圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，包括底座、旋转定位装置、轴径向移动定位装置、手爪旋转拾取装置和PLC控制器；轴径向移动定位装置的横轴和竖轴组成本机械手的手臂，通过圆柱坐标空间位移方式控制底座的转角、手臂的伸缩半径及其升降高度，在机械手的腕部还可以控制手爪的回转角，这样机械手在空间可实现四自由度的位移，非常方便地完成所需执行的任务，在每个自由度位移机构上都设有传感器，用来限制机械手的动作范围及进行限位保护。本实用新型机械手结构简单，通过PLC控制器驱动步进电机、直流电机、电磁阀和气动装置，并借助传感器对机械手的各自由度进行控制，可方便、准确地实现对机械手的位置控制。
【专利说明】圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及检测技术、电气控制【技术领域】，具体是涉及一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统。
【背景技术】
[0002]机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动，以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全；因此，在工业生产中得到了广泛应用。目前，现有技术中的机械手一般为直角坐标式结构，通过竖轴、横轴和纵轴三个自由度的直线运动实现机械手的空间移动和操作。缺少一种结构简单、性能好、可靠性高，且能够限制机械手各自由度动作范围及进行限位保护的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统。
【发明内容】
[0003]为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，通过PLC控制器的控制能够在空间实现四自由度的位移，非常方便地完成所需执行的任务，且能够准确限制机械手各自由度的动作范围及进行限位保护，且结构简单、性能好、灵活通用、可靠性高。
[0004]本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0005]一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，包括底座、旋转定位装置、轴径向移动定位装置、手爪旋转拾取装置和PLC控制器；旋转定位装置包括设于底座上能够相对底座周向转动的底盘和固设于底座上驱动底盘周向转动和定位的底盘直流电机；轴径向移动定位装置包括固接于底盘上的竖轴、滑动设于竖轴上的滑座、设于竖轴背向底座的一端的驱动滑座沿竖轴移动和定位的竖轴步进电机、滑动设于滑座上的横轴和设于横轴一端的驱动滑座沿横轴移动和定位的横轴步进电机；手爪旋转拾取装置包括固设于横轴另一端的手爪、驱动手爪周向转动和定位的手爪直流电机和驱动手爪夹紧和松开的气动装置；底盘直流电机、竖轴步进电机、横轴步进电机、手爪直流电机和气动装置分别与PLC控制器电连接；靠近竖轴的两端，竖轴上设有第一微动开关和第二微动开关；竖轴步进电机和横轴步进电机通过步进电机驱动器分别与PLC控制器的对应的输出端电连接，底盘直流电机和手爪直流电机通过中间继电器分别与PLC控制器的对应的输出端电连接；手爪通过电磁阀与PLC控制器对应的输出端电连接；第一、第二微动开关与PLC控制器对应的输入端电连接。
[0006]作为本实用新型的进一步改进，靠近横轴的两端，横轴上设有第三微动开关和第四微动开关，第三、第四微动开关与PLC控制器对应的输入端电连接。
[0007]作为本实用新型的进一步改进，底座中部周向间隔设有用于限制底盘周向转动范围的第一接近开关和第二接近开关，第一、第二接近开关与PLC控制器对应的输入端电连接。[0008]作为本实用新型的进一步改进，设有一呈L型的固定块，固定块包括水平固定部和垂直固定部，水平固定部固设于横轴背向横轴步进电机的一端，垂直手爪直流电机固设于垂直固定部上，垂直固定部上周向间隔设有用于限制手爪周向转动范围的第三接近开关和第四接近开关，第三、第四接近开关与PLC控制器对应的输入端电连接。
[0009]作为本实用新型的进一步改进，底盘上方设有一旋转码盘，旋转码盘包括一小圆盘和一设于小圆盘周边的光电传感器，靠近小圆盘的边缘处等距间隔设有若干个小孔，小圆盘下方固连一被动齿轮，底盘下方固连一主动齿轮，被动齿轮与主动齿轮哨合，底盘直流电机的动力输出轴与主动齿轮固接，光电传感器与PLC控制器电连接。
[0010]作为本实用新型的进一步改进，竖轴步进电机通过设于竖轴内的第一滚珠丝杆组件驱动滑座沿竖轴移动和定位，横轴步进电机通过设于横轴内的第二滚珠丝杆组件驱动滑座沿横轴移动和定位。
[0011]作为本实用新型的进一步改进，另设有一用于控制手爪夹紧与松开的电磁阀，电磁阀通电时，手爪张开；电磁阀失电时，手爪夹紧。
[0012]作为本实用新型的进一步改进，设有急停按钮、手动/自动转换开关、自动开始按钮、竖轴步进电机手动控制按钮、横轴步进电机手动控制按钮、底盘直流电机手动控制按钮、手爪直流电机手动控制按钮和手爪动作手动按钮。
[0013]本实用新型的有益效果是:本实用新型提供一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，通过PLC控制器控制底盘直流电机驱动底盘周向转动、控制竖轴步进电机驱动滑座相对竖轴轴向移动和定位、控制横轴步进电机驱动滑座相对横轴径向移动和定位，能够实现机械手在圆柱坐标内三自由度自动运行，通过PLC控制器控制手爪直流电机驱动手爪周向旋转，控制气动装置驱动手爪夹紧和松开，能够实现机械手在另一自由度自动运行。且通过第一、第二微动开关能够限制机械手滑座在竖轴上的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。本实用新型上述结构简单、通过直流电机和步进电机驱动性能好、灵活通用、可靠性高，通过微动开关(位置传感器)能够实现限制对机械手的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护的目的。较佳的，通过在靠近横轴的两端设有第三微动开关和第四微动开关，能够限制机械手滑座在横轴上的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。较佳的，通过在底座中部周向间隔设有用于限制所述底盘周向转动范围的第一接近开关和第二接近开关，能够限制机械手底盘的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。较佳的，设有固定块，通过在固定块周向间隔设有用于限制所述手爪周向转动范围的第三接近开关和第四接近开关，能够限制机械手手爪的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。较佳的，通过光电传感器采集小圆盘上小孔的信号，通过PLC控制器接收来自光电传感器的脉冲信号，进而控制底盘直流电机运转，能够实现旋转码盘对机械手底盘的转角定位功能。较佳的，由横轴和竖轴组成机械手的手臂，分别由横轴、竖轴步进电机驱动对应的滚珠丝杠组件，完成手臂的伸缩半径和手臂的升降高度的改变。较佳的，手爪的夹紧与松开由一个单线圈双位置电磁阀控制，当电磁阀线圈通电时，手爪张开；当线圈失电时，手爪夹紧。这样，能够防止突然停电时夹持物体掉落。综上，本实用新型控制系统通过PLC控制器对机械手每个自由度的电机控制来完成特定动作，同时接收位置传感器(微动开关或接近开关)反馈的信息，形成稳定的闭环控制。采用了 PLC控制器进行数字运算操作，达到了自动化的要求，具有结构简单、性能好、易于编程、灵活通用、可靠性高等一系列特性，因此能够广泛用于工业控制系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型中机械手结构示意图；
[0015]图2为本实用新型控制系统原理的示意图；
[0016]图3为本实用新型中步进电机驱动器原理示意图；
[0017]图4为本实用新型中直流电机原理示意图；
[0018]图5为本实用新型中旋转码盘示意图；
[0019]图6为本实用新型控制系统自动工作流程图。
[0020]结合附图，作以下说明:
[0021]I—底座11—第一接近开关
[0022]12——第二接近开关 2——旋转定位装置
[0023]21——底盘22——底盘直流电机 [0024]3——轴径向移动定位装置31——竖轴
[0025]311—第一微动开关 312——第二微动开关
[0026]32——滑座33——竖轴步进电机
[0027]34—横轴341——第三微动开关
[0028]342—第四微动开关 35——横轴步进电机
[0029]4——手爪旋转拾取装置 41——手爪
[0030]42——手爪直流电机 5——固定块
[0031]51-7jC平固定部 52-垂直固定部
[0032]521—第三接近开关 522——第四接近开关
[0033]61——小圆盘62——光电传感器
[0034]63-小孔
【具体实施方式】
[0035]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0036]如图1和图2所示，一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，包括底座
1、旋转定位装置2、轴径向移动定位装置3、手爪旋转拾取装置4和PLC控制器；所述旋转定位装置包括设于所述底座上能够相对所述底座周向转动的底盘21和固设于所述底座上驱动所述底座周向转动和定位的底盘直流电机22;轴径向移动定位装置包括固接于所述底盘上的竖轴31、滑动设于所述竖轴上的滑座32、设于所述竖轴背向所述底座的一端的驱动所述滑座沿所述竖轴移动和定位的竖轴步进电机33、滑动设于所述滑座上的横轴34和设于所述横轴一端的驱动所述滑座沿所述横轴移动和定位的横轴步进电机35 ;手爪旋转拾取装置包括固设于所述横轴另一端的手爪41、驱动所述手爪周向转动和定位的手爪直流电机42和驱动所述手爪夹紧和松开的气动装置；靠近竖轴的两端，竖轴上设有第一微动开关311和第二微动开关312 ;竖轴步进电机和横轴步进电机通过步进电机驱动器分别与PLC控制器的对应的输出端电连接，底盘直流电机和手爪直流电机通过中间继电器分别与PLC控制器的对应的输出端电连接；手爪通过电磁阀与PLC控制器对应的输出端电连接；第一、第二微动开关与PLC控制器对应的输入端电连接。这样，通过PLC控制器控制底盘直流电机驱动底盘周向转动、控制竖轴步进电机驱动滑座相对竖轴轴向移动和定位、控制横轴步进电机驱动滑座相对横轴径向移动和定位，能够实现机械手在圆柱坐标内三自由度自动运行，通过PLC控制器控制手爪直流电机驱动手爪周向旋转，控制气动装置驱动手爪夹紧和松开，能够实现机械手在另一自由度自动运行。且通过第一、第二微动开关能够限制机械手滑座在竖轴上的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。上述结构简单、通过直流电机和步进电机驱动性能好、灵活通用、可靠性高，通过微动开关(位置传感器)能够实现限制对机械手的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护的目的。
[0037]优选的，靠近所述横轴的两端，所述横轴上设有第三微动开关341和第四微动开关342，第三、第四微动开关与PLC控制器对应的输入端电连接。这样，通过第三、第四微动开关反馈位置信号给PLC控制器，PLC控制器进而控制横轴步进电机，能够限制机械手滑座在横轴上的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。
[0038]优选的，底座中部周向间隔设有用于限制所述底盘周向转动范围的第一接近开关11和第二接近开关12，所述第一、第二接近开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。这样，通过第一、第二接近开关反馈位置信号给PLC控制器，PLC控制器进而控制底盘直流电机，能够限制机械手底盘的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。
[0039]优选的，设有一呈L型的固定块5，所述固定块包括水平固定部51和垂直固定部52，所述水平固定部固设于所述横轴背向所述横轴步进电机的一端，所述垂直手爪直流电机固设于所述垂直固定部上，所述垂直固定部上周向间隔设有用于限制所述手爪周向转动范围的第三接近开关521和第四接近开关522，所述第三、第四接近开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。这样，通过第三、第四接近开关反馈位置信号给PLC控制器，PLC控制器进而控制手爪直流电机，能够限制机械手手爪的动作范围，从而达到对机械手进行限位保护目的。
[0040]优选的，参见图5，所述底盘上方设有一旋转码盘，所述旋转码盘包括一小圆盘61和一设于所述小圆盘周边的光电传感器62，靠近所述小圆盘的边缘处等距间隔设有若干个小孔63，所述小圆盘下方固连一被动齿轮，所述底盘下方固连一主动齿轮，所述被动齿轮与所述主动齿轮啮合,所述底盘直流电机的动力输出轴与所述主动齿轮固接,所述光电传感器与所述PLC控制器电连接。这样，通过光电传感器采集小圆盘上小孔的信号，通过PLC控制器接收来自光电传感器的脉冲信号，进而控制底盘直流电机运转，能够实现旋转码盘对机械手底盘的转角定位功能。
[0041]优选的，所述竖轴步进电机通过设于所述竖轴内的第一滚珠丝杆组件驱动所述滑座沿所述竖轴移动和定位，所述横轴步进电机通过设于所述横轴内的第二滚珠丝杆组件驱动所述滑座沿所述横轴移动和定位。这样，由横轴和竖轴组成机械手的手臂，分别由横轴、竖轴步进电机驱动对应的滚珠丝杠组件，完成手臂的伸缩半径和手臂的升降高度的改变。
[0042]优选的，另设有一用于控制所述手爪夹紧与松开的电磁阀，所述电磁阀通电时，所述手爪张开；所述电磁阀失电时，所述手爪夹紧。具体实施时，手爪的夹紧与松开由一个单线圈双位置电磁阀控制，当电磁阀线圈通电时，手爪张开；当线圈失电时，手爪夹紧。这样，能够防止突然停电时夹持物体掉落。
[0043]综上，本实用新型控制系统通过PLC控制器对机械手每个自由度的电机控制来完成特定动作，同时接收对应位置传感器(微动开关或接近开关)反馈的信息，形成稳定的闭环控制。采用了 PLC控制器进行数字运算操作，达到了自动化的要求，具有结构简单、性能好、易于编程、灵活通用、可靠性高等一系列特性，因此能够广泛用于工业控制系统。
[0044]具体实施时,机械手横轴、竖轴分别用I台步进电机控制，步进电机带动滚珠丝杠作为机械手横向、纵向进给；底盘、手爪分别用I台直流电机控制，通过直流电机的正、反转完成底盘、手爪的周向转动，手爪的夹紧与松开由一电磁阀控制气动装置完成。PLC控制器可采用松下FPO - C32T主控单元及FPO — E16RS扩展单元，操作信号和位置传感器作为PLC控制器的输入，共有2 I个，分别是急停按钮SB0、手动/自动转换开关SA、自动开始按钮SB1、各电机的手动控制按钮SB2-SB9、手爪动作手动按钮SB10、四自由度各位移的位置信号SQ1-SQ8和光电传感器(旋转编码器)脉冲信号；电机和电磁阀等执行兀件作为PLC输出，共有9个，分别是控制横轴和竖轴步进电机速度与方向的步进脉冲与方向电平、控制底盘电机和手爪电机的正、反转中间继电器KAl、KA2和KA3、KA4以及控制手爪气动装置的电磁阀YV。步进电机可选二相八拍混合式步进电机，步距角为0.9° /1.8°。步进电机驱动器用于把控制系统的PLC控制器发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发I个脉冲信号，通过步进电机驱动器使步进电机旋转一步距角。步进电机驱动器主要包括电源输入部分(DC+、DC-)、信号输入部分(步进脉冲、方向电平、脱机电平、公共阳端)和输出部分(A十、A —、B +、B —),参见图3,步进电机驱动器原理图；步进电机驱动器信号输入有4路信号，即接PLC控制器的输出继电器YO (或Yl)的步进脉冲信号、接PLC控制器的输出继电器Y2(或Y3)的方向电平、系统悬空不接的脱机电平和外接24 V电源的公共阳端；步进电机驱动器的输出部分与步进电机的A+、A—、B +和B —连接,机械手控制系统的底盘直流电机、手爪直流电机可选24 V永磁直流电机，型号，用于控制它的中间继电器电路相同，参见图4所示。
[0045]本实用新型圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统的工作原理如下:
[0046]首先，机械手先行复位，即不论机械手原来在什么位置，都要先回到初始位置，为机械手开始动作做准备。机械手初始位置状态为:机械手臂处于右极限状态(第三微动开关)和上极限状态(第一微动开关)，底盘处于回位状态(底盘正转限位，第一接近开关)，手爪处于回位状态(正转限位，第三接近开关)，且手爪夹紧。工作时，机械手手臂前伸至所需位置，手爪反转至要求取货位置，手爪张开，机械手臂(横轴)下降至物品处，手爪夹紧物品，机械手臂(横轴)上升将物品拿起，机械手臂收回(以免运行中与其他设备相撞)，底盘反转至相应出货位置，机械手臂前伸到位后，手爪正转到位，手臂下降到位后，手爪张开将物品放下，机械手臂上升到位，手爪夹紧。至此，一个工作周期结束，完成一个物品的两地搬运。
[0047]图6是本实用新型圆柱坐标式四自由度机械手控制系统自动工作时流程图；根据工艺要求，机械手工作时有时要求作手动调整，所以，设置了手动与自动两种控制方式，并在系统设计中设置了急停、终端保护等环节，确保工作的安全性。
[0048]综上，由横轴和竖轴组成本实用新型机械手的手臂，分别由步进电机驱动滚珠丝杠组件，完成手臂的伸缩半径和手臂的升降高度改变。手爪的夹紧与松开由一单线圈双位置的电磁阀控制，当电磁阀线圈通电时，手爪张开；当线圈失电时，手爪夹紧，以防止突然停电时夹持物体掉落。由手爪直流电机控制本实用新型机械手手爪的周向转动，手爪直流电机驱动手爪，可做正反向周向转动，具体转动角度可设定为± 2 7 0 °的转动。整个机械手在底盘的带动下，由底盘直流电机驱动，具体转动角度可设定为± 2 7 0 °的周向转动。在每个自由度位移机构上都设有传感器(微动开关或接近开关)，用来限制机械手的动作范围及进行限位保护，其中，手臂伸缩和升降用微动开关作限位保护，手爪转动和底盘摆动用接近开关做位置检测。因此，本实用新型机械手通过圆柱坐标空间位移方式控制底座的转角、手臂的伸缩半径及其升降高度，在机械手的腕部还可以控制手爪的回转角，这样机械手在空间可实现四自由度的位移，非常方便地完成所需执行的任务。且本实用新型控制系统采用功能强大、可靠性高的PLC控制器，通过PLC控制器驱动步进电机、直流电机、电磁阀和气动装置，并借助传感器对机械手的各自由度进行控制，可方便、准确地实现对机械手的位置控制。
[0049]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:包括底座(1)、旋转定位装置(2 )、轴径向移动定位装置(3 )、手爪旋转拾取装置(4 )和PLC控制器；所述旋转定位装置包括设于所述底座上能够相对所述底座周向转动的底盘(21)和固设于所述底座上驱动所述底座周向转动和定位的底盘直流电机(22);轴径向移动定位装置包括固接于所述底盘上的竖轴(31)、滑动设于所述竖轴上的滑座(32)、设于所述竖轴背向所述底座的一端的驱动所述滑座沿所述竖轴移动和定位的竖轴步进电机(33)、滑动设于所述滑座上的横轴(34)和设于所述横轴一端的驱动所述滑座沿所述横轴移动和定位的横轴步进电机(35);手爪旋转拾取装置包括固设于所述横轴另一端的手爪(41)、驱动所述手爪周向转动和定位的手爪直流电机(42)和驱动所述手爪夹紧和松开的气动装置；靠近所述竖轴的两端，所述竖轴上设有第一微动开关(311)和第二微动开关(312);所述竖轴步进电机和所述横轴步进电机通过步进电机驱动器分别与所述PLC控制器的对应的输出端电连接，所述底盘直流电机和所述手爪直流电机通过中间继电器分别与所述PLC控制器的对应的输出端电连接；所述手爪通过电磁阀与所述PLC控制器对应的输出端电连接；所述第一、第二微动开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:靠近所述横轴的两端，所述横轴上设有第三微动开关(341)和第四微动开关(342)，所述第三、第四微动开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:所述底座中部周向间隔设有用于限制所述底盘周向转动范围的第一接近开关(11)和第二接近开关(12)，所述第一、第二接近开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。
4.根据权利要求 3所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:设有一呈L型的固定块(5)，所述固定块包括水平固定部(51)和垂直固定部(52)，所述水平固定部固设于所述横轴背向所述横轴步进电机的一端，所述垂直手爪直流电机固设于所述垂直固定部上，所述垂直固定部上周向间隔设有用于限制所述手爪周向转动范围的第三接近开关(521)和第四接近开关(522)，所述第三、第四接近开关与所述PLC控制器对应的输入端电连接。
5.根据权利要求1所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:所述底盘上方设有一旋转码盘，所述旋转码盘包括一小圆盘(61)和一设于所述小圆盘周边的光电传感器(62)，靠近所述小圆盘的边缘处等距间隔设有若干个小孔(63)，所述小圆盘下方固连一被动齿轮，所述底盘下方固连一主动齿轮，所述被动齿轮与所述主动齿轮啮合，所述底盘直流电机的动力输出轴与所述主动齿轮固接，所述光电传感器与所述PLC控制器对应的输入端电连接。
6.根据权利要求1所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:所述竖轴步进电机通过设于所述竖轴内的第一滚珠丝杆组件驱动所述滑座沿所述竖轴移动和定位，所述横轴步进电机通过设于所述横轴内的第二滚珠丝杆组件驱动所述滑座沿所述横轴移动和定位。
7.根据权利要求1所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:另设有一用于控制所述手爪夹紧与松开的电磁阀，所述电磁阀通电时，所述手爪张开；所述电磁阀失电时，所述手爪夹紧。
8.根据权利要求1所述的圆柱坐标式四自由度限位保护机械手控制系统，其特征在于:设有急停按钮、手动/自动转换开关、自动开始按钮、竖轴步进电机手动控制按钮、横轴步进电机手动控制按钮、底盘直流电机手动控制按钮、手爪直流电机手动控制按钮和手爪动作手 动按钮。
【文档编号】B25J9/04GK203818138SQ201420200169
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】应明峰, 刘利娟, 周黎英, 张静, 张玉 申请人:金陵科技学院