多功能机器人范文（精选10篇）
多功能机器人 第1篇
国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要提出绿色发展,建设资源节约型、环境友好型社会等可持续发展的目标,并且伴随着知识经济时代的到来,高新技术已经成为世界各国争夺的焦点,清洁机器人技术作为高新技术的一个重要分支已普遍受到了各国政府的重视,清洁机器人可以在危险的环境下替代工人劳动,并且已在各个领域发挥不凡的作用。
现在工程中需要在高空完成一些作业,鉴于此,我们设计了一种多功能清洁机器人,替人去完成一些高空建筑物和高层玻璃的清洗等高难度、高危险的高空作业,并且也可以作为清洁工具进行使用。
2 整体设计方案
多功能清洁机器人的整体设计方案主要由扫地功能设计、垃圾收集装置、清洁装置、扫地运动机构、爬壁装置、外观设计、材料选择、环保设计、安全性设计、经济性设计等模块组成。
2.1 扫地功能设计
在多功能清洁机器人前端,设计两个转向相反的旋转扫帚,由直流减速电机驱动旋转,使两个扫帚旋转的方向相反,力求两个扫帚同时向内侧旋转,便于垃圾的收集。
2.2 垃圾收集装置
在两旋转扫帚稍微靠后的中间位置上放置垃圾收集装置,内部安置有吸尘飞机,在吸尘风机的带动下形成气压差,配合前端旋转扫帚将垃圾直接扫入垃圾收集装置中。
2.3 清洁装置
多功能清洁机器人底部安装清洁装置,该装置在垃圾收集装置处理完后自动打开开关,清洁喷头向防水地板、小区广告牌、高层建筑的外壁、高层玻璃等地方进行喷水清洗,之后再用清洁软毛刷进行清洁,达到清洁、干净的目的。
2.4 扫地运动机构
多功能清洁机器人的底板前端上设计有转向装置,后端上装有两个驱动轮,转向装置和两个驱动轮在单片机控制下由电机驱动模块独立驱动控制,以实现平稳的前进、后退以及转向等功能。
2.5 爬壁装置
多功能清洁机器人底部设计有爬壁装置,采用仿生原理机构设计,爬壁装置主要模仿壁虎爬壁的运动规律,爬壁装置上有四对强力吸盘,吸盘的运动规律主要是采用曲柄滑块机构,吸盘之间模仿壁虎爬壁的规律用皮带连接起来,四对强力吸盘根据对角线划分成两组,第一组吸盘松开后进行前进,另外一组保持吸附状态,两组之间交替前进,实现多功能清洁机器人的整体运动。吸盘的吸和放采用气囊(A、B)的收缩进行控制,气囊的收缩通过类似于圆珠笔的结构控制,使其完成周期性的收缩和舒张状态,圆珠笔机构则由凸轮的转动进行周期性的收放。
2.6 外观设计
由于多功能清洁机器人的设计主要用于清洁、干净的方面,所以必须满足美观的设计要求。本机器在完成预想功能的前提下,还将外形设计的轻巧、时尚、靓丽,用来吸引消费者的眼球。
2.7 材料选择
由于多功能清洁机器人需要在高空工作,所以材料在必须满足抗摔的强度前提下,还要保证其质量最轻化,因此材料首选为硬质塑料。本设计在有限元分析下进行,保证选择的材料的精准性,力求达到预定的安全系数。
2.8 环保设计
多功能清洁机器人的上端外壳上装有太阳能电池板,经阳光照射后产生信号传递给太阳能转化储存模块,然后太阳能转化储存模块把太阳能转换成电能储存在自身携带的蓄电池中,给多功能清洁机器人供电以实现其正常运行。平时不用的时候可以把多功能清洁机器人放在阳台上,让强烈的阳光对其照射进行充电以备下次使用,节约能源、保护环境。同时为保证其正常使用,多功能清洁机器人内部还设有外接电源,便于阴天等特殊情况下的使用。
2.9 安全性设计
本设计主要采用有限元分析,对多功能清洁机器人主要零部件进行静态和疲劳分析,力求达到预定的安全系数,保证多功能清洁机器人安全使用。
2.1 0 经济性设计
本设计改变以往一味追求结构复杂的想法,多功能清洁机器人进行反复的试验及优化设计结构,在满足预想功能的前提下,使机构组装最简洁,使用的材料最节省,以便于实现减少投资成本和节约能源消耗的最终目的。
3 主要功能及性能
本设计为一种创新、实用、节能、智能、便捷的多功能清洁机器人,其结构合理紧凑,运动灵活自如,可以进行全方位的清洗地面、小区乱贴的小广告、高楼的玻璃、高层建筑的外壁等高难度、高危险等地方的作业。多功能清洁机器人的体积设计比较轻巧,并且底部装有四对强有力的吸盘,凭借吸盘强有力的作用,可以在各种地方的表面上进行自由运动。顶部安有太阳能电池板,多功能清洁机器人不工作时候,可以把其放在强烈的太阳光下对其进行照射,经太阳能转化储存模块把太阳能转换成电能储存在自身携带的蓄电池中,给多功能清洁机器人供电以实现其正常运行。多功能清洁机器人还配有外接电源,当连续阴天时可以通过外接电源对其进行充电。底部安装清洗装置,在垃圾收集装置处理完后,进行喷水清洗,然后软毛刷进行清理,达到最终清洁的目的。
4 创新点及应用
本多功能清洁机器人可以解决日常生产生活中地面上的垃圾问题,包含扫地、拖地、擦墙壁等功能,而且解决了现在工程中高空建筑作业及高层住户窗台玻璃难于清洗的难题,对小区乱贴的小广告也可以由本多功能清洁机器人代替人力完成等创新点。同时,多功能清洁机器人利用太阳能进行充电,利用太阳能这种绿色资源,节约能源、保护环境,实现了节能、低碳、绿色的设计要求,成功完成了这一创新、实用、节能、智能、便捷的多功能清洁机器人的设计。本作品不仅减少了高难度、高危险等地方作业的伤亡率,保护了他们的人身财产安全,清洁了环境卫生问题,而且也体现了人们对智能化的追求。
摘要：本设计为一种多功能清洁机器人,其结构合理紧凑,运动灵活自如,可以进行清洗地面、小区乱贴的小广告、高楼的玻璃、高层建筑的外壁等高难度、高危险地方的作业。多功能清洁机器人的体积设计比较轻巧,并且底部装有吸盘,凭借吸盘强有力的作用,可以在各种地方的表面上自由运动。顶部安有太阳能电池板,多功能清洁机器人不工作时候,可以把其放在太阳光下照射,把太阳能转换成电能储存在自身携带的蓄电池中,为其工作时提供动力。多功能清洁机器人还配有外接电源,当连续阴天时可以通过外接电源对其充电。底部安装清洗装置,在垃圾收集装置处理完后,进行喷水清理,最终达到清洁的目的。
多功能机器人作文 第2篇
如果我有一个多机能机器人，我要它干非常多工作，我要让它每秒一千米的速率把全面街道清理得干—洁净净的。我要让它有意灵粉饰器，把扒手的心粉饰，不管什么时候、都可以发现扒手协助他人，而不是偷东西。我要让机器人给每一个人自我防备器，本地震光临时，人们就能够毫发无损。我要让它用决心器给遗失决心的人找复书心，让它们不再丢失、惭愧。我要它给我变出一双党羽，我要去看那漂亮的云汉、我要去看八大行星、去看牛郎帜女。我还要带一颗星星，让差错观赏，我要让机器人给穷苦后进的人，遭到高档培养，让它们此刻的生活跟我们一样。所有的、所有的，都是一个梦节约用水的。我肯定要好好学习，长大才能完结我的空想。
如果我有一个多机能机器人，我要它干非常多工作，我要让它每秒一千米的速率把全面街道清理得干—洁净净的。我要让它有意灵粉饰器，把扒手的心粉饰，不管什么时候、都可以发现扒手协助他人，而不是偷东西。我要让机器人给每一个人自我防备器，本地震光临时，人们就能够毫发无损。我要让它用决心器给遗失决心的人找复书心，让它们不再丢失、惭愧。我要它给我变出一双党羽，我要去看那漂亮的云汉、我要去看八大行星、去看牛郎帜女。我还要带一颗星星，让差错观赏，我要让机器人给穷苦后进的人，遭到高档培养，让它们此刻的生活跟我们一样。所有的小学、所有的，都是一个梦。
我肯定要好好学习，长大才能完结我的空想。
对智能机器人功能的探究 第3篇
观察发现
（1）NAO能看到世界：它能够在开机后走到红纸所在的地方；
（2）NAO能听到世界：它能够在周围发出声音后，找到声音发出的方向；
（3）NAO能感觉世界：它在碰到障碍后会后退转向。
探究方向
（1）NAO是如何走到指定的地点的；
（2）为什么NAO在碰到障碍后会后退转向；
（3）NAO通过什么途径找到声音发出的方向。
进行探究
探究一：NAO是如何走到红纸处的
探究步骤：
（1）启动机器人，在它前方50cm处放置一块红纸（30cm×30cm）。
（2）用胶带遮挡住机器人的前方摄像头，重复步骤（1）。
（3）将环境由明亮转为昏暗，重复步骤（1）、（2）。
（4）收集数据，制作表1。
实验结果：NAO机器人走到红纸处这个功能，只有在不遮挡摄像头并且环境明亮的时候才能成功；说明了NAO是用它头部的摄像头准确识别到红纸后，才能顺利走到红纸处。
探究二：为什么NAO在碰到障碍后会后退转向
探究步骤
（1）在机器人前进方向上放置障碍物。
（2）启动机器人及相应的应用程序。
（3）观察机器人行走状况。
（4）在机器人行走过程中分别用手触碰机器人的脚部、腹部、胸部、头部，重复步骤（1）、（2）、（3）。
（5）收集数据，制作表2。
实验结果：只有用手触碰脚部的实验获得了成功，说明了NAO机器人是靠脚部的感应来实现碰到障碍物时后退转向的功能的。
探究三：NAO通过什么途径找到声音来源的方向。
（1）启动机器人及相应的应用程序。
（2）分别在机器人的前面、后面、左边、右边制造较为明显的响动（如拍手、播放音乐等）。
（3）观察机器人头部转动状况。
（4）对步骤（2）中各情况的数据进行记录，制作表3。
实验结果：机器人不能识别前方和后方的声音，只有左右的声音才能引起机器人的反应。
1.智能机器人NAO是用头部的摄像头清晰准确识别到红纸后，才能顺利走到红纸处。
2.智能机器人NAO在碰到障碍时会后退转向是由它脚部感应来实现的。
3.智能机器人NAO对声音来源识别具有一定的局限性，只能识别左右两边的声音，而不能识别其他方向的。
我的梦想——
多功能喷涂机器人光纤反馈系统改造 第4篇
关键词：机器人,光纤反馈系统,改造
1. 概述
应用在涂装喷涂机器人上的光纤主要有两种, 一是SECOS光纤, 主要用于博世力士乐控制器与伺服驱动器之间的数据传递, 实现对机器人各个轴的控制。二是Keyence (基恩士) 光纤, 主要作用是实时监控涡轮轴的旋转情况。
2. 光纤反馈系统存在的问题
涂装车间多功能喷涂机器人使用Keyence (基恩士) 光纤, 投产使用5年来一直存在光纤污染问题。由于光纤套管端头的连接方式存在产品设计缺陷, 导致一旦QD板上的管接头出现微量溶剂泄漏, 就会顺着套管端头进入光纤套管内部, 造成光纤污染, 直接导致光纤无法精确检测到空气轴承转速, 空气轴承转速反馈值很低, 机器人出现报警, 无法正常使用。
为此, 每次出现报警, 都要将喷涂机器人的雾化器拆下, 清洁光纤套管, 重新剪切光纤。每次清洁单台机器人耗时>40 min, 严重时还需要清洁雾化器内部, 耗时>1.5 h, 同时造成了密封圈等耗材的大量使用。由于光纤经过溶剂浸泡, 透光效果不良, 多次剪切光纤, 导致多台机器人光纤长度不够。剪切光纤的特殊刀具 (光纤配套产品, 无法单独采购) 损坏严重。
3. 改造措施
艾森曼公司为提升产品质量、改善产品缺陷, 推出新型光纤。新型光纤能够有效避免光纤污染, 从而大幅减少由于空气轴承转速过低导致的故障。在减轻设备维护强度的同时提高设备开动率。图1为新型光纤的一部分。
经过一系列调研咨询, 选用新型光纤进行替换改造。在改造的过程中, 发现原有与光纤配套的保护套管过于坚硬, 易磨损光纤, 改用气管替代原有保护套管;原有配套垫片与外围固定套干涉, 用角磨机倒垫片4个角, 干涉问题解决。
由于前期工作准备充分, 一天就完成了1台喷涂机光纤反馈系统的改造。从使用效果看, 新型光纤很好地反馈空气轴承旋转情况, 同时又解决光纤前端污染问题, 达到改造预期目标。此次改造, 在喷涂机器人手臂内部增加了光电转换装置, 同时取消了机器人气动柜中的计数器。
4. 改造效果
多功能机器人作文 第5篇
假如我是一位机器人，我就要变成一个能歌善舞的机器人，让人们听着美妙的音乐，放松心情，让人们看着优美的舞蹈，找到童年的快乐。
假如我是一位机器人，我就要变成一个有名的机器人足球员，打出连连冠军的好成绩，给国家增光。
假如我是一位机器人，我就要变成一个伟大的机器人发明家，发明出各种各样的先进用品，为人们带来方便。
假如我是一位机器人，我就要变成一个温柔的机器人医生，给来看病的人们治疗，让他们能享受到最高待遇。
假如我是一位机器人，我就要变成一个勇敢的机器人警察，抓住无数的小偷，为人们除害。
多功能机器人 第6篇
关键词：多功能管道,机器人,电子控制,单片机,分析,设计
在我国的诸多领域, 像石油、天然气、给排水、空调通风等行业中, 管道的使用量正在逐年递增, 管道传输方式的作用逐渐显现出来, 也受到了各个行业的广泛关注, 但是管道在长期的使用过程当中会受到腐蚀、压力以及相关外部因素的影响, 管道会受到严重的损害, 严重时还会出现管道泄漏的情况, 因此需要对管道内部进行及时的清洗和维护, 从而延长管道的使用寿命, 并且还要做好定期检测工作, 以此来进一步的预防重大安全事故的发生。由于管道属于封闭式的运输通道, 再加上其所处环境非常复杂, 我们的工作人员是不能进入到管道内部进行工作的, 这时管道机器人的作用就要凸显出来了, 管道在长期的运行中一些区域一定会出现破裂、堵塞等现象。但是想要处理好这些事情并不是很方便, 很多时候就是为了寻找管道中的某一个裂缝就需要花费大量的时间和维修成本, 而且当前我们见到的已经投入市场的管道机器人很多都是用于内部清洗的, 用来进行管道内部检测的是非常少的, 基础此种情况, 目前我们需要的管道机器人一定是一种无线自动控制的管内检测机器人, 这种机器人可以用于石油、煤气、化工等幻夜的管内精准检测。
1 管道机器人总体方案设计
从目前的管道机器人应用情况来看, 轮式管道机器人在实际的工程项目中应用还是比较广泛的, 轮式管道机器人主要的工作原理是驱动轮靠弹簧力、液压以及磁性力等压紧在管道的内壁上, 这样就可以起到很好支撑机器人自身重量的作用, 然后再由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力, 以此来实现机器人的正常移动。目前研发的轮式管道机器人, 通过实际的比较分析之后我们发现, 直进轮式管内行走机构的推动能力很强, 非常适用于直管内的推动, 属于一种比较理想的管内行走机器人。可以对其进行广泛的推广。
2 单片机
我们此次选择的是PIC16F685单片机来作为信号采集和控制的基础核心, 这种单片机主要具备以下特点:
(1) 这种单片机的性能非常好, 而且指令规则少, 仅仅需要35条即可。
(2) 具备高耐久性的闪存存储单元。
(3) 17个I/O引脚和1个只用作输入的引脚。
(4) AD为10位分辩率和12路通道。
3 电源部分
电源的动力主要来自于5号干电池, 而1.5V2500Mah共8个, 总电压为1.5*8=12V单片机及控制板的电源为5V, 基于这样的一种配置, 我们在实际的设计中可以选择采用稳压块7805, 将电池输出的12V稳压为5V。
4 按键及遥控部分
采用频率为433MHZ的遥控接收和发射模块, 现如今这一模块已被广泛的运用在了无线门禁系统以及各类防盗系统的数据传输当中。
5 PWM调速部分
如图1所示, 此次设计可以对机器人的速度进行加速和减速的调整, 主要采用的是PIC16F685中自带的PWM的功能对输出电压进行调整。
6 控制流程图
如图2所示。
7 创新点及具体应用
多功能管道机器人属于一款蛇形机器人, 它的各个部件都是独立成型的, 在不同的区域地段可以进行重新组装而满足不同区域的实际需求。而且这款机器人所采用的是星形结构, 这种支撑结构的弹性非常好, 可以进行自我伸缩调节, 而且其承载能力也是比较大的, 正常情况下是可以在速度较快的状态下实现连续移动的。最主要的是这款机器人的机构非常紧密, 安装还非常方便, 成本低, 适合大范围推广。
参考文献
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[4]丁毅, 汪如红, 姜晨颖.管道机器人发展状况及其在包装领域中的应用[J].包装与食品机械, 2009 (05) .
[5]付钪, 张利霞, 苏艳芝, 杨志成.一种连杆蠕行管道机器人的设计与实现[J].电气自动化, 2008 (02) .
多功能机器人 第7篇
机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”。机器人,特别是智能机器人的研发、产业化已成为当代衡量一个国家科技创新和高端制造业综合竞争水平的重要指标。自2012年以来,“世界工厂”珠三角的车间正在掀起一场机器人替代工人的工业革命。广州、深圳、东莞、佛山等地相继出台政策,推进“机器人换工人”。广东省制造业劳动力成本持续上升与招工难的矛盾日益凸显,以工业机器人技术应用为代表的智能制造与装备产业将进入一个快速发展期,广东将是今后中国最大的工业机器人市场之一。
目前,珠三角地区的高职院校正积极建设工业机器人技术专业,以培养机器人应用方面的高素质技能型人才。但工业机器人属于高端智能设备,相关的成套实训设备价格昂贵,不少院校无法足量购买,极大地限制了专业建设和发展。在此背景下,笔者联合广州某机器人系统集成企业,结合企业工业机器人典型应用与高职院校人才培养需求,提出了基于ABB IRB120工业机器人的多功能工作站的设计方案。实践证明,该平台有效缓解了实训设备不足的局面,促进了专业建设和发展。
1多功能工作站的硬件设计
目前,智能制造业是机器人应用的重点领域,工业机器人在装备制造、焊接、喷涂、搬运、包装、装配等领域已经有了广泛应用。因此,工业机器人多功能工作站的设计要与企业的典型应用紧密结合。经过对高职院校和相关企业进行充分调研之后,团队联合广州某机器人系统集成企业,以培养学生核心职业技能为导向,提出了集成模拟搬运码垛、压铸取件以及弧焊加工功能的多功能工作站的设计方案。多功能工作站整体结构布局如图1所示。
1.1工业机器人及其控制器选择
综合考虑工作站负载、机器人性能参数及性价比等因素,多功能工作站采用了ABB IRB120型机器人和IRC5紧凑型控制器。IRB120是ABB推出的一款多用途工业机器人,其自重25 kg、荷重3 kg(垂直腕为4 kg),工作范围达580 mm,最大工作行程为411 mm,底座下方拾取距离112 mm,广泛适用于电子、食品饮料、机械、太阳能、制药、医疗、研究等领域。因此,具有紧凑、敏捷、轻量等优点的IRB120完全满足多功能工作站的需求。而IRC5紧凑型控制器采用先进的动态建模技术,以Quick Move和True Move运动控制软件为核心,赋予了IRB120机器人一流的运动控制性能与路径精度,确保了IRB120达到可预测的优异性能,且路径精度丝毫不受运行速度的影响。
1.2工作站外围控制器选择
多功能工作站的顺序动作由PLC负责完成,工作站采用市场通用的三菱FX2N-48MR PLC作为外围设备控制器。该PLC具有24路输入和24路输出端口,完全满足工作站当前需求并预留了I/O接口,以便后期进行功能扩展。
为便于教学和二次开发,工作站预留了一定的空间以满足后续的功能拓展。同时,利用Robot Studio 6.01创建了工作台的仿真工作站。通过虚拟工作站可以实现离线编程,极大地方便了教学。虚拟仿真时通过I/O仿真器来选择工作模式和启动相应的仿真,因此,虚拟工作站中无需加入操作面板和触屏面板的3D模型。虚拟工作站全景布局如图2所示。
1.3工作站控制电路设计
多功能工作站控制系统电路由主电路和控制电路组成。外围控制系统主要采用三菱FX2N-48MR PLC作为控制器核心,配合工业机器人完成外围顺序动作控制。多功能工作站控制系统主电路和控制电路如图3所示。
2多功能工作站控制系统设计
2.1工作站工作流程
多功能工作站可以完成搬运码垛、压铸取件和弧焊轨迹模拟等三种工作。为确保工作站能够顺畅运行,三种工作模式互不影响且可以任意选择。工作站工作流程如图4所示。
2.2工业机器人程序设计
工业机器人IRB120是多功能工作站的核心,其负责完成工件搬运码垛、压铸产品取放、弧焊轨迹的模拟运行。与FX2N-48MR PLC一样,IRB120同样需要进行程序设计和相应的参数设置。限于篇幅,本文只给出其程序流程,如图5所示。
3结语
经过PLC程序、机器人程序的调试与改进,工作站最终能够按照设计方案稳定运行。目前,工作站运行良好,可为学生提供工业机器人技术相关的基础实训。同时,多功能工作站预留了相应的I/O接口和空间,便于师生进行二次开发和功能拓展。
摘要：先进装备制造业是衡量一个国家或地区工业化程度和国际竞争力的重要标志,工业机器人技术是装备制造业转型升级的典型代表。目前,高职院校正积极培养机器人技术应用人才。工业机器人方面的成套实训设备价格昂贵,不少院校无法足量购买,极大地限制了专业建设和发展。现结合工业机器人的典型应用,提出了基于ABB IRB120工业机器人的多功能工作站的设计方案,有效缓解了教学实训设备不足的局面,促进了专业建设和发展。
关键词：ABB IRB120,工业机器人,多功能工作站,硬件设计,控制系统
参考文献
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一种新型穿戴式手功能康复机器人 第8篇
上肢残疾患者的手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩,手的屈肌张力占优势,指间关节和掌指关节伸展困难,丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细运动功能,因此痉挛是早期手功能训练的主要问题,康复治疗主要采取被动抑制痉挛的方法目前临床上治疗师为患者进行康复训练时,一般都是采取一对一的训练方式,由治疗师帮助患者活动患手的各关节,采取这种方式,不仅训练效率和训练强度难以保证,训练效果受到治疗师水平的影响,而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据,难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。随着科技水平的不断提高和新兴交叉学科的不断涌现,国内外越来越多的研究机构将机器人技术应用于患者的运动功能恢复,研制相关的康复机器人。近年来,手功能康复机器人的研究得到迅速发展,并成为一个专门的研究领域[1,2,3,4]。
目前,手功能康复装置的驱动形式主要有电机驱动和气动肌肉驱动两大类。美国Thera Tech Equipment公司开发的Kinetec Maestra Portable Hand CMP是电机驱动形式的手部康复设备。而美国新泽西州立大学开发的RMⅡ-ND Hand Master[5]以及KMI公司研制的Hand Mentor则采用气动肌肉驱动,与电机驱动形式相比,采用气动肌肉具有成本低、柔顺性好、安全性高、质量小、噪声低等优点。但RM II-ND Hand Master采用类似手套的本体结构,不易穿卸,在手掌安置的气动肌肉使得手指运动范围受到限制,而Hand Mentor则只能辅助偏瘫患者进行手腕的单关节康复训练。本文设计的手功能康复机器人RHRT-1采用气动肌肉驱动,能辅助患手完成多关节复合运动功能训练。
1 机械结构设计
与正常人肢体相比,瘫肢更为脆弱,更容易受到损伤,因此必须设计合适的机构以保证患者的安全性。RHRT-1与人体相接触的穿戴部分都采用聚乙烯、聚丙烯等热塑材料制作,这些材料的共同优点是轻便、美观、卫生、可塑性好、加工方便。制成后的手功能康复机器人更加符合生物力学要求,不仅穿戴时更加舒适,而且治疗效果也更好。
RHRT-1的机械结构如图1所示,机械结构后方安装两条气动肌肉,气动肌肉后端连接拉力传感器,用于测量气动肌肉的拉力。其中一根气动肌肉前端连接一根钢丝,通过滑轮与前方拉杆相连,气动肌肉收缩时,拉杆带动分指指托旋转,拉动手指伸直;另一根气动肌肉与拇指相连,辅助拇指外展。各关节处都安装角度传感器,用于测量关节旋转的角度。通过这些机械构造可辅助患手完成伸展、抓握等动作,有效减轻水肿,避免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩,使运动尽可能达到协调和随意,提高活动自由度,使肢体功能得到好的恢复,缩短康复疗程,降低治疗费用。采用气动肌肉驱动使机器人更具柔顺性且适合穿戴。
1.1 气动肌肉
Mckibben型气动肌肉(图2)是一种由压缩空气控制的可收缩的直线驱动器,其内部是弹性很好的橡胶管,外层为抗拉强度很高的纤维编织网套,橡胶管与纤维编织网套在两端用钢箍固定,当充入气体后,橡胶管向外膨胀,与外层纤维网接触,进而产生轴向收缩,所产生的拉力可以驱动外接负载。气动肌肉构造简单,柔顺性好,但具有严重的非线性和时变特性,使其难以精确控制[6]。
驱动四指(除拇指外的其余四指)的气动肌肉a选择外径14mm、壁厚1.5mm的乳胶管和初始编织角25°、直径20mm的编制网套制成;驱动拇指的气动肌肉b用外径12mm、壁厚1mm的乳胶管和初始编织角25°、直径18mm的编制网套制成。表1是两种气动肌肉实际测得的参数。收缩状态的数据是在充气压力为0.4MPa、负载为30N(最大负载)时测得的;初始状态的数据是在负载为0、内部压力为1.01×105Pa(标准大气压)时测得的。
驱动四指时,通过滑轮将气动肌肉的直线收缩力转化为关节转动所需要的驱动力,保证气动肌肉的收缩力始终沿气动肌肉轴向,气动肌肉就不会出现扭转、弯曲等状态,从而提高了气动肌肉拉力的利用率,延长了气动肌肉的使用寿命。
1.2 传动轮的设计
通过实验知道,驱动四指的气动肌肉在初始长度为240mm、负载30N的情况下,充气气压达0.4MPa时,产生轴向收缩行程为60mm,收缩率为25.0%,而通过实验测得将四指拉直需要的行程为100mm,为了解决气动肌肉行程短的问题,设计了一种传动轮,如图3所示,大轮直径d1与小轮直径d2的比值为3∶1,则两者周长之比也为3∶1,显然,将与气动肌肉相连的绳索绕在小轮之上,连接四指的绳索绕在大轮之上后,气动肌肉收缩可带动绳索产生3倍行程的收缩,从而解决了气动肌肉收缩行程不足的问题。
1.3 机器人关节的设计
RHRT-1驱动人手四指的部分只有1个自由度,驱动2个活动关节,分别对应于人手的掌指关节和指间关节,驱动拇指的部分具有1个自由度,实现拇指的外展。各关节处都设计了机械限位装置以保证患手的安全,以四指伸展、拇指靠在掌侧的状态作为初始位置,掌指关节转动的角度范围为0°~85°,指间关节转动的角度范围为0°~90°,拇指关节转动范围为0°~90°。
为了增大力矩,驱动四指的部分采用拉杆增加力臂,如图4所示,转动轴上安装角度传感器,用来测量指间关节旋转的角度。气动肌肉收缩时,拉杆带动分指指托旋转,使手指伸展。
掌指关节的结构如图5所示,关节的下方安装导轨,导轨上的滑块可自由滑动,滑块与手背上方的压指板连接,这样的结构既能适应手指伸展时肌肉收缩的变化,又能减小机械部分与手指背部的摩擦,保证穿戴更加舒适;关节旋转处安装角度传感器,用来测量掌指关节旋转的角度,上方还安装了行程转换的传动轮。
2 手部康复机器人控制系统结构
手功能康复机器人RHRT-1控制系统的组成如图6所示,由计算机系统、气动系统、USB-4716采集卡以及信号调理电路板4个部分组成。穿戴式机械本体穿在患者的前臂部分,安装在本体上的力传感器和位移传感器用于获取气动肌肉的拉力和患手的姿态信息;上位机提供虚拟现实的游戏环境,来提高患者主动参与康复训练的积极性;气动系统包括空压机、过滤减压阀以及电气比例阀等,为机器人提供驱动所需的安全、稳定的气源;信号处理电路板及USB-4716数据采集卡采集角度传感器和力传感器的数据,同时根据患手-机器人组合系统的工作状态调节电气比例阀,完成对气动肌肉的控制。
为获得最佳康复效果,在辅助患者进行运动功能的康复训练过程中,机器人仅对患肢提供完成训练必需的最小驱动力,充分利用患肢的残余肌肉力。系统提取患者手部各主要肌肉(如屈拇长肌、屈指浅肌、伸指肌、外展拇长肌等)的表面肌电信号,并对信号进行时频分析获取其中的特定信息,把信号处理电路板上所获得的角度、力和肌电信号等数据信息作为USB-4716数据采集卡的输入,采用一定的控制算法调节电磁比例阀的控制电压,控制气动肌肉的收缩,辅助患手完成运动功能的康复训练。同时,可将采集到的患手运行状态和运动目标参数传给计算机,计算机利用虚拟现实技术将训练过程和康复效果的定量评价反馈给患者,从而提高患者进行康复训练的积极性和主动性。
3 虚拟现实的游戏环境
手部康复机器人系统还包括计算机提供的手功能康复治疗虚拟环境。计算机通过串口与控制器相连,控制器将力传感器输入的气动肌肉力、角度传感器输入的关节角度、各关节的目标角度等参数传给计算机,计算机根据输入参数实现患手运动功能康复训练过程的游戏画面和康复效果的定量评价,包括拇指和其余四指末端的当前位置和运动轨迹、各关节运动的速度和平稳性、手指末端运动轨迹和目标轨迹的偏差、机器人辅助力的大小、功能训练任务是否成功完成等指标的评定,并利用虚拟现实技术反馈给患者,将计算机生成的虚拟场景和提示信息叠加到真实场景中实现对现实的增强,提供一种康复治疗虚拟环境,包括计算机虚拟游戏、训练开始和结束的提示、训练效果的视觉和听觉反馈等。这种方式可以在机器人提供给患者机械帮助的同时,将康复训练过程和康复效果的定量评价实时反馈给患者,并可利用计算机游戏激发患者的训练兴趣,以解决当前康复训练中患者主动参与训练积极性难以提高的问题。
4 实验
为了评估系统的性能和实现最终的临床应用,在同济医院康复科进行了初步的临床实验。考虑患者需要柔顺和平滑的运动形式,采用三次样条作为关节角度跟踪的目标轨迹,与拇指腕掌关节(CM)相对应的机器人关节初始角度为24°,目标角度为38°。其余四指的掌指关节(MCP)对应的机器人关节初始角度为123°,目标角度为148°。患者为软瘫患者,完全处于被动训练模式。采用PID控制算法跟踪,结果如图7所示。患手运动测试如图8所示。
5 结束语
研制的手部康复机器人机构能辅助病人完成患手的四指拉伸和拇指外展的运动功能训练任务。这种新型穿戴式手部康复机器人的特点是结构简单、穿卸方便、柔顺性好、成本低,适合在社区和家庭中使用。通过PID控制器实现了其关节角度的轨迹跟踪控制,实验结果证明了所设计的手部康复机器人的可用性和有效性。
摘要：针对中风和脑外伤患者的运动功能障碍问题,设计了一种新型的穿戴式手功能康复机器人。机器人采用气动肌肉驱动,能够辅助患者完成手指多关节复合运动功能训练。该机器人有3个自由度,通过角度和力传感器获取患手-机器人组合系统的状态参数,并采用虚拟现实技术构建康复治疗虚拟环境,提高患者的训练兴趣,从而增强康复效果。采用传统的PID控制器进行了临床实验,实现了关节角度的三次样条参考轨迹跟踪,实验结果验证了所设计的穿戴式手功能康复机器人的可用性和有效性。
关键词：手功能康复机器人,气动肌肉,运动功能训练,虚拟现实技术
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多功能机器人 第9篇
关键词：学习,遥控,编码,ASIC
ASIC是根据某一特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC按照设计方法的不同可分为全定制ASIC,半定制ASIC和可编程ASIC(也称为可编程逻辑器件)。本文所设计的遥控机器人编码芯片是全定制ASIC芯片,先要定义编码芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则,最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成[1,2]。设计的编码ASIC提高了遥控机器人的性能,由于采用了脉冲宽度调制技术(PWM),解决了同类芯片电路中的码间干扰,增强了系统工作的稳定性,提高了安全性[3,4]。该芯片采用N阱0.5μm硅栅工艺,采用手工双层金属布线,工艺成熟、稳定可靠,芯片的面积利用率高、速度快、功耗低。
1 芯片功能定义
在无线遥控系统领域里,编码芯片和解码芯片分别完成信号的功能编码和解码,并驱动相应的控制功能。本文设计的遥控机器人编码芯片管脚应用分布如图1所示。设计的编码芯片需完成地址码学习请求和相应的8个控制功能的编码和发送,当STUDY键按下时,编码芯片输出端(DO)迅速发送地址码学习请求信号,当STUDY松开时,且有控制功能键按下时,编码芯片输出端(DO)就会发送对应的8 bit控制功能请求信号,这8个控制功能信号包括:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TURBO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNCTION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNCTION3)。FORWARD、BACKWARD、TURBO、RIGHT、LEFT控制解码芯片所属载体的基本控制动作,附加功能1~附加功能3可以用作功能拓展,例如机器人的前后灯亮灭控制,轮子自动收起等,相应可以扩展出多种实际应用。基于以上基本设想可确定芯片应具有的基本输入输出:1个清零控制端RESET;1个地址码学习请求输入STUDY,用于地址码学习功能请求,相对于其他请求功能,它具有最高优先权。8个控制功能输入:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TURBO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNCTION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNCTION3),用以确定控制功能信号;1个工作状态输出端LO,外接一个发光管用于表示编码芯片是否处于工作状态;1个帧信号发送端DO;另外内部振荡电路需要外接大电阻,需要设置振荡输入和输出管脚OSCI、OSCO用于外接大阻值电阻,或接可变电阻,用来进行系统频率的调节;电源VDD,地VSS,确定以后的遥控编码芯片外部管脚及对应功能见表1。
2 信号的帧结构
遥控机器人编码芯片的帧结构如图2所示,它由同步码、16位地址码、2位状态码、8位功能码、奇偶校验码及结束位32个码元构成,设计中的基带码型以脉冲宽度调制(PWM)技术采用占空比3/4的矩形脉冲表示“1”,占空比1/4的矩形脉冲表示“0”(图3)。帧同步码是一个帧周期信号的标志,帧同步位为“1110”;帧结构中有16位地址位,在地址码学习的过程中,编码芯片向解码芯片发送具有地址码学习请求功能信号,其中有16位地址码为编码芯片所要求解码芯片学习的地址码[5]。当地址码学习成功后,编码芯片向解码芯片发送具有控制功能的请求信号,其中的16位地址码必须与解码芯片学习后的地址码进行判断,如果相同,就进行相应的控制功能驱动,否则将此控制功能请求信号作无效信号处理。状态位X1,X2分别为“01”和“11”时表示地址码学习请求和控制功能驱动请求。帧结构中设置的功能位对应遥控机器人的8个控制功能:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TUR-BO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNC-TION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNC-TION3),并按照以上顺序排列。另外,当状态为地址码学习请求时,该8位功能码必须全为零。当状态为控制功能请求时,功能码自身必须具有一定的互斥性。例如,控制功能不能出现同时向左向右或同时向前向后,如果出现这种情况,则认为出现编码出错,解码部分将会丢弃该帧,这是符合实际情况的。因此在解码芯片电路设计中,分别增加了地址码学习时功能数据检测位电路和控制功能驱动时功能数据检测电路。奇偶校验位采用偶校验方式,对功能数据位进行校验,当功能数据位出现偶数个有效位(高电位“1”)时,校验位为低电位“0”;当功能数据位出现奇数个有效位时,校验位为高电平“1”,奇偶校验位为帧中第31位。结束位为一位高电位“1”,表示一帧的结束,未检测到结束位时同样丢弃该帧。
3 编码芯片设计
遥控机器人编码芯片由振荡电路、时序产生电路、按键防抖动电路、上电复位电路(包含移位计数和状态机电路、控制功能信号的锁存电路、地址码学习请求信号输出电路、控制功能请求输出电路)、位同步输出电路等模块构成。编码系统框图如图4所示。编码芯片模块主要有两大功能,功能一:发送地址码请求信号,为了使编码芯片与相应的解码芯片形成一一对称的地址码学习关系,首先保证解码芯片是在地址码学习允许的情况下(SRC按下),然后按下地址码学习请求按键STUDY,编码芯片输出端DO就会输出地址学习请求功能的32帧周期信号“11101010101010101010010000000001”的编码信号“1110-1110-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1000-1110-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1110”,解码芯片接收到请求信号后进行解码,然后进行检测和判断,再进行地址码学习,将解码芯片的16位地址锁存器固定为“1010101010101010”。功能二:地址码学习成功之后,分别松开SRC和STUDY按键,根据需要输入8位控制功能信号,编码芯片将功能控制帧周期信号进行编码,然后再输出,发送给解码芯片,解码芯片再进行解码驱动相应的控制功能。如果无任何输入状态,编码芯片输出零信号的编码信号。其整个流程如图5所示。最后编码系统完成由地址码学习请求和控制功能请求信号的编码发送。
输入信号包括:RESET、STUDY、FORWARD、BACKWARD、TURBO、RIGHT、LEFT、F1、F2、F3。DO:发送帧周期信号编码后信号
4 各模块电路设计和功能仿真
根据遥控机器人编码模块总体设计框图,在Quartus II环境下,使用硬件描述语言Verilog-HDL及原理图对整个编码系统各模块进行行为级描述,最后通过Synplify软件对硬件描述语言Verilog-HDL进行综合,得到门级电路。图6为编码系统的核心顶层模块组合,其中fangdd为按键输入信号防抖动模块,clk_div128k为分频模块,为系统提供频率为2 k Hz的时钟;fenpin_count是四进制加法计数器和clk_2k的四分频模块;send1是请求信号的位同步模块,其同步频率为512 Hz,位同步信号以帧周期形式输出,code1_4是帧周期信号的码元编码模块,将原代码编码成适合信道中传输和接收的基带信号。
完成编码芯片各模块的行为级描述之后,进行功能仿真验证。首先按下reset键复位清零,使芯片中所有的寄存器和锁存器置零,然后发送一个地址码学习请求信号(study键按下,相对于控制功能请求来说,具有更高的优先级),此时send1模块判断信号为地址码学习请求,然后send1的输出端输出具有学习请求功能的帧周期信号“1-1-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-0-1-0-0-0-0-0-0-0-0-0-1”。其中前4位“1-1-1-0”为帧头信号;第5位至第20位为发送出去的16位地址码;第21位和第22位为请求状态位,“01”表示地址码学习请求,“11”表示功能控制请求,此时为地址码学习请求状态,即为“01”;第23位至第30位为功能数据位,由于此时为地址码学习请求状态,故该8位功能数据位为零;第31位为奇偶校验位,是用于判断功能数据位的奇偶情况;第32位为结束位,是帧周期结束标志。然后经过code1-4模块进行码元编码输出,由仿真结果可知相应的码元为“1110-1110-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1000-1110-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1110”。随后在没有地址码学习请求时,输入控制功能信号,输出的帧周期信号与地址学习请求帧周期相同,不同之处是:其一,地址码与原来地址学习请求发送的地址码一模一样,它是用于与解码芯片学习后的地址码进行比较判断,并不是用于地址码学习之用;其二,功能数据位是相应的控制功能输入信号,并非全为零。此仿真过程中,输入了地址码学习请求、向右加速前进请求和向左后退请求,输出端口分别输出了相应的帧周期信号,达到了设计效果。
5 编码芯片的硬件验证
软件仿真是验证系统电路设计正确性的第一道保障,但它只是对实际情况的一种软件模拟,不能替代实际的硬件验证。在ASIC设计过程中,常常需要对前端设计做FPGA原型验证来确保设计的实际可行性。本平台的主控制芯片采用了ATERA公司研发的Cyclone II系列EP2C8Q208N再加上EPCS4配置芯片。在Quartus II中分别将编、解码芯片的核心电路图(数字电路)输入、输出管脚绊定并进行编译,生成相应的*.pof文件,部分在可编程逻辑器件中无法实现的模拟电路部分被简化掉,因为这些改变不会影响整个编解码方案的功能。另外在下载界面中选择AS模式(Actice Serial programming),通过串口下载线,将*.pof文件直接下载到EPCS4芯片中,然后主控制芯片EP2C8Q208C8N将调用配置芯片EPCS4中的软硬件数据,对整个编解码电路进行相关的数据处理。系统所需的时钟信号clk_2KHz、clk_512Hz、clk_128Hz都是由该核心开发板上的晶振提供的50 MHz分频而来的。为了成功完成编码芯片的FPGA硬件验证,先制作10个输入(RESET、STUDY、FOR-WARD、BACKWARD、TURBO、RIGHT、LEFT、F1、F2、F3)的外围控制电路,然后将编码芯片的核心电路下载到目标芯片中。核心开发板上绑定的10个输入端口分别用导线连接对应的外围控制电路的10个接口,输出端(data out)接入示波器(安捷伦公司的存储示波器:Agilent 1 160 A 600 M)信号输入接口。先后按下外围电路地址码学习请求按键study和控制功能请求按键(forward、turbo、right),然后利用示波器分别抓取了地址码学习请求和“向右加速前进”控制功能请求信号的编码波形。观察波形可知,编码芯片的FPGA验证系统与编码芯片的T-spice仿真一样,都能正确无误地完成地址码学习请求功能和控制功能请求功能,证明了编码芯片电路设计的实际可行性。
6 版图设计
遥控机器人编码芯片的版图设计采用N阱0.5μm硅栅工艺,其逻辑控制部分的最小线宽为0.5μm。为了使编码芯片版图在面积和性能上最优化,整个版图设计是调用预先设计好的各单元版图模块在taner-pro软件上通过全手工布局布线的方式完成,大大减小了芯片面积。编码芯片有16个输入输出压焊块,MOS管及阻容元件近5 591个,版图总面积为1.241 mm×0.950 mm。解编码芯片有22个输入输出压焊块,MOS管及阻容元件近6 282个,版图总面积为1.310 mm×0.941 mm。最后对遥控机器人编码芯片的版图进行了整体的设计规则检查(DRC),同时将版图萃取的文件(bianma.spc和jiema.spc与相应原理图萃取的文件(bianma.sp和jiema.sp)进行LVS(版图与原理图的一致性检查)对比,结果一致[6]。最后提取GDS II文档。
遥控机器人编码芯片的研制,提高了集成度,比同类编码芯片的外接元器件少,适合开发各种低成本遥控报警器及遥控系统。在具体的应用中,只要增强无线射频有效距离,就可将它移植到远距离工作的工业遥控操作系统以及遥控作战机器人、遥控装甲车和无人驾驶战斗机中,并具有很好的发展前景。
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多功能机器人 第10篇
MOTOMAN-UP6是一款示教再现型的机器人,其运动精度高,但是功能比较单一,在教学中不能吸引同学的注意力。写字是人类的日常行为,而机器人作为代替人为动作的机电产品,势必会涉及到写字程序的开发。写字机器人可以为机器人教学和科学普及提供很好的实验平台。
对于文字信息的提取,目前主要有两种方法:1) 利用Windows的API函数读取Windows系统本身的TTF矢量字的轮廓信息[1,2];2) 通过VC++的函数提取字符轮廓线数据[3]。本程序却没有采用这两种方法,而是利用VB编程提取单线条字体的点坐标信息。相对于轮廓线字体,单线条体在绘制小尺寸文字方面更有优势;另外对于精通VB但不熟悉VC++的人员,此程序正好提供另一方法。
整体设计的另一不同点是在“机器人运动学分析”。常规的运动学分析是按D-H方法建立齐次坐标方程求解[2,4]。本程序利用数学几何知识进行运动学的分析,一方面是因为机器人写字姿态的一定特殊性;另一方面主要考虑的是受众,多数人并不熟悉机器人空间位姿变换,而几何算法就容易利于理解。
除了与常规方法的两大不同特色外,本程序同时注重实现功能,所以设计时是基于高校内的主流机器人MOTOMAN-UP6,这样实用性强、适用面广,而且可以实现水平面内任意角度的文字书写。
1 整体设计流程
Auto CAD软件可以精确显示点的坐标,这也是其常被用来画工程图的重要原因之一,而文字是由笔画构成,笔画需要点进行定位,所以选用CAD提取文字笔画的点坐标信息,同时利用VB编程实现与CAD的信息交互,获得机器人可识别的JBI文件。
关于本设计的整体流程如图1所示。
2AutoCAD写字环境
2.1 应用单线条文字样式并输入文字
MOTOMAN-UP6机器人可以根据规划的末端坐标值走位。为实现写字功能,可以设定笔画的坐标值。而单线条式文字的笔画线宽和直线条的默认宽度一致,文字如同由多条多线段组成,而各线段的顶点坐标可在CAD中提取,一旦确定各点的坐标,就意味着笔画的确定和文字的确定。单线条式文字样例如图2所示。
在CAD中可设置出符合上述要求的字体:在“文字样式”选项中,勾选“使用大字体”,并在“大字体”的下拉菜单中选择“gbcbig.shx”。
可以采用VB编程环境实现字体的自动应用。使用TextStyles集合中的Add方法创建一个文字样式,然后通过BigFontFile或FontFile属性来设置SHX字体,还可以使用Height属性来设置文字高度[5]。
单线条式文字样式应用后,再编程设计“输入文字”。将“文字输入”命令“_mtext”利用SendCommand方法直接发送给CAD执行,接着可输入目标文字。
2.2 分解文字
CAD扩展工具Express Tools中有如下一个命令“Express/Text/Explode Text”,可以将一个合成对象分解为单个的部件对象。对于单线条式文字,一个文字对象是由多个多线段组合而成,执行该命令能把文字“爆破分解”成多条多线段,为后续提取点坐标进行铺垫。“爆破”命令“Explode”对应于“txtexp”,继续利用SendCommand方法发送执行。
先选定目标文字,再执行“Explode”命令,此时文字会如图3所示。
由图3的分解效果看出,文字对象确实被“爆破”分解成了多条多线段,而每条多线段的顶点就是图中所示的方形点。
3 软件仿真与实际写字
机器人进行写字是不可能像人一样的随心所欲,必然有它自己的一套笔画书写规则,而它的规则是人为编程制定的。在将文字分解成了多条多线段后,还需要提取文字的点坐标信息,并生成能被仿真软件和机器人识别的特定格式文件。
3.1 生成JBI文件
JBI文件是机器人仿真软件ROTSY和实体机器人MOTOMAN-UP6可识别的文件类型,所以需要将文字分解后的点坐标信息转化成JBI文件。
以记事本方式打开JBI文件,在文本代码中,有两点值得注意:
1) “C0000=2750,8425,-46674,0,33118,0”是指的机器人六个关节的脉冲数信息,这是依据末端点的坐标信息经过数学计算处理后获得的。
2) “NPOS 117,0,0,0,0,0”。数字“117”是指机器人动作的总步骤数。
至于其他信息,基本上是约定俗成,不再赘述。
a) 坐标值转脉冲值
将文字分解成多线段之后,需要的是提取各多线段的顶点坐标信息。Coordinates函数能返回多线段所有顶点的坐标数组,同一多线段的各顶点值是顺序相邻的[6]。利用VB编程能得到各点在CAD环境下的cadx和cady值,至于高度值z可以自行设定。接着将末端坐标转化为机器人关节的运动角度。这里采用数学几何关系求解,UP6机器人有6个关节,其中的关节4和关节6对于写字动作来说,是不需要旋转的,可直接令θ4=θ6=0,且执行末端是一直垂直于水平面的,在竖直平面内θ5与θ2及θ3存在一定关系。图4为机器人基坐标示意图;图5是结构示意图,而图6是整个计算的关键示意图。
如此得到了θ1,θ2,θ3以及θ5的值,而θ4和θ6为零。
在ROTSY中建立机器人的工作环境,添加UP6系列的机器人,再人工手动令其各关节走到极限位置,同时查看此时的脉冲信息,可以得出“角度值和脉冲数是成比例关系的”的重要结论。
b) 水平面内任意角度书写
为了扩大机器人书写文字的范围和方式,计划实现水平面内的任意角度书写,因此需要在任意角度下把CAD图形界面的cadx与cady值转化成基坐标系的x值和y值。如图7所示,通过简单的转化可以得出:
x=cadx×sin(xzhd)+cady×cos(xzhd)
y=cady×sin(xzhd)-cadx×cos(xzhd)
c) 提笔操作
写字的时候需要在笔画之间考虑提笔的操作。提笔应该发生在开始写笔画之前和完成写笔画之后,所以让机器人在每个笔画的端点处上移一个值,也就是说维持端点处的x和y值不变,将z值加大。而对于非端点的顶点的坐标值应该保持不变。
d) VB编程生成JBI文件
利用VB编程生成JBI文件时,整合代码需要合理安排顺序,同时考虑计算值是否超出机器人末端范围、JBI文件格式、总步骤数判断、文件输出路径等问题。其中,总步骤的个数为总顶点数再加上两端点的提笔操作;同时需要设计程序来实现VB与CAD的信息交互[5];还有就是写字动作需要使用直线插补方式。
3.2 软件仿真及实际写字操作
获得了JBI文件后,就可以利用ROTSY软件来进行机器人写字的仿真;仿真效果如图8。在旋转角度分别为0°,30°,60°,90°时,虚拟机器人都能按照要求完成写字任务。
提笔操作的效果如图9所示。在每条多线段的端点处,可以清晰地看见垂直提笔的操作,而在非端点的顶点处是明显没有提笔的,满足了设计要求。
仿真成功后,将JBI文件传入控制柜,MOTOMAN-UP6机器人能够顺利地进行实际写字,效果如图10所示。
4 结论
利用AutoCAD和VB实现了MOTOMAN-UP6机器人写字功能,实验证明了该设计的正确性和可行性。通过本设计,扩展了示教再现型机器人MOTOMAN-UP6的功能,程序简单、易学且实用性强,提高了普通机器人的趣味性。
摘要：基于AutoCAD和VB设计了MOTOMAN-UP6机器人写字功能。采用VB编写程序实现如下操作:设置文字样式及输入目标文字,利用CAD的扩展工具将目标文字分解成线,接着提取各多线段的顶点坐标,并实现在端点处的提笔和各多线段之间的连接动作,依据各顶点坐标值利用几何关系反求出机器人各关节的运动角度及对应脉冲数,而生成能被相关软件识别的目标文件。利用仿真软件ROTSY建立机器人及其工作环境,仿真证明了该程序的有效性。通过MOTOMAN-UP6机器人实际书写文字实验,进一步验证该设计是切实可行的。
关键词：AutoCAD,VB,分解文字,坐标转换,仿真
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