基于STM32的六自由度機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包黎明，任林昌＊，李光宇，馬 易，王繼濤，景紅燕

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

目前，機(jī)器人的主要工作是通過機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，因此對機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制和動(dòng)力學(xué)分析的必要過程，且機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一種可靠的提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡精度和穩(wěn)定性[1]。

機(jī)械臂一方面要與工作環(huán)境進(jìn)行交互，另一方面還要保證精確的操控目標(biāo)，這對機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和控制精度提出了挑戰(zhàn)，但實(shí)際情況是大多數(shù)機(jī)械臂不能自主移動(dòng)，阻礙機(jī)械手臂上多功能方向的發(fā)展[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 目標(biāo)與功能

（1）本項(xiàng)目對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂的單自由度、多自由度及基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自主移動(dòng)的目標(biāo)。最終面向工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)、電子、醫(yī)藥等領(lǐng)域進(jìn)行推廣，具有很好的市場潛力和應(yīng)用價(jià)值。

（2）安全可靠，帶過載保護(hù)，徹底解決燒舵機(jī)的難題。通過手柄、藍(lán)牙、上位機(jī)給舵機(jī)控制器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。采用集成度很高的模塊化關(guān)節(jié)，可以通過模塊的組合快速組合出不同構(gòu)型的機(jī)械臂，用來應(yīng)對不同的應(yīng)用需求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)底層以STM32為主控驅(qū)動(dòng)部件，采用六個(gè)數(shù)字舵機(jī)作為機(jī)械臂的的運(yùn)動(dòng)核心。操作人員使用無線遙控發(fā)送指令到機(jī)械臂微控制器控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，并最完成最終物體的抓取任務(wù)。

（1）STM32是單片機(jī)：負(fù)責(zé)處理信號和對機(jī)械手的控制。

（2）數(shù)字舵機(jī)：只需要發(fā)送一次PWM信號，精度高。

（3）微控制器：控制機(jī)械臂完成精準(zhǔn)操作。

1.3 機(jī)構(gòu)原理

圖1 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)原理圖

如圖2所示，基座和滑臺(tái)組成一個(gè)移動(dòng)副A，它們能夠沿直線相對滑動(dòng)；B是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在X-Y平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；C是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；D是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在X-平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；E是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；F是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；G是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

1.4 設(shè)計(jì)路線

圖2為總體設(shè)計(jì)路線。

1.5 機(jī)械手硬件

機(jī)械手外骨架采用鋁合金板材制作，減輕重量，關(guān)節(jié)處采用推力軸承與法蘭和舵機(jī)相配合的方式，舵機(jī)直接帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，機(jī)械手系統(tǒng)的可抓取范圍為直線方向上500mm，覆蓋范圍為半徑為250mm的球形范圍，但機(jī)械手精度在5mm范圍左右。為安全，需要加裝限位保護(hù)，即當(dāng)有人觸及到其工作范圍時(shí)，立即急停。

圖2 設(shè)計(jì)流程

2 整體方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械臂，主要由主板、底座、腰部、大手臂、小手臂、手腕、手爪組成。最終實(shí)現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、大手臂擺動(dòng)、小手臂擺動(dòng)、手腕擺動(dòng)、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)、夾爪夾取六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)計(jì)，主要目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對輕小物體實(shí)現(xiàn)抓取任務(wù)，通過對六自由度機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)仿真模型，利用軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂的單自由度、多自由度及基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能。

2.2 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)想，運(yùn)用D-H法對六自由度機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。D-H參數(shù)就是一個(gè)用四個(gè)參數(shù)表達(dá)兩對關(guān)節(jié)連桿之間位置角度關(guān)系的機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)系確定系統(tǒng)。通過下文我們會(huì)看到，它通過限制原點(diǎn)位置和X軸的方向，人為減少兩個(gè)自由度，因此它只需要用四個(gè)參數(shù)即可表達(dá)關(guān)節(jié)之間原本是六自由度的坐標(biāo)變換。接著，運(yùn)用MATLAB構(gòu)建運(yùn)動(dòng)仿真模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。然后通過軟件編程，利用程序控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂六自由度運(yùn)動(dòng)功能。最后，組裝硬件并對硬件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能。

3 結(jié)語

在此次項(xiàng)目制作過程中，我們認(rèn)真的探討項(xiàng)目各個(gè)方面的內(nèi)容，通過反復(fù)查閱資料，實(shí)驗(yàn)性開發(fā)機(jī)器人的主控系統(tǒng)、組裝機(jī)器人結(jié)構(gòu)、多次試驗(yàn)后確定我們可以在未來的項(xiàng)目期限內(nèi)完成項(xiàng)目。采用模塊化設(shè)計(jì)理念，模塊化設(shè)計(jì)可以提高通用性，裝配與維護(hù)方便，針對具體的工作要求，只需要改變模塊兒的數(shù)量和形式，即可在相對短的時(shí)間內(nèi)滿足多種任務(wù)需求，縮短了設(shè)計(jì)周期減少了設(shè)計(jì)成本。