第 1 頁 共 35 頁外文翻譯現(xiàn)代機械工程,2011年,47-55http://dx.doi:10.4236/mme.2011.12007 在線發(fā)表在2011年11月(http://www.SciRP.org/journal/mme)設(shè)計和開發(fā)有競爭力的低成本的四自由度機械臂Ashraf Elfasakhany1'2, Eduardo Yanez2,Karen Baylon2, Ricardo Salgado21Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Taif University, Al-Haweiah, Saudi Arabia2Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad Juárez, Ciudad Juarez, Mexico郵箱: ashr12000@yahoo.com2011年10月19日收到；2011年11月7日修訂；2011年11月15日接受摘要這項工作的重點是設(shè)計，開發(fā)和實施有競爭力的機械手手臂的控制和粗短的成本提高。機械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成準確的簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。機械手配備有伺服電機做武器和執(zhí)行的手臂動作之間的聯(lián)系。伺服馬達包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)。我們使用LabVIEW控制機械手進行逆運動學(xué)計算，并將正確的角度對單片機的串行驅(qū)動伺服電機改變位置的能力，速度和加速度。機械手手臂的測試進行了驗證結(jié)果表明，它工作正常。關(guān)鍵詞：機械手手臂，成本低，設(shè)計，驗證，四個自由度，伺服電機，Arduino，機械手控制，Labview 機械手控制第 2 頁 共 35 頁1、簡介機械手實際上是術(shù)語定義為制造業(yè)研究，設(shè)計和使用機械手系統(tǒng) [1]。機械手通常被用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復(fù)性的，和不愉快的任務(wù)。他們有許多不同的功能，如材料處理，組裝，焊接，電阻焊接，工具機的加載和卸載功能，繪畫，噴涂等。主要有兩種不同的機械手服務(wù)機械手和工業(yè)機械手。服務(wù)機械手是機械手操作半或全自動履行服務(wù)的人和設(shè)備的健康有益，不包括制造過程[2]。工業(yè)機械手，另一方面，正式定義的 ISO作為自動控制、多用途的機械手在三軸以上的[1]可編程。工業(yè)機械手是用來移動材料，零件，工具或?qū)ｉT的設(shè)備，通過各種編程動作執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機械手系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機械手，而且任何設(shè)備和/或傳感器所需的機械手以及測序或監(jiān)控通信接口完成任務(wù)。在2007世界的市場增長了3%，約114000個新安裝的工業(yè)機械手。2007年底，大約有一百萬的工業(yè)機械手的使用，估計有50000的服務(wù)機械手工業(yè)用[3]比較。由于增加的工業(yè)機械手手臂的使用，一種進化的主題試圖模仿人類的運動開始在一個詳細的模式。例如，一組學(xué)生在韓國做了一個創(chuàng)新的機械臂以舞蹈方面，賬戶重設(shè)計，書法書寫和顏色分類[4]。另一組工程師在美國開發(fā)的八自由度機械手手臂。這個機械手是能夠從一筆一球的許多形狀掌握許多對象和模擬也人[5]手。在太空，航天飛機遙控操縱系統(tǒng)，稱為SSRMS或操控，和它的繼任者是實例的多自由度機械手手臂，已被用于執(zhí)行各種任務(wù)，如檢查使用一種專門部署的繁榮的航天飛機有照相機和傳感器安裝在端部執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索從航天飛機的貨艙演習[6]。在墨西哥，科學(xué)家正在開發(fā)許多機械手手臂的設(shè)計，和墨西哥政府估計，墨西哥約有11000的機械臂，用于在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而，專家認為，機械手的手臂遠不僅是高質(zhì)量的，但也準確，重復(fù)性，和粗短的成本。大多數(shù)的機械手是建立一個操作的教導(dǎo)和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手任務(wù)手動。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩相的項目的一部分，這需要一個移動機械手能夠運輸工具從儲藏室的工業(yè)電池。在這一階段的項目中，進行了在蒙特雷技術(shù)大學(xué)，墨西哥，主要是設(shè)計，一個工業(yè)機械手的手臂粗短的成本的開發(fā)和實施，準確和優(yōu)越的控制。這個機械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。2、機械設(shè)計機械手手臂的機械設(shè)計是基于一個機械手具有類似功能的一個人類手臂[6-8]。這種機械手的鏈接的節(jié)點允許的旋轉(zhuǎn)運動和操縱器的鏈接的連接被認為是形成一個運動鏈。機械手的運動鏈的業(yè)務(wù)端稱為ARM工具末端或結(jié)束，這是類似于人類的手。圖1顯示了機械臂的機械設(shè)計的自由體圖。如圖所示，端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用。這是因為，末端是一個系統(tǒng)的最復(fù)雜的部分和，反過來，它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。第 3 頁 共 11 頁圖2顯示了機械手臂的工作區(qū)。這是四自由度機械手手臂的典型工作區(qū)（4自由度） 。機械設(shè)計是有限的4自由度主要是因為這樣的設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和機械手的復(fù)雜競爭。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動被限制在旋轉(zhuǎn)是圍繞兩個軸在肩、肘、腕關(guān)節(jié)周圍只有一個，見圖1。機械手關(guān)節(jié)通常由電動機驅(qū)動的。伺服電機的選擇，因為它們包括編碼器可以自動提供反饋給電機和調(diào)整相應(yīng)的位置。然而，這些電機的缺點是，旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度，大大減少了區(qū)域達到的手臂和可能的位置[9]。伺服電機的資格是基于由結(jié)構(gòu)和可能的負載所需的最大扭矩選擇。在目前的研究中，用于結(jié)構(gòu)材料，丙烯酸。圖3顯示了用于負荷計算的內(nèi)力圖。計算僅為具有最大負荷節(jié)點進行的，因為其他的節(jié)點具有相同的電機，即電機移動的鏈接沒有問題。計算中考慮了電機的重量，50克左右，除了在節(jié)點 B電機的重量，因為它是由連接壩進行了。圖4顯示的鏈接CB的內(nèi)力圖，其中包含的節(jié)點（B 和 C）與最高負荷（帶鏈接的直流和 ED）并進行計算如下。用于轉(zhuǎn)矩的計算值：Wd = 0.011 kg (DE桿的負荷) Wc = 0.030 kg (CD桿的負荷) Wb = 0.030 kg (CB桿的負荷) L = 1 kg (負載) Cm = Dm = 0.050 kg (電機重量) LBC = 0.14 m (BC桿的長度) LCD = 0.14 m (CD桿的長度) LDE = 0.05 m (DE桿的長度)執(zhí)行在 Y軸力的總和，使用荷載如圖4所示，與 CY和 CB解決，看到方程(1)-(4)。同樣，執(zhí)行在 C點時刻的總和，方程(5） ，和 B點，方程(6)，在 B和 C獲得轉(zhuǎn)矩，方程(7)和(8)，分別為。根據(jù)計算，伺服電機被選中的是Hextronik HX12K，具有扭矩280盎司第 4 頁 共 11 頁/英寸。該電機被推薦是因為它比任何其它同規(guī)格的汽車便宜得多。自從我們在接頭 B需要更大的扭矩，見式（8)，我們使用兩個馬達在 B點遵守扭矩的要求；然而，一個電機是足夠的其他關(guān)節(jié)。在節(jié)點 B使用兩個電動機比使用一個大的電機560盎司/便宜多了。電機的相關(guān)特性，可以在圖5所示，是他們可以旋轉(zhuǎn)60度在130毫秒，他們有一個重量47.9克每。一旦確定了機械手手臂和電機的初始尺寸，設(shè)計使用 SolidWorks平臺上進行；設(shè)計應(yīng)認真考慮的壓克力板，碎片會被連接到每個其他方式的厚度。用于使機械手的壓克力板材1 / 8厚，薄被選中是因為它容易加工，具有良好的耐量少。在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強烈的方式。這是燒、加入丙烯酸部分和沒有和球隊認為基于螺釘和螺母的機械結(jié)會比其他的替代品很強的所需的工具，如膠為例。為了做到這一點，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。這個過程的結(jié)果如圖6所示的三維設(shè)計。最終的設(shè)計，每一部分是印刷在全規(guī)模的厚紙板，然后驗證這些尺寸和裝配的接口。反過來，我們建立了機械手的第一個原型。其次，機械手手臂的部分被加工從壓克力板使用圓鋸和真皮的工具。詳細的部分是在一個專業(yè)車間自做的機械手手臂的部分太小，為完成這些小的和準確的削減是不容易的。在發(fā)動機裝配機械手的零件時，彈出幾個問題。有臨界點，沒有抵抗的緊固，反過來，可能會破壞；因此，考慮在這些點援軍。機械手手臂的最終結(jié)果如圖7所示。3、機械手臂逆運動學(xué)為了驗證該機械臂逆運動學(xué)正確的定位，進行了計算。這樣的計算是用來從一個給定的位置使用笛卡爾坐標系統(tǒng)獲得各電機的角，如圖8所示。每個電機都有特定的功能：在 Y軸電機位于聯(lián)盟最后的元素的位置，電機 B和 C的位置最終元件在X軸和 Z軸。問題是利用 XZ平面簡化，如圖9所示。在以下的已知值被定義[ 9 ]：LAB：前臂長度。LBC：手臂的長度。Z：在 Z軸的位置。X：在 X軸的位置。Y：在 Y軸的位置。第 5 頁 共 11 頁利用三角關(guān)系，如圖9所示，得到電機角度 θ2和 θ1，如方程（9）和（10）電機 B要用 θ1和電機 C要用 θ2。用于電機的計算從方程的角度（11） 。這些計算，得到他們所采取的行動將整個結(jié)構(gòu)的具體位置伺服電機的角。4、末端執(zhí)行器的選擇端部執(zhí)行器可能是一個最重要和最復(fù)雜的系統(tǒng)的一部分。明智的，它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。端部執(zhí)行器的變化主要是根據(jù)任務(wù)的機械手手臂完成應(yīng)用程序；它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機械手臂的基礎(chǔ)電系統(tǒng)中，我們可以選擇末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦式夾持器，如圖10所示。請注意，端部執(zhí)行器是由一個伺服電機控制，反過來，用于我們的機械手臂總伺服電機5電機，將移動結(jié)構(gòu)。第 6 頁 共 11 頁5、機械手手臂的控制機械手的手臂可以自動或手動控制。在手動模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手手動完成其任務(wù)。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。在目前的工作，我們附上了兩種模式。針對所提出的機械手手臂的控制基本上由三個層次：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)。控制電子設(shè)計如圖11所示。微控制器是一個 ATMEGA 368配備開發(fā)/規(guī)劃委員會命名為“伊諾” ，如圖12所示。編程語言與 C語言非常相似但包括幾次有助于 I/O端口，控制，定時器，串行通信。該微控制器被選中是因為它有一個較低的價格，這是很容易的程序，編程語言是簡單的，和中斷是可以為這個特殊的芯片。該驅(qū)動程序使用的是一六通道微大師伺服控制板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機，TTL 串口用于嵌入式系統(tǒng)，如 Arduino微處理器，和獨立的主機控制器的免費應(yīng)用程序內(nèi)部腳本。該控制器，如圖13所示，包括一個0.25μ 的位置、速度和加速度控制分辨率內(nèi)置。用戶界面取決于使用的控制方法，即，逆運動學(xué)或全手動模式。在下面的，是描述每個接口：5.1、逆運動學(xué)控制在這種控制方法中，用戶輸入的坐標位置的夾持器應(yīng)。作為結(jié)果，生成的界面與 LabVIEW通過可視化的用戶，如圖14所示。程序自動執(zhí)行逆運動學(xué)計算獲得的角度，每個電機應(yīng)該然后發(fā)送命令到微控制器或直接驅(qū)動，將移動機械手到指定位置。通信與 RS-232協(xié)議的執(zhí)行。在下面，你可以看到的 LabVIEW用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW用戶界面輸入：X軸的位置。Y軸的位置。Z軸的位置。夾口。夾持器攻角。第 7 頁 共 11 頁串行端口。LabVIEW用戶接口輸出：電機的一角。電機 B1角。電機 B2角。電動機的角。迎角。夾持角。這種輸出變量處理，通過適當?shù)姆绞桨l(fā)送，使信息能以正確的方式解釋。輸出是通過串口，與控制器通信發(fā)送。當按鈕被點擊“移動” ，一個過程將采取的地方，如圖15所示。這個動作，機械手的手臂會根據(jù)輸入的值改變它的位置。此外，它已待機按鈕來停止通信控制器。這種方法的主要優(yōu)點是，它使用的運動的一種有效方法，提供了更多的功能，可以實現(xiàn)，如位置和序列學(xué)習。一個缺點，另一方面，是可能的位置，擁有有效的角度后，逆運動學(xué)計算十分有限，因為伺服電機有180?約束。5.2、手動控制這種類型的控制是一個額外的選擇，我們的系統(tǒng)在特定的位置上有用。在強制性的位置的情況下，逆運動學(xué)計算模式不能有效的角度，我們可以使用手動控制代替。基本上，手動控制包括一系列的模擬輸入，如電位器，連接微控制器，將解釋的價值和發(fā)送指令給伺服驅(qū)動器。為了實現(xiàn)這一點，一個控制板，如圖16所示，應(yīng)該建立以工作作為用戶界面?？赡艿膶崿F(xiàn)包括教學(xué)特點，單片機存儲位置在內(nèi)存中，通過鍵盤或一系列的開關(guān)可以回憶起這些位置。6、測試和驗證進行了測試，驗證了機械手臂及其組件。測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)，如圖17所示。為單片機，測試是發(fā)生在發(fā)送不同的命令由軟件對單片機和檢查的變化對輸出被連接到一個伺服電機，根據(jù)命令，打開或關(guān)閉。伺服電機是通過發(fā)送不同的直接脈沖每個伺服電機和驗證移動到合適的位置響應(yīng)隨后測試。我們用馬克知道初始位置在哪里，電機的最終位置是通過發(fā)送一個信號確定用單片機和，反過來，這是解釋由伺服相比，由編碼器提供的信號，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置。在這個試驗中，伺服電機是不相符合的機械手手臂系統(tǒng)由于不正確的極化。第 8 頁 共 11 頁伺服電機的驅(qū)動程序也使用 LabVI- EW軟件發(fā)送命令發(fā)出特定的命令，其中有一個電機連接到根據(jù)推薦改變位置驅(qū)動單片機測試。它是要注意，在項目的不同的伺服電機驅(qū)動器選擇但他們和單片機之間的通信相關(guān)的幾個問題是目前開始重要的。所以我們選擇一個驅(qū)動器，允許數(shù)據(jù)被直接發(fā)送到計算機，它只有一個 USB線，因此，單片機只會用在人工控制的實施情況。其他試驗進行驗證整個系統(tǒng)的功能，如圖18所示。這些測試被介紹在 LabVIEW界面的具體位置和測量參考點，最后一點，驗證之間的距離發(fā)生：從逆運動學(xué)正確的轉(zhuǎn)換，指定的角度和電機的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。機械手手臂的測試和驗證是一個需要長時間的任務(wù)，因為需要多次迭代。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯誤的角度計算，電動機的錯誤的校正，與物理的角度和位置的測量問題，和一個伺服電機因過載燒毀，沒有預(yù)期。7、結(jié)果與討論在不同操作條件下的機械手手臂，結(jié)果如下：7.1、伺服電機的運動范圍由于這種類型的電機規(guī)格包含具有小于180度的跨度得到伺服電機的極限。所有電機的實際范圍被發(fā)現(xiàn)是在范圍125 - 142度，如表1所示。這清楚地表明，機械手臂的實際操作不同于標準的情況下。7.2、電流消耗電流消耗取決于負載和機械手手臂的運動型。在目前的研究中，有4個層次的電流消耗：?低（從0到200 mA） 。這種消費發(fā)生時，機械手是靜止的（不運動的情況下） 。第 9 頁 共 11 頁?正常（從200到500 mA） 。當機械手手臂移動的能力去目標沒有大扭矩的需要。?高（500～900 Ma） 。這個范圍是在負載下進入。通過克服慣性載荷的初始時刻，正常范圍內(nèi)需要的地方。過載（電流超過900毫安） 。負荷太重，電機不能移動。在該條件下超過一分鐘，電機會燃燒，即它是不能使用。7.3、最大載荷使用不同的權(quán)重，得到了這些結(jié)果；一袋玉米是用規(guī)模來確定包的重量。結(jié)果進行了通過使用機械手手臂拿起袋子，把它移動到特定的位置。表2列出了當前消費在袋玉米不同的權(quán)重。從表2中，可以看出，機械手可以無負荷低于50克的問題移動。在負載60克，機械手手臂開始有困難，經(jīng)過80克惡劣的情況電機發(fā)生不可逆煩的損傷。7.4、最后的位置結(jié)果表明，該機械手手臂的精度不同的移動量（小于50克）表3給出了。如圖所示，該機械手能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種運動是不光滑的，有時電機沒有足夠的力，特別是當負載較重時。此外，有些問題可能是由于同步兩個底部的汽車出現(xiàn)。兩個電機的步驟并不是巧合，導(dǎo)致在丙烯酸部分張力，這太多會打破部分案例。8、結(jié)論本文介紹了設(shè)計和發(fā)展機械手手臂，有人才來完成簡單的任務(wù)，如光材料處理。機械手手臂的設(shè)計和建造的丙烯酸材料在伺服電機進行武器和執(zhí)行的手臂動作之間聯(lián)系。伺服馬達包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)的；然而，電機的旋轉(zhuǎn)范圍小于180o跨度，這大大降低了的胳膊和可能的位置到達區(qū)。機械手手臂的設(shè)計是有限的，由于這個設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和復(fù)雜性的機械手具有四個自由度。端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用，因為它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強烈的方式。采用了一種基于螺釘和螺母的機械連接，以實現(xiàn)這一目標，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。控制的機械手手臂，三的方法來實現(xiàn)的：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)。這個機械手手臂與別人比現(xiàn)有的機械手手臂要便宜得多，也可以控制所有電腦中的流動，利用 LabVIEW接口。幾個測試進行驗證的機械手臂，測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)；在不同的操作條件，結(jié)果表明信任機械手手臂了。第 10 頁 共 11 頁9、參考文獻[1]操作工業(yè)機械手的詞匯，國際標準化組織標準8373，1994。[2]工業(yè)和服務(wù)機械手，IFR 國際機械手聯(lián)盟，2010。[3]案例研究和機械手投資的收益，IFR 統(tǒng)計系，2008。[4] J.W.王、R.J.張等。“多功能智能機械手的手臂”，F(xiàn)UZZ-IEEE雜志，韓國，2009八月20-24，pp.1995-2000。[5] L.B.Duc，M.賽弗汀等?！霸O(shè)計的8自由度仿人機械手手臂”，國際會議上的智能和先進的系統(tǒng)，吉隆坡，2007十一月25-28日，pp.1069-1074。[6]C.R. 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