機械臂的整體方案設(shè)

李曉楠

（黑龍江省機械科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 154000）

機器人的研究始于二戰(zhàn)后的美國。1958年第一臺數(shù)控工業(yè)機器人誕生后，機器人在工業(yè)上的應(yīng)用不斷增加，日本、德國等國家也相繼開始機器人的研制。中國對現(xiàn)代機器人的研制始于上世紀(jì)70年代后期，80年代進入到飛速發(fā)展時期。尤其在國家成立了863計劃后，機器人技術(shù)得到特別的重視，由此中國在機器人領(lǐng)域取得了飛速發(fā)展，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、焊接、噴漆、裝配等各種工業(yè)機器人，以及水下作業(yè)、軍事和特種機器人。

1 機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

機械臂的結(jié)構(gòu)形式必須基于其運動形式、動作自由度、抓取質(zhì)量、受力情況和其他的因素來確定，整個系統(tǒng)的總質(zhì)量比較大，受力也比較復(fù)雜，其運動部件的質(zhì)量直接影響到機械臂的剛度和強度。所以，進行手臂的設(shè)計時，一般應(yīng)注意下述要求：

（1）較大剛度。防止機械臂在運動過程因剛度不夠而發(fā)生較大的形變，手臂的截面形狀也影響其剛度，因此合理選擇適合工作要求的。

（2）較好的導(dǎo)向性。防止機械臂在運動過程中因?qū)蛐藻e誤而發(fā)生不必要的相對運動，方形或是花鍵等形式的臂桿較為適合。

（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機械臂運動部分的質(zhì)量。

該設(shè)計根據(jù)機械臂的功能及搬運工作的任務(wù)的特點以及類型，為了使其在一定程度上具有操作的靈活性和運行性能的良好，經(jīng)過多次的比較、討論后，該設(shè)計選用多關(guān)節(jié)型的機械臂，它不僅具有動作的角度大的優(yōu)點，還可以使機械臂在更大的空間內(nèi)的運動。通用多關(guān)節(jié)機械臂適合應(yīng)用于批量生產(chǎn)、運動強度大且頻繁重復(fù)的生產(chǎn)場合。

1.2 機械臂自由度的確定

機械臂的特點以對它的基本要求是能夠快速、準(zhǔn)確的拾取搬運物件，因此要求機械臂具有精度高、反應(yīng)快、承載能力強、靈活度高且能夠自動定位等特性。手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，支撐腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器手并帶動他們在工作空間范圍內(nèi)自由運動，根據(jù)機械臂的應(yīng)用環(huán)境及其結(jié)構(gòu)，選擇合適的自由度，自由度是保證機械臂能夠完成預(yù)定工作的重要參數(shù)。一般來說是根據(jù)機械臂的用途來設(shè)計機械臂的自由度。自由度決定機械臂運動的靈活性，自由度越多通用性也越強，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以實現(xiàn)。

所設(shè)計的搬運機械臂采用四個自由度就可以完成設(shè)定的搬運任務(wù)。其中機械臂的手臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)四個關(guān)節(jié)以及末端手爪的開合。

1.3 機械臂機械結(jié)構(gòu)

機械臂機械結(jié)構(gòu)主要由底座、立軸、大臂、小臂、小臂連桿、爪組成，其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械臂機械結(jié)構(gòu)

腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計決定機械臂的控制精度，腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用兩級齒輪減速器，為保證電機在且斷電源后在短時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，在電機的輸出端加裝電磁制動器，提高控制精度。腰部轉(zhuǎn)動是通過大齒輪的轉(zhuǎn)動帶動立軸轉(zhuǎn)動，立軸與大臂相連，從而實現(xiàn)機械臂腰部的轉(zhuǎn)動。

機械臂大臂回轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)大臂軸的俯仰運動，動力由伺服電機提供，安裝在大臂的后端，為減小機械臂負載并提高性能。大臂的電機傳動時，大齒輪與底座是固定的，小齒輪轉(zhuǎn)動帶動大臂一起圍繞大齒輪做俯仰動作，實現(xiàn)機械臂大臂的俯仰運動。機械臂小臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)小臂的轉(zhuǎn)動桶大臂回轉(zhuǎn)運動機理相似，小臂的電機也安裝在大臂的后端，減小機械臂的負載，提高性能。

2 工作對象簡介

在工業(yè)現(xiàn)場采用機械臂進行的工作對象中袋裝物品和箱裝物品較為是常見的。在一般的情況下，箱裝物品由于具有規(guī)則的外形，多使用吸附式的手爪；而袋裝物品由于具有極易產(chǎn)生形變的特點，多使用夾鉗式或者插板式的手爪。

在該設(shè)計中，由于受機械臂硬件條件的限制，選擇夾鉗式的手爪搬運箱裝物品。模擬的箱裝物品的長、寬、高分別是55mm、36mm和30mm。

在進行工作對象的選擇過程中，共有3種型號可供選擇。其中長、寬、高分別是40mm、36mm和30 mm的工作對象由于超聲波傳感器的反射面較小，所以當(dāng)其已經(jīng)運動到指定搬運位置時，傳感器不能準(zhǔn)確的檢測到物體，所以控制精度不夠高，放棄采用。而長、寬、高分別是65mm、36mm和30mm的工作對象對于該手爪來說尺寸較大，在抓取和搬運的過程中經(jīng)常出現(xiàn)掉落的現(xiàn)象，所以沒有采用。

3 機械臂關(guān)節(jié)控制的總體方案

3.1 機械臂控制器類型的確定

作為機械臂的心臟，機械臂控制器是通過程序指令，以及通過從傳感器獲得的傳感信息來實現(xiàn)控制機械臂，完成事先預(yù)定的動作或任務(wù)的裝置，控制器的性能決定了機械臂控制性能的優(yōu)劣。根據(jù)計算機結(jié)構(gòu)及控制方式方面可將機械臂的控制器劃分為三種：單CPU集中式控制方式和多CPU分布式控制方式以及主從控制方式。

（1）單CPU集中控制方式：是指只通過一臺計算機實現(xiàn)全部控制系統(tǒng)。Hero-Ⅰ、Robot-Ⅰ等這些時代較早的機器人采用的就是這種單CPU集中控制方式的結(jié)構(gòu)，但由于在控制過程中需要消耗大量的計算，因此該控制方式的運行時間相對來說比較慢。

（2）多CPU分布式控制方式：該控制方式是指通過一個CPU只負責(zé)一個關(guān)節(jié)軸的控制，同時將負責(zé)上、下位機的通信并行接口放置在上位機與單軸控制的CPU中間位置，以此保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

（3）二級主從式控制方式：該控制方式需要主從兩個CPU，即上位機和下位的單片機兩層結(jié)構(gòu)。上位機負責(zé)機械臂的運動軌跡，根據(jù)運動學(xué)計算等對其運動軌跡進行規(guī)劃設(shè)計，CPU預(yù)先計算出各個關(guān)節(jié)實際的運動量，將設(shè)計好的運動軌跡及搬運位置以指令的形式傳遞給下位的微處理器，下位的微處理器根據(jù)上位的指令對各關(guān)節(jié)進行運動控制。

文中所設(shè)計的機械臂系統(tǒng)基于STM32微處理器，利用STM32強大的運算和處理能力，采用單CPU集中控制方式即可滿足要求。

3.2 機械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本課題研究的機械臂控制系統(tǒng)采用單CPU集中控制方式，系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 機械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

計算機用于發(fā)送指令、運動軌跡規(guī)劃以及完成整個系統(tǒng)的管理等操作。計算機通過J-Link仿真器將程序下載至STM32微處理器，向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出軌跡指令，STM32根據(jù)指令輸出PWM 波，使機械臂的各個關(guān)節(jié)按照指定的運動軌跡及位置進行角度轉(zhuǎn)動，從而使其按照預(yù)定的軌跡完成搬運任務(wù)。

3.3 機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實施控制策略

確定控制系統(tǒng)是以STM32微處理器為核心，對直流伺服電機（舵機）進行較為精確的運動控制。

關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理是：STM32微處理器內(nèi)部的PWM 單元產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動直流伺服電機旋轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動舵機內(nèi)部的齒輪組運動，將其輸出端去帶動一個線性的比例電位器并將其作為位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)信號轉(zhuǎn)換為一比例電壓信號反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號進行比較，產(chǎn)生糾正脈沖，通過驅(qū)動電機正向或者反向的轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與預(yù)期值相符，令糾正脈沖數(shù)值最終趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位。

該關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的主要特點如下：

（1）使用Contex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器，與傳統(tǒng)的51單片機相比起來，具有功耗小，運算能力大大增強的優(yōu)點。

（2）采用直流伺服電機驅(qū)動機械臂的各個關(guān)節(jié)，根據(jù)STM32微控制器輸出的PWM控制信號的占空比來確定直流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制起來簡單，準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

文中通過設(shè)計介紹4自由度機械臂的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動特點在實際工作的應(yīng)用，對機械臂進行整體方案設(shè)計，設(shè)計機械結(jié)構(gòu)，確定控制方案，確定控制系統(tǒng)采用單CPU集中控制方式，說明關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理，介紹節(jié)控制系統(tǒng)的一些主要特點。