基本信息
- 项目名称：
- 基于多机械传动形式认知的教学五自由度机器人的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一种五自由度电动机器人，它由控制部分和机械部分组成，包括了摩擦轮传动、皮带轮传动、齿轮传动等多种传动方式，控制部分是以8051单片机为核心的控制系统，本机器人结构简洁、操作方便、可以实现多种运动形式，可以广泛用于实验教学，可以做单片机实验，机械传动实验等。本电动教学机器人性能稳定，易于推广，在完成大部分机电控制课程的实验的情况下大大节省学校的开支。
- 详细介绍：
- 总体结构： 电动机械手包括底座、大臂、小臂和手爪部分。 工作原理： 由底座部分通过步进电机驱动摩擦轮副提供手臂在水平面内旋转的工作扭矩，大臂右侧步进电机提供大臂绕大臂低轴旋转的工作扭矩，大臂左侧的步进电机通过同步带传动提供小臂扰小臂低轴旋转的工作扭矩，小臂上的步进电机通过伞状齿轮副传动提供给整只手爪旋转的工作扭矩，手爪尾部的步进电机提供手腕旋转的工作扭矩，手爪中部的步进电机提供手爪开合的扭矩。 工作特征： 电动机械手底座固定在水平位置，大臂、小臂和手爪做空间运动，确保工作过程中人员和设备的安全。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计发明的目的： 主要应用于教学演示、教学实验、实习培训、课程设计以及科学研究等，可以培养学生对机械结构、机械传动的认知；可以培养学生对电气控制系统的硬件和软件的设计与调试能力；分析和解决系统运行过程中出现的各种实际问题的能力。 基本思路： 构思机器人功能结构；根据需求规划各部件的链接、组成方式，绘制其三维模型，并进行加工；根据功能制作控制箱并进行软硬件设计；机器人组装、调试，并改进完善其功能。 创新点： 使用摩擦轮传动、同步带传动、伞状齿轮副传动等传动技术，以及步进电机驱动控制、位置控制等技术，具有零组件的自动取拿和移送功能，配置上位计算机软件控制机器人运动。 技术关键： 一轴用力矩限制器限制旋转力矩，编码器限定旋转角度；其他轴采用磁铁—霍尔传感器来限定旋转角度。使用步进电机控制各自由度的运动，位置控制精确。摩擦轮副由步进电机提供旋转扭矩，使整个手臂旋转在水平面内旋转；臂的旋转由大臂低轴右侧的步进电机提供工作扭矩；小臂的旋转有大臂低轴左侧的步进电机通过同步带提供工作扭矩；指的开合由手爪中部的步进电机提供工作扭矩；腕的翻转由手爪底部的步进电机及减速器提供工作扭矩；只手爪的旋转由小臂右侧的步进电机通过伞状齿轮副提供工作扭矩。 主要技术指标： 类型 单位 DDJ-1 手臂旋转角度 ° 360 大臂旋转角度 ° 210 小臂旋转角度 ° 210 手爪旋转角度 ° 360 手指旋转角度 ° 120
科学性、先进性
- 本机器人结合了力矩限制器、行星减速器、摩擦轮、丝杠螺母副、伞齿轮传动、同步带传动等多种传动形式，采用编码器、磁铁—霍尔传感器等检测装置，以步进电机为动力源，综合了各机构、传动、检测与执行件的应用特点。 该机器人可应用单片机、DSP、ARM、PLC以及计算机等进行控制，开放的控制接口可应用任何类型的微处理器进行控制，采用计算机与单片机通讯的方式，上位机可选择VB、VC、Labview、MATLAB等软件进行控制，为这些软件在工程中的应用提供了实验手段； 该机器人的示教过程可由控制箱和上位机虚拟控制软件来实现，以多种技术方式实现机器人的示教编程，技术和功能设置尽量接近生产中所应用的机器人。 该机器人可应用于机电传动控制、PLC、单片机、DSP、ARM、高级计算机语言、虚拟仪器(Labview)、传感器技术、计算机控制等多门课程的教学中，实现了一机多用。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在2010年法国客商到我国来采购教学设备中中标，已经作为样机出口到突尼斯40台。
作品所处阶段
- 生产推广阶段
技术转让方式
- 不转让，等条件成熟时自己生产。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明，该作品的技术特点和优势：该作品主要应用于相关专业的教学设备。其技术特点为:可从机构认知、传感器信息处理、微处理器应用、PLC控制系统设计、计算机高级语言编程控制等多方面对学生进行实验训练，优势主要为一机多用和在出口设备上的价格优势。 该作品的适用范围：作为教学设备，该作品可广泛应用于机械工程、机械电子、工业工程、生产自动化、计算机技术等多个专业的多门课程或综合实验的教学使用。可广泛应用于高等院校、劳动技校、职业中专等，而在法国、突尼斯等国家的应用还包括了高中。 推广前景：作为教学设备，特别在更加注重动手能力的现代教育，还机器人可承载众多的学生实验。近几年来，随着工业生产对自动化越来越高的要求，对作为机电一体化典型产品的工业机器人的教学设备的需求不断扩大，应用范围逐步扩展，该机器人也将拥有广阔的推广空间。 市场分析和经济效益分析：本机器人成本为8300元左右，售价约为2万元，2010年作为样机出口到突尼斯的机器人已经得到其众多学校的试用，普遍反映很好。
同类课题研究水平概述
- 机器人作为机电一体化产品的典型代表，在教学中有着其重要的地位。在工科高等院校中，作为教学的机器人还很少，而在职业院校中，也大多以工业应用的焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人等为主，这些机器人在教学中的应用有其鲜明的优势，那就是直接作为工业产品进行课堂，学生学好了之后有极高的针对性。但这些工业机器人的应用也有其缺点，主要表现在：功能的单一性，二次开发的限制性，以及结构的复杂性和高成本等，其维护也要求较高。 作为教学设备，它应承担着更多的认知功能，甚至从某一方面来说，其所承担的认知功能要强于其主要功能，而这些恰恰是工业机器人所不追求的，因而，教学设备的机器人在机器人分类中逐步独立出来，而成为教学机器人学科，这点在近几年的机器人展中表示的尤其突出。 在教学机器人方面，我国的发展刚刚起步，主要的产品集中在几个高校，包括哈工大、北航、清华、上海交大，以及国内主要的机器人公司，像北京博创、上海广茂达、深圳施普瑞等，有些公司虽然其机器人不是其惟一的产品，但仍有机器人产品，像天津探索、浙江的天煌教仪、深圳固高以及济南星科公司等，但纵观这些公司的产品，各有其特点：哈工大推出的主要是精密的教学机器人，其控制系统基本上是封闭的，应用板卡控制，只提供面向用户的代码；北航以及博创主推的有比赛用机器人、蛇形机器人以及机器鱼等，控制方式与哈尔滨工业大学的一致；而另外的则主要是退成套设备，价格较高，像天煌的机器人组等。 本课题组根据机电方向的教学需要，设计了这款集步进电机驱动、摩擦轮机构、力矩限制器、伞齿轮传动、同步轮传动、行星齿轮减速机等于一体的多传动形式，以及霍尔器件传感器、行程开关、光电传感器、编码器等多传感器于一体的电动机器人，从多方面展示机构及传感器等，最大程度地向应用者提供机构认知和传感器认知；在控制系统的设计上，不仅有直接应用单片机或PLC进行对电机运动控制的低层控制，也有单片机和PLC对传感器信息融合及处理控制的中层次控制，以及应用计算机虚拟现实进行示教和控制的高层次控制，并且实现了多机器人的联合控制运行和网络远程系统更新及控制，实现了较大程度的一机多用。该机器人可应用于《单片机原理与应用》、《PLC与电器控制》、《工业机器人》、《机电传动控制》、《物流设备与控制》、《VB高级计算机语言》等多门课程的实验中，并取得了很好的效果。
