本發(fā)明屬于工業(yè)自動化領域，特別是一種三自由度柱坐標工業(yè)機器人。

背景技術：

工業(yè)機器人是機器人學的一個分支，一般是指在工廠車間環(huán)境中配合自動化生產的需要，代替人來完成搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。隨著科學和技術的不斷發(fā)展，機器人作為人類最偉大的發(fā)明之一，正在以驚人的速度向軍事、娛樂、服務等人類活動的多個領域滲透。而在其日常使用過程中，各類問題也日益顯現(xiàn)出來。

關節(jié)型工業(yè)機器人，例如庫卡、abb，delta等工業(yè)機器人，由于體積大、機械臂工作強度較小、成本高和操作方式復雜等缺點，不適合應用在沖壓、鍛造設備的送料工序以及生產線上的工件拾取或放置；而與本發(fā)明類似的工業(yè)機器人有scara機械臂，而scara機械臂因受到總體結構設計的應用范圍限制，不適合在沖床或鍛造設備上應用；中國專利cn201410731368.5、cn201521000494.x工業(yè)機器人，并非為沖壓、鍛造設備所設計，故不適合。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種三自由度柱坐標工業(yè)機器人，以解決人工不能完成精確拾取和放置，而現(xiàn)有機器人由于體積較大，操作復雜，又無法應用于沖床或鍛造設備上的小型工件抓取的問題；本發(fā)明采用柱坐標驅動方式，實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器的空間三維點運動，通過配備末端夾持裝置實現(xiàn)對工件的拾取和放置操作。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：

一種三自由度柱坐標工業(yè)機器人，包括平臺、轉動機構、垂直直線運動機構、水平直線運動機構、圖像采集機構、輸料機構、抓取機構，以及控制裝置；

所述轉動機構安裝在平臺的一端，輸料機構安裝在平臺的另一端；所述垂直直線運動機構固定安裝在轉動機構的外圓的上端，平行于轉動機構的軸向做直線運動；所述水平直線運動機構的一端固定安裝在垂直直線運動機構的下端，水平直線運動機構的運動方向垂直于垂直運動機構的運動方向；所述水平直線運動機構的另一端固接有抓取機構；所述圖像采集結構固定在平臺上，且圖像采集機構位于輸料機構底部上端；所述控制裝置分別與轉動機構、垂直直線運動機構、水平直線運動機構、圖像采集機構抓取機構相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：

(1)自由度少，操作簡單、成本低：本發(fā)明的柱坐標工業(yè)機器人采用三自由度，比現(xiàn)有的庫卡、abb等典型工業(yè)機器人的4/6自由度的關節(jié)相比，本發(fā)明的機器人自由度少，不僅能完成工序所需的所有操作，而且裝備成本低、操作簡單，適合生產流水線上批量裝備應用。

(2)一體化設計，占用空間?。罕景l(fā)明具有更緊湊的集成設計特點，由于高度方向的直線移動結構采用了與轉動結構直接相連的一體化設計方案，使末端的高度空間很小，更加適合沖床、鍛壓設備等工況下的應用；相比scara工業(yè)機械臂，結構更加緊湊。

(3)機器視覺識別工件位置，精準放置：本發(fā)明具有機器視覺系統(tǒng)，可識別工件狀況和姿態(tài)，以此計算工件輪廓的形心位置和移動速度，并將數(shù)據通過網絡傳送到控制系統(tǒng)，執(zhí)行裝置受控修正工件的偏轉角度和運動軌跡，以實現(xiàn)無滑動拾取，精確放置在指定位置。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明總體結構示意圖。

圖2是本發(fā)明轉動運動結構示意圖。

圖3是本發(fā)明垂直直線運動結構示意圖。

圖4是本發(fā)明圖像采集機構示意圖。

圖5是本發(fā)明控制裝置連接示意圖。

圖6是本發(fā)明第一彈性球鉸303結構示意圖。

圖7是本發(fā)明第二彈性球鉸311結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種三自由度柱坐標工業(yè)機器人，包括平臺8、接線盒1、轉動機構200、垂直直線運動機構300、水平直線運動機構400、圖像采集機構500、輸料機構6、抓取機構7，以及控制裝置90；

結合圖1，所述轉動機構200安裝在平臺8的一端，用以帶動垂直直線運動機構300做繞轉動機構200做周向轉動；所述輸料機構6安裝在平臺8的另一端；所述垂直直線運動機構300固定安裝在轉動機構200的外圓的上端，平行于轉動機構200的軸向做直線運動；所述水平直線運動機構400的一端固定安裝在垂直直線運動機構300的下端，水平直線運動機構400的運動方向垂直于垂直運動機構300的運動方向；所述水平直線運動機構400的另一端固接有抓取機構7，用于對平臺8上的零件進行取放；所述圖像采集結構500固定在平臺8上，且圖像采集機構500位于輸料機構6底部上端，用于對從輸料機構6滑至平臺8上的零件進行圖像采集以確定零件的位置和姿態(tài)；所述控制裝置90分別與轉動機構200、垂直直線運動機構300、水平直線運動機構400、圖像采集機構500抓取機構7相連；

所述接線盒1固定在平臺8上，用于整理和歸放連接轉動機構200、垂直直線運動機構300、水平直線運動機構400、抓取機構7、圖像采集機構500與控制柜90的線纜；所述控制裝置90安裝在外部地面的控制柜內。

進一步的，所述輸料機構6為導料槽或傳送帶。

結合圖2，所述轉動機構200包括下底座201、第一步進電機202、行星減速器203、連接件204、脹套205、安裝底座206、過渡軸207、彈性聯(lián)軸器208、光電編碼器209、上底座210、防護罩211；

所述下底座201為圓柱形腔體結構，位于整個轉動機構200的下端，將整個轉動機構200固定在平臺8上；所述連接件204為圓柱形腔體結構，通過螺紋安裝在下底座201的上端；所述第一步進電機202、行星減速器203均安裝在下底座201的腔體內；所述第一步進電機202安裝在下底座201腔體內的下端，為整個回轉機構200的回轉提供驅動；第一步進電機202上端與行星減速器203連接，行星減速器203固定安裝在連接件204上；所述安裝底座206為圓柱形腔體結構，安裝在連接件204的上端；所述上底座210為圓柱形腔體結構，固定安裝在安裝底座206的上端；所述光電編碼器209固定安裝在上底座210內，光電編碼器209用于對安裝底座的轉動角度和方向進行檢測并將數(shù)據反饋給控制裝置90；所述行星減速器203的上端輸出軸通過過盈配合與過渡軸207相連，所述過渡軸207通過聯(lián)軸器208與光電編碼器209的輸入軸相連，過渡軸207用于連接行星減速器203與光電編碼器209；所述脹套205安裝在安裝底座206內，安裝底座206通過脹套205與行星減速器203的輸出軸固接；當?shù)谝徊竭M電機202帶動行星減速器203轉動時，行星減速器203將帶動安裝底座206轉動；所述上底座210上端還安裝有防護罩211，光電編碼器209位于防護罩211內，防護罩211對安裝在上底座210內的光電編碼器209起封裝保護作用。

結合圖3，所述垂直直線運動機構300包括導軌固定板301，直線導軌302，第一彈性球鉸303，螺母連接件304，固定塊305，直線軸承306，法蘭307，支撐底座308，第二步進電機309，位移傳感器310，第二彈性球鉸311，連接塊312；

所述直線導軌302一端連接導軌固定板301，相互之間以脹套原理緊固連接，直線導軌302另一端穿過法蘭307安裝在支撐底座308內部；所述法蘭307安裝在支撐底座308的下端；所述支撐底座308固定安裝在安裝底座206上，支撐底座308內安裝有第二步進電機309，用以為直線運動提供動力；所述直線導軌302上安裝有固定塊305；所述固定塊305固定安裝在下底座201上；

進一步的，所述直線導軌302通過直線軸承306與固定塊305相連，直線軸承306用以減少直線導軌302在固定塊305內部運動時產生的摩擦阻力；所述直線導軌302與直線軸承306構成直線移動副；所述直線軸承306與固定塊305過盈配合，并在直線軸承306的外端安裝彈簧擋圈，以實現(xiàn)直線軸承306的軸向固定；

進一步的，所述固定塊305上固定有直線位移傳感器310，導軌固定板301上安裝有連接塊312，位移傳感器310的滑桿軸安裝在連接塊312上；直線位移傳感器310記錄導軌固定板301移動的方向和距離，將數(shù)據反饋給控制裝置90。

進一步的，所述固定塊305下端中間安裝有螺母連接件304，用以承接第二步進電機309傳輸?shù)闹本€運動。所述第一彈性球鉸303的兩端分別與螺母連接件304和導軌固定板301相連，可補償螺母連接件304和導軌固定板301之間的不對中誤差，保證機械傳動的可靠性和使用壽命；所述第二彈性球鉸311的兩端分別與位移傳感器310和連接塊312相連，可補償位移傳感器310安裝時的不對中誤差，保證傳感器的精度。

進一步的，結合圖6，所述第一彈性球鉸303整體為一圓盤結構，圓盤中心設有一圓柱結構，圓盤一周均勻分布3個120°間隔的通孔，用以安裝螺栓使其固定在螺母連接件304上；圓柱底部有螺栓孔，通過螺栓固定在導軌固定板301上。

結合圖7，所述第二彈性球鉸311整體為一端小圓柱和另一端大圓柱相連階梯形圓柱結構；大小圓柱內部，即球鉸兩端圓柱內部各有螺栓孔，分別用以連接位移傳感器310的滑桿軸和連接塊312。

所述直線移動副設計兩套，保證直線移動時的平穩(wěn)性和承載剛度要求。所述垂直直線運動機構300運作時采用直線軸承306固定、直線導軌301移動的設計方案，即垂直直線步進電機309運轉時將通過螺母連接件304推動導軌固定板301，并帶動直線位移傳感器310的滑桿軸向前動作。

所述水平直線運動機構400結構與垂直直線運動機構300的結構相同，運動功能也完全相同，而因安裝位置(水平直線運動結構400的支撐底座與垂直直線運動結構300的導軌固定板301螺紋緊固連接)的差別致使其運動方向為相互垂直；水平直線運動機構400的運動方向垂直于垂直直線運動機構300的運動方向，為水平直線運動，故不再贅述。

結合圖4，所述圖像采集機構500包括環(huán)形光源501，相機502，支撐架503。所述相機502和環(huán)形光源501均安裝在支撐架503上，相機位于環(huán)形光源501中心位置，支撐架503安裝在平臺8上。所述圖像采集機構500運作時，在環(huán)形光源501的照射下，相機502負責對其正下方的零件進行圖像采集，數(shù)據由線纜傳入控制裝置90。

所述抓取機構7固定安裝在水平直線運動機構400的導軌固定板上，為拾取和放置工件所用，為購買件，不在本發(fā)明之內，不再詳細敘述。其利用電磁吸盤結構，即通電后線圈產生磁力來完成對工件的拾取運動，斷電后磁力消失，放置工件?？刂齐姶盼P的線纜經過接線盒1整理后與控制裝置90相連。

結合圖5：所述控制裝置90包括24v電源91，電源開關92，控制器93，端子板94，第一電機驅動器95，第二電機驅動器96，第三電機驅動器97，視覺控制器98，信號轉換器99。

所述電源91通過電源開關92與其他各裝置相連，所述電源91為整個控制裝置90供電；所述端子板94分別與控制器93、電機驅動器95/96/97、視覺控制器98、信號轉換器99相連，構成控制柜的主要結構；所述信號轉換器99完成位于垂直直線運動機構300和水平直線運動機構400中直線位移傳感器310的信號采集和轉換并將信號傳輸給端子板94；所述視覺控制器98完成來自于圖像采集機構500的工件圖像的輸入、處理和數(shù)據輸出，輸出端為端子板94；所述第一電機驅動器95，負責接收上級端子板94的信號并驅動第一步進電機202按要求的方向轉動一個特定的角度；第二電機驅動器96和第三電機驅動器97二者功能與回轉電機驅動器95功能類似，接收上級端子板94的信號，分別控制垂直直線運動機構300和水平直線運動機構400的步進電機按要求的方向運動特定的距離；所述端子板94負責接收控制器93的信號，并將其放大，傳輸給下級的電機驅動器95/96/97，同時接收視覺控制器98和信號轉換器99的數(shù)據并放大后輸出至控制器93；所述控制器93負責對端子板94輸入的信號進行運算和處理，包括視覺控制器98提供的工件的位置、姿態(tài)數(shù)據和信號轉換器99提供的機器人當前位置、姿態(tài)的數(shù)據，并將處理、決策結果輸出給端子板95。整個控制裝置90運作時，來自圖像采集機構500的圖像經視覺控制器98處理后輸出給端子板94，來自直線位移傳感器310/410的電信號經信號轉換器99采集和轉換后傳輸給端子板94，端子板94放大后輸入控制器93，控制器93對數(shù)據進行最終的處理并將結果輸出給端子板94，再經端子板94的放大后傳輸給電機驅動器95/96/97，控制電機的運轉，完成機器人的移動目的。

機器人的操作控制界面采用觸摸屏方式。共有12個按鈕，能進行如下操作：回轉運動的順時針和逆時針轉動、垂直直線運動、水平伸縮運動、三軸運動的速度調節(jié)、工作空間運動軌跡的路徑規(guī)劃、工件的手動拾取和釋放、自動操作工序的運行與停止。

整個三自由度柱坐標機器人工作時，首先各運動機構歸至原點位置，由輸料機構6輸送工件至滑至圖像采集機構500下方，且進入平臺8上方的槽內，經相機502采集圖像后傳輸給視覺控制器98，視覺控制器98處理后輸出至端子板94并將其放大，將最終數(shù)據輸入給控制器93，控制器93接收數(shù)據，根據轉動機構200內的光電編碼器209、垂直直線運動機構300內的直線傳感器30、水平直線運動機構400內的直線傳感器所取得的機器人當前的位置和姿態(tài)數(shù)據，處理并將執(zhí)行的命令傳輸給端子板94，經端子板94放大后傳輸給電機驅動器95/96/97，驅動第一步進電機202、垂直直線步進電機309、水平直線步進電機409進行動作，移動至特定位置，配合裝有電磁吸盤結構的抓取機構7，完成對工件的拾取運動；并繼續(xù)根據控制器93傳輸下來的指令，控制運動軌跡使其到達指定位置，抓取機構7精確放置工件，再回到原點位置，完成一個工作過程的循環(huán)。