六自由度手臂機器人的撿拾動作研究

崔瀚文

摘 要：六自由度是工業上常用的機械手臂結構，通過對機械手臂工作原理和結構的研究，完成了六自由度手臂機器人的系統設計和構架設計，分析了機械手臂的自由度，并對相關功能進行了測試。

關鍵詞：手臂機器人；撿拾；研究

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.02.006

手臂機器人的主要功能是在工作要求條件下精確的撿拾、移動或操縱目標零件，在實際的應用過程中，手臂機器人往往由于設計和控制關系等問題，影響到機械手臂位置的精確程度，妨礙了機械手臂特有功能的實現。通過對六自由度手臂機器人撿拾動作和相關機理的研究，分析了手臂機器人的自由度構架和控制方式，對手臂機器人的行進能力和撿拾動作的精確性做了相關試驗。

1 結構及功能介紹

六自由度手臂機器人是一個可移動的綜合系統，其主要功能包括了環境適應、路線規劃、動作設計、人為控制以及動作執行等幾個方面。手臂機器人安裝在一個可移動的平臺之上，能夠在移動的過程中通過六自由度的條件來撿拾空間上的物體，在結構設計上，移動平臺采用了四輪式結構，通過獨立的電機提供動力，能通過事先規劃的路線或人為的控制到達指定的工作位置，并且利用移動來配合機械手臂的撿拾動作，使機械手臂能夠以更科學的姿勢撿拾對應的物體，在一定程度上提升機械手臂的適應能力。

2 系統構架設計

六自由度手臂機器人能夠通過其自主移動和多向運動有效代替人力勞動，具有高效穩定的特性。下圖是手臂機器人的總體構架設計，主要包括：計算機控制端、總控制面板、電機控制單元、運動控制單元、手臂控制面板、輔助的探測單元及傳感器等。總控制面板包含了微處理器和多種數據接口，能夠處理各種信息和數據，并對其他功能單元實現協調與控制；電機控制單元能夠根據傳感器的反饋實時控制機器人的行進速度，并配合機器人控制面板實現對撿拾動作的精確控制。

3 手臂構架設計

由于在三維空間中必須有6向自由度才能實現全部位置的撿拾作業，因此六自由度的機械手臂具有很好的實用意義。若機械手臂的自由度小于6，那么它的行動能力將受到很大限制。機械手臂是機器人最重要的結構部分，關節型的機械手臂是工業領域最常用的機械手臂類型，它能夠通過程序或人工控制實現近似于人體手臂的功能。

3.1 機械手臂的自由度分析

六自由度機械手臂包含了底座、手臂、手腕和撿拾器4部分，手臂的運動通過伺服電機來控制，通過手臂、手腕和撿拾器的配合實現要求的撿拾功能，主體的運動結構由3個帶有轉動關節的手臂以及1個可以轉動的撿拾器組成，手臂的位置和對應姿態需要6個數據才能完全控制，因此機械手臂為適應所有的空間位置具備了6個自由度，而少于六自由度的機械手臂不能實現空間上的全部撿拾要求。具備7個以上自由度機械手臂在進行空間計算時沒有唯一解，這就導致控制手臂運動的程序必須要從無數種運動方式中選擇一條最佳方式來完成，這無異于耗費了大量的時間和計算，在工業上采用7自由度以上機械手臂的應用很少。因此，選用六自由度的機械手臂完成空間撿拾要求是合理的。

3.2 手臂控制系統介紹

控制精度對機械手臂的功能性有很大影響，想要完成空間里物體的撿拾要求，必須要對手臂的各個結構進行精確的控制，以保證手臂的各個位置與最初的設計位置相同，進而提高工作任務完成的精確程度。機械手臂的實際運動位置需要通過計算機進行空間計算獲得，計算機會根據預期的目標位置計算出各個關節的旋轉角度，并通過電信號的持續時間來控制不同關節的旋轉角度，再通過傳感器的信號反饋將數據反饋給微處理器進行驗證，從而完成對機械手臂運動的控制。

4 六自由度手臂機器人的測試分析

在對六自由度手臂機器人的實際測試中，主要采用了信號接收測試、行走路線測試、避障功能測試以及撿拾功能測試這四項。信號接收測試是指對機器人發送指定的指令，觀察機器人是否按照預計的方式執行相應的命令，本次測試指令共計12條，測試結果全部通過。行走路線測試主要是觀察機器人在規劃的或是人工控制的情況下能否按照理想的軌跡行駛，測試初期行走效果有偏差，經調整或多次試驗后達到預期效果。避障功能測試主要試驗當行進路線上有障礙物時，機器人能否自動躲避，測試結果滿足要求。撿拾功能測試主要試驗機械手臂的撿拾能力，本次試驗共設計了20個撿拾點，在經過多次調整后撿拾工作的效果達到了預計要求。

5 總結

六自由度手臂機器人的結構和自由度選擇有其自身的合理性，且控制方式和程序簡單、容易實現，實際測試效果良好，是比較成熟的機械手臂形式，易于被工業廣泛使用。endprint