基本信息
- 項目名稱：
- 機器人手腕力覺感知系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 機器人手腕力覺感知系統(tǒng)由腕力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC微型計算機和信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。腕力傳感器是該系統(tǒng)的核心單元，其結構采用雙層預緊式設計方案，以球窩錐頭式球面副替代傳統(tǒng)球面副并實施整體預緊，集結構穩(wěn)定、應力耦合低、剛度大等特性于一體。實驗結果表明該系統(tǒng)具有較高的測量精度，可應用于機器人精密裝配、輪廓跟蹤、去毛刺等與環(huán)境接觸的場合，可以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機器人技術提出的諸多要求。
- 詳細介紹：
- 機器人手腕力覺感知系統(tǒng)是機器人在執(zhí)行與環(huán)境接觸任務時必不可少的單元，它可實時檢測機器人末端的受力情況，使得機器人具有力覺感知能力，以便機器人更好的執(zhí)行與環(huán)境接觸的任務，廣泛應用于機器人精密裝配、輪廓跟蹤、磨削和去毛刺、拋光和擦洗等與環(huán)境接觸的場合。機器人手腕力覺感知系統(tǒng)由腕力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC微型計算機和信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。其核心技術是腕力傳感器的結構設計。它采用雙層預緊式設計方案，以球窩錐頭式球面副替代傳統(tǒng)球面副并實施整體預緊，集結構穩(wěn)定、應力耦合低、剛度大等特性于一體。機器人手腕力覺感知系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)，可對機器人末端接觸力實時檢測和顯示。實驗結果表明該系統(tǒng)具有較高的測量精度，將其加在傳統(tǒng)的機器人本體上能夠使機器人具有高精度的力覺感知能力從而完成各種精密作業(yè)，是提高機器人檔次的理想途徑，可以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機器人技術提出的諸多要求。本作品對于我國工業(yè)生產(chǎn)領域的發(fā)展和實現(xiàn)機器人自動化、智能化、實用化等方面具有一定的科學意義和應用價值，具有很廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 機器人位置控制技術已日趨完善，然而由于外部環(huán)境和機器人本體的非理想化，單純位置控制方式下的機器人在從事某些工作時將會產(chǎn)生很大的環(huán)境接觸力，以至于損壞工件或機械手本身，致使任務無法正常進行。為此，我們研發(fā)了一種機器人手腕力覺感知系統(tǒng)，使機器人能夠感知外部環(huán)境的接觸力。 本作品的研究主要集中在其核心單元腕力傳感器的結構設計和信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)上。腕力傳感器采用雙層預緊式設計方案，以球窩錐頭式球面副替代傳統(tǒng)球面副并實施整體預緊，集結構穩(wěn)定、應力耦合低、剛度大等特性于一體，具有明顯的創(chuàng)新性。信號采集及力信息顯示軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)。實驗得到了該力覺感知系統(tǒng)精度達到1.4%，能夠滿足機器人的控制要求。
科學性、先進性
- 本作品中腕力傳感器的敏感元件設計中采用球窩錐頭式球面副替代傳統(tǒng)球面副，并對其整體預緊，使得傳感器在測量過程中結構更加穩(wěn)定；分支只承受壓力，避免了過零帶來的遲滯現(xiàn)象；檢測分支分布在測力平臺的上下兩側，提高了系統(tǒng)的整體剛度，并使傳感器能夠承受更大的顛覆力矩。該作品能夠使機器人具有高精度的力覺感知能力，對機器人自動化、智能化、實用化具有重要的意義。
獲獎情況及鑒定結果
- 作品于2011.01.16完成裝配測試，實驗結果表明該機器人力覺感知系統(tǒng)具有較好的測試性能，各項技術指標均達到要求。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利權轉讓
作品可展示的形式
- 圖片、圖紙
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該作品的技術特點和優(yōu)勢在于其核心單元腕力傳感器采用專利型結構，該傳感器具有結構穩(wěn)定、剛度大、精度高等優(yōu)點；信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)，采集信號通過軟件處理更加提高了傳感器的抗干擾能力。力覺感知系統(tǒng)可對外界未知環(huán)境進行高精度的檢測，使機器人能夠完成復雜的操作任務。該作品可應用于工業(yè)機器人軸孔裝配、輪廓跟蹤、自動磨削等場合，具有很廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 隨著機器人在各個領域應用的日益廣泛，許多場合要求機器人具有接觸力的感知和控制能力，例如在機器人的精密裝配、輪廓跟蹤、去毛刺和磨削等操作過程中，要求保持其手腕末端與環(huán)境接觸。所以機器人完成這些作業(yè)任務，必須具備感知外界環(huán)境接觸力以及基于力反饋控制的能力。因此，研制精度高、實時性好的力覺感知系統(tǒng)對實現(xiàn)機器人自動化和智能化方面都具有重要的意義。 國內(nèi)外的專家和相關公司紛紛開展了這方面的研究工作。比如ABB公司研制的機器人通過安裝在腕部的六維力傳感器實現(xiàn)了復雜裝配以及輪廓跟蹤等任務。日本FANUC公司研制的6軸平行控制型機器人通過力傳感器的反饋作用可柔性抓取洗面奶。日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）開發(fā)的多軸機器人，具有可揀選線纜等柔性物體并將其頂端的接頭插入基板的功能。兩臺6軸機器人組合使用了可高速識別柔性物體的三維傳感器，以及可準確識別接頭及螺釘插入狀態(tài)的力傳感器等。機器人力覺感知系統(tǒng)研究的核心技術是腕力傳感器的結構設計。并聯(lián)結構力傳感器以其剛度大、結構穩(wěn)定、承載能力高、無誤差積累、精度高、逆解求解容易而獨具特色，如Kang等研究并研制了基于傳統(tǒng)Stewart結構的六維力傳感器。國內(nèi)高峰等人采用彈性鉸鏈來替代球面副為Stewart結構六維力傳感器的小型化奠定了基礎。賈振元等研制了并聯(lián)式六維大力傳感器。 并聯(lián)結構的六維力傳感器是一種裝配結構形式，其特點是傳感器由各個測量支路通過傳統(tǒng)的球面副與上下平臺聯(lián)接而成，并且在理論上每個測量支路上的測力構件只承受沿桿件軸線方向的拉力/壓力(在不考慮各球面副摩擦力矩的情況下)，從而可實現(xiàn)無應力耦合的六維力測量。但由于這種傳感器采用傳統(tǒng)結構的球面副作為聯(lián)接副，存在以下主要問題：（1）采用傳統(tǒng)式球面副結構，傳感器結構較為復雜，不易實現(xiàn)小型化；（2）傳統(tǒng)球面副容易產(chǎn)生間隙，使得傳感器受力過零性差，即當傳感器所承受的外力方向改變時，線性度不好，容易產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象等；（3）12個球面副需要分別調(diào)整和預緊，調(diào)整工作量大，并且各預緊力很難一致。這類六維力傳感器要想取得動剛度、解耦性、測量精度等綜合性能良好的結構并應用到生物力學測量中是比較困難的。因此，本研究小組在腕力傳感器結構和信號采集、數(shù)據(jù)處理軟件以及力控制策略方面進行了相關的設計和實驗研究，對于我國機器人自動化、智能化的發(fā)展和應用具有重要意義。
