锥面镜装夹机械手的设计与实验研宄

摘要

　　借助机器人实现工业制造的自动化升级是未来工业不断发展的趋势，同样对于精密制造业在发展中也面临着自动化升级问题。锥面镜作为一种广泛使用的精密光学元器件，大批量高精度是其特点，本文针对锥面镜这种精密光学元器件的特点，结合其制造过程，设计了一种自动装夹卸取系统，实现锥面镜加工上下料自动化，在其生产效率以及良品率上得到较大提升。在自动装夹卸取系统中，密切结合现有生产特点，设计一种装夹卸取专用机械手爪；利用2D视觉定位锥面镜坐标，UR5机器人脚本程序实现整体控制。

　　对于超精密机床加工锥面镜，传统人工上下料过程包括装夹、卸取两个动作，通过分析过程特点，优化卡盘结构，设计一种专用机械手爪，实现定心抓取以及轴向推进旋紧旋松功能。采用演化曲柄滑块机构作为三指抓取锥面镜的传动执行机构，为手爪小型化、大行程、可定心提供可能；外推式旋紧旋松机构利用机器人轴向推进和自身机构旋转实现对卡盘的锁紧与放松。

　　利用arduino等硬件设计手爪控制单元，结合I/O通信使得手爪动作与机器人运动融合，实现锥面镜自动装夹卸取。建立2D视觉识别定位系统，采用eye-to-hand安装方式，为机器人抓取码放盘上的无序锥面镜提供2D视觉点。通过设计实验方案，结合手爪、机器人、视觉系统进行实验精度测试，多组实验后得出整体抓取精度X方向为0.304mm,在Y方向为0.877mm.本文所设计的自动装夹机械手为锥面镜自动上下料提供了一种可行性的解决方案，整个加工过程减少了人工干预，提高了生产效率，所设计的锥面镜装夹手爪结合机器人控制及视觉定位系统也为其它零件的自动上下料抓取手爪的设计和控制的实现提供了一定的参考价值。

　　关键词：锥面镜；机械手爪；UR5机器人；视觉识别；手眼标定

abstract

　　The automation upgrading of industrial manufacturing with the help of robots is the trend of continuous industrial development in the future. Similarly, the precision manufacturing industry is also facing the problem of automation upgrading in the development. As a widely used precision optical component, conical mirror is characterized by large batch and high precision. According to the characteristics of conical mirror as a precision optical component and combined with its manufacturing process, an automatic clamping and unloading system is designed to realize the automatic loading and unloading of conical mirror processing, which has greatly improved its production efficiency and yield. In the automatic clamping and unloading system, a special mechanical gripper for clamping and unloading is designed in close combination with the existing production characteristics; Using 2D vision to locate the conical mirror coordinates, the UR5 robot script program realizes the overall control.

　　For the machining of conical mirror with ultra precision machine tool, the traditional manual loading and unloading process includes two actions: clamping and unloading. By analyzing the process characteristics, optimizing the chuck structure, a special mechanical gripper is designed to realize the functions of centering, grasping and axial pushing, tightening and loosening. The evolutionary crank slider mechanism is used as the transmission actuator of the three finger grasping conical mirror, which provides the possibility for the miniaturization, large stroke and centering of the claw; The push out tightening and loosening mechanism uses the axial propulsion of the robot and the rotation of its own mechanism to lock and loosen the chuck.

　　The gripper control unit is designed by Arduino and other hardware. Combined with I / O communication, the gripper motion is integrated with the robot motion to realize the automatic clamping and unloading of conical mirror. The 2D visual recognition and positioning system is established, and the eye to hand installation method is adopted to provide 2D visual points for the robot to grasp the disordered conical mirror on the code playback disk. Through the design of the experimental scheme, the experimental accuracy is tested in combination with the gripper, robot and vision system. After multiple groups of experiments, the overall grasping accuracy is 0.304mm in the X direction and 0.877mm in the Y direction. The automatic clamping manipulator designed in this paper provides a feasible solution for the automatic loading and unloading of conical mirror. The whole processing process reduces manual intervention and improves the production efficiency, The designed conical mirror clamping gripper combined with robot control and visual positioning system also provides a certain reference value for the design and control of automatic loading and unloading gripper of other parts.

　　Key words: conical mirror; Mechanical gripper; UR5 robot; Visual recognition; hand-eye calibration

目录

　　1绪论

　　伴随全球工业自动化不断智能升级的步伐，工业机器人正在世界工业领域不断革新传统生产方式。本章通过分析全球工业机器人发展现状以及应用领城，不断探素未来工业机器人发展方向。同样件随机器人末端执行器的不断发展。工业机器人的应用方式也在不断增加。本文通过设计新的生产模式为传烧精密制造业写上智能化标签，也为探索工业机器人迈向精密制造领域提供参考。

　　1.1 金球工业机器人应用发展现状

　　1.1.1全球工业机器人整体发展态势

　　随着：全球工业市场的不断发展以及对高新技术的漏求，打造智能化生产线的声音正在不断席巷全球工厂。早在上个世纪工业机器人就已经承担起打造智能化工厂的重任。随着技术的不断进步，工业机器人已经遍布全球各大制造业领城，从汽车到3C.

　　再到冶金化工行业。总能看到它们的身影。件随德国提出的"工业4.0" 以及中国的"智能制造2025".工业机器人在未来工厂里的地位将不断攀升。

　　1959年，恩格尔怕格續造了世界上第-台工业机器人。从此将世界制造业推向了一个断的高峰。工业机器人在将近60年的发展中。已经演化出适用于各种领域的机器人，例如曉涂机器人、点焊机器人等。在工业机器人技术的不断整合与产业化的过程中形成了一条完备的产业链。该产业链包含上层主要机器人零部件生产、中层机器人本体制造以及下层机器人应用三个层次，在各自领域涌现了一大批优秀的企业，这其中就包括油霸工业机器人市场的四大主流品牌ABB. FANUC. KUKA. YASKAWA.

　　ABB自身具有强大的本体制造与软算法能力。收购贝加棠与GE工业系统。在工业自动化。电力自助化等领城具有极强的实力： FANUC拥有全球领先的数控系统技术，工业机器人本体种类多达240种。负重范围从0.skg至23.通过系統集成整合自身业务板块，实现高质量解决方案输出： KUKA核心零部件白产率低，工业机器人本体核心优势体现在控制端，吸收瑞仕格物流自动化优势，重点推动工艺集成解决方案业务。其于2017年被美的收购：安川电机核C零部件优势强大，控刺器硬件、电机等优势明显。机器人性价比相对较高。

　　据统计，2016 年这四大主镇工业机器人企业在全球收入占比高达4.19%.按收入体量看。 ABB为领头企业。其机器人业务收入是排名第二位FANUC的将近4.7倍，其余排：名分别是KUKA第三和安川第四，2017年四大品牌在中国市场占有率达57%,其中FANUC （18%） >KUKA （14%6） >ABB （13%） > YASKAWA （12%）。从图1-1的全球近年工业机器人销量与销售额可以看出。其呈现逐年递增的志势。宋来工业机器人市场将继续蓬勃发展。

　　相较于全球工业机器人市场，在国内也涌现出- -大批优秀的工业机器人企业，涵盖了零部件。本体制造以及系统集成应用等多个模块。其中比较优秀的企业包括新松、1绪论埃斯顿、广州数控等。但国内机器人厂商起步较晚，和国外优秀机器人企业比较还有较大差距，想要和国外优秀机器人企业同场竞技还需要时间慢慢积累。

　　1.1.2全球工业机器人应用领域现状

　　随着全球经济的不断发展，人们的受教育程度不断提高，从事重复性体力劳动的人数不断下降，工厂的用人成本也在不断加大，通过机器人来代替传统人工越来越受到企业的青睐。伴随着机器人技术的不断增强，工业机器人的应用领域也在不断扩大。

　　图1-2 说明了2016 年国内与全球工业机器人的主要应用领域，从数据可以得出汽车和3C行业是目前工业机器人应用最多的领域。

　　汽车产业包括汽车整车制造和汽车零部件制造，通常整车厂与机器人供应商合作关系稳定，如大众用KUKA和FANUC,宝马奔驰等德系用KUKA,通用主要是FANUC,菲亚特用柯马，白车身和冲压线主要是ABB,涂装主要是德国杜尔，丰田本田等日系用安川、川崎等日资品牌，现代起亚只用现代等。而对于3C市场机器人则同样具有更大的发展空间，目前世界上的3C电子产品不断出新，市场需求巨大，3C行业是劳动密集型产业，人工成本不断上升推进了"机器换人"的趋势，3C机器人市场正在爆发。中国集中了全球70%的3C产品产能，但是2016年国内3C行业目前机器人密度仅为11台/万人，而日韩两園3C行业的机器人密度早已超过1200 台/万人，相比之下，我国3C领域自动化水平仍存在较大差距。金属机械产业包括很多重型工业，生产环境相对恶劣，高强度的作业方式和恶劣环境的叠加使得其不断寻找可靠的人工替代方式，工业机器人就是最好的选择，例如专门适用于极重载荷的库卡铸造机器人为机械铸造行业提供了最优的解决方案。橡胶塑料在我们身边几乎无所不在，每天生产的橡胶塑料制品不计其数，橡胶塑料成品往往由注塑机成型，传统的方式为由人工进行上下料，采用自动化解决方案，生产工艺更高效、经济可靠。随着工业机器人技术的不断发展，出现的更高精度，更高柔性机器人正向不同工业领域迈进，不断为智能化工厂建设贡献力量。

　　1.1.3工业机器人未来发展前景

　　在全球互联网的浪潮下，万物互联的理念越来越接近我们的生活。智能工厂通过信息技术将工业机器人与网络融合，组成综合性生产系统，多台机器人协同技术使一套生产解决方案成为可能。未来工业机器人将朝着更加智能化、协同化、扩大化的方向继续前进。

　　智能化代表工业机器人与人工智能相结合，有助于机器人变得更加自主，并与人类携手合作。机器视觉是实现工厂智慧化的关键技术之-, 通过视觉的加入，为机器人和机械设备赋予"眼睛",将工业机器人与视觉结合，通过图像处理算法，将视觉识别的特征信息告诉机器人，机器人通过信息转换执行相应的动作，这- -整 套系统为机器人赋予智能。在图像处理方面，有各种图像特征提取方法，在环境变化不大的情况下可以实现目标物的精确识别，再结合目前比较热门的深度学习技术可以实现复杂环境下的特征提取，智能化的工业机器人才能打造未来化的智慧工厂。

　　人机协作将是未来工业机器人的另一个发展方向，从ABB的YuMi双臂机器人，到KUKA的iw七轴机器人，最后再到引领协作机器人市场的UR机器人，无不在以自己更加柔性化的性能打造未来工厂。人们需要以零星或是间敬的工作方式与机器人进行紧密合作，所以安全共存变得越来越重要，协作机器人有着高度的灵活性和适应性，它们不仅可以适应环境的变化，还可以为重复性任务增加了不知疲倦的耐力。

　　在工业机器人朝着更加灵巧和安全的方向前进时，它也在不断吸引更多行业的新用户。随着更多尖端技术被添加到工业机器人之中，工业机器人将会变得更小，更轻，适应性更强，功能的强大使得工业机器人不断渗透到更多领域，由原来的汽车、3C等主流行业渐渐延伸到食品、精密仪器等行业。

　　1.2自动抓取系统的国内外发展

　　1.2.1自动抓取技术的国外发展

　　1.2.2自动抓取技术的国内发展

　　1.3课题研究背景及意义

　　1.4本章小结
　　2锥面镜装夹机械手的机构设计与赫计算分析

　　2.1锥面镜装夹机械手的结构设计

　　2.1.1结构设计分析

　　2.1.2结构设计选型

　　2.1.3结构设计

　　2.1.4专用机械手爪的加工制作

　　2.2锥面镜装夹机械手的计算分析

　　2.2.1电机校核计算

　　2.2.1.1机械手指的夹持力计算

　　2.2.1.2三指手爪电机校核

　　2.2.1.3旋紧机构电机校核

　　2.2.2三指手爪运动分析

　　2.3本章小结

　　3锥面雜夹机械手的控制系

　　3.1机械手的控制系统硬件

　　3.1.1步进电机与驱动器

　　3.1.2主控板与控制模块元器件

　　3.2机械手爪的控制系统软件

　　3.2.1机械手爪内部控制系统组成

　　3.2.2手爪内部控制系统

　　3.2.3机械手爪控制箱温控系统组成

　　3.3整体控制系统搭建

　　3.4本章小结

　　4机械系统分析

　　4.1UR5机器人的机构以及系统参数

　　4.2六自由度串联机器人连杆参数

　　4.2.1六自由度串联机器人连杆描述

　　4.2.1.1中间连杆

　　4.2.1.2首、末连杆

　　4.2,1.3连杆参数和关节变量

　　4.2.2六自由度串联机器人连杆坐标系

　　4.2.2.1中间连杆坐标系

　　4.2.2.2首末连杆坐标系

　　4.2.3六自由度串联机器人连杆变换和运动学方程

　　4.3优傲机器人的正运动学分析

　　4.4优傲机器人的逆运动学分析

　　4.5优傲机器人的奇异点分析

　　4.6本章总结

　　5锥面镜胃棚别与手眼标定研宄

　　5.1相机标定

　　5.1.1相机标定数学模型

　　5.1.2基于halcon的相机标定

　　5.1.2.1相机与光源的选型

　　5.1.2.2halcon相机标定

　　5.2锥面镜目标识别

　　5.2.1halcon图像采集

　　5.2.2锥面镜目标位置识别

　　5.3手眼标定

　　5.3.1手眼标定数学模型

　　5.3.2halcon算子手眼标定

　　5.4本章小结

　　6锥面镜自动上下料整体系统实验研究

　　6.1机器人通信

　　6.2整体系统

　　6.3抓取精度误差分析

　　6.4本章小结

7总结与展望

　　7.1全文总结

　　本文以锥面镜自动上下料为整体实现目标，结合现有资源进行实验整合，得出比较完善的整体方案。在锥面镜上下料中比较棘手的为卡盘夹紧方式，由于锥面镜为精密元器件，体积较小，需要使用弹簧夹头对其进行定心装夹，在不改变原有装夹方式的前提下，以专用手爪设计为切入点，通过将抓取和旋紧旋松机构结合，利用双电机驱动，设计出一种结构紧凑的锥面镜专用手爪，利用3D打印技术为机械手爪的结构优化提供了可能。手爪分为内外两部分结构，内部为抓取三指定心手爪，传动机构是优化后的曲柄滑块机构，建立电机旋转角度与手爪张合角度的对应关系为控制抓取不同直径锥面镜提供了数据参考。

　　在手爪的控制部分，采用arduino板作为主控制板，其具有编程简单，接口丰富等特点，结合薄膜式压力传感器、限位开关、继电器等控制硬件编写控制程序，I/O口为手爪与外部进行通讯的接口。为了使托盘内的锥面镜可以在无序状态下实现抓取，需要建立2D视觉识别系统。建立相机标定数学模型，利用halcon软件对相机进行标定，得出相机内参数据。其平均误差为0.357752像素。利用九点标定法对eye-to-hand的相机进行手眼标定，得到像素坐标与机器人坐标之间的对应矩阵。对于采集的锥面镜图像，利用blob分析得到其中心的像素坐标，再经手眼标定得到的转换矩阵进行转换即可得到机器人抓取的视觉点。在halcon与机器人进行通信使用的socket,利用物理网口和网络调试助手，将转换后的坐标数据发送给机器人，实现整体的抓取动作。

　　7.2本文主要创新点

　　在锥面镜自动上下料整体系统的设计中主要难点与创新点主要包括两大部分，一是专用手爪的设计与制作，目前该种结构的手爪为完全创新的手爪，市面上包括在售与未售的己知手爪，其机构主要以人型手指和三指、二指为主，在三指手爪方面，所设计的传动结构也是目前没有的。在设计手爪时，为了整体机构的紧凑，就需要把内部的抓取手爪做小，但又需要抓取手爪抓取范围最大在12mm左右，目前成熟的机构是楔式结构，这种结构制造比较麻烦，且结构较大，无法做的小型化。利用演化后的曲柄滑块机构不仅可以最大化的减小结构件，而且可以把手爪的张角最大化，采用该种演化后的曲柄滑块机构作为手爪传动机构的创新设计。

　　旋紧旋松机构采用外推式结构，当锥面镜放入卡盘后，机器人沿轴向移动，压缩弹簧，推动旋转旋紧机构向前移动，使其卡入卡盘环，通过电机带动旋紧旋松机构旋转即可实现卡盘旋松旋紧。目前'利用该种方法实现螺纹件的旋紧旋松也是一种创新。第二部分为以arduino作为手爪控制系统的主控板建立手爪控制系统，手爪控制一般厂家会用集成化的电路板作为手爪的控制主体，这样虽然可以使其控制单元集成在手爪内部，但对于二次开发手爪功能其具有一定的局限性，而本文使用通用arduino板作为主控，其编程简单，可控性强，为手爪二次开发以及后续实现功能变换提供了更多的便利性，手爪的控制单元是外置的，也不会因手爪为了和控制板结合而导致体积过大。

　　7.3本文不足与展望

　　本文主要不足是目前仍是以实验为主要目标，在实际生产中需要结合节拍的要求，所以可以通过转换机构将机器人末端安装两个专用手爪，一个用于卸取，一个用于装夹，这样会使得整体节拍降低，使得机床可以得到最大限度的的利用。在设计手爪的过程中，为了达到可制造的目的，将许多可购买标准件作为设计的主要参考因素，对于部分非标件也采用了标准件代替，在设计中对部分非标件做了妥协，使得手爪的整体尺寸并没有达到实际可以缩小的尺寸。

致谢

　　时间飞逝，伴随着实验室忙碌的身影，研究生时光将要结束了，幸福的时光总是那么短暂，仿佛开学报到的日子就在昨天。回头看看，这几年的日子有苦有泪，有笑有甜，一切总是那么的自然，一切却也是那么的难忘。

　　我的老师，永远是我前方道路的指明灯，从研-开始对研究领域的初识，到研二对研究课题的深入，再到现在对研究成果的耕耘，这一切都离不开老师的谆谆教诲。

　　在老师身上，我看到了对学术的严谨、对学生的包容、对学习的认真等等，这也是一直鞭策我继续前进的动力，优秀的品格总能感染我，让我在无数次面临失败时挺直腰杆，继续前行。在此，我想对老师表达我最诚挚的感谢与敬意。

　　我的课题组老师，感谢您们孜孜不倦的为我提供宝贵的意见，在您们的建议下，我的论文才能不断朝着正确的方向改进，您们为我答疑解惑，为我指明方向，学生无以为报，只能在此对您们表达最崇高的敬意。

　　我的同学，-群可爱的人，一群总能传递快乐的人，和你们在-起，我的研究生生活才能多姿多彩，我们一起学习，- -起讨论。在学术中，总能给我传递灵感，让我灵感大爆发；在生活中，相互帮助，相互照顾，一-起为研 究生生涯增添了难忘的回忆。

　　在此，我想对我的同学表达我的感激之情，我会永远记得我们的同窗友情。

　　最后，感谢参与我论文答辩和评审的各位老师，是您们给予了我一个审视自已研究成果的机会，给予我肯定，让我在未来的道路上有了自己的追求方向。在此，让学生对您们表达最美好的祝福。

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