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新突破 | 跨學科創新為機械手帶來“新生命”

供稿:福爾哈貝傳動技術(太倉)有限公司 2019/11/12 16:10:14
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迄今為止,機械手在工業生產中的應用僅限于通過兩指或三指夾具來執行相對簡單的操作,它們無法完成更為精細的任務,因為現有技術還有待提升。 

隨著微電子學與微機械學跨領域研究的發展,相關技術也在不斷進步。因此,基于人體手指和關節特征的可單獨控制的機械手將迎來更多突破,可能很快就會在工業領域日常操作中使用。

 

新一代機械手迎來新突破

人的手指是自然界最通用的工具之一,這也是為何研究人員希望將其優勢設計到新一代機械手中。

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目前,德國航空航天中心(DLR)和哈爾濱工業大學(HIT)已展開合作,他們將借助微型執行器和高性能總線技術來開發類似于人手的機械手。

這類機械手至少需要使用四根手指的能力和靈巧性:其中三根手指可使機械手抓住圓錐形零件,拇指則用作支撐。因此,新的機械手由三根手指組成,每根手指有四個關節及三個自由度,第四根手指設計為拇指,具有四個自由度。

通過該解決方案執行的各項運動需根據實際情況進行控制和監視,在這種情況下,控制系統的基本功能是高性能信息通道,尤其是在執行復雜任務時。因此,在進行大批量處理時,時間至關重要。

研究機構還在機械手中集成了具有實時功能的25 Mbps高速總線,這是專門針對該類應用開發的。

 

用于“神經”的總線技術

過去,人們通常使用電纜拉線來移動機械手,而現代微工程技術能在手指上直接安裝電機。這種情況需為控制處理器提供所需的位置和操作數據,這是整體操作的組成部分,也是充分利用執行器動力的唯一方法。

每根手指的關節中都安有一個非接觸式角傳感器和一個扭矩傳感器。這兩個傳感器都需要極高的分辨率,因此需使用總線來傳輸所需的大量數據。

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通過Faulhaber的十二個微驅動可確保機械手牢固握持,實現復雜而精準的動作

此外,快速反饋設定值和實際值的對比情況對于FPGA(現場可編程門陣列)而言至關重要,僅需三根引線即可從外部串行連接機械手和控制處理器。現在,控制系統(即插入式PCI卡上的信號處理器)已集成到標準的PC中,操作員可通過用戶友好型界面來控制機械“手”。

監視器中會顯示所有的傳感器數據,而且從一開始就設計了數據顯示,控制和手動計算機連接功能,以便將來在工業環境中使用。除了“神經”和“大腦”外,機械手的操作還需使用“肌肉”來增強力量。

  

通過微型執行器來替代肌肉力量

要實現新機械手的復雜性,需要付出相應的代價。每根手指需使用多個可單獨控制的執行器。在這種特殊情況下,每只手還需使用十二個電子換向直流電機(EC電機),包括模擬霍爾傳感器

機械手工程師團隊經過對比,最終選擇了微驅動專家FAULHABER開發的執行器,因為其產品范圍涵蓋了所需的全部規格,產品性能及成本效益高,還可商用,占地面積極小。

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Faulhaber微驅動系統

  

其中,四指機械手選用了直徑為16 mm的無刷直流伺服電機,還可與直徑相同的齒輪系統連接以形成集成單元。FAULHABER可提供12 V和24 V版本,輸出功率為11 W,最大連續扭矩高達2.6 mNm 

其良好的動態響應(即使是旋轉方向發生變化時也是如此)和預應力滾珠軸承可確保精確地響應控制命令。此外,標配的模擬霍爾傳感器可向控制器發出精確的位置信號,并以至少8位的分辨率提供必要的反饋信息。

霍爾傳感器和驅動共同構成了一個緊湊型單元,其長度僅28毫米,外徑為16毫米,重量僅31克。該驅動以29,900 rpm的轉速空轉,執行器還可與全金屬行星減速機相結合。 

FAULHABER的標準產品降低了“手動”操作時的高轉速,同時提高了扭矩,可提供3.7:1到5647:1的扭矩比范圍。本次應用使用的比例為159:1,因此允許扭矩增加到最大值450 mNm。該減速機僅重33克,總長度為29.4毫米。

新型HIT-DLR機械手由于采用了具有總線快速反饋和轉發數據功能的緊湊型執行器技術,因此可以實現非常精確的控制。

這樣,微工程學和微電子學就能實現完美互補。由于“裝備”了標準組件和良好的概念,現在工程師可以制造出多年前使用最昂貴定制組件都難以實現的產品。

審核編輯(陳佳利)
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