本發(fā)明涉及一種機(jī)械手，特別是一種禽蛋吸運(yùn)分級(jí)機(jī)械手。

背景技術(shù)：

機(jī)器視覺(jué)是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人眼的視覺(jué)功能，是20世紀(jì)70年代在遙感和生物醫(yī)學(xué)圖片分析應(yīng)用技術(shù)取得卓越成果后發(fā)展起來(lái)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別、人工智能及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等交叉學(xué)科的研究與應(yīng)用已擴(kuò)展到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種小型偵察車車載機(jī)械手及其控制系統(tǒng)，采用基于“工控PO+DSP運(yùn)動(dòng)控制器”分布式控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合“PID+速度前饋控制”算法，實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的伺服控制，完成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述禽蛋吸運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，有5個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過(guò)2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。

所述機(jī)械手總體設(shè)計(jì)思想為：選用伺服電機(jī)(帶制動(dòng)器)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶、輪系等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接傳動(dòng)。腕關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)有裝配手爪用法蘭，可以通過(guò)更換手爪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)任務(wù)。在該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中采用真空吸盤(pán)裝置來(lái)完成禽蛋的吸運(yùn)分級(jí)工作。

所述機(jī)械手機(jī)身部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，其傳動(dòng)過(guò)程為：伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)裝在電機(jī)輸出軸上的同步齒形帶輪一起旋轉(zhuǎn)，經(jīng)同步齒形帶傳輸?shù)綑C(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，從而驅(qū)動(dòng)裝在軸上的平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，而平臺(tái)又與大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)本體相聯(lián)，則間接地實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)身的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的軸承選用角接觸球軸承，具有能同時(shí)受徑向載荷和單向軸向載荷的特點(diǎn)，成對(duì)使用可以滿足機(jī)身結(jié)構(gòu)的承載需要。

所述機(jī)械手的大臂是聯(lián)接機(jī)身和小臂的主體，設(shè)計(jì)中考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置合理性，將大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可拆型，即大臂的一側(cè)面板可以拆卸，安裝只需用螺釘將側(cè)面板固定到大臂側(cè)面上即可，這樣有利于電機(jī)的安裝和拆卸。大臂內(nèi)部安裝有2個(gè)電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)大臂、小臂的驅(qū)動(dòng)。

所述機(jī)械手的小臂聯(lián)接大臂和腕部，在設(shè)計(jì)中考慮到減輕小臂重量，所以設(shè)計(jì)時(shí)挖去中間部分實(shí)體，同時(shí)照顧到電機(jī)在小臂內(nèi)部的安裝位置。這里用一個(gè)聯(lián)接板將電機(jī)連接在小臂本體的底部，在側(cè)面有電機(jī)輸出軸安裝位置(孔)。為了防塵，在小臂外部還加了防塵蓋。其中小臂的電機(jī)是為腕部提供動(dòng)力源，而小臂的動(dòng)力源由安裝在大臂內(nèi)的電機(jī)提供。

所述機(jī)械手的手腕有兩個(gè)自由度，一個(gè)是俯仰，一個(gè)是翻轉(zhuǎn)，屬于BR型手腕。其中俯仰自由度由安裝在小臂上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)同步帶傳動(dòng)到安裝在腕部的軸上，則帶動(dòng)腕部進(jìn)行俯仰；翻轉(zhuǎn)自由度由安裝在腕內(nèi)部的伺服電機(jī)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的手腕具有傳動(dòng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊和輕巧的特點(diǎn)。

所述機(jī)械手的真空吸運(yùn)裝置部分采用PLC控制，與機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)禽蛋的分級(jí)吸運(yùn)。首先裝在機(jī)械手上的真空吸盤(pán)與禽蛋帶緩沖接觸形成密閉空間，然后真空發(fā)生器開(kāi)始工作，壓縮空氣流量開(kāi)始急劇上升；同時(shí)密閉腔的空氣迅速排出，隨著密閉腔空氣量的減少，排氣量迅速下降；密閉腔內(nèi)真空度很快提高，達(dá)到一定真空度后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)真空吸盤(pán)和禽蛋到達(dá)所需工位，從而完成了提升動(dòng)作。搬運(yùn)結(jié)束時(shí)，為了使禽蛋盡快脫離吸盤(pán)，采用向真空吸盤(pán)吹入壓縮空氣的方法來(lái)達(dá)到快速破壞真空的目的，實(shí)現(xiàn)禽蛋的放落。

所述機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)主機(jī)選用威達(dá)工控機(jī)(2臺(tái)：管理級(jí)、控制級(jí))，伺服級(jí)采用深圳摩信公司生產(chǎn)的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)高性能DSP 8軸運(yùn)動(dòng)控制器MCT8000F8。該運(yùn)動(dòng)控制器具有開(kāi)放式、高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu)性、高集成度、高可靠性和安全性等特點(diǎn)，是新一代開(kāi)放式結(jié)構(gòu)高性能可編程運(yùn)動(dòng)控制器。各個(gè)關(guān)節(jié)可以完成獨(dú)立伺服控制，能實(shí)現(xiàn)線性插補(bǔ)、二軸圓弧插補(bǔ)控制。伺服系統(tǒng)包含三個(gè)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，其工作原理如下：執(zhí)行元件為交流伺服電動(dòng)機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器為速度、電流閉環(huán)的功率驅(qū)動(dòng)元件，光電編碼器擔(dān)負(fù)著檢測(cè)伺服電機(jī)速度和位置的任務(wù)。伺服級(jí)計(jì)算機(jī)的主要功能是接受控制級(jí)發(fā)出的各種運(yùn)動(dòng)控制命令，根據(jù)位置給定信號(hào)及光電編碼器的位置反饋信號(hào)，分時(shí)完成每個(gè)關(guān)節(jié)的誤差計(jì)算、控制算法及D／A轉(zhuǎn)換、將速度給定信號(hào)加至伺服組件的控制端子，完成對(duì)各關(guān)節(jié)的位置伺服控制。前向通道采用D／A轉(zhuǎn)換卡，CPU分時(shí)控制D／A轉(zhuǎn)換器的輸出，作為每軸的速度給定信號(hào)。反饋通道包括整形、濾波、方向判別及可逆計(jì)數(shù)器。整形濾波器電路用來(lái)處理經(jīng)長(zhǎng)線傳輸?shù)墓怆娋幋a器的脈沖信號(hào)；利用A、B相脈沖的相位來(lái)判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向；通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，作為位置反饋信號(hào)。反饋通道接口電路選用與伺服級(jí)計(jì)算機(jī)兼容且與光電編碼器配套的接口卡。

本發(fā)明的有益效果是：1)采用“工業(yè)PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制器”分布式二級(jí)控制結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的開(kāi)放性、快速性及可靠性；2)采用真空吸盤(pán)裝置作為末端執(zhí)行器，具有良好的緩沖性能，滿足禽蛋移動(dòng)的特殊性要求；3)更換機(jī)械手末端執(zhí)行器，可以實(shí)現(xiàn)其他作業(yè)任務(wù)，具有良好的通用性；4)控制軟件采用C++編程，通過(guò)調(diào)用底層函數(shù)對(duì)硬件進(jìn)行直接操作，可視化環(huán)境提供良好的人機(jī)交互性能。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的禽蛋吸運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的大臂結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的BR型手腕運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖4是本發(fā)明的真空吸運(yùn)裝置的氣路系統(tǒng)原理圖。

圖5是本發(fā)明的禽蛋吸運(yùn)機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1，禽蛋吸運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，有5個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過(guò)2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。5個(gè)自由度分別為：機(jī)身旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兒、大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J2(肩關(guān)節(jié))、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3(肘關(guān)節(jié))和手腕仰俯運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)J4、手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)J5(腕關(guān)節(jié))。所述機(jī)械手總體設(shè)計(jì)思想為：選用伺服電機(jī)(帶制動(dòng)器)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶、輪系等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接傳動(dòng)。腕關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)有裝配手爪用法蘭，可以通過(guò)更換手爪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)任務(wù)。在該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中采用真空吸盤(pán)裝置來(lái)完成禽蛋的吸運(yùn)分級(jí)工作。

機(jī)械手機(jī)身部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，其傳動(dòng)過(guò)程為：伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)裝在電機(jī)輸出軸上的同步齒形帶輪一起旋轉(zhuǎn)，經(jīng)同步齒形帶傳輸?shù)綑C(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，從而驅(qū)動(dòng)裝在軸上的平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，而平臺(tái)又與大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)本體相聯(lián)，則間接地實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)身的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的軸承選用角接觸球軸承，具有能同時(shí)受徑向載荷和單向軸向載荷的特點(diǎn)，成對(duì)使用可以滿足機(jī)身結(jié)構(gòu)的承載需要。

如圖2，機(jī)械手的大臂是聯(lián)接機(jī)身和小臂的主體，設(shè)計(jì)中考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置合理性，將大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可拆型，即大臂的一側(cè)面板可以拆卸，安裝只需用螺釘將側(cè)面板固定到大臂側(cè)面上即可，這樣有利于電機(jī)的安裝和拆卸。大臂內(nèi)部安裝有2個(gè)電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)大臂、小臂的驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械手的小臂聯(lián)接大臂和腕部，在設(shè)計(jì)中考慮到減輕小臂重量，所以設(shè)計(jì)時(shí)挖去中間部分實(shí)體，同時(shí)照顧到電機(jī)在小臂內(nèi)部的安裝位置。這里用一個(gè)聯(lián)接板將電機(jī)連接在小臂本體的底部，在側(cè)面有電機(jī)輸出軸安裝位置(孔)。為了防塵，在小臂外部還加了防塵蓋。其中小臂的電機(jī)是為腕部提供動(dòng)力源，而小臂的動(dòng)力源由安裝在大臂內(nèi)的電機(jī)提供。

如圖3，機(jī)械手的手腕有兩個(gè)自由度，一個(gè)是俯仰，一個(gè)是翻轉(zhuǎn)，屬于BR型手腕。其中俯仰自由度由安裝在小臂上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)同步帶傳動(dòng)到安裝在腕部的軸上，則帶動(dòng)腕部進(jìn)行俯仰；翻轉(zhuǎn)自由度由安裝在腕內(nèi)部的伺服電機(jī)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的手腕具有傳動(dòng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊和輕巧的特點(diǎn)。

如圖4，機(jī)械手的真空吸運(yùn)裝置部分采用PLC控制，1為壓力源；2為氣動(dòng)三聯(lián)件(包括過(guò)濾器、減壓閥和油霧器)；3、7為二位二通單電控電磁換向閥；4為真空發(fā)生器；5為消聲器；6為小型真空過(guò)濾器；8為節(jié)流閥；9為真空開(kāi)關(guān)；lO為真空吸盤(pán)。與機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)禽蛋的分級(jí)吸運(yùn)。首先裝在機(jī)械手上的真空吸盤(pán)與禽蛋帶緩沖接觸形成密閉空間，然后真空發(fā)生器開(kāi)始工作，壓縮空氣流量開(kāi)始急劇上升；同時(shí)密閉腔的空氣迅速排出，隨著密閉腔空氣量的減少，排氣量迅速下降；密閉腔內(nèi)真空度很快提高，達(dá)到一定真空度后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)真空吸盤(pán)和禽蛋到達(dá)所需工位，從而完成了提升動(dòng)作。搬運(yùn)結(jié)束時(shí)，為了使禽蛋盡快脫離吸盤(pán)，采用向真空吸盤(pán)吹入壓縮空氣的方法來(lái)達(dá)到快速破壞真空的目的，實(shí)現(xiàn)禽蛋的放落。

如圖5，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)主機(jī)選用威達(dá)工控機(jī)(2臺(tái)：管理級(jí)、控制級(jí))，伺服級(jí)采用深圳摩信公司生產(chǎn)的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)高性能DSP 8軸運(yùn)動(dòng)控制器MCT8000F8。該運(yùn)動(dòng)控制器具有開(kāi)放式、高速、高精度、網(wǎng)際在線控制、多軸同步控制、可重構(gòu)性、高集成度、高可靠性和安全性等特點(diǎn)，是新一代開(kāi)放式結(jié)構(gòu)高性能可編程運(yùn)動(dòng)控制器。各個(gè)關(guān)節(jié)可以完成獨(dú)立伺服控制，能實(shí)現(xiàn)線性插補(bǔ)、二軸圓弧插補(bǔ)控制。伺服系統(tǒng)包含三個(gè)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，其工作原理如下：執(zhí)行元件為交流伺服電動(dòng)機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器為速度、電流閉環(huán)的功率驅(qū)動(dòng)元件，光電編碼器擔(dān)負(fù)著檢測(cè)伺服電機(jī)速度和位置的任務(wù)。伺服級(jí)計(jì)算機(jī)的主要功能是接受控制級(jí)發(fā)出的各種運(yùn)動(dòng)控制命令，根據(jù)位置給定信號(hào)及光電編碼器的位置反饋信號(hào)，分時(shí)完成每個(gè)關(guān)節(jié)的誤差計(jì)算、控制算法及D／A轉(zhuǎn)換、將速度給定信號(hào)加至伺服組件的控制端子，完成對(duì)各關(guān)節(jié)的位置伺服控制。前向通道采用D／A轉(zhuǎn)換卡，CPU分時(shí)控制D／A轉(zhuǎn)換器的輸出，作為每軸的速度給定信號(hào)。反饋通道包括整形、濾波、方向判別及可逆計(jì)數(shù)器。整形濾波器電路用來(lái)處理經(jīng)長(zhǎng)線傳輸?shù)墓怆娋幋a器的脈沖信號(hào)；利用A、B相脈沖的相位來(lái)判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向；通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，作為位置反饋信號(hào)。反饋通道接口電路選用與伺服級(jí)計(jì)算機(jī)兼容且與光電編碼器配套的接口卡。