机器人综合创新设计与实践.ppt

授课教师：肖晓萍办公室：东7A-807联系电话-mail:xxp8108,机器人综合创新设计与实践,-慧鱼机器人,讲课内容,一、目的二、慧鱼构件及主体功能三、慧鱼模型包主要组件的功能及使用四、熟悉fischer模型包的步骤五、典型案例的分析六、实践内容,一、目的,使机械、电子、计算机专业类的学生通过创意实践，对机电一体化形成整体概念，掌握有关机电一体化技术的基本理论知识和设计方法，经历从设计到完成机电一体化系统装置的整个过程，能够提高学生综合运用各门知识、解决实际问题的能力，并在实践中培养创新能力、想象力和科学技能。,1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。,二、慧鱼实验装置及主体功能,主体：1、机械构件包括：齿轮、齿条、连杆、链条、履带、蜗轮、蜗杆、曲轴、齿轮箱及构筑零件等；2、气动构件包括：储气罐、压缩气缸、气管、气管联接头、弹簧等；3、电气构件包括：智能接口板、马达、9V直流电源、传感器（光敏、热敏、磁敏、电位器、接触开关）、单向阀、电磁铁、发光管；,4、软件包括：LLwin3.02编程软件由于模型包的这些构件基本涵盖了机电一体化系统应该包含的要素，如机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感器测试部分、控制及信息处理部分，所以用这些构件可以拼装成一个工程技术模型，且模型控制方式可以通过智能接口板实现计算机控制。,三、慧鱼模型包主要组件的功能及使用,1、智能接口板,自带微处理器四路马达输出用LLWin编程八路数字信号输入程序可在线和下载操作二路模拟信号输入通过RS232串口与电脑连接,使用智能接口板必须注意的事项（1）智能接口板上的输入、输出口的接线之间不允许短路；（2）拨插智能接口板上的接线前，先行将智能接口板上的9V直流电源断开；（3）在正式运行程序前首先联接与微机通讯的信号线，再接通智能接口板的9V直流电源。,2、构件,构件材料：优质尼龙塑胶辅料：合金铝、不锈钢芯连接方式：燕尾槽插接，可实现六面拼装，多次拆装,块与块的连接,把榫头滑入槽中就将块与块连接起来,T形连接器可以把槽变成榫头,连接条使块与块、面与面连接,用垫片和弹性圈固定轴,轴与轴的相连,使两个轴相连,结构物件的连接,插入旋转钉来连接条状结构件,轮子的构筑,螺母,抓套,把抓套装在轴上把轮子放在抓紧套上旋紧螺母,紧固单元,链条,链条的长度可以自由选择，只要把组成链条的小部件卡上就行，扭动链条部件即可拆卸,块与齿条的连接,蜗轮和蜗杆,带有蜗轮和蜗杆的齿轮箱,模型拼装范例：马达驱动的转台,四、熟悉fischer模型包的步骤,在实现你的创意之前，有必要学会熟练使用fischer模型包的各种零件。,1、针对所选用的模型包类型，根据实验室提供的模型范例拼装图册检查所用模型包内零件的完整性，同时掌握智能接口板的使用方法、传感器的工作原理；2、根据ExperimentalRobot或ProfiSensoric或PneumaticRobot图册中所提供的范例，选定一个模型作为拼装练习。在拼装练习前，看一下该模型的最后完成图，以便对模型有总体概念；3、在进行模型的每一步搭建之前，找出该步所需的零件，然后按照拼装图把将这些零件一步一步搭建上去。在每一步的搭建基础上，新增加的搭建部件将用彩色显示出来，已完成的搭建部分标上白色；,4、按拼装顺序一步一步做。注意需要拧紧的地方（比如说轮心与轴）都要拧紧，否则模型就无法正常运行；5、模型完成后，检查所有部件是否正确连接，使模型动作无误。将执行构件或原动件调整在预定的起始位置；,6、借助LLWIN3.02软件使用指导书，学习所介绍的程序范例来迅速掌握LLWin软件的作用。做完上述几步后，你就可以熟练利用fischer模型进行创意设计了。,优秀作品分析,五、典型案例分析,目录,一、智能车库二、养殖厂自动上料线三、六足测绘机器人四、全自动洗瓶、灌装机生产线的设计五、机械零件柔性加工与传送站六、ATM自动取款机,一、智能车库,1、设计背景及其意义,随着社会的发展，时代的进步，汽车逐渐成为了普通消费品然而交通拥堵，车位紧张在各大城市中凸显出来。车位的奇缺给人们出行带来了不便，同时也影响了车流的顺畅。现有车位占地过大，存车的安全性较低，这成为社会关注的一大焦点。如何科学用地，有效安置日益增多的车辆，并做到存取安全、便捷已成为一个急需解决的问题。智能车库解决了这个问题，可以在很小面积的土地上建立一个相当规模的停车场，为车主提供便利，而且也节省了土地资源。,2、作品的功能,图1.智能车库,在存车时，将对应车位的智能卡插入智能识别读卡器中，控制中心读取卡中的信息，进行判断车位，发出指令，将停车板取下，把车停在停车板上，然后按下存车按钮，车就会自动地存入指定的车位。取车也是同样的原理，当取停车板的时候就将车取下来了，把车开走，然后按下存按钮，停车板就会自动存入原来的车位。,3、作品的结构智能车库主要由智能识别读卡器、旋转机构、伸缩机构、以及升降机构组成，由慧鱼智能接口板进行控制。,图2.智能识别读卡器,智能识别读卡器由光电感应系统和继电器组成。当插入智能卡时，在智能读卡机底部的继电器E4处于1状态，启动主程序。然后智能读卡机通过判断4组光电感应元件的不同组合的，读取卡上的信息，以此来判断指定车位，并选择相应的程序实现“取”（存车时是取停车板）操作，等待车的存取准备就绪后按下E5，继续执行“存”（取车时是存取下的停车板）操作。,图4.伸缩机构,旋转机构是由蜗轮与蜗杆构成。电机M3将动力通过减速箱传递给蜗杆，蜗杆再将动力传递给与旋转电梯固定的蜗轮，使蜗轮与电梯架同步转动，而且在旋转电梯下方安装继电器E3，与地面上定位标组成旋转定位装置，通过指定的程序进行控制，以达到转动到指定的存取方位。,伸缩机构是由升降平台和伸缩平台组成。电机M2通过减速箱将动力传给齿轮，齿轮与齿条相互配合，并由M2的正反转控制伸缩平台的伸缩。伸缩的距离由程序通过定时控制。,图3.旋转机构,图6.车位布置,图5.升降机构,车位由均匀的布置在存取机构的周围的8个车位构成，分为底层、二层、三层，底层车位不需要存取机构，直接存取。车位采取环行布置，极大的利用有限的面积，实现最大的存取容量。,升降机构由升降平台和电机、齿条组成。电机M1通过减速箱将动力传给齿轮，齿轮与齿条相互配合，由M1的正反转实现升降运动。而且在升降平台上安有继电器E2与旋转电梯架上的定位标组成层数定位装置，通过指定的程序进行控制，以达到升降到指定的层数。,（1）构思新颖巧妙智能车库以如何利用有限的土地资源扩大车位量，并保证安全，便捷的存取车为切入点，将传统的地面/地下单层车库改装为多层存车库，每层采用环绕式结构，充分利用空间，扩展了车位。（2）采用智能识别系统智能车库设计识别读卡器，实现了一车一位一卡，自动化程度高，保证了安全便捷的存取车。,4、作品的创新点,智能车库结构简单，安装方便，定位精准，功能全面，存储量大，布局美观大方，设计人性化，系统稳定，存取便捷。正是由于作品具有以上特点，具有很大的市场应用前景。诸如：市中心、生活小区、商业区、医院等车位比较紧张的场所可以优先考虑本作品的设计方案，以此缓解车位紧张的状况。,5、作品的应用前景,二、养殖厂自动上料线,1、设计背景及其意义,当前科技发展日新月异，各种机械产品以及一些生产线均由从前的纯机械加人力操作向自动化、智能化发展。随着养殖业的发展，国内各种家禽养殖场也如雨后春笋般崛起，但这些家禽的养殖基本全靠人力，尤其是饲喂，需耗大量的劳动力而且费时间，效率不高，这就加大了业主的成本，而且员工的管理也是一大问题。如果有一种全自动的生产线能实现家禽的自动饲喂，那将会大大降低成本，为业主创造更高的利润。养殖厂自动上料线则针对这一目标，希望能为广大养殖户服务，为他们创造更多的利润。,2、作品的功能,储料：饲料由滑槽滑到拌料桶中，到一定量时触发光感系统，光感系统接收到信号后将信号传给饲料储备仓仓门，仓门自动关闭。搅拌：拌料桶在曲柄摇杆机构的控制下转过特定的角度使拌料桶的口正对搅拌器的搅拌叶片，与此同时，搅拌器下降将其叶片插入到拌料桶中并开始搅拌；搅拌一定时间后叶片停止转动，搅拌停止。搅拌器上升将其叶片从拌料桶中提出，完全提出后停止上升。,图1.养殖厂自动上料线,养殖厂自动上料线系统运行过程分为三步：储料，搅拌和送料。,送料：储料桶将搅拌好的饲料倒在大传送带上，然后拌料桶回到初始位置，同时大传送带开始运转将饲料送到储料桶中后停止。此时天车启动，沿轨道走到饲料槽的一端后停止，同时储料桶的仓门打开，天车沿饲料槽运行，这时储料桶中的饲料就通过小传送带均匀地撒到第一排饲料槽的第一层中。撒到一层饲料槽的尽头后天车停止，同时储料桶仓门关闭。第二层送料与第一层相似。,养殖厂自动上料线由送料系统、搅拌加工系统、上料系统组成。,3、作品的结构,图2.送料系统,送料系统由饲料储备仓、滑槽、拌料桶组成。饲料储备仓可依据家禽的食量和数量储备适当的饲料，饲料可通过滑槽送到拌料桶，拌料桶上有感光器，储料仓上带有电动门，它们构成一套光感系统；当拌料桶中的饲料到达一定量时，光感系统可控制电动门关闭，停止送料。,搅拌加工系统由曲柄摇杆机构、搅拌器、大传送带组成。搅拌器可将拌料桶中的饲料进行搅拌加工以适合不同种家禽的饲养（实际上可将各种添加剂加到拌料桶中）。本作品中选用玉米为饲料。,图3.搅拌加工系统,上料系统由天车、储料系统（带仓门）、小传送带组成。拌料桶中的饲料可通过曲柄摇杆机构送到大传送带上，再由大传送带送到储料桶中，在天车和仓门的配合下可将饲料均匀撒到饲料槽中。,图4.上料系统,4、作品的创新点,(1)拌料桶采用摇杆机构较好实现了装料、拌料、倒料三个位置的处理，模型运行流畅。(2)用简单的结构实现了较复杂的功能。(3)模型采用玉米作为实验材料，虽然其颗粒较小，漏料问题不可避免，但通过安装防护挡片，准确定位各部件和使模型的稳定运行较好地解决了这一问题，经过多次实验，漏料率能控制在十分之一以内。,该产品在程序控制下完全可以完成家禽的饲喂工作，可以提高工作效率，大大降低成本，为业主创造更多的利润。从长远看，如果该产品添加一些附件或改变一下程序，它就可能完成更为复杂的工作。如判断什么时候喂料最合适，在饲喂前对饲料做进一步的处理等。这样产品的自动化程度就会进一步提高，使本产品功能更加完善。,5、作品的应用前景,三、六足测绘机器人,1、设计背景及其意义,目前的地质测绘主要还是靠人工完成。但是，此类工作所具有的危险性和不可预知性较大，使用机器人代替人完成此项工作则很有必要。现有的主流越野机器人中，足式机器人在复杂地形中的表现要优于轮式或履带式机器人。因此，设计者将足机器人用于复杂地形的测绘，以解决上述问题。,2、作品的功能,由于六足机器人具备一定的运载能力，且具备较强的越障和爬坡能力，而车身没有大的起伏，能真正做到“如履平地”。因此将六足步行式机器人和地质测绘有机的结合起来，用来完成有一定危险性或较为复杂地形内的测绘工作。,3、作品的结构,六足测绘机器人由机身及六条机械腿构成，全部采用慧鱼结构件组装，并由智能接口板进行控制。,六足测绘机器人的主要动作由单腿行走，移动步伐，转向动作及绘图部分组成。,采用六足步行模式，每条腿可以实现上下及水平转向两个动作。单腿移动的分解动作如图：,（1）单腿行走：,（2）移动步伐：,红色的部分表示该回合着地的腿。黑色的为该回合结束后该腿所在位置。在回合六结束后，同时使六条腿水平转动，从而将机身向前移动，结束一个循环节。循环运动实现向前的移动。此种步伐避免了整体结构强度和实际使用中可能出现的损坏（例如某一调腿失灵）。系统效率较低但是可靠性较高。,（3）转向动作：,通过小角度水平转动L1、R1、L3、R3，在此期间通过L2、R2支撑，实现转向。,（4）绘图部分：,目前通过测量每条腿与机身水平面的相对高度，由计算机后台程序计算处理后以图表的形式输出。,地形图表,（1）构思新颖，作品利用步行机器人越野能力强这一重要特点，将其作为平台，在其上架设各种设备用于地质勘探，完成一些例如探测喷发中的火山等一些不适合人类完成的任务，将人从较为危险的工作中解脱出来。（2）六足测绘机器人基本不受时间的限制，可作为连续的数据采集终端，为研究者提供方便,成为一个理想的地质勘探平台。,4、作品的创新点,在航空航天领域，通常会应用机器人来对地势地貌进行探测，如月球表面探测器等。六足测绘机器人则做了相当的尝试，在危险地段或是复杂地域内应用六足机器人来完成测绘任务，这也有很大的应用前景。在日后的改进中可考虑增加固气液体标本的采集功能，以及环境温度的监测等功能，从而真正实现“一机多用”。,5、作品的应用前景,四、全自动洗瓶、灌装机生产线的设计,全自动洗瓶、灌装机生产线巧妙地利用重力实现瓶子的进入流水线和运动状态的改变，利用摩擦力将瓶子外表面擦拭干净，利用光感元件实现工艺动作的自动化，合理地分配空间，使得平面占地较小，结构设计考虑到了机构刚度问题，紧凑、合理。,作品简介：,图1.全自动洗瓶、灌装机生产线,五、机械零件柔性加工与传送站,作品简介：,根据常用零件加工工艺的工序与流程，“机械零件柔性加工与传送站”模型在计算机控制下，实现了对常用机械零件的车、钻、等多道加工工序的模拟与传送工作；系统中采用了慧鱼模型的气动、电动等多种驱动方式；利用了传感器进行信号的采集与处理，体现了控制的多样性，达到了良好的控制效果。,图1.机械零件柔性加工与传送站,六、ATM自动取款机,“自动取款机模型”模拟现实中的自动取款机，可以实现实际取款机的大部分内容。1.自动吸卡、吞卡，判断卡是否有效，判断密码，根据输入金额自动输出相应钱数。2.显示卡内当前的余额，动态显