块状物料抓取控制研究.docx
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块状物料抓取控制研究
摘要
本文基于现代科技和工业的发展趋势和需求,以典型的机械手为例,对块状物料抓取控制进行研究。
对国内外机械手的发展现状和趋势做出分析,并简要论述未来机械手的发展方向。
在对机械手的诞生历程、结构组成、驱动方式、控制结构、控制系统和运动轨迹控制等方面进行详细的分析研究基础上,得出各种控制结构和控制系统的优缺点和适用场所。
最后分别详细介绍分析机械手在深海水下机械手、达芬奇手术机器人这两种尖端科技上的应用及其控制方法,以及在现代工厂中得到广泛应用的块状物料抓取式装箱机和注塑机械手中的机械手的原理和控制方案。
关键词:
块状物料,抓取控制,机械手
Abstract
Thisarticleisbasedonmodernscienceandtechnologyandindustrydevelopmenttrendanddemand,graspingthekeytoinvestigatemanipulatortoblockmaterialcontrolforresearch.Fordomesticandforeigndevelopmentpresentsituationandtrendofthemanipulatortomakeanalysisandresearch,andbrieflydiscussesthefuturedevelopmentdirectionofthemanipulator.Andthebasicstructureofthemanipulator,structurecomposition,drivemodeandcontrolstructure,controlsystemandtrajectorycontrolandsoonadetailedanalysisoftheresearch,throughtheanalysisandcomparison,itisconcludedthat,theworkenvironmentandtheneedsofdifferentsectorsmoreoptimizedmanipulatoroverallschemeisputforward.Thendetailedanalysisofmanipulatorindeep-seaunderwatermanipulator,surgicalrobotapplicationsofthesetwokindsofcutting-edgetechnologyanditscontrolmethod,andiswidelyusedinmodernfactoriesblockmaterialfetchingtypepackingmachineandinjectionmoldingprincipleandcontrolschemeofthemanipulatorofthemanipulator.
KeyWords:
Blockmaterial,grabcontrol,mechanicalhand
第一章前言
1.1课题背景及重要意义
从原始社会到现在,人们对于物块的抓取经历了用手直接抓取、手持工具抓取到如今的机器人或者机械手臂的抓取。
来到新世纪,人类对于海洋资源的探索开发利用和对太空的探索进入了全新的时代。
由于各种原因人类不能直接进入海洋或者太空进行长时间工作。
在工业生产方面,人类面对一些重复繁琐的工作,工作效率和热情都比较低。
面对这些问题,研究机器人和机械手代替人类在危险领域或者工厂车间去工作是一个行之有效的途径。
面对复杂的环境人类对机械手所具备的性能要求更高,抗干扰,耐热防水,专业性强,可控制性强、经济实用等。
所以通过对机械手整体系统的提高优化,提高其机构稳定性,系统优越性,从而降低工作的失误几率,工作效率也随之提高,大大降低生产的成本,推动社会发展。
1.2机械手国内外发展现状
目前,机械手不仅在传统的制造加工业业、矿产开采业、冶金业、石油化工业、化工、航海船舶等领域继续发挥着作用,同时也已经开始在核动力、航空航天、医学临床、生化科技等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中得到应用。
1.2.1国外现状
国外机械手起步发展较早,现在已经把机械手朝着智能化方向发展。
重点是研究具有视觉和触觉功能的机械手,它能根据条件的变化,作出相应的反馈。
机械手的各种性能在不断提高,而成本却在下调;国外的机械手现在大都具有模块化的集成系统并且在向可重构的方向发展;控制系统在往基于PC机的开放型控制器的方向发展[1~4]。
1.2.2国内现状
目前国内机械手的应用主要集中在南方地区,重点是珠三角,长三角地区等工业发达城市。
而在北方地区应用很少,发展相对落后。
在技术方面虽然经过国家的“七五”、“九五”攻关计划和863计划的扶持有很大的突破,但是相对于发达国家比较还是落后30年左右。
关键技术没有掌握,绝大多数靠进口。
主要用于产品搬运包装、焊接喷漆、数控机床和工程机械。
而在尖端的科研领域应用很少[1~3]。
1.3本文主要研究内容
本文主要以机械手为例,研究块状物料抓取和控制,重点是研究其在现代前沿科技领域中的应用。
从机械手的结构组成、材质选择、驱动方式、控制系统、运动轨迹等方面对机械手进行详细的分析,针对不同行业的工作环境所需求得不同的机械手进行研究。
第二章机械手介绍
机械手的特点是机电一体化,现在人们对它系统的整体性能和其简单的结构以及降低其生产成本提出了更高的要求,因此对机械手的结构构成、控制系统和软硬件的研究优化是尤为重要的。
2.1机械手诞生历程
机械手可以模仿手、臂的某些功能,可根据固定的程序抓取或搬运物体或操作工具。
现代最早的工业机器人就是机械手。
它可以代替人类,在有害或者危险的环境下生产工作,实现生产的机械化和自动化以保护人身安全,因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能、航空航天和水下作业等部门。
人类历史上最早出现机械手的应用是在20世纪40年代的二战期间,美国的橡树岭国家实验室用来搬运核原料的遥控机械操作手,它的操作系统是主从型。
而第一台机械手是在1958年在美国联合控制公司诞生的,但是它的控制系统是示教型。
而在四年之后,该公司又进行了创新,制造出一种更灵活的机械手,该机械手的手臂可以转动、伸屈,并且它是液压驱动。
这个创新升级对机械手的发展有着重大推动作用,为日后的球面坐标式机械手的发展打下重要基础。
同年,北美机械制造公司发明了点位和轨迹控制的机械手。
上述的两种机械手是国外机械手发展的基础,从此之后,随着工业生产发展的需求,喷漆和弧焊机器人应运而生得到应用。
到上世纪80年代,一种装载微型计算机的用于装载作业的工业机械手被开发出来。
在欧洲大陆制造业的龙头德国是在1970开始发展机械手的,主要用于起重搬运、弧焊、运输等行业。
而机械手发展最快的国家是日本。
从上世纪60年代末在美国引进机械手后,一直在研究创新发展,现在在世界上是机械手产业技术的集大成者。
我国的机械手开发起步于1972年,在上海研制成功第一台机械手。
这标志着我国在机械手领域迈出第一步。
在我国的机械手起步之初,中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所对我国的机械手发展做出了重大贡献。
2.2机械手构成
执行机构、驱动机构和控制系统这三部分构成了机械手的主要骨架。
机械手的手部是用来夹取工件的,因为被抓物料的形体、大小、体重、材质和操作方式不同,所以有很多结构,例如夹持式、托扶型和吸附式等。
驱动机构可以让手进行各种旋转、摆动或组合动作来达到规定的要求,并改变被抓取物体的位置。
机械手的自由度是指运动机构的独立运动,如升降、伸展和转动。
当机械手具有6个自由度的时候就可以到达空间中的任何位置和方向。
自由度是作为衡量机械手的最关键参数。
机械手想要更灵活,使用性越广泛,那么自由度就会更大,结构也就更加复杂。
专用的机械手一般具有2~3个自由度。
控制系统是通过控制每个自由度的电机来操控机械手去完成指定动作。
然后接受传感器的反馈信息做出调整下达指令形成闭环系统的控制。
单片机或DSP等微控制芯片是控制系统的核心。
机械手的构成如图1所示。
图1机械手的构成
2.2.1执行机构
机械手的执行机构包括手部、手臂和躯干。
1、手部
图2机械手手部
手部是在手臂的前面。
传动轴安装在是手臂里面,把动力传给手部,让手指爪实现开闭、转动和伸屈。
机械手的手部是根据人的手指而仿造的,有无关节、固定关节和自由关节3种。
手指的数量有二指、三指、四指等,其中二指机械手应用的最广。
一般因夹持对象的外形和尺寸不同而配备各种各样的手指夹头。
还有无手指的手部是指真空吸盘手或磁性吸盘手。
2、手臂
图3机械手手臂
手臂是用来准确的引领手指抓取物料,并搬运到指定的地方。
手臂的每个自由度都需要精确地操控,这样才能使机械手准确无误的工作。
3.躯干
图4机械手躯干
躯干是手臂、电机和各种执行机构连接在一起的支架。
2.2.2驱动机构
机械手基本上有4种驱动机构:
液压驱动、气动驱动、电驱动和机械驱动。
其中,液压传动和气动驱动最常用。
1、液压驱动式
液压驱动机械手的系统基本上由液压执行机构(油缸、油马达)、伺服阀、油泵、油箱等组成。
他驱动机械手执行机构操作。
其抓取物料的能力是很强大的。
他的优点是结构稳定、运作平稳、抗冲击性好、耐振动、防爆好,所以对其元件的制造精密度和标准性要求非常高,否则汽油的泄漏会造成严重后果。
2、气动驱动式
它的驱动系统包括气缸、气阀、空气箱和空气压缩机。
它的特点是送风方便、移动快、结构简单、成本低、维修简易等。
与之对应缺点是速度难以控制,压力不能高,所以抓举物料的能力比较低[4]。
3、电动驱动式
电动驱动是机械手最常用的驱动形式之一。
电动驱动的特点是供电方便、响应速度快、驱动力大、信号收集、传输、整合方便,控制方案选择具有多样性。
驱动电机的种类分为步进电机和直流伺服电机,这是主要的驱动方法。
有的机械手,引入了无减速机构的大扭矩、低速电机直接转矩驱动(DD),这样使结构得到了精简,控制精度得到了很大的提高。
4、机械传动式
机械传动式的驱动方式只是用于运动轨迹固定的地方。
通常采用凸轮连杆机构代工机械手的工作。
本实用型的特点是动作可靠,效率高,投入少,但是一般不易调整。
其他方面是混合动力,即液体气体混合驱动或着电气液体混合驱动。
2.2.3控制系统
1.主从型控制系统
要实现主机与从机之间的通信,通常是用地址识别进行信息交换。
信息交换即可以分为并行通信和串行通信,也可以分为单工、双工、全双工和多工通信。
用单片机控制的机械手,它构成的系统一般是选取主从型控制结构。
主从型顾名思义就是构成多级系统中多个单片机,其中有一个是作为主机来控制剩下的单片机,也就是从机。
在这种主从式的控制系统中,信息的交换是采用并行通信。
信息交换的方法如图5所示[5]。
图5信息交换框图
2.示教型控制系统
示教型控制的核心是“示范”和“再现”。
操作人员在机械手操作之前先示范如何工作,通过及其芯片存储程序,或者是由示教盒发出具体的动作指令,按照顺序完成指定动作,完成任务。
这种控制结构只要根据预先指定的路径按照顺序依次的执行就可以完成工作,而不需要复杂的程序设计规划。
这种控制方式对于操控人员或者示教人员的要求是很高的,要求他们必须了解掌握机械手臂的特性[9]。
3.随动型控制系统
随动控制是依靠操作人员的意识来完成机械手的控制的。
在这种模式工作的机械手是依靠工作人员控制操纵杆以及进行按键的。
在这种控制系统中控制核心是操作人员,他们通过操纵杆或者按钮把信息传给液压驱动系统,驱动机械手进行工作。
它的优点是不需要程序输入和计算机处理,出现食物的几率很低,滞后程度也变小,同步性大大提高。
对于突发事件能够及时解决。
缺点是操纵杆和液压驱动的原件很容易磨损,在水下工作对机械手的抗压性能有很大考验。
4.编程控制系统
机械手工作程序都是按照计算机编程好的程序、输入好的目的任务的工作模式就是程控制。
单片机和PLC控制系统就是属于编程控制。
这种控制方式优点是机械手在工作中自动化程度高,无需人工操作自动按照预定程序完成操作。
缺点是编程算法难度大[10]。
2.3本章小结
本章对机械手的发展初期做了详细介绍。
重点对于机械手从结构、驱动和系统分类进行研究分析。
第三章机械手的控制
机械手在各行各业中得到广泛的应用,而对机械手的控制在不断的创新发展。
从最开始的传统继电器控制机械手发展到现在基于单片机和PLC控制的机械手,控制的原理和效率都在发生变化。
3.1基于传统继电器的机械手控制
用多个继电器组合作为一种限位开关,加上电路可实现对机械手的控制。
但是这种控制系统的缺点显而易见,由于传统继电器的接触点很容易出现故障,容易出现短路或者断路,并且接线太复杂抗干扰能力差,控制系统很不稳定。
很难达到现今社会对机械手实现模块化和智能化的要求,而且性价比不高。
这种控制系统应尽被逐渐放弃了。
3.2基于单片机的机械手控制
3.2.1单片机简介
单片机是一种微型化的计算机系统,但是它却比完整的计算机缺少了一种I/O的接口设备。
单片机是一个高度集成的计算机芯片,它的别名又称作为单片微控制器,这是一种具有超大规模的集成电路。
主要包括了定时器、计数器、RAM/ROM、中断系统、I/O多种接口、中央处理器、转化器、脉宽调制显示电路、驱动电等,把这些电路器件统统整合到硅片上就构成了一个小型的计算机系统。
单片机由原来最初的四位和八位单片机一直更新到现在均具有三百兆的高速单片机。
概括的讲:
一块单片机就是一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为人类的学习、开发和应用提供了便利条件。
3.2.2单片机的机械手控制
单片机控制的系统优点是智能性比较强,性价比高。
缺点是抗干扰性能低,对于系统的开发设定有难度,并且出现故障后维修的难度较大。
但是在我国现今社会,中小型企业蓬勃发展,对于由单片机作为控制系统的机械手绝对是物美价廉,优势巨大。
首先此机械手控制系统的驱动方式采用气动驱动。
其控制系统分为手动、自动和示教三种工作方式。
打开手动操作方式,按下相应的手动操作按钮,机械手可以实现相应的动作。
当打到自动按钮的工作方式,机械手就可进行自动操作。
当打开示教按钮时候进行手动操作,控制系统对手部的操作进行记录,然后自动的按照示教过程工作。
开模机械手抓取物料时工作过程是:
收到信号机械手下降再前进到达预定位置后对物料进行抓取,当控制系统收到物料抓取完毕的信号后机械手后退然后上升。
到达预定位置后放下物料恢复到初始状态[2]。
如图6所示。
图6机械手工作流程图机械手
3.3基于PLC的机械手控制
3.3.1PLC简介
PLC的全名是可编程序控制器,它是一种电子装置被开发用来进行数字运算的,它包括CPU、存储器、输入输出设备、电源、I/O接口、外部输出设备和编程器。
一般在现代工业里得到应用。
PLC的存储器是可以进行程序编制的,逻辑、顺序、算术等一系列运算还有计数等指令都可以在其存储器里存储和执行。
它是以数字量和模拟量的形式作为输入或者输出来达到控制机械手进行生产运输的目的。
现在PLC以及它的相关设备都应该和工业的系统形成一个契合的整体系统。
现在,PLC在重工业如矿产开采、油气开发、化学工业、电力运输、汽车制造、建筑交通和轻工业里的轻工纺织绿色环保文娱产业等都发挥了巨大的作用。
因为PLC的开发,传统的继电器电路被取而代之。
无论是逻辑和顺序控制还是单台设备和多机群控制的能实现[3]。
3.3.2基于PLC的机械手控制
可编程控制器PLC是以信息流为工作基础的,不需要物流或者电流,它的特点是处理方便,传递迅速储存便利,而且信息流可以重复运用。
它的工作主要分为三个阶段输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。
所以它的控制系统运行稳定可靠,使用方便,编程相较于单片机非常简单,而且抗干扰性能特别强,模块化强大,功能性丰富强大。
和这么多优势与之对应的就是PLC一般成本较高,对于一些企业负担是非常大的[3]。
3.4机械手控制方式
机械手控制的要点有轨迹顺序、预定位置、周期时间、运动速度、加减速等。
根据要求的不同控制系统可以选择数字顺序控制的方案。
它的过程可以概括为编程——存储——发出指令——控制机械手。
可以把程序进行分离存储也可进行集中存储。
连续轨迹控制系统就需要集中存储,因为这种方式需要次序、位置、时间、速率等必要条件同步控制,要求比较高,所以需要存储在一种装置内像磁带和磁鼓中。
另一种方式分离存储就是说可以存储在两种或两种以上的存储器内,比如顺序信息可以存在插销板里,速度信息就可以存在继电器里。
一个程序只是更换一个插销板的限制,可以反复使用;穿孔保持程序的长度不受限制,但如果更换所有卡片信息发生错误;能力有限,但易于更换、保存、再利用;磁蕊和鼓只适合存储量大能力的场合。
对于复杂的机械手,控制系统采用数字控制系统、小型计算机或微处理器控制系统。
3.5本章小结
本章介绍了机械手控制系统的控制种类和结构,并且进行了比较,分析出不同的控制系统适合用于何种的工作环境,分析出优缺点。
第四章不同控制方案在社会生产中的典型应用
在社会生产中,因生产环境或者生产需要等各方面条件的不同,机械手的控制方案也会不同。
本章分别列举机械手在深海开发、医学领域、军事工业、航空航天以及工厂生产中不同生产环境中而采用各自适合的控制系统方案。
通过对机械手在这些尖端科研领域应用的分析,探索其发展方向和趋势。
4.1深海水下作业机械手的控制
来到21世纪,人类对于海洋资源的开发探索,世界各国对海洋权益的竞争日益激烈。
面对这些因素,人类对于海洋大规模的开发是顺应时代发展的要求刻不容缓的。
但是海洋的开发是要克服很多科技难题的。
在水里每下潜十米大气压就会升高一个。
因此在深海工作的机械手收到的压力会特别大。
另外海洋潮流以及海洋生物等不确定的因素变化对机械手的控制系统提出更高的要求[8]。
水下机械手从上个世纪60年代投入开发运用,其控制方式结构从一开始的只注重控制功能而不太在意水下的工作效率的主从型控制模式发展到不注重机械手工作时候的稳定性的按钮控制的点动开环控制系统结构。
这些控制系统都不能满足当前人类对其稳定性的要求。
目前世界范围内,机械手都是采用先进的具有六自由度加手抓的7功能结构。
目前六自由度的机械手可以达到360度无障碍的转动[4]。
4.1.1以单片机为核心的控制系统水下机械手
因为在深海作业,海水压强大以及腐蚀性高,对电路板以及某些重要原件有很大破坏,应对这种难题采取对控制电路进行注油密封的保护措施。
用信号分配板链接各控制电路的功能板。
并且对机械手的关节采用闭环控制。
现在深海机械手都采用左右双手臂增加其工作的稳定性。
右手臂一般是6自由度的7功能性机械手,左手臂是3自由度的机械手用来稳定整个机器。
对机械手的控制主要是基于单片机的无线传感技术。
操控人员在计算机输入指令,进行数据处理,运用无线传感技术传输到机械手进行命令分析操作,并将操作信息反馈给PC机,以完成水下抓取探索任务。
深海水下机械手的控制协同是多处理器结构的单片机系统也就是多机系统。
单片机占空比小质量小又可以进行打孔注油与危机相结合就能形成很强的功能性控制器。
这样的控制系统使得计算机的任务非常繁重,并且它会产生很多的子程序。
机械手若要按照预先的设定完成指定的抓取任务,必须依靠闭环控制系统。
这种运动控制误差相对于开环系统来说比较小,重复操作大大减少,作业难度较小。
要实现闭环控制首先要把角度量幻变为直线量。
再者就是硬件的支持需要装配位移、角度传感器。
水下无线传感通信有无线电技术通信、激光技术通信和水声通信[12]。
4.1.2深海水下机械手控制特点
深海水下机械手的控制采用基于单片机的无线传感电液控制系统,这种控制方式的特点是:
1.机械手的控制系统是注油型抗压的水下电缆传感电控系统
2.这种电控系统呈现出模块化的发现趋势。
3.传感器和电路都具有抗压稳定性。
4.机械手运用角度转化的闭环控制系统。
4.2“达芬奇”手术机器人
腹腔镜技术的出现在人类在微创手术技术发展上具有里程碑式的意义。
但是随着手术要求的提高,手术盲区和器械的转动困难这两大难题阻碍了外科微创手术的发展。
在这种情况下达芬奇手术机器人应运而生。
它是基于微创手术技术,即腹腔镜技术,借助于机械手实现高难度的外科手术。
这是机械手在医学尖端领域的重要运用。
它的手术精确度已经远超人类的双手,并且手术创伤点可达到最理想化的程度。
它主要由医生控制台、临床机械手、三维立体成像系统构成[11]。
如图7所示。
图7达芬奇手术机械手
4.2.1结构功能简介
1.医生控制台
主治医师在控制中心通过双手和双脚操纵主控制器来控制机械臂和三维立体内窥镜的视角转换。
医生还可以用声控的方式对腹腔镜进行控制。
达到机械手控制的手术器械准确手术的目的。
2.临床机械手系统
床旁机械手系统是手术的操作和执行者。
它的主要作用是支撑机械手上的手术器具和摄像探头的正常工作。
它通常装配有3只手术机械手和一只托镜机械臂。
手术机械手都是7自由度,可以360度无死角的工作。
手术台旁配有一名辅助手术医生,做一些应急处理和器械的更换。
3.成像系统
手术的成像系统包括监视器、双CCD摄像系统、强光源和DAVincix系统,它们构成了图像核心处理设备。
手术的内窥镜为三维立体镜头,为医生的手术提供超清的镜头。
4.2.2床旁机械手系统控制原理详解
达芬奇手术机械手运用了典型的主从型控制系统:
医生借助三维立体的图像,通过对控制台手柄和脚踏板的操作,通过计算机系统的翻译,将医生手部动作程序传输到机械手控制的手术器械末端进行手术。
主操作杆是串联的结构,工作空间大,操纵性非常灵活。
脚踏板的功能主要是通过切换控制线路来达到控制工作原件的开关。
摄像机踏板被踩下的时候主操作手与内窥镜相连接,可以进行病人体内事业的调整改变。
抬起摄像机踏板主操纵杆和手术机械手相连接进行手术。
离合器脚踏板主要控制主操纵杆对机械手的最佳位置的调整。
手术机械臂是依靠光缆和手术主控制台通信连接的。
街胁逼分为持镜手和持械手。
持镜手是机械臂的核心。
每个机械臂都是具有七自由度。
它们可以完成上下左右、旋转闭开、前后伸缩关节弯曲等各种所需。
每个干结的转动角度都大于九十度,水平方向的旋转角度可最大达到270度。
竖直方向的旋转角度可达到360度。
达芬奇手术机器人通过主从型控制方式实现了总控制台对手术机械手的控制,带到精确的手术目的。
但是目前这个整套技术基本都被申请请专利大700余项。
最主要的机械臂的设计和主从控制系统方案都已被垄断。
我国目前在这方面的应用基本全是进口,任重而道远。
未来的发展趋势会着重大战具有力反馈的手术系统,并且向微型化的手术机器人发展。
4.3物料抓取装箱机械手
现在随着工业的发展,物料抓取式装箱机械手的应用是非常广泛的。
目前在我国物料抓取式装箱机可以分为啤酒饮品行业抓取式装箱机、坐标式机械手装箱机、空间连杆并联机械手装箱机和集成通用关节型机械手装箱机四种。
第一种机械手装箱机是专门用于瓶装饮料产品的装箱,它的控制方式是通用电机和连杆式的结构,运动轨迹是固定不变的,但是抓取速度较慢。
第二种坐标式装箱机驱动方式是伺服电机驱动的的。
有两到三个直线运动结构组成。
它的灵活性较强,但是做不了曲线运动,但是性价比比较高,对于大多数企业是最佳的选择。
第三种机械手在国外应用较广,用于物料分拣、物料搬运以及物料装箱。
这种高速运行的并联多关节机械手结构较为复杂,制造工艺要求很高,性价比低,
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