一種禽蛋吸運分級機械手的製作方法

2023-07-28 18:07:06 3

本發明涉及一種機械手，特別是一種禽蛋吸運分級機械手。

背景技術：

機器視覺是用計算機實現人眼的視覺功能，是20世紀70年代在遙感和生物醫學圖片分析應用技術取得卓越成果後發展起來的。隨著計算機技術的飛速發展，機器視覺、模式識別、人工智慧及人工神經網絡等交叉學科的研究與應用已擴展到人們生活的各個領域。

技術實現要素：

本發明提出了一種小型偵察車車載機械手及其控制系統，採用基於「工控PO+DSP運動控制器」分布式控制結構，結合「PID+速度前饋控制」算法，實現各關節的伺服控制，完成各關節的運動規劃。

本發明所採用的技術方案是：

所述禽蛋吸運機械手採用關節式結構，有5個旋轉自由度。通過2個肩關節和1個肘關節進行定位，由2個腕關節進行定向。其中一個肩關節繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節實現俯仰，這兩個肩關節軸線正交。肘關節平行於第二個肩關節軸線。

所述機械手總體設計思想為：選用伺服電機(帶制動器)驅動，通過同步帶、輪系等機械機構進行間接傳動。腕關節上設計有裝配手爪用法蘭，可以通過更換手爪來實現不同的作業任務。在該檢測系統應用中採用真空吸盤裝置來完成禽蛋的吸運分級工作。

所述機械手機身部分的旋轉運動由交流伺服電機驅動而實現，其傳動過程為：伺服電機運轉帶動裝在電機輸出軸上的同步齒形帶輪一起旋轉，經同步齒形帶傳輸到機身的轉動軸上，從而驅動裝在軸上的平臺運轉，而平臺又與大臂旋轉關節本體相聯，則間接地實現整個機身的運動驅動。轉動軸上的軸承選用角接觸球軸承，具有能同時受徑向載荷和單向軸向載荷的特點，成對使用可以滿足機身結構的承載需要。

所述機械手的大臂是聯接機身和小臂的主體，設計中考慮到驅動電機的布置合理性，將大臂結構設計成為可拆型，即大臂的一側面板可以拆卸，安裝只需用螺釘將側面板固定到大臂側面上即可，這樣有利於電機的安裝和拆卸。大臂內部安裝有2個電機，分別實現大臂、小臂的驅動。

所述機械手的小臂聯接大臂和腕部，在設計中考慮到減輕小臂重量，所以設計時挖去中間部分實體，同時照顧到電機在小臂內部的安裝位置。這裡用一個聯接板將電機連接在小臂本體的底部，在側面有電機輸出軸安裝位置(孔)。為了防塵，在小臂外部還加了防塵蓋。其中小臂的電機是為腕部提供動力源，而小臂的動力源由安裝在大臂內的電機提供。

所述機械手的手腕有兩個自由度，一個是俯仰，一個是翻轉，屬於BR型手腕。其中俯仰自由度由安裝在小臂上的電機驅動，經同步帶傳動到安裝在腕部的軸上，則帶動腕部進行俯仰；翻轉自由度由安裝在腕內部的伺服電機來直接驅動。該結構的手腕具有傳動簡單、結構緊湊和輕巧的特點。

所述機械手的真空吸運裝置部分採用PLC控制，與機械手伺服控制系統配合實現禽蛋的分級吸運。首先裝在機械手上的真空吸盤與禽蛋帶緩衝接觸形成密閉空間，然後真空發生器開始工作，壓縮空氣流量開始急劇上升；同時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；密閉腔內真空度很快提高，達到一定真空度後，機械手運動，帶動真空吸盤和禽蛋到達所需工位，從而完成了提升動作。搬運結束時，為了使禽蛋儘快脫離吸盤，採用向真空吸盤吹入壓縮空氣的方法來達到快速破壞真空的目的，實現禽蛋的放落。

所述機械手伺服控制系統主機選用威達工控機(2臺：管理級、控制級)，伺服級採用深圳摩信公司生產的基於網絡技術的開放式結構高性能DSP 8軸運動控制器MCT8000F8。該運動控制器具有開放式、高速、高精度、網際在線控制、多軸同步控制、可重構性、高集成度、高可靠性和安全性等特點，是新一代開放式結構高性能可編程運動控制器。各個關節可以完成獨立伺服控制，能實現線性插補、二軸圓弧插補控制。伺服系統包含三個反饋子系統：位置環、速度環、電流環，其工作原理如下：執行元件為交流伺服電動機，伺服驅動器為速度、電流閉環的功率驅動元件，光電編碼器擔負著檢測伺服電機速度和位置的任務。伺服級計算機的主要功能是接受控制級發出的各種運動控制命令，根據位置給定信號及光電編碼器的位置反饋信號，分時完成每個關節的誤差計算、控制算法及D／A轉換、將速度給定信號加至伺服組件的控制端子，完成對各關節的位置伺服控制。前向通道採用D／A轉換卡，CPU分時控制D／A轉換器的輸出，作為每軸的速度給定信號。反饋通道包括整形、濾波、方向判別及可逆計數器。整形濾波器電路用來處理經長線傳輸的光電編碼器的脈衝信號；利用A、B相脈衝的相位來判別電機的轉向；通過可逆計數器將脈衝信號轉換為數位訊號，作為位置反饋信號。反饋通道接口電路選用與伺服級計算機兼容且與光電編碼器配套的接口卡。

本發明的有益效果是：1)採用「工業PC+DSP運動控制器」分布式二級控制結構，增加了系統的開放性、快速性及可靠性；2)採用真空吸盤裝置作為末端執行器，具有良好的緩衝性能，滿足禽蛋移動的特殊性要求；3)更換機械手末端執行器，可以實現其他作業任務，具有良好的通用性；4)控制軟體採用C++編程，通過調用底層函數對硬體進行直接操作，可視化環境提供良好的人機互動性能。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的禽蛋吸運機械手結構示意圖。

圖2是本發明的大臂結構示意圖。

圖3是本發明的BR型手腕運動示意圖。

圖4是本發明的真空吸運裝置的氣路系統原理圖。

圖5是本發明的禽蛋吸運機械手伺服控制系統結構。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，禽蛋吸運機械手採用關節式結構，有5個旋轉自由度。通過2個肩關節和1個肘關節進行定位，由2個腕關節進行定向。其中一個肩關節繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節實現俯仰，這兩個肩關節軸線正交。肘關節平行於第二個肩關節軸線。5個自由度分別為：機身旋轉關節兒、大臂旋轉關節J2(肩關節)、小臂旋轉關節J3(肘關節)和手腕仰俯運動關節J4、手腕旋轉運動關節J5(腕關節)。所述機械手總體設計思想為：選用伺服電機(帶制動器)驅動，通過同步帶、輪系等機械機構進行間接傳動。腕關節上設計有裝配手爪用法蘭，可以通過更換手爪來實現不同的作業任務。在該檢測系統應用中採用真空吸盤裝置來完成禽蛋的吸運分級工作。

機械手機身部分的旋轉運動由交流伺服電機驅動而實現，其傳動過程為：伺服電機運轉帶動裝在電機輸出軸上的同步齒形帶輪一起旋轉，經同步齒形帶傳輸到機身的轉動軸上，從而驅動裝在軸上的平臺運轉，而平臺又與大臂旋轉關節本體相聯，則間接地實現整個機身的運動驅動。轉動軸上的軸承選用角接觸球軸承，具有能同時受徑向載荷和單向軸向載荷的特點，成對使用可以滿足機身結構的承載需要。

如圖2，機械手的大臂是聯接機身和小臂的主體，設計中考慮到驅動電機的布置合理性，將大臂結構設計成為可拆型，即大臂的一側面板可以拆卸，安裝只需用螺釘將側面板固定到大臂側面上即可，這樣有利於電機的安裝和拆卸。大臂內部安裝有2個電機，分別實現大臂、小臂的驅動。

機械手的小臂聯接大臂和腕部，在設計中考慮到減輕小臂重量，所以設計時挖去中間部分實體，同時照顧到電機在小臂內部的安裝位置。這裡用一個聯接板將電機連接在小臂本體的底部，在側面有電機輸出軸安裝位置(孔)。為了防塵，在小臂外部還加了防塵蓋。其中小臂的電機是為腕部提供動力源，而小臂的動力源由安裝在大臂內的電機提供。

如圖3，機械手的手腕有兩個自由度，一個是俯仰，一個是翻轉，屬於BR型手腕。其中俯仰自由度由安裝在小臂上的電機驅動，經同步帶傳動到安裝在腕部的軸上，則帶動腕部進行俯仰；翻轉自由度由安裝在腕內部的伺服電機來直接驅動。該結構的手腕具有傳動簡單、結構緊湊和輕巧的特點。

如圖4，機械手的真空吸運裝置部分採用PLC控制，1為壓力源；2為氣動三聯件(包括過濾器、減壓閥和油霧器)；3、7為二位二通單電控電磁換向閥；4為真空發生器；5為消聲器；6為小型真空過濾器；8為節流閥；9為真空開關；lO為真空吸盤。與機械手伺服控制系統配合實現禽蛋的分級吸運。首先裝在機械手上的真空吸盤與禽蛋帶緩衝接觸形成密閉空間，然後真空發生器開始工作，壓縮空氣流量開始急劇上升；同時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；密閉腔內真空度很快提高，達到一定真空度後，機械手運動，帶動真空吸盤和禽蛋到達所需工位，從而完成了提升動作。搬運結束時，為了使禽蛋儘快脫離吸盤，採用向真空吸盤吹入壓縮空氣的方法來達到快速破壞真空的目的，實現禽蛋的放落。

如圖5，機械手伺服控制系統主機選用威達工控機(2臺：管理級、控制級)，伺服級採用深圳摩信公司生產的基於網絡技術的開放式結構高性能DSP 8軸運動控制器MCT8000F8。該運動控制器具有開放式、高速、高精度、網際在線控制、多軸同步控制、可重構性、高集成度、高可靠性和安全性等特點，是新一代開放式結構高性能可編程運動控制器。各個關節可以完成獨立伺服控制，能實現線性插補、二軸圓弧插補控制。伺服系統包含三個反饋子系統：位置環、速度環、電流環，其工作原理如下：執行元件為交流伺服電動機，伺服驅動器為速度、電流閉環的功率驅動元件，光電編碼器擔負著檢測伺服電機速度和位置的任務。伺服級計算機的主要功能是接受控制級發出的各種運動控制命令，根據位置給定信號及光電編碼器的位置反饋信號，分時完成每個關節的誤差計算、控制算法及D／A轉換、將速度給定信號加至伺服組件的控制端子，完成對各關節的位置伺服控制。前向通道採用D／A轉換卡，CPU分時控制D／A轉換器的輸出，作為每軸的速度給定信號。反饋通道包括整形、濾波、方向判別及可逆計數器。整形濾波器電路用來處理經長線傳輸的光電編碼器的脈衝信號；利用A、B相脈衝的相位來判別電機的轉向；通過可逆計數器將脈衝信號轉換為數位訊號，作為位置反饋信號。反饋通道接口電路選用與伺服級計算機兼容且與光電編碼器配套的接口卡。