽的挡板式。所述的拖链为与X轴、Y轴和Z轴并行安放的塑料拖链，并由铝质拖链槽支撑，激光传感器的连接导线、颜色传感器的连接导线，伺服电机的连接电缆，光电限位开关的导线以及气管通过塑料拖链槽被弓I出。所述的伺服电机共有3台，分别安装于Xl轴、Y轴和Z轴的一端，每台伺服电机通过连接电缆与各自的伺服控制器相连，伺服控制器与多轴运动控制器相连，多轴运动控制器与分布式I/O模板、计算机和触摸屏相连，计算机上安装有组态软件。
图1，本发明一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台系统正面结构示意图
图2、本发明一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台系统背面结构示意3、Z轴下端的气爪、爪指、传感器、工件拾取局部结构示意4、不同槽宽的挡板式障碍板结构示意5、迷宫胡同式障碍板结构示意6、电气系统结构不意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示
本发明一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台包括底板1，、四柱或六柱龙门式支架4、X轴运动机构之Xl轴10、X2轴5，Xl轴伺服电机9，Y轴运动机构7、Y轴伺服电机12，Z轴运动机构6、Z轴伺服电机8、拖链11、15、16、平行爪手17，爪指18、爪指上开的锯齿纹20、颜色传感器21、反射式线束型激光传感器22、用于安放工件的托板2、若干个不同颜色的工件块3、工件块上开有锯齿纹19、挡板式障碍板13、迷宫胡同式障碍板24，多轴运动控制器、分布式I/O模块、计算机、伺服控制器、触摸屏、气泵气源、电磁阀、限位开关等组成。I)原点定位
本发明的伺服系统采用的编码器为绝对值编码器，控制系统将首先回到平台的机械原点，所述机器人的原点是指X轴、Y轴及Z轴三个轴的运动原点，其坐标值为0，原则上坐标原点可以设在系统有效行程的任何位置，本实施例中将坐标原点设在平台的左前侧的某点上，其他位置坐标都是相对于此原点的坐标数据。原点坐标确定之后、工件托板上的每一个工件安放槽的坐标值随之确定
2)工件检测
a)各个槽位上有无工件的检测识别
所采用的反射型线束激光传感器，可以设定检测距离阀值，也就是可以用工件托板上槽位高度值来识别槽位上有无工件，因此可以用此向下照射的激光传感器来识别每个槽位上是否有工件。b)工件颜色的检测识别
所采用的颜色传感器，可以识别槽位上所放工件的颜色，较佳的颜色传感器的颜色通道为8通道或4通道，有两种识别工件颜色的方法，一种是通过三轴系统的运动，使颜色传感器在每个槽位的上方检测槽位上工件的颜色，另一种是夹起工件后再识别被夹起的工件的颜色。3)工件的拾取避障定位码放动作的详细说明
(a)操作人员在上位计算机的人机界面上，确定好准备码放在相应槽位上的工件的颜色，启动机器人；
(b)机器人首先进行原点定位，然后按照事先确定的插补轨迹运动，通过向下的激光传感器识别相应工件槽位上有无工件，通过颜色传感器识别相应工件颜色。(C)机器人通过平行气爪爪指夹起相应槽位上的工件，绕过迷宫胡同式障碍板、或者穿过开有开槽的挡板式障碍板，将工件放在另一个托板上的正确的槽位上。(d)放下工件后，机器人绕过障碍板返回到原托板上方，按照顺序继续拾取工件，识别颜色，然后绕过障碍板将工件放在正确的位置上，如此反复，直至工件都搬运完毕。(e)当工件搬运完毕后，再按照相反的搬运方式，将工件搬运回原来的托板槽位上，如此反复。(f)爪指上的锯齿纹与工件上的锯齿纹具有定位和增加接触摩擦力的作用，可以防止工件被抓起时前后翻动和滑动。(g)图3所示的夹头局部图中还有若干个未被画出的向四周照射的激光传感器，可以用之来测量挡板的开槽宽度、迷宫挡板之间的胡同宽度等，以此来自动判断夹头是否可以顺利通过，为后续的学生开发更多的功能提供方便。
权利要求
1.一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:它包括有底板、支架、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、拖链、平行爪手，爪指、颜色传感器、激光传感器、用于安放工件的托板、若干个不同颜色的工件块、伺服电机、伺服电机控制器、障碍板、多轴运动控制器、计算机、触摸屏和小型空气压缩机；所述的支架为龙门式支架，该龙门式支架上具有六个柱体或四个柱体，该龙门式支架安装在底板上，X轴运动机构安装在龙门式支架上；x轴运动机构由并排平行的两个轴Xl和轴X2组成，其中轴Xl为滚珠丝杠结构，由伺服电机驱动，利用直线导轨导向；轴X2为滚珠丝杠结构或无动力驱动的直线导轨导向轴、由伺服电机驱动、利用直线导轨导向，在轴Xl的两端和中间位置安装有光电限位开关；所述的Y轴运动机构为滚珠丝杠结构、由伺服电机驱动，Y轴运动机构安装于轴X1、轴X2上的移动滑块上，横跨于轴Xl与轴X2之间，在Y轴运动机构的两端和中间位置安装有光电限位开关，Z轴运动机构为滚珠丝杠结构、由伺服电机驱动，Z轴运动机构垂直安装于Y轴运动机构滑块上，在Z轴运动机构的两端和中间位置安装有光电限位开关；在X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构一侧分别安排有拖链，在拖链中安放连接导线气管。
2.如权利要求1所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:所述的平行爪手为气动爪手或电动抓手，安装于Z轴运动机构的下端。
3.如权利要求2所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:所述的平行爪手上安装有爪指，爪指内侧开有横向的锯齿纹。
4.如权利要求1所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:在所述的Z轴运动机构的下端安装有颜色传感器和若干反射型线束激光传感器；其中颜色传感器向下照射，反射型线束激光传感器有一只向下照射，其余反射型线束激光传感器分别向四周平行照射。
5.如权利要求1所述一种三自由度运 动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:所述的安放工件的托板固定在底板上，并且工件托板上开有工件安放槽，不同颜色的工件可以安放于工件安放槽中，其中托板的数量为两块，其外形结构相同，分别安装于障碍板两侧；所述的不同颜色的工件为正方形工件块，四周外侧开有锯齿纹。
6.如权利要求1所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:所述的障碍板由若干个错开安装的挡板组成，或由若干个开有不同槽宽的挡板组成，障碍板固定在底板上。
7.如权利要求1所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:所述的安装于X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构一端的伺服电机，分别通过各自的连接电缆与各自的伺服控制器相连，各个伺服控制器与多轴运动控制器相连，多轴运动控制器与分布式I/o模板、计算机、触摸屏相连，计算机上安装有组态软件。
8.如权利要求2所述一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，其特征在于:当平行爪手采用气动气爪时，还配有静音式气泵。
全文摘要
本发明公开了一种三自由度运动控制系统教学实训机器人平台，它包括有底板、支架、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、拖链、平行爪手、爪指、颜色传感器、激光传感器、用于安放工件的托板、若干个不同颜色的工件块、伺服电机、伺服电机控制器、障碍板、多轴运动控制器、计算机、触摸屏和小型空气压缩机等。所述的支架安装在底板上，X、Y、Z轴运动机构安装在支架上，Z轴下端安装有爪手、颜色传感器和激光传感器。安放工件的两块托板固定在障碍板两侧，不同颜色的工件安放于工件安放槽中。机器人通过传感器检测自动抓取工件块，绕过障碍物并按照人机界面上的颜色设置，自动码放到另一块工件托板上，循环进行。
文档编号G09B25/02GK103077651SQ20131001409
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者闫宝瑞, 陈联, 李志江 申请人:北京化工大学