專利名稱：三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機電一體化的機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及運動控制系統(tǒng)的機器人教學(xué)實訓(xùn)裝置的開發(fā)，包括工件的自動識別、抓取、避障、輸送與碼放等。
背景技術(shù)：
機械制造是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，我國是制造業(yè)大國，但非制造業(yè)強國，其中一個重要原因是高級技術(shù)人才的培養(yǎng)存在一定的問題，我國現(xiàn)行的高等教育存在重理論輕實踐的現(xiàn)象，事實上，實踐教學(xué)實訓(xùn)平臺的建設(shè)在人才培養(yǎng)過程中占有非常重要的地位，為了實現(xiàn)培養(yǎng)高質(zhì)量的優(yōu)秀應(yīng)用型人才的目標(biāo)，就必須使學(xué)生在校期間就能夠接受高質(zhì)量的工程訓(xùn)練。目前對機械制造及自動化類學(xué)科，大多數(shù)的教學(xué)實驗設(shè)備基本不具備模擬真實生產(chǎn)現(xiàn)場的功能，一般只能做到電動機級，雖然有些高校購入了非常昂貴的高檔設(shè)備、但這些設(shè)備又過于復(fù)雜、只能讓學(xué)生進(jìn)行認(rèn)識參觀，無法讓學(xué)生親自動手調(diào)試與編程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套能夠讓學(xué)生親自動手編程的簡單實用而原理清晰的三自由度運動控制機器人實訓(xùn)設(shè)備，解決上述目前教學(xué)設(shè)備的不足之處。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，它包括底板、龍門式支架、X軸運動機構(gòu)、Y軸運動機構(gòu)、Z軸運動機構(gòu)，X軸伺服電機和伺服控制器、Y軸伺服電機和伺服控制器、Z軸伺服電機和伺服控制器、拖鏈、用于安放工件的開有mXn個槽位的托板、mXn個不同顏色的工件塊、平行氣動或電動爪手，開有橫向鋸齒紋的爪指、顏色傳感器、若干個反射線束型激光傳感器、障礙板、多軸運動控制器、分布式I/O模板、計算機、觸摸屏、靜音式氣泵氣源等
所述的六柱或四柱龍門式支架安裝在底板上，X軸運動機構(gòu)安裝在六柱或四柱龍門式支架上，X軸運動機構(gòu)由并排平行的兩個軸Xl和X2組成，其中Xl軸為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)伺服電機驅(qū)動，通過直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，X2軸或與Xl軸一樣，或為無動力驅(qū)動、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；在Xl軸的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)，
所述的Y軸為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)伺服電機驅(qū)動，Y軸安裝于X1、X2移動滑塊上，橫跨于X1、X2之間，在Y軸的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)；
所述的Z軸為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)伺服電機驅(qū)動，Z軸垂直安裝于Y軸滑塊上，在Z軸的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)；
所述的平行氣動爪手、顏色傳感器、反射型線束激光傳感器都安裝于Z軸下端，其中顏色傳感器向下照射，激光傳感器中有向下照射的，有向四周橫向照射的；
所述的爪指安裝于氣爪上，爪指內(nèi)側(cè)開有橫向的鋸齒紋；
所述的安放工件的托板，為開有mXn個工件安放槽的托板，mXn種不同顏色的工件可以安放于工件槽中，托板的數(shù)量為兩塊，其外形結(jié)構(gòu)相同，分別安裝于障礙板兩側(cè)；
所述的不同顏色的工件塊為正方形工件塊，四周外側(cè)開有鋸齒文所述的障礙板形式有多種，可以是若干個錯開安裝的擋板組成的迷宮胡同式，也可以是若干開有不同槽寬的擋板式。所述的拖鏈為與X軸、Y軸和Z軸并行安放的塑料拖鏈，并由鋁質(zhì)拖鏈槽支撐，激光傳感器的連接導(dǎo)線、顏色傳感器的連接導(dǎo)線，伺服電機的連接電纜，光電限位開關(guān)的導(dǎo)線以及氣管通過塑料拖鏈槽被弓I出。所述的伺服電機共有3臺，分別安裝于Xl軸、Y軸和Z軸的一端，每臺伺服電機通過連接電纜與各自的伺服控制器相連，伺服控制器與多軸運動控制器相連，多軸運動控制器與分布式I/O模板、計算機和觸摸屏相連，計算機上安裝有組態(tài)軟件。


圖1，本發(fā)明一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺系統(tǒng)正面結(jié)構(gòu)示意圖
圖2、本發(fā)明一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺系統(tǒng)背面結(jié)構(gòu)示意3、Z軸下端的氣爪、爪指、傳感器、工件拾取局部結(jié)構(gòu)示意4、不同槽寬的擋板式障礙板結(jié)構(gòu)示意5、迷宮胡同式障礙板結(jié)構(gòu)示意6、電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示
本發(fā)明一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺包括底板1，、四柱或六柱龍門式支架4、X軸運動機構(gòu)之Xl軸10、X2軸5，Xl軸伺服電機9，Y軸運動機構(gòu)7、Y軸伺服電機12，Z軸運動機構(gòu)6、Z軸伺服電機8、拖鏈11、15、16、平行爪手17，爪指18、爪指上開的鋸齒紋20、顏色傳感器21、反射式線束型激光傳感器22、用于安放工件的托板2、若干個不同顏色的工件塊3、工件塊上開有鋸齒紋19、擋板式障礙板13、迷宮胡同式障礙板24，多軸運動控制器、分布式I/O模塊、計算機、伺服控制器、觸摸屏、氣泵氣源、電磁閥、限位開關(guān)等組成。I)原點定位
本發(fā)明的伺服系統(tǒng)采用的編碼器為絕對值編碼器，控制系統(tǒng)將首先回到平臺的機械原點，所述機器人的原點是指X軸、Y軸及Z軸三個軸的運動原點，其坐標(biāo)值為0，原則上坐標(biāo)原點可以設(shè)在系統(tǒng)有效行程的任何位置，本實施例中將坐標(biāo)原點設(shè)在平臺的左前側(cè)的某點上，其他位置坐標(biāo)都是相對于此原點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。原點坐標(biāo)確定之后、工件托板上的每一個工件安放槽的坐標(biāo)值隨之確定
2)工件檢測
a)各個槽位上有無工件的檢測識別
所采用的反射型線束激光傳感器，可以設(shè)定檢測距離閥值，也就是可以用工件托板上槽位高度值來識別槽位上有無工件，因此可以用此向下照射的激光傳感器來識別每個槽位上是否有工件。b)工件顏色的檢測識別
所采用的顏色傳感器，可以識別槽位上所放工件的顏色，較佳的顏色傳感器的顏色通道為8通道或4通道，有兩種識別工件顏色的方法，一種是通過三軸系統(tǒng)的運動，使顏色傳感器在每個槽位的上方檢測槽位上工件的顏色，另一種是夾起工件后再識別被夾起的工件的顏色。3)工件的拾取避障定位碼放動作的詳細(xì)說明
(a)操作人員在上位計算機的人機界面上，確定好準(zhǔn)備碼放在相應(yīng)槽位上的工件的顏色，啟動機器人；
(b)機器人首先進(jìn)行原點定位，然后按照事先確定的插補軌跡運動，通過向下的激光傳感器識別相應(yīng)工件槽位上有無工件，通過顏色傳感器識別相應(yīng)工件顏色。(C)機器人通過平行氣爪爪指夾起相應(yīng)槽位上的工件，繞過迷宮胡同式障礙板、或者穿過開有開槽的擋板式障礙板，將工件放在另一個托板上的正確的槽位上。(d)放下工件后，機器人繞過障礙板返回到原托板上方，按照順序繼續(xù)拾取工件，識別顏色，然后繞過障礙板將工件放在正確的位置上，如此反復(fù)，直至工件都搬運完畢。(e)當(dāng)工件搬運完畢后，再按照相反的搬運方式，將工件搬運回原來的托板槽位上，如此反復(fù)。(f)爪指上的鋸齒紋與工件上的鋸齒紋具有定位和增加接觸摩擦力的作用，可以防止工件被抓起時前后翻動和滑動。(g)圖3所示的夾頭局部圖中還有若干個未被畫出的向四周照射的激光傳感器，可以用之來測量擋板的開槽寬度、迷宮擋板之間的胡同寬度等，以此來自動判斷夾頭是否可以順利通過，為后續(xù)的學(xué)生開發(fā)更多的功能提供方便。
權(quán)利要求
1.一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:它包括有底板、支架、X軸運動機構(gòu)、Y軸運動機構(gòu)、Z軸運動機構(gòu)、拖鏈、平行爪手，爪指、顏色傳感器、激光傳感器、用于安放工件的托板、若干個不同顏色的工件塊、伺服電機、伺服電機控制器、障礙板、多軸運動控制器、計算機、觸摸屏和小型空氣壓縮機；所述的支架為龍門式支架，該龍門式支架上具有六個柱體或四個柱體，該龍門式支架安裝在底板上，X軸運動機構(gòu)安裝在龍門式支架上；x軸運動機構(gòu)由并排平行的兩個軸Xl和軸X2組成，其中軸Xl為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，由伺服電機驅(qū)動，利用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向；軸X2為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)或無動力驅(qū)動的直線導(dǎo)軌導(dǎo)向軸、由伺服電機驅(qū)動、利用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，在軸Xl的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)；所述的Y軸運動機構(gòu)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、由伺服電機驅(qū)動，Y軸運動機構(gòu)安裝于軸X1、軸X2上的移動滑塊上，橫跨于軸Xl與軸X2之間，在Y軸運動機構(gòu)的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)，Z軸運動機構(gòu)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、由伺服電機驅(qū)動，Z軸運動機構(gòu)垂直安裝于Y軸運動機構(gòu)滑塊上，在Z軸運動機構(gòu)的兩端和中間位置安裝有光電限位開關(guān)；在X軸運動機構(gòu)、Y軸運動機構(gòu)和Z軸運動機構(gòu)一側(cè)分別安排有拖鏈，在拖鏈中安放連接導(dǎo)線氣管。
2.如權(quán)利要求1所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:所述的平行爪手為氣動爪手或電動抓手，安裝于Z軸運動機構(gòu)的下端。
3.如權(quán)利要求2所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:所述的平行爪手上安裝有爪指，爪指內(nèi)側(cè)開有橫向的鋸齒紋。
4.如權(quán)利要求1所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:在所述的Z軸運動機構(gòu)的下端安裝有顏色傳感器和若干反射型線束激光傳感器；其中顏色傳感器向下照射，反射型線束激光傳感器有一只向下照射，其余反射型線束激光傳感器分別向四周平行照射。
5.如權(quán)利要求1所述一種三自由度運 動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:所述的安放工件的托板固定在底板上，并且工件托板上開有工件安放槽，不同顏色的工件可以安放于工件安放槽中，其中托板的數(shù)量為兩塊，其外形結(jié)構(gòu)相同，分別安裝于障礙板兩側(cè)；所述的不同顏色的工件為正方形工件塊，四周外側(cè)開有鋸齒紋。
6.如權(quán)利要求1所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:所述的障礙板由若干個錯開安裝的擋板組成，或由若干個開有不同槽寬的擋板組成，障礙板固定在底板上。
7.如權(quán)利要求1所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:所述的安裝于X軸運動機構(gòu)、Y軸運動機構(gòu)、Z軸運動機構(gòu)一端的伺服電機，分別通過各自的連接電纜與各自的伺服控制器相連，各個伺服控制器與多軸運動控制器相連，多軸運動控制器與分布式I/o模板、計算機、觸摸屏相連，計算機上安裝有組態(tài)軟件。
8.如權(quán)利要求2所述一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，其特征在于:當(dāng)平行爪手采用氣動氣爪時，還配有靜音式氣泵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三自由度運動控制系統(tǒng)教學(xué)實訓(xùn)機器人平臺，它包括有底板、支架、X軸運動機構(gòu)、Y軸運動機構(gòu)、Z軸運動機構(gòu)、拖鏈、平行爪手、爪指、顏色傳感器、激光傳感器、用于安放工件的托板、若干個不同顏色的工件塊、伺服電機、伺服電機控制器、障礙板、多軸運動控制器、計算機、觸摸屏和小型空氣壓縮機等。所述的支架安裝在底板上，X、Y、Z軸運動機構(gòu)安裝在支架上，Z軸下端安裝有爪手、顏色傳感器和激光傳感器。安放工件的兩塊托板固定在障礙板兩側(cè)，不同顏色的工件安放于工件安放槽中。機器人通過傳感器檢測自動抓取工件塊，繞過障礙物并按照人機界面上的顏色設(shè)置，自動碼放到另一塊工件托板上，循環(huán)進(jìn)行。
文檔編號G09B25/02GK103077651SQ20131001409
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者閆寶瑞, 陳聯(lián), 李志江 申請人:北京化工大學(xué)