六自由度機械手臂實驗裝置的設計與研究

摘要：論文設計了一種由直流減速電機和伺服舵機構成的六自

由度機械手臂實驗裝置，VC++上位機界面通過串口控制機械手臂的運行，借此六自由度機械手實驗裝置可以在實驗室內測試各種控制算法和控制理論，為機械手控制研究提供極大的便利。

關鍵詞：機械手 模塊設計 控制系統

機械手主要應用于勞動密集型的加工行業，代替人類完成單調重復的勞動，提高生產效率和產品合格率。機械手的應用擴大了人的手足和大腦功能，使人類避免從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環境中的工作[1]。目前已廣泛應用于汽車制造、家具制造、服裝加工等領域。

1 機械手機構設計

1.1 底座結構設計 底座是用于安裝手臂、動力源、控制器和驅動機構的支架。本機械手底座支架裝有一個減速電機和一個智能控制器，如圖1所示：

1.2 手臂結構設計 手臂是連接底座和手部的中間部分，有無關節臂和有關節臂之分，目前采用的手臂大多為無關節臂[2]，本文采用有關節臂。

手臂的作用是引導手部準確的抓住物體，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠準確的工作手臂的三個自由度都要準確的定位。本機械手手臂結構采用三個SR-403P舵機及其相關卡口工件組成，三個自由度可使機械手手臂結構更加自由靈活地運動，手臂結構如圖2所示：

1.3 手部結構設計 手部安裝在手臂的前端。手部由兩個舵機控制，從而實現手腕的反轉和手指的關閉。

機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節、固定關節和自由關節三種[3]。手指的數量又可分為二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，設計時采用的二指結構，其中一指固定，另一指由舵機控制。手指可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤。機械手手部結構包含兩個自由度，一個自由度用于夾持物件，另一個自由度用于反轉手腕，兩個自由度均由HS-7955TG舵機實現，手部結構如圖3所示：

機械手裝配完成后的整體設計效果圖如圖4所示：

2 機械手臂驅動設計

常見的驅動機構主要液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅動應用的最多，而電動驅動應用的比較少。液壓驅動主要是通過缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。具有體積小、作用力大，動作平緩，調速方便等優點，但需要配備油泵等動力設備，系統復雜，成本較高。氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。以空氣作為動力傳遞媒介，具有維護簡單、方便，運行清潔，但因空氣的可壓縮性比價高，一般難以線性控制。電氣驅動采用的不多，一般以電機作為動力源，用大減速比減速器來驅動執行機構，系統簡單，維護方便，但因電機功率原因，很難達到較高的功率輸出，不適合高負荷野外工作。

2.1 機械手驅動方式的選擇與設計 因為本文所設計的六自由度機械手為實驗室內部研究使用，故不需考慮能源供給和功率問題，反觀液壓驅動和氣壓驅動都需要龐大的配套系統來支撐驅動，所以本文采用電氣驅動方式。驅動元件主要包括減速電機和舵機。圖1中的減速電機采用OpenCS5A/8A智能驅動器進行控制，實現其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款應用最新的DSP控制技術開發的集運動控制、驅動、PLC功能于一體的智能控制

與數字伺服驅動器，內嵌高級運動控制語言（TML），使其易于實現無刷直流，無刷交流（矢量控制）旋轉或直線，有刷伺服電機的單軸與多軸控制。機械手的其余關節使用舵機控制，舵機是一種位置伺服的驅動器，控制信號是PWM信號[4]，利用占空比的變化改變舵機的位置。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms-2.5ms范圍內，其實是利用調節固定周期內的占空比來控制角度的變化。具有控制簡單，安裝方便等優點。

2.2 機械手控制系統通信設計 機械手的控制系統設計主要包括驅動機構（減速電機和舵機）的控制、上位機控制界面的設計以及上、下位機之間的串口通信等。機械手控制算法經上位機解算后將控制信息經串口發給下位機MCU，下位機根據位置信息分別控制各個減速電機，從而實現機械手的精確控制[5]。

3 基于VC++的控制界面設計

上位機控制界面主要包括五路舵機控制區、一路電機控制區、機械手運行示意圖等幾個部分，如圖5所示。

舵機控制采用滾動條的方式，并將每個舵機轉動的角度實時顯示在右側的編輯框內；電機控制采用速度控制，主要包括電機的正轉、反轉、停止等；機械手運行示意圖顯示機械手的運動情況，當某個舵機或電機運行時，示意圖上相對應的舵機或電機位置將會加亮，表示這一舵機或電機正在運行[6]。

4 結論

論文主要提供了一種機械手的設計思路，進行硬件制作和控制系統的設計，最終實現機械手的實時控制。解決了減速電機控制、多路舵機控制和上、下位機之間串口通信等難點問題，為實驗室機械手位置控制算法的研究提供了實驗研究基礎，為實驗室研究機械手更加精確而又復雜的控制算法提供了實驗平臺。

參考文獻：

[1]范小蘭，趙春鋒.基于PLC的機械手控制在MCGS中的實現[J].制造業自動化，2012，34（18）：6-8，25.

[2]關明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機械手控制系統設計[J].煤礦機械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]張普行，嚴軍輝，賈秋玲.六自由度機械手的運動學分析[J].制造業自動化，2011，33（20）：68-71.

[4]付麗，劉衛國，伊強.單片機控制的多路舵機用PWM波產生方法[J].驅動控制，2006，29.

[5]龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[J].電子工業出版社，2004，46-48.

[6]牟薈瑾.柔性機械臂控制技術的研究意義及現狀[J].現代經濟信息，2008，91-92.