专利名称：四自由度机械手实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验系统，具体是一种四自由度机械手实验系 统，采用运动控制器同时控制四个轴的运动，实现多轴协调运动。
技术背景随着计算机技术的发展，控制类、智能化和自动化产品不断更新换代， 推动了社会进步，加快了科技的进程。同时随着社会的发展，社会分工越来 越细，生产率也在不断提高，机械手(机器人)应运而生，在工业现场中越 来越多的使用机械手(机器人)已经成为必然的趋势。为了能让学生在走出 校门之前就对机械手(机器人)有比较深的了解和应用，培养机械手(机器 人)设计和操作人才也成为了机械手(机器人)发展中的重要环节，于是这 种面向教学研究，旨在培养机械手(机器人)方面人才的教学机械手也就产 生了。它可以应用于《自动控制原理》，《运动控制》，《机电传动与控制》，《机 电一体化系统》，《传感器检测与应用》和《计算机控制技术》等课程的实验 教学和课题研究。现有技术中教学上还没有一种较完善的四自由度机械手教 学实物模型。发明内容为了解决上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种四自由度机械手实验系统。本实用新型的技术方案如下..四自由度机械手实验系统包括上位PC机 (预装上位机软件)和由其控制的四自由度机械手，所述上位PC机通过运动 控制部分控制机械手的四自由度运动，上位PC机与运动控制部分之间采用并 行通讯结构运动控制部分包括运动控制器、步进驱动器和步进电机；所述 四自由度机械手包括底盘，底盘的盘面上设置驱动其转动的底盘步进电机， 底盘上设置纵向滚珠丝杠，横向滚珠丝杠通过滑块设置在纵向滚珠丝杠上， 纵向滚珠丝杠的上端设置纵向滚珠丝杠步进电机，横向滚珠丝杠的一端设置 横向滚珠丝杠步进电机，横向滚珠丝杠的另一端设置电动手爪和驱动电动手 爪的电动手爪步进电机。整个实验系统可以通过上位机软件的控制实现各种运动，完成所要求的 教学实验。其中机械结构平台、四自由度控制，电动手爪的设计和动作为系 统的可靠运行提供了保证。为了提高定位精度机械平台底盘采用齿轮和轴承配合传动，手臂采用精度较高的滚珠丝杠传动。各轴的运动控制采用上位机 和运动控制部分来实现，上位机和运动控制器采用并行通讯，上位机通过软 件把控制信号以脉冲信号和方向信号的形式传输给运动控制器，运动控制部 分由运动控制器，步进驱动器及步进电机组成，上位机为普通配置的PC即可。 为了能够实现机械手搬运物体的功能，电动手爪以DC24V为电源，接收来自 控制器和继电器的信号，应用电磁铁原理完成对物体的夹紧、移动和释放动 作，并且可以装夹多种形状的物体。整个系统是由底盘、滚珠丝杠和电动手爪搭建的硬件平台，各轴电机的 运动由运动控制器发出的脉冲和方向信号传输给驱动器，信号经过驱动器的 运算和比较再去控制电机的运动，通过上位机软件程序控制单轴或多轴协调 运动;电动手爪的夹紧和释放运用了电磁铁原理和机械工艺设计加工而成， 电动手爪和四个轴的配合运动完成一系列的完整动作。采用上述技术方案，给本实用新型带来的有益效果是为教学中提供了 一种较完善的四自由度机械手教学实物模型，用于培养机械手(机器人)设
计和操作人才，它可以应用在《自动控制原理》、《运动控制》、《机电传动与 控制》、《机电一体化系统》、《传感器检测与应用》和《计算机控制技术》等 课程的实验教学和课题研究；系统结构较为简单，设计合理，在教学中有利 于学生的理解和掌握。
'图1是本实用新型的一种控制原理结构示意图；图2是本实用新型机械手的一种结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体 的说明。实施例参看图l，本实用新型的控制结构包括上位PC机(预装上位机 软件)和由其控制的四自由度机械手，所述上位PC机通过运动控制部分控制 机械手的四自由度运动，上位PC机与运动控制部分之间采用并行通讯结构； 运动控制部分包括运动控制器、步进驱动器和步进电机。参看图2，四自由度机械手包括底盘7，底盘7的盘面上设置驱动其转动 的底盘步进电机6，底盘7上设置纵向滚珠丝杠2，横向滚珠丝杠3通过滑块 9设置在纵向滚珠丝杠2上，纵向滚珠丝杠2的上端设置纵向滚珠丝杠步进电 机1，横向滚珠丝杠3的一端设置横向滚珠丝杠步进电机8，横向滚珠丝杠3 的另一端设置电动手爪5和驱动电动手爪的电动手爪步进电机4。手臂采用精度较高的滚珠丝杠传动，本实验系统可以灵活运行，性能稳 定。整个实验系统可以实现空间四个自由度的运行，在本系统中把横向滚珠 丝杠所在的轴定义为第1轴，把纵向滚珠丝杠所在的轴定义为第2轴，把底 盘所在的轴定义为第3轴，把电动手爪所在的轴定义为第4轴，这四个轴加 上带动它们运动的四个步进电机电机以及步进驱动器、运动控制器、限位开
关、电源和PC机就组成了整个系统的硬件结构，通过装载本系统的上位机软件，可以分别完成四个轴的点动、连动和多轴的协调运动，通常把横向滚珠 丝杠步进电机的运动称为手臂的伸缩运动，把纵向滚珠丝杠步进电机的运动 称为手臂的升降运动，把底盘步进电机的运动称为底盘的旋转运动，把电动 手爪步进电机的运动称为手爪的旋转运动，每个轴的运动都是通过软件把命 令传给运动控制器，运动控制器把脉冲和方向信号再给步进驱动器，步进驱 动器再去控制电机，电机最终把运动力量施加到四个轴从而完成各个轴的灵 活运动，为了保护系统，分别在四个轴的适当的位置安装了限位开关，以便 检测和反馈位置信号，避免各轴超出其运动行程。电动手爪是根据具体情况设计的，它采用了电磁铁原理和四杆机构原理， 壳体釆用质量轻钢性好的硬铝合金，并对表面进行了发黑处理，两个手指由表面白色氧化的硬铝合金加工而成，手爪线圈供电电源为DC24V，运动控制 器控制继电器的线圈，手爪电源通过继电器的一对常开触点控制，当需要夹 紧物体时，上位机发出命令给运动控制器，这时继电器线圏得电，常开触点 闭合接通电源手爪动作，移动物体时这个信号处于保持状态，到达目的地时， 运动控制器接到相应的命令使手爪线圈失电，常闭触点断开从而释放物体， 控制简单，运行平稳可靠。最后，应当指出，以上实施例仅是本实用新型较有代表性的例子。显然， 本实用新型不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本实用新型的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属 于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种四自由度机械手实验系统，包括上位PC机和由其控制的四自由度机械手，其特征是在所述上位PC机通过运动控制部分控制机械手的四自由度运动，上位PC机与运动控制部分之间采用并行通讯结构；运动控制部分包括运动控制器、步进驱动器和步进电机。
专利摘要本实用新型公开了一种四自由度机械手实验系统。其上位PC机控制四自由度机械手，上位PC机通过运动控制部分控制机械手的四自由度运动，上位PC机与运动控制部分之间采用并行通讯结构；运动控制部分包括运动控制器、步进驱动器和步进电机；四自由度机械手包括底盘，底盘的盘面上设置驱动其转动的底盘步进电机，底盘上设置纵向滚珠丝杠，横向滚珠丝杠通过滑块设置在纵向滚珠丝杠上，纵向滚珠丝杠的上端设置纵向滚珠丝杠步进电机，横向滚珠丝杠的一端设置横向滚珠丝杠步进电机，横向滚珠丝杠的另一端设置电动手爪和驱动电动手爪的电动手爪步进电机。整个实验系统可以通过上位机软件的控制实现各种运动，完成所要求的教学实验。
文档编号G09B25/00GK201007874SQ20062014005
公开日2008年1月16日 申请日期2006年11月20日 优先权日2006年11月20日
发明者姚建平, 李坚坚, 郑善东 申请人:浙江天煌科技实业有限公司