機械臂的整體方案設

李曉楠

（黑龍江省機械科學研究院，黑龍江 哈爾濱 154000）

機器人的研究始于二戰后的美國。1958年第一臺數控工業機器人誕生后，機器人在工業上的應用不斷增加，日本、德國等國家也相繼開始機器人的研制。中國對現代機器人的研制始于上世紀70年代后期，80年代進入到飛速發展時期。尤其在國家成立了863計劃后，機器人技術得到特別的重視，由此中國在機器人領域取得了飛速發展，相繼研制出示教再現型的搬運、焊接、噴漆、裝配等各種工業機器人，以及水下作業、軍事和特種機器人。

1 機械臂的機械結構設計

1.1 臂部結構設計原則

機械臂的結構形式必須基于其運動形式、動作自由度、抓取質量、受力情況和其他的因素來確定，整個系統的總質量比較大，受力也比較復雜，其運動部件的質量直接影響到機械臂的剛度和強度。所以，進行手臂的設計時，一般應注意下述要求：

（1）較大剛度。防止機械臂在運動過程因剛度不夠而發生較大的形變，手臂的截面形狀也影響其剛度，因此合理選擇適合工作要求的。

（2）較好的導向性。防止機械臂在運動過程中因導向性錯誤而發生不必要的相對運動，方形或是花鍵等形式的臂桿較為適合。

（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機械臂運動部分的質量。

該設計根據機械臂的功能及搬運工作的任務的特點以及類型，為了使其在一定程度上具有操作的靈活性和運行性能的良好，經過多次的比較、討論后，該設計選用多關節型的機械臂，它不僅具有動作的角度大的優點，還可以使機械臂在更大的空間內的運動。通用多關節機械臂適合應用于批量生產、運動強度大且頻繁重復的生產場合。

1.2 機械臂自由度的確定

機械臂的特點以對它的基本要求是能夠快速、準確的拾取搬運物件，因此要求機械臂具有精度高、反應快、承載能力強、靈活度高且能夠自動定位等特性。手臂是執行機構中的主要運動部件，支撐腕關節和末端執行器手并帶動他們在工作空間范圍內自由運動，根據機械臂的應用環境及其結構，選擇合適的自由度，自由度是保證機械臂能夠完成預定工作的重要參數。一般來說是根據機械臂的用途來設計機械臂的自由度。自由度決定機械臂運動的靈活性，自由度越多通用性也越強，但結構較復雜，難以實現。

所設計的搬運機械臂采用四個自由度就可以完成設定的搬運任務。其中機械臂的手臂的旋轉關節包括腰關節、肩關節、肘關節和腕關節四個關節以及末端手爪的開合。

1.3 機械臂機械結構

機械臂機械結構主要由底座、立軸、大臂、小臂、小臂連桿、爪組成，其機械結構如圖1所示。

圖1 機械臂機械結構

腰部回轉機構的設計決定機械臂的控制精度，腰部回轉機構采用兩級齒輪減速器，為保證電機在且斷電源后在短時間內停止轉動，在電機的輸出端加裝電磁制動器，提高控制精度。腰部轉動是通過大齒輪的轉動帶動立軸轉動，立軸與大臂相連，從而實現機械臂腰部的轉動。

機械臂大臂回轉機械結構是實現大臂軸的俯仰運動，動力由伺服電機提供，安裝在大臂的后端，為減小機械臂負載并提高性能。大臂的電機傳動時，大齒輪與底座是固定的，小齒輪轉動帶動大臂一起圍繞大齒輪做俯仰動作，實現機械臂大臂的俯仰運動。機械臂小臂回轉機構小臂的轉動桶大臂回轉運動機理相似，小臂的電機也安裝在大臂的后端，減小機械臂的負載，提高性能。

2 工作對象簡介

在工業現場采用機械臂進行的工作對象中袋裝物品和箱裝物品較為是常見的。在一般的情況下，箱裝物品由于具有規則的外形，多使用吸附式的手爪；而袋裝物品由于具有極易產生形變的特點，多使用夾鉗式或者插板式的手爪。

在該設計中，由于受機械臂硬件條件的限制，選擇夾鉗式的手爪搬運箱裝物品。模擬的箱裝物品的長、寬、高分別是55mm、36mm和30mm。

在進行工作對象的選擇過程中，共有3種型號可供選擇。其中長、寬、高分別是40mm、36mm和30 mm的工作對象由于超聲波傳感器的反射面較小，所以當其已經運動到指定搬運位置時，傳感器不能準確的檢測到物體，所以控制精度不夠高，放棄采用。而長、寬、高分別是65mm、36mm和30mm的工作對象對于該手爪來說尺寸較大，在抓取和搬運的過程中經常出現掉落的現象，所以沒有采用。

3 機械臂關節控制的總體方案

3.1 機械臂控制器類型的確定

作為機械臂的心臟，機械臂控制器是通過程序指令，以及通過從傳感器獲得的傳感信息來實現控制機械臂，完成事先預定的動作或任務的裝置，控制器的性能決定了機械臂控制性能的優劣。根據計算機結構及控制方式方面可將機械臂的控制器劃分為三種：單CPU集中式控制方式和多CPU分布式控制方式以及主從控制方式。

（1）單CPU集中控制方式：是指只通過一臺計算機實現全部控制系統。Hero-Ⅰ、Robot-Ⅰ等這些時代較早的機器人采用的就是這種單CPU集中控制方式的結構，但由于在控制過程中需要消耗大量的計算，因此該控制方式的運行時間相對來說比較慢。

（2）多CPU分布式控制方式：該控制方式是指通過一個CPU只負責一個關節軸的控制，同時將負責上、下位機的通信并行接口放置在上位機與單軸控制的CPU中間位置，以此保證數據的可靠傳輸。

（3）二級主從式控制方式：該控制方式需要主從兩個CPU，即上位機和下位的單片機兩層結構。上位機負責機械臂的運動軌跡，根據運動學計算等對其運動軌跡進行規劃設計，CPU預先計算出各個關節實際的運動量，將設計好的運動軌跡及搬運位置以指令的形式傳遞給下位的微處理器，下位的微處理器根據上位的指令對各關節進行運動控制。

文中所設計的機械臂系統基于STM32微處理器，利用STM32強大的運算和處理能力，采用單CPU集中控制方式即可滿足要求。

3.2 機械臂控制系統結構

本課題研究的機械臂控制系統采用單CPU集中控制方式，系統框圖如圖2。

圖2 機械臂控制系統結構圖

計算機用于發送指令、運動軌跡規劃以及完成整個系統的管理等操作。計算機通過J-Link仿真器將程序下載至STM32微處理器，向關節控制系統發出軌跡指令，STM32根據指令輸出PWM 波，使機械臂的各個關節按照指定的運動軌跡及位置進行角度轉動，從而使其按照預定的軌跡完成搬運任務。

3.3 機械臂關節控制系統的實施控制策略

確定控制系統是以STM32微處理器為核心，對直流伺服電機（舵機）進行較為精確的運動控制。

關節控制系統的工作原理是：STM32微處理器內部的PWM 單元產生PWM信號，驅動直流伺服電機旋轉。電機驅動舵機內部的齒輪組運動，將其輸出端去帶動一個線性的比例電位器并將其作為位置檢測，該電位器把轉角坐標信號轉換為一比例電壓信號反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號進行比較，產生糾正脈沖，通過驅動電機正向或者反向的轉動，使齒輪組的輸出位置與預期值相符，令糾正脈沖數值最終趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位。

該關節控制系統的主要特點如下：

（1）使用Contex-M3為內核的STM32F103ZET6作為系統的微控制器，與傳統的51單片機相比起來，具有功耗小，運算能力大大增強的優點。

（2）采用直流伺服電機驅動機械臂的各個關節，根據STM32微控制器輸出的PWM控制信號的占空比來確定直流電動機的轉速和轉向，控制起來簡單，準確。

4 結語

文中通過設計介紹4自由度機械臂的結構形式，根據腰關節、肩關節、肘關節和腕關節4個旋轉關節的運動特點在實際工作的應用，對機械臂進行整體方案設計，設計機械結構，確定控制方案，確定控制系統采用單CPU集中控制方式，說明關節控制系統的工作原理，介紹節控制系統的一些主要特點。