CN102528804B - 一种五自由度机械手的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种五自由度机械手的控制系统，包括底座、转台、大臂、小臂、手腕和手爪，所述底座与转台连接，转台与大臂通过肩部连接，大臂通过肘部与小臂连接，小臂通过腕部与手爪连接。底座与转台之间设置第一自由度，肩部设置第二自由度，肘部设置第三自由度，腕部设置第四自由度，手爪设置第五自由度；所述自由度由伺服电机实现，伺服电机由数控系统控制；第一自由度为转台旋转、第二自由度为肩部抬起、第三自由度为肘部抬起、第四自由度为腕部抬起、第五自由度为手爪夹紧。

Description

一种五自由度机械手的控制系统
技术领域
本发明涉及一种机械手装置，特别是一种五自由度机械手的控制系统。
背景技术
随着工业自动化的发展，机械手在工业中得到了广泛的应用。机械手具有如下优势，一是安全性高。用人手进入模内取产品，如果注塑机故障或误按键造成合模，有夹伤手之危险，使用机械手能确保安全。二是能够提高效率和质量。三是降低产品不良率。刚成型产品温度过高，人员取出产品会造成手痕，产生不良品，因机械手使用特别治具取出，所以不会伤到产品。四是是节省人力和时间。五是节省原料，降低成本，人员取产品时间不定，原料的特殊性会造成产品缩水、变型，因机械手取出的时间固定，所以质量稳定。
然而现有技术中的机械手具有固有的缺陷，如机械手运动形式简单，仅能实现单一的操作。结构不够坚固，极容易被损坏。定位不精准，且控制性能低，不易被认为操作。
为解决现有技术中的缺陷，CN102229142A公开了一种五自由度电动机械手，该机械手采用摩擦轮电机和皮带轮电机制动的方式对机械手进行操控，结构相对简单，且可以实现多种运动形式，但由于电机制动不够灵活，导致该机械手定位不够准确，控制性能低，不易操作，而且手爪功能单一，应用效果不强。
发明内容
针对现有技术存在的缺点。本发明的目的在于提供一种五自由度机械手的控制系统，实现对机械手的精确控制，能够达到定位准确，控制性强，操作方便，用途广泛的技术效果。
本发明提供了一种五自由度机械手的控制系统，包括五自由度机械手和数控系统，所述数控系统包括计算机控制系统、24路伺服电机主电路板和五个伺服电机控制电路板，所述五自由度机械手包括底座、转台、大臂、小臂、手腕和手爪，所述底座与转台连接，转台与大臂通过肩部连接，大臂通过肘部与小臂连接，小臂通过腕部与手爪连接，其特征在于，所述底座与转台之间设置第一自由度，肩部设置第二自由度，肘部设置第三自由度，腕部设置第四自由度，手爪设置第五自由度；所述自由度由伺服电机实现，伺服电机由数控系统控制。
进一步优选，所述计算机控制系统和24路伺服电机主电路板位于底座内，五个伺服电机控制电路板分别设置于转台、手爪、 肩部肘部和腕部中。
进一步优选，所述计算机控制系统和24路伺服电机主电路板通过串口线连接，24路伺服电机主电路板通过伺服电机连接线与五个伺服电机控制电路板连接。
进一步优选，所述计算机控制系统用于编程控制工作，采用3维立体虚拟编程系统，将程序通过串口线传输至24路伺服电机主电路板。
进一步优选，所述第一自由度为转台旋转、第二自由度为肩部升降、第三自由度为肘部升降、第四自由度为腕部升降、第五自由度为手爪夹紧。
进一步优选所述底座、转台、大臂、小臂、手腕和手爪的材质为铝合金。
进一步优选所述第二自由度的伺服电机的扭矩是第四自由度的伺服电机的扭矩的3倍。所述第一自由度的伺服电机的扭矩是30kg.cm。
进一步优选所述机械手高度为400mm—600mm；所述机械手宽度为150mm—210mm。
进一步优选所述大臂的长度为150mm—200mm；所述小臂的长度为120mm—160mm。
进一步优选所述的手爪采用双推进机构，使手爪夹持角度始终保持在0度。
进一步优选所述手爪具有手指，所述手指与物品间加装垫片；所述手指的夹持力为10公斤。
进一步优选所述机械手采用锂聚合物电池。
24路伺服电机主电路板采用单片机控制系统，将指令通过伺服电机连接线发送至五个伺服电机控制电路板。
五个伺服电机控制电路板采集指令并控制位于转台、手爪、 肩部，肘部和腕部的伺服电机完成转台旋转、肩部升降、肘部升降、腕部升降和手爪夹紧等操作。
采用本发明的控制系统具有如下优点：采用伺服电机实现五个自由度，伺服电机由数控系统控制，操作方便，控制性强、运动灵活、关节力量大且定位准确；采用合金和ABS工程塑料材质，使机械手坚固耐用，使用寿命长；手爪采用双推进机构，并在手指与物品间加装垫片，增加手爪的应用范围，使机械手的用途更加广泛。
附图说明
图1：本发明所述的五自由度机械手的优选实施例的结构示意图；图2：本发明所述的五自由度机械手的优选实施例的侧视图；图3：本发明所述的五自由度机械手的优选实施例的手爪的结构示意图。
其中：1、底座，2、转台，3、大臂，4、小臂，5、手腕，6、手爪， 7、肩部，8、肘部，9、腕部, 10、手指，11、连杆，12、主动齿轮，13、从动齿轮，14、安装座。
具体实施方式
根据说明书附图1-3所述，本发明提供了一种五自由度机械手的控制系统，包括五自由度机械手和数控系统，所述数控系统包括计算机控制系统、24路伺服电机主电路板和五个伺服电机控制电路板，所述五自由度机械手包括底座1、转台2、大臂3、小臂4、手腕5和手爪6，所述底座1与转台2连接，转台2与大臂3通过肩部7连接，大臂3通过肘部8与小臂4连接，小臂4通过腕部9与手爪6连接，其特征在于，所述底座1与转台2之间设置第一自由度，肩部7设置第二自由度，肘部8设置第三自由度，腕部9设置第四自由度，手爪6设置第五自由度；所述自由度由伺服电机实现，伺服电机由数控系统控制。
所述计算机控制系统和24路伺服电机主电路板位于底座1内，五个伺服电机控制电路板分别设置于转台2、手爪6、 肩部7、肘部8和腕部9中。
所述计算机控制系统和24路伺服电机主电路板通过串口线连接，24路伺服电机主电路板通过伺服电机连接线与五个伺服电机控制电路板连接。
所述计算机控制系统用于编程控制工作，采用3维立体虚拟编程系统，将程序通过串口线传输至24路伺服电机主电路板。
所述第一自由度为转台2旋转、第二自由度为肩部7升降、第三自由度为肘部8升降、第四自由度为腕部9升降、第五自由度为手爪6夹紧。
所述底座1、转台2、大臂3、小臂4、手腕5和手爪6的材质为铝合金。
所述第二自由度的伺服电机的扭矩是第四自由度的伺服电机的扭矩的3倍。
所述第一自由度的伺服电机的扭矩是30kg.cm。
所述机械手高度为400mm—600mm。所述机械手宽度为150mm—210mm。
所述大臂3的长度为150mm—200mm。所述小臂4的长度为120mm—160mm。
所述的手爪6采用双推进机构，该双推进机构采用两个舵机，一个是主动舵机，连接来自数控系统的信号线，主动舵机输出轴带动主动齿轮12转动，另一个是从动舵机，此从动舵机不接信号线，从动齿轮13的转动是依靠主动齿轮12带动的，如图3所示，主动齿轮12和从动齿轮13分别与连杆11、手指10、安装座14构成一个平行四连杆机构，主动齿轮12转动时带动从动齿轮13使两手指10平行移动。使手爪夹持角度始终保持在0度。所述手爪6具有手指10，所述手指10与物品间加装垫片。所述手指10的夹持力为10公斤。
所述机械手采用锂聚合物电池。锂聚合物电池体积小、质量轻、电量大、瞬间电流大、寿命长、安全。
24路伺服电机主电路板采用单片机控制系统，将指令通过伺服电机连接线发送至五个伺服电机控制电路板。
五个伺服电机控制电路板采集指令并控制位于转台2、手爪6、 肩部7，肘部8和腕部9的伺服电机完成转台2旋转、肩部7升降、肘部8升降、腕部9升降和手爪6夹紧等操作。
该五自由度机械手的控制系统能够使机械手控制性强、运动灵活、关节力量大且定位准确，坚固耐用，使用寿命长，用途广泛。

Claims (11)

1.一种五自由度机械手的控制系统，包括五自由度机械手和数控系统，所述数控系统包括计算机控制系统、24路伺服电机主电路板和五个伺服电机控制电路板，所述五自由度机械手包括底座（1）、转台（2）、大臂（3）、小臂（4）、手腕（5）和手爪（6），所述底座（1）与转台（2）连接，转台（2）与大臂（3）通过肩部（7）连接，大臂（3）通过肘部（8）与小臂（4）连接，小臂（4）通过腕部（9）与手爪（6）连接，其特征在于，所述底座（1）与转台（2）之间设置第一自由度，肩部（7）设置第二自由度，肘部（8）设置第三自由度，腕部（9）设置第四自由度，手爪（6）设置第五自由度；所述自由度由伺服电机实现，伺服电机由数控系统控制；所述计算机控制系统和24路伺服电机主电路板位于底座（1）内，五个伺服电机控制电路板分别设置于转台（2）、手爪（6）、 肩部（7）、肘部（8）和腕部（9）中；计算机控制系统和24路伺服电机主电路板通过串口线连接，24路伺服电机主电路板通过伺服电机连接线与五个伺服电机控制电路板连接；所述第二自由度的伺服电机的扭矩是第四自由度的伺服电机的扭矩的3倍； 所述的手爪（6）采用双推进机构；该双推进机构采用两个舵机，一个是主动舵机，连接来自数控系统的信号线，主动舵机输出轴带动主动齿轮(12)转动，另一个是从动舵机，此从动舵机不接信号线，从动齿轮(13)的转动是依靠主动齿轮(12)带动的，主动齿轮(12)和从动齿轮(13)分别与连杆(11)、手指(10)、安装座(14)构成一个平行四连杆机构，主动齿轮(12)转动时带动从动齿轮(13)使两手指(10)平行移动；使手爪夹持角度始终保持在0度。
2.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述计算机控制系统用于编程控制工作，采用三维立体虚拟编程系统，将程序通过串口线传输至24路伺服电机主电路板。
3.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述第一自由度为转台（2）旋转、第二自由度为肩部（7）升降、第三自由度为肘部（8）升降、第四自由度为腕部（9）升降、第五自由度为手爪（6）夹紧。
4.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述第一自由度的伺服电机的扭矩是30kg.cm。
5.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述机械手高度为400mm—600mm。
6.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述机械手宽度为150mm—210mm。
7.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述大臂（3）的长度为150mm—200mm。
8.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述小臂（4）的长度为120mm—160mm。
9.根据权利要求8所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述手爪（6）具有手指（10），所述手指（10）与物品间加装垫片。
10.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述手指（10）的夹持力为10公斤。
11.根据权利要求1所述的五自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述机械手采用锂聚合物电池。
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