CN106607893A - 一种禽蛋吸运分级机械手 - Google Patents

Abstract

一种禽蛋吸运分级机械手，搭载于已开发出来的小型移动机器人平台上。小型移动机器人具有自主导航能力，包括立体视觉基础的避障，及在视觉引导下的攀爬楼梯。在机器人侦察各种污染和辐射环境、人员不便进入的情况下，车载机械手的出现，可以代替人员进行手工操作、抓取、采集样品等，大大改善了工作条件，提高了工作效率，保障了人员安全，减少了不必要的人员伤亡。

Description

一种禽蛋吸运分级机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，特别是一种禽蛋吸运分级机械手。

背景技术

机器视觉是用计算机实现人眼的视觉功能，是20世纪70年代在遥感和生物医学图片分析应用技术取得卓越成果后发展起来的。随着计算机技术的飞速发展，机器视觉、模式识别、人工智能及人工神经网络等交叉学科的研究与应用已扩展到人们生活的各个领域。

发明内容

本发明提出了一种小型侦察车车载机械手及其控制系统，采用基于“工控PO+DSP运动控制器”分布式控制结构，结合“PID+速度前馈控制”算法，实现各关节的伺服控制，完成各关节的运动规划。

本发明所采用的技术方案是：

所述禽蛋吸运机械手采用关节式结构，有5个旋转自由度。通过2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个腕关节进行定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。

所述机械手总体设计思想为：选用伺服电机(带制动器)驱动，通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。在该检测系统应用中采用真空吸盘装置来完成禽蛋的吸运分级工作。

所述机械手机身部分的旋转运动由交流伺服电机驱动而实现，其传动过程为：伺服电机运转带动装在电机输出轴上的同步齿形带轮一起旋转，经同步齿形带传输到机身的转动轴上，从而驱动装在轴上的平台运转，而平台又与大臂旋转关节本体相联，则间接地实现整个机身的运动驱动。转动轴上的轴承选用角接触球轴承，具有能同时受径向载荷和单向轴向载荷的特点，成对使用可以满足机身结构的承载需要。

所述机械手的大臂是联接机身和小臂的主体，设计中考虑到驱动电机的布置合理性，将大臂结构设计成为可拆型，即大臂的一侧面板可以拆卸，安装只需用螺钉将侧面板固定到大臂侧面上即可，这样有利于电机的安装和拆卸。大臂内部安装有2个电机，分别实现大臂、小臂的驱动。

所述机械手的小臂联接大臂和腕部，在设计中考虑到减轻小臂重量，所以设计时挖去中间部分实体，同时照顾到电机在小臂内部的安装位置。这里用一个联接板将电机连接在小臂本体的底部，在侧面有电机输出轴安装位置(孔)。为了防尘，在小臂外部还加了防尘盖。其中小臂的电机是为腕部提供动力源，而小臂的动力源由安装在大臂内的电机提供。

所述机械手的手腕有两个自由度，一个是俯仰，一个是翻转，属于BR型手腕。其中俯仰自由度由安装在小臂上的电机驱动，经同步带传动到安装在腕部的轴上，则带动腕部进行俯仰；翻转自由度由安装在腕内部的伺服电机来直接驱动。该结构的手腕具有传动简单、结构紧凑和轻巧的特点。

所述机械手的真空吸运装置部分采用PLC控制，与机械手伺服控制系统配合实现禽蛋的分级吸运。首先装在机械手上的真空吸盘与禽蛋带缓冲接触形成密闭空间，然后真空发生器开始工作，压缩空气流量开始急剧上升；同时密闭腔的空气迅速排出，随着密闭腔空气量的减少，排气量迅速下降；密闭腔内真空度很快提高，达到一定真空度后，机械手运动，带动真空吸盘和禽蛋到达所需工位，从而完成了提升动作。搬运结束时，为了使禽蛋尽快脱离吸盘，采用向真空吸盘吹入压缩空气的方法来达到快速破坏真空的目的，实现禽蛋的放落。

所述机械手伺服控制系统主机选用威达工控机(2台：管理级、控制级)，伺服级采用深圳摩信公司生产的基于网络技术的开放式结构高性能DSP 8轴运动控制器MCT8000F8。该运动控制器具有开放式、高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等特点，是新一代开放式结构高性能可编程运动控制器。各个关节可以完成独立伺服控制，能实现线性插补、二轴圆弧插补控制。伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、速度环、电流环，其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机，伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务。伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的位置反馈信号，分时完成每个关节的误差计算、控制算法及D／A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端子，完成对各关节的位置伺服控制。前向通道采用D／A转换卡，CPU分时控制D／A转换器的输出，作为每轴的速度给定信号。反馈通道包括整形、滤波、方向判别及可逆计数器。整形滤波器电路用来处理经长线传输的光电编码器的脉冲信号；利用A、B相脉冲的相位来判别电机的转向；通过可逆计数器将脉冲信号转换为数字信号，作为位置反馈信号。反馈通道接口电路选用与伺服级计算机兼容且与光电编码器配套的接口卡。

本发明的有益效果是：1)采用“工业PC+DSP运动控制器”分布式二级控制结构，增加了系统的开放性、快速性及可靠性；2)采用真空吸盘装置作为末端执行器，具有良好的缓冲性能，满足禽蛋移动的特殊性要求；3)更换机械手末端执行器，可以实现其他作业任务，具有良好的通用性；4)控制软件采用C++编程，通过调用底层函数对硬件进行直接操作，可视化环境提供良好的人机交互性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的禽蛋吸运机械手结构示意图。

图2是本发明的大臂结构示意图。

图3是本发明的BR型手腕运动示意图。

图4是本发明的真空吸运装置的气路系统原理图。

图5是本发明的禽蛋吸运机械手伺服控制系统结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，禽蛋吸运机械手采用关节式结构，有5个旋转自由度。通过2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个腕关节进行定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。5个自由度分别为：机身旋转关节儿、大臂旋转关节J2(肩关节)、小臂旋转关节J3(肘关节)和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5(腕关节)。所述机械手总体设计思想为：选用伺服电机(带制动器)驱动，通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。在该检测系统应用中采用真空吸盘装置来完成禽蛋的吸运分级工作。

机械手机身部分的旋转运动由交流伺服电机驱动而实现，其传动过程为：伺服电机运转带动装在电机输出轴上的同步齿形带轮一起旋转，经同步齿形带传输到机身的转动轴上，从而驱动装在轴上的平台运转，而平台又与大臂旋转关节本体相联，则间接地实现整个机身的运动驱动。转动轴上的轴承选用角接触球轴承，具有能同时受径向载荷和单向轴向载荷的特点，成对使用可以满足机身结构的承载需要。

如图2，机械手的大臂是联接机身和小臂的主体，设计中考虑到驱动电机的布置合理性，将大臂结构设计成为可拆型，即大臂的一侧面板可以拆卸，安装只需用螺钉将侧面板固定到大臂侧面上即可，这样有利于电机的安装和拆卸。大臂内部安装有2个电机，分别实现大臂、小臂的驱动。

机械手的小臂联接大臂和腕部，在设计中考虑到减轻小臂重量，所以设计时挖去中间部分实体，同时照顾到电机在小臂内部的安装位置。这里用一个联接板将电机连接在小臂本体的底部，在侧面有电机输出轴安装位置(孔)。为了防尘，在小臂外部还加了防尘盖。其中小臂的电机是为腕部提供动力源，而小臂的动力源由安装在大臂内的电机提供。

如图3，机械手的手腕有两个自由度，一个是俯仰，一个是翻转，属于BR型手腕。其中俯仰自由度由安装在小臂上的电机驱动，经同步带传动到安装在腕部的轴上，则带动腕部进行俯仰；翻转自由度由安装在腕内部的伺服电机来直接驱动。该结构的手腕具有传动简单、结构紧凑和轻巧的特点。

如图4，机械手的真空吸运装置部分采用PLC控制，1为压力源；2为气动三联件(包括过滤器、减压阀和油雾器)；3、7为二位二通单电控电磁换向阀；4为真空发生器；5为消声器；6为小型真空过滤器；8为节流阀；9为真空开关；lO为真空吸盘。与机械手伺服控制系统配合实现禽蛋的分级吸运。首先装在机械手上的真空吸盘与禽蛋带缓冲接触形成密闭空间，然后真空发生器开始工作，压缩空气流量开始急剧上升；同时密闭腔的空气迅速排出，随着密闭腔空气量的减少，排气量迅速下降；密闭腔内真空度很快提高，达到一定真空度后，机械手运动，带动真空吸盘和禽蛋到达所需工位，从而完成了提升动作。搬运结束时，为了使禽蛋尽快脱离吸盘，采用向真空吸盘吹入压缩空气的方法来达到快速破坏真空的目的，实现禽蛋的放落。

如图5，机械手伺服控制系统主机选用威达工控机(2台：管理级、控制级)，伺服级采用深圳摩信公司生产的基于网络技术的开放式结构高性能DSP 8轴运动控制器MCT8000F8。该运动控制器具有开放式、高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等特点，是新一代开放式结构高性能可编程运动控制器。各个关节可以完成独立伺服控制，能实现线性插补、二轴圆弧插补控制。伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、速度环、电流环，其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机，伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务。伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的位置反馈信号，分时完成每个关节的误差计算、控制算法及D／A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端子，完成对各关节的位置伺服控制。前向通道采用D／A转换卡，CPU分时控制D／A转换器的输出，作为每轴的速度给定信号。反馈通道包括整形、滤波、方向判别及可逆计数器。整形滤波器电路用来处理经长线传输的光电编码器的脉冲信号；利用A、B相脉冲的相位来判别电机的转向；通过可逆计数器将脉冲信号转换为数字信号，作为位置反馈信号。反馈通道接口电路选用与伺服级计算机兼容且与光电编码器配套的接口卡。

Claims (8)

1.一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述禽蛋吸运机械手采用关节式结构，有5个旋转自由度，通过2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个腕关节进行定向。

2.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手总体设计思想为：选用伺服电机(带制动器)驱动，通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动。

3.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手的腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。

4.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手机身部分的旋转运动由交流伺服电机驱动而实现，其传动过程为：伺服电机运转带动装在电机输出轴上的同步齿形带轮一起旋转，经同步齿形带传输到机身的转动轴上，从而驱动装在轴上的平台运转，而平台又与大臂旋转关节本体相联，则间接地实现整个机身的运动驱动。

5.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手的大臂是联接机身和小臂的主体，设计中考虑到驱动电机的布置合理性，将大臂结构设计成为可拆型，即大臂的一侧面板可以拆卸，安装只需用螺钉将侧面板固定到大臂侧面上即可，这样有利于电机的安装和拆卸，大臂内部安装有2个电机，分别实现大臂、小臂的驱动。

6.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手的小臂联接大臂和腕部，在设计中考虑到减轻小臂重量，所以设计时挖去中间部分实体，同时照顾到电机在小臂内部的安装位置。

7.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手的手腕有两个自由度，一个是俯仰，一个是翻转，属于BR型手腕。

8.根据权利要求1所述的一种禽蛋吸运分级机械手，其特征是：所述机械手的真空吸运装置部分采用PLC控制，与机械手伺服控制系统配合实现禽蛋的分级吸运。