CN102152320B - 三维运动防撞机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维运动防撞机械手，该机械手安装固定于Z轴导轨上，并与Z轴导轨滑动连接；悬臂的一端与机械手固定连接，光纤测距传感器固定在悬臂的另一端；反射板固定于平台上，当机械手运动至接近障碍物时，光纤测距传感器运动至反射板的上方；光纤测距传感器的输出连接到比较器的反相输入端；比较器的输出连接到三极管的基极；三极管的集电极连接到继电器。本发明利用比较器将光纤测距传感器输出的模拟电压与设定的基准电压进行比较，判断机械手是否低于障碍物的安全高度，如果是则通过继电器切断运动控制系统电源，同时接通制动系统电源，使机械手的运动迅速停止，避免了机械手与障碍物碰撞。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维运动机械手。
背景技术
在半导体封装机中，安装在三维运动机构上的机械手需要在三维空间内移动，而空间内一般都会存在一些障碍物，这些障碍物不仅在水平面(即XY平面)中的位置不同，而且高度(Z方向的高度)也不相同，在开发运动控制程序时，会考虑到这些障碍物，使机械手运动时绕过障碍物，避免碰撞。然而在设备研发和调试过程中，运动控制程序难免存在缺陷，或者当三维运动机构的运动控制系统由于某种原因失灵时，机械手就有可能与障碍物发生碰撞，造成严重的事故和巨大的损失，所以开发三维运动防撞安全机械手非常必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够避免与障碍物相撞的三维运动防撞机械手。
为了解决上述技术问题，本发明的三维运动防撞机械手可以采用下述两种技术方案：
当三维空间内存在一个障碍物时，采用如下技术方案：
三维运动防撞机械手包括三维运动机构，机械手，悬臂，光纤测距传感器，反射板，控制电路；所述控制电路包括比较器、三极管、继电器；机械手安装固定于三维运动机构的Z轴导轨上，并与Z轴导轨滑动连接；悬臂的一端与机械手固定连接，光纤测距传感器固定在悬臂的另一端；反射板固定于三维运动机构的平台上，当机械手运动至接近障碍物时，光纤测距传感器与悬臂随机械手在三维空间内同步运动至反射板的上方；光纤测距传感器的输出连接到比较器的反相输入端；比较器的同相输入端连接到变阻器，变阻器跨接于电源与地之间；比较器的输出连接到三极管的基极；三极管的发射极接地，集电极连接到继电器；继电器断电时单刀双置开关接通运动控制系统电源，继电器通电时吸合单刀双置开关，接通制动系统电源。
本发明将固定有光纤测距传感器的悬臂连接在机械手上，使其与机械手在三维空间内同步运动；当机械手接近障碍物时，光纤测距传感器恰好移动到反射板上方，再利用比较器将光纤测距传感器输出的模拟电压与设定的基准电压进行比较，判断机械手是否低于障碍物的安全高度；如果是则通过控制电路切断运动控制系统电源，使驱动电机失去动力，同时接通制动系统电源，使机械手的运动迅速停止，避免了机械手与障碍物碰撞。
三维运动防撞机械手还可以包括X方向传感器挡片，Y方向传感器挡片，一个X方向位置传感器和一个Y方向位置传感器；控制电路还包括一个与门；X方向传感器挡片固定于三维运动机构的Y轴导轨上，Y方向传感器挡片固定于Z轴导轨上；X方向位置传感器固定于三维运动机构的X轴导轨上，Y方向位置传感器固定于Y轴导轨上；X方向位置传感器和Y方向位置传感器的输出连接到与门的两个输入端，与门的输出连接到比较器的使能端；当机械手运动至障碍物所在区域时，X方向位置传感器、Y方向位置传感器分别被X方向传感器挡片和Y方向传感器挡片遮挡，X方向位置传感器和Y方向位置传感器输出同时有效，与门输出使能信号。
当三维空间内包含多个障碍物时，采用如下技术方案：
本发明的三维运动防撞机械手包括机械手，悬臂，光纤测距传感器，与障碍物数量相应的反射板，X方向传感器挡片，Y方向传感器挡片，与障碍物数量相应的X方向位置传感器，与障碍物数量相应的Y方向位置传感器，控制电路；所述控制电路包括与障碍物数量相应的与门、比较器及滑动变阻器，还包括或门、三极管、继电器；机械手安装于三维运动机构的Z轴导轨上，并与Z轴导轨滑动连接；悬臂的一端与机械手固定连接，光纤测距传感器固定在悬臂的另一端；反射板固定于三维运动机构的平台上；X方向传感器挡片固定于三维运动机构的Y轴导轨上，Y方向传感器挡片固定于Z轴导轨；X方向位置传感器固定于三维运动机构的X轴导轨上，Y方向位置传感器固定于Y轴导轨上；各X方向位置传感器、Y方向位置传感器的输出分别连接到对应的与门的两个输入端，各与门的输出端连接到对应的比较器的使能端；当机械手运动至某一障碍物区域时，与该障碍物位置对应的X方向位置传感器、Y方向位置传感器分别被X方向传感器挡片和Y方向传感器挡片遮挡，X方向位置传感器、Y方向位置传感器输出同时有效；当机械手接近该障碍物时，光纤测距传感器随悬臂运动至与该障碍物位置对应反射板的上方；光纤测距传感器的输出同时连接到各比较器的反相输入端；各比较器的同相输入端分别连接到对应的变阻器，变阻器跨接于电源与地之间；各比较器的输出同时连接到或门的输入端，或门的输出端连接到三极管的基极，三极管的发射极接地，集电极连接到继电器；继电器断电时单刀双置开关接通三维运动机构的运动控制系统电源，继电器通电时吸合单刀双置开关，接通三维运动机构的制动系统电源。
当机械手运动至某一障碍物区域时，与该障碍物位置对应的X方向位置传感器、Y方向位置传感器分别被X方向传感器挡片和Y方向传感器挡片遮挡，X方向位置传感器、Y方向位置传感器输出同时有效，对应的与门输出使能信号，使与其连接的比较器开始工作，而其他比较器不工作；当机械手接近该障碍物时，光纤测距传感器随悬臂运动至与该障碍物位置对应反射板的上方；此时，光纤测距传感器将代表该反射板高度的模拟电压信号输出到对应的比较器反相输入端，该比较器将反相输入端的模拟电压信号与同相输入端的基准电压进行比较；若模拟电压信号小于基准电压，则该比较器向或门输出一个高电平，使三极管导通，继电器开始工作，吸合单刀双置开关，从而切断三维运动机构的运动控制系统电源，同时接通三维运动机构的制动系统电源，使机械手停止运动。
本发明采用在平台上固定多个与障碍物位置对应的反射板，在X轴导轨和Y轴导轨上设置与障碍物数量相应的X方向位置传感器、Y方向位置传感器的方法，使得机械手进入某一障碍物区域时，将对应的比较器接通，并在机械手接近该障碍物时，由该比较器将光纤测距传感器输出的模拟电压与设定的基准电压进行比较，判断机械手是否低于该障碍物的安全高度，避免了机械手与平台上的各障碍物碰撞。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的三维运动防撞机械手实施例1机械结构示意图。
图2为本发明实施例1的控制电路结构示意图。
图3为本发明的三维运动防撞机械手实施例2机械结构示意图。
图4为本发明实施例2的控制电路结构示意图。
图5为本发明的三维运动防撞机械手实施例3机械结构示意图。
图6为本发明实施例3的控制电路结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，三维运动机构包括平台1，X轴导轨20，X轴抱闸22，X轴电机23，Y轴导轨9，Y轴抱闸16，Y轴电机17，Z轴导轨13，Z轴抱闸11，Z轴电机12，运动控制系统电源161、制动系统电源162。所述X轴导轨20固定于平台1上，X轴抱闸22和X轴电机23安装固定于X轴导轨20上；Y轴导轨9安装于X轴导轨20上并与X轴导轨20滑动连接，Y轴抱闸16和Y轴电机17安装固定于Y轴导轨9上；Z轴导轨13安装于Y轴导轨9上并与Y轴导轨9滑动连接；Z轴抱闸11和Z轴电机12安装固定于Z轴导轨13上。运动控制系统电源161与X轴电机23、Y轴电机17及Z轴电机12连接；制动系统电源162与X轴抱闸22、Y轴抱闸16及Z轴抱闸11连接。
本发明的三维运动防撞机械手包括三维运动机构，机械手8，悬臂5，光纤测距传感器4，反射板2，控制电路；如图2所示，所述控制电路包括比较器131、三极管152、继电器153；机械手8安装固定于Z轴导轨13上，并与Z轴导轨13滑动连接；悬臂5的一端与机械手8固定连接，光纤测距传感器4固定在悬臂5的另一端；反射板2固定于平台1上，当机械手8运动至接近障碍物6时，光纤测距传感器4与悬臂5随机械手8在三维空间内同步运动至反射板2的上方；光纤测距传感器4的输出连接到比较器131的反相输入端；比较器131的同相输入端连接到变阻器141，变阻器141跨接于电源与地之间；比较器131的输出连接到三极管152的基极；三极管152的发射极接地，集电极连接到继电器153；继电器153断电时单刀双置开关154接通运动控制系统电源161，继电器153通电时吸合单刀双置开关154，接通制动系统电源162。
所述光纤测距传感器4为反射式光纤测距传感器。
预先根据障碍物6和反射板2的高度调整变阻器141的阻值，以设定比较器131同相输入端的基准电压。机械手8在三维运动机构驱动下运动，光纤测距传感器4与悬臂5随机械手8在三维空间内同步运动。当机械手8接近障碍物6时，光纤测距传感器4恰好移动到反射板2上方。此时，光纤测距传感器4输出代表光纤测距传感器与反射板2之间距离的0-10V模拟电压信号，比较器131将该模拟电压与基准电压进行比较，判断当前机械手8是否已低于障碍物6的安全高度。如果机械手8低于障碍物6的安全高度，则比较器131输出高电平信号，使三极管152导通，继电器153工作，吸合单刀双置开关154，切断运动控制系统电源161，使X轴电机23、Y轴电机17和Z轴电机12失去动力；同时接通制动系统电源，X轴抱闸22、Y轴抱闸16和Z轴抱闸11工作，使机械手8运动迅速停止，避免了与障碍物6碰撞。
实施例2
如图3、4所示，本发明的三维运动防撞机械手包括机械手8，悬臂5，光纤测距传感器4，反射板2，X方向传感器挡片18，Y方向传感器挡片15，X方向位置传感器19，Y方向位置传感器14，控制电路；所述控制电路包括与门121、比较器131、变阻器141、三极管152、继电器153；机械手8安装于Z轴导轨13上，并与Z轴导轨13滑动连接；悬臂5的一端与机械手8固定连接，光纤测距传感器4固定在悬臂5的另一端；反射板2固定于平台1上；X方向传感器挡片18固定于Y轴导轨9上，Y方向传感器挡片15固定于Z轴导轨13；X方向位置传感器19固定于X轴导轨20上，Y方向位置传感器14固定于Y轴导轨9上；X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14的输出连接到与门121的两个输入端，与门121的输出连接到比较器131的使能端；当机械手8运动至障碍物6所在区域时，X方向位置传感器19、Y方向位置传感器14分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14输出同时有效，与门121输出使能信号使比较器131开始工作；当机械手8接近障碍物6时，光纤测距传感器4随悬臂5运动至反射板2的上方；光纤测距传感器4的输出连接到比较器131的反相输入端；比较器131的同相输入端连接到变阻器141，变阻器141跨接于10V电源与地之间；比较器131的输出连接到三极管152的基极，三极管152的发射极接地，集电极连接到继电器153；继电器153断电时单刀双置开关154接通运动控制系统电源161，继电器153通电时吸合单刀双置开关154，接通制动系统电源162。
预先根据障碍物6和反射板2的高度调整变阻器141的阻值，以设定比较器131同相输入端的基准电压。机械手8在三维运动机构驱动下运动，光纤测距传感器4与悬臂5随机械手8在三维空间内同步运动。当机械手8运动至障碍物6所在区域时，X方向位置传感器19、Y方向位置传感器14分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14输出同时有效，与门121输出使能信号使比较器131开始工作。当机械手8接近障碍物6时，光纤测距传感器4恰好移动到反射板2上方。此时，光纤测距传感器4输出代表光纤测距传感器与反射板2之间距离的0-10V模拟电压信号，比较器131将该模拟电压与基准电压进行比较，判断当前机械手8是否已低于障碍物6的安全高度。如果机械手8低于障碍物6的安全高度，则比较器131输出高电平信号，使三极管152导通，继电器153工作，吸合单刀双置开关154，切断运动控制系统电源161，使X轴电机23、Y轴电机17和Z轴电机12失去动力；同时接通制动系统电源，X轴抱闸22、Y轴抱闸16和Z轴抱闸11工作，使机械手8运动迅速停止，避免了与障碍物6碰撞。
实施例3
如图5、6所示，本发明的三维运动防撞机械手包括机械手8，悬臂5，光纤测距传感器4，反射板2、3，X方向传感器挡片18，Y方向传感器挡片15，X方向位置传感器19、21，Y方向位置传感器14、10，控制电路；所述控制电路包括与门121、122，比较器131、132，变阻器141、142，或门151，三极管152，继电器153；机械手8安装于Z轴导轨13上，并与Z轴导轨13滑动连接；悬臂5的一端与机械手8固定连接，光纤测距传感器4固定在悬臂5的另一端；反射板2、3固定于平台1上；X方向传感器挡片18固定于Y轴导轨9上，Y方向传感器挡片15固定于Z轴导轨13；X方向位置传感器19、21固定于X轴导轨20上，Y方向位置传感器14、10固定于Y轴导轨9上；X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14的输出连接到与门121的两个输入端，X方向位置传感器21和Y方向位置传感器10的输出连接到与门122的两个输入端。当机械手8运动至障碍物6所在区域时，X方向位置传感器19、Y方向位置传感器14分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14输出同时有效；当机械手8接近障碍物6时，光纤测距传感器4随悬臂5运动至反射板2的上方。当机械手8运动至障碍物7所在区域时，X方向位置传感器21、Y方向位置传感器10分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器21和Y方向位置传感器10输出同时有效；当机械手8接近障碍物7时，光纤测距传感器4随悬臂5运动至反射板2的上方。与门121的输出连接到比较器131的使能端，与门122的输出连接到比较器132的使能端；光纤测距传感器4的输出同时连接到比较器131、132的反相输入端；比较器131的同相输入端连接到变阻器141，变阻器141跨接于10V电源与地之间，比较器132的同相输入端连接到变阻器142，变阻器142跨接于10V电源与地之间；比较器131、132的输出连接到或门151的输入端，三极管152的基极，三极管152的发射极接地，集电极连接到继电器153；继电器153断电时单刀双置开关154接通运动控制系统电源161，继电器153通电时吸合单刀双置开关154，接通制动系统电源162。
预先根据障碍物6、7和反射板2、3的高度分别调整变阻器141、142的阻值，以设定比较器131、132同相输入端的基准电压。机械手8在三维运动机构驱动下运动，光纤测距传感器4与悬臂5随机械手8在三维空间内同步运动。当机械手8运动至障碍物6所在区域时，X方向位置传感器19、Y方向位置传感器14分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器19和Y方向位置传感器14输出同时有效，与门121输出使能信号使比较器131开始工作。当机械手8接近障碍物6时，光纤测距传感器4恰好移动到反射板2上方。此时，光纤测距传感器4输出代表光纤测距传感器与反射板2之间距离的0-10V模拟电压信号，比较器131将该模拟电压与基准电压进行比较，判断当前机械手8是否已低于障碍物6的安全高度。如果机械手8低于障碍物6的安全高度，则比较器131输出高电平信号，使三极管152导通，继电器153工作，吸合单刀双置开关154，切断运动控制系统电源161，使X轴电机23、Y轴电机17和Z轴电机12失去动力；同时接通制动系统电源，X轴抱闸22、Y轴抱闸16和Z轴抱闸11工作，使机械手8运动迅速停止，避免了与障碍物6碰撞。当机械手8运动至障碍物7所在区域时，X方向位置传感器21、Y方向位置传感器10分别被X方向传感器挡片18和Y方向传感器挡片15遮挡，X方向位置传感器21和Y方向位置传感器10输出同时有效，与门122输出使能信号使比较器132开始工作。当机械手8接近障碍物7时，光纤测距传感器4恰好移动到反射板3上方。此时，光纤测距传感器4输出代表光纤测距传感器与反射板3之间距离的0-10V模拟电压信号，比较器132将该模拟电压与基准电压进行比较，判断当前机械手8是否已低于障碍物7的安全高度。如果机械手8低于障碍物7的安全高度，则比较器132输出高电平信号，使三极管152导通，继电器153工作，吸合单刀双置开关154，切断运动控制系统电源161，使X轴电机23、Y轴电机17和Z轴电机12失去动力；同时接通制动系统电源，X轴抱闸22、Y轴抱闸16和Z轴抱闸11工作，使机械手8运动迅速停止，避免了与障碍物7碰撞。
Claims (3)
1.一种三维运动防撞机械手，包括三维运动机构和安装固定于三维运动机构的Z轴导轨上，并与Z轴导轨(13)滑动连接的机械手(8)；其特征在于还包括悬臂(5)，光纤测距传感器(4)，反射板，控制电路；所述控制电路包括比较器、三极管(152)、继电器(153)和单刀双置开关(154)；悬臂(5)的一端与机械手(8)固定连接，光纤测距传感器(4)固定在悬臂(5)的另一端；反射板(2)固定于三维运动机构的平台(1)上，当机械手(8)运动至接近障碍物时，光纤测距传感器(4)与悬臂(5)随机械手(8)在三维空间内同步运动至反射板的上方；光纤测距传感器(4)的输出连接到比较器的反相输入端；比较器的同相输入端连接到变阻器，变阻器跨接于电源与地之间；比较器的输出连接到三极管(152)的基极；三极管(152)的发射极接地，集电极连接到继电器(153)；继电器(153)断电时单刀双置开关(154)接通三维运动机构的运动控制系统电源(161)，继电器(153)通电时吸合单刀双置开关(154)，接通三维运动机构的制动系统电源(162)。
2.根据权利要求1所述的三维运动防撞机械手，其特征在于还包括X方向传感器挡片(18)，Y方向传感器挡片(15)，一个X方向位置传感器和一个Y方向位置传感器；控制电路还包括一个与门；所述X方向传感器挡片(18)固定于三维运动机构的Y轴导轨(9)上，Y方向传感器挡片(15)固定于Z轴导轨(13)上；X方向位置传感器固定于三维运动机构的X轴导轨(20)上，Y方向位置传感器固定于Y轴导轨(9)上；X方向位置传感器和Y方向位置传感器的输出连接到与门的两个输入端，与门的输出连接到比较器的使能端；当机械手(8)运动至障碍物所在区域时，X方向位置传感器、Y方向位置传感器分别被X方向传感器挡片(18)和Y方向传感器挡片(15)遮挡，X方向位置传感器和Y方向位置传感器输出同时有效，与门输出使能信号。
3.一种三维运动防撞机械手，包括三维运动机构和安装固定于三维运动机构的Z轴导轨上，并与Z轴导轨(13)滑动连接的机械手(8)；其特征在于还包括悬臂(5)，光纤测距传感器(4)，与障碍物数量相应的反射板，X方向传感器挡片(18)，Y方向传感器挡片(15)，与障碍物数量相应的X方向位置传感器，与障碍物数量相应的Y方向位置传感器，控制电路；所述控制电路包括与障碍物数量相应的与门、比较器及滑动变阻器，还包括或门(151)、三极管(152)、继电器(153)和单刀双置开关(154)；悬臂(5)的一端与机械手(8)固定连接，光纤测距传感器(4)固定在悬臂(5)的另一端；反射板固定于三维运动机构的平台(1)上；X方向传感器挡片(18)固定于三维运动机构的Y轴导轨(9)上，Y方向传感器挡片(15)固定于Z轴导轨(13)上；X方向位置传感器固定于三维运动机构的X轴导轨(20)上，Y方向位置传感器固定于Y轴导轨(9)上；各X方向位置传感器、Y方向位置传感器的输出分别连接到对应的与门的两个输入端，各与门的输出端连接到对应的比较器的使能端；当机械手(8)运动至某一障碍物区域时，与该障碍物位置对应的X方向位置传感器、Y方向位置传感器分别被X方向传感器挡片(18)和Y方向传感器挡片(15)遮挡，X方向位置传感器、Y方向位置传感器输出同时有效；当机械手(8)接近该障碍物时，光纤测距传感器(4)随悬臂(5)运动至与该障碍物位置对应的反射板上方；光纤测距传感器(4)的输出同时连接到各比较器的反相输入端；各比较器的同相输入端分别连接到对应的变阻器，变阻器跨接于电源与地之间；各比较器的输出同时连接到或门(151)的输入端，或门(151)的输出端连接到三极管(152)的基极，三极管(152)的发射极接地，集电极连接到继电器(153)；继电器(153)断电时单刀双置开关(154)接通三维运动机构的运动控制系统电源(161)，继电器(153)通电时吸合单刀双置开关(154)，接通三维运动机构的制动系统电源(162)。
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Application publication date: 20110817 Assignee: ChangChun GuangHua Micro-electronics Eguipment Engineering Center Co., Ltd. Assignor: Changchun Inst. of Optics and Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sci Contract record no.: 2014220000012 Denomination of invention: Three-dimensional motion crashproof manipulator Granted publication date: 20120725 License type: Exclusive License Record date: 20140226 |
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