基于六自由度機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)分析

張瑞萌

摘 要 通過設(shè)計(jì)一種六自由度機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置，由底座、手臂、手腕、手部組成，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，程序控制，為控制算法和控制理論的測試、檢驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更好的進(jìn)行對機(jī)械手的控制研究。本文從三方面：機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對六自由度機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述分析。

關(guān)鍵詞 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)

0引言

隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)械手在大規(guī)模勞動(dòng)密集型生產(chǎn)中得到了重要應(yīng)用，成為自動(dòng)化生產(chǎn)線上不可或缺的一員。機(jī)械手提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和用工成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度。機(jī)械手在生產(chǎn)中仍有許多機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)問題存在，不斷加大對機(jī)械手的研究，增強(qiáng)其智能性、適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，滿足日益提高的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。

1機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座是整個(gè)機(jī)械手臂的支撐部分，是執(zhí)行腰部360度回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，也是安裝動(dòng)力源、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部位。

1.2手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手臂是支撐和帶動(dòng)手腕和手部的重要部件，分為有關(guān)節(jié)臂和無關(guān)節(jié)臂，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂試驗(yàn)裝置為無關(guān)節(jié)臂，并采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，錐齒輪或內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)。

1.3手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手腕是用于連接手臂和手部的部件，通過左右旋轉(zhuǎn)平移和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，可以調(diào)整機(jī)械手執(zhí)行操作時(shí)的位置和姿態(tài)。

1.4手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手部是直接于物體接觸的部件。根據(jù)手部與物體接觸形式的不同可分為夾持式和吸附式。夾持式通過模仿人手指的結(jié)構(gòu)形式，可分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種類型。根據(jù)手指數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中二指應(yīng)用最多。根據(jù)傳力結(jié)構(gòu)又可分為回轉(zhuǎn)型和平移型，回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡單，方便制造，因此常使用此類型；平移型可夾持范圍大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。本文采用二指回轉(zhuǎn)型夾持式結(jié)構(gòu)，手部有兩個(gè)自由度，一個(gè)自由度用于夾持物體，一個(gè)自由度用于反轉(zhuǎn)手腕，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)所得機(jī)械臂采用的回轉(zhuǎn)型機(jī)械手臂與人的手臂結(jié)構(gòu)相似，前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，底座與手臂形成類似人手臂的肩關(guān)節(jié)，手臂中大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)，大臂可以做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，小臂可以做俯仰運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)械臂工作范圍大、運(yùn)動(dòng)靈活迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、通用性好。

2機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過傳動(dòng)裝置為整個(gè)機(jī)械手臂提供動(dòng)力，關(guān)節(jié)型機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置兩部分組成。常見的驅(qū)動(dòng)型式有液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)具有作用力大、結(jié)構(gòu)緊湊、作用平穩(wěn)、動(dòng)作靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但其易產(chǎn)生漏油污染、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高；氣動(dòng)傳動(dòng)動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、無污染、維修方便，但由于空氣易被壓縮，工作不線性。工業(yè)機(jī)械手臂常使用液壓傳動(dòng)和氣動(dòng)傳動(dòng)，但液壓傳動(dòng)和氣動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，本文機(jī)械手臂作為實(shí)驗(yàn)裝置，機(jī)械手臂不需要進(jìn)行高強(qiáng)度、高負(fù)載的工作，故使用電氣傳動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)速度快、可靠性好、運(yùn)動(dòng)精確、安裝維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需要。

3機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂控制系統(tǒng)控制著機(jī)械手臂按所發(fā)出指令要求運(yùn)動(dòng)。目前，工業(yè)機(jī)械手多采用程序控制系統(tǒng)和電氣定位系統(tǒng)進(jìn)行控制。機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)較為簡單，用單片機(jī)輸出六路PWM脈沖信號(hào)分別控制機(jī)械手臂的六個(gè)舵機(jī)，需要輸出一個(gè)20ms的脈沖來控制舵機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的六個(gè)自由度。對機(jī)械手臂的控制即對各電機(jī)的控制，計(jì)算機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，分別由計(jì)算機(jī)、伺服控制卡、4套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和4套步進(jìn)電機(jī)組成。

機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要時(shí)對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)和上、下位機(jī)之間串口通信的設(shè)計(jì)等。

在對上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括五路舵機(jī)控制區(qū)、一路電機(jī)控制區(qū)和機(jī)械手運(yùn)行示意圖等方面。五路舵機(jī)控制區(qū)采用滾輪條的形式，在右側(cè)的編輯框中實(shí)時(shí)顯示各舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；一路電機(jī)控制區(qū)采用速度控制的形式，顯示電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；用機(jī)械手運(yùn)行示意圖實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手的運(yùn)行情況，當(dāng)相應(yīng)舵機(jī)或電機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)在相應(yīng)的舵機(jī)或電機(jī)位置上加亮以表示正處于運(yùn)行狀態(tài)。

4結(jié)語

隨著生產(chǎn)中對機(jī)械手需求量的不斷增大，對機(jī)械手智能性、適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。我國對于機(jī)械手的研究和應(yīng)用起步相對較晚，不能適應(yīng)生產(chǎn)中對機(jī)械手提出的要求。對六自由度機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的實(shí)時(shí)精確控制，解決存在各種問題，可以為控制算法和控制理論的測試、檢驗(yàn)提供更佳的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更好地對機(jī)械手進(jìn)行精確而又復(fù)雜的控制研究。

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