電磁驅(qū)動仿生機械手臂

李國良　呂佳　劉曉成

簡介

人們一直以來都在研究如何制造某種與人類自身結(jié)構(gòu)及功能相似的機械裝置，從Unimate到dobot，機械臂技術(shù)已然成為當今科技發(fā)展的一個重要方向，其應用領域也逐步拓寬，對其性能的要求也在逐步提高，包括輕質(zhì)、重載、高速、高精度、高靈活性、高適應性、智能化等。機械臂可以在很多人類無法進入的區(qū)域，比如輻射、化學污染、水下、失重、高溫、高壓、噪聲等環(huán)境中工作。在工業(yè)4.0時代，機械臂在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造及太空探索等領域具有極大的應用與發(fā)展空間。作為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，機械臂在流水線上能以較高的精度幫助人們進行重物搬運、焊接裝配等。

原理驗證機

第一代原理驗證機采用一般機械臂底座放于桌面上的結(jié)構(gòu)設計，通過給電磁鐵輸入高頻脈沖信號，利用電磁鐵中自感現(xiàn)象導致電流具有慣性的特點，控制電磁鐵通斷時間以實現(xiàn)電磁鐵的定位。但根據(jù)實際驗證機驗證，證明其原理不具有可行性，后根據(jù)磁懸浮列車驅(qū)動原理，計劃設計直線電機結(jié)構(gòu)控制，但經(jīng)過論證否定了該方案。因而設計了第二代原理驗證機如圖1所示，采取類似人類手臂的垂直結(jié)構(gòu)，運用雙頭電磁鐵組進行牽拉，運用單圈電位器進行定位，并利用吸盤式電磁鐵與導軌間的摩擦力進行固定，圓臺及手指部分采用舵機驅(qū)動。

各機構(gòu)設計

大臂結(jié)構(gòu)

大臂為一個形狀似藕的垂直結(jié)構(gòu)，主體為圓柱體，內(nèi)部有垂直的圓柱形管道，將推拉式電磁鐵逐個串聯(lián)安裝以增加行程。除最下方電磁鐵為推式電磁鐵外，其余為拉式電磁鐵，分為正反2組放入大臂的管道中，分別模擬肱二頭肌和肱三頭肌。將這些電磁鐵組并聯(lián)并拉動上部牽引線（使用自行車剎車線），將導軌安裝于肘部軸承上，滑塊通過碳桿拉桿與軸承相連，牽引線另一頭（外皮）固定于直線導軌的滑塊上，內(nèi)芯則固定于導軌的遠端。當牽引線回抽時，滑塊接近遠端，以此抬起小臂，模擬肱三頭肌電磁鐵拉動的牽引線則固定于導軌下部，反向牽拉，以此放下手臂。

肘部阻尼結(jié)構(gòu)

為控制小臂的運動幅度及運動速度，肘部安裝了阻尼裝置，即采用自行車剎車盤，當小臂到達預定位置后鎖死阻尼盤（如圖2所示），最下面一個推式電磁鐵彈出以消除前面電磁鐵牽拉的沖量，防止電磁鐵因沖量過大拉動小臂超過預定位置導致精度降低。隨著阻尼增大，機械振動將會增大，因此只憑借該阻尼盤無法實現(xiàn)較精準的定位，故將剎車器安裝于大臂后側(cè)，上端升降步進電機運動時，可使剎車器角度小幅變化，帶動小臂小范圍變化，以此進行再次定位以提高定位精度。

小臂及機械手結(jié)構(gòu)設計

在小臂中部安有軸承及28BYJ48步進電機以實現(xiàn)小臂的轉(zhuǎn)動，手腕部使用一個RDS3115MG舵機控制手抬高放下的動作。為了讓手指既能很輕巧地抓雞蛋，又能快速地敲擊鍵盤或琴鍵，因此安于小臂前段用于控制手指的動力方式不采用舵機驅(qū)動，而改用升降步進電機與電磁鐵相結(jié)合的動力布局方案，運用自行車的變速線作為拉繩拉動手指活動，并根據(jù)實際應用情況決定采用步進電機驅(qū)動或電磁鐵驅(qū)動的方式，運用電磁鐵驅(qū)動可利用其沖量實現(xiàn)彈琴等敲擊動作，或配合步進電機，運用電磁鐵的末端沖量實現(xiàn)捏碎雞蛋等動作。

支架部分設計

支撐架分為底座、支柱和圓臺，圓臺安裝了推力軸承及Y軸垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸承，可使用步進電機進行水平轉(zhuǎn)動，并安裝了步進電機控制Y軸運動，以此進行伸出或收回的動作。完成后的機械臂見圖2。

電路設計

控制系統(tǒng)的單片機采用Arduinomega2560，見圖3。采用場效應管作為電磁鐵的控制元件，并配合10mF50V電容和肖特基管作為供電部分，使用激光測距儀、陀螺儀、單圈電位器及直線電位器對小臂角度進行判斷和定位，通過傾斜傳感器進行初始位置校準。

算法設計

該機械臂系統(tǒng)需要事先輸入預定目標位置后再進行動作到達指定位置，不適于進行微小多次的調(diào)整，因此需對該機械臂進行運動學逆分析。

經(jīng)推導可得到支架上Y軸步進電機輸出值為：

Y=1'sinθ₁（1'為中心支點到步進電機作用點距離）

以此實現(xiàn)有目標位置的運動角度及步進電機運動距離判斷。

結(jié)論與改進方向

該機械臂模型在醫(yī)用義肢、輔助搬運器械、教育機械、裝配、計算機智能模擬交互等領域及危險環(huán)境替人工作方面有較大的應用前景。相較于傳統(tǒng)機械臂具有運動速度快、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、易于更換配件、可在高粉塵等復雜環(huán)境中有效工作的特點。它更適于進行有目標的指定位置操作，不適用于小幅度的精細工作。

該機械臂還有改進空間。在改進設計時，可定制更為小巧的電磁鐵以提高效率，也可運用拓撲絕緣體、液體金屬等材料實現(xiàn)高效低能耗運動；因該系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械臂有較大結(jié)構(gòu)及動力區(qū)別，因此在算法方面也有很大的改進空間。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

本項目綜合運用了機械、電氣、生物學科的知識，作者在完成項目過程中各方面的能力得到提高，知識得到豐富。以電磁鐵模擬肌肉爆發(fā)力特性有創(chuàng)新。但作者對電磁鐵的特性理解還不夠，手臂的精度考慮不足。應進一步研究多軸聯(lián)動，開發(fā)自動化程度更高、精度更高、速度更快的機械臂。