1 第七届全国大学生机械创新设计大赛 作品设计说明书 学校：学校：安徽工业大学 作品名称：作品名称：协同式空间双臂搬运机 指导教师：指导教师：杨琦、刘庆运 团队成员：团队成员：何远洋、胡少腾、胡汉东、侯宁宁、洪明峰 1 目录目录 1. 项目介绍项目介绍.2 1.1 团队介绍.2 1.2 设计要求及需要解决的问题.3 2. 总体方案总体方案.4 2.1 设计思路.4 2.2 确定设计方案.5 2.3 方案创新点介绍.6 3. 机械结构设计机械结构设计6 3.1 基于 solidworks 的三维建模6 3.2 平移机构7 3.3 旋转机构8 3.4 夹持机构8 4.电气控制系统搭建电气控制系统搭建.10 4.1 控制系统简述.10 4.2 双目立体视觉控制系统11 4.3 搬运机器人运动学分析及计算.11 5.样机模型制作及试验样机模型制作及试验.11 5.1 模型制作19 5.2 试验结果分析21 6.总结展望总结展望.21 附：机器人调试主程序 2 1. 项目介绍项目介绍 1.1 团队介绍团队介绍 本团队来自安徽工业大学，共 2 名指导老师，5 名参赛学生。 具体情况如下： 参 赛 者 姓名性别班级所学专业 1何远洋男机 1310机械设计制造及其自动化 2胡少腾男机 1310机械设计制造及其自动化 3胡汉东男机 139机械设计制造及其自动化 4侯宁宁男仪 Z131测控技术与仪器-卓越工程师 5洪明峰男自 143自动化 指 导 教 师 姓名性别职称专业 1杨琦男实验员机械 2刘庆运男教授 机械 团队由三名机械专业和两名电气专业学生组成，分工明确，共同完成 本作品的方案设计、 硬件搭建、 软件系统的控制、 系统的调试等工作。 1.2 设计要求及要解决的问题设计要求及要解决的问题 主要是设计帮助快递员进行载运和搬动物品等工作的辅助装置。所 设计的商品载运装置不仅要快捷，而且要保证投递员和商品的安全， 便于实现文明装卸、文明分发、投递各类快件；助力装置主要指在搬 运商品的过程中可以减轻投递员劳动强度、 且能保障商品安全的小型 与轻便的机械装置。 3 图图 1-1 目前存在的问题 目前存在的问题： 目前存在的问题 目前存在的问题：( 1 ) 快递商品数量大、分拣效率低； ( 2 ) 分拣载运受空间地形因素限制较大； ( 3 ) 人工成本高，存在“暴力分拣” ； 针对目前快递分拣载运过程中出现的问题 结合载运、助力主题，从需求出发进行机械设计。结合载运、助力主题，从需求出发进行机械设计。 各国研究人员早已预见到移动双臂系统的应用价值， 最近 10 余年， 关于此类机器人的各种应用研究大量开展。 其中运动规划与控制研究 所受关注最多，OMDAR 这类多自由度复杂系统，控制器的参考输入 主要来源为系统运动规划模块的输出， 因此需要基于可靠的运动规划 结果，设计稳定、高精度的控制系统，以实现规划的操作过程，从而 完成指定的任务。由于机器人系统结构复杂、应用环境多样、综合考 量因素较多等原因，此类移动双臂机器人系统运动规划研究，在系统 运动性能评估指标、多种性能指标综合、系统多自由度协调方法、规 划求解方法、 障碍规避规划、 稳定性优化、 环境感知交互规划等方面， 4 仍有待深入研究。 本作品针对于快递分拣及商品载运行业目前存在的 问题，提出一种空间滑轨式双臂协同工作机器人。 2.总体方案总体方案 2.1 设计思路设计思路 图图 2-1 设计思路设计思路 本作品针对现有传统载运过程中效率低， 自动化程度低， 人工成本 高且大多只能针对平面进行搬运等问题，从现有技术 3D 打印机，起 重机中获得思路， 结合二者机构设计一能进行高效率空间搬运的协同 式空间双臂搬运机。 2.2 确定设计方案确定设计方案 本作品从实际需要出发，设计双机械臂，快速搬运机械系统的设计 不仅考虑在 3D 环境中运动的灵活性，而且考虑在最大化机械自主性 能的情况下最小化能耗。考虑到整体重量结构问题，综合国内外研究 5 成果我们考虑采用双臂协同结构，约定双臂分别为正臂和负臂。单臂 工作时， 一个机械臂可以进行 XYZ 方向三个自由度的快递箱搬运工作； 双臂工作时，两个机械臂协同工作，完成对一个空间内快递箱高效率 的快速搬运工作。 本作品以步进电机作为驱动件， 单边机械臂以一对步进电机驱动水 平，竖直两滚珠丝杆，两丝杆通过 360舵机云台进行联接，竖直丝 杆上装有悬臂梁与夹爪， 通过两丝杆移动和云台转动使单边夹具能到 达一定空间范围内任意一点位置。 图图 2-2 模型创建模型创建 2.3 方案创新点介绍方案创新点介绍 （1）可单臂工作，也可双臂高效协同工作，分拣载运效率高，工作 稳定，同时整体结构简单、易于实现； （2）视觉处理方面采用基于位置的视觉控制与基于图像的视觉控制 的混合控制，控制精确，可用于高柔性的精细作业场合； （3）本作品可多机协同同时工作，既可在大型企业使用，同时也可 以满足中小型企业需要； 6 （4）模块化设计，维护方便，可根据实际需求添加多种功能； 3. 机械结构设计机械结构设计 3.1 基于基于 solidworks 的三维建模的三维建模 根据设计思路及查找相关资料，运用 solidworks2013 创建本方案 的三维模型并进行了危险部位的有限元分析。验证了方案的可行性。 图图 3-1 Solidworks 三维模型创建三维模型创建 7 图图 3-2 危险部位的有限元分析危险部位的有限元分析 3.2 平移机构平移机构 机械臂的移动机构是利用滚珠丝杆，滚珠丝杆滚珠丝杆具有以下优点: （1） 、摩擦损失小、传动效率高； （2） 、传动精度高； （3） 、高速进给和微进给可能； （4） 、轴向刚度高； 图图 3-3 滚珠丝杠（丝杠滑轨）滚珠丝杠（丝杠滑轨） 8 3.3 旋转机构旋转机构 机械臂的旋转机构是利用旋转云台，旋转云台旋转云台具有以下优点: 旋转云台是一种可以用来安装、固定的支撑设备，双机械臂搭载在 云台上，可以精确调整转动角度使机械臂达到最好的工作姿态，且可 以承受一定的载荷，完成一系列连续的载运分拣工作。 图图 3-3 滚珠丝杠（丝杠滑轨）滚珠丝杠（丝杠滑轨） 3.4 夹持机构夹持机构 机械臂的夹持机构是利用“一”字型简易夹爪，旋转云台旋转云台具有以 下特点:机械爪是整个载运分拣装置的核心，本作品拟采用一种“一” 字型简易夹爪代替实际工作夹爪，它可以在一定方向上自由转动，对 箱体等较为规则的商品快递夹持精确， 夹持的电动夹爪的夹持力可以 调整，并可以实现力的闭环控制，夹持力的精度高，可用于高柔性的 精细作业场合。 9 图图 3-4 夹持机构夹持机构 4. 电气控制系统搭建电气控制系统搭建 4.1 控制系统简述控制系统简述 基本系统利用 STM32 为主控核心，主要由视觉识别处理模块、 机械运动模块，无线控制模块；同时利用 WIFI 模块进行图像信息的 传输，为用户设计上位机界面实现了分拣搬运的远程监控功能。 图图 4-1 电路搭建电路搭建 图图 4-2 模块化设计模块化设计 10 4.2 双目立体视觉控制系统双目立体视觉控制系统 双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式， 它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两 幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取 物体三维几何 信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，使我 们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理 点在不同图像中的映像点对应起来， 这个差别， 我们称作视(Disparity) 图像。在实际应用中，一般将两台摄像机光轴调到大致平行，通过摄 像机标定获取任意放置以及任意配置的两个摄像机之间的相对位置 信息以及各自的成像参数， 并利用立体图像匹配方法得到点 P 在两个 成像平面上的对应成像点，再根据视差恢复点 P 的三维信息。 图图 4-2 双目立体视觉模型双目立体视觉模型 为适应实际的需求本作品拟采用一种基于位置的视觉控制与基于 11 图像的视觉控制的混合控制，姿态偏差为 3D 信息，姿态控制采用基 于位置的视觉控制，位置偏差为 2D 信息，位置控制采用基于图像的 视觉控制。混合视觉控制系统如图 4-3 所示。 图图 4-3 双目立体视觉模型双目立体视觉模型 4.3 搬运机器人运动学分析及计算搬运机器人运动学分析及计算 在立体空间中，任意一个物体的位姿都包含两方面信息：位置和姿 态。为了可以定量的描述物体位姿信息，可以通过在物体上设定一个 固连与物体的坐标系， 描述出该坐标系的位姿便可以表示出物体的位 姿。 如图 4-4 所示， 为了表示出物体 P 的位姿信息， 可以在物体 P 上， 相对于世界坐标系 W 建立一个固接与 P 的目标坐标系 O。 12 图图 4-4 位姿表述图位姿表述图 物体 P 的位姿可以表示为： 位置：WT（TXw,TYw,TZw）T 姿态： ， 其中位置可以用 OP 坐标系的原点在世界坐标系（笛卡尔坐标系）中 的 3 个坐标 WT（TXw,TYw,TZw）T 来表示，姿态则需要采用该坐标系 相对于世界坐标系的三轴旋转角度来表示即绕 X 轴的旋转角度，绕 Y 轴的旋转角度，绕 Z 轴的旋转角度。 在上述的姿态表述中，通过绕 3 个轴的旋转角度来表示姿态，是最少 参数的表示方式， 其本质是描述了两个笛卡尔坐标系之间的姿态旋转 关系，所以还可以用旋转矩阵的通用表示法表示，如式（4.1）所示。 333231 232221 131211 rrr rrr rrr R （4.1） P 坐标系若相对与坐标系 W 仅仅只存在 X 轴的旋转，则 P 的姿态矩 阵可表示为如式（4.2）所示的矩阵。 cossin0 sincos0 001 ),(xRRW P （4.2） 式（3.3） ， （3.4）分别表示 P 坐标系相对与坐标系 W 仅仅只存在 Y 轴 和 Z 轴的旋转姿态。 cos0sin 010 sin0cos ),(yRRW P （4.3） 13 100 0cossin 0sincos ),( zRRW P （4.4） 坐标转换 坐标转换指的是空间中任意两个坐标系之间的坐标转换， 通过坐标转 换，可以统一机器人多坐标系之间的转换，便于实现视觉导航控制。 坐标转换一般分为平移转换、旋转转换、复杂转换。 如图4-4 所示， 其中 P 坐标系与 P坐标系之间的坐标转换为平移转换。 在 P 坐标系中的点（PX,PY,PZ）T，在 P坐标系中对应的坐标为 （PX,PY,PZ） T， 则两坐标满足式 （4.5） 关系， 其中向量 WT=TXw TYw TZwT 可用来描述 P 相对于 P的位姿。 Z Y X ZW YW XW Z Y X W Z Y X P P P T T T P P P T P P P （4.5） 如图 4-4 所示，其中 P坐标系与 W 坐标系之间的坐标转换为旋转变 换。P相对于 W 的位姿表述中只含有姿态变换，即可用 P坐标系与 W 坐标系的旋转变换来表示 P相对于 W 的位姿。在 P坐标系中的点 （PX,PY,PZ）T，在 W 坐标系中对应的坐标为（WX,WY,WZ）T，则两 坐标满足式（3.6）关系，其中 PRW 可用来描述 P相对于 W 的位姿。