基本信息
- 項目名稱：
- 激光尋跡五自由度混合驅動機械手及監(jiān)控
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本機械手模型采用混合驅動，綜合電機傳動精度高及氣壓傳動快的優(yōu)勢。六關節(jié)機械體可完成機身回轉、手臂伸縮和俯仰、手腕升降和旋轉5個自由度，以不同位姿實現(xiàn)對目標物體的抓取?；诩す庹{制技術的尋跡系統(tǒng)可搜尋、定位目標物體及距離檢測。本機械手可實現(xiàn)各關節(jié)的點動，定點間單/雙層物體和橫/斜位姿物體的搬運、高低位置放置、單次/循環(huán)激光定位等自動控制，利用自行開發(fā)的監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)采集、實時動畫模擬等。
- 詳細介紹：
- 本激光尋跡五自由度混合驅動機械手由機械本體、驅動源、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)共五部分組成。 一、六關節(jié)機械體 機械本體采用模塊化設計。機械手為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。一般專用機械手的自由度為2～3個，自由度越多，機械手的靈活性越大。本模型通過機械手傳動機構及結構創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了5自由度功能，其通用性廣泛，可廣泛用于機械制造業(yè)中機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，能適用目標物的各種位姿。 本機械手的運動由一個指關節(jié)運動（手指開、合）、兩個直線運動（沿手臂方向的伸縮、沿豎直方向的升降）、三個轉動（機械手繞水平軸的仰俯、繞水平中心軸的回轉和機械體繞豎直中心軸的旋轉）所組成，分別完成伸縮、升降、俯仰、回轉、旋轉5個自由度的動作。 二、混合驅動傳動系統(tǒng) 本設計中機械手的驅動系統(tǒng)由四個電機、兩個氣缸共六個執(zhí)行元件組成。傳動方案可行性分析中，將各模塊功能的擬草求解方案與其他可達到同樣目標的可行性方案進行比較擇優(yōu)，最終確定各子功能解法為：機身、手腕旋轉采用蝸輪蝸桿機構，手臂俯仰、升降采用螺旋副及連桿機構，分別由電機1、2、3、4驅動；手臂伸縮、手指開合采用氣動裝置，分別由氣缸1、2驅動。 三、控制系統(tǒng) 本控制系統(tǒng)基于STC12系列單片機開發(fā)，根據(jù)控制需要搭建電路系統(tǒng)，采用光耦將控制電路與執(zhí)行電路隔離，系統(tǒng)抗干擾能力大大提高，采用脈寬調制（PWM）實現(xiàn)對直流電機的無級調速。自行開發(fā)的控制器可以實現(xiàn)對機械手本體模型中的電機及汽缸的驅動控制，使之達到定位要求，實現(xiàn)對物料的搜尋、抓取、搬運等動作的自動控制。 四、基于激光調制技術的目標物檢測系統(tǒng) 激光傳感器由兩部份構成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個振蕩管發(fā)出180KHz 頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部份由一個相匹配 180KHz 的接收管接收返回的光強，經(jīng)過電容濾波后直接接入單片機的I/O口，檢測返回電壓的高低。從而判斷物體的位置信息，進行自動定位。 五、基于串口通訊的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 本設計以混合驅動機械手控制系統(tǒng)為監(jiān)控對象，采用VB語言自行編寫監(jiān)控軟件，通過串口通信方式構建計算機監(jiān)控系統(tǒng)，對機械手的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。主要功能如下： 1．機械手點動測試和自動控制。 2、機械手運行狀態(tài)動畫模擬，向監(jiān)控人員實時顯示機械手狀態(tài) 3.工作現(xiàn)場參數(shù)的實時顯示，可將各關節(jié)運動的實時速度通過曲線形式顯示出來。 4、電機速度設置，可通過監(jiān)控面板對各電機的脈寬進行設置，從而調節(jié)電機運行速度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 特殊工況環(huán)境中，具有遠程監(jiān)控功能的機械手可使人脫離惡劣的勞動條件，完成人體不能直接接觸或難以接近的特殊作業(yè)。本作品綜合電機驅動與氣動的優(yōu)勢，設計出一種五自由度混合驅動工業(yè)機械手實體模型及監(jiān)控系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對抓取目標物的自動尋跡、按指定軌跡操作、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理、同步動畫監(jiān)視等功能，以滿足特殊環(huán)境下遠程操控要求。 創(chuàng)新點：基于激光調制技術的目標尋跡系統(tǒng)可以精確的搜尋、定位目標物體的位姿。六關節(jié)機械體完成機身回轉、手臂伸縮和俯仰、手腕升降和旋轉5個自由度，以不同位姿實現(xiàn)對目標物體的抓取和操作?；旌向寗泳C合了電機傳動精度高及氣壓傳動動作快的優(yōu)勢。 技術關鍵：自行開發(fā)的控制器用于機械手對物料的搜尋、抓取、操作等動作控制要求，基于串口通信的計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場工作狀態(tài)的實時顯示，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理和遠程控制要求。 主要性能指標：機身旋轉角度-90°～+90°，手臂升降高度0～150mm，俯仰角度：-35°～+5°，手腕旋轉角度-180°～+180°，手臂伸縮0～50mm，、手指開合角度0～10°。
科學性、先進性
- 現(xiàn)代機械手執(zhí)行部分常為電機驅動，但其價格較貴，限制了在一些場合的廣泛應用。氣動機械手結構簡單、無污染、抗干擾性強。本作品綜合了電機驅動與氣動的優(yōu)勢，建立了一種五自由度混合驅動工業(yè)機械手模型及控制系統(tǒng)，利用電機傳動控制精度高的特點實現(xiàn)機械手的準確定位，利用氣壓驅動優(yōu)勢實現(xiàn)快速接近及抓取物料的動作。 目前制造業(yè)中一些復雜的加工設備和產(chǎn)品，都可以通過串口進行控制和檢測。實驗室和工業(yè)應用中，串口常常作為計算機與外部串行設備之間的首選數(shù)據(jù)傳輸通道。本機械手監(jiān)控系統(tǒng)即基于串口通信技術，采用VB語言開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)通過對工業(yè)現(xiàn)場機械手的五自由度控制，調整其位姿以適應不同目標物的定位、操作要求。 機械手對目標物的尋跡借助激光定位原理，融合單片機、傳感器、調制解調和串行通信等技術，開發(fā)了一種對目標物的定位自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用串口通信在終端計算機上進行距離定位和監(jiān)控。系統(tǒng)可靠性高、傳輸速度快、成本低、使用方便和維護性好，滿足工程需要。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年3月，在南陽理工學院第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技競賽中獲得一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，模型，現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點及優(yōu)勢：本機械手利用電機傳動控制精度高的特點實現(xiàn)機械手的準確定位，利用氣壓驅動優(yōu)勢實現(xiàn)快速接近及抓取物體動作?；诖谕ㄐ砰_發(fā)的監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)處理、顯示及復雜的控制管理任務的監(jiān)控，使操作人員能實時地監(jiān)控系統(tǒng)工作情況。該方法成本低、針對性強。 適應范圍及推廣前景：本機械手可廣泛用于各類生產(chǎn)線上，如現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上等。加裝激光傳感器后，本機械手可在一定區(qū)域內自動搜尋物體、辨別物體是否在可操作區(qū)，對操作區(qū)域內的物體進行定位操控，因而又可作清障、搜尋等特種機械手。在監(jiān)控軟件的支持下，激光尋跡混合驅動機械手還可在震動、易燃、易爆、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作，操作人員可以在安全區(qū)域進行遠程控制與監(jiān)視，從而滿足特殊環(huán)境下的操作要求。 經(jīng)濟效益預測：本模型機械傳動系統(tǒng)為創(chuàng)新型設計，控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件具有自主知識產(chǎn)權，將其擴充后可成為實際的工業(yè)生產(chǎn)線自動化設備，應用領域廣泛、經(jīng)濟效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度越多，機械手的靈活性越大。一般專用機械手的自由度為2～3個，本模型通過機械手傳動機構及結構創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了5自由度功能，其通用性廣泛，可廣泛用于機械制造業(yè)中機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，能適用目標物的各種位姿。 機械手的驅動方式目前常見的有液壓、氣動、電動、機械式等?，F(xiàn)代機械手其執(zhí)行部分常為電機驅動，但此類機械手價格較貴，限制了在一些場合的廣泛應用。氣動機械手結構簡單、無污染、抗干擾性強。近20年來，氣動技術在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用，電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠。本機械手模型采用混合驅動技術，綜合利用電機傳動控制精度高及氣壓驅動快的特點，實現(xiàn)對目標物的準確快速操作。 以設備控制器為終端、PC機為控制端的主從式計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設備中得到了廣泛的應用。目前通用的工業(yè)控制裝置（如PLC、單片機等）不足之處是不能提供給用戶良好的人機界面。本系統(tǒng)開發(fā)的設備控制器完成對系統(tǒng)的底層控制，用計算機完成數(shù)據(jù)處理、顯示及復雜的控制管理任務的監(jiān)控系統(tǒng)，可使操作人員能實時地監(jiān)控系統(tǒng)工作情況并使系統(tǒng)操作變得方便，操作人員可以在安全區(qū)域進行遠程控制與監(jiān)視，從而滿足特殊環(huán)境下的操作要求。 傳統(tǒng)的機械手對目標物體操控時常需首先保證目標物具有穩(wěn)定的坐標位置，本系統(tǒng)中的目標物可在一定操作區(qū)內隨機放置，通過激光傳感器定位技術掃描目標物，確定目標體的距離。激光傳感器采用調制處理，接收管只能接收相同頻率的反射光，可以有效防止可見光的影響。通過激光傳感器檢測，可以精確的搜尋、定位目標物體。 綜上所述，本激光尋跡五自由度混合驅動機械手靈活性大，結構緊湊，可靠性高，可實現(xiàn)對一定區(qū)域的隨機位置目標物準確定位與操控。其監(jiān)控系統(tǒng)基于串口通訊技術，通用性好，系統(tǒng)操作方便，在工業(yè)生產(chǎn)中特別是許多特殊環(huán)境中有著廣泛的應用前景。
