公路養護機械臂裝置設計與實物搭建*

肖 剛，習佳俊，曹明恒，楊 龍，梁 彤，許圓圓

(寶雞文理學院 機械工程學院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

隨著已有公路使用年限的增加，我國大批公路即將進入養護階段。據有關數據統計，我國每年有12%的公路需要翻修和養護，舊瀝青廢棄量高達每年240萬噸之巨，而且這個數字以每年15%的速度增長。為了減少養護過程中的環境污染，2018年交通部和陜西省交通廳印發了《關于進一步加強公路養護工程項目環境保護工作的通知》陜交函〔2018〕1102號，通知明確要求采用機械化設備提高養護效率，養護過程嚴格按照“綠色、循環、低碳”的原則。2018年開始政府部門相繼推出了《服務機器人科技發展“十二五”專項規劃》《中國制造2025》《機械工業“十三五”質量管理規劃綱要》《機器人產業發展規劃(2016-2020年)》等文件，文件提出將機器人相關產業列為未來重點攻關領域。

在此背景下，本文在查閱已有研究資料基礎上，首先通過UG建立公路養護機械臂裝置三維實體簡化模型，然后利用機械人相關理論中的D-H法建立了所設計機械臂的數學模型，在數學模型基礎上通過MATLAB軟件對機械臂末端運動軌跡進行分析與規劃，得到公路養護車機械臂裝置的最優設計結果，最后，利用ARDUINO控制芯片、電機和繼電器等構件搭建了機械臂及控制系統實物模型。

1 機械臂裝置結構

利用UG軟件建立的機械臂三維模型如圖1所示。機械臂工作主要承力支架由電機結構支撐架7、8和可轉位養護設備支撐架14組成，由機械臂底座1固定在養護車的后承受板上，電機4用于控制可轉位養護設備在橫向的轉動，電機6用于控制可轉位養護設備在縱向的轉動，使可轉位設備到達工作區域，電機10、13控制可轉位設備的水平及其工作刀口方向運動，電機16安裝在支撐架14上，通過電機10、13來驅動設備精準到達工作區域，由錐形齒輪19傳輸電機18動力帶動銑刨切割刀具17工作。

1-機械臂底座；2，11，12-電機機槽；3-螺絲；4,5-水平運動電機；6，10，13-垂直運動電機；7，8-電機機械臂支架；9-機械臂支架螺母；14-可轉位養護設備支撐架；15-可轉位設備外罩；16，18-可轉位動力電機；17-銑刨、切割刀具；19-錐形齒輪

2 機械臂運動軌跡規劃

機械臂參數影響末端軌跡，末端軌跡關系到機械臂是否可以有效工作，因此進行末端軌跡分析主要是為了避免運動過程中的干涉，合理選擇參數，就可確保機械臂具有較大的有效工作范圍，圖2為機械臂運動學模型。

圖2中，坐標系X0Y0Z0位于底座的回轉中心，X1Y1Z1為一節臂回轉中心，底座和一節臂之間通過圓柱銷鏈接，底座可以繞Z0轉動，s和h分別為兩個坐標系橫向和縱向之間的距離。

根據圖2，利用D-H法建立機械手末端相對于固定坐標系的位置方程：

圖2 機械臂運動學模型

(1)

其中：θ123=Φ3+Φ2-Φ1；θ12=Φ2-Φ1。

根據表1中的機械臂運動參數，取轉臺擺動角度Φ0為-30°～30°，Φ1為30°～70°，Φ2為50°～130°，臂長l1=1.8 m，二節臂長l2=1.5 m，可得機械臂在XYZ空間的運動范圍，如圖3所示。

表1 機械臂運動參數

圖3 機械手末端運動軌跡

利用MATLAB設計的主程序如下：

clear all;clc;

s=0.2;h=0.8;L3=2.5;L1=1.8;L2=1.5;

v1=3*pi/18:pi/18:7*pi/18;v2=5*pi/18:2*pi/36:13*pi/18;

m1=length(v1);m2=length(v2);D=zeros(m1,m2);Z=zeros(m1,m2);

DX=zeros(m1,m2);DY=zeros(m1,m2);v0=-3*pi/18:pi/36:3*pi/18;

m3=length(v0);

for ii=1:m3

for i=1:m1

for j=1:m2

D(i,j)=s+L1.*cos(v1(i))+L2.*cos(v2(j)-v1(i));

DX(i,j)=cos(v0(ii)).*D(i,j);DY(i,j)=sin(v0(ii)).*D(i,j);

Z(i,j)=h+L1*sin(v1(i))-L2*sin(v2(j)-v1(i))-L3;

scatter3(DX(i,j),DY(i,j),Z(i,j),'r')

hold on

end

end

hold on

end

xlabel('X');ylabel('Y');zlabel('Z')

3 部分控制程序代碼

(1)機械臂舵機的初始化到等待狀態代碼：

void myservosetup()

{sea=myservoA.read();seb=myservoB.read();sec=myservoC.read();

sed=myservoD.read();see=myservoE.read();sef=myservoF.read();

myspeed=500;

for(pos=0;pos<=myspeed;pos+=1)

{myservoA.write(int(map(pos,1,myspeed,sea,66)));

myservoB.write(int(map(pos,1,myspeed,seb,90)));

myservoC.write(int(map(pos,1,myspeed,sec,50)));

myservoD.write(int(map(pos,1,myspeed,sed,90)));

myservoE.write(int(map(pos,1,myspeed,see,120)));

myservoF.write(int(map(pos,1,myspeed,sef,90)));

delay(1);}}

(2)控制程序主要定義引腳：

{Serial.begin(9600,SERIAL_8N1);

mycomflag=2;//機械臂默認上電狀態為：2 自動運行

myservoA.attach(3);//控制腰部(A)的端口是～3號

myservoB.attach(5);//控制大臂(B)的端口是～5號

myservoC.attach(6);//控制小臂(C)的端口是～6號

myservoD.attach(9);//控制小臂旋轉(D)的端口是～9號

myservoE.attach(10);//控制腕部(E)的端口是～10號

myservoF.attach(11);//控制腕部旋轉(F)的端口是～11號

myservoA.write(66);myservoB.write(90);myservoC.write(55);

myservoD.write(90);myservoE.write(120);myservoF.write(90);}

(3)壓力測控部分主程序代碼：

{long PRESS_AO =0;

int VOLTAGE_AO =0;int value =analogRead(pin);

DEBUGSerial.print("AD =");DEBUGSerial.print(value);

DEBUGSerial.print(" ,");

VOLTAGE_AO =map(value,0,1023,0,5000);

DEBUGSerial.print("V =");

DEBUGSerial.print(VOLTAGE_AO);DEBUGSerial.print(" mv,");

if(VOLTAGE_AO

{PRESS_AO =0;}else if(VOLTAGE_AO >VOLTAGE_MAX)

{PRESS_AO =PRESS_MAX;}

else

{PRESS_AO =map(VOLTAGE_AO,VOLTAGE_MIN,VOLTAGE_MAX,PRESS_MIN,PRESS_MAX);}

return PRESS_AO;}

4 實物模型搭建

圖4為搭載在公路養護車上的機械臂，主要用于驅動可轉位養護設備。圖4中，1為機械臂的底座，主要用于機械臂的安裝；2為機械臂的水平旋轉電機，其作用是驅動機械臂進行水平旋轉移動；3為機械臂驅動可轉位設備的主要電機；4為機械臂驅動可轉位養護設備的主要承受臂；5為機械臂垂直移動輔助電機，其主要作用是配合電機3驅動機械臂進行垂直運動；6為機械臂驅動可轉位養護設備電機，其功能是驅動旋轉可轉位養護設備；7為可轉位養護設備的結構控制機架；8為控制可轉位養護設備切換的電機。圖5為機械臂裝置實物圖，主要采用ARDUINO和繼電器控制。

1-機械臂底座；2-水平運動電機；3，5，6-垂直運動電機；4-機械臂支撐架；7-可轉位設備支撐架；8-可轉位電機

5 結論

本文利用UG建立起吊裝置的三維簡化模型，設計機械臂控制系統，對機械臂裝置進行運動軌跡規劃，通過對機械臂裝置進行參數化設計，得到公路養護車機械臂裝置的最優設計結果，可為公路養護車機械臂裝置的設計和改進提供一定的參考。

1-機械臂支撐架；2，3，5-運動電機；4-可轉位設備支撐架;6-可轉位設備