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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 激光尋跡五自由度混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手及監(jiān)控
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本機(jī)械手模型采用混合驅(qū)動(dòng)，綜合電機(jī)傳動(dòng)精度高及氣壓傳動(dòng)快的優(yōu)勢(shì)。六關(guān)節(jié)機(jī)械體可完成機(jī)身回轉(zhuǎn)、手臂伸縮和俯仰、手腕升降和旋轉(zhuǎn)5個(gè)自由度，以不同位姿實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取?；诩す庹{(diào)制技術(shù)的尋跡系統(tǒng)可搜尋、定位目標(biāo)物體及距離檢測(cè)。本機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的點(diǎn)動(dòng)，定點(diǎn)間單/雙層物體和橫/斜位姿物體的搬運(yùn)、高低位置放置、單次/循環(huán)激光定位等自動(dòng)控制，利用自行開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)動(dòng)畫模擬等。
- 詳細(xì)介紹：
- 本激光尋跡五自由度混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手由機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)源、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)共五部分組成。 一、六關(guān)節(jié)機(jī)械體 機(jī)械本體采用模塊化設(shè)計(jì)。機(jī)械手為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。一般專用機(jī)械手的自由度為2～3個(gè)，自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大。本模型通過(guò)機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了5自由度功能，其通用性廣泛，可廣泛用于機(jī)械制造業(yè)中機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)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(biāo)物的各種位姿。 本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（手指開(kāi)、合）、兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)（沿手臂方向的伸縮、沿豎直方向的升降）、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（機(jī)械手繞水平軸的仰俯、繞水平中心軸的回轉(zhuǎn)和機(jī)械體繞豎直中心軸的旋轉(zhuǎn)）所組成，分別完成伸縮、升降、俯仰、回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)5個(gè)自由度的動(dòng)作。 二、混合驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)電機(jī)、兩個(gè)氣缸共六個(gè)執(zhí)行元件組成。傳動(dòng)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(dá)到同樣目標(biāo)的可行性方案進(jìn)行比較擇優(yōu)，最終確定各子功能解法為：機(jī)身、手腕旋轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，手臂俯仰、升降采用螺旋副及連桿機(jī)構(gòu)，分別由電機(jī)1、2、3、4驅(qū)動(dòng)；手臂伸縮、手指開(kāi)合采用氣動(dòng)裝置，分別由氣缸1、2驅(qū)動(dòng)。 三、控制系統(tǒng) 本控制系統(tǒng)基于STC12系列單片機(jī)開(kāi)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(diào)制（PWM）實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。自行開(kāi)發(fā)的控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手本體模型中的電機(jī)及汽缸的驅(qū)動(dòng)控制，使之達(dá)到定位要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的搜尋、抓取、搬運(yùn)等動(dòng)作的自動(dòng)控制。 四、基于激光調(diào)制技術(shù)的目標(biāo)物檢測(cè)系統(tǒng) 激光傳感器由兩部份構(gòu)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(gè)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(gè)相匹配 180KHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)電容濾波后直接接入單片機(jī)的I/O口，檢測(cè)返回電壓的高低。從而判斷物體的位置信息，進(jìn)行自動(dòng)定位。 五、基于串口通訊的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)以混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)為監(jiān)控對(duì)象，采用VB語(yǔ)言自行編寫監(jiān)控軟件，通過(guò)串口通信方式構(gòu)建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械手的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主要功能如下： 1．機(jī)械手點(diǎn)動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)控制。 2、機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)畫模擬，向監(jiān)控人員實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手狀態(tài) 3.工作現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，可將各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)速度通過(guò)曲線形式顯示出來(lái)。 4、電機(jī)速度設(shè)置，可通過(guò)監(jiān)控面板對(duì)各電機(jī)的脈寬進(jìn)行設(shè)置，從而調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度。
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)
- 特殊工況環(huán)境中，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的機(jī)械手可使人脫離惡劣的勞動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種五自由度混合驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手實(shí)體模型及監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取目標(biāo)物的自動(dòng)尋跡、按指定軌跡操作、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理、同步動(dòng)畫監(jiān)視等功能，以滿足特殊環(huán)境下遠(yuǎn)程操控要求。 創(chuàng)新點(diǎn)：基于激光調(diào)制技術(shù)的目標(biāo)尋跡系統(tǒng)可以精確的搜尋、定位目標(biāo)物體的位姿。六關(guān)節(jié)機(jī)械體完成機(jī)身回轉(zhuǎn)、手臂伸縮和俯仰、手腕升降和旋轉(zhuǎn)5個(gè)自由度，以不同位姿實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取和操作。混合驅(qū)動(dòng)綜合了電機(jī)傳動(dòng)精度高及氣壓傳動(dòng)動(dòng)作快的優(yōu)勢(shì)。 技術(shù)關(guān)鍵：自行開(kāi)發(fā)的控制器用于機(jī)械手對(duì)物料的搜尋、抓取、操作等動(dòng)作控制要求，基于串口通信的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程控制要求。 主要性能指標(biāo)：機(jī)身旋轉(zhuǎn)角度-90°～+90°，手臂升降高度0～150mm，俯仰角度：-35°～+5°，手腕旋轉(zhuǎn)角度-180°～+180°，手臂伸縮0～50mm，、手指開(kāi)合角度0～10°。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)代機(jī)械手執(zhí)行部分常為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但其價(jià)格較貴，限制了在一些場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、抗干擾性強(qiáng)。本作品綜合了電機(jī)驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，建立了一種五自由度混合驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手模型及控制系統(tǒng)，利用電機(jī)傳動(dòng)控制精度高的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確定位，利用氣壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)快速接近及抓取物料的動(dòng)作。 目前制造業(yè)中一些復(fù)雜的加工設(shè)備和產(chǎn)品，都可以通過(guò)串口進(jìn)行控制和檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中，串口常常作為計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的首選數(shù)據(jù)傳輸通道。本機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)即基于串口通信技術(shù)，采用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手的五自由度控制，調(diào)整其位姿以適應(yīng)不同目標(biāo)物的定位、操作要求。 機(jī)械手對(duì)目標(biāo)物的尋跡借助激光定位原理，融合單片機(jī)、傳感器、調(diào)制解調(diào)和串行通信等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種對(duì)目標(biāo)物的定位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用串口通信在終端計(jì)算機(jī)上進(jìn)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(hù)性好，滿足工程需要。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年3月，在南陽(yáng)理工學(xué)院第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，模型，現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)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(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：本機(jī)械手利用電機(jī)傳動(dòng)控制精度高的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確定位，利用氣壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)快速接近及抓取物體動(dòng)作?；诖谕ㄐ砰_(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)處理、顯示及復(fù)雜的控制管理任務(wù)的監(jiān)控，使操作人員能實(shí)時(shí)地監(jiān)控系統(tǒng)工作情況。該方法成本低、針對(duì)性強(qiáng)。 適應(yīng)范圍及推廣前景：本機(jī)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(jī)械手可在一定區(qū)域內(nèi)自動(dòng)搜尋物體、辨別物體是否在可操作區(qū)，對(duì)操作區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行定位操控，因而又可作清障、搜尋等特種機(jī)械手。在監(jiān)控軟件的支持下，激光尋跡混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手還可在震動(dòng)、易燃、易爆、強(qiáng)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(jìn)行遠(yuǎn)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(jì)效益預(yù)測(cè)：本模型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)為創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將其擴(kuò)充后可成為實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、經(jīng)濟(jì)效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大。一般專用機(jī)械手的自由度為2～3個(gè)，本模型通過(guò)機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了5自由度功能，其通用性廣泛，可廣泛用于機(jī)械制造業(yè)中機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)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(biāo)物的各種位姿。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式目前常見(jiàn)的有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)械式等。現(xiàn)代機(jī)械手其執(zhí)行部分常為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但此類機(jī)械手價(jià)格較貴，限制了在一些場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、抗干擾性強(qiáng)。近20年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用，電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠。本機(jī)械手模型采用混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，綜合利用電機(jī)傳動(dòng)控制精度高及氣壓驅(qū)動(dòng)快的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的準(zhǔn)確快速操作。 以設(shè)備控制器為終端、PC機(jī)為控制端的主從式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。目前通用的工業(yè)控制裝置（如PLC、單片機(jī)等）不足之處是不能提供給用戶良好的人機(jī)界面。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)備控制器完成對(duì)系統(tǒng)的底層控制，用計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、顯示及復(fù)雜的控制管理任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，可使操作人員能實(shí)時(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)械手對(duì)目標(biāo)物體操控時(shí)常需首先保證目標(biāo)物具有穩(wěn)定的坐標(biāo)位置，本系統(tǒng)中的目標(biāo)物可在一定操作區(qū)內(nèi)隨機(jī)放置，通過(guò)激光傳感器定位技術(shù)掃描目標(biāo)物，確定目標(biāo)體的距離。激光傳感器采用調(diào)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(jiàn)光的影響。通過(guò)激光傳感器檢測(cè)，可以精確的搜尋、定位目標(biāo)物體。 綜上所述，本激光尋跡五自由度混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手靈活性大，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域的隨機(jī)位置目標(biāo)物準(zhǔn)確定位與操控。其監(jiān)控系統(tǒng)基于串口通訊技術(shù)，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(yīng)用前景。
