專利名稱：多功能雙臂教育機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種教育機器人，特別是一種多功能雙臂教育機器人，屬于機電控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)機電系統(tǒng)的綜合實驗平臺主要偏重于教學(xué)演示，系統(tǒng)封閉，學(xué)生難以進(jìn)行動手實踐，同時表演功能單一，僅僅反映機電系統(tǒng)教學(xué)的某一方面的內(nèi)容。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，英國Feedback儀器集團(tuán)公司生產(chǎn)的MONTOR-桌面教育機器人，該教學(xué)機器人本體主要由基座、大臂、小臂和手爪構(gòu)成，其中，基座與大臂通過關(guān)節(jié)(一)及關(guān)節(jié)(二)相連，大臂可以實現(xiàn)方位和俯仰運動，小臂通過關(guān)節(jié)(三)可以相對于大臂作上下運動，手爪通過關(guān)節(jié)(四)及關(guān)節(jié)(五)與小臂連接，可以相對小臂作旋轉(zhuǎn)和左右擺動，同時手爪可以通過氣動裝置開閉。該機器人采用閉環(huán)伺服控制，控制器完成機器人的點位和連續(xù)軌跡控制，學(xué)生通過示教盒進(jìn)行編程控制，該機器人的主要教學(xué)功能如下(1)示教再現(xiàn)和離線編程技術(shù)；(2)機器人操作作業(yè)演示，如抓取、路徑等演示。該機器人的主要缺陷是(1)教學(xué)功能單一，只能完成機器人課程的部分功能演示；(2)控制系統(tǒng)封閉，學(xué)生動手實踐內(nèi)容單調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種多功能雙臂教育機器人，使其可以針對機電系統(tǒng)設(shè)計中的機構(gòu)、控制等多方面的內(nèi)容設(shè)計實驗，有較強的實踐教學(xué)功能，是一種高水平的教學(xué)實驗平臺。本發(fā)明主要包括左臂、右臂、肩、攝像機、基座、繪圖筆裝配、倒立擺、控制器和計算機，其連接方式為左臂和右臂通過螺釘固定在肩的兩側(cè)，攝像機設(shè)置在肩的中間，肩設(shè)置在基座上，繪圖筆裝配設(shè)置在左臂前端下方，倒立擺固定在右臂的前端上方，控制器通過控制板與左臂和右臂的電機連接，另一端與計算機連接。
計算機作為人-機交互和編程設(shè)備把各種命令和規(guī)劃信息發(fā)給控制器，控制器經(jīng)運算后分別給左、右臂的大臂電機減速器組和小臂電機減速器組發(fā)送運動控制命令，從而分別帶動左、右臂的大臂和小臂運動，完成所需的規(guī)劃任務(wù)。
左右兩臂的機械結(jié)構(gòu)相同，主要包括大臂電機減速器組、大軸承軸、過度盤、大軸承、小軸承、大臂、過度軸、小臂電機減速器組、擺桿、肩，其連接方式大臂電機減速器組通過過度盤連接到肩，大臂電機減速器組的輸出軸通過鍵連接到大軸承軸，大軸承軸通過螺釘與大臂連接，小臂電機減速器組通過一過度盤連接到肩上，小臂電機減速器組的輸出軸通過鍵與平行四邊形的擺桿連接，帶動小臂運動，小軸承的外圈與大臂相連，內(nèi)圈與過度軸相連，過度軸通過螺釘與擺桿連成一體，過度軸保證了大臂電機減速器組與小臂電機減速器組在同一軸線上。不同的是右臂所用電機是交流伺服電機，左臂所用的電機是步進(jìn)電機，因此，左右兩臂工作過程和原理有所不同右臂的工作過程和原理右臂的交流伺服電機接受到控制器的運動信號后，其大臂電機減速器組帶動大臂運動，小臂電機減速器組通過平行四邊形機構(gòu)帶動小臂運動。在運動過程中，連在交流伺服電機上的位置傳感器隨時向控制器發(fā)送實際位置信號，控制器根據(jù)規(guī)劃的目標(biāo)位置信號與實際位置信號之差，修改發(fā)往交流伺服電機的運動信號，從而形成閉環(huán)控制，最終精確地達(dá)到目標(biāo)位置。
左臂工作過程和原理左臂的步進(jìn)電機接受到控制器發(fā)來的步進(jìn)信號(脈沖串)后，其大臂電機減速器組帶動大臂運動，小臂電機減速器組通過平行四邊形機構(gòu)帶動小臂運動，當(dāng)大、小臂步進(jìn)電機接受完規(guī)劃的脈沖數(shù)后，就停止運動，即表示已達(dá)到了指定的目標(biāo)位置，因此這是一種開環(huán)控制。
繪圖筆裝配主要包括筆架、活動桿、連桿、筆套、彈簧、筆、電磁鐵，筆架通過螺釘設(shè)置在手臂上，電磁鐵通過螺釘設(shè)置在筆架下面，活動桿與筆架、點磁鐵連接，連桿與筆相連，彈簧設(shè)置在筆套里。當(dāng)電磁鐵電源接通時，活動桿向上運動，通過連桿帶動筆向下運動，完成“落筆”過程，當(dāng)電磁鐵電源斷開時，安裝在筆套里的彈簧使筆抬起，完成“抬筆”任務(wù)。
本發(fā)明具有以下功能(1)兩臂分別用了步進(jìn)電機和交流伺服電機驅(qū)動，所以學(xué)生可以通過比較兩只手臂演示性能(如分辨率、精度、速度等)的不同，深動了解開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點，并通過本機器人設(shè)計實例，牢固掌握現(xiàn)代機電控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，為今后的研究和工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。
(2)大臂電機減速器組和小臂電機減速器組設(shè)計在同一軸線上。因此大臂電機減速器組和小臂電機減速器組都可以安裝在肩上，而不需象傳統(tǒng)設(shè)計那樣把小臂電機減速器組放在大臂，從而降低了大臂的負(fù)載。
(3)雙臂教學(xué)機器人可以進(jìn)行雙手繪圖和寫字表演，輸入通過AUTOCAD軟件，學(xué)生通過在AUTOCAD環(huán)境中進(jìn)行繪圖和寫字，并可進(jìn)行相應(yīng)的機器人程序編制。
(4)圖像識別和處理編程。通過攝像機采集圖像并進(jìn)行辨識，并進(jìn)行相應(yīng)的機器人程序編制，可以豐富學(xué)生的圖像處理和編程教學(xué)。
(5)倒立擺是進(jìn)行控制理論教學(xué)的平臺。在機器人右手末端設(shè)計了二維倒立擺，學(xué)生通過控制算法設(shè)計，可以對控制理論的基本概念加深理解。
(6)在雙臂機器人上可以進(jìn)行雙手協(xié)調(diào)教學(xué)。雙手協(xié)調(diào)涉及大量的機器人學(xué)、力學(xué)知識，作業(yè)也更為復(fù)雜，是較高層次的教學(xué)內(nèi)容。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，本發(fā)明可針對機電系統(tǒng)設(shè)計中的機構(gòu)、控制等多方面的內(nèi)容設(shè)計實驗，教學(xué)功能豐富，有較強的實踐教學(xué)功能，是一種高水平的教學(xué)實驗平臺。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明小臂驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明繪圖筆裝配結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明主要包括左臂1、右臂2、肩3、攝像機4、基座5、繪圖筆裝配6、倒立擺7、控制器8和計算機9，其連接方式為左臂1和右臂2通過螺釘固定在肩3的兩側(cè)，攝像機4設(shè)置在肩3的中間，肩3設(shè)置在基座5上，繪圖筆裝配6設(shè)置在左臂1前端下方，倒立擺7固定在右2臂的前端上方，控制器8通過并行端口一端與左臂1或右臂2連接，另一端與計算機9連接，左臂1所用的電機是步進(jìn)電機，右臂2所用電機是交流伺服電機。
左臂1、右臂2的機械結(jié)構(gòu)相同，主要包括大臂電機減速器組10、大軸承軸11、過度盤12、大軸承13、小軸承14、大臂15、過度軸16、小臂電機減速器組17、擺桿18、肩19，其連接方式大臂電機減速器組10通過過度盤12連接到肩19，大臂電機減速器組10的輸出軸通過鍵連接到大軸承軸11，大軸承軸11通過螺釘與大臂15連接，小臂電機減速器組17通過一過度盤連接到肩19上，小臂電機減速器組17的輸出軸通過鍵與平行四邊形的擺桿18連接，帶動小臂27運動，小軸承14的外圈與大臂15相連，內(nèi)圈與過度軸16相連，過度軸16通過螺釘與擺桿18連成一體，大臂電機減速器組10與小臂電機減速器組17在同一軸線上。
繪圖筆裝配6主要包括筆架20、活動桿21、連桿22、筆套23、彈簧24、筆25、電磁鐵26，筆架20通過螺釘設(shè)置在小臂27上，電磁鐵26通過螺釘設(shè)置在筆架20下面，活動桿21與筆架20、電磁鐵26連接，連桿22與筆25相連，彈簧24設(shè)置在筆套23里。
權(quán)利要求
1.一種多功能雙臂教育機器人，主要包括肩(3)、基座(5)、控制器(8)和計算機(9)，其特征在于還包括左臂(1)、右臂(2)、攝像機(4)、繪圖筆裝配(6)和倒立擺(7)，左臂(1)所用的電機是步進(jìn)電機，右臂(2)所用電機是交流伺服電機，其連接方式為左臂(1)和右臂(2)通過螺釘固定在肩(3)的兩側(cè)，攝像機(4)設(shè)置在肩(3)的中間，肩(3)設(shè)置在基座(5)上，繪圖筆裝配(6)設(shè)置在左臂(1)前端下方，倒立擺(7)固定在右臂(2)的前端上方，控制器(8)通過并行端口一端與左臂(1)或右臂(2)連接，另一端與計算機(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種多功能雙臂教育機器人，其特征是左臂(1)、右臂(2)的機械結(jié)構(gòu)相同，主要包括大臂電機減速器組(10)、大軸承軸(11)、過度盤(12)、大軸承(13)、小軸承(14)、大臂(15)、過度軸(16)、小臂電機減速器組(17)、擺桿(18)、肩(19)，其連接方式大臂電機減速器組(10)通過過度盤(12)連接到肩(19)，大臂電機減速器組(10)的輸出軸通過鍵連接到大軸承軸(11)，大軸承軸(11)通過螺釘與大臂(15)連接，小臂電機減速器組(17)通過一過度盤連接到肩(19)上，小臂電機減速器組(17)的輸出軸通過鍵與平行四邊形的擺桿(18)連接，帶動小臂(27)運動，小軸承(14)的外圈與大臂(15)相連，內(nèi)圈與過度軸(16)相連，過度軸(16)通過螺釘與擺桿(18)連成一體，大臂電機減速器組(10)與小臂電機減速器組(17)在同一軸線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種多功能雙臂教育機器人，其特征是繪圖筆裝配(6)主要包括筆架(20)、活動桿(21)、連桿(22)、筆套(23)、彈簧(24)、筆(25)、電磁鐵(26)，筆架(20)通過螺釘設(shè)置在小臂(27)上，電磁鐵(26)通過螺釘設(shè)置在筆架(20)下面，活動桿(21)與筆架(20)、電磁鐵(26)連接，連桿(22)與筆(25)相連，彈簧(24)設(shè)置在筆套(23)里。
全文摘要
多功能雙臂教育機器人屬于機電控制領(lǐng)域。本發(fā)明主要包括左臂、右臂、肩、攝像機、基座、繪圖筆裝配、倒立擺、控制器和計算機，左臂所用的電機是步進(jìn)電機，右臂所用電機是交流伺服電機，其連接方式為左臂和右臂通過螺釘固定在肩的兩側(cè)，攝像機設(shè)置在肩的中間，肩設(shè)置在基座上，繪圖筆裝配設(shè)置在左臂前端下方，倒立擺固定在右臂的前端上方，控制器通過控制板與左臂和右臂的電機連接，另一端與計算機連接。本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，本發(fā)明可針對機電系統(tǒng)設(shè)計中的機構(gòu)、控制等多方面的內(nèi)容設(shè)計實驗，教學(xué)功能豐富，有較強的實踐教學(xué)功能，是一種高水平的教學(xué)實驗平臺。
文檔編號B25J9/02GK1397410SQ0211248
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月11日
發(fā)明者楊汝清, 張偉軍, 翁新華, 趙維江, 頓向明 申請人:上海交通大學(xué)