基于PLC多自由度智能移動機械手教學設備的設計制作

摘要：本文對基于PLC控制的多自由度機械手教學設備進行設計研究。該教學設備由可移動基座、腰部、前臂、后臂、手腕、夾持器、PLC控制部分組成。該教學設備可實現移動、夾持等功能演示。

關鍵詞：設計原則；PLC控制；多自由度；移動機械手；教學設備

本課題提到的機械手設計制作的實質就是將工業機器人機械手進行小型化設計，使學生通過設計制作的整個過程完成教學任務，并把設計制作好的機械手用于其他課程作為教學設備。可移動機械手的設計、制作、組裝、設計控制過程可用于機器人技術專業課程及實踐課程的教學任務。本教學設備所設計機械手在外觀上具有類似人的手臂的形狀，在使用上也具有和人手一樣的作用，比如能夠完成招手、握持等動作。目標是設計一款可移動、質量輕、運動平穩且靈活的機械手教學設備。

一、設計準則[1]

（一）安全性設計原則

本課題設計的機械手教學設備在教學任務中制作完成，作品要求能用在其他課程上教學。機械手整體機械結構上的安全性是最重要的必須放在設計首位。具體要求是符合機械設計安全準則、電子電路安全、操作使用安全等多個方面。

（二）可靠性設計原則

作為教學設備運行必須可靠。設計的機械手臂運行過程中不發生異響、抖動、不能出現未能按照指令完成指定動作等情況；電子電路系統要可靠耐用，不存在安全隱患；在人機交互過程中，不能危及操作者。

（三）合理性設計原則

機械臂整體結構設計符合工程力學、材料力學、常用機構特點、傳動原理、連接特性等課程內容。機械臂設計要求考慮到教學需要拆裝的特點，結構簡單合理，以便在教學時能夠輔助課程內容。

（四）輕量化設計原則

第一是從材料上著手，根據機械手特性、要完成的功能及加工要求選擇材料。在滿足性價比的前提下選取剛度高密度小的材料，如塑料、木材、PVC等輕質材料，或者鋁合金等。第二是從結構上考慮，在確保機械手臂既能很好地拆裝組合，又能運轉良好且運動性能滿足教學要求的前提下，結構構件盡可能少，整體盡可能輕，這就要求進行輕量優化設計。

二、設計技術參數[1-2]

本課題的目標是設計一款教學用機械手，使其具有簡單、易拆卸、剛度好、重量輕、整體平穩運轉流暢的特點，機械臂各項設計參數如表1所示。

三、設計方案及設計流程

（一）總體設計加工方案

本課題所設計機械手采用模塊化的設計方法。模塊化設計具有設計用時少，各構件具有連接緊密、通用性強、維護方便、安裝簡單等優點，缺點是特殊關節不能進行針對性的設計。本課題設計的機械手教學設備結構如圖1所示，整體采用模塊化的設計思想。在驅動電機的選擇上，依據教學場景要求比較適宜采用可進行連續軌跡控制的舵機作為首選驅動電機，因為它在滿足性能要求的前提下具有很好的性價比。本課題所用的螺釘、螺柱、螺母、螺栓等零配件一律選用標準件。特殊零件、外殼、轉動軸、關節連接件等零部件材料可選取高分子和鋁合金材料，如選用高分子材料可采用3D打印的加工手段來加工；如選用高強度的鋁合金材料，可以手工打磨及各種機床進行加工。

（二）各部件設計方案

1.移動基座設計[3]

移動基座由兩部分組成：移動平臺和固定在平臺上的基座。本課題所設計機械手在教學上使用，設計為履帶式移動平臺。

對于基座的設計要求：確保具有良好的穩定性，并且其受到較大的傾覆力矩，需通過受力分析進行計算。保證連接的腰部能旋轉360°，旋轉到任何位置都可以實現自鎖。

對材料的要求：基座轉軸要求有一定的強度、剛度，可選擇45#鋼或者鋁合金。而剩下的結構件可選用鋁合金或者高分子材料。

對于履帶式移動平臺的設計要求：履帶底盤采用橡膠履帶。與鋼制履帶相比，橡膠履帶具有質量輕、速度快、振動小、接地比壓小等優點。對于履帶驅動系統：行走電機通過配套的行走電機減速器、錐齒輪、套筒軸，將動力傳遞到驅動輪從而帶動履帶使底盤運動。

履帶移動平臺設計參數確定：首先要考慮移動履帶平臺對地面的平均壓強，在機械結構允許的范圍內使移動平臺平均接觸地面的壓強要求盡可能小，該指標決定了移動平臺是否能安全通過各種地面，由機械臂重量、移動平臺履帶數量、移動平臺履帶接觸地面長度決定：

P=G/nbL" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

公式中：P：履帶平臺對地面的平均壓強；L：單根履帶接觸地面長度；b：履帶寬度；n：履帶數量（一般取n= 2）；G：機械臂重量。

履帶作為移動平臺在移動過程中的主要驅動部件，在確定履帶移動參數時，通過計算履帶移動阻力得到平臺運行時所需牽引力。履帶行走系統在直行爬坡和平地轉彎兩種情況下阻力較大[4]。為保證履帶平臺的正常運行，履帶驅動系統需要提供大于行駛阻力的牽引力。履帶移動平臺受到的行駛阻力一般包括滾動阻力、坡道阻力、慣性阻力、轉向阻力和空氣阻力，需進一步分析。

2.機械手臂部設計[5-6]

機械手的前臂與末端執行器相連接，對末端執行器起到支撐與位姿調整的作用。前臂可以改變末端執行器的空間位置，決定機械手的工作范圍。設計該部分時，需要進行綜合考慮整體的驅動，可考慮減速機構、傳動機構和電機組合完成，更進一步需結合功率和減速比等參數對前臂關節受到的轉矩進行計算。

具體設計需要對前臂所受的驅動力進行分析，對受力進行研究。在電機的選擇上，必須依據理論力學計算得到的機械手臂各關節移動到各自的極限位置過程中產生最大力矩時各移動關節電機要求的力矩及由此產生的功率來決定。涉及參數及變量有：剪力、彎矩、旋轉速度、傳動效率、使用的安全系數桿件質心、手爪和負載的質量、驅動模塊質量、手腕連接件和端蓋質量、關節間的質心距離、力矩、慣性力、關節的最大角速度等。機械手的后臂設計與前臂類似。要注意的是后臂是機械手中各組成部分受到轉矩最大的關節。

3.手腕設計

機械手的手腕位于手臂的末端，起到連接手臂和末端執行器，進行位姿調整的作用。一般情況下，三自由度的手腕就能對末端執行器進行位置姿態的調整[7]。

設計手腕時有如下要求[8]：結構緊湊，重量輕；動作靈活、平穩，定位精度高；強度、剛度高；合理設計與臂部和手部的連接部位以及傳感器和驅動裝置的布局和安裝。

手腕是機械臂機械結構中最復雜的部分，在動力傳遞的過程中各系統相互會產生干擾，這在一定程度上會增加手腕結構設計的難度。本課題機械臂各機構的設計原則又要求輕量化，而設計一般原則也要求有一定余量，一般為5%—10%；而前臂、手腕及末端執行器部分對于機械臂整體的靜力平衡有一定要求，還要求手腕能夠自如完成各種動作。所以手腕的設計要盡可能簡單，重量應盡可能輕，結構盡可能緊密。在所有的三自由度手腕結構中，只有RRR型自由度手腕比較符合要求，應用也比較廣泛，適合作為本課題教學設備設計采用。

4.夾持器設計[3]

夾持器又稱為末端執行器，作為教學設備需要完成抓取、移動、放開的動作。形態可以有二爪、三爪、四爪、五爪。本課題的夾持器以二爪為主。兩爪式末端執行器傳動方案如圖一所示，為對稱的平面四桿機構，電機輸出軸與蝸桿通過聯軸器連接，蝸桿兩側對稱布置兩個渦輪，將電機輸出軸的較高速轉動轉化為蝸輪的低速轉動。蝸輪上固定一根桿件，與桿1、桿2、手爪外殼構成四連桿平行機構，使得桿1的運動為平行移動，有利于手爪穩定夾持物體。此兩爪式末端執行器在移動過程中手爪端面相互平行，優點是夾持時增加和所夾持物體的接觸面積，在受力一定的情況下減小了壓強，避免了工件損傷，而圓弧面的結構有利于夾持規則物體。

5.PLC控制設計[9-10]

本課題設計的機械手教學設備在控制方式的選擇上有：單片機、可編程序邏輯控制器（PLC）。其他工業領域上的自動控制方式如工業控制計算機（IPC），分布式控制系統等不予考慮。

單片機是一種采用大規模超大規模集成電路技術制造的集成電路芯片，是一種中央處理器芯片具有數據處理功能，也具有隨機存儲功能，由多種1/0口、中斷系統、定時器/計數器等構成。在工業控制領域應用廣泛。單片機的技術發展經歷了SCM、MCU、SoC三大階段，工業機器人常用的嵌入式控制系統是單片機發展的第三個階段即SoC階段，單片機是嵌入式系統中應用最廣泛最典型的內核[11]。它具有體積不大、功耗不高、容易控制、易于擴展、使用方便等優點。但是也具有明顯的缺點，對于開發人員專業要求較高，需自行研究控制系統底層控制程序，單片機無法處理大量數據，因此難以滿足大型工業控制系統的控制要求。它不是主流控制方式，在作為教學設備上比不上PLC控制系統。

PLC也叫可編程控制器，是一種能夠進行數字運算操作的系統，設計的目的就是在工業環境下進行應用。采用的存儲器可以用來編制程序，可以執行存儲順序控制和邏輯運算、計數、定時、算術運算等操作指令，并通過數字或模擬輸出（O）和輸入（I）接口，控制各種機械設備或生產過程。利用它可以方便地編制程序，使工業設備實現順序控制。

可編程序控制器PLC的發展歷程分為三個階段：①采用固定布線的設計方式，主要用來代替電磁繼電器；②采用軟布線設計方式，主要是以邏輯控制為主；③采用改變存儲器的設計方式，使其內部預裝程序，存儲器程序變動比較容易。可編程序控制器PLC所采用的是計算機技術，但是相對于計算機來說，除了存在輸入輸出通道以開關量為主、編程語言相異、存儲容量小等缺點外，其它與一般微型計算機系統已十分相似。在工業控制領域里應用十分廣泛，十分適合在教學設備上使用。本課題所設計機械手選擇采用PLC控制系統。

6.動力源選擇

動力源是整個機械手臂的能量來源，為關節電機、傳感器、控制器等零部件提供能量。是使機械手能正常運轉的重要保證。現如今小型機械手臂主要采用交流電、直流電以及電池等作為動力源。作為簡單實用的教學設備，其他動力源如風能、太陽能等不在考慮范圍內。根據教學設備動力源的來源必須易于獲取的特點適合采用交流電和電池。電池作為動力源，優點是能量轉換效率較高、靜音，但是也有功率小、周期短、后期更換費用高等缺點。電池可用在負載小，使用時間不長的場合，不適宜長期連續運轉演示。設計時可以考慮作為備選的動力源。交流電作為動力源，它的優點是供電時間長，從微小功率到大功率都可以提供。交流電的優點是適用性強、供電時間長、功率范圍廣；缺點則是供電時發熱較大、不方便移動、噪聲大。綜合優缺點考慮本課題適宜采用交流電作為小型機械手的動力源。

7.動力驅動設計

本課題所研究機械手是作為教學設備在教學中使用，考慮到性價比，各個關節的驅動裝置優先選用舵機。為提高機械機構教學屬性，在旋轉基座、腰部、后臂、前臂、手腕等關節處根據計算出的功率大小選用不同的舵機型號。在各關節做功方面：腰部關節舵機主要克服摩擦力矩做功；前臂主要克服手爪、工作負載及前臂部分重力產生的力矩做功；腰部和前臂相比于后臂處舵機力矩功要小，手腕與此類似。

舵機運轉原理分析：舵盤的結構是一端為輸出端，另外一端與輸出軸連接，舵盤如同聯軸器或連接法蘭起到連接作用。舵機輸出軸一端上的漸開線花鍵，能夠很好地對中，保證連接精度。舵機與舵盤軸向固定。機械臂后臂及手腕采用舵盤固定的驅動方式，機械臂腰部及手腕采用舵機固定的驅動方式。

四、預期應用前景

本教學設備實現了整體結構設計的模塊化理念，攜帶方便、拆裝容易，教學應用適用課程較廣。可以作為機器人技術專業課程如《工程力學》《機械設計基礎》《機器人技術基礎》《電氣控制與PLC》《電機與拖動技術》等多門課程教學設備。使學生更加形象、直觀地了解機器人機械結構的組成及特點，深刻理解機器人機構的運動原理，在機制及機器人專業相關課程的課堂教學過程中，具有重大的推廣和應用價值。

作者單位：吳博文 廣西城市職業大學

參" 考" 文" 獻

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[3] 孫霖. 攜帶機械臂的履帶救援機器人設計與仿真實驗研究[D].哈爾濱工業大學，2020.

[4] 孫振杰. 履帶式多功能果園作業平臺的設計與研究[D]. 河北農業大學，2012.

[5] 馬國慶. 移動服務機器人機械臂結構設計及其優化研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[6] 趙雷.基于Solidwork的機械臂結構優化設計[J].蘭州工業學院學報，2022，29（01）：54-59.

[7] 丁瑋. 六自由度經濟型工業機械臂的結構優化設計與研究[D].江蘇科技大學，2018.

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[9] 周鵬. 搬運機械手教學模型設計及其PLC控制系統[D].中國海洋大學，2011.

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