電磁驅(qū)動仿生機(jī)械手臂

李國良　呂佳　劉曉成

簡介

人們一直以來都在研究如何制造某種與人類自身結(jié)構(gòu)及功能相似的機(jī)械裝置，從Unimate到dobot，機(jī)械臂技術(shù)已然成為當(dāng)今科技發(fā)展的一個(gè)重要方向，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步拓寬，對其性能的要求也在逐步提高，包括輕質(zhì)、重載、高速、高精度、高靈活性、高適應(yīng)性、智能化等。機(jī)械臂可以在很多人類無法進(jìn)入的區(qū)域，比如輻射、化學(xué)污染、水下、失重、高溫、高壓、噪聲等環(huán)境中工作。在工業(yè)4.0時(shí)代，機(jī)械臂在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造及太空探索等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用與發(fā)展空間。作為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，機(jī)械臂在流水線上能以較高的精度幫助人們進(jìn)行重物搬運(yùn)、焊接裝配等。

原理驗(yàn)證機(jī)

第一代原理驗(yàn)證機(jī)采用一般機(jī)械臂底座放于桌面上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過給電磁鐵輸入高頻脈沖信號，利用電磁鐵中自感現(xiàn)象導(dǎo)致電流具有慣性的特點(diǎn)，控制電磁鐵通斷時(shí)間以實(shí)現(xiàn)電磁鐵的定位。但根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證，證明其原理不具有可行性，后根據(jù)磁懸浮列車驅(qū)動原理，計(jì)劃設(shè)計(jì)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)控制，但經(jīng)過論證否定了該方案。因而設(shè)計(jì)了第二代原理驗(yàn)證機(jī)如圖1所示，采取類似人類手臂的垂直結(jié)構(gòu)，運(yùn)用雙頭電磁鐵組進(jìn)行牽拉，運(yùn)用單圈電位器進(jìn)行定位，并利用吸盤式電磁鐵與導(dǎo)軌間的摩擦力進(jìn)行固定，圓臺及手指部分采用舵機(jī)驅(qū)動。

各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大臂結(jié)構(gòu)

大臂為一個(gè)形狀似藕的垂直結(jié)構(gòu)，主體為圓柱體，內(nèi)部有垂直的圓柱形管道，將推拉式電磁鐵逐個(gè)串聯(lián)安裝以增加行程。除最下方電磁鐵為推式電磁鐵外，其余為拉式電磁鐵，分為正反2組放入大臂的管道中，分別模擬肱二頭肌和肱三頭肌。將這些電磁鐵組并聯(lián)并拉動上部牽引線（使用自行車剎車線），將導(dǎo)軌安裝于肘部軸承上，滑塊通過碳桿拉桿與軸承相連，牽引線另一頭（外皮）固定于直線導(dǎo)軌的滑塊上，內(nèi)芯則固定于導(dǎo)軌的遠(yuǎn)端。當(dāng)牽引線回抽時(shí)，滑塊接近遠(yuǎn)端，以此抬起小臂，模擬肱三頭肌電磁鐵拉動的牽引線則固定于導(dǎo)軌下部，反向牽拉，以此放下手臂。

肘部阻尼結(jié)構(gòu)

為控制小臂的運(yùn)動幅度及運(yùn)動速度，肘部安裝了阻尼裝置，即采用自行車剎車盤，當(dāng)小臂到達(dá)預(yù)定位置后鎖死阻尼盤（如圖2所示），最下面一個(gè)推式電磁鐵彈出以消除前面電磁鐵牽拉的沖量，防止電磁鐵因沖量過大拉動小臂超過預(yù)定位置導(dǎo)致精度降低。隨著阻尼增大，機(jī)械振動將會增大，因此只憑借該阻尼盤無法實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的定位，故將剎車器安裝于大臂后側(cè)，上端升降步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動時(shí)，可使剎車器角度小幅變化，帶動小臂小范圍變化，以此進(jìn)行再次定位以提高定位精度。

小臂及機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在小臂中部安有軸承及28BYJ48步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)小臂的轉(zhuǎn)動，手腕部使用一個(gè)RDS3115MG舵機(jī)控制手抬高放下的動作。為了讓手指既能很輕巧地抓雞蛋，又能快速地敲擊鍵盤或琴鍵，因此安于小臂前段用于控制手指的動力方式不采用舵機(jī)驅(qū)動，而改用升降步進(jìn)電機(jī)與電磁鐵相結(jié)合的動力布局方案，運(yùn)用自行車的變速線作為拉繩拉動手指活動，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況決定采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動或電磁鐵驅(qū)動的方式，運(yùn)用電磁鐵驅(qū)動可利用其沖量實(shí)現(xiàn)彈琴等敲擊動作，或配合步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)用電磁鐵的末端沖量實(shí)現(xiàn)捏碎雞蛋等動作。

支架部分設(shè)計(jì)

支撐架分為底座、支柱和圓臺，圓臺安裝了推力軸承及Y軸垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸承，可使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動，并安裝了步進(jìn)電機(jī)控制Y軸運(yùn)動，以此進(jìn)行伸出或收回的動作。完成后的機(jī)械臂見圖2。

電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的單片機(jī)采用Arduinomega2560，見圖3。采用場效應(yīng)管作為電磁鐵的控制元件，并配合10mF50V電容和肖特基管作為供電部分，使用激光測距儀、陀螺儀、單圈電位器及直線電位器對小臂角度進(jìn)行判斷和定位，通過傾斜傳感器進(jìn)行初始位置校準(zhǔn)。

算法設(shè)計(jì)

該機(jī)械臂系統(tǒng)需要事先輸入預(yù)定目標(biāo)位置后再進(jìn)行動作到達(dá)指定位置，不適于進(jìn)行微小多次的調(diào)整，因此需對該機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆分析。

經(jīng)推導(dǎo)可得到支架上Y軸步進(jìn)電機(jī)輸出值為：

Y=1'sinθ₁（1'為中心支點(diǎn)到步進(jìn)電機(jī)作用點(diǎn)距離）

以此實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)位置的運(yùn)動角度及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動距離判斷。

結(jié)論與改進(jìn)方向

該機(jī)械臂模型在醫(yī)用義肢、輔助搬運(yùn)器械、教育機(jī)械、裝配、計(jì)算機(jī)智能模擬交互等領(lǐng)域及危險(xiǎn)環(huán)境替人工作方面有較大的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)機(jī)械臂具有運(yùn)動速度快、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、易于更換配件、可在高粉塵等復(fù)雜環(huán)境中有效工作的特點(diǎn)。它更適于進(jìn)行有目標(biāo)的指定位置操作，不適用于小幅度的精細(xì)工作。

該機(jī)械臂還有改進(jìn)空間。在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，可定制更為小巧的電磁鐵以提高效率，也可運(yùn)用拓?fù)浣^緣體、液體金屬等材料實(shí)現(xiàn)高效低能耗運(yùn)動；因該系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械臂有較大結(jié)構(gòu)及動力區(qū)別，因此在算法方面也有很大的改進(jìn)空間。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎。

專家評語

本項(xiàng)目綜合運(yùn)用了機(jī)械、電氣、生物學(xué)科的知識，作者在完成項(xiàng)目過程中各方面的能力得到提高，知識得到豐富。以電磁鐵模擬肌肉爆發(fā)力特性有創(chuàng)新。但作者對電磁鐵的特性理解還不夠，手臂的精度考慮不足。應(yīng)進(jìn)一步研究多軸聯(lián)動，開發(fā)自動化程度更高、精度更高、速度更快的機(jī)械臂。