多自由度鋪軌道板機(jī)器人

李雪萊

研究目的和背景

承載高鐵列車的無砟軌道需使用預(yù)制的、一定規(guī)格的軌道板鋪設(shè)。這種軌道板的安裝精度要求非常高，1m范圍內(nèi)誤差不能超過2mm。

一般說來，為了將一個(gè)物體從初始位置（對(duì)高鐵軌道鋪設(shè)，就是龍門吊放置的初始位置）精確放置到另外一個(gè)位置，有可能需要對(duì)物體作6個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，即要對(duì)x、y、z軸3個(gè)方向的位移和分別繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)等6個(gè)自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就是我要制作六自由度機(jī)器人的緣由。我設(shè)計(jì)制作了多自由度鋪軌道板機(jī)器人，為工程建設(shè)中使用機(jī)械精確定位、安裝大型工件和設(shè)備提供了一種解決方案。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)

多自由度鋪軌道板機(jī)器人整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。框架采用不銹鋼型材制作，零件連接處采用螺栓連接。框架主要分為抓取部與走行部2大部分，工作時(shí)走行部的門架結(jié)構(gòu)移動(dòng)橫跨到被抓取物體上，抓取部抓取物體后在由門架結(jié)構(gòu)寬度及高度形成的工作區(qū)域內(nèi)調(diào)整物體的空間位置進(jìn)行精確定位并安放。

整個(gè)方案的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為控制部、抓取部和走行部。其中控制部位于整個(gè)機(jī)器人的上部。

抓取部

抓取部負(fù)責(zé)完成對(duì)被抓取物體進(jìn)行抓取、定位的工作，是本機(jī)構(gòu)最主要的部分。抓取部主要分為六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)和抓取架2部分。工作時(shí)抓取架用于抓取物體，六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)由ARM控制板控制，可以對(duì)空間上的6個(gè)坐標(biāo)準(zhǔn)確地定位，對(duì)抓取物體的方向、位置進(jìn)行定位調(diào)整，抓取部的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

定位部分采用6個(gè)電動(dòng)推桿推動(dòng)6自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。通過改變6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)6個(gè)電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度，就能夠驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象到達(dá)指定的位置和姿態(tài)。

抓取部分負(fù)責(zé)抓取物體，同時(shí)也是六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)。其結(jié)構(gòu)主要為抓取架，以及架四角安裝的4個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的抓手，工作時(shí)抓手轉(zhuǎn)動(dòng)至被抓取物體下方，六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)（定位部）向上提起即完成抓取動(dòng)作。抓取架用輕質(zhì)鋁板制作，使用螺栓連接固定。

4個(gè)抓手分為前后2對(duì)，分別由1個(gè)舵機(jī)帶動(dòng)抓手管完成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。電機(jī)由ARM控制板控制，能夠接收指令后精確地轉(zhuǎn)到固定角度，并不需要額外的限位開關(guān)。

走行部

走行部承載抓取、定位機(jī)構(gòu)和被抓取物體的重量，在工作中提供穩(wěn)固的支撐。走行部門架結(jié)構(gòu)兩邊各安裝了1個(gè)履帶輪，每個(gè)鋁合金履帶輪都是由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)大扭力碳刷全金屬齒輪電機(jī)牽引。在正式的抓取、定位工作前，機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)輪的帶動(dòng)下運(yùn)行至被抓取物體的上方，左右兩邊的車輪橫跨在被抓取物體兩邊。驅(qū)動(dòng)輪的直流電機(jī)在ARM控制板的控制下工作，可以對(duì)運(yùn)行的距離和方向進(jìn)行控制，以便機(jī)構(gòu)在合理的位置對(duì)物體進(jìn)行抓取。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)

整個(gè)抓取部和定位部是以1塊ARM控制板為核心，用它精確控制6個(gè)電動(dòng)推桿、4個(gè)舵機(jī)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)。控制系統(tǒng)配置了無線傳輸攝像頭，上位機(jī)與ARM控制板通過RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)的圖像信息，整個(gè)系統(tǒng)通過AD/DC模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換成直流電給整個(gè)系統(tǒng)供電。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、定位部分控制系統(tǒng)、抓取部分控制系統(tǒng)、走行部分控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和電源系統(tǒng)6部分。

主控系統(tǒng)采用ARM32位核心的控制板，它具有控制能力強(qiáng)、運(yùn)算速率快、外設(shè)接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。能接收上位機(jī)的指令，協(xié)調(diào)同步定位和抓起系統(tǒng)的動(dòng)作，使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)能夠良好地配合，形成一串完整流暢的控制動(dòng)作，達(dá)到作業(yè)目的。

定位部分控制系統(tǒng)采用6個(gè)電動(dòng)推桿推動(dòng)六自由度平臺(tái)，在一定范圍內(nèi)對(duì)被抓取物體作空間6自由度的位置調(diào)整及定位，所以對(duì)位置控制精確和同步都要求較高。故采用集成帶位置反饋的電動(dòng)推桿，通過驅(qū)動(dòng)器的采集和輸出，使每個(gè)電動(dòng)推桿位置系統(tǒng)組成一個(gè)完整的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到較高的位置控制精度。為了使每個(gè)推桿保持同步，驅(qū)動(dòng)器配置了RS485的接口，通過RS485總線采用MODBUS協(xié)議通信，ARM控制板通過總線依次快速給6個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位置控制指令，使6個(gè)電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)得到高度同步。

抓取部分控制系統(tǒng)通過4個(gè)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)“抓起”軌道板。抓取放下時(shí)，每個(gè)舵機(jī)必須轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，舵機(jī)內(nèi)部集成了小角度閉環(huán)控制系統(tǒng)，能達(dá)到很高的控制精度和輸出力矩。為了同步4個(gè)舵機(jī)動(dòng)作時(shí)間和角度，控制系統(tǒng)采用RS232總線，能夠同時(shí)依次快速給每個(gè)串行驅(qū)動(dòng)器下達(dá)轉(zhuǎn)角位置指令，達(dá)到“抓起”軌道板的目的，同理，當(dāng)放下軌道板的時(shí)候，只要逆向轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度即可。

走行部分控制系統(tǒng)采用市場(chǎng)上較為成熟的小車控制系統(tǒng)，ARM控制板輸出PWM波，通過H橋直流電路驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，通過改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)達(dá)到行走和轉(zhuǎn)向的目的。

電源系統(tǒng)將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電，并通過電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊需要的電壓。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選擇了以安卓系統(tǒng)為核心軟件的遙控器，可以實(shí)現(xiàn)行走控制、六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)控制、抓取機(jī)構(gòu)控制，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、美觀、易于操作。

總結(jié)

多自由度鋪軌道板機(jī)器人模型實(shí)物如圖4所示。

該作品為工程建設(shè)中使用機(jī)械精確定位、安裝大型工件和設(shè)備提供了一種解決方案，創(chuàng)新地采用了六自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)的主體，整個(gè)系統(tǒng)具有控制可行性好、控制精度高和控制靈活的特點(diǎn)，頗具實(shí)用性、趣味性和觀賞性。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該項(xiàng)目選題專業(yè)性較強(qiáng)，為工程實(shí)際中需要解決的問題。研究方案合理，研究過程正確，設(shè)計(jì)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道板的位置移動(dòng)，同時(shí)制作的模型現(xiàn)場(chǎng)演示效果較好。