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基本信息
- 項目名稱：
- 模塊化多自由度寫字教學(xué)機械手系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 開放的寫字靈巧手主要用于教學(xué)領(lǐng)域，解決學(xué)生用教學(xué)機械手類實驗儀器的結(jié)構(gòu)龐大，可實現(xiàn)的自由度低，動作功能單一，價格昂貴，實際控制復(fù)雜，可實現(xiàn)的實驗項目稀少和不利于開展科創(chuàng)研究學(xué)習(xí)等問題，填補了教學(xué)領(lǐng)域機械手擁有高靈敏度、高精確度自動閉環(huán)控制回路的空白。
- 詳細介紹：
- 本項目小組研究的寫字靈巧手正是以教學(xué)機器手為研究主旨。寫字靈巧手系統(tǒng)實現(xiàn)寫字主要由2大部分組成，第一部分，硬件機械手平臺，利用AUTOCAD軟件建立模型，以功能模塊化與結(jié)構(gòu)模塊化為設(shè)計目標(biāo)，進行模型設(shè)計，并在PROTEL中反復(fù)仿真、調(diào)試，確定靈巧手各部位最佳狀況。在實際空間中建立空間坐標(biāo)模型，完成機械手寫字的基礎(chǔ)工作。第二部分，軟件設(shè)計及算法優(yōu)化。本項目主要是以VC++軟件為主要工具，自主開發(fā)軟件平臺，來完成對信息采集、信息加工、自定義規(guī)則等內(nèi)部算法的自動控制，同時通過對材料選擇，控制制作成本，進一步實現(xiàn)靈巧手應(yīng)用的簡易化、智能化、普遍化。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明創(chuàng)新點： （一）獨立設(shè)計機械手，遙控裝置，移動底盤等結(jié)構(gòu)。 （二）自由設(shè)計機械手上位機軟件，實現(xiàn)寫字控制。 （三）模塊化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)，全部部件均可自由拆裝及改裝。 （四）教學(xué)機械平臺首次實現(xiàn)閉環(huán)自動控制功能，自定義算法及書寫規(guī)則。 （五）儀器結(jié)構(gòu)向使用者全面開源。 （六）實驗系統(tǒng)設(shè)計適用面廣。 技術(shù)關(guān)鍵： 獨立設(shè)計機械靈巧手、攝像頭定位等裝置，配合上微機軟件結(jié)構(gòu)，使機械手在實際空間中能書寫對應(yīng)漢字?？朔C械手末端操作單一、活動空間小、缺少靈活性、難以精確控制等缺點。使機械靈巧手指端加裝針形攝像頭，能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤定位最終實現(xiàn)中文精確書寫功能。具體實現(xiàn)寫字分四步。 第一步：計算機屏幕輸入簡單漢字，通過ucdos字庫自動調(diào)用其點陣信息。 第二步：利用已確定的【點陣-坐標(biāo)】轉(zhuǎn)換算法進行計算，在實體模型中將各個點陣信息轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)。 第三步：通過運動方程計算，進行空間【坐標(biāo)-角度】轉(zhuǎn)換，最終確定靈巧手各舵機角度值。 第四步：自定義書寫規(guī)則，實現(xiàn)書寫功能
科學(xué)性、先進性
- 技術(shù)先進性： （一）上位軟件的設(shè)計，以及與電路控制接口板的有效通信和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)機械手的有效動作同時盡量減低指令復(fù)雜度，來實現(xiàn)控制6自由度的教學(xué)機械手或是進行多個高自由度機械手系統(tǒng)綜合仿真的舵機協(xié)同動作。 （二）通過內(nèi)嵌算法及書寫規(guī)則的自定義，機械手可到達任意指定的三維空間坐標(biāo)相對應(yīng)的位置，實現(xiàn)自動閉環(huán)控制功能。填補了教學(xué)領(lǐng)域機械手擁有高靈敏度、高精確度自動閉環(huán)控制回路的空白。 （三）教學(xué)機械手各個功能組件的設(shè)計，手抓頭，前臂，后臂，固定轉(zhuǎn)盤等部分；機械手系統(tǒng)可移動底盤的設(shè)計；機械手主控制電路板及無線通訊部分的整合設(shè)計。 （四）教學(xué)裝置機械結(jié)構(gòu)開放式的創(chuàng)新設(shè)計，涉及到多種教學(xué)實驗儀器的快速插接轉(zhuǎn)換功能模塊以及系統(tǒng)可以搭載其他實驗儀器，進行數(shù)據(jù)收集測試的額外部分。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年評為上海市第二屆大學(xué)生科創(chuàng)論壇“百佳項目” 2011年評為上海市第二屆大學(xué)生科創(chuàng)論壇“百佳論文”
作品所處階段
- 中試階段。已完成預(yù)期功能，還需做些改進，計劃量產(chǎn)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 實物 現(xiàn)場演示 錄像 圖片 產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 模塊化多自由度寫字教學(xué)機械手系統(tǒng)在使用上十分方便，機械手本身帶有經(jīng)過測定標(biāo)準的試驗機構(gòu)裝置裝配圖和關(guān)鍵組件的組合說明，供實驗者學(xué)習(xí)。同時機械手會有驗證性實驗和組裝創(chuàng)新實驗兩個部分不同的裝置使用說明。在實際的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新過程中，試驗者可以根據(jù)自己的試驗?zāi)康牟煌?，參考不同試驗指?dǎo)說明書。主要的使用操作流程為： （1）實驗?zāi)康拇_定； （2）仿真組件選??； （3）模型組裝； （4）上位軟件算法編程； （5）總裝測試。 機械手本身設(shè)計目標(biāo)就是：結(jié)構(gòu)緊湊，功能多樣，可實現(xiàn)的實驗項目豐富，同時由于是開放型電路板和上位軟件，相關(guān)的成本得以控制?？偟难b配生產(chǎn)價格相比現(xiàn)在市場上的在售產(chǎn)品有不小的成本優(yōu)勢。此外，模塊化多自由度寫字教學(xué)機械手系統(tǒng)裝卸維護方便，可以僅更換部分零件就能轉(zhuǎn)變成其他實驗室的實驗項目仿真平臺，實驗裝置的利用率高，性價比強。我們的目標(biāo)對象主要是高等學(xué)院相關(guān)理科專業(yè)的學(xué)科實驗室以及?？葡嚓P(guān)專業(yè)的實驗室，還有鼓勵學(xué)生科創(chuàng)等素質(zhì)教育的高中學(xué)校。
同類課題研究水平概述
- 國外產(chǎn)品相比我們國內(nèi)目前的機械手平臺有了很大的進步：首先體現(xiàn)在產(chǎn)品的體積上。慧魚三自由度工業(yè)機械手平臺不過25*20（cm），相比之前我們一個氣動機械手要一個以上工作臺來擺放設(shè)備的規(guī)模，體積得到了大大的縮小。同時縮小的還有使用者的知識儲備程度，慧魚和樂高圖形化的編程平臺讓使用者很容易上手，通過限位開關(guān)和電機配合，幾個簡單的指令就可以讓機器轉(zhuǎn)動起來，這就為學(xué)生的創(chuàng)新實驗提供了可能。硬制塑料件不容易損壞，較小的體積可以讓人快速的完成構(gòu)想。這一期間我國有了不少這種慧魚、樂高等等公司產(chǎn)品的實驗室，不但能夠進行教學(xué)實驗，同時也能服務(wù)于學(xué)生創(chuàng)新實踐的要求。也出現(xiàn)了很多基于慧魚模型設(shè)計的研究，如機械手遠程操作實驗嵌入式控制系統(tǒng)，慧魚教具在大學(xué)生創(chuàng)新中的探索性研究。 但是，這些公司的產(chǎn)品也和我們中國的教學(xué)現(xiàn)狀有著不可調(diào)和的矛盾。首先，價格還是一樣的高昂，甚至有時加上獨立的傳感器裝置，充電電池組，無線遙控模塊等等部分以后，價格可以高得讓人乍舌。其次，過于強調(diào)整體的便捷性和維護的簡易性以及一些其他方面的技術(shù)保護原因，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)了過多的封閉模塊，這很不利于進一步的開發(fā)研究，同時也不利于平臺功能拓展。簡單舉例，以慧魚來說，當(dāng)我們想把工業(yè)機械手模型和移動模型包提供的移動底座拼接在一起時，甚至由于各組合包之間都存在的不可兼容性，導(dǎo)致我們不得不去掉機械手上的一部分功能，才得以實現(xiàn)這個平臺的整體組合。這只是冰山一角，整個裝置的核心——控制接口板和它的上位機軟件，全部都是不開放的。這才是最致命的問題，慧魚的裝置是基于歐美80-90年代主流的產(chǎn)品做得仿真，故而仿真精度只有最高3自由度，而且是老舊的直角坐標(biāo)系行動方式。這在現(xiàn)在看來，簡直低的要命，老舊的可怕，同時它拒絕修改。 我們的優(yōu)勢： 優(yōu)點： （一）基于模塊化設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)實驗設(shè)備的快速組裝，零件利用率高； （二）自主開發(fā)的上位軟件和單片機硬件平臺能最多控制達32自由度的機械手動作，控制范圍寬廣； （三）豐富的外部設(shè)備設(shè)計，如移動底盤，無線控制，傳感避障裝置等的綜合利用，使教學(xué)機械手的應(yīng) （四）實驗范圍廣，可實現(xiàn)實驗項目多等特點。
