五自由度桌面級多功能機械臂設(shè)計

董琦　曾繁迪

摘? 要：隨著社會需求的發(fā)展，工業(yè)機械臂逐漸小型化和輕量化，應用領(lǐng)域也向工業(yè)應用以外的其他領(lǐng)域拓展。目前，桌面級機械臂在教育（STEAM、創(chuàng)客）、醫(yī)療（輔助化驗、手術(shù)助手）、科研（激光雕刻、3D打?。┑阮I(lǐng)域均存在潛在市場。五自由度桌面級多功能機械臂在一般四自由度桌面機械臂（肩部轉(zhuǎn)動、大臂擺動、小臂擺動、腕部擺動）基礎(chǔ)上，增加腕部轉(zhuǎn)動自由度，實現(xiàn)執(zhí)行末端的球坐標工作空間，實現(xiàn)多功能設(shè)計;采用連桿機構(gòu)實現(xiàn)小臂擺動，將前三個自由度的驅(qū)動電機集中放置，優(yōu)化機械臂重量分布，從而實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機械臂;五自由度;輕量化;多功能設(shè)計

中圖分類號：TP241? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0025-02

Abstract： With the development of social demand， the industrial manipulator is gradually miniaturized and lightweight， and the application field is also expanded to other fields other than industrial applications. At present， there is a potential market for desktop robotic arms in the fields of education （STEAM， Maker）， medical （auxiliary laboratory， surgical assistant）， scientific research （laser carving， 3D printing） and so on. On the basis of the general four-degree-of-freedom desktop manipulator （shoulder rotation， arm swing， forearm swing， wrist swing）， the five-degree-of-freedom desktop multi-function manipulator increases the degree of freedom of wrist rotation and realizes the spherical coordinate workspace at the end of the operation. to achieve multi-functional design; The forearm swing is realized by using the linkage mechanism， the driving motors of the first three degrees of freedom are centrally placed， and the weight distribution of the manipulator is optimized， thus the lightweight design is realized.

Keywords： manipulator; five-degree-of-freedom; lightweight; multi-function design

引言

隨著社會發(fā)展和科技進步，勞動力成本持續(xù)增高，各制造強國都在大力發(fā)展機械臂（工業(yè)機器人）技術(shù)。機器人技術(shù)是一個多綜合、多滲透的技術(shù)領(lǐng)域，是目前世界上最前沿的技術(shù)之一。目前，除工業(yè)界以外，機械臂的應用領(lǐng)域正在向服務(wù)業(yè)、醫(yī)療、教育、辦公等領(lǐng)域拓展。

隨著《中國制造2025》的出臺，STEAM教育、創(chuàng)客教育日益受到教育界乃至整個社會的關(guān)注。作為當今最前沿的技術(shù)之一，機器人教育是進行STEAM或創(chuàng)客教育的理想載體。但目前成熟的機械臂技術(shù)，仍然集中在工業(yè)機器人領(lǐng)域（如ABB、KUKA等），它們一般外形尺寸龐大、運行精度高、操作力量大。但它們的價格也很高昂，不利于面向個人、或者小型創(chuàng)客團隊直接銷售。

近幾年市場上也出現(xiàn)了一些桌面級機械臂，一般集中于兩個市場領(lǐng)域：（1）通過采用輕質(zhì)材料（塑料、亞克力板等）、減少自由度等措施實現(xiàn)輕量化和低成本，但在功能和精度上只能達到玩具級或準實用級，難以勝任機器人教育或?qū)嵱眯枨?（2）將工業(yè)機械臂小型化或微型化設(shè)計，實現(xiàn)了近工業(yè)級的操作精度和實用性，但仍沿襲工業(yè)級的設(shè)計結(jié)構(gòu)，難以做到消費級的低成本需求。五自由度桌面級多功能機械臂擬以輕量化機的械臂設(shè)計為研究目標，進行高精度、多功能、高性能比的消費級桌面機械臂研發(fā)，將價格做到“消費級”，尺寸做到“桌面級”。[1]

1 創(chuàng)新特色

本機械臂的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在自由度的增加。一般桌面機械臂是四自由度設(shè)計，包括肩部轉(zhuǎn)動、大臂擺動、小臂擺動、腕部擺動，各自由度驅(qū)動電機串聯(lián)布置（如圖1所示）。本項目增加了腕部轉(zhuǎn)動自由度（見圖2中電機4的自由度），可實現(xiàn)執(zhí)行末端的工作區(qū)域為球坐標空間，實現(xiàn)多功能設(shè)計。如激光雕刻時，一般機械臂只能實現(xiàn)單一平面的水平雕刻，本機械臂可以實現(xiàn)末端執(zhí)行器360°球坐標轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)多面雕刻。[4]

2 主要設(shè)計內(nèi)容

2.1 輕量化設(shè)計

一般機械臂主要采用各自由度驅(qū)動電機串聯(lián)的結(jié)構(gòu)（如圖1所示），第三自由度電機置于大小臂之間，重量分布不合理，不利于實現(xiàn)高速精密運動。本機械臂采用連桿機構(gòu)實現(xiàn)小臂擺動，將前三個自由度的驅(qū)動電機集中放置，優(yōu)化機械臂重量分布，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。[3]

2.2 運動范圍優(yōu)化

本機械臂包括4個步進電機和1個腕部舵機，其中步進電機1控制整個機械臂肩部轉(zhuǎn)動，步進電機2控制大臂擺動，步進電機3通過連桿機構(gòu)控制小臂擺動，步進電機4實現(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動、末端執(zhí)行器擺動，腕部舵機控制末端執(zhí)行器進行抓取等操作，工作空間如圖3所示。

2.3 應用領(lǐng)域的擴展

本機械臂具有輕量化、多功能的創(chuàng)新型特點，設(shè)計過程進行成本控制，末端執(zhí)行器進行模塊化設(shè)計，可選配激光頭、3D打印頭、吸盤操作機構(gòu)。[2]

項目推廣后，可廣泛應用于STEAM教育、創(chuàng)客教育、醫(yī)療、輔助康復等領(lǐng)域。

3 機械臂應用領(lǐng)域

桌面級機械臂主要應用于教育、醫(yī)療、輔助康復等領(lǐng)域，本機械臂將針對不同應用領(lǐng)域進行功能上的市場細分，挖掘潛在的最大市場需求。

3.1 教育領(lǐng)域

高校機器人實驗教學機械臂可進行實驗操作展示，末端實現(xiàn)模塊化設(shè)計，可以安裝激光頭、3D打印頭、吸盤等來用作激光切割機、激光內(nèi)雕機、3D打印機、小型碼垛機等;對于高危實驗，機械臂可替代人工實現(xiàn)，增加實驗安全性。

中小學機器人教育機械臂擁有可編程主控板、各類傳感器、語音、視覺識別模塊等，通過按鍵、搖桿、語音控制燈光和機械臂，使學生全方位感知人工智能;同時，本機械臂支持二次開發(fā)，通過Arduino的編程語言控制，并兼容Mixly編程軟件。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域

手術(shù)室助手在微創(chuàng)手術(shù)中，機械臂可以實現(xiàn)對外科儀器前所未有的精準控制，還可以用來定位如內(nèi)窺鏡、膽囊手術(shù)以及胃灼熱和胃食管反流的矯治等。

輔助化驗時，利用機械臂化驗不僅能省去大量的人工化驗費用，大大減少了化驗成本，使得大批量的樣本能在較短的時間得到化驗，而且有效避免或減少了人體接觸有害液體，代替人工完成許多有害液體的化驗。

3.3 康復醫(yī)療領(lǐng)域

機械臂采用多自由度關(guān)節(jié)型設(shè)計，可輔助康復期傷員病人或老人完成日常生活中的一些基本動作，起到延長手臂的功能。

3.4 其它領(lǐng)域

如輕工業(yè)，如碼垛、搬運、分揀、裝配、包裝、切割、噴涂、雕刻、貼標、印刷等;服務(wù)業(yè)，如倒水、沏茶、調(diào)酒、下棋、拍攝、醫(yī)療服務(wù)等;以及書寫、繪畫、3D打印、激光雕刻等科技愛好者的技術(shù)需求。

4 結(jié)束語

本機械臂在一般四自由度桌面機械臂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加腕部轉(zhuǎn)動自由度，實現(xiàn)執(zhí)行末端的球坐標工作空間，并采用連桿機構(gòu)實現(xiàn)小臂擺動，將前三個自由度的驅(qū)動電機集中放置，優(yōu)化機械臂重量分布，實現(xiàn)了桌面級機械臂多功能、輕量化的創(chuàng)新設(shè)計設(shè)計。為機械臂在教育、醫(yī)療、科研等非工業(yè)領(lǐng)域的應用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李曉楠.機械臂的整體方案設(shè)計[J].冶金與材料，2019，39（01）：94-95+97.

[2]李道義，陳雷，尚小龍，等.菠蘿采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程，2019，9（02）：1-5.

[3]張偉業(yè)，張煒，華龍新，等.一種新型的桌面級機械臂[J].中國科技信息，2018（16）：53-55.

[4]石昀杭.智能取料機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[C].中國智能交通協(xié)會.第十三屆中國智能交通年會大會論文集.中國智能交通協(xié)會：中國智能交通協(xié)會，2018：797-806.

[5]曹國強，趙智睿.桌面級關(guān)節(jié)型博弈機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析[J].機床與液壓，2017，45（17）：6-9+14.