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新突破 | 跨学科创新为机械手带来“新生命”

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-13  来源:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司  浏览次数:48
    迄今为止,机械手在工业生产中的应用仅限于通过两指或三指夹具来执行相对简单的操作,它们无法完成更为精细的任务,因为现有技术还有待提升。
    随着微电子学与微机械学跨领域研究的发展,相关技术也在不断进步。因此,基于人体手指和关节特征的可单独控制的机械手将迎来更多突破,可能很快就会在工业领域日常操作中使用。
    新一代机械手迎来新突破
    人的手指是自然界最通用的工具之一,这也是为何研究人员希望将其优势设计到新一代机械手中。
 
 
    目前,德国航空航天中心(DLR)和哈尔滨工业大学(HIT)已展开合作,他们将借助微型执行器和高性能总线技术来开发类似于人手的机械手。
    这类机械手至少需要使用四根手指的能力和灵巧性:其中三根手指可使机械手抓住圆锥形零件,拇指则用作支撑。因此,新的机械手由三根手指组成,每根手指有四个关节及三个自由度,第四根手指设计为拇指,具有四个自由度。
    通过该解决方案执行的各项运动需根据实际情况进行控制和监视,在这种情况下,控制系统的基本功能是高性能信息通道,尤其是在执行复杂任务时。因此,在进行大批量处理时,时间至关重要。
    研究机构还在机械手中集成了具有实时功能的25Mbps高速总线,这是专门针对该类应用开发的。
    用于“神经”的总线技术
    过去,人们通常使用电缆拉线来移动机械手,而现代微工程技术能在手指上直接安装电机。这种情况需为控制处理器提供所需的位置和操作数据,这是整体操作的组成部分,也是充分利用执行器动力的唯一方法。
    每根手指的关节中都安有一个非接触式角传感器和一个扭矩传感器。这两个传感器都需要极高的分辨率,因此需使用总线来传输所需的大量数据。
    通过Faulhaber的十二个微驱动可确保机械手牢固握持,实现复杂而精准的动作
    此外,快速反馈设定值和实际值的对比情况对于FPGA(现场可编程门阵列)而言至关重要,仅需三根引线即可从外部串行连接机械手和控制处理器。现在,控制系统(即插入式PCI卡上的信号处理器)已集成到标准的PC中,操作员可通过用户友好型界面来控制机械“手”。
    监视器中会显示所有的传感器数据,而且从一开始就设计了数据显示,控制和手动计算机连接功能,以便将来在工业环境中使用。除了“神经”和“大脑”外,机械手的操作还需使用“肌肉”来增强力量。
    通过微型执行器来替代肌肉力量
    要实现新机械手的复杂性,需要付出相应的代价。每根手指需使用多个可单独控制的执行器。在这种特殊情况下,每只手还需使用十二个电子换向直流电机(EC电机),包括模拟霍尔传感器。
    机械手工程师团队经过对比,最终选择了微驱动专家FAULHABER开发的执行器,因为其产品范围涵盖了所需的全部规格,产品性能及成本效益高,还可商用,占地面积极小。
    Faulhaber微驱动系统
    其中,四指机械手选用了直径为16mm的无刷直流伺服电机,还可与直径相同的齿轮系统连接以形成集成单元。FAULHABER可提供12V和24V版本,输出功率为11W,最大连续扭矩高达2.6mNm。
    其良好的动态响应(即使是旋转方向发生变化时也是如此)和预应力滚珠轴承可确保精确地响应控制命令。此外,标配的模拟霍尔传感器可向控制器发出精确的位置信号,并以至少8位的分辨率提供必要的反馈信息。
    霍尔传感器和驱动共同构成了一个紧凑型单元,其长度仅28毫米,外径为16毫米,重量仅31克。该驱动以29,900rpm的转速空转,执行器还可与全金属行星减速机相结合。
    FAULHABER的标准产品降低了“手动”操作时的高转速,同时提高了扭矩,可提供3.7:1到5647:1的扭矩比范围。本次应用使用的比例为159:1,因此允许扭矩增加到最大值450mNm。该减速机仅重33克,总长度为29.4毫米。
    新型HIT-DLR机械手由于采用了具有总线快速反馈和转发数据功能的紧凑型执行器技术,因此可以实现非常精确的控制。
    这样,微工程学和微电子学就能实现完美互补。由于“装备”了标准组件和良好的概念,现在工程师可以制造出多年前使用最昂贵定制组件都难以实现的产品。
 
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