基本信息
- 項目名稱：
- 基于氣缸傳動的四自由度教學機器人的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該機器人由機械部分和控制部分組成。機器人執(zhí)行部件由機身旋轉(zhuǎn)氣缸、水平氣缸、垂直氣缸、手爪旋轉(zhuǎn)氣缸、手爪夾持氣缸組成，能夠?qū)崿F(xiàn)四個自由度的運動，控制部分由控制箱和電磁閥等構(gòu)成，控制箱采用MCS-51單片機作為控制核心，也可用PLC連接控制箱控制本機器人，電磁閥采用三位五通閥，可使機器人機械臂在任何位置停止，上位機軟件基于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)開發(fā)，與下位機采用USB2.0協(xié)議和RS232協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。
- 詳細介紹：
- 本作品是一種四自由度氣動機器人，該機器人由機械部分和控制部分和上位機軟件組成。機械部分執(zhí)行部件均由氣動元件構(gòu)成，由機身旋轉(zhuǎn)氣缸、水平氣缸、垂直氣缸、手爪旋轉(zhuǎn)氣缸、手爪夾持氣缸組成，構(gòu)成了五個自由度。 控制箱內(nèi)部采用MCS-51單片機作為控制核心，通過接線口及導線與控制氣缸的電磁閥和氣缸上的傳感器相連。PLC也可直接與控制箱連接通過控制箱轉(zhuǎn)接可控制本機器人。電磁閥采用三位五通閥，與氣缸上的傳感器配合可使機器人實現(xiàn)各種各樣的動作。并可采用標準USB2.0協(xié)議和RS232協(xié)議分別與上位機軟件進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)實時監(jiān)控。 上位機軟件基于OpenGL三維虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的VB程序開發(fā)，可采用USB2.0協(xié)議和RS232協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，控制實物機器人運動，也可在電腦上進行同步仿真。 該仿真軟件還具備編程功能，用戶可自行編寫控制程序，對程序進行仿真測試和聯(lián)機調(diào)試。 機器人采用上位機虛擬機器人與下位機交互的控制方式，可在前期實驗中通過上位機的仿真軟件進行現(xiàn)場仿真，仿真成功之后，再將程序下載到下位機進行操作，降低了因操作不當引起儀器損壞的風險，大大提高了儀器的使用壽命。 該機器人由機械部分各氣缸都是由接口板上電磁閥控制的，電磁閥的動作又是由控制箱電路系統(tǒng)控制實現(xiàn)的，每個氣缸上都裝配了磁感應傳感器，用以準確控制氣缸的行程，該機器人使用的是三位五通閥電磁閥，可使氣缸在任何位置停止，控制器上配有急停按鈕，用于緊急情況下的急停操作，上位機軟件通過與控制箱通信，間接控制機器人運行，同時可在控制箱上外接PLC實現(xiàn)外部控制。 該機器人綜合運用機械設計、氣動、電子電路設計、軟件設計等各學科知識，可應用于氣動控制、PLC、單片機、DSP、ARM、高級計算機語言、虛擬儀器(Labview)、傳感器技術(shù)、計算機控制等多門課程的教學中，真正實現(xiàn)了一機多用。
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(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設計、發(fā)明的目的： 本作品主要是設計研發(fā)一套集各種氣缸、氣動手爪等于一體的教學設備，以應用于《液壓氣動原理》、《工業(yè)機器人》、《物流設備與控制》、《單片機原理與應用》、《PLC與電器控制》的課程的教學實驗中。 基本思路： 應用多種氣動元器件，以最大程度地實現(xiàn)在氣動原理方面的認知與控制應用，機械結(jié)構(gòu)力求簡單、精度適中，方便教學應用。 創(chuàng)新點： 巧妙地將多種氣缸、氣動手爪等結(jié)合在一起，構(gòu)成了一套具有4個自由度的機器人，在控制系統(tǒng)設計上可采用單片機、ARM、DSP等的微處理器，也可應用PLC控制，也可以應用計算機高級語言進行控制，可應用虛擬現(xiàn)實和控制箜兩種示教方式，將諸多的知識點融合在該機器人 的控制中，以實現(xiàn)教學實驗應用上的一機多用。 關鍵技術(shù)： 巧妙地將多種氣缸結(jié)合在一起，由旋轉(zhuǎn)氣缸、水平氣缸、垂直氣缸、手爪旋轉(zhuǎn)氣缸、手爪夾持氣缸組成，實現(xiàn)四個自由度的運動；控制部分由控制箱和電磁閥等構(gòu)成，電磁閥采用三位五通閥，可使機器人機械臂在任何位置停止，上位機軟件基于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)開發(fā)，與下位機采用USB2.0協(xié)議和RS232協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。 技術(shù)指標： 底座旋轉(zhuǎn)角度:180° 垂直移動距離:200mm 水平移動距離:200mm 手腕旋轉(zhuǎn)角度:180° 手指開合距離:22 mm 最大載荷:0.715kg 最小周期:10s 空循環(huán)時間:10s 電源消耗量:0.5KW
科學性、先進性
- 作品的科學性： 該機器人結(jié)合機械設計、氣動原理、電子電路設計、軟件設計等學科知識，可應用于氣壓傳動、PLC控制、單片機原理、DSP、ARM、高級計算機語言、虛擬儀器(Labview等)、傳感器技術(shù)、計算機控制等多門課程的教學中，實現(xiàn)了一機多用。 作品的先進性： 將機電教學中的主要知識點包括：虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)、單片機與計算機的USB、網(wǎng)絡通信技術(shù)、PLC與計算機的總線通訊技術(shù)、單片機、計算機的控制原理、氣動傳動等技術(shù)與知識點結(jié)合于一體，滿足多個專業(yè)與課程的實驗教學需要。 作品進步性: 機械部分采用直線氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸傳動及電磁閥控制，應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)機器人在PC機上的三維虛擬仿真，控制箱配有急停按鈕及外接控制端子，完全符合工業(yè)控制箱標準，在教學儀器方面具有絕對優(yōu)勢。 作品應用拓展: 本機器人經(jīng)過加改造可用于工業(yè)生產(chǎn)，同時通過機器人之間通信可實現(xiàn)多個機器人聯(lián)動作業(yè)，可實現(xiàn)生產(chǎn)線作業(yè)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 一、2010年8月，在淄博舉辦的山東省大學生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計競賽中，四自由度氣動教學機器人獲得二等獎。該項賽事由全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽山東賽區(qū)組委會、山東省機械工業(yè)協(xié)會、山東機械工程學會、山東高校機械工程教學協(xié)作組、山東省大學生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計競賽組委會聯(lián)合舉辦。 二、到目前為止，四自由度氣動教學機器人已向突尼斯出口40臺，后續(xù)出口工作正在進行中。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓，等條件成熟時我方自己開公司生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本作品設計的四自由度教學機器人，全部應用氣動元器件實現(xiàn)全部運動，通過控制箱按鍵控制或上位機控制可以實現(xiàn)多種運動形式，將多個知識點貫穿其中，是一款綜合的教學設備。 該機器人適用于機械工程、電氣工程、軟件設計等專業(yè)本?？粕膶嶒灲虒W，具體可分為氣動控制、PLC、單片機、DSP、ARM、高級計算機語言、虛擬儀器(Labview)、傳感器技術(shù)、計算機控制等多門課程的綜合性實驗中。 針對目前國內(nèi)外教學機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，本機器人具有綜合性的特點，在2010年通過法國商人，國內(nèi)采購中標出口40臺。 該作品可應用于工科高等院校和職業(yè)院校中。目前在市場上，純氣動教學機器人尚屬空白，因此該作品具有廣闊的市場空間。本作品成本為5600元，在對外出口中，售價24000元，在2010年10月份，通過法國商人已出口到突尼斯前40臺已獲利70余萬元。因此可見，若產(chǎn)業(yè)化成功，該作品的潛在經(jīng)濟效益是十分巨大的。
同類課題研究水平概述
- 氣動機器人的應用現(xiàn)狀 氣動技術(shù)是以空氣壓縮機為動力源, 以壓縮空氣為工作介質(zhì), 進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù),是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機器人作為機器人的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點而被廣泛應用。 氣動機器人強調(diào)模塊化的形式, 現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動機器人在控制方面采用了先進的閥島技術(shù)(可重復編程等) , 氣動伺服系統(tǒng)(可實現(xiàn)任意位置上的精確定位) , 在執(zhí)行機構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。所以, 氣動機器人被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線, 尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線, 大多采用了氣動機器人。 氣動機器人學科要求 氣動技術(shù)及氣動機器人發(fā)展前景良好，在未來工業(yè)生產(chǎn)中將會得到更廣泛的應用。作為工科院校學生，掌握氣動技術(shù)將是行業(yè)的需要，但當前教學設備儀器中針對此方面技術(shù)的教學設備較少，而且價格昂貴。針對這一現(xiàn)狀，該作品組成員在知道老師的帶領和指導下，研制了四自由度氣動教學機器人，該機器人不僅適用于氣壓傳動相關課程的教學實驗，而且可配合機械設計、電子電路設計、PLC、軟件開發(fā)等學科開展實驗教學。并且該機器人結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝，可有效提高學生的動手能力，是工科院校理想的教學設備。此外，該機器人已投放市場，并出口歐洲，并在實際應用中受到多方好評。
