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基于三维扫描与3D打印的机器人手爪建模方法研究与实现

参赛方向: 3D设计与3D打印

参赛赛区: 江苏赛区

参赛组别: 教师组

参赛院校: 南京邮电大学

参赛院系: 工程训练中心

参赛教师: 梁爽,骆明霞

项目简介

第五届江苏省大学生工程训练能力竞赛中,要求学生自主设计并制作一款能执行物料搬运任务的智能移动机器人。该机器人能够在规定场地内自主行走,通过扫描阅读二维码领取任务,自主寻找、识别任务指定的物料,按任务要求的顺序将其搬运至指定的存放地点,并按照要求的位置和方向摆放。根据现场抽签决定抓取物料的类型,现场设计机器人末端抓取装置(手爪),使用3D打印机完成制造,安装于参赛机器人手臂末端后进行现场运行比赛。

课题研究三维扫描和 3D 打印技术结合的应用。三维扫描技术可以快速精确的建立三维模型,改善手爪的设计,使产品的设计更符合物料抓取个性化的需求;3D 打印能将设计理念转化为产品原型,缩短研发周期。本课题研究内容是利用三维扫描仪快速对现有手爪进行测量,将得到点云数据输入到计算机,应用 Geomagic Studio 对点云数据处理,经过拟合出曲面,重建三维模型;建好的三维模型数据可以根据需求调整和修改后,输出适合 3D 打印机的 STL 文件,导入 3D 打印机内逐层打印,生产出优化后的产品或模型。这种无缝连接的技术具有成本低、精确度高、不受环境限制等优点。

机器人驱动部分采取电机驱动,手爪部分采用夹持类手爪,类型为平动型夹钳式手爪。其优点是夹取物体时手指姿态不变,夹取时较稳定,夹取精度和速度也可以很好的保证。

手爪部分计算分析:

初值给定如下:工件质量m=0.1kg 摩擦系数0.15重力加速度g=9.8m/s2

垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2

如图1所示,工件以加速度a垂直上升,要使工件不掉落,下式必须成立.

2-mg-ma>0得Q>ma+g2

代入数据,得Q>0.1㗰.3+1㗹.82㗰.15≐4.25N

本项目立足于三维扫描技术和3D 打印技术的基本理论及比赛特点,提出以三维扫描技术和 3D 打印技术的结合应用的构思,并对这一构思做了深入研究,通过实例进行了可行性的论证。主要完成了以下工作:

     (1)对比接触式测量法和非接触测量方法的优缺点,根据物体的特性及实验室现有设备,选择非接触式测量法,应用GO!scan50 扫描仪完成物体三维数据信息采集,并总结了对采集数字模型精度的影响因素:扫描仪本身的测量精度,被测物体材质或表面涂层,扫描环境(如光照、振动等)。

     (2)对三维点云数据进行处理,完成点云数据降噪和精简,改善扫描得到的原始点云数据的质量。对封装后的网格模型优化处理,得到更加完整的多边形网格模型,为模型重构做好基础。用 NURBS 曲面拟合模型,导入SOLIDWORKS中完成模型重构,为 3D 打印提供了数字模型文件。

    (3)阐述了 3D 打印的概念、原理及应用领域,并根据 3D 打印的优点和局限性预测 3D 打印的发展方向。通过打印实例了解 3D 打印的过程,并打印出物体的模型。因时间和作者的能力有限的关系,论文存在很多不足之处,需要进一步研究和完善,例如三维数据快速完整的获取,本文三维扫描获取点云数据需要人为辅助才能进行全面扫描,如何快速全面的获取物体的三维数据是研究的重点。

项目详情

本课题研究了如何应用三维扫描仪快速精确的获得三维物体的点云数据,并建立实体模型,导入 3D 打印机,打印出实体模型。以智能物流机器人物流小车的手爪为研究对象,应用三维扫描仪获取零件模型三维点云数据,并对点云数据进行处理、优化,探索获取点云数据的基本规律和处理点云数据的有效方法;将详细阐述3D 打印技术的基本概念和工作原理,分析了各种成型技术的特点,并以智能物流机器人物流小车的手爪为例,展示三维扫描和 3D 打印技术结合的具体应用过程及方法,讨论在实际应用中两种技术结合的优势和不足;并提出 3D 打印在制造领域的新思路新想法。具体内容如下:

      (1)以智能物流机器人物流小车的手爪为对象,利用三维扫描仪获得物体表面的三维数据,对产品三维模型的获取与重建方法进行研究。

      (2)对获得的三维点云数据进行处理,通过点云精简、转化成三角网格、拟合曲面等获得其三维模型,探索模型重建的基本规律和有效方法。

       (3)对 3D 打印机的工作特性和工作过程进行研究,实现产品的 3D 打印。

项目开发过程:随着工业4.0时代的到来以及人工成本逐年提高,汽车制造业作为世界上规模最大的产业之一也将面临智能化改革与升级。该产业具有产业关联度高、综合性强、零部件数量多、附加值大等特点,但在生产线转型升级方面还处于探索阶段。零部件散乱、仓储能力不足、供货周期紧、供给生产车间的在制品输送路线繁忙、人力搬运效率低等痛点有待解决。 

在汽车制造工厂迫切面临智能化升级的背景下,可以广泛应用智能物料搬运机器人在汽车制造业工厂的加工中心、线边配送等场景中,准确、灵活地完成原材料上线、成品下线、仓储及货物出库等任务。其搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整,使一条生产线上能够制造出十几种产品,大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。

智能物料搬运机器人具有不受场地和空间的限制、行动快捷、工作效率高、可控性强、安全性好等优点,可以满足不同汽车制造业务场景的多种需求,替代人力来实现汽车制造加工业的柔性自动化升级,打造适合快速生产节拍、更加稳定的解决方案,为汽车制造加工行业的智能作业提供强有力的支撑。

汽车管件类零件种类繁多,包括EGR管,排气软管,不锈钢波纹管,回油管,进水管,冷凝器,排气尾管等。可应用智能物料搬运机器人完成汽车管件生产线上的排序及配送。解决合理利用原有物流通道,节省用地面积;实现管件类零件的排序生产,使同线多机种生产有效对应;减少人力成本,有效解决人力资源匮乏等一系列问题。

       模拟汽车管件生产加工及分类配送的工业场景,自主设计并制作一款能执行物料搬运任务及简单装配任务的智能物流机器人(以下简称:机器人)。该机器人能够在规定场地内自主行走与避障,通过Wi-Fi网络通信领取物料搬运任务,自主按任务要求将物料搬运至指定地点,按照要求的位置和方向精准摆放,并完成简单装配。

     设想一简易汽车管件类零件生产流水线,共有三种零件按照统一的节拍进行生产,零件按单向运输路线移动,在生产线完成加工(装配)后入库。在该零件制造生产线上,机器人于原料区取走用于生产的原材料,放于加工区由专门的生产机器进行加工制造,同一类型的零件应叠放起来。随后,在加工区完成零件的装配。三种零件放置并装配完成后,再把加工完成后的零件由加工区逐个搬运至成品区并摆放好,随后机器人返回出发区。至此,该流水线作业完成。
难点创新

智能物流机器人通过单片机对机械臂输出信号,控制机械臂的方向角度及手爪夹取强度,控制对物体的夹取。

      手爪部分采用夹持类手爪,类型为平动型夹钳式手爪。其优点是夹取物体时手指姿态不变,夹取时较稳定,夹取精度和速度也可以很好的保证。

     

成果成效

本产品结构简单、创新性强、便于拆装、易于携带,可用于各大工科高等院校工程技能训练课程或竞赛。由于全国工科院校学生基本都要进行金工实习等工程类实习,因此本产品的市场是特别庞大的。

智能物流小车经适当改良后,还可广泛地应用于企业各个生产环节,如搬运、装配、分拣、喷涂等。数据显示,2017年中国AGV销量达到1.35万台,与2016年的0.67万台同比增长101.6%,随着工业机器人应用场景的不断拓展、工业机器人需求量增加以及“中国制造2025”、智慧物流等一系列政策的推动下,预计2019年中国AGV销量将达到1.89万台。

      智能物流小车的需求领域较为集中,主要分布在汽车工业、家电制造等生产物流端。在中国AGV应用领域占比情况中,汽车工业领域占比最高,占比达到23.8%,其次为家电制造领域,占比为21.2%;第三为物流领域,占比为15.8%。本场品结构材料经适当改良后,还可以投入玩具市场、餐饮业、公共服务业等各个领域。

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