曲轴搬运机械手设计【关节型坐标系、全液压驱动、4自由度】
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A Low Cost Experimental Telerobotic SystemsA. ZaatriMechanical Department LaboratoryUniversity Mentouri of Constantine, Algeriahttp:/www.infopoverty.net/new/Confs/IWC_05/docs/Zaatri.docAbstractThis paper presents the development of a low cost experimental telerobotic system built up with local means in an emerging country (Algeria). From a remote site, a webcam sends images of a robot manipulator through Internet to the control site where a human operator remotely monitors this robot in order to achieve pick-and-place tasks. Some control modes have been implemented and tested such as mouse-click, image-based and gesture-based modes. Very encouraging pedagogical results have been obtained in this attractive and complex field of modern technology.1. Introduction In developing countries, very hard constraints and difficulties are imposed to students and researchers leading usually to inadequate pedagogic results, especially when attempting to learn and experiment complex modern systems. These constraints may stem from the lack of economical budgets, from a bureaucratic discouraging environment, from a mismach between university and industry, etc. One interesting and challenging field to investigate and to experiment by students in emerging countries concerns the design of modern technology applications such as the development of low cost experimental telerobotic systems. Indeed, this helps to understand and master how to combine both engineering and information technologies in order to built complex systems.In this context, some pedagogic telerobotic systems are available through Internet such as the mobile robot Xavier 1, and the web robot ABB of Australia 2. However, as far as we know, none are available in developing countries. Therefore, to introduce this challenging technology, a didactic program has been launched based on the following steps: -build up robot arm manipulators. -build up a pantilt unit (ptu) for controlling a webcam orientation. -implement robot control software-implement the communication software via internet connecting the robot site and the operator site. -implement and test remotely some control modes.2.The Experimental Telerobotic SystemThe telerobotic system is composed, at the remote site, of a robot arm manipulator and of a ptu to control the orientation of a webcam. Both the robotic arm manipulator and the ptu have been designed and built in our laboratory. The arm manipulator is a serial robot of three degrees of freedom of type RRR. It holds a gripper. The ptu enables horizontal and vertical orientations. The articulations are motorised with very economical DC motors. Figure 1 shows the ptu holding the webcam as well as the robot arm manipulator. Again, the electronic command unit for robot control are implemented in our laboratory with very cheap components.Figure 1 . The telerobotic remote systemSince there is no hardware for signal acquisition that is available at this stage, the electronic command unit uses simply the parallel ports of the PC to select and activate the DC motors in an on-off way.On the local site stands the human operator who remotely directs the tasks via a Graphical User Interface (GUI). This GUI is designed according to user-centred design. It provides facilities to remotely control both the robot arm manipulator and the pan-tilt unit for selecting views. Mouse click based control, image based control, and gesture based control have been implemented and tested. Figure 2 shows the operator at the local site and the video stream that enables to carry out tasks.Figure 2 . The telerobotic local siteTwo PCs are used, one at the local site and the second at the remote site. The interconnection between these sites is based on the TCP/IP sockets. The software is mainly written in Java while some low level functions are written with C. For economical reasons, we have actually only implemented the direct geometrical model and the inverse geometrical model. Of course, the system is not accurate since these models do not take into account the gravity effect and there is no feedback. Nevertheless, these simple models enable to achieve some pick-and-place tasks.3. Control ModesTo remotely achieve tasks, we have implemented the following three control modes.3.1. Mouse click commandsThe mouse click control mode enables the control of the robot as well as the ptu by using simple mouse clicks on some appropriate buttons of a panel. Each button represents a specific function or a specific direction of motion. The frames showed in Figure 3 shows the control panels of the arm manipulator and of the ptu.Figure 3 . Control Panels (robot and ptu)To achieve tasks with this mode, the operator directs the robot by a series of clicks on the appropriate buttons. 3.2. Image Based CommandsImage-based control mode enables high level control. Within this mode, the operator directs the robot towards locations in 2D or 3D space by only pointing on their images by means of a mouse clicks 3. This mode has also been used to control Marskhod robot 4. 3.3 Gesture commandsThe operator stands in front of the webcam and moves an object in a certain direction. An algorithm using the KLT tracker 5 determines the direction of the motion that serves to orient the robot in the corresponding direction.4. ExperimentsVarious experiments have been carried out involving the described control modes.4.1 Mouse-click control experimentsWithin this control mode, the operator can carry out pick-and-place tasks such as pick a box from above a table and place it at another location. In practice, the operator manages the task by clicking on selected buttons of the graphical panel in order to direct the robot towards the object of interest. Once the end-effector is positioned near that box, the operator activates the gripper for picking this object. Then, the operator moves the robot towards the position where the box has to be left. Once this position is reached, the operator deactivates the gripper in order to release the box. Figure 4 illustrates our experimental robot performing a pick-and-place task. Figure 4 . The robot performing a taskMany experiments have been carried out with different students. It turns out that this mode is intuitive and very easy to learn.On the other hand, difficulties arise from the fact that the operator has to direct tasks by controlling each degree of freedom independently. One main advantage is that the operator compensates the incertainties and the robot unaccuracy.4.2 Image-based control experimentsMany experiments have been carried out using the image-based control. Practically, this control mode is used to send the robot to some location. First, an image of the remote site is grabbed. Then, the operator selects an object of interest. The streovision software extracts the coordinates of this object which are used to move the robot towards the object in the real world. In practice, unaccuracy have negatively influenced our results because of the model simplicity, the lack of feedback, the calibration of cheap webcams. As a consequence, the implementation of image_based in 2D space have provided better results with comparison of that of 3D space.4.3 Gesture-based control ExperimentsExperiments have been carried out within this control mode. The operator generates a series of movements in different directions. The software analyses the image stream and moves the robot in the corresponding directions. This control mode offers the advantage of being without contact of the operator with the computer. Another advantage is the possibility of using this technique for robot programming by human demonstration. Nevertheless, some difficulties which are related to image processing and environment issues limit the capability of this control mode. 5. ConclusionA low cost pedagogic experimental telerobotic system built up in our laboratory has effectively been used to carry out simple pick-and-place experiments. We have implemented and tested three control modes namely mouse-click-based control, image-based control and gesture-based control.Experiments has shown that the main issue remains the poor accuracy of the telerobotic system. This issue can be overcomed by adding some equipment such as accurate motors and cameras, by implementing dynamical robot models and by using feedback control.One important added value is to combine these modes in order to build a multimodal interface. References1 R. Simmons et al, “Xavier: an autonomous mobile robot on the web”, Robotic Automation Magasine, 2000, pp.733-739.2 B. Dalton, “Techniques for web telerobotics”, department of mechanical and material engineering . University of Western Australia, 2001. 3 A. Zaatri and M. Oussalah, “Integration and design of multimodal interfaces for supervisory control systems”, Information fusion journal, 2003, 4(2), pp. 135-1504 D. Wettergreen, H. Thomas and M. Bualat, “Initial results from vision-based control of the Ames Marsokhod rover”, IEEE International Conference on intelligent robots and systems, Grenoble, sep 1997.5 B.D. Lucas and T. Kanade, “An Iterative Image Registration Technique with an Application to Stereo Vision”, International Joint Conference on Artificial Intelligence, 1981, pages 674-679.一种低成本实验遥控机器人系统A. Zaatri阿尔及利亚君士坦丁门图大学机械系实验室摘要本文介绍了由新兴国家(阿尔及利亚)采用当地方法建立的一种低成本实验遥控机器人系统的发展。从长远看,人工操作者将使用摄像头,借助互联网把图片传送给机械手,通过远程控制实现这个机械手选择或放置的任务。一些控制模式已经被应用或试验,如鼠标点击模式,基于图像的模式和基于形体的模式。在这个充满吸引力且十分复杂的现代技术领域已经取得了非常令人鼓舞的成果。1 导言在发展中国家,由于受到非常多的困难和制约因素,学生和前沿研究人员通常只能得到不完整的教学实验成果,尤其是在尝试学习和试验复杂的现代系统时。这些制约因素可能源于经济预算的不足,或者政府官员的不支持政策,以及大学与工业领域的脱轨,等等。在新兴国家,学生就设计现代技术的申请做了一个有趣并具有挑战性的实地调查和实验,如低成本实验遥控机器人系统。事实上,这有助于理解和掌握如何结合工程与信息技术来建立复杂的系统。在这种情况下,通过互联网可以利用到一些教学用的遥控机器人系统,如移动机器人Xavier1,以及澳大利亚ABB公司的网络机器人2。但是,据我们所知,在发展中国家这些机器人没有一个可利用。因此,为介绍这项具有挑战性的技术作了教学计划,基本步骤如下所示:建立机器人手臂。建立一个机动机构(ptu)来控制摄像头的方向。使用机器人控制软件。使用通信软件,通过互联网连通机器人站点和人工操作者站点。应用和试验一些远程控制模式。2 实验遥控机器人系统这个遥控机器人系统完成后,在远程站点,由一个机器人手臂或一个机动机构来控制摄像头的方向。这个机器人手臂或这个机动机构均已在我们实验室设计并建造出来。这个机器人手臂是一个三自由度型的串行系统机器人。它拥有一个爪子。这个机动机构能使摄像头在水平方向和垂直方向运动。关节由一个特殊的经济型直流电机驱动。图1显示了机动机构控制摄像头以及机械臂操纵摄像头的情况。另外,在我们实验室,使用了非常便宜的组件来实现电子指令系统对机器人的控制。 图1:远程遥控机器人系统在现阶段由于没有可用的硬件来采集信号,电子指令系统只能使用电脑的并行端口来选择和激活直流电机的开和关状态。在本地站点,人工操作者通过图形用户界面(GUI)远程指挥任务。这个用户界面的设计是以用户为中心设计的。它提供远程控制机械臂操纵和机动机构选择观察点的设施。另外,基于鼠标点击的控制,基于图像的控制,基于形体的控制也已经得到应用和试验。图2显示了人工操作者在本地站点操作控制,右图视频上显示机械臂在执行任务。图2:遥控机器人本地站点使用两台电脑,一台在本地站点和另一台在远程站点。这些站点之间的互连是基于TCP / IP插口。该软件主要是用Java编写的,其中一些低层次的功能是用C语言编写的。由于经济方面的原因,我们事实上只使用了直接几何模型和逆几何模型。当然,这个系统是不准确的,因为这些模型没有考虑重力的影响,也没有任何反馈。不过,这些简单的模型能够实现机器人完成一些选择或放置的任务。3 控制模式为了实现远程执行任务,我们使用了以下三种控制模式。3.1鼠标点击命令鼠标点击控制模式使机器人的控制可以通过鼠标简单地点击一些合适的按钮来控制机器人或机动机构。每个按钮代表了一个特定的功能或特定的运动方向。如图3所示的表框显示了机器人手臂和机动机构的控制面板。图3:控制面板(机器人手臂和机动机构)在这种模式下执行任务,操作者只要按特定顺序点击相应的按钮来控制机器人。3.2基于图像的命令基于图像的控制模式能够实现高层次的控制。在这一模式下,操作者只要在他们的图像上通过鼠标点击的方式点击机器人所在二维或三维空间的位置来控制它。这种模式曾被用来控制机器人Marskhod4。3.3形体命令操作者站在摄像头前然后按照某个确定的方向移动一个物体。使用KLT跟踪算法5来决定运动方向,实现在相应方向上机器人的确定运动。4 实验我们已经进行了各种相关实验来描述这个控制模式。4.1鼠标点击控制的实验在这个控制模式下,操作者可以实现机器人选择和放置的任务,如拿起桌子上的一个表箱或者把它搬放到到另一位置。在实践中,操作者通过点击图形面板上的选择按钮来控制机器人去自己所想的任何地方。只要最终地点是箱子附近的位置,操作者就能驱动夹钳来拿起这个箱子。然后,操作者操纵机器人移动到箱子需要放置的位置。只要到达了指定地点,操作者操纵机器人松开夹钳,放下这个箱子。图4显示了我们的实验机器人演示选择或放置的任务。图4:该机器人正在演示任务很多不同的学生进行过许多实验。实验证明,这种模式非常直观,非常容易学习。另外,困难是来自实际操作方面,即操作者必须单独控制每个自由度来使机器人执行任务。其中一个主要优点是:操作者弥补了系统的不确定性和机器人的低精度。4.2基于图像控制的实验基于图像控制我们已经进行了许多实验。实际上,这种控制模式是用来传送一些位置给机器人。首先,获取一个远程站点的图片。然后,操作者选择任意一个自己感兴趣的物体。通过图像软件提取这个物体的坐标,用来操纵机器人使它移动到那个物体在现实当中的位置上。在实际操作当中,因为该模式太简单,而且缺乏反馈,并且摄像头的校准元件很廉价,它们的低精度对我们的实验结果产生了负面影响。事实上,在二维空间应用基于图像的控制模式比在三维空间应用此模式得出了更好的结果。4.3基于形体控制的实验我们已经进行了在这个控制模式下的很多实验。操作者做了一系列不同方向上的运动。该软件分析这些图片信息流使机器人在相应的方向上移动。这种控制模式下的好处是操作者不需要依赖电脑。使用这个机器人技术项目的另一个优点是人类可以通过肢体示范来控制机器人。不过,相关的图像处理问题以及环境问题等一些方面的困难限制了这种控制模式的可行性。5 结论我们实验室建立的这个低成本教学用实验遥控机器人系统能在实验中有效地完成简单的选择或放置动作。我们已经应用并测试了这三种控制模式,即基于鼠标点击的控制模式,基于图像的控制模式和基于形体的控制模式。实验表明,仍然存在的主要问题是遥控机器人系统的精度差。这个问题可以通过增加高精度电机和精密摄像机,使用动态机器人模型以及运用反馈控制来克服。一个重要的附加价值是将这些控制模式结合起来建立一个多式联运接口。参考文献1 R. Simmons et al,“Xavier:网络自动机器人”,机器人自动化杂志,2000,P733-P739.2 A. Zaatri and M. Oussalah,“网络遥控机器人技术”,机械与材料工程系,西澳大利亚大学,2001.3 A. Zaatri and M. Oussalah,“监控系统多式联运接口的整合与设计”,信息融合杂志,2003, 4(2), P135-P150.4 D. Wettergreen, H. Thomas and M. Bualat,“Ames Marsokhod火星车基于视觉控制的初步结果”,智能机器人系统的IEEE国际会议,Grenoble,1997.10.5 B.D. Lucas and T. Kanade,“迭代图像配准技术在立体视觉中的应用”,人工智能国际联合会议,1981,P674-P679.毕业设计(论文)任务书学院信息与工程专业机械设计制造及其自动化班级学号姓名毕业设计(论文)题目曲轴搬运机械手毕业设计(论文)进行起止日期2009年12月21日至2010年5月9日毕业设计(论文)的内容及技术参数本次设计是要设计出一个程控型机器手代替人工工作,实现两条生产线之间工件的搬运上料。该机械手能完成如下的动作循环:手臂前伸手指夹紧抓料手臂缩回机身回转180度手腕回转90度手臂前伸手臂下降手指松开手臂上升手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。 毕业设计(论文)的要求1、根据公布的毕业论文选题计划,结合自己具体情况在指导教师的指导下进行选题,在题目确定后必须尽早与指导教师一起,做好毕业论文的准备工作。2、在毕业论文任务书下达后两周内,必须写出对毕业论文所选题目的意义和研究现状、研究目标和内容、研究方法和步骤、文献资料查阅情况等文献综述,填写湖州师范学院毕业论文开题报告交指导教师审阅。3、必须认真独立完成毕业论文阶段规定的全部工作任务,充分发挥主动性、创造性和刻苦钻研精神,严禁弄虚作假,不得抄袭他人的毕业论文或已有成果。4、要勇于创新,敢于实践,注意各种能力的锻炼和培养(如外语能力等)。参阅外文文献资料译成中文不得少于2000汉字。5、要尊敬指导教师,虚心接受指导,遵守纪律,爱护公物。如因不听指导造成的伤害或其他后果,均由学生本人负责。6、撰写毕业论文时,做到条理清晰,逻辑性强,符合科技写作规范,并严格按照学校所规定的本科生毕业论文要求进行撰写、打印和装订。毕业论文字数达到专业规定要求。7、在答辩前一周,应将毕业论文交指导教师审核签字后,送交评阅教师评阅。8、需提交完整的毕业论文两份,一份交指导教师保存,一份交学院保存。毕业设计(论文)查阅的资料1孙桓,陈作模,葛文杰机械原理北京:高等教育出版社,20062濮良贵,纪名刚机械设计北京:高等教育出版社,20063徐福玲,陈尧明液压与气压传动北京:机械工业出版社,20074刘鸿文材料力学北京:高等教育出版社,20045张世昌,李旦,高航机械制造技术基础北京:高等教育出版社,20076毛平淮互换性与测试技术北京:机械工业出版社,20067杜志俊工业机器人的应用与发展趋势北京:机械工业出版社,20028朱世强,王宣银机器人技术及其应用杭州:浙江大学出版社,20069原魁工业机器人发展现状与趋势中国科学院自动化研究所,2007毕业设计(论文)进度安排序号毕业设计(论文)各阶段进度名称日期备 注1完成选题,下达毕业设计任务书2009.12.21 2查阅、收集、资料,了解曲轴搬运机械手及其发展的现状2009.12.222010.12.283完成文献翻译、文献综述、开题报告2009.12.292010.1.212010.1.22上交文献综述、开题报告,开题报告答辩4基本设计出曲轴搬运机械手的主要功能的总体框架,对整个系统的实现过程有初步、系统地认识,总体思路基本明确2010.3.42010.3.315完成系统设计,撰写毕业设计论文,完成图纸绘制2010.4.12010.4.272010.4.1中期检查6上交所有毕业设计材料2010.5.4 指导教师和评阅老师审查7毕业设计论文答辩2010.5.98上交所有毕业论文材料、光盘资料2010.5.13 指导教师(签名) 学 生(签名) 开始执行任务日期 2009年12月21日湖州师范学院本科毕业设计(论文)指导教师审阅表论文题目曲轴搬运机械手学生姓名班级学号指导教师姓名职称设计(论文)得分指导教师审阅意见:该学生根据在实际生产中,汽车曲轴的生产常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排,组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时,搬运工作由人工完成,不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题,严重影响了生产质量、生产效率和单位的经济效益。若使用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度,减少自动线上的工人数目,同时也提高了生产效率。该机械手是四自由度的回转型坐标系机械手,其工作空间范围大,动作灵活,通用性强。设计中采用液压机构驱动机械手具有结具有结构简单,尺寸紧凑,重量轻,控制方便,驱动力大等特点。设计中拟用的PLC电气控制与液压系统结合,技术成熟,易于实现,且保证了工件搬运过程中的快、准、稳,达到了预期设计目标。 指导教师(签字): 年 月 日毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名班级学号专 业机械设计制造及其自动化指 导 教 师开题时间2009.12.21设计(论文)题目曲轴搬运机械手选题意义、研究现状及存在问题工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展,特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备,它综合应用了机械,电子,自动控制,传感技术,人工智能,仿生学等等学科的基础知识,以实现机械化与自动化的有机结合。它模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置,可以通过PLC程控来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。这一技术在工业、农业、军事、医疗卫生、生活服务等众多领域有着越来越多的应用, 尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。在生产实践中,常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排,组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时,搬运工作由人工完成,不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题,严重影响了生产质量、生产效率和单位的经济效益。当生产效率很高时,为了减少工人数量,改善工人的劳动条件,提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线,并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度,减少自动线上的工人数目,同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。研究目标和内容研究目标:设计一台程控型机械手代替人工工作,实现两条生产线之间工件的搬运,降低工人劳动强度,减少生产线上工人的数目,提高生产效率。研究内容:根据给定的工况条件和基本要求,从机械原理和机械结构对搬运机械手进行具体的分析和设计。对机械手的传动、驱动等主要部件进行选型和校核,并结合原理图等对整个系统的工作方法和原理进行描述。该机械手能完成如下的动作循环:手臂前伸手指夹紧抓料手臂缩回机身回转180度手腕回转90度手臂前伸手臂下降手指松开手臂上升手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。主要技术参数有:抓重16kg;速度运动小于0.1m/s;定位精度1mm 研究方法、步骤和措施第一阶段:准备阶段:了解工业机器人的现状和发展,查阅课题相关的国内外文献,拟订设计思路。第二阶段:设计阶段:确定总体设计方案,根据课题给定的工况条件和基本要求进行设计计算,确定主要参数,对所得数据结果进行分析、处理,对机械手系统的传动、驱动等主要部件进行选型和校核。第三阶段:制图阶段:整理各类资料和数据,利用制图,分别做出系统的总装图及各部件的装配图和零件图。 第四阶段:总结阶段:撰写设计说明书,检查图纸,准备答辩。研究的总体安排与进度2009.12.21 完成选题,下达毕业设计任务书2009.12.222009.12.28 查阅、收集、资料,了解现有关曲轴搬运机械手的情况2009.12.292010.1.21 完成文献翻译、文献综述、开题报告,开题报告答辩2010.1.232010.3.3 完成结构设计2010.3.42010.3.31 完成总装配图,并进行中期答辩2010.4.12010.4.27 完成所有图纸,说明书2010.5.4 上交所有材料,指导教师和评阅老师审查2010.5.9 毕业答辩2010513 上交所有毕业论文材料、光盘资料主要参考文献1孙桓,陈作模,葛文杰机械原理北京:高等教育出版社,20062濮良贵,纪名刚机械设计北京:高等教育出版社,20063徐福玲,陈尧明液压与气压传动北京:机械工业出版社,20074刘鸿文材料力学北京:高等教育出版社,20045张世昌,李旦,高航机械制造技术基础北京:高等教育出版社,20076毛平淮互换性与测试技术北京:机械工业出版社,20067杜志俊工业机器人的应用与发展趋势北京:机械工业出版社,20028朱世强,王宣银机器人技术及其应用杭州:浙江大学出版社,20069原魁工业机器人发展现状与趋势中国科学院自动化研究所,200710萩原方彦(日)机械实用手册科学出版社,2007年第2版11周恩涛,周士昌液压驱动机械手的神经网络控制中国机械工程第12卷第4期,2001412张新聚,曹慧琴,杨雪程控通用机器人的设计液压与气动2007年第2期,200713陈爱珍日本工业机器人的发展历史及现状机械工程师2008年第7期,200814工业机器人发展现状浅谈自动化博览2007年4月刊,2007415赵臣,王刚我国工业机器人产业发展的现状调研报告机器人技术与应用,2009.316Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-1317D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation, Inc 2000.7指导教师审核意见 指导教师(签名) 年 月 日
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