魔方機械手設(shè)計及控制研究

孫雙雙+周鵬

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)越來越受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機器人的使用變得越來越普及。因此，對于機器人技術(shù)的研究也變得越來越迫切，尤其是工業(yè)機器人方面。課題針對這一領(lǐng)域，設(shè)計了一個用于扳魔方的機械手，該機械手擁有兩個自由度，可以實現(xiàn)對魔方的夾取，還可以實現(xiàn)對魔方的每一個面進行旋轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：移動焊接機器；軌跡規(guī)劃；梯度下降法；二分法

0 引言

以工業(yè)化機器人及自動化為核心的智能化裝備正掀起一場裝備行業(yè)顛覆性的革命。展會上一個玩魔方機器人能吸引無數(shù)孩童的眼球。目前玩魔方機器人并沒有普及， 它一般由一些大型的公司（如： ARM、 Nokia）科研院所以及中科大、哈工大制作。他們要么是炫耀處理器的能力，要么進行一些比賽。核心的處理器一般用手機與電腦；機械手部分一般用的是做成的像手臂式的機械手；模式識別部分一般用的是色彩傳感器與攝像頭。整套做下來，成本很高。這樣一個智能化且能益智的機器人，本來應(yīng)該出現(xiàn)在人們的生活中。然而現(xiàn)在卻呆在了少數(shù)的研究院所里，沒有形成大面積的普及。針對這一現(xiàn)象，建立開發(fā)一個成本較低并且能夠形成普及的嵌入式玩魔方機器人的課題。

美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。機械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手，它的結(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，解決勞動力不足等問題。1962年，美國聯(lián)合控制公司又研制一臺數(shù)控示教再現(xiàn)機械手，商名為Unimate。 1962年美國鑄造公司也試驗成功一種機械手，該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)。

德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手。主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。瑞士、瑞典、日本等國也先后開始發(fā)展機械手研究。

我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設(shè)計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設(shè)計制造的點焊機器人，大連機床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機器人等。這些機器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器等。

1 總體方案擬定

考慮機械手工作要求的特殊情況，設(shè)計采用兩自由度機械手設(shè)計。自由度具體分配如下：

1、旋臂回轉(zhuǎn)自由度。機身與控制旋轉(zhuǎn)的舵機通過控制旋轉(zhuǎn)的舵機的軸連在一起。當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)的舵機的軸轉(zhuǎn)動時帶動機身和夾手的轉(zhuǎn)動。如果此時夾手夾緊魔方，則可以實現(xiàn)對魔方一個面的轉(zhuǎn)動。

2、夾手松開與夾緊的自由度。夾手的驅(qū)動由安裝在機身上的一個舵機提供。舵機的轉(zhuǎn)動帶動機械臂的動作，機械臂的動作作用在夾手上使夾手產(chǎn)生一個上下移動的動作。每一個機械手上有兩個夾手，夾手只能做相互靠近的動作和相互遠離的動作。當(dāng)兩個夾手靠近時對應(yīng)為夾緊動作，當(dāng)兩個夾手遠離時對應(yīng)為松開動作。

驅(qū)動的選擇和控制器的選擇：

考慮到旋轉(zhuǎn)魔方時所用的力量很小魔方重量輕以及所用的舵機多達八個的特點設(shè)計選用的舵機的型號為RB150MG。選用的舵機控制器是奧松機器人公司生產(chǎn)的32 路伺服舵機控制器。RB150MG型號的舵機具有控制精度高控制速度快和提供的扭力大的優(yōu)點，完全能夠滿足設(shè)計的要求。32 路伺服舵機控制器可以控制多達 32 個伺服舵機協(xié)調(diào)動作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時間延時斷點發(fā)送指令功能。可以實現(xiàn)與上位機的串行通信。

2 機械手各個組成部件的介紹

2.1夾手

介紹夾手之前首先介紹一下魔方。設(shè)計的機械手是用于扳魔方用的，所以剛開始有必要對魔方做一下介紹。魔方一共有六個面。魔方有四乘四的和三乘三的。四乘四的意思是魔方的每一個面分為十六個小塊，每一條邊有三個小塊。三乘三的意思是魔方的每一個面有九個小塊，每一條邊有三個小塊。

該魔方共有六種顏色分別為紅色、黃色、綠色、粉紅色、白色、藍色。模仿的邊長為5.5厘米。該魔方有個特點：無論怎么扳動每一個面中間快的顏色和該面對面中間快的顏色始終是對應(yīng)著的。這是因為對模仿的操作都可以分解成很多對魔方每一個一個面的操作，對魔方一個面的操作是不會影響這種對應(yīng)關(guān)系的。

夾手是用于夾住魔方的機構(gòu)。夾手分為兩個部分：

與魔方直接接觸的部分及機械手的手指。考慮到設(shè)計的具體要求，設(shè)計選用的此部分的材料為鋁制材料。鋁制材料具有硬度大重量輕和容易加工的的特點，特別適合一些簡單的部件。該部分由兩塊長方形鋁片焊接而成。鋁板的厚度為4毫米。上面部分鋁片長和寬為20毫米和8毫米。下面部分鋁片的長和寬為30毫米和8毫米。下半部分上鉆有兩個眼用于和滑塊的鏈接。

滑塊是連接機身和機械手的手指的裝置，是夾手的另一個重要組成部分?；瑝K的材料是黑色塑料。它的硬度不是很大，但是有一定的柔性，非常耐磨，所以適合做往復(fù)帶有磨擦的運動?；瑝K作為機械手手指的平臺帶動機械手手指一起滑動。后來實際操作時偶爾會出現(xiàn)魔方與滑塊的碰撞，我對滑塊做了一些改進：把每個滑塊用銼刀磨掉兩個角，這樣可以增大滑塊與模仿的距離從而減小在轉(zhuǎn)動魔方時魔方與滑塊碰撞的可能性。

要想扳好魔方往往需要很多步驟，每一個操作都會多少影響到模仿的位置。隨著操作步驟的增加這種位置的偏離會越來越大，最終導(dǎo)致位置偏移過大使操作偏離預(yù)期的操作。為了解決這個問題設(shè)計了滑片用于固定模仿的位置?；氰F片做的。鐵片是罐裝雀巢咖啡的外皮做的，這是在眾多鐵罐裝飲料中精挑細選的。雀巢咖啡的外皮硬度合適而且容易加工。

2.2機身和機械臂

每一個機械手都有兩個夾手。兩個夾手可以在機身上滑動。兩個夾手的滑動是由固定在機身上的一個舵機驅(qū)動的。旋臂由兩個個部分組成：1、控制旋轉(zhuǎn)舵機的軸。2、鏈接裝置。舵機軸的旋轉(zhuǎn)帶動鏈接裝置旋轉(zhuǎn)，鏈接裝置旋轉(zhuǎn)帶動機身旋轉(zhuǎn)，機身旋轉(zhuǎn)帶動夾手的旋轉(zhuǎn)。如果此時夾手處于半夾緊的狀態(tài)則可以完成對魔方的一種旋轉(zhuǎn)動作。

3 機械手控制軟件設(shè)計

3.1 控制指令的介紹

設(shè)計采用的的舵機控制器是32 路伺服舵機控制器，它可以輸出PWM波，通過控制輸出給舵機的PWM[1]波的空占比實現(xiàn)對舵機輸出角度的控制。舵機控制器的上位機通過串口把控制指令發(fā)送給舵機。控制指令是字符串。舵機把接收到的指令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)輸出口的PWM波，進而控制連接在這個輸出接口上的舵機輸出的角度。

3.2 械手個數(shù)的選擇

到此為止可以通過上位機實現(xiàn)對舵機的控制。設(shè)計共用四個機械手，每一個機械手上有兩個舵機，一個控制旋轉(zhuǎn)一個控制夾緊與張開。所以一共用了八個舵機。本設(shè)計采用的舵機控制器是32 路伺服舵機控制器，最多可以對32個舵機控制，所以完全滿足設(shè)計要求。通過對這八個舵機的控制可以實現(xiàn)機械手動作。

4 結(jié) 論

設(shè)計在查閱機器人相關(guān)書籍和了解現(xiàn)今機器人的發(fā)展技術(shù)，參考了以往工業(yè)機器人的設(shè)計，對比擇優(yōu)，設(shè)計了二自由度的機械手，對于工作范圍內(nèi)的物塊抓取，對于扳魔方非常適合，對于機械手的設(shè)計工作也不失為一次重要的參考。

設(shè)計完成以下工作：

1、四個機械手由舵機控制旋轉(zhuǎn)，每個機械手的兩個手指可以開合，減小控制誤差，且可完成四個機械手扳魔方所需的基本動作。

2、采用滑片安在機械手手指上，使魔方的位置更加穩(wěn)定，降低成本的同時，使魔方機器人系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

3、編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)機械手扳魔方所需要的各種基本動作。

參考文獻

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