一種新型十字結(jié)構(gòu)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

鄭麗娜，張相哲，班頂

（六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水，553000）

0 引言

“中國制造2025”推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械臂等智能化設(shè)備的應(yīng)用，使無人工廠成為可能，高校對該領(lǐng)域人才的培養(yǎng)更是重中之重。但目前在高校領(lǐng)域用于學(xué)生使用的機(jī)械臂大多控制精度低且運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解復(fù)雜。而精度高的機(jī)械臂往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以小型化。本文設(shè)計(jì)的十字結(jié)構(gòu)機(jī)械臂控制精度高、結(jié)構(gòu)新穎實(shí)用、控制算法簡單并且小型化。該機(jī)械臂包括旋轉(zhuǎn)基座、動(dòng)力裝置、橫臂、縱臂、機(jī)器視覺裝置、執(zhí)行末端、直線軸承、四向滑臺機(jī)構(gòu)及固定機(jī)構(gòu)。在本裝置中，操作人員可通過程序控制或遙控方式靈活調(diào)節(jié)機(jī)械臂動(dòng)作，控制執(zhí)行末端精確到達(dá)指定位置進(jìn)行相應(yīng)操作。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本機(jī)械臂由旋轉(zhuǎn)基座、動(dòng)力裝置、橫臂、縱臂、機(jī)器視覺裝置、執(zhí)行末端、直線軸承、四向滑臺機(jī)構(gòu)及固定機(jī)構(gòu)組成，機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該裝置中，旋轉(zhuǎn)基座包括內(nèi)環(huán)與外環(huán)；動(dòng)力裝置包括1-3號電機(jī)、閉環(huán)同步帶、開環(huán)同步帶及同步輪；橫臂、縱臂均采用直徑為6mm的硬質(zhì)光軸；固定機(jī)構(gòu)包括頂板、尾板和前板。其中，旋轉(zhuǎn)基座內(nèi)環(huán)上方安裝機(jī)械臂縱臂，可帶動(dòng)機(jī)械臂作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)不考慮旋轉(zhuǎn)基座時(shí)，機(jī)械臂整體為Core XY變體結(jié)構(gòu)；1號電機(jī)安裝在旋轉(zhuǎn)基座的外環(huán)，通過閉環(huán)同步帶與旋轉(zhuǎn)基座內(nèi)環(huán)連接，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)基座內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)；2號電機(jī)、3號電機(jī)通過開環(huán)同步帶與橫臂、縱臂連接，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂上下、前后方向的運(yùn)動(dòng)；四向滑臺機(jī)構(gòu)內(nèi)部安裝有滾珠直線軸承，可減小滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，四向滑臺機(jī)構(gòu)安裝在縱臂上，可在縱臂上自由升降；同時(shí)橫臂也安裝在四向滑臺機(jī)構(gòu)內(nèi)，可在其內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行末端安裝在固定機(jī)構(gòu)的前板下方；機(jī)器視覺裝置安裝在執(zhí)行末端與固定機(jī)構(gòu)前板之間。

圖1 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂實(shí)際結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)移動(dòng)副組成。轉(zhuǎn)動(dòng)副對應(yīng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)基座的轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)副對應(yīng)機(jī)械臂橫臂、縱臂的作直線運(yùn)動(dòng)和自由升降動(dòng)作。

圖2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型

1.2 工作原理

在本設(shè)計(jì)中操作人員可通過程序控制或遙控方式靈活調(diào)節(jié)機(jī)械臂動(dòng)作，進(jìn)而控制執(zhí)行末端精確到達(dá)指定位置進(jìn)行相應(yīng)操作。當(dāng)采用程序控制方式時(shí)，操作人員按下啟動(dòng)按鈕，主控制器立即將程序命令計(jì)算轉(zhuǎn)為控制命令（即步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號及正反轉(zhuǎn)信號）發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)控制器根據(jù)控制命令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，并通過同步帶傳動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂協(xié)調(diào)有序的執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而控制執(zhí)行末端完成指定任務(wù)如抓取、放置等。若采用遙控方式，操作人員按下啟動(dòng)按鈕并根據(jù)實(shí)際需要對機(jī)械臂發(fā)送指令，主控制器接收指令經(jīng)計(jì)算后轉(zhuǎn)為控制命令發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，利用同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求控制執(zhí)行末端完成相應(yīng)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂為Core XY變體結(jié)構(gòu)，其控制原理在不考慮旋轉(zhuǎn)基座時(shí)與Core XY結(jié)構(gòu)類似。Core XY是一種3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)類型。Core XY的工作原理是通過兩個(gè)電機(jī)同時(shí)控制X軸、Y軸的移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同向工作時(shí)，往X軸方向移動(dòng)；反之當(dāng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)反向動(dòng)作時(shí)則往Y軸方向移動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)電機(jī)固定于機(jī)械臂底部，以減輕運(yùn)動(dòng)部分的重量，同時(shí)下移了整體裝置的重心，使得機(jī)械臂可以更加快速、穩(wěn)定的動(dòng)作。并且當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)作用時(shí)，其力量比單個(gè)電機(jī)控制更加穩(wěn)定。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)選型

本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂是一款小型化、輕量型的機(jī)械臂，需考慮其機(jī)械機(jī)構(gòu)的剛性、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)重量等因素，為保證其具有的特點(diǎn)，該機(jī)械臂縱臂采用4根長度為250mm、直徑為6mm的硬質(zhì)光軸；機(jī)械臂橫臂采用2根長度為280mm、直徑為6mm的硬質(zhì)光軸；此外，旋轉(zhuǎn)基座內(nèi)環(huán)與四向滑臺均采用改性PC材料3D打印制作而成；其他受力結(jié)構(gòu)均采用碳纖維材料3D打印加工制作。

2 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及主控芯片組成，該控制器安裝在機(jī)械臂底部旋轉(zhuǎn)基座上。主控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，電源模塊采用12V、2400mAh鋰電池為機(jī)械臂提供供電電壓；穩(wěn)壓模塊采用MP2225開關(guān)型變換器，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 97%，在寬輸入范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)5A的輸出電流，具有極好的負(fù)載和線性調(diào)節(jié)性能；主控芯片采用帶DSP和DP-FPU的高性能ARM Cortex-M7 MCU，該MCU具有2 MB Flash、1 MB RAM、480 MHz CPU以及外部存儲器接口和大量外設(shè)，可滿足設(shè)計(jì)需求。在電路設(shè)計(jì)中，電源模塊兩極分別連接穩(wěn)壓模塊的IN+、IN-引腳，經(jīng)穩(wěn)壓模塊降壓后，輸出引腳連接主控芯片的VCC、GND引腳，同時(shí)主控芯片引腳連接步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)而控制整個(gè)機(jī)械臂動(dòng)作。在機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)中采用OpenMV 4 plus 500萬攝像頭模塊作為機(jī)器視覺裝置，該模塊具有4根不同顏色的線，紅線、黑線分別接電源模塊正極、負(fù)極，其余兩根為信號線與主控制器連接實(shí)現(xiàn)對抓取放置物體的顏色識別、物體識別等操作，并將其結(jié)果返回主控制器。

圖3 主控制器結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Keil V5軟件進(jìn)行機(jī)械臂控制程序的設(shè)計(jì)，該軟件具有程序結(jié)構(gòu)靈活、適用性廣等特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)機(jī)械臂的控制流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 機(jī)械臂控制流程圖

（1）給裝置上電，完成裝置的初始化，包括定時(shí)器、I/O、UART、IIC、無線通信模塊初始化。

（2）檢測啟動(dòng)按鈕是否按下，若按下，則主控制器工作，若無，則重復(fù)（2）動(dòng)作，直至啟動(dòng)按鈕被按下結(jié)束。

（3）主控制器接收并更新目標(biāo)動(dòng)作，若接收到新的動(dòng)作任務(wù)，則發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)至指定動(dòng)作使機(jī)械臂完成相應(yīng)工作，若主控制器沒有接收到新的動(dòng)作，則重復(fù)（3）動(dòng)作。

（4）重復(fù)以上，執(zhí)行動(dòng)作任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)械臂的可靠性、穩(wěn)定性等性能，則對以下5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄運(yùn)動(dòng)行程、重復(fù)定位次數(shù)、單次運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）、重復(fù)定位精度（mm），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

圓周運(yùn)動(dòng) 360° 7 2 ±0.204 45°方向直線運(yùn)動(dòng) 270mm 7 1.2 ±0.049無序運(yùn)動(dòng) 7 5.9 ±0.214

從表1數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)的十字結(jié)構(gòu)機(jī)械臂在水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)以及45°方向直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，單次運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1.2s，且定位精度較高，同時(shí)該機(jī)械臂還可調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度為360°，也可以根據(jù)實(shí)際情況更換光軸增加行程。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的十字結(jié)構(gòu)機(jī)械臂，具有精度高、易控制、小型化、輕量型的特點(diǎn)，該裝置為高精度小型機(jī)械臂帶來了更好的選擇，結(jié)構(gòu)新穎，具有廣泛的市場前景。且可根據(jù)實(shí)際情況更換光軸增加行程以及增大負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)同步輪來進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)的精度。