【知识目标】

1.熟悉机构原理与机械传动基础知识。

2.熟悉机械设计中系统的布局及合理性。

【技能目标】

1.能使用慧鱼创意模型组装出所设计的机构。

2.能使用慧鱼创意模型编程实现所设计机构的功能。

2.5.1　实验设备

①慧鱼工业机器人Ⅱ(Fischer Industry Robots Ⅱ)组合模型包。

②慧鱼ROBO TXT 控制器。

③慧鱼控制(Fischer Technik control set)模块。

④计算机。

2.5.2　实验内容

①使用计算机及ROBO Pro 软件与接口板/传感器等实现基础模型控制方式。

②按照慧鱼创意模型使用手册中的示例,组装一种可控制机器人。

2.5.3　实验原理

1964年慧鱼创意组合模型诞生于德国,为全世界数以亿计的慧鱼用户们带来了无穷无尽的乐趣。它是一种融趣味性和知识性于一体,从学龄前儿童到高校阶段都适用的教具;一个简单如结构认识,复杂到机器人技术的工具,目前已在高校的创新设计教学中被广泛使用。

在进行机构或产品的创新设计时,往往很难判断方案的可行性,如果把全部方案的实物都直接加工出来,不仅费时费力,而且很多情况设计的方案还需模型来进行实践检验,所有不能直接加工生产出实物。同时,现代的机械设计多数是机电系统的设计,设计系统不仅包含了机械结构,还有动力、传动和控制部分,每个工作部分的设计都会影响整个系统的正常工作。全面考虑这些问题来为每个设计方案制作相应的模型,无疑成本是高昂的,甚至由于研究目的、经费或时间的因素而变为不可能,这种情况下使用慧鱼创意模型是非常有利的。

(1)慧鱼创意组合模型

慧鱼创意组合模型由各种可相互拼接的零件组成。由于模型充分考虑了各种结构、动力、控制的组成因素,并设计了相应的模块,因此,可拼装成各种各样的模型,可用于检验学生的机械结构设计和机械创新设计是否合理可行。

慧鱼创意组合模型按照功能包分类如下:

①初级组合系列。初级包/初级组合包。

②基础类组合包。飞机/乐趣汽车/起重机/拖拉机等。

③拓展类组合包。马路清扫车组合包/遥控汽车组合包/消防车等。

④创意添加组合包配件。灯泡/远红外遥控添加组/可充电电源/创意三件添加组等。

⑤专业组合包。机械与结构组合包/达芬奇机械包/气动技术包Ⅱ/电子技术包等。

⑥机器人组合包。机器人起步组合包/ROBO 移动组/ROBO 探险家机器人/启动机器人/工业机器人Ⅱ/机器人起步技术包/仿生机器人等。

⑦机器人组合包配件。智能接口板/ROBO 接口板/ROBO 接口板扩展板/ROBO 无线射频通信模块/ROBO PRO 中文版软件。

慧鱼创意组合模型按照基本构件类型,可分为机械零件、电气零件和气动零件。

①机械零件

a.结构类零件。主要起联接作用,构成结构骨架,并承受一定的作用力,为其他类型的零件提供支持。它包括方形结构件、角块、连接块、销钉、连接杆、直角梁、平板、轴及弹簧等,如图2.53 所示。

图2.53　结构类零件

b.传动类零件。主要是将马达的输出转化为各种所需的形式,并传递动力与力,如图2.54 所示。它包括齿轮、齿条、蜗杆、曲轴、铰链及齿轮箱等。

图2.54　传动类零件

②电气零件

a.传感器类。用来将外部的各种信息(接触、光电、温度)的信息转换为电信号,发送给接口板进行逻辑控制,如图2.55 所示。它包括微动开关、光敏二极管、颜色传感器、距离传感器、超声波传感器及NTC 电阻等。

图2.55　传感器类

b.执行器类。通过电信号控制,将电能转换为其他形式的能量输出,如图2.56 所示。它与传感器的功能刚好相反。它包括舵机、电灯、蜂鸣器、电磁铁及马达等。

图2.56　执行器类

c.其他类型配件。电源、传输导线和控制接口板,如图2.57 所示。

图2.57　其他类型配件

③气动零件

通过气压完成传递动力,相比于机械传动,气压传动更灵活,便于传动件的位置布置,如图2.58 所示。气动元件包括了气缸、气阀(手动、电磁阀)、软管、管接头(三通、四通)、储气罐及配件等。

图2.58　气动零件

(2)ROBO TXT 控制器

ROBO TXT 控制器是慧鱼接口板系列的第三代产品,是慧鱼创意组合模型的核心控制部分,是计算机和模型之间的通信连接部分,可把程序直接载入控制器内。它可接受传感器获得的信号,进行软件的逻辑运算、传输软件的指令来控制马达、灯泡以至整个慧鱼机器人,如图2.59 所示。

图2.59　ROBO TX 控制器

TXT 控制器的组成及参数如下:

■　处理器:32 位ARM Cortex A8 及Cortex M3。

■　存储:128 MB DDR3 RAM,64 MB Flash 内存。

■　一个Micro SD 卡插槽。

■　显示:带有2.4 in 的彩色触摸屏,分辨率320 ×240 像素。

■　通信:内置Bluetooth/Wi-Fi RF 通信模块,支持BT 2.1 EDR+ 4.0,WLAN 802.11 b/g/n。

■　内置红外无线接收模块,适用于遥控套件。

■　声音:内置扬声器。

■　接口:4 路电机输出接口,容量DC 9 V/250 mA (最高800 mA),可软件控制实现无级调速,带有短路保护,也可作为8 路单回路输出(如灯光)。

■　8 路通用输入接口,可接入DC 0~9 V 数字量或0~kΩ 模拟量。

■　4 路高频数字量输入,最高频率1 kHz。

■　接口:1 个USB2.0 计算机接口;1 个USB2.0 视觉传感器接口;1 个I2C 总线扩展接口。

■　软件:内置Linux 操作系统,支持ROBO Pro 编程软件、C 语言编译器等。

■　工作电压:DC 9 V。

(3)ROBO Pro 控制软件

ROBO Pro 软件是针对ROBO TX 控制器、ROBO 接口板的编程软件。ROBO Pro 软件使用流程图式的图框编辑过程,内含丰富成熟的程序包。方便学生只需进行简单的学习,加上已有逻辑思维能力,就可实现编制复杂程序的过程,从而可畅游于慧鱼创意世界之中。

1)ROBO Pro 用户界面

选择任务栏中“Fischer Technik ROBOTICS Terminal”程序,启动软件。在开始页面选择“SOFTWARE ROBO PRO”进入编程页面,如图2.60 所示。窗口中有一个菜单栏和工具栏,左边的窗口里面还有各种不同的编程模块。开始时,请将菜单栏“Level”选项中选中“Level 1:Beginners”。(www.daowen.com)

选择菜单栏“File”→“Open”,可在文件夹“C:\Proframs\ROBO Pro\Sample programs”中找到各种范例程序,如图2.61 所示。

图2.60　ROBO 开始界面

图2.61　打开菜单栏

2)快速硬件测试

对ROBO TXT 控制器,可用USB 连接,也可用蓝牙进行连接。与计算机连接无误后,应用工具栏中的“Test”来检查接口板和模型硬件情况,单击该图标后自动弹出检测界面,如图2.62所示。

图2.62　测试界面

该窗口显示了接口板有效的输入和输出。窗口下方的绿条显示了计算机和接口板的连接状态。正常情况下,鼠标点击界面上的输出端口或调整控制电机速度的滑块,模型上相应设备即作相应动作。

3)编程练习

请参照ROBO Pro 软件手册,进行编程练习。ROBO Pro 为用户提供了1—4 级的编程功能,用户可由浅入深地学习和熟悉各级常用的编程模块,如图2.63 所示。

图2.63　4 级编程功能

下面以三自由度机械手模型为例,示例编程过程。

按照拼装手册搭建三自由度机械手模型,如图2.64 所示。三自由度机械手是典型的工业机器人,它可在X,Y 和Z 轴3 个方向运动,模型模拟了工业生产的过程,实现物件的搬运。其中,X 轴:实现机械手水平转动;Y 轴:实现机械手伸缩;Z 轴:实现垂直方向的升降运动。

图2.64　三自由度机械手

机械手参考坐标系见表2.8。

表2.8　三自由度机械手坐标系

马达旋转方向定义如下:

①逆时针。X 轴转向接触开关。

②顺时针。X 轴远离接触开关。

现在用Teach-in 子程序来完成这个三自由度机械手的编程。Teach-in 子程序是一个用于工业模型的编程方法,可让机械手运动到任何想要的位置。这个子程序有存储记忆的功能,机械手可通过这些存储的位置信息,实现运动轨迹的重复性。

A.下载、开启程序

下载teach-in 示例程序,C:\Program Files\ROBOPro\Sample Programs\ROBO TX Automation Robots\TeachIn_TX.rpp.,如图2.65 所示。

图2.65　Tech-InOpen 菜单

启动teach-in 程序如图2.66 所示。

图2.66　启动程序

单击“panel”图标,绘制控制面板,如图2.67 所示。

图2.67　Panel 面板

B.进入控制面板(见图2.68)

■　控制机械手方向。

■　Home=回到初始位置。

■　Enter=保存当前位置。

■　Overwrite/Delete=改变出口位置。

■　Arrow keys=上一步/下一步位置。

■　Play=启动程序,机械手按照设置轨迹运动。

■　Endless=循环运动。

■　Stop=停止。

■　Pause=暂停。

图2.68　控制面板

C.停止teach-in 程序(见图2.69)

图2.69　停止程序界面

D.保存

关闭程序之前,请将运动轨迹的空间位置保存到一个“.csv”类型的文件中,如图2.70 所示。每次打开teach-in 程序时,你可重新保存这些信息,否则这些数据将被删除。

图2.70　程序保存界面

2.5.4　实验步骤

①按安装步骤完成双轴焊接机器人模型机械部分的安装。

根据实验原理,并自行拟订技术参数,搭建一款如图2.71 所示的双轴焊接机器人,要求能完成自行拟订的预期功能。相关功能与技术参数填入图2.72 与表2.9 中。

图2.71　双轴焊接机器人

②分析模型的运动,完成图2.72 及表2.9 的内容。

图2.72　运动图解

表2.9　双轴焊接机器人坐标系

③完成模型与接口板、接口板与计算机之间的连接。

④分别测试马达、开关、灯及脉冲计数器,搞清马达、灯和接触开关的作用。

⑤运行ROBO Pro 软件中给定的控制程序,或使用Teach-in 子程序进行简单编程,实现空间定位焊接,并指出如何实现在同一平面内的点、线焊接。

⑥写出实验报告:说明模型的工作原理,指出程序中是如何判断焊接机器人到达焊点位置的,修改控制程序,实现同一平面点、线焊接,附上所编程序。

2.5.5　注意事项

①在进行模型的每一步搭建前,找出该步所需的零件,然后按照拼装图将这些零件一步一步搭建上去。在每一步的搭建基础上,新增加的搭建部分用彩色显示出来,已完成的搭建部分标为白色。

②按拼装顺序一步一步操作。注意需要拧紧的地方(如轮心与轴)都要拧紧,否则模型无法正常运行。

③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到预定的起始位置。

④实验结束后,先清理所使用的模型包中零件的数量,并向实验指导教师报告模型包的完好情况,然后将模型包及实验资料锁进抽屉。

2.5.6　思考题

①是否可在三自由度机械手/焊接机器人上添加自己创新的结构并控制实现相应的功能?

②三自由度机械手程序如何控制完成有顺序的搬运工作?

③焊接机器人控制程序可实现不在同一平面内的3 个点的点焊,那么如何实现在同一平面进行点/线焊相结合?

④焊接机器人程序如何控制电焊头到指定焊点位置?定位子程序和焊接子程序之间通过哪个接口量进行连接?