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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于多機(jī)械傳動(dòng)形式認(rèn)知的教學(xué)五自由度機(jī)器人的研制
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品是一種五自由度電動(dòng)機(jī)器人，它由控制部分和機(jī)械部分組成，包括了摩擦輪傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等多種傳動(dòng)方式，控制部分是以8051單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，本機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便、可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式，可以廣泛用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以做單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。本電動(dòng)教學(xué)機(jī)器人性能穩(wěn)定，易于推廣，在完成大部分機(jī)電控制課程的實(shí)驗(yàn)的情況下大大節(jié)省學(xué)校的開支。
- 詳細(xì)介紹：
- 總體結(jié)構(gòu)： 電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)提供小臂擾小臂低軸旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，小臂上的步進(jìn)電機(jī)通過傘狀齒輪副傳動(dòng)提供給整只手爪旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，手爪尾部的步進(jìn)電機(jī)提供手腕旋轉(zhuǎn)的工作扭矩，手爪中部的步進(jìn)電機(jī)提供手爪開合的扭矩。 工作特征： 電動(dòng)機(jī)械手底座固定在水平位置，大臂、小臂和手爪做空間運(yùn)動(dòng)，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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)發(fā)明的目的： 主要應(yīng)用于教學(xué)演示、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)培訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)以及科學(xué)研究等，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)的認(rèn)知；可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試能力；分析和解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種實(shí)際問題的能力。 基本思路： 構(gòu)思機(jī)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(jìn)行加工；根據(jù)功能制作控制箱并進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)；機(jī)器人組裝、調(diào)試，并改進(jìn)完善其功能。 創(chuàng)新點(diǎn)： 使用摩擦輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、傘狀齒輪副傳動(dòng)等傳動(dòng)技術(shù)，以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、位置控制等技術(shù)，具有零組件的自動(dòng)取拿和移送功能，配置上位計(jì)算機(jī)軟件控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。 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(jìn)電機(jī)控制各自由度的運(yùn)動(dòng)，位置控制精確。摩擦輪副由步進(jìn)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)扭矩，使整個(gè)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(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；小臂的旋轉(zhuǎn)有大臂低軸左側(cè)的步進(jìn)電機(jī)通過同步帶提供工作扭矩；指的開合由手爪中部的步進(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；腕的翻轉(zhuǎn)由手爪底部的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)性
- 本機(jī)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(dòng)、同步帶傳動(dòng)等多種傳動(dòng)形式，采用編碼器、磁鐵—霍爾傳感器等檢測(cè)裝置，以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，綜合了各機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、檢測(cè)與執(zhí)行件的應(yīng)用特點(diǎn)。 該機(jī)器人可應(yīng)用單片機(jī)、DSP、ARM、PLC以及計(jì)算機(jī)等進(jìn)行控制，開放的控制接口可應(yīng)用任何類型的微處理器進(jìn)行控制，采用計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通訊的方式，上位機(jī)可選擇VB、VC、Labview、MATLAB等軟件進(jìn)行控制，為這些軟件在工程中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)手段； 該機(jī)器人的示教過程可由控制箱和上位機(jī)虛擬控制軟件來實(shí)現(xiàn)，以多種技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人。 該機(jī)器人可應(yīng)用于機(jī)電傳動(dòng)控制、PLC、單片機(jī)、DSP、ARM、高級(jí)計(jì)算機(jī)語言、虛擬儀器(Labview)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制等多門課程的教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在2010年法國(guó)客商到我國(guó)來采購教學(xué)設(shè)備中中標(biāo)，已經(jīng)作為樣機(jī)出口到突尼斯40臺(tái)。
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(shí)自己生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明，該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：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(diǎn)為:可從機(jī)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(jì)、計(jì)算機(jī)高級(jí)語言編程控制等多方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，優(yōu)勢(shì)主要為一機(jī)多用和在出口設(shè)備上的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。 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(jī)械工程、機(jī)械電子、工業(yè)工程、生產(chǎn)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)專業(yè)的多門課程或綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)使用?？蓮V泛應(yīng)用于高等院校、勞動(dòng)技校、職業(yè)中專等，而在法國(guó)、突尼斯等國(guó)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(dòng)手能力的現(xiàn)代教育，還機(jī)器人可承載眾多的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。近幾年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化越來越高的要求，對(duì)作為機(jī)電一體化典型產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)設(shè)備的需求不斷擴(kuò)大，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展，該機(jī)器人也將擁有廣闊的推廣空間。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益分析：本機(jī)器人成本為8300元左右，售價(jià)約為2萬元，2010年作為樣機(jī)出口到突尼斯的機(jī)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(jī)器人作為機(jī)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(jī)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(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等為主，這些機(jī)器人在教學(xué)中的應(yīng)用有其鮮明的優(yōu)勢(shì)，那就是直接作為工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行課堂，學(xué)生學(xué)好了之后有極高的針對(duì)性。但這些工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也有其缺點(diǎn)，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(hù)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(qiáng)于其主要功能，而這些恰恰是工業(yè)機(jī)器人所不追求的，因而，教學(xué)設(shè)備的機(jī)器人在機(jī)器人分類中逐步獨(dú)立出來，而成為教學(xué)機(jī)器人學(xué)科，這點(diǎn)在近幾年的機(jī)器人展中表示的尤其突出。 在教學(xué)機(jī)器人方面，我國(guó)的發(fā)展剛剛起步，主要的產(chǎn)品集中在幾個(gè)高校，包括哈工大、北航、清華、上海交大，以及國(guó)內(nèi)主要的機(jī)器人公司，像北京博創(chuàng)、上海廣茂達(dá)、深圳施普瑞等，有些公司雖然其機(jī)器人不是其惟一的產(chǎn)品，但仍有機(jī)器人產(chǎn)品，像天津探索、浙江的天煌教儀、深圳固高以及濟(jì)南星科公司等，但縱觀這些公司的產(chǎn)品，各有其特點(diǎn)：哈工大推出的主要是精密的教學(xué)機(jī)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(jī)器人、蛇形機(jī)器人以及機(jī)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(jià)格較高，像天煌的機(jī)器人組等。 本課題組根據(jù)機(jī)電方向的教學(xué)需要，設(shè)計(jì)了這款集步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、摩擦輪機(jī)構(gòu)、力矩限制器、傘齒輪傳動(dòng)、同步輪傳動(dòng)、行星齒輪減速機(jī)等于一體的多傳動(dòng)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(dòng)機(jī)器人，從多方面展示機(jī)構(gòu)及傳感器等，最大程度地向應(yīng)用者提供機(jī)構(gòu)認(rèn)知和傳感器認(rèn)知；在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，不僅有直接應(yīng)用單片機(jī)或PLC進(jìn)行對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的低層控制，也有單片機(jī)和PLC對(duì)傳感器信息融合及處理控制的中層次控制，以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行示教和控制的高層次控制，并且實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人的聯(lián)合控制運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新及控制，實(shí)現(xiàn)了較大程度的一機(jī)多用。該機(jī)器人可應(yīng)用于《單片機(jī)原理與應(yīng)用》、《PLC與電器控制》、《工業(yè)機(jī)器人》、《機(jī)電傳動(dòng)控制》、《物流設(shè)備與控制》、《VB高級(jí)計(jì)算機(jī)語言》等多門課程的實(shí)驗(yàn)中，并取得了很好的效果。
