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基本信息
- 項目名稱：
- 基于多機械傳動形式認(rèn)知的教學(xué)五自由度機器人的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品是一種五自由度電動機器人，它由控制部分和機械部分組成，包括了摩擦輪傳動、皮帶輪傳動、齒輪傳動等多種傳動方式，控制部分是以8051單片機為核心的控制系統(tǒng)，本機器人結(jié)構(gòu)簡潔、操作方便、可以實現(xiàn)多種運動形式，可以廣泛用于實驗教學(xué)，可以做單片機實驗，機械傳動實驗等。本電動教學(xué)機器人性能穩(wěn)定，易于推廣，在完成大部分機電控制課程的實驗的情況下大大節(jié)省學(xué)校的開支。
- 詳細介紹：
- 總體結(jié)構(gòu)： 電動機械手包括底座、大臂、小臂和手爪部分。 工作原理： 由底座部分通過步進電機驅(qū)動摩擦輪副提供手臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，大臂右側(cè)步進電機提供大臂繞大臂低軸旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，大臂左側(cè)的步進電機通過同步帶傳動提供小臂擾小臂低軸旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，小臂上的步進電機通過傘狀齒輪副傳動提供給整只手爪旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，手爪尾部的步進電機提供手腕旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，手爪中部的步進電機提供手爪開合的扭矩。 工作特征： 電動機械手底座固定在水平位置，大臂、小臂和手爪做空間運動，確保工作過程中人員和設(shè)備的安全。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計發(fā)明的目的： 主要應(yīng)用于教學(xué)演示、教學(xué)實驗、實習(xí)培訓(xùn)、課程設(shè)計以及科學(xué)研究等，可以培養(yǎng)學(xué)生對機械結(jié)構(gòu)、機械傳動的認(rèn)知；可以培養(yǎng)學(xué)生對電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計與調(diào)試能力；分析和解決系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的各種實際問題的能力。 基本思路： 構(gòu)思機器人功能結(jié)構(gòu)；根據(jù)需求規(guī)劃各部件的鏈接、組成方式，繪制其三維模型，并進行加工；根據(jù)功能制作控制箱并進行軟硬件設(shè)計；機器人組裝、調(diào)試，并改進完善其功能。 創(chuàng)新點： 使用摩擦輪傳動、同步帶傳動、傘狀齒輪副傳動等傳動技術(shù)，以及步進電機驅(qū)動控制、位置控制等技術(shù)，具有零組件的自動取拿和移送功能，配置上位計算機軟件控制機器人運動。 技術(shù)關(guān)鍵： 一軸用力矩限制器限制旋轉(zhuǎn)力矩，編碼器限定旋轉(zhuǎn)角度；其他軸采用磁鐵—霍爾傳感器來限定旋轉(zhuǎn)角度。使用步進電機控制各自由度的運動，位置控制精確。摩擦輪副由步進電機提供旋轉(zhuǎn)扭矩，使整個手臂旋轉(zhuǎn)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；臂的旋轉(zhuǎn)由大臂低軸右側(cè)的步進電機提供工作扭矩；小臂的旋轉(zhuǎn)有大臂低軸左側(cè)的步進電機通過同步帶提供工作扭矩；指的開合由手爪中部的步進電機提供工作扭矩；腕的翻轉(zhuǎn)由手爪底部的步進電機及減速器提供工作扭矩；只手爪的旋轉(zhuǎn)由小臂右側(cè)的步進電機通過傘狀齒輪副提供工作扭矩。 主要技術(shù)指標(biāo)： 類型 單位 DDJ-1 手臂旋轉(zhuǎn)角度 ° 360 大臂旋轉(zhuǎn)角度 ° 210 小臂旋轉(zhuǎn)角度 ° 210 手爪旋轉(zhuǎn)角度 ° 360 手指旋轉(zhuǎn)角度 ° 120
科學(xué)性、先進性
- 本機器人結(jié)合了力矩限制器、行星減速器、摩擦輪、絲杠螺母副、傘齒輪傳動、同步帶傳動等多種傳動形式，采用編碼器、磁鐵—霍爾傳感器等檢測裝置，以步進電機為動力源，綜合了各機構(gòu)、傳動、檢測與執(zhí)行件的應(yīng)用特點。 該機器人可應(yīng)用單片機、DSP、ARM、PLC以及計算機等進行控制，開放的控制接口可應(yīng)用任何類型的微處理器進行控制，采用計算機與單片機通訊的方式，上位機可選擇VB、VC、Labview、MATLAB等軟件進行控制，為這些軟件在工程中的應(yīng)用提供了實驗手段； 該機器人的示教過程可由控制箱和上位機虛擬控制軟件來實現(xiàn)，以多種技術(shù)方式實現(xiàn)機器人的示教編程，技術(shù)和功能設(shè)置盡量接近生產(chǎn)中所應(yīng)用的機器人。 該機器人可應(yīng)用于機電傳動控制、PLC、單片機、DSP、ARM、高級計算機語言、虛擬儀器(Labview)、傳感器技術(shù)、計算機控制等多門課程的教學(xué)中，實現(xiàn)了一機多用。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在2010年法國客商到我國來采購教學(xué)設(shè)備中中標(biāo)，已經(jīng)作為樣機出口到突尼斯40臺。
作品所處階段
- 生產(chǎn)推廣階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓，等條件成熟時自己生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明，該作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢：該作品主要應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)的教學(xué)設(shè)備。其技術(shù)特點為:可從機構(gòu)認(rèn)知、傳感器信息處理、微處理器應(yīng)用、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、計算機高級語言編程控制等多方面對學(xué)生進行實驗訓(xùn)練，優(yōu)勢主要為一機多用和在出口設(shè)備上的價格優(yōu)勢。 該作品的適用范圍：作為教學(xué)設(shè)備，該作品可廣泛應(yīng)用于機械工程、機械電子、工業(yè)工程、生產(chǎn)自動化、計算機技術(shù)等多個專業(yè)的多門課程或綜合實驗的教學(xué)使用?？蓮V泛應(yīng)用于高等院校、勞動技校、職業(yè)中專等，而在法國、突尼斯等國家的應(yīng)用還包括了高中。 推廣前景：作為教學(xué)設(shè)備，特別在更加注重動手能力的現(xiàn)代教育，還機器人可承載眾多的學(xué)生實驗。近幾年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)對自動化越來越高的要求，對作為機電一體化典型產(chǎn)品的工業(yè)機器人的教學(xué)設(shè)備的需求不斷擴大，應(yīng)用范圍逐步擴展，該機器人也將擁有廣闊的推廣空間。 市場分析和經(jīng)濟效益分析：本機器人成本為8300元左右，售價約為2萬元，2010年作為樣機出口到突尼斯的機器人已經(jīng)得到其眾多學(xué)校的試用，普遍反映很好。
同類課題研究水平概述
- 機器人作為機電一體化產(chǎn)品的典型代表，在教學(xué)中有著其重要的地位。在工科高等院校中，作為教學(xué)的機器人還很少，而在職業(yè)院校中，也大多以工業(yè)應(yīng)用的焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人等為主，這些機器人在教學(xué)中的應(yīng)用有其鮮明的優(yōu)勢，那就是直接作為工業(yè)產(chǎn)品進行課堂，學(xué)生學(xué)好了之后有極高的針對性。但這些工業(yè)機器人的應(yīng)用也有其缺點，主要表現(xiàn)在：功能的單一性，二次開發(fā)的限制性，以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高成本等，其維護也要求較高。 作為教學(xué)設(shè)備，它應(yīng)承擔(dān)著更多的認(rèn)知功能，甚至從某一方面來說，其所承擔(dān)的認(rèn)知功能要強于其主要功能，而這些恰恰是工業(yè)機器人所不追求的，因而，教學(xué)設(shè)備的機器人在機器人分類中逐步獨立出來，而成為教學(xué)機器人學(xué)科，這點在近幾年的機器人展中表示的尤其突出。 在教學(xué)機器人方面，我國的發(fā)展剛剛起步，主要的產(chǎn)品集中在幾個高校，包括哈工大、北航、清華、上海交大，以及國內(nèi)主要的機器人公司，像北京博創(chuàng)、上海廣茂達、深圳施普瑞等，有些公司雖然其機器人不是其惟一的產(chǎn)品，但仍有機器人產(chǎn)品，像天津探索、浙江的天煌教儀、深圳固高以及濟南星科公司等，但縱觀這些公司的產(chǎn)品，各有其特點：哈工大推出的主要是精密的教學(xué)機器人，其控制系統(tǒng)基本上是封閉的，應(yīng)用板卡控制，只提供面向用戶的代碼；北航以及博創(chuàng)主推的有比賽用機器人、蛇形機器人以及機器魚等，控制方式與哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一致；而另外的則主要是退成套設(shè)備，價格較高，像天煌的機器人組等。 本課題組根據(jù)機電方向的教學(xué)需要，設(shè)計了這款集步進電機驅(qū)動、摩擦輪機構(gòu)、力矩限制器、傘齒輪傳動、同步輪傳動、行星齒輪減速機等于一體的多傳動形式，以及霍爾器件傳感器、行程開關(guān)、光電傳感器、編碼器等多傳感器于一體的電動機器人，從多方面展示機構(gòu)及傳感器等，最大程度地向應(yīng)用者提供機構(gòu)認(rèn)知和傳感器認(rèn)知；在控制系統(tǒng)的設(shè)計上，不僅有直接應(yīng)用單片機或PLC進行對電機運動控制的低層控制，也有單片機和PLC對傳感器信息融合及處理控制的中層次控制，以及應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實進行示教和控制的高層次控制，并且實現(xiàn)了多機器人的聯(lián)合控制運行和網(wǎng)絡(luò)遠程系統(tǒng)更新及控制，實現(xiàn)了較大程度的一機多用。該機器人可應(yīng)用于《單片機原理與應(yīng)用》、《PLC與電器控制》、《工業(yè)機器人》、《機電傳動控制》、《物流設(shè)備與控制》、《VB高級計算機語言》等多門課程的實驗中，并取得了很好的效果。
