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。