按壓檢測機械手的設計及研究

Design and research for pression detection manipulator

陸　地1，任　龍1，王　勝2

LU Di1, REN Long1, WANG Sheng2

（1.西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710055；2.西安西京大學，西安 710000）

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按壓檢測機械手的設計及研究

Design and research for pression detection manipulator

陸地1，任龍1，王勝2

LU Di1, REN Long1, WANG Sheng2

（1.西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710055；2.西安西京大學，西安 710000）

摘 要：針對傳統智能坐便器檢測裝置夾具的靈活性不夠、檢驗過程人員勞動強度大、效率低的不足，提出了一種新型機械手的智能坐便器檢測裝置。介紹了新型機械手的工作原理，硬件實現。該改進的機械手檢測裝置具有自動化程度高、檢測范圍大、檢測精度好、易于維修維護的特點。

關鍵詞：檢測裝置；機械手；自動化；智能坐便器

0 引言

隨著人們對生活品質的追求，許多家庭都開始青睞于使用智能坐便器。為了解智能坐便器的質量狀況，向消費者提供客觀、公正、可比較的信息，坐便器的質量檢驗成為重要環節[1,2]。傳統的坐便器質量檢驗采用固定夾具，夾具上連接氣缸來檢測按鍵的按壓壽命。但是夾具的靈活性不夠，因此一臺設備或者（一套夾具）只能檢測一種型號的智能坐便器。且檢驗過程需要人員全程參與，勞動強度大，效率低。

本文是一種在老式按壓檢測設備上做出的改進，用機械手替代了原先的固定夾具帶動氣缸的按壓方式，機械手是將一些通用部件（如手臂伸縮部件，升降部件、回轉部件和腕部回轉、俯仰部份等）根據作業的要求,選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以機座為基礎進行組合，配上與其相適應的控制部分, 即成為能完成特殊要求的機械手。機械手檢測裝置做到了所檢測位置的覆蓋面積增大，檢測點位精度提高，且更靈活、更方便，可用于各種不同型號的智能坐便器的檢測。

1 機械手國內外研究綜述

機器手是當今社會一門迅速發展起來的工業控制設備，具有效率高，可靠性強，勞動強度低等特點，隨著社會的發展和人們生活水平的提高，各種各樣的機器手也被開發出來去適應制造領域以外的各個行業[3,4]，國內外許多學者做了卓有成效的研究。

國外在這方面研究開展較早，成果很多。Yamamoto Y[5]、Salehi[6]、Tahboub[7]、Tchon[8]等人研究了機械手控制器的設計；Seraji H[9]和Carriker W F[10]研究了機械手的路徑規劃問題；Farkhatdinov[11]和Bai，Xiaobo[12]研究了機械手的遠程控制問題；

國內的機械手研究起步較晚，但也取得了一定的成果。清華大學的徐文立教授設計了魯棒控制器[13]。北京科技大學的余達太教授提出了機械手優化準則，并利用遺傳算法進行了求解[14]。上述研究工作對我國開展移動機械手的研究及應用起到了積極的推動作用。

2 原有檢測系統分析

本檢測設備依據GB/T 23131–2008標準，按照其中第6.1.4，6.1.5,6.7條，及附錄A，3條等相關內容，對智能坐便器沖洗裝置，整機壽命，等性能進行檢測。 其由試驗柜與控制柜兩部分組成。試驗柜分為三部分，一部分為坐便器安裝固定小車及集水槽，二部分為模擬900牛重量運動部件，三部分為智能座便器控制按鈕按壓裝置，如圖1所示，整個實驗機由透明有機玻璃和不銹鋼鋼板組合密封，方便實驗功能可視化。

控制柜為觸摸屏與緊急按鈕控制方式。

圖1　改進前的檢測設備

設備主要參數：外觀尺寸：

1800mm(長)×1400mm(寬)×1900mm (高)；

試驗柜尺寸：

1260mm(長)×1400mm(寬)×1900mm (高)；

控制柜：

540mm(長)×830mm(寬)×1900mm (高)；

氣源壓力：≥0.55MPa；

水源溫度：（15±2）℃；

水源壓力：（0.18±0.02）MPa；

總用氣量：≤42L/Min；

進氣接口：Φ10氣管快插連接方式。

原有智能坐便器一個完整的檢測工作流程為按壓停止按鈕→臀部洗凈按鈕→間隔30秒→停止按鈕→輕柔洗凈按鈕→間隔30秒→停止按鈕→干燥按鈕→間隔35秒，此為一個完整的流程。由于智能坐便器的工作全部由按鈕控制，因此按鈕的工作壽命是馬桶壽命的主要指標之一，并且在按鈕按下的同時，智能坐便器同時啟動并工作。一般規定，馬桶按鈕應該保證連續按壓5000次不損壞，與此同時，智能坐便器也同時運行5000個工作流程，保證運行過程穩定，無異常。坐便器的整體檢測系統就是通過氣泵驅動氣缸，使氣缸上的測試裝置連續撞擊馬桶上的控制按鈕，每次撞擊代表按鈕的一次按壓過程，經過5000個整體工作流程的撞擊，驗證按鈕是否達到要求的使用壽命，同時檢測智能坐便器是否出現異常。舊式的檢測裝置主要分為兩個部分——支架和夾具：

1）支架：首先安裝底座是通過L型安裝板固定到設備的機架上的，然后通過40×40的鋁型材引出到需要按壓試驗的按鍵上方，如圖2所示。

2）夾具：是通過氣缸安裝板，上安裝5個SMC的缸徑為Φ6的微型氣缸，來對控制器上的停止，臀部洗凈，輕柔洗凈，干燥，強力沖洗共5個按鍵進行按壓試驗，如圖2所示。

圖2　改進前的設備結構

縱觀此按壓檢測方案，雖然可實現對固定型號的智能坐便器做穩定的檢測與試驗，但其實存在較多不足：

1）所用SMC微型氣缸過多，在實際操作中，由于夾具一般安置在設備內部，故運行成本過高，故障率高，維修困難。

2）采用固定夾具裝夾氣缸的方式，只適合于一種或者少數幾種型號的只能坐便器，對于其他型號的智能坐便器，其控制面板在不同位置時，這種檢測方式則不適用。

3 新型檢測機械手的設計

3.1 基本思想

針對老式檢測裝置的不足，本文設計一種可適用于多種型號智能坐便器的檢測方案。方案采用組合式移動機械手代替原有檢測裝置，新型的機械臂部分是由組合式機械手組成的，一共有三個自由度，即上下，左右，前后（X軸，Y軸，Z軸）三個自由度。通過機械手的運轉，實現多種坐便器的檢測。新型的機械手工作時，首先通過PLC將氣缸運行到所需按壓的點位，對準然后通過控制系統記錄下此點位的位置，一共5個檢測點位，后將機械手退回到坐標原點，運行連續動作，進行反復5000次檢測動作。

改造后的機械手如圖3所示。

圖3　新型檢測機械手

該方案簡化了檢測裝置的結構，兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性，便于標準化、系列化設計和組織專業化生產，有利于提高機械手的質量和降低造價，是一種有發展前途的機械手。

3.2 機械手硬件組成

實現手部按壓動作的小型標準氣缸采用氣源控制，引出氣源后先通過SMC品牌的過濾減壓閥，使壓力平穩的輸出，保證壓力穩定，過濾減壓閥型號為AW30-03BDG，耐壓環境為1.5MPa，最高使用壓力為1.0MPa，設定壓力范圍為0.05MPa～0.7MPa，過濾精度為5um，并接壓力表，壓力表連接口徑為Rc1/8。

過濾減壓閥后連接一個SMC品牌的精密減壓閥，型號為IR1020-01，其作用使氣流的壓力降低，同時借助閥后壓力的作用調節啟閉件的開度，使閥后壓力保持在一定范圍內，最大耗氣量為4.4l/min在1.0MPa壓力下，設定的壓力范圍為0.01MPa～0.8MPa，接管口徑為Rc1/8。

然后接SMC品牌的兩位五通先導式電磁閥，型號為SY3120-5DD-C4-F2，機能位數為2位單電控，使用壓力范圍為0.15MPa～0.7MPa，最高動作頻率為10Hz，使用電壓為24VDC，并裝配2個消音器，可接直徑為Φ4mm快換接頭。

實現手部按壓動作的時采用SMC品牌的CJ2系列標準型氣缸，型號為CJ2B6-15，缸體直徑為Φ6mm，安裝形式為基本安裝形式，無內置磁環，行程為15mm，氣缸的活塞桿末端安裝一個尼龍塊，做按壓動作時實現對按壓物體的緩沖保護。

氣缸上裝配兩個SMC品牌的速度控制閥，型號為AS1201F-M5-04，保證耐壓力為1.5MPa，最高使用壓力為1MPa，最低使用壓力為0.1MPa，控制方式為進氣節流。

實現左右（X軸方向）運動的采用IAI品牌的小型X軸標準滑塊，型號為ISPB-SXM，采用伺服電機，導程為8mm，行程為800mm，最高運行速度達480mm/s，最大負載能力為27kg，驅動方式為滾珠絲杠，基座材質為鋁制且表面經過白色耐酸處理。

實現前后伸出（Y軸方向）的運動采用IKO品牌的RCP4系列的拉桿型電缸，型號為RCP-RA6C-I-56P-24-200-P3，導程為24mm，垂直最大負載為3kg，行程為200mm/s，最高運行速度可達600mm/s，驅動方式為滾珠絲杠。

機械臂部分，用于實現上下（Z軸方向）移動的是SMC品牌的LEFS系列的薄型電缸，和一個直線導軌組成，電缸型號為LEFS25AB-600B-R3AP3，缸徑為25mm，行程為600mm，驅動方式為滾珠螺桿驅動并帶自鎖功能，最高垂直重量可達16kg，最高運行速度為250mm/s；直線導軌可采用品牌THK的LM系列標準光軸，直徑為Φ30mm，長度為700mm，配合SL型滑塊，型號為SL30UU。電缸和直線導軌相互平行且垂直于地面放置。

以上3個方向的電缸相互之間均采用夾具連接固定，夾具材料為304＃不銹鋼。

3.3 PLC硬件實現

由于機械手要實現復雜操作，因此控制器采用PLC作為自動化檢測的核心裝置。依據檢測裝置的實現思想，PLC主要的功能有：

1）以啟動按鈕為輸入信號，機械手的各軸向電機為輸出，實現機械手在X軸、Y軸與Z軸的移動，輸入、輸出信號采用開關型；

2）機械手的行程控制，以X軸、Y軸與Z軸安裝的行程開關為輸入信號，機械手的各軸向電機為輸出，實現機械手在X軸、Y軸與Z軸的停止，輸入、輸出信號采用開關型；

3）機械手的按壓啟動信號，以機械手的到位檢測傳感器為輸入信號，產生5000個脈沖信號，驅動氣缸的按壓動作。輸入、輸出信號采用開關型；

4）機械手的停止、急停控制，以停止按鈕為輸入信號，機械手的各軸向電機為輸出，當控制器接受到停止、急停信號后，各軸向電機動作停止；

本文采用OMRON公司的CPM1A的PLC，該型號PLC屬于小型PLC，采用20輸入輸出型，其中輸入12點，輸出8點。PLC地址分配如表1所示。

表1　PLC地址分配表

3.4 其他元件硬件實現

本文采用的PLC、電機等均需要電源，對各元件的電源系統進行如下設計：

PLC電源采用交流50Hz，220V電源供電，由于PLC的輸出信號為直流24V，因此檢測裝置的驅動電機均選擇24V可充電電池，三個軸向運動的驅動電機為步進式電機或伺服電機；

機械手的檢測裝置分別進行如下設計：到位檢測傳感器采用RPR220型一體化反射型光電傳感器；檢測裝置由SMC微型直線式氣缸驅動，直線活塞運動，缸體固定，缸體直徑Φ6mm，行程為30mm；

此外，機械手采用直角坐標形式，實現機械的移動；機械手手部形式采用氣動式，氣動裝置為空氣壓縮機。

原有的檢測裝置可用于檢測TOTO（品牌）所生產的型號為TCF326CS/TCF306CS的智能坐便器，這種坐便器的控制面板放置在坐便器的右手邊，且為水平放置。本檢測機械手不僅可適用于上述型號的智能坐便器，由于其廣泛的適用性，現在可適用于各種型號尺寸的智能坐便器，包括不同的高度，控制面板在坐便器的左邊或者右邊均可。由于本機械手本身不帶旋轉自由度，故仍然只適用于控制面板是水平放置的產品。如若要檢測的智能坐便器的控制面板是水平放置的，后期可再對本機械手加入旋轉自由度。

4 結束語

本文設計的新型檢測機械手具有以下優點：采用了組合式機械手的檢測方案，使設備結構更加穩固，各部分組態元件易于更換；可實現對各種型號智能坐便器的檢測，提高了品種的檢測范圍，改觀了原設備先前對一些型號的智能坐便器檢測時帶來的不便；具有檢測覆蓋范圍增大，檢測精準度高；通過PLC的控制，可實現在設備長時間工作時，對出現的位置偏離等問題作出自動補償；技術成熟，可靠性高，該裝置具有相當高的檢測性能。設備適用范圍大，節約檢測成本。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國建筑工業行業標準JG/T 285-2010.坐便潔身器[S].

[2] 趙維波.解讀GB/T 23131-2008《電子坐便器》[J].家電科技, 2010,(4):51-53.

[3] 徐國華,譚民.移動機器人的發展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用,2001,(3):7-14.

[4] 王炎,周大威.移動式服務機器人的發展現狀及我們的研究[J].電氣傳動,2000,30(4):3-7.

[5] Yamamoto Y. Coordinating locomotion and manipulation of a mobile manipulator[A].Decision and Control,1992.,Proceedings of the 31st IEEE Conference on. IEEE[C].1992(3):2643-2648.

[6] Salehi M, Vossoughi G. Impedance Control of Flexible Base Mobile Manipulator Using Singular Perturbation Method and Sliding Mode Control Law[J].International Journal of Control Automation & Systems, 2008,6(5):677-688.

[7] Tahboub, Karim A. Robust control of mobile manipulators[J]. Journal of Robotic Systems,1996,13:699-708.

[8] Tchon K, Muszynski R. Instantaneous kinematics and dexterity of mobile manipulators[A].Robotics and Automation, 2000. Proceedings.ICRA '00. IEEE International Conference on. IEEE[C].2000(3):2493-2498.

[9] Seraji H. Motion Control Of Mobile Manipulators[J].Intelligent Robots & Systems Iros Proceedings of the IEEE/RSJ Internation, 1993,3:2056-2063.

[10] Carriker W F,Khosla P K,Krogh B H,Path Planning for Mobile Manipulators for Multiple Task Execution[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation,1991.7(3):403-408.

[11] Farkhatdinov I, Ryu J H, Poduraev J.A Feasibility Study Of Time-Domain Passivity Approach For Bilateral Teleoperation Of Mobile Manipulator[A].Control, Automation and Systems,2008. ICCAS 2008. International Conference[C].2008:272-277.

[12] Bai X, Li G, Suyin M, et al.A Computer Control System For Mobile Robot Manipulator[A].Systems, Man, and Cybernetics, 1988. Proceedings of the 1988 IEEE International Conference[C]. IEEE,1988:477-480.

[13] 董文杰,徐文立.移動機械手的跟蹤控制[J].控制與決策,2001,16(6):914-917.

[14] 張碩生,余達太.輪式移動機械手的點一點運動規劃方法[J].北京科技,2001,23(1):81-91.

作者簡介：陸地（1961 -），男，副教授，工學碩士，研究方向為電氣工程。

基金項目：西安建筑科技大學學科重點培育計劃人才培養專項學科建設項目（XK201104，XK201223）

收稿日期：2015-08-12

中圖分類號：TH134

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0042-04