CN1397410A - 多功能双臂教育机器人 - Google Patents

Abstract

多功能双臂教育机器人属于机电控制领域。本发明主要包括：左臂、右臂、肩、摄像机、基座、绘图笔装配、倒立摆、控制器和计算机，左臂所用的电机是步进电机，右臂所用电机是交流伺服电机，其连接方式为：左臂和右臂通过螺钉固定在肩的两侧，摄像机设置在肩的中间，肩设置在基座上，绘图笔装配设置在左臂前端下方，倒立摆固定在右臂的前端上方，控制器通过控制板与左臂和右臂的电机连接，另一端与计算机连接。本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可针对机电系统设计中的机构、控制等多方面的内容设计实验，教学功能丰富，有较强的实践教学功能，是一种高水平的教学实验平台。

Description

多功能双臂教育机器人

技术领域：本发明涉及的是一种教育机器人，特别是一种多功能双臂教育机器人，属于机电控制领域。

背景技术：目前国内机电系统的综合实验平台主要偏重于教学演示，系统封闭，学生难以进行动手实践，同时表演功能单一，仅仅反映机电系统教学的某一方面的内容。经检索发现，英国Feedback仪器集团公司生产的MONTOR-桌面教育机器人，该教学机器人本体主要由基座、大臂、小臂和手爪构成，其中，基座与大臂通过关节(一)及关节(二)相连，大臂可以实现方位和俯仰运动，小臂通过关节(三)可以相对于大臂作上下运动，手爪通过关节(四)及关节(五)与小臂连接，可以相对小臂作旋转和左右摆动，同时手爪可以通过气动装置开闭。该机器人采用闭环伺服控制，控制器完成机器人的点位和连续轨迹控制，学生通过示教盒进行编程控制，该机器人的主要教学功能如下：(1)示教再现和离线编程技术；(2)机器人操作作业演示，如抓取、路径等演示。该机器人的主要缺陷是：(1)教学功能单一，只能完成机器人课程的部分功能演示；(2)控制系统封闭，学生动手实践内容单调。

发明内容：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种多功能双臂教育机器人，使其可以针对机电系统设计中的机构、控制等多方面的内容设计实验，有较强的实践教学功能，是一种高水平的教学实验平台。本发明主要包括：左臂、右臂、肩、摄像机、基座、绘图笔装配、倒立摆、控制器和计算机，其连接方式为：左臂和右臂通过螺钉固定在肩的两侧，摄像机设置在肩的中间，肩设置在基座上，绘图笔装配设置在左臂前端下方，倒立摆固定在右臂的前端上方，控制器通过控制板与左臂和右臂的电机连接，另一端与计算机连接。

计算机作为人-机交互和编程设备把各种命令和规划信息发给控制器，控制器经运算后分别给左、右臂的大臂电机减速器组和小臂电机减速器组发送运动控制命令，从而分别带动左、右臂的大臂和小臂运动，完成所需的规划任务。

左右两臂的机械结构相同，主要包括：大臂电机减速器组、大轴承轴、过度盘、大轴承、小轴承、大臂、过度轴、小臂电机减速器组、摆杆、肩，其连接方式：大臂电机减速器组通过过度盘连接到肩，大臂电机减速器组的输出轴通过键连接到大轴承轴，大轴承轴通过螺钉与大臂连接，小臂电机减速器组通过一过度盘连接到肩上，小臂电机减速器组的输出轴通过键与平行四边形的摆杆连接，带动小臂运动，小轴承的外圈与大臂相连，内圈与过度轴相连，过度轴通过螺钉与摆杆连成一体，过度轴保证了大臂电机减速器组与小臂电机减速器组在同一轴线上。不同的是右臂所用电机是交流伺服电机，左臂所用的电机是步进电机，因此，左右两臂工作过程和原理有所不同：

右臂的工作过程和原理：右臂的交流伺服电机接受到控制器的运动信号后，其大臂电机减速器组带动大臂运动，小臂电机减速器组通过平行四边形机构带动小臂运动。在运动过程中，连在交流伺服电机上的位置传感器随时向控制器发送实际位置信号，控制器根据规划的目标位置信号与实际位置信号之差，修改发往交流伺服电机的运动信号，从而形成闭环控制，最终精确地达到目标位置。

左臂工作过程和原理：左臂的步进电机接受到控制器发来的步进信号(脉冲串)后，其大臂电机减速器组带动大臂运动，小臂电机减速器组通过平行四边形机构带动小臂运动，当大、小臂步进电机接受完规划的脉冲数后，就停止运动，即表示已达到了指定的目标位置，因此这是一种开环控制。

绘图笔装配主要包括：笔架、活动杆、连杆、笔套、弹簧、笔、电磁铁，笔架通过螺钉设置在手臂上，电磁铁通过螺钉设置在笔架下面，活动杆与笔架、点磁铁连接，连杆与笔相连，弹簧设置在笔套里。当电磁铁电源接通时，活动杆向上运动，通过连杆带动笔向下运动，完成“落笔”过程，当电磁铁电源断开时，安装在笔套里的弹簧使笔抬起，完成“抬笔”任务。

本发明具有以下功能：(1)两臂分别用了步进电机和交流伺服电机驱动，所以学生可以通过比较两只手臂演示性能(如分辨率、精度、速度等)的不同，深动了解开环和闭环控制系统的特点，并通过本机器人设计实例，牢固掌握现代机电控制系统的设计方法，为今后的研究和工程设计打下良好的基础。

(2)大臂电机减速器组和小臂电机减速器组设计在同一轴线上。因此大臂电机减速器组和小臂电机减速器组都可以安装在肩上，而不需象传统设计那样把小臂电机减速器组放在大臂，从而降低了大臂的负载。

(3)双臂教学机器人可以进行双手绘图和写字表演，输入通过AUTOCAD软件，学生通过在AUTOCAD环境中进行绘图和写字，并可进行相应的机器人程序编制。

(4)图像识别和处理编程。通过摄像机采集图像并进行辨识，并进行相应的机器人程序编制，可以丰富学生的图像处理和编程教学。

(5)倒立摆是进行控制理论教学的平台。在机器人右手末端设计了二维倒立摆，学生通过控制算法设计，可以对控制理论的基本概念加深理解。

(6)在双臂机器人上可以进行双手协调教学。双手协调涉及大量的机器人学、力学知识，作业也更为复杂，是较高层次的教学内容。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可针对机电系统设计中的机构、控制等多方面的内容设计实验，教学功能丰富，有较强的实践教学功能，是一种高水平的教学实验平台。

附图说明：图1本发明结构示意图

图2本发明小臂驱动机构结构示意图

图3本发明绘图笔装配结构示意图

具体实施方式：如图1、图2和图3所示，本发明主要包括：左臂1、右臂2、肩3、摄像机4、基座5、绘图笔装配6、倒立摆7、控制器8和计算机9，其连接方式为：左臂1和右臂2通过螺钉固定在肩3的两侧，摄像机4设置在肩3的中间，肩3设置在基座5上，绘图笔装配6设置在左臂1前端下方，倒立摆7固定在右2臂的前端上方，控制器8通过并行端口一端与左臂1或右臂2连接，另一端与计算机9连接，左臂1所用的电机是步进电机，右臂2所用电机是交流伺服电机。

左臂1、右臂2的机械结构相同，主要包括：大臂电机减速器组10、大轴承轴11、过度盘12、大轴承13、小轴承14、大臂15、过度轴16、小臂电机减速器组17、摆杆18、肩19，其连接方式：大臂电机减速器组10通过过度盘12连接到肩19，大臂电机减速器组10的输出轴通过键连接到大轴承轴11，大轴承轴11通过螺钉与大臂15连接，小臂电机减速器组17通过一过度盘连接到肩19上，小臂电机减速器组17的输出轴通过键与平行四边形的摆杆18连接，带动小臂27运动，小轴承14的外圈与大臂15相连，内圈与过度轴16相连，过度轴16通过螺钉与摆杆18连成一体，大臂电机减速器组10与小臂电机减速器组17在同一轴线上。

绘图笔装配6主要包括：笔架20、活动杆21、连杆22、笔套23、弹簧24、笔25、电磁铁26，笔架20通过螺钉设置在小臂27上，电磁铁26通过螺钉设置在笔架20下面，活动杆21与笔架20、电磁铁26连接，连杆22与笔25相连，弹簧24设置在笔套23里。

Claims (3)

1、一种多功能双臂教育机器人，主要包括：肩(3)、基座(5)、控制器(8)和计算机(9)，其特征在于还包括：左臂(1)、右臂(2)、摄像机(4)、绘图笔装配(6)和倒立摆(7)，左臂(1)所用的电机是步进电机，右臂(2)所用电机是交流伺服电机，其连接方式为：左臂(1)和右臂(2)通过螺钉固定在肩(3)的两侧，摄像机(4)设置在肩(3)的中间，肩(3)设置在基座(5)上，绘图笔装配(6)设置在左臂(1)前端下方，倒立摆(7)固定在右臂(2)的前端上方，控制器(8)通过并行端口一端与左臂(1)或右臂(2)连接，另一端与计算机(9)连接。

2、根据权利要求1所述的这种多功能双臂教育机器人，其特征是左臂(1)、右臂(2)的机械结构相同，主要包括：大臂电机减速器组(10)、大轴承轴(11)、过度盘(12)、大轴承(13)、小轴承(14)、大臂(15)、过度轴(16)、小臂电机减速器组(17)、摆杆(18)、肩(19)，其连接方式：大臂电机减速器组(10)通过过度盘(12)连接到肩(19)，大臂电机减速器组(10)的输出轴通过键连接到大轴承轴(11)，大轴承轴(11)通过螺钉与大臂(15)连接，小臂电机减速器组(17)通过一过度盘连接到肩(19)上，小臂电机减速器组(17)的输出轴通过键与平行四边形的摆杆(18)连接，带动小臂(27)运动，小轴承(14)的外圈与大臂(15)相连，内圈与过度轴(16)相连，过度轴(16)通过螺钉与摆杆(18)连成一体，大臂电机减速器组(10)与小臂电机减速器组(17)在同一轴线上。

3、根据权利要求1所述的这种多功能双臂教育机器人，其特征是绘图笔装配(6)主要包括：笔架(20)、活动杆(21)、连杆(22)、笔套(23)、弹簧(24)、笔(25)、电磁铁(26)，笔架(20)通过螺钉设置在小臂(27)上，电磁铁(26)通过螺钉设置在笔架(20)下面，活动杆(21)与笔架(20)、电磁铁(26)连接，连杆(22)与笔(25)相连，弹簧(24)设置在笔套(23)里。

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