平面多关节SCARA机器人搬运应用机器人本体部分-电气工程及其自动化毕业论.doc

毕业设计毕业设计 平面多关节 SCARA 机器人搬运应用机器人本体 部分 姓 名： 姚震宇 学 号： 13020019 班 级： 13 电气 1 专 业： 电气工程及其自动化 所在系： 自动化工程系 指导老师： 孔祥迪 平面多关节平面多关节 SCARASCARA 机器人搬运应用机器人本体部分机器人搬运应用机器人本体部分 摘 要 从生活中我们知道，工业机器人自动化生产在生产生活中占重要地位，我国国内市 场需求也在行业转型的推动下迅速增长，2014年就成为全球最大的机器人市场。我国现 在已是全球最大制造业国家，有全球工厂的称号，但是很大程度都是国内制造业当中大 量的劳动密集型产业供献出来的。对我们来说，现在这个阶段如果想要保住我国在全球 的市场地位，必定要进行相关的技术大升级，大力发展劳动生产力。机器人技术现今广 泛应用于工业生产等行业,实现了替代人力工作。平面多关节 SCARA 机器人，也叫关节 手臂机器人，是现阶段工业生产中最最普遍的工业机器人的形式。大量劳动密集型行业 正在使用关节机械手臂设备替代人工操作流水线作业，使生产方式得以革新，效率大大 提高。 近年来，每个发达国家纷纷制定符合自己国家工业发展的复兴计划以加强自己国家 制造业的竞争力。将来，机器人技术必将成为引领世界工业再发展！ 本次设计采用 YAMAHA SCARA 机器人完成生产线输送搬运。为实现准确的物料 追踪及抓取，设计了相应的识别及追踪方案，采集位置及运动轨迹，进行插补计算。视 觉识别系统在许多行业中已得到应用。通过视觉识别系统，可在高速连续的生产线上准 确的抓拍物体的平面坐标及旋转角度。通过计算机技术、相应的 YAMAHA 机器人语言 和 YAMAHA 机器人设计软件（RCX-STUDIO、IVY2 STUDIO 等），结合 YAMAHA SCARA 机器人手册、YAMAHA 追踪设计手册和 YAMAHA 视觉使用手册完成相应的 设计。 关键字: 工业机器人;YAMAHA SCARA 机器人;视觉识别系统 Planar Multi Joint SCARA Robot Handling Robot Body Part ABSTRACT We know from life, industrial robot automation production occupies an important position in the production of life, to promote Chinas domestic market demand in the industry transformation of the rapid growth in 2014 to become the worlds largest robot market. China is now the worlds largest manufacturing country, the title of the worlds factories, but a large part of the domestic manufacturing industry, which is a large number of labor-intensive industries to offer. For us, at this stage, if you want to preserve the status of our country in the global market, it is necessary to carry out the relevant technical upgrading, and vigorously develop labor productivity. Robot technology is now widely used in industrial production and other industries, to achieve the replacement of human work. Planar multi joint SCARA robot, also known as joint arm robot, is the most common form of industrial robots in the current stage of industrial production. A large number of labor-intensive industries are using joint mechanical arm equipment to replace the manual operation of the assembly line, so that the mode of production can be improved, greatly improved efficiency. In recent years, each developed country has developed a plan to meet the national industrial development to enhance the competitiveness of the national manufacturing industry. In the future, robot technology will become the leading industry in the world! This design uses YAMAHA SCARA robot to complete the production line transportation. In order to realize the accurate material tracking and grasping, the corresponding recognition and tracking scheme is designed, and the position and trajectory are collected. Visual recognition system has been applied in many industries. Through the vision recognition system, the plane coordinates and the rotation angle of the object can be accurately captured on the high speed continuous production line. Through the computer technology, the corresponding YAMAHA robot and YAMAHA robot language design software (RCX-Studio, iVY2, Studio etc.) combined with the YAMAHA SCARA manual, YAMAHA tracking robot design manual and YAMAHA visual manual to complete the corresponding design. Key Words: Industrial Robot；YAMAHA SCARA Robot ；Visual Recognition System. 目 录 第一章 绪论1 1.1 课题的研究目的与意义 1 1.2 工业机器人的市场需求 1 1.3 国内外发展现状 2 1.4 主要研究内容及本文基本结构 3 第二章 课题设计方案的选型5 2.1 SCARA 机器人的优势5 2.2 计米轮和编码器介绍 6 2.3 控制系统单元 7 2.4 机器人视觉系统 8 2.5 小节 10 第三章 SCARA 机器人系统硬件的设计11 3.1 视觉识别系统硬件分析 11 3.2 视觉识别系统主要硬件选型 11 3.2.1 选择具体的主体控制器类型 12 3.2.2 相机的选择与应用介绍 12 3.2.3 机器人选型 15 3.3 雅马哈控制器 RCX34015 3.3.1 RCX340 的外观15 3.3.2 控制系统 17 3.3.3 RCX340 控制器电源连接17 3.3.4 输入输出接口 18 3.4 小节 20 第四章 SCARA 机器人视觉控制系统软件设计21 4.1 控制系统工作流程 21 4.2 IVY2 Studio 使用步骤22 4.3 IVY2 系统的软件设置 22 4.3.1iVY2 单元的连接设置22 4.3.2 确认电脑与 iVY2 单元的连接23 4.3.3 使用 iVY2 Studio 前的设置24 4.3.4 连接 IVY2 Studio 与 iVY2 单元29 4.4 详细追踪说明 30 4.4.1 参数说明 30 4.4.2 摄像机标定和输送机校准方法 31 4.5 程序设计 32 4.5.1 程序的编写 32 4.5.2 程序的检查 34 4.6 小节 36 第五章 总结与展望37 参考文献38 致 谢39 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 第一章 绪论 1.1 课题的研究目的与意义 本课题的主要来源是人们在生产实践中对工业机器人的需求。随着社会快速发展， 机器人在各种行业中扮演了各种角色，同时也因为科技的快速进步，工业机器人的需求 量变得日益增长。出于这个原因，传统人工作业在与其相比较下的局限性和缺陷体现的 也日益突出。 因为工业自动化智能技术一天又一天的进步和发展，工业机器人越来越成为国内 外高新技术企业研究的智能技术产品，并将其应用和推广到生产生活的方方面面。工业 机器人技术的产生和发展有它的必然性。人们越来越多的使用工业机器人，机器人从而 不断改变着人类的工作和生活方式，智能机器人技术也可能引领人类的第三代工业革命 的。 “十三五”时期是我国机器人行业发展的重要时期，应该把握国际机器人产业发展 趋势，整合优势机器人的资源，制定相关发展对策，抓住机器人行业发展机遇，营造机 器人行业良好发展环境，促进我国机器人产业实现又快又好的发展。机器人行业的发展 受到地球各国的密切关注，我国在许多发展规划中设置了机器人行业相关发展规划，鼓 励机器人行业健康快速稳定的发展。 如何让机器人又快又好又稳定工作起来，就需要对各种学科进行探索。来保确定机 器人能正常工作，并遵从人们所预想的动作去行动。这样需要控制系统、驱动系统和感 知系统实现以上功能。机器人是一个特别特别让人难以理解的系统工程，是很多很多的 知识组成。 1.2 工业机器人的市场需求 如今，因为工人工资不断上涨，生产领域大家普遍开始使用机器人代替工人，由此 工业机器人的市场开始变大。地球各个国家争先恐后研究、规划、制定符合自己国家工 业发展的复兴政策来增强自己国制造业的能力。美国再工业化和工业互联网战略、德国 工业 4.0 战略、日本机器人新战略、欧洲火花计划、韩国机器人强国战略、新工业法国、 中国制造 2025 战略，全部将发展重点瞄向机器人。机器人将对全球科技创新和产业格 局带来重大的影响。我国工人工资相比几年前的翻了好几倍，在如此的情况下，使用机 器人变换成为智能生产，也是我国的战略。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 国内企业引入机器人既能减少用工成本，又可以提升生产效率和产品质量。据数据， 2010 年，我国工业机器人销量为 1.50 万台；2011 年达到 2.26 万台，同比增长 50.7%；2013 年达到 3.66 万台，同比增幅达 60%；2014 年达到 5.71 万台，同比增长 56%， 占全球销量的四分之一；2015 年达 6.6 万台，占全球销量的 27.02%；2016 年达 8.2 万 台，占全球销量的 28.18%。如我国已经连续五年成为地球上工业机器人买入量最多的 国家。 现如今这个阶段，机器人产业发展在全地球范围内加速，大概 2017 年的全世界工 业机器人卖出量将继续大幅度的增长，卖出量也许飙升至 30 万台。 1.3 国内外发展现状 目前，国内外工业机器人的技术发展水平差距很大，一些发达国家的机器人技术远 远先进于国内。现如今这个阶段国际机器人市场估计有 82 亿到 110 亿，尤其是工业机 器人占比最多。大概到 2025 年，整个工业机器人市场将达到 500 多亿，服务机器人从 原来的 300 多万台增到 1200 多万台，美利坚合众国和日本国一直代表着工业机器人发 展方向，是地球上工业机器人方向的最完美水平。现今这个阶段全球卖出的 10000 多台 军事方面的机器人有 70%来自美利坚合众国。美利坚合众国最近研发的军用机器人，表 示拿起 120 公斤很轻松，而且还能运动的跟人行走速度一般，也就 6km/h，能够自由行 动于各式各样的地方，就算旁侧受到敌人进攻，还可以继续完美运行，非常靠谱。 我国的机器人相关技术发展大体可以分为三个阶段。从 20 世纪 80 年代开始起步， 1990 年开始展头露角并得到了一定的发展，在 21 世纪初开始进入到机器人加快生产的 时代。21 世纪第十年后，我国工业机器人在工厂工作的情况越来越普遍，在这个阶段工 业机器人生产链开始又快又好的发展了。在我国攻关和我国工业机器人加速发展等计划 支持下，1990 年开始，一部分有自己专利的焊接、组装、抓取、搬运、堆垛等高科技工 业机器人全面出世，使得我国工业机器人在生产生活的方方面面都走出了重要的一步步。 现今这个阶段，国产工业自动化机器人开始大批大批的出口，国内各种各样的工业自动 化机器人企业拥有了毁天灭地的技术实力，2014 年国产工业自动化机器人销售总量轻轻 松松的超过 12000 多台。在这种情况下，我国政府继续无条件努力支持工业自动化机器 人产业的建设，如今凭借我国相关政策已经形成了以安徽埃夫特机器人公司、广州数控 机器人公司、广东拓斯达机器人公司等为行业代表的众多工业自动化机器人公司，使我 国加快推进工业机器人产业建立了坚实的地基。21 世纪第 13 年，由我国政府联合各家 工业自动化机器人公司组成了中国工业自动化机器人研发生产销售技术支持同盟会。同 盟会将以各家的生产线为依托，汇集各家有创意的设计、实行取其精华，去其糟粕政策、 牵手共同面对、有钱一起赚的协同作战的方式，一起提升产业附加值，实现又快又好的 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 发展。虽然我国工业机器人实业发展水平相当好，但就现今这个阶段国产工业机器人市 场份额几乎可以忽略，工业机器人公司名称很多无人知晓。据可靠情报显示世界四大工 业机器人公司：瑞士 ABB、日本发那科、日本安川电机、德国库卡，其中无一中国公 司，然而它们却占有了世界工业机器人市场多达 95%，然而我国工业机器人制造商的份 额基本可以忽略不计。 1.4 主要研究内容及本文基本结构 本选题主要来源于生产生活中人类工业自动化对机器人的需求越来越大了，随着科 技技术的一天天发展，机器人的应用范围也日益增大。传统的人工作业的缺点表现的日 益明显。目前，人工作业存在着许多不确定因素，使用机器人可以节约成本，提高工作 效率，更大程度保护劳动人民的生命安全，更加方便企业进行管理，但由于技术限制和 人们对该技术的怀疑，使得机器人的推广受到了巨大的限制。 本课题研究的主要问题中有如下面几个： 1.插补计算的研究与应用 2.机器人各个模块的应用与实现 3.相应的识别及追踪方案的设计与实现 4.机器人视觉系统的软件调试 本文的研究方法和手段有如下几个方面： 首先，通过对课题进行了理性的研究与分析，初步认知课题的现实性与实用性。其 次，在图书馆根据需求查阅有关资料，学习相关的理论知识，了解所需的专业技术知识 并对产品有初步的设计思路。然后对其硬件进行设计，最后使用电脑，进行软件设计。 本文的研究步骤如下： 阅读任务书，了解课题内容，明确具体要求。 对产品进行深入分析。 提出合理的设计方案。 查阅参考文献与相关资料，进行筛选。 使用计算机进行软件设计。 进行相应的调试。 本文的结构大致如下： 第一章：前言，阐述工业机器人的研究目的和意义以及市场对它需求和目前国内外 发展状况。 第二章：课题设计方案的选型，介绍了平面多关节 SCARA 机器人的优势、计米轮、 编码器、机器人控制系统和机器人视觉系统。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 第三章：机器人视觉部分的硬件选型，机器人控制器的具体分析以及相关技术说明。 第四章：这章主要介绍了基于 YAMAHA SCARA 机器人的控制器 RCX340 和 IVY2 视觉系统的软件和硬件的连接，这部分很关键，直接影响到成功与否。接着进行相关的 软件初始化设置，最后我自己再编写相关的雅马哈机器人语言，进行仿真，无误后基本 可确定实现了本课题的要求。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 第二章 课题设计方案的选型 2.1 SCARA 机器人的优势 SCARA 机器人，即 Selective Compliance Assemblyrobot Arm，又名水平多关节机器 人，是工业机器人家庭应用非常广泛的一个构型。 图 2.1SCARA 机器人结构图 Fig. 2.1 SCARA Robot structure diagram SCARA 机器人有 3 个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向1。 另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是由 两旋转关节的角位移 1 和 2，及移动关节的位移 z 决定的，即 p=f(1,2,z) 3，这 类机器人的结构轻便、响应快，SCARA 机器人运动速度可达 10m/s，比一般关节式机 器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。 1978 年，日本山梨大学牧野洋发明 SCARA 机器人，该机器人具有四个轴和四个运 动自由度(包括沿 X,Y,Z 方向的平移和绕 Z 轴的旋转自由度) 4。 SCARA 系统在 x,y 方向上具有顺从性，而在 Z 轴方向具有良好的刚度，此特性特 别适合于装配工作2。SCARA 的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可 以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等5。 在现在这个阶段 SCARA 机器人已经广泛应用于很多很多工业领域。它的主要职能 是搬取工件和装配工作。它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以 根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 线性移动的特性6。由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。 SCARA 机器人可以被制造成各种大小，最常见的工作半径在 100 毫米至 1000 毫米 之间，此类的 SCARA 机器人的净载重量在 1 千克至 200 千克之间7。SCARA 机器人的 特点是负载小、速度快，因此其主要应用在快速分拣、精密装配等 3C 行业、食品行业 等领域。 2.2 计米轮和编码器介绍 计米轮即计米器，主要功能是在长条形材料加工设备上作精密长度测量的标准工具， 普遍使用于工程机械。 图 2.2 计米轮实物图 Fig.2.2 Meter counting wheel physical map 特点： 1.本课题所使用的计米轮是由特殊耐磨防滑质量非常好的橡胶塑料材料与高纯度的 铝合金轮架结合而成，用于长时间精准计量工具； 2.它的内部数字电路非常高级，完全采用进口器件，国产的可能不是很靠谱，整体 性能既可靠又很稳定，还能够抵御强大的外部干扰。 性能参数： 输出脉冲 1 脉冲/米（型号 CDJM1） 10 脉冲/米（型号 CDJM2） 100 脉冲/ 米（型号 CDJM3） 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 电源电压 DC12V10% 计长误差 5 输出脉冲电平高电平 DC 11.5V 低电平 DC 0.3V 适用环境 海拔：1000m 环境温度：060 相对湿度：85% 无腐蚀性气体和粉尘的场合。 编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信 号形式的设备8。 图 2.3 编码器实物图 Fig.2.3 Encoder physical map 编码器就是把角位移或直线位移转变成电信号。按照工作原理编码器可分为增量式 和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成 计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小9。 2.3 控制系统单元 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 图 2.4 控制系统单元图 Fig.2.4 Control system unit diagram IVY2 机器人视觉模块具有非常强大的画面捕捉功能，它可以做到将光学图像转变 成为模拟或数字图像，并将其输出至图像处理单元，可以完成图像采集单元数据的快速 存储，并使用图像处理软件来对其进行相应的图像处理，能够达到传统机型约 2 倍的搜 索速度，数量较多的工件也能高速检测11。它即使面对贴近的工件和奇形怪状的工件也 能进行非常精密的边缘检测10。使用其配套的软件 IVY2-studio 可监控校准设置中和自 动运行中的搜索情况（输出内容：选择品种/捕捉图像；搜索结果（位置刻痕比例)； 已执行的命令；命令所需时间），大大减轻了 PC 计算机的负担，提供了简单、高性能、 可靠的支持。其最大的特点就是仅使用机器人程序即可统一控制（使用 RCX340 控制器） 。 2.4 机器人视觉系统 视觉系统如图 2.5 所示。不同种类的工件被随机放置在传送带上，图像采集设备获 取目标物体样式，由计算机识别目标类型并提取实时坐标，将上述信息传递到控制器， 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 进而导引机器人完成工件分拣工作。 图 2.5 视觉系统运行过程 Fig.2.5 Visual system operation process 该系统主要由工件传送单元、图像捕捉部分、信息处理单元以及机器人与控制器单 元等部分组成。 工件传送单元主要由传送带，计米轮和编码器等构成。本课题中分拣的物件是铁 碗，他们都具有金属光泽，与工件传送带形成了较大的颜色反差，这有助于实现对目标 工件的准确识别与跟踪，为更好的完成分拣抓取任务提供了必要基础。 图像捕捉部分由工业相机与光学镜头、图像追踪板卡以及补光设备构成。光源作为 分拣平台的照明设备，被固定在传送带的两侧，用以消除工件自身的阴影。工业相机连 续拍摄传送带上的目标工件，并将获取到的信息传递到图像追踪板卡中，为后续图像处 理做好必要准备。 信息处理单元主要由计算机构成。该单元对视频序列进行一系列处理，其中包括采 用相应视觉算法对目标工件进行识别和跟踪，进而获取到目标种类及其位置坐标，将该 信息传递给机器人控制器，进而控制机器人完成分拣任务。该部分是整个系统的核心， 具有分析图像信息以及给出控制信息的重要作用，是连接自动控制系统中传感器和执行 器的桥梁。 机器人与控制器单元主要是由基于平面多关节 SCARA 的四轴机械手臂和其相对应 的控制器所构成。机器人与控制器通过专用的电缆进行连接，控制器配有正常接口，使 用该接口可与 PC 进行数据通信。主机将控制信号传递给机器人控制器，进而控制机器 人的关节运动，即可完美完成成分拣工件的抓取作业。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 2.5 小节 本章介绍了 SCARA 机器人相比于其他机器人的优势，详细介绍了我们所使用的相 应的计米轮和编码器的相关参数，我们选用了雅马哈最新款的 RCX340 控制器，超高清 的摄像头和目前顶配版的机器人视觉系统 IVY2，只为更好的完成课题的要求。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 第三章 SCARA 机器人系统硬件的设计 硬件的堆砌就如同盖房子前打地基一样重要，它将直接影响到整个系统的正常运转。 硬件的核心是主体控制器，它有着无可替代的作用，因此选择一款合适的主体控制器至 关重要。为了使得设计的整个系统体积小，工作效率高，能耗低，更加丰富的扩展性， 本文选用雅马哈最新款的控制器 RCX340 作为主体控制器，并在此基础上设计基于 RCX340 的机器人视觉系统系统。 3.1 视觉识别系统硬件分析 视觉系统如图 3.1 所示。工件被随机放置在传送带上，图像采集设备获取目标物体 样式，由计算机识别目标类型并提取实时坐标，将上述信息传递到控制器，进而导引机 器人完成工件分拣工作。 图 3.1 视觉系统整体硬件分析图 Fig.3.1 Vision system hardware analysis 3.2 视觉识别系统主要硬件选型 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 3.2.1 选择具体的主体控制器类型 在机器视觉分拣系统中，SCARA 机器人所配套的控制设备是 RCX 系列控制器，本 文使用的是 RCX340，该款控制器功能强大，允许外接多种类的执行器，最多支持 8 个 不同优先级的任务;具有端口信息并行处理以及中断处理能力，有利于实现多执行器工 作效率的最大化;断电后再启动不需要做原点复归，可以有效保存机器人的点位数据;有 多种类的省配线架构可供选择，支持 CC-Link, DeviceNet, Profibus 和 Ethernet; RCX 系列 的控制器具有类似 PLC 的控制效果，在没有 PLC 控制器的情况下，同样可以实现对周 围器件的控制功能;可判断 SCARA 型四自由度机器人在移动中所经过的轨迹位置，并输 出相应的信息。 这款雅马哈 RCX340 机器人控制器的外观实物图： 图 3.2 SCARA 机器人控制器 RCX340 Fig.3.2 SCARA robot controller RCX340 3.2.2 相机的选择与应用介绍 1.相机选择 目前，工业生产中使用的相机组合方式只有两种，一是普通相机与个人电脑机相结 合的方式，另一种是智能相机系统。普通相机仅有拍照获取图像的功能，与之相连的 PC 机接收到图像信息后，由专门的图像处理软件进行处理，这一过程比较繁琐，工作 量大。智能相机则将这一过程大大整合，能自己完成图像的捕捉、处理和通信等工作， 从而给出具有多种能力、模块化、更加稳定等特点并且易于实现的机器人视觉解决方案， 可以完成多种机器视觉系统的使用要求。由于本课题需要搭建一个高度集成的、自动化 视觉定位抓取系统，因此选择智能相机。 在进行智能相机选型时，通常参考以下几点: 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 （1）考察现场实际情况可以考虑是否选用 CCD 相机或者 CMOS 相机。CCD 即电 荷祸合元件，为一种半导体器件，可以把图像信息转化为数字信号12。CMOS 即互补金 属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件13。相比之下 CCD 相机的成像质量好， 但制造工艺复杂，价格相对较高。CMOS 相机照出来的图像有点劣质，但优点是可以减 少电能的损耗，并且处理速度快。 （2）相片的清晰度很重要，第一步要思考并了解实际物体的精度，根据精度再选 择相机最合适的分辨率。计算公式为:相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。 （3）其次是相机帧数的选择，当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相 机。但一般来说相机的分辨率越高帧数越低，因此需要考虑帧数和分辨率的匹配。 （4）工业相机需要与镜头匹配，传感器芯片尺寸必须小于或等于镜头尺寸。 虽然 CMOS 相机的拍摄图像效果可以满足大部分科研需要，但是本课题需要利用 工业相机对传动带上的工件进行跟踪并分拣，由于是针对动态目标图像的拍摄，所以选 择 CCD 相机。 最终我们选择使用型号为 KCX-M6541-10 的 130 万像素的 CCD 相机。如下图 3.3 所示： 图 3.3 CCD 相机 Fig.3.3 CCD camera 2.镜头选择 镜头最主要的功能就是实现光束调制14。在基于机器视觉系统的实际应用中，镜头 将待成像目标的光束变换到图像传感器的光敏面上，通过相机将光信号转换为最终的图 像信号。镜头质量对于基于机器视觉的分拣系统整体性能会产生重要影响，所以要合理 地选择镜头，以便获得最佳效果。 （1)1)焦距焦距 f f 在光学系统中，衡量光的聚集或发散的度量方式被称为焦距 f，通常情况下，指透 镜的光心到焦点之间的距离。在相机中，指的是从镜头的中心到相机成像平面之间的距 离。镜头的焦距在一定程度上决定了该镜头所拍摄的目标在成像平面上所能够形成的影 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 像大小。假设以同样的距离对某一个目标进行拍摄，那么如果光学镜头的焦距越长，则 被摄目标在相机的光电传感器上所成像的放大倍数就越大。 （2)2)视场角视场角 简单来说视场角是指摄像机镜头可以捕捉到目标图像的最大角度范围。光学仪器的 视野范围取决于镜头的视场角的大小，如果镜头的视场角越大，那么能够拍摄的视野就 越大，相应的光学倍率就会越小。一般来说，被拍摄的目标若超过这个角度，那么图像 信息便不会完全被镜头捕获到。 （3)3)景深景深 简单来说，在相机完成聚焦之后，在焦点前后的范围内都可以形成较为清晰的影像， 那么就称这个距离范围为景深。利用景深可以拍摄出效果完全不同的图像，例如对于同 一场景，若目标的影像清晰而背景的影像模糊，则称景深浅;相反，背景和目标的影响 同样清晰，则称为景深深。 调节景深最简单的方法就是改变光圈大小。若果将光圈调大，那么景深就会变浅; 若果调小光圈也相应变快，光圈变小，那么景深就会相应地变深。当然光圈变大，快门 速度，快门速度则变慢。拍摄传送带上运动的物体时，为了避免被拍摄影像出现模糊的 情况，应选择快速度并且是大光圈。 （4)F4)F 数数 F 数是描述可以进入镜头内光线的多少的度量，F 数越大，那么可进入镜头内的光 线就越多，反之，就越少。F 数与镜头的有效孔径成正比，与镜头的焦距成反比15。由 于镜头的焦距一般是固定的，所以可以通过调节镜头的有效孔径，来实现对 F 数的调节。 在基于机器视觉的工业机器人分拣系统中，需要对传送带上运动的工件进行实时的 图像获取，根据实际需求，选择的镜头是 computar（16mm，1:1.4，2/3）镜头，实物如 图 3.4 所示。 图 3.4computar 镜头 Fig.3.4 Computar Camera lens 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 该镜头有如下特点:成像畸变较小，畸变率可以控制在 0.3%以内;清晰成像最近距离 可达 0.2 m;在各种光源条件下均可成像清晰均匀;结构紧凑，外形尺寸小型化，适合安装。 3.2.3 机器人选型 任务要求机器人抓取圆形的碗，综合考虑所有的因素后，我们选取 YAMAHA SCARA 机器人 YK500TW。 图 3.5YAMAHA SCARA 机器人 YK500TW Fig.3.5 YAMAHA SCARA robot YK500TW YAMAHA SCARA 机器人 YK500TW 拥有最大 5kg 的搬运能力，它与并行链路机 器人相比高度更加的低，可以为整套装置节省空间。其标准周期相对比雅马哈以往的机 器人缩短了 36%，大大的提高了搬运能力，缩短了搬运时间。YK500TW 机器人主机仅 重 27kg，远远轻于一般机器人。 3.3 雅马哈控制器 RCX340 3.3.1 RCX340 的外观 本设计采用雅马哈控制器 RCX340,其外观如图 3.6 所示： 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 图 3.6 RCX340 控制器外观图 Fig.3.6 Appearance of RCX340 controller 雅马哈 RCX340 控制器像表 3.1 所写： 表 3.1 RCX340 控制器的部分名称和功能 Table 3. 1 Part name and function of RCX340 controller 名称功能 1M1/M2/M3/M4伺服马达驱动用连接器。 2ROB I/O1-2/3-4用于伺服马达的反馈及传感器信号的连接器。 3SAFETY用于紧急停止等安全上使用的输入输出连接器。 4PB用于连接手持编程器的连接器。 5COMRS-232C 接口专用连接器。 6EN连接以太网用连接器。 7USB连接 USB 用连接器。 8(OP.)1/2/3/4此为选配端口。最多可安装 4 张选配板。 9BAT1/2/3/4ABS 电池（使用 2 轴以上制动器时）连接器。 10AC INL/N/L1/N1控制电源、主电源（用于驱动马达的电源）。 11(PE)接地端子。请执行 D 种接地施工。 12 “PWR”LED 电源接通时亮灯。 137SEG LED显示控制器或机器人的状态。 14FAN 使控制器的内部温度保持恒定。安装控制器时，请从左 侧面留出 50mm 以上间隙，并避免堵塞风扇开口部。 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 15BK24V 制动器用外接 24V 输入电源连接器。（使用 2 轴以上制 动器时） 16RGEN扩展用再生电阻连接器。作为标准规格请安装温度传感 器短路连接器。 3.3.2 控制系统 整个控制系统图如 3.7 所示： 图 3.7 控制系统图 Fig.3.7 Control system diagram 3.3.3 RCX340 控制器电源连接 出于安全考虑，在机器人控制器的电源连接部分必须安装漏电断路器。由于机器人 控制器采用 IGBT 的 PWM 控制驱动马达，高频泄漏电流可能会引起安装在外部的漏电 断路器的误动作。因此，在外部安装漏电断路器时，请注意选择额定灵敏度电流(In)。 出于安全考虑，在机器人控制器的电源连接部分必须安装电路保护器。接通机器人 控制器电源或马达起动时，会出现额定电流三倍甚至十几倍的超级大电流。在机器人控 制器外部安装电路保护器时，请注意电路保护器的工作特性。电路保护器的动作特性中， 请选择中速型或低速型的带有惯性延迟机构的电路保护器。 要从序列器等外部装置控制机器人控制器的电源接通及切断时，请在控制器的 AC 供电线路上安装电磁接触器。请根据客户实际要求的安全等级使用择产品之后，通过符 天津理工大学中环信息学院 2017 届本科毕业设计说明书 合安全等级的电路来控制开关。此时，请分离主电源与控制电源的路径，并在主电源侧 安装电磁接触器。要通过紧急停止等进行控制时，请进行主电源的接通及关闭。 为了抑制电源线路的杂讯，建议进行干扰滤波器的安装。具体可以参考厂商:TDK LAMBDA，型号:RSHN-2