基于ROBOPro醫(yī)學(xué)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

戈文茜++蒯彥文++蒯蘇蘇++謝靜

摘 要：作者利用慧魚創(chuàng)意組合模型進(jìn)行醫(yī)學(xué)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并用ROBOPro軟件開發(fā)了帶存儲(chǔ)區(qū)程序的三軸聯(lián)動(dòng)醫(yī)學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新程序，采用二個(gè)全局變量Z變量和X變量模塊，分別通過“+”指令，使機(jī)械手在最短的時(shí)間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，并運(yùn)動(dòng)到規(guī)劃出滿足非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的最優(yōu)圓弧曲線連續(xù)軌跡，使創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成了預(yù)定的功能和動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：慧魚模型；機(jī)器人電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)；軟件ROBOPro；程序

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）22-0094-03

德國(guó)慧魚模型搭接的一種醫(yī)學(xué)機(jī)器人，主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要功能是能夠?qū)⑽矬w堆垛和按指定曲線擺放，在具體的設(shè)計(jì)情境中用有關(guān)知識(shí)解決相應(yīng)的問題時(shí)，如果實(shí)現(xiàn)變換的所有步驟都已知，則稱為“常規(guī)問題”；如果至少有一步未知，則稱為“發(fā)明問題”。解決常規(guī)問題的設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)，解決發(fā)明問題的設(shè)計(jì)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文對(duì)機(jī)械手在最短的時(shí)間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間問題，設(shè)計(jì)新的運(yùn)算程序，對(duì)慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機(jī)器人的軌跡控制進(jìn)行編程和創(chuàng)新。

一、慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)

用慧魚零件及電子元器件搭接的三軸聯(lián)動(dòng)醫(yī)學(xué)機(jī)器人是一個(gè)4自由度的機(jī)械手，如圖1所示，由五個(gè)模塊組成。

模塊一：自由度1為機(jī)械手基座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸Ⅰ，電動(dòng)機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪箱（1）減速，帶動(dòng)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)，通過脈沖齒輪計(jì)數(shù)由行程開關(guān)I1和限位開關(guān)I2確定旋轉(zhuǎn)的角度。

模塊二：自由度2為機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)的軸Ⅱ，電動(dòng)機(jī)M2轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪箱（2）減速，并帶動(dòng)水平安裝的絲桿螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂前進(jìn)或后退100mm。

模塊三：自由度3為機(jī)械手垂直運(yùn)動(dòng)的軸Ⅲ，電動(dòng)機(jī)M3轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定軸輪系（3）帶動(dòng)垂直安裝的絲桿螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂160mm的升降。

模塊四：自由度4為機(jī)械手手爪，電動(dòng)機(jī)M4轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪箱4減速后帶動(dòng)輸出軸，由于手爪上絲桿軸與齒輪箱（4）的輸出軸不在一條軸線上，所以通過萬向節(jié)連接，行程開關(guān)I7控制絲桿軸帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿軸通過聯(lián)軸節(jié)與裝配螺塊的螺桿連接，形成中空的絲桿螺塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。能夠調(diào)節(jié)絲桿的長(zhǎng)度，從而滿足不同行程的螺塊的前后移動(dòng)，帶動(dòng)手爪擺桿擺動(dòng)使手指（搖桿）張開和閉合。

模塊五：控制軟件ROBOPro，ROBO控制器接到計(jì)算機(jī)后通過軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)慧魚機(jī)器人的控制，編寫ROBOPro圖形化程序，調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。

二、模式識(shí)別

在給定機(jī)器人的任務(wù)下，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別，所識(shí)別的過程是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的抽象對(duì)象，這種對(duì)象與數(shù)字形式的信息的區(qū)別就是模式信息。

四自由度機(jī)械手四個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)分別由四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)由2個(gè)電子開關(guān)控制，其中一個(gè)是限位，另一個(gè)是行程，在程序的ROBOPro開始模塊后通過按行程開關(guān)按鈕來啟動(dòng)電機(jī)M1，一旦基座轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)M1靠限位開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，三軸聯(lián)動(dòng)模式識(shí)別是由限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。插入一個(gè)判斷模塊，查詢輸入行程開關(guān)I1的狀態(tài)，對(duì)輸入I1進(jìn)行設(shè)置，電機(jī)M1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。插入另一個(gè)判斷模塊，用來查詢限位開關(guān)I2的狀態(tài)。對(duì)輸入I2進(jìn)行設(shè)置。一旦基座轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，并且壓住了限位開關(guān)，電機(jī)M1停止；同時(shí)插入一個(gè)判斷模塊是查詢輸入行程開關(guān)I3的狀態(tài)，對(duì)輸入I3進(jìn)行設(shè)置，電機(jī)M2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；插入另一個(gè)判斷模塊，用來查詢限位開關(guān)I4的狀態(tài)。對(duì)輸入I4進(jìn)行設(shè)置，一旦手臂運(yùn)動(dòng)到指定位置，并且壓住了限位開關(guān)I4，電機(jī)M2停止......；各電機(jī)啟動(dòng)、關(guān)閉邏輯關(guān)系如表1所示。

由計(jì)算機(jī)編程通過ROBO控制器的控制，實(shí)現(xiàn)三軸+1爪聯(lián)動(dòng)，其硬件控制電路見圖3，USB數(shù)據(jù)線連接ROBO控制器與計(jì)算機(jī)串口，充電器連接ROBO控制器，操作ROBO控制器紅按鈕使指示燈在USB處點(diǎn)亮。

1.數(shù)字信號(hào)輸入

圖3中ROBO控制器的I1～I(xiàn)8接口用于連接電子開關(guān)，當(dāng)電子開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，控制器檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)“1”并反饋給計(jì)算機(jī)，否則檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)“0”。機(jī)械手使用的1～8個(gè)電子開關(guān)（限位～行程開關(guān)）I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8連接數(shù)字輸入口。

2.馬達(dá)輸出

控制器輸出端口M1～M4接口連接電機(jī)，硬件接線時(shí)電機(jī)M1、電機(jī)M2、電機(jī)M3、電機(jī)M4分別連接ROBO控制器的M1、M2、M3、M4輸出端口。

3.擴(kuò)展板“1+1”模式

如果將圖3中控制手爪運(yùn)動(dòng)的電機(jī)M4連接到I/O擴(kuò)展板，ROBO控制器需通過一根十針的帶狀電纜將I/O擴(kuò)展板和主板相連，圖4表示了I/O擴(kuò)展板與ROBO控制器耦合的在線控制電機(jī)測(cè)試過程。

（1）硬件接線：設(shè)有兩個(gè)電機(jī)分別連接ROBO控制器（主板）的M1輸出端口和I/O擴(kuò)展板的M1輸出端口，USB數(shù)據(jù)線連接ROBO控制器與計(jì)算機(jī)串口，兩個(gè)充電器分別連接ROBO控制器和I/O擴(kuò)展板。

（2）在編程窗口中組建成控制程序流程圖。用鼠標(biāo)拖拽編程模塊中的 并選中后右擊鍵，出現(xiàn)馬達(dá)輸出對(duì)話框，選點(diǎn)[M1、馬達(dá)、IF1、8、順時(shí)針轉(zhuǎn)]，主板電機(jī)M1設(shè)置完成；若選點(diǎn)[M1、馬達(dá)、EM1、8、逆時(shí)針轉(zhuǎn)]，出現(xiàn) 圖形，擴(kuò)展板電機(jī)EM1設(shè)置完成，如圖5所示。

機(jī)器人使用的每個(gè)程序中，ROBO控制器的接口收集從數(shù)字量收到的數(shù)值，然后送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)把數(shù)值量的輸出數(shù)值反饋傳送到接口上，ROBO控制器上的微處理器接收來自計(jì)算機(jī)下載的程序，由程序自動(dòng)打開或關(guān)閉相連的電機(jī)。

三、機(jī)器人程序創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)控制任務(wù)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分為兩部分：①從參考點(diǎn)A抓取的物體分別擺放到中轉(zhuǎn)站B點(diǎn)空間垂直堆垛；②從中轉(zhuǎn)站B點(diǎn)在最短的時(shí)間機(jī)械手平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，從中抓取的物體分別按非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)圓弧形曲線擺放到目標(biāo)區(qū)C點(diǎn)。endprint

圖6的示教主程序可實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)A的三個(gè)物體抓取至中轉(zhuǎn)站B點(diǎn)在空間垂直擺放。

三軸聯(lián)動(dòng)醫(yī)學(xué)機(jī)器人的空間垂直直線軌跡控制編程運(yùn)算方法如下：

開始，手爪清0，三軸清0；

定時(shí)器延時(shí)等待2秒；

三軸坐標(biāo)賦值，機(jī)械臂到達(dá)A點(diǎn)位置；

手爪夾緊物體，機(jī)械臂沿Z軸升高；

三軸坐標(biāo)更新賦值，機(jī)械臂到達(dá)B點(diǎn)位置；

手爪松開物體；

手爪閉合，機(jī)械臂沿Z軸升高；

三軸坐標(biāo)賦值，機(jī)械臂到達(dá)A點(diǎn)位置；

循環(huán)至手爪清0，下一個(gè)物體的抓取。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)中轉(zhuǎn)站B點(diǎn)垂直擺放的三個(gè)物體做出抓取，并進(jìn)行按圓弧形曲線擺放到目標(biāo)區(qū)C點(diǎn)的功能，通過對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換進(jìn)行軌跡規(guī)劃，編寫創(chuàng)新程序如圖7所示。

機(jī)械手在最短的時(shí)間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間問題，開發(fā)帶存儲(chǔ)區(qū)程序的編寫，需通過Z軸變量設(shè)置并接受“+”指令，實(shí)現(xiàn)空間B（x，y，z）點(diǎn)和回B（x，y，z）點(diǎn)的變換，同時(shí)通過X軸變量設(shè)置接受“+”指令，控制圓弧曲率，可使物體擺放到目標(biāo)區(qū)C點(diǎn)滿足非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)圓弧曲線連續(xù)軌跡的功能。

三軸聯(lián)動(dòng)醫(yī)學(xué)機(jī)器人的由空間垂直直線軌跡運(yùn)動(dòng)至平面圓弧曲線軌跡的控制編程運(yùn)算方法如下：

開始，三軸清0，手爪清0，機(jī)械臂沿Z軸升高至B點(diǎn)；

輸入Z軸坐標(biāo)變量初始值10，Z變量保持這個(gè)值，直到通過+40指令，控制得到Z軸一個(gè)新的增加值，回B點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)每次抓取下一個(gè)物體。

手爪夾緊物體，三軸坐標(biāo)賦值，機(jī)械手臂到目標(biāo)區(qū)C點(diǎn)位置；

輸入X軸坐標(biāo)變量初始值100，X變量保持這個(gè)值，直到通過+25指令，得到一個(gè)新的X軸坐標(biāo)增加值，可控制每次擺放物體的角度；

手爪松開物體，按圓弧軌跡擺放；

機(jī)械手臂沿Z軸升高，三軸更新賦值，機(jī)械手臂到達(dá)B點(diǎn)新位置；

循環(huán)至Z軸變量，進(jìn)行下一個(gè)物體的抓取。

通過對(duì)慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，二次開發(fā)了帶存儲(chǔ)區(qū)全局變量的創(chuàng)新程序，使其控制系統(tǒng)的編程從ROBOPro圖形化第一級(jí)編程升級(jí)到采用ROBOPro圖形化第三級(jí)編程，采用兩個(gè)全局變量Z變量和X變量模塊，分別通過“+”指令，指令傳送的值就由當(dāng)前值增加，使機(jī)械手在最短的時(shí)間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，并運(yùn)動(dòng)到規(guī)劃出滿足非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的最優(yōu)圓弧曲線連續(xù)軌跡。

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（編輯：魯利瑞）endprint