一種萬能機械臂設計

[摘? ? 要]機械臂是擬人手臂、手腕和手功能性的機械電子控制系統。擬人手臂、手腕和手功能性的機械電子控制系統;它可把任意物件或專用工具按空間位置和姿態的時變要求開展挪動，進而實現某一工業化生產的作業的要求。文章介紹了一種萬能機械臂，通過增加支臂的數量，實現對作業區域內各位置以不同角度進行作業且可以自由轉換機械臂運用接頭，實現程序化邏輯控制機械臂動作，以高質量機械作業取代復雜的手工作業。

[關鍵詞]機械自動;機械設計;萬能械臂

[中圖分類號]TP241 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–03

A Design of Universal Mechanical arm

Yuan Min-hu

[Abstract]The robotic arm is a functional mechanical electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands. A functional mechanical and electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands; it can move any object or special tool according to the time-varying requirements of space position and posture， and then realize the requirements of a certain industrialized production operation. The article introduces a universal robotic arm. By increasing the number of support arms， it can work at different angles at various positions in the work area， and can freely switch the robot arm to use the joints to achieve programmed logic to control the action of the robot arm with high quality Mechanical work replaces complicated manual work.

[Keywords]mechanical automation; mechanical design; universal manipulator

1 概述

人類文明就是一個不斷改良工具的過程，而工具的制作和運用都離不開相應的適配和驅動。自工業革命以來，人類建立了技術信仰，大規模繁重的機械式工作被機器所取代。機械臂用于代替人力工作，但在今天的相關技術中，機械臂功能單一、成本居高不下，因此機械臂的作用有限。本文設計的萬能機械臂可以在不同的環境中滿足不同的任務，并且易于運行和維護。如今，機械臂的使用開始普及，但在使用范圍上仍不夠完善，因為機械臂控制系統采用的是試教模式，導致機械手的設計特殊和應用難以滿足不同種類的功能要求。為此，設計機械臂是為了改進或打破原有方式，拓廣應用范圍，降低成本，提高機械臂的使用效率。機械臂可以簡化為剛體旋轉模型，其中旋轉的自由度決定了機械臂的功能和使用復雜度。因此，為了在實際使用中兼顧功能多樣和使用簡單兩個方面，需要在設計中有所取舍，安排合適的轉軸位置和方向，調整機械臂各段的長度和比例，進行充分的剛體運動分析，結合軟硬件控制系統的開發，才能達到增加機械臂綜合使用效果的目的。

2 機械臂的價值

本機械臂設計的目的是取代手工作業。當前機械臂的作用主要停留在抓取挪動和簡單的作業，而大部分機械式的手工作業依然無法完成。這些機械式工作不僅辛苦而且技術含量低，難以獲得可觀的收入，這就導致這些需要大量人工參與的生產漸漸變得無人問津甚至制造業外流的隱患。而這些最普遍的生產活動又對我們生活不可或缺，如果讓其他國家生產又容易授人以柄，所以本機械臂的運用擁有巨大的現實意義。

不可否認現實中很多矛盾就是源于那些辛苦不體面的工作沒人愿意去做。從歷史的角度而言，機械取代那些辛苦的機械式工作僅僅只是時間的問題，我們追求更高效更輕松的生產方式本就是社會發展的原動力。而機械臂大規模取代手工作業必然導致生產力的飛速發展，這絲毫不亞于蒸汽機電力和計算機這些現代技術飛躍的時代意義。

3 機械臂的優勢

自工業革命以來，人類建立了技術信仰，大規模繁重的機械式工作被機器所取代。但制造業依然繁榮在有奮斗精神且人工成本低廉的地區，近幾年的用工荒和制造業外流也是我們國家面臨的嚴峻挑戰。究其原因還是當前機械化存在功能單一的問題。基本所有的工作都不會是簡單的一個步驟就可以完成的，這就導致當前功能單一的機械臂無法完全勝任大部分工作。而多功能機械臂可以根據需要切換不同的工具為完成不同的工作步驟創造基礎，配合工作臺和作業無死角的六關節機械臂為完成不同的工作步驟提供保障。

3.1 成本低

因為當前機械臂存在功能單一的缺陷，無法獨立完成一項工作的全部步驟，所以現實中的機械臂不是有大量前置和后置的配套設施就是需要操作員的協助，在改善成本還節約人力方面是非常有限的。

反觀多功能機械臂，由于切換不同的作業工具就可以用來完成不同的作業步驟。而機械臂主體，軟件部分都是共用的，只需要配置相應的作業工具就可以完成一項工作的全部步驟。這樣就省去煩瑣的配套設施和人力協助，大幅度地降低成本。

3.2 運用方便

當前機械臂使用的主要是試教模式，每一個機械臂指令都需要專門的調校，且同樣的工作換一個工作環境又得重新調校，這在無形之中就增加了機械臂的運用成本和技術門檻。

而多功能機械臂把每個具體的指令都分為作業指令和空間校準部分。空間校準部分可以通過機械臂內置完成，而作業部分可以配合相關工具配套提供。這樣多功能機械臂在完成一個具體指令時只需要插入相關工具的配套指令即可，大幅度地降低機械臂的運用成本且復制性很強。

3.3 功能多樣

當前機械存在功能單一的問題。基本所有的工作都不會是簡單的一個步驟就可以完成的，這就導致當前功能單一的機械臂無法完全勝任大部分工作。而多功能機械臂可以根據需要切換不同的工具為完成不同的工作步驟創造基礎，配合工作臺和作業無死角的六關節機械臂為完成不同的工作步驟提供保障。

3.4 復用性強

傳統機械臂使用的多是試教模式，每一個指令都需要專門的調校，且同樣的工作換一個工作環境又得重新調校，這在無形之中就增加了機械臂的運用成本和技術門檻。

多功能機械臂把每個具體的指令都分為作業指令和空間校準部分。空間校準部分可以通過機械臂內置完成，而作業部分可以配合相關工具配套提供。這樣多功能機械臂在完成一個具體指令的時候只需要插入相關工具的配套指令即可，大幅度降低機械臂的運用成本且復制性很強。

4 萬能機械臂系統的組成

（1）本機械臂系統是一個完整的系統，不同的部件扮演著不同的角色。其中機械臂負責移動和配合作業臺完成做功，而接頭負責切換和使用工具，軟件則負責識別和控制。各部分共同確保了機械臂的正常運行。

1.底部旋軸;2.底臂;3.底臂軸;4.下臂;5、下臂軸;6.中臂;7.中臂旋軸;8.上臂;9.上臂軸;10.前臂;11.前臂旋軸;12.末端

（2）萬能機械臂的結構如圖1所示。其中，底部旋軸負責機械臂整體的旋轉;底臂、下臂、中臂、上臂、前臂起到支撐整個機械臂的作用，同時這些臂段具有一定長度，可以在各個軸的控制下使末端到達指定的位置;底臂軸、下臂軸、上臂軸旋轉方向垂直于軸的方向，負責機械臂的彎曲和伸展;中臂旋軸和前臂旋軸旋轉方向與軸的方向重合，形成“側勾”、“回勾”等復雜動作，并調整側向角度;末端可更換各種操作組件，如鉗子、扳手等，用于實際操作。

以三抓接頭為例演示一個緊固螺絲的過程：①固定工具1流水線抓取主件，配合作業臺固定主件到作業臺。②固定工具2零件槽抓取零件。配合作業臺固定零件到作業臺。③可切換接頭3切換打螺絲工具，螺絲槽吸取（打螺絲工具可以自己吸，不可以吸的話用抓螺絲工具也可以）螺絲，用作業指令安裝緊固螺絲。④固定工具抓取主件，作業臺松開主件，放回流水線。

這樣工業生產中一個最常見的螺絲固定就完成了，其中并不存在無法實現的難點。

5 萬能機械臂系統的工作原理

在機械臂中，每一個關節都可以自由旋轉，由旋轉電機組成的驅動裝置連接到其他臂端。連接臂的連接方向控制在與末端相反的方向，并將系統與垂直裝置組合，實現兩軸機械臂的旋轉。為方便工作，機械臂的末端連接到工作工具上，可根據工作內容選擇動作工具，如螺絲、扳手、鉆頭、刀、老虎鉗等。

機械臂提供一個通用的控件，包括信息采集單元和控制臺。其中信息采集單元為位置信息模塊、人體傳感器和壓力信息模塊;控制臺配置為根據信息采集單元上的信息控制全局數據，以實現相應的動作。

用多功能機械臂完成一項具體工作需要確定的工作流程是：確定本項工作具體步驟——>;確定各步驟所需工具——>補充每步驟工作指令。

6 萬能機械臂的操作步驟

（1）邏輯模式控制可以根據程序使用指定的格式，現有的控制系統存在一個可定制的空間，因為它不需要考慮其他機器人的狀態，可以執行嵌入式指令，提高工作效率和質量。

（2）機械臂依照伸展技術方案，能夠在操作范圍內實現任何一點的操作。其中，任意三節臂段是一個三角形，可以在立體空間中指向任何一點。此外，在壓力傳感器的作用下可以實現任意力度的操作，這是實現萬能操作的最簡單方法。

（3）機械臂可以使用不同工具來完成不同類型的功能，并可以通過更換工作工具來實現對當前工作的技術解決方案。應獨立更換作業機具，注意對作業精度的影響，用戶可根據接口文檔自行開發新的臂端工具。

（4）機械臂的當前狀態表示操作的內容和功能的運行中的操作。攝像機返回圖像綜合信息，壓力傳感器、位置信息模塊、人體傳感器提供輔助信息。

機械臂減少了應用程序設計難度，使機械臂可以轉換到不同的工作工具并完成相關業務。通過軟件聯合控制，機械臂可用于各類生產活動，適用于大規模重復操作，可以用全局機制代替過程控制，提高生產效率。

機械臂在控制方面使用了一種自由的方式來進行控制，即任何特定的任務中都包括兩個重要步驟：狀態確認和執行動作。當此參數中的任何特定工作都已完成時，可以執行此操作。

圖像識別是判斷圖像狀態的主要工具。然而，三維關聯需要一些技術支持，可以通過圖像變換來實現。壓力傳感器主要用于根據確定的壓力執行操作，因為某些功能需要按壓，如焊接、緊固等。使用人體紅外傳感器以防止意外傷害，防止有人在機械手環境中活動而造成傷害。

本文以螺釘安裝為例論述萬能機械臂的操作步驟。要安裝螺釘，需要分為3個步驟：取螺釘、放置螺釘和緊固螺釘。此項任務需要兩個末端工具，分別為夾持裝置和緊固裝置。

7 安裝螺釘的具體過程

7.1 取出螺釘

取出螺釘包括以下幾個方面：①切換到夾持裝置，識別螺釘并將夾持裝置移動到相應位置;②夾持裝置動作，取到螺釘并移動到待機位置。

7.2 放置螺釘

放置螺釘包括以下幾個方面：①查看螺釘并確定螺釘完好;②機械臂執行運動動作，以設定的角度將螺釘放置在指定位置。

7.3 緊固螺釘

緊固螺釘包括以下幾個方面：①調用緊固工具并移動到操作位置;②執行緊固螺釘操作，根據壓力傳感器的結果判斷螺釘是否已緊固。在此過程中，僅需要根據使用情況更換一次工具，其余操作均可利用圖像采集和機械臂運動的功能來實現。對于部分難以操作的螺釘來說，也可在操作中隨時更換前部操作端，并使用邏輯控制程序改變緊固螺釘所需的壓力數據，從而滿足該操作的泛用性。同理，對于其他人工操作，如焊接、拼接、按壓、沖洗等，也可更換操作頭、更改操作指令，實現設備的廣泛復用。本機械臂系統是一個完整的系統，不同的部件扮演著不同的角色，再具體的工作過程中，機械臂負責移動和配合作業臺完成做功，接頭負責切換和使用工具，軟件則負責識別和控制，各部分共同確保了機械臂的正常運行。我們的社會很多工作都是人工重復性地做，多功能機械臂的運用將會給我們的社會帶來質的變化。

7 結束語

當今，工業發展日趨多樣化，產品工序不斷增加、工藝不斷復雜化，給機械自動化操作帶來了新的挑戰。為了應對產品制造、維修、組裝等不同領域的各類要求，需要設計一款多功能、高復用性、成本低廉的機械臂，配合新的傳感器技術和控制技術，為機械制造提供新的助力。本文對萬能機械臂進行了設計，闡述了機械臂的設計需求、組成、原理及工作步驟，以期為制造業機械化、自動化、現代化工作作出一定的貢獻。

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