工业机器人 机电结合式夹持末端执行器
工业机器人末端执行器
的结构与特点
机电结合夹持式末端执行器
项目三工业机器人末端执行
器的结构与特点
任务一
导入
●机电结合夹持式末端执行器的特点是什么？
●机电结合夹持式末端执行器由哪些部分组成？
目录
学习目标
知识准备
任务实施
主题讨论
12学习目标掌握典型机电结合夹持式末端执行器的工作原理
掌握典型机电结合夹持式末端执行器的结构
知识目标
典型机电结合夹持式末端执行器的结构及各组成部分的作用
一、机电结合夹持式末端执行器概述
1.机电一体化系统的组成
机电结合夹持末端执行器是一款机电一体化
装置，机电一体化系统通常由五大要素构成，
即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电
子计算机。
系统的各组成部分必须无缝地协同工作,以
执行其职能。对系统各组成部分的选择必须考
虑到工程和经济两方面。机电一体化产品在材
料处理设备、机床刀具中心、化学品和药品生
多轴XYZ控制平台示意图产线检查站、机器人、注塑机等各领域得到了
广泛应用。
一、机电结合夹持式末端执行器概述
2.运动控制系统的分类：
机电结合产品的运动控制系统可分为开环或闭
环运动控制系统。
如图所示一种闭环运动控制系统，系统中有一
个或多个反馈回路不断地比较系统的响应与输人
命令,设置电动机的负载速度、负载位置或电动机
转矩的修正偏差。反馈传感器提供的电子信号用
于校正相对于输入命令的偏离。闭环系统也叫做
伺服系统。
一、机电结合夹持式末端执行器概述
如图所示。为一个开环运动控制系统，此系统并
不需要反馈传感器,因为负载的位置和速度由从控制器
发送到电动机驱动器的数字脉冲预定数目和方向控制。
由于负载位置是通过反馈传感器不连续采样的(如在一
个闭环伺服系统中),负载的定位精度较低,位置误差(通
常被称为步骤错误)是随时间而累积的。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
1.驱动电机
1）电机的分类：
电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，是系统的动力源装置。随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。
电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
1.驱动电机
2）典型电机的简介
直流无刷电机是由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体
化产品。因其一系列强大的性能特点和独特优势，已逐步成为工业用电动
机的发展主流。
围绕降低生产成本和提高运行效率而展开的研究与尝试已取得显著的
效益，各大厂商也提供不同型号的电机以满足不同驱动系统的需求。现阶
直流无刷电机段在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数控机床等工业生产方面，
无刷直流电机都有涉猎。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
1.驱动电机
2）典型电机的简介
直流无刷电机可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异
步电机+减速机调速;具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、
滑环结构;可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;
体积小、重量轻、出力大;转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动
直流无刷电机转矩大，启动电流小;无级调速，调速范围广，过载能力强;软启软停、
制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
1.驱动电机
2）典型电机的简介
另外，直流无刷电机效率高，电机本身没有励磁损耗和碳
刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。
可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单;耐颠簸震
动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长;不产生火花，特别
直流无刷电机适合爆炸性场所，有防爆型;
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
2、传感器
1）传感器的定义及组成：传感器是按一定规律实现信号检测并将被测量(物理的、化学的和生物的信息)变换为另一种物理量(通常是电量)的器件或仪表。传感器一般由敏感元件、转换元件、基
本转换电路三部分组成,如图1所示。
2）传感器的分类：
传感器种类很多,可以按不同的方式进行分类,按传感器作用可分为检测机电一体化系统内部状态的内部信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变换的传感器。外部信息传感器包括视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、角度觉(平衡觉)传感器等。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
2、传感器
2）传感器的分类：
传感器按输出信号的性质可分为开关型
（二值型）、模拟型和数字型，如图所示。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
2、传感器
3）传感器的基本要求：
机电一体化系统对检测传感器的基本要求为:①体积小、重量轻、对整机的适应性好;②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高;③安全可靠、寿命长;④便于与计算机连接;⑤不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响,也不影响外部环境;⑥对环境条件适应能力强;⑦现场处理简单、操作性能好;⑧价格便宜。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成4）位置传感器简介
位置传感器是通过检测,确定是否到达某一个位置的
传感器,它可以用一个开关量来表示。
位置传感器可分为接触式和非接触式两种。
微动开关是一类接触式位置传感器,当规定的位移或
力作用到可动部分(执行器)时,开关的接点断开或接通而发
出相应的信号。如图所示为执行器形状不同的几种限位开关,为保证传感器的精度,执行机构可在4~7N力的作用下
产生动作,其中销键按钮式精度最高。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
3.机械结构
机电一体化产品中的机械结构是除了执行元件的所
有机械部分的总称，机械结构可以包括传动机构、导
向机构和限位机构等。
1）螺旋传动
螺旋传动可以将旋转运动转变为直线运动，包括丝杠（螺杆）与螺母组成普通螺旋传动如图1所示,和滚珠螺旋传动如图2所示。图1.丝杠（螺杆）与螺母组成螺旋传动图2.滚珠丝杠机构
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
3.机械结构
1）螺旋传动
1.1)普通螺旋传动
普通螺旋传动中螺杆与螺母之间为滑动摩擦，按使用要求不同可
以分为三类：
传力螺旋：以传递动力为主,要求用较小的力矩转动螺杆(或螺母)
而使螺母(或螺杆)生轴向运动和较大的轴向力。
丝杠（螺杆）与螺母组成螺旋传动传导螺旋：以传递运动为主,并要求具有很高的运动精度。
调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，
调整螺旋不经常转动。
二、机电结合夹持式末端执行器的组成
3.机械结构
1）螺旋传动
1.2)滚珠螺旋传动
由于普通螺旋传动中螺杆与螺母之间为滑动摩擦，在磨损和精
度等方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求。滚珠丝杠螺
母副是一种为了克服普通螺旋传动的缺点而发展起来的新型螺旋传
动机构。它用滚动摩擦螺旋代替滑动摩擦螺旋,具有磨损小、传动效
滚珠丝杠螺母副率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低和便于消除传动间隙等
优点。
工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人控制系统组成及典型结构 一、工业机器人控制系统所要达到的功能机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 二、工业机器人控制系统的组成 1、控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32 位、64 位等如奔腾系列CPU 以及其他类型CPU 。 2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的 CPU 以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。 5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 10 、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 11 、网络接口 1) Ethernet 接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC 通信，数据传输速率高达 10Mbit/s ，可直接在PC 上用windows 库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP 通信协议，通过Ethernet 接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。
果蔬采摘机器人末端执行器的结构组成现状分析
采摘机机器末端执行器研究现状分析 末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：①果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执行器划伤或刺伤果蔬外表；②末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表； ③末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。 作为采摘机器人的执行装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：①检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；②以适当力度夹持果实或果梗并剪切果柄，完成采摘动作。在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。为了安全与高效的完成采摘动作，末端执行器还可能加入吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。 1.获取方式 获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。
1.1.直接切断式 这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如下图所示。 1甜椒采摘末端执行器 2茄子采摘末端执行器
辅助人工采摘机械发展综述
辅助人工采摘机械发展综述 1651876陈哲 【摘要】我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国。但我国水果采摘作业机械化程度低，因此水果采摘作业对辅助人工采摘机械有广泛的需求。为了使该领域的研究人员对当前各种辅助人工采摘机械有较全面的了解，因此对各种辅助人工采摘机械进行了系统论述，即先对辅助人工采摘机械的必要性和设计目的进行论述，然后对一些具体的解决方案进行综述，并对发展趋势进行预测。 【关键词】水果机械辅助采收人工成本发展现状发展趋势 1引言 中国是世界上最大的水果出产国，居全球13个产量超1000万吨的国家之首。截止2015年末，全国水果（含瓜果）总面积1536.71万公顷，较“十二五”期初增加143.38万公顷，增长10.3%，年均增长1.6%。其中，园林水果种植面积1281.67万公顷，比“十二五”期初增加127.28万公顷，增长11.03%，年均增长1.62%。水果采收作为果园生产全过程中的一个重要环节．具有季节性强和劳动密集型的特点．所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35％～45％[1]。并且人工采摘劳动强度大，而采用辅助人工采摘机械采收能减轻人们的劳动强度、节省成本、提高效率，并提供更多利润。加之未来人口老龄化趋势，人工成本必会上升，因此辅助人工采摘必将具有巨大的经济效益和广泛的应用前景。 2设计要求 目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强。若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大．而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失[2]。针对这种现状辅助人工采摘应该是能提高劳动生产率，并且还应能长时间续航，对果实果树损伤小，环境友好，除此外，它还应易于操作，并使使用者感到舒适，同时安全性也应该有保证。当这些要求不能够被同时满足是，应首先满足提高劳动生产率和不损伤果实果树这两点，其次应满足使使用者感到舒适和保证安全性的条件。 3现有解决方案
细解工业机器人的关键零部件
细解工业机器人的关键零部件 当前，工业机器人产业市场呈现爆炸式增长势头，而工业机器人产业的发展必将为其核心零配件应用提供众多机会。工业机器人除了本体以外，主要有三大核心零配件，控制器、伺服系统、减速器，它们占到工业机器人成本的70%左右。而随着人工智能浪潮的越演越烈，机器视觉系统也成了工业机器人不可或缺的一部分。 工业机器人的大脑：控制器 控制器是机器人的大脑，发布和传递动作指令。包括硬件和软件两部分：硬件就是工业控制板卡，软件部分主要是控制算法、二次开发等。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配，国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。 现有的工业机器人控制器封闭构造，带来开放性差、软件独立性差、容错性差、扩展性差、缺乏网络功能等缺点，已不能适应智能化和柔性化要求。开发标准化、开放化控制器是工业机器人控制器的一个发展方向，存在巨大发展空间。到2020年我国工业机器人控制器市场规模有望达到12亿元左右，未来五年复合增速约为27%。 工业机器人的眼睛：机器视觉系统 工业自动化的真正实现，需要高度智能化的工业机器人去替代人类的一部分工作，而显然，如果想让机器人去很好的替代人类工作的话，首先要做的就是让它们得能“看”到才行，这就要依赖机器视觉系统来完成。 机器视觉系统可以通过机器视觉产品即图像摄取装置，将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，然后图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。到2021年，机器视觉全球市场价值预计将达285亿美元，
水果采摘装置设计
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。 水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%采摘作业质量的好 坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%高枝水果的采摘还带 有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的收获机械。采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。 从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机
工业机器人控制的功能
工业机器人控制的功能、组成和分类 1. 对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ·记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。·示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ·与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 ·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ·传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ·位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 ·故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 2．机器人控制系统的组成（图1） （1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。（11）网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
】欠驱动苹果采摘末端执行器设计
摘要 本文设计了一种苹果采摘机器人的末端执行器。该执行器的夹持机构为一个三欠驱动仿生机械手。使用钢丝作为传动腱可以将驱动部分和执行部分分离，将驱动部分置于远端，减轻了机械臂末端的重量，同时增加了驱动电机选择的灵活性。 首先，对机械手的运动学进行了分析。其次，对机械手抓取稳定性的基本理论问题进行了分析和讨论，建立了抓取模型，为设计机械手的稳定抓取提供了理论依据。最后，对机械手的机械部分和控制部分进行了设计。 该末端执行器采摘方案合理有效、总体性能可满足机器人采摘苹果的要求。 关键词：苹果采摘机器人；末端执行器；机械设计
ABSTRACT This article is designed to end an apple picking robot. The actuator clamping mechanism is a three-under-drive bionic robot. As the use of steel tendons can drive the drive part and the operative part of the separation, the driving portion is placed in the distal end of the arm to reduce the weight, while increasing the flexibility of selection of the drive motor. First, the robot kinematics is analyzed. Secondly, the stability of the robot to crawl the basic theory problems are analyzed and discussed the establishment of a crawl model, designed to stabilize the crawling robot provides a theoretical basis. Finally, the part and the control part of the mechanical robot was designed. The program end picker reasonably effective to meet the overall performance requirements of apple picking robot. 关键词：Apple picking robot; end effector; mechanical design
气电混合式机器人力控末端执行器研究
第12期2016年12月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool &Automatic Manufacturing Technique No.12Dec.2016文章编号:1001-2265(2016)12-0103-04一一一一DOI:10.13462/https://www.360docs.net/doc/049829715.html,ki.mmtamt.2016.12.028 收稿日期:2016-01-11;修回日期:2016-02-17一?基金项目:宁波市重大攻关项目(2013B10045);宁波市 3315计划 高端创新团队项目作者简介:赵亚平(1991 ),女,山东聊城人,上海大学硕士研究生,研究方向为机器人力控末端执行器设计,(E -mail)zhaoyapingyes@https://www.360docs.net/doc/049829715.html,; 通讯作者:杨桂林(1965 ),男,浙江宁波人,中国科学院宁波材料技术与工程研究所高级研究员,博导,博士,研究方向为先进机器人技术,(E -mail)glyang@https://www.360docs.net/doc/049829715.html,三气电混合式机器人力控末端执行器研究? 赵亚平1,2,杨桂林2,杨一巍2,陈庆盈2,张一杰2(1.上海大学机电工程与自动化学院,上海一200072;2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室,浙江宁波一315201) 摘要::针对现有机器人末端力控装置存在的力控制精度低二响应速度慢的缺点,设计了一种气电混合式的机器人力控末端执行器三气电混合式机器人力控末端执行器主要由气囊式气缸和音圈电机组成,并按照并联方式连接三气囊式气缸两端分别与音圈电机的定子和动子连接,并置于音圈电机内部三该结构不仅利用了气囊式气缸承载能力大二缓和冲击能力强的特点,同时也利用了音圈电机的快速响应特性进行快速力补偿三为了进一步提高系统的响应速度和力控精度,提出了用PI 控制器调节音圈电机的电流三最后,采用了Matlab /Simulink 对提出的控制方案进行仿真实验,结果表明,所设计的气电混合式机器人力控末端执行器力控制精度高二力控稳定性好二响应速度快三 关键词:气电混合;力控制;末端执行器;仿真分析 中图分类号:TH166;TG659一一一文献标识码:A Research on a Pneumoelectric Robotic End -effector with Force Control ZHAO Ya-ping 1,2,YANG Gui-lin 2,YANG Wei 2,CHEN Qing-ying 2,ZHANG Jie 2(1.School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China;2.Zhejiang Key Laboratory of Robotic and Intelligent Manufacturing Equipment Technology,Ningbo Institute of Material Technology and Engineering,Chinese Academy of Science,Ningbo Zhejiang 315201,China)Abstract :To overcome the drawbacks of the existing force-controlled robotic end-effectors ,such as low dy-namic response and low force control accuracy ,a novel pneumoelectric-driven force-controlled robotic end-effector has been presented in this paper.The new end-effector mainly consists of a Gasbag-based Pneumatic Cylinder (GPC )and a Voice Coil Motor (VCM )which are connected in parallel.Furthermore ,the mount-ing base and the output flange of the GPC are fixed with the stator and the moving coil of the VCM ,respec-tively.In order to have a compact design ,the GPC is placed into the hollow structure of the VCM.The in-novative combination of a GPC and a VCM can sustain high load ,reduce shock and vibration ,improve dy-namic response ,and achieve high force control accuracy for contact type operations.Based on the system dynamics ,a PI controller is proposed for force control.To validate the proposed control scheme ,computer simulations using Matlab /Simulink have been conducted.Simulation results indicate that the pneumoelectric robotic end-effector can control the contact force precisely ,steadily and quickly.Key words :pneumoelectric driven ;force control ;end-effector ;simulation 0一引言在自动化精密制造过程中,对工件表面进行抛光打磨等接触性处理是最基础的一道工序[1]三为了提高表面加工质量,在对工件进行打磨二抛光等处理时,需控制刀具或磨具与被加工工件之间的接触力三目前用于研抛光整等加工的机械臂主要采用两种方式来实现加工过程中的力控制三一种是通过控制机器人操作臂的驱动关节的力矩来控制机械臂末端的输出力[2],这种力控制方式比较复杂,需针对具体的机器人结构建立准确的机器人动力学模型,并开发实时二鲁 棒的力控制算法[3],且机械臂运动过程中的惯性易导致力控制不精确,从而使导致抛光打磨等加工的精度 远远达不到工艺要求三 另一种力控制方式是在机械臂末端安装末端力控 装置[3],这种力控制方式原理简单且实现成本低,不依赖于机械臂,具有很好的通用性,且易实现较高的控制 精度和良好的动态响应,因此被广泛采用三美国德州PushCorp 公司设计的AFD 系列柔顺力控制机构[4](如图1a 所示)二奥地利FerRobotics 设计的柔顺力控装 置二ATI 工业自动化公司设计的ACT390柔顺力控制机万方数据
水果无损采摘机械手工作空间分析及参数确定
水果无损采摘机械手工作空间分析及参数确定 刘燕德?王观田?王均刚?舒盛荣 (华东交通大学机电与车辆工程学院?南昌一３３００１３) 摘一要:水果采摘机器人在我国起步晚二发展缓慢?没有系统的方法用以设计采摘机械手?特别是机械手参数确定方法不成熟?造成工作空间浪费二影响机械性能等问题?为此?提出了一种蒙特卡洛法结合控制变量确定摆动关节范围的设计方法?利用Ｄ－Ｈ参数法对机械手臂进行正运动学分析?在ＭａｔＬａｂ平台下用蒙特卡洛法计算机械手的工作空间?并结合控制变量法?求出不同参数下的工作空间范围?根据相对较合理的工作空间范围?确定机械手臂的合理参数?以水果无损采摘机械手为例?根据具体设计要求?确定了手臂长度?利用蒙特卡洛法确定了摆动关节的转角范围?并验证参数的正确性?结果表明:该方法可以迅速有效地确定摆角范围?解决了以往摆动关节转角范围靠设计经验确定而存在的空间浪费的问题? 关键词:水果无损采摘机械手?工作空间?摆动关节?Ｄ－Ｈ参数法 中图分类号:Ｓ２２５?ＴＰ２４２一一一一一一一文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０４－００１２－０６ ０一引言 水果采摘机器人是一类以水果为工作对象二通过机器视觉和编程具有感知能力的农业机器人?采摘机器人能够提高采摘效率和采摘质量?保证果蔬及时采摘?大幅度降低果农的劳动强度和生产成本[１－２]?２０世纪８０年代开始?美国二日本二法国二荷兰等发达国 家开始在收获机器人上做了大量的研究[３－７]?我国目前仍处于起步阶段?但随着技术的不断发展及我国许多科研院校的研究深入?也取得了一定的研究成果?同类型的采摘机器人也在不断地更新及本土化?目前?机械手设计过程参数的确定没有理论依据?有时靠经验取得?势必造成设计不合理?影响机械性能?国内许多学者在机械手设计方面做了大量研究?但关于机械手参数的确定文章较少?更没有对参数确定的方法进行说明?工作空间的分析有图解法二数值法和解析法?图解法和解析法只适合于自由度及杆件数目较少的机械臂的工作空间分析?而数值法需要大量的计算?计算公式复杂多变?本文采用由数值法简化后结合随机数计算的方法(即蒙特卡洛法)?具有计算量少及准确性高等优点[８]? 本文利用Ｄ－Ｈ法对机械手臂进行正运动学分 收稿日期:２０１７－１１－２８ 基金项目:国家自然科学基金项目(５１７６５０２０)?江西省自然科学基金项目(２０１６１ＢＡＢ２０６１５３) 作者简介:刘燕德(１９６７－)?女?江西吉安人?教授?博士生导师?(Ｅ－ｍａｉｌ)ｓｄｕｈｙｓ＠１６３.ｃｏｍ? 析?在ＭａｔＬａｂ平台下用蒙特卡洛法计算机械手的工作空间?结合控制变量法?确定不同参数下的工作空间范围?根据相对较合理的工作空间范围?反推机械手臂的合理参数? １一基于工作空间反馈确定水果采摘机械手关节参数的方法 水果采摘机械手的机构设计与采摘对象和工作环境密切相关?需根据要求确定机械手机构类型?自由度是衡量机械手柔软程度的尺度?表示机械手所拥有的独立运动的数量?机械手自由度数越多?灵活度越高?但同时机构也会变得越复杂?控制难度越大?质量越大?自由度的确定根据具体采摘环境和要求等多方面综合考虑? １.１一机械手杆件参数确定方法 机械手的基本参数包括各手臂的长度及关节的转角范围?这些参数都关系到机械手工作空间的大小与形状? 手臂的长度即为连杆的长度?根据机器人学原理可知:机械手各连杆长度之和需要大于等于采摘范围的最大值?连杆总长度保持不变?工作空间大小也不变?所以?在确定机械手实际采摘范围后?就可确定机械手连杆总长?在各个连杆长度满足机械要求的情况下?遵循机器人学原理?机械臂类似人类手臂?大臂的长度与小臂和末端执行器的长度之和相等[９－１０]?１.２一机械手正运动学分析 正运动学分析是计算机械手作业空间的前提?正 ２１ ２０１９年４月一一一一一一一一一一一一一农机化研究一一一一一一一一一一一一一一一一第４期
详细解析工业机器人控制系统
详细解析工业机器人控制系统 什么是机器人控制系统 如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢还是不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制器，用硬件坨和软件组成一个的控制系统。 机器人控制系统的功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机就像我们人的活动需要依赖自身的感官一样，机器人的运动控制离不开传感器。机器人需要用传感器来检测各种状态。机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化。 所以机器人的神经与大脑组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。 机器人的运动控制系统包含哪些方面？ 执行机构----伺服电机或步进电机； 驱动机构----伺服或者步进驱动器； 控制机构----运动控制器，做路径和电机联动的算法运算控制； 控制方式----有固定执行动作方式的，那就编好固定参数的程序给运动控制器；如果有加视觉系统或者其他传感器的，根据传感器信号，就编好不固定参数的程序给运动控制器。 机器人控制系统的基本功能 1.控制机械臂末端执行器的运动位置（即控制末端执行器经过的点和移动路径）； 2.控制机械臂的运动姿态（即控制相邻两个活动构件的相对位置）； 3.控制运动速度（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）； 4.控制运动加速度（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）；
工业机器人控制系统的基本原理
工业机器人控制系统的 基本原理 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
工业机器人控制系统 20世纪80年代以后，由于微型计算机的发展，特别是电力半导体器件的出现，使整个机器人的控制系统发生了很大的变化，使机器人控制器日趋完善。具有非常好的人机界面，有功能完善的编程语言和系统保护，状态监控及诊断功能。同时机器人的操作更加简单，但是控制精度及作业能力却有很大的提高。目前机器人已具有很强的通信能力，因此能连接到各种网络（CAN—BUS、PROFIBUS或ETHERNET）。形成了机器人的生产线。特别是汽车的焊接生产线、油漆生产线、装配生产线很多都是靠机器人工作的。特别是控制系统已从模拟式的控制进入了全数字式的控制。 90年代以后，计算机的性能进一步提高，集成电路（IC）的集成度进一步的提高，使机器人的控制系统的价格逐渐降低，而运算的能力却大大提高，这样，过去许多用硬件才能实现的功能也逐渐地使用软件来完成。而且机器人控制系统的可靠性也由最早几百小时提高到现在的6万小时，几乎不需要维护。 一、控制系统基本原理及分类 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时，需要做下述几件事： 示教：通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业命令，这个命令实质上是人发出的。 计算：这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的，它通过获得的示教信息要形成一个控制策略，然后再根据这个
策略（也称之为作业轨迹的规划）细化成各轴的伺服运动的控制的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理，采集并处理各种信息。因此，这一部分是非常重要的核心部分。 伺服驱动：就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电动机，实现机器人的高 速、高精度运动，去完成指定的作业。 反馈：机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反馈，把这些信息反馈给控制计算机，使控制计算机实时监控整个系统的运行情况，及时做出各种决策。 图1 机器人控制基本原理图 控制系统可以有四种不同分类方法：控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类。 （1）、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。 A、程序控制系统：绝大多数商品机器人是属于这种控制系统，主 要用于搬运、装配、点焊等点位控制，以及弧焊、喷涂机器人的轮廓控制。
果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制
第50卷第19期2014年10月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.50 No.19 Oct. 2014 DOI：10.3901/JME.2014.19.001 果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制* 金波林龙贤 (浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州 310007) 摘要：为了实现果蔬的无损采摘，采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构，基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠，抓取物体时具有形状自适应能力，手指可完全包络物体，可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪，通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化，确定设计尺寸制出机械手爪，设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能，并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。 关键字：果蔬采摘；机械手爪；欠驱动；抓取试验；最大接触力控制 中图分类号：TP 241 Design and Force Control of an Underactuated Robotic Hand for Fruit and Vegetable Picking JIN Bo LIN Longxian (The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310007) Abstract：To achieve non-destructive fruit and vegetable picking, an end-actuator with a simpler and more versatile structure is designed based on underactuated principle. The underactuated mechanism refers to machine that has fewer drivers compared with the number of degrees of freedom. The robotic hand designed by adopting the underactuated principle is simpler and more reliable. Due to simple structure and better adaptability to shape of objects, the robotic hand can fold the object completely with its fingers. Non-destructive harvesting is achieved by using a closed-loop force-feedback control algorithm which controls the maximum contact forces. Based on this design idea, a three-finger gripper which is driven by only one motor is designed. Through theoretical analysis, mechanism design and modeling, and structural optimization, the final model size is determined and physical production is completed. A control circuit combined with force-feedback control is designed for grasping experiments. The experimental results show that the robotic hand can achieve the desired grasping function, maximum contact force control and has such features as simple and reliable control, stable grasping and non-damaging. Key words：fruit and vegetable picking；robotic hand；underactuated；grasping experiments；maximum contact force control 0 前言 21世纪农业机械化已经向智能化方向发展。果蔬采摘是果蔬生产链中最耗时费力的环节，采摘自动化能提高劳动生产率，确保适时采收果蔬。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，具有极大的发展潜力。 * 国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51221004)。20131027收到初稿，20140701收到修改稿 末端执行器是采摘机器人实现果蔬采摘的关键执行部分，由于其作业对象具有柔韧、不规则和复杂多变等特征，因此对于末端执行器具有更高的智能化和特殊性的要求[1]。日本早在20世纪90年代已经对水果采摘的末端执行器开始研究，KONDO等[2]基于番茄的物理特性设计了一种带有软衬垫吸引器的双手指末端执行器；MONTA等[3]为了适应新的番茄生产体系，开发了一种末端执行件。HAYASHI 等[4]设计了一种复杂的草莓采摘末端执行器并进行了田间试验；RYU等[5]设计了一种
工业机器人控制系统的基本原理
工业机器人控制系统 20世纪80年代以后，由于微型计算机的发展，特别是电力半导体器件的出现，使整个机器人的控制系统发生了很大的变化，使机器人控制器日趋完善。具有非常好的人机界面，有功能完善的编程语言和系统保护，状态监控及诊断功能。同时机器人的操作更加简单，但是控制精度及作业能力却有很大的提高。目前机器人已具有很强的通信能力，因此能连接到各种网络（CAN—BUS、PROFIBUS或ETHERNET）。形成了机器人的生产线。特别是汽车的焊接生产线、油漆生产线、装配生产线很多都是靠机器人工作的。特别是控制系统已从模拟式的控制进入了全数字式的控制。 90年代以后，计算机的性能进一步提高，集成电路（IC）的集成度进一步的提高，使机器人的控制系统的价格逐渐降低，而运算的能力却大大提高，这样，过去许多用硬件才能实现的功能也逐渐地使用软件来完成。而且机器人控制系统的可靠性也由最早几百小时提高到现在的6万小时，几乎不需要维护。 一、控制系统基本原理及分类 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时，需要做下述几件事：示教：通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业命令，这个命令实质上是人发出的。 计算：这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的，它通过获得的示教信息要形成一个控制策略，然后再根据这个策
略（也称之为作业轨迹的规划）细化成各轴的伺服运动的控制 的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理，采 集并处理各种信息。因此，这一部分是非常重要的核心部分。伺服驱动：就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电动机，实现机器人的高速、 高精度运动，去完成指定的作业。 反馈：机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反馈，把这些信息反馈给控制计算机， 使控制计算机实时监控整个系统的运行情况，及时做出各种决 策。 图1 机器人控制基本原理图 控制系统可以有四种不同分类方法：控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类。 （1）、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。 A、程序控制系统：绝大多数商品机器人是属于这种控制系统，主 要用于搬运、装配、点焊等点位控制，以及弧焊、喷涂机器人的轮廓控制。
水果采摘装置设计
水果采摘装置设计
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%。高枝水果的采摘还带有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需
黄瓜抓持特性与末端采摘执行器
第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.7 2010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 107 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究 钱少明，杨庆华，王志恒，鲍官军，张立彬※ （浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014） 摘 要：为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器，首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。 针对黄瓜抓持模型进行了力学分析，建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后，研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器，由抓持器和切割器组成，抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成，切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单，输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%，黄瓜果柄割断成功率为100%，采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好，具有较好的实际应用前景。 关键词：农业机械，机器人，研究，黄瓜，抓持特性，采摘执行器 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.019 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0107-06 钱少明，杨庆华，王志恒，等. 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：107－112. Qian Shaoming, Yang Qinghua, Wang Zhiheng, et al. Research on holding characteristics of cucumber and end-effector of cucumber picking[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 107－112. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。 采摘机器人通常由移动机构、机械手臂、末端执行器和视觉传感器等组成。末端执行机构是机器人的核心部分之一，它是直接接触目标作物的设备，其作业对象即果实组织柔软、易损伤，且果实形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大，由此决定了采摘机器人的末端执行器应具有较好的柔顺性和自适应性。因此，末端执行器的研究开发对果品采摘效果起着至关重要的作用[1-4]。 日本的N. Kondo等人研制了番茄收获机器人，其末端执行器把果实吸住后，利用机械手的腕关节把果实在花梗处拧下[5]。1996年，荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜收获机器人，其末端执行器由手爪和切割器构成，切割器为能产生高温（1 000℃）的特殊电 收稿日期：2009-12-15 修订日期：2010-03-16 基金项目：国家“863”高技术研究发展计划（2009AA04Z209）；浙江省自然科学杰出青年团队项目（R1090674） 作者简介：钱少明（1973－），男，浙江嵊州人，博士生，主要从事农业采摘机器人研究。杭州浙江工业大学机械工程学院，310032。 Email：qiantide@https://www.360docs.net/doc/049829715.html, ※通信作者：张立彬（1955－）男，浙江景宁人，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机器人及智能控制、工厂化农业装备。杭州浙江工业大学，310032。Email：robot@https://www.360docs.net/doc/049829715.html, 极，可防止植物的感染[6]。日本国立蔬菜茶叶研究所和歧阜大学联合研制了茄子采摘机器人，其末端执行器设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、1个气动剪子和光电传感器[7]。日本国立农业研究中心的Murakami等人研制的甘蓝采摘机器人，其末端执行器由4个手指组成[8]。英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器[9]。从以上实例可以看出，现有的末端执行器通常由两部分组成，即抓持器和切割器。切割器通常采用剪刀剪断果茎或圆盘形带齿锯片切断果茎，对某些果茎与果枝较容易分离的果实而言，可利用机械臂直接拧断果柄；抓持器通常由带有真空吸引器和数量为2～4个不等的手指构成。 为了解决农业采摘末端执行器应具备机械结构简单、重量轻、又能有效抓持果实这一较为困难的问题，在已有气动柔性驱动器的基础上[10-14]，本文介绍了一种可用于黄瓜采摘的末端执行器，它由机械抓持器和切割器2部分组成。 1 黄瓜抓持特性 1.1 试验条件 为了在无损果实表皮的情况下末端执行器能够抓持到果实的理想部位并对果实施加适当的抓持力，有必要对黄瓜的相关物理特性进行测定，具体包括：抗压特性、果柄切断阻力和黄瓜无刺表面与硅胶表面之间的摩擦系数。 试验黄瓜品种为津绿4号，质量：100～250 g，瓜体直径范围：30～40 mm。 果实中部和下半段内部种子较多且较大，抗压能力较低；果实上半段内部几乎没有种子，抗压性较好。另外，黄瓜上半段的外部刺瘤特征不明显，抓持时可减少对黄瓜表皮的损伤。为此抓持部位定在黄瓜果柄和果实边缘距离30～45 mm处。