一種萬能機(jī)械臂設(shè)計(jì)

[摘? ? 要]機(jī)械臂是擬人手臂、手腕和手功能性的機(jī)械電子控制系統(tǒng)。擬人手臂、手腕和手功能性的機(jī)械電子控制系統(tǒng);它可把任意物件或?qū)Ｓ霉ぞ甙纯臻g位置和姿態(tài)的時(shí)變要求開展挪動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某一工業(yè)化生產(chǎn)的作業(yè)的要求。文章介紹了一種萬能機(jī)械臂，通過增加支臂的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域內(nèi)各位置以不同角度進(jìn)行作業(yè)且可以自由轉(zhuǎn)換機(jī)械臂運(yùn)用接頭，實(shí)現(xiàn)程序化邏輯控制機(jī)械臂動(dòng)作，以高質(zhì)量機(jī)械作業(yè)取代復(fù)雜的手工作業(yè)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械自動(dòng);機(jī)械設(shè)計(jì);萬能械臂

[中圖分類號]TP241 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–03

A Design of Universal Mechanical arm

Yuan Min-hu

[Abstract]The robotic arm is a functional mechanical electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands. A functional mechanical and electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands; it can move any object or special tool according to the time-varying requirements of space position and posture， and then realize the requirements of a certain industrialized production operation. The article introduces a universal robotic arm. By increasing the number of support arms， it can work at different angles at various positions in the work area， and can freely switch the robot arm to use the joints to achieve programmed logic to control the action of the robot arm with high quality Mechanical work replaces complicated manual work.

[Keywords]mechanical automation; mechanical design; universal manipulator

1 概述

人類文明就是一個(gè)不斷改良工具的過程，而工具的制作和運(yùn)用都離不開相應(yīng)的適配和驅(qū)動(dòng)。自工業(yè)革命以來，人類建立了技術(shù)信仰，大規(guī)模繁重的機(jī)械式工作被機(jī)器所取代。機(jī)械臂用于代替人力工作，但在今天的相關(guān)技術(shù)中，機(jī)械臂功能單一、成本居高不下，因此機(jī)械臂的作用有限。本文設(shè)計(jì)的萬能機(jī)械臂可以在不同的環(huán)境中滿足不同的任務(wù)，并且易于運(yùn)行和維護(hù)。如今，機(jī)械臂的使用開始普及，但在使用范圍上仍不夠完善，因?yàn)闄C(jī)械臂控制系統(tǒng)采用的是試教模式，導(dǎo)致機(jī)械手的設(shè)計(jì)特殊和應(yīng)用難以滿足不同種類的功能要求。為此，設(shè)計(jì)機(jī)械臂是為了改進(jìn)或打破原有方式，拓廣應(yīng)用范圍，降低成本，提高機(jī)械臂的使用效率。機(jī)械臂可以簡化為剛體旋轉(zhuǎn)模型，其中旋轉(zhuǎn)的自由度決定了機(jī)械臂的功能和使用復(fù)雜度。因此，為了在實(shí)際使用中兼顧功能多樣和使用簡單兩個(gè)方面，需要在設(shè)計(jì)中有所取舍，安排合適的轉(zhuǎn)軸位置和方向，調(diào)整機(jī)械臂各段的長度和比例，進(jìn)行充分的剛體運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)合軟硬件控制系統(tǒng)的開發(fā)，才能達(dá)到增加機(jī)械臂綜合使用效果的目的。

2 機(jī)械臂的價(jià)值

本機(jī)械臂設(shè)計(jì)的目的是取代手工作業(yè)。當(dāng)前機(jī)械臂的作用主要停留在抓取挪動(dòng)和簡單的作業(yè)，而大部分機(jī)械式的手工作業(yè)依然無法完成。這些機(jī)械式工作不僅辛苦而且技術(shù)含量低，難以獲得可觀的收入，這就導(dǎo)致這些需要大量人工參與的生產(chǎn)漸漸變得無人問津甚至制造業(yè)外流的隱患。而這些最普遍的生產(chǎn)活動(dòng)又對我們生活不可或缺，如果讓其他國家生產(chǎn)又容易授人以柄，所以本機(jī)械臂的運(yùn)用擁有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

不可否認(rèn)現(xiàn)實(shí)中很多矛盾就是源于那些辛苦不體面的工作沒人愿意去做。從歷史的角度而言，機(jī)械取代那些辛苦的機(jī)械式工作僅僅只是時(shí)間的問題，我們追求更高效更輕松的生產(chǎn)方式本就是社會(huì)發(fā)展的原動(dòng)力。而機(jī)械臂大規(guī)模取代手工作業(yè)必然導(dǎo)致生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，這絲毫不亞于蒸汽機(jī)電力和計(jì)算機(jī)這些現(xiàn)代技術(shù)飛躍的時(shí)代意義。

3 機(jī)械臂的優(yōu)勢

自工業(yè)革命以來，人類建立了技術(shù)信仰，大規(guī)模繁重的機(jī)械式工作被機(jī)器所取代。但制造業(yè)依然繁榮在有奮斗精神且人工成本低廉的地區(qū)，近幾年的用工荒和制造業(yè)外流也是我們國家面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。究其原因還是當(dāng)前機(jī)械化存在功能單一的問題。基本所有的工作都不會(huì)是簡單的一個(gè)步驟就可以完成的，這就導(dǎo)致當(dāng)前功能單一的機(jī)械臂無法完全勝任大部分工作。而多功能機(jī)械臂可以根據(jù)需要切換不同的工具為完成不同的工作步驟創(chuàng)造基礎(chǔ)，配合工作臺和作業(yè)無死角的六關(guān)節(jié)機(jī)械臂為完成不同的工作步驟提供保障。

3.1 成本低

因?yàn)楫?dāng)前機(jī)械臂存在功能單一的缺陷，無法獨(dú)立完成一項(xiàng)工作的全部步驟，所以現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械臂不是有大量前置和后置的配套設(shè)施就是需要操作員的協(xié)助，在改善成本還節(jié)約人力方面是非常有限的。

反觀多功能機(jī)械臂，由于切換不同的作業(yè)工具就可以用來完成不同的作業(yè)步驟。而機(jī)械臂主體，軟件部分都是共用的，只需要配置相應(yīng)的作業(yè)工具就可以完成一項(xiàng)工作的全部步驟。這樣就省去煩瑣的配套設(shè)施和人力協(xié)助，大幅度地降低成本。

3.2 運(yùn)用方便

當(dāng)前機(jī)械臂使用的主要是試教模式，每一個(gè)機(jī)械臂指令都需要專門的調(diào)校，且同樣的工作換一個(gè)工作環(huán)境又得重新調(diào)校，這在無形之中就增加了機(jī)械臂的運(yùn)用成本和技術(shù)門檻。

而多功能機(jī)械臂把每個(gè)具體的指令都分為作業(yè)指令和空間校準(zhǔn)部分?？臻g校準(zhǔn)部分可以通過機(jī)械臂內(nèi)置完成，而作業(yè)部分可以配合相關(guān)工具配套提供。這樣多功能機(jī)械臂在完成一個(gè)具體指令時(shí)只需要插入相關(guān)工具的配套指令即可，大幅度地降低機(jī)械臂的運(yùn)用成本且復(fù)制性很強(qiáng)。

3.3 功能多樣

當(dāng)前機(jī)械存在功能單一的問題?；舅械墓ぷ鞫疾粫?huì)是簡單的一個(gè)步驟就可以完成的，這就導(dǎo)致當(dāng)前功能單一的機(jī)械臂無法完全勝任大部分工作。而多功能機(jī)械臂可以根據(jù)需要切換不同的工具為完成不同的工作步驟創(chuàng)造基礎(chǔ)，配合工作臺和作業(yè)無死角的六關(guān)節(jié)機(jī)械臂為完成不同的工作步驟提供保障。

3.4 復(fù)用性強(qiáng)

傳統(tǒng)機(jī)械臂使用的多是試教模式，每一個(gè)指令都需要專門的調(diào)校，且同樣的工作換一個(gè)工作環(huán)境又得重新調(diào)校，這在無形之中就增加了機(jī)械臂的運(yùn)用成本和技術(shù)門檻。

多功能機(jī)械臂把每個(gè)具體的指令都分為作業(yè)指令和空間校準(zhǔn)部分?？臻g校準(zhǔn)部分可以通過機(jī)械臂內(nèi)置完成，而作業(yè)部分可以配合相關(guān)工具配套提供。這樣多功能機(jī)械臂在完成一個(gè)具體指令的時(shí)候只需要插入相關(guān)工具的配套指令即可，大幅度降低機(jī)械臂的運(yùn)用成本且復(fù)制性很強(qiáng)。

4 萬能機(jī)械臂系統(tǒng)的組成

（1）本機(jī)械臂系統(tǒng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，不同的部件扮演著不同的角色。其中機(jī)械臂負(fù)責(zé)移動(dòng)和配合作業(yè)臺完成做功，而接頭負(fù)責(zé)切換和使用工具，軟件則負(fù)責(zé)識別和控制。各部分共同確保了機(jī)械臂的正常運(yùn)行。

1.底部旋軸;2.底臂;3.底臂軸;4.下臂;5、下臂軸;6.中臂;7.中臂旋軸;8.上臂;9.上臂軸;10.前臂;11.前臂旋軸;12.末端

（2）萬能機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，底部旋軸負(fù)責(zé)機(jī)械臂整體的旋轉(zhuǎn);底臂、下臂、中臂、上臂、前臂起到支撐整個(gè)機(jī)械臂的作用，同時(shí)這些臂段具有一定長度，可以在各個(gè)軸的控制下使末端到達(dá)指定的位置;底臂軸、下臂軸、上臂軸旋轉(zhuǎn)方向垂直于軸的方向，負(fù)責(zé)機(jī)械臂的彎曲和伸展;中臂旋軸和前臂旋軸旋轉(zhuǎn)方向與軸的方向重合，形成“側(cè)勾”、“回勾”等復(fù)雜動(dòng)作，并調(diào)整側(cè)向角度;末端可更換各種操作組件，如鉗子、扳手等，用于實(shí)際操作。

以三抓接頭為例演示一個(gè)緊固螺絲的過程：①固定工具1流水線抓取主件，配合作業(yè)臺固定主件到作業(yè)臺。②固定工具2零件槽抓取零件。配合作業(yè)臺固定零件到作業(yè)臺。③可切換接頭3切換打螺絲工具，螺絲槽吸?。ù蚵萁z工具可以自己吸，不可以吸的話用抓螺絲工具也可以）螺絲，用作業(yè)指令安裝緊固螺絲。④固定工具抓取主件，作業(yè)臺松開主件，放回流水線。

這樣工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)最常見的螺絲固定就完成了，其中并不存在無法實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。

5 萬能機(jī)械臂系統(tǒng)的工作原理

在機(jī)械臂中，每一個(gè)關(guān)節(jié)都可以自由旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)裝置連接到其他臂端。連接臂的連接方向控制在與末端相反的方向，并將系統(tǒng)與垂直裝置組合，實(shí)現(xiàn)兩軸機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)。為方便工作，機(jī)械臂的末端連接到工作工具上，可根據(jù)工作內(nèi)容選擇動(dòng)作工具，如螺絲、扳手、鉆頭、刀、老虎鉗等。

機(jī)械臂提供一個(gè)通用的控件，包括信息采集單元和控制臺。其中信息采集單元為位置信息模塊、人體傳感器和壓力信息模塊;控制臺配置為根據(jù)信息采集單元上的信息控制全局?jǐn)?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。

用多功能機(jī)械臂完成一項(xiàng)具體工作需要確定的工作流程是：確定本項(xiàng)工作具體步驟——>;確定各步驟所需工具——>補(bǔ)充每步驟工作指令。

6 萬能機(jī)械臂的操作步驟

（1）邏輯模式控制可以根據(jù)程序使用指定的格式，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)存在一個(gè)可定制的空間，因?yàn)樗恍枰紤]其他機(jī)器人的狀態(tài)，可以執(zhí)行嵌入式指令，提高工作效率和質(zhì)量。

（2）機(jī)械臂依照伸展技術(shù)方案，能夠在操作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任何一點(diǎn)的操作。其中，任意三節(jié)臂段是一個(gè)三角形，可以在立體空間中指向任何一點(diǎn)。此外，在壓力傳感器的作用下可以實(shí)現(xiàn)任意力度的操作，這是實(shí)現(xiàn)萬能操作的最簡單方法。

（3）機(jī)械臂可以使用不同工具來完成不同類型的功能，并可以通過更換工作工具來實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前工作的技術(shù)解決方案。應(yīng)獨(dú)立更換作業(yè)機(jī)具，注意對作業(yè)精度的影響，用戶可根據(jù)接口文檔自行開發(fā)新的臂端工具。

（4）機(jī)械臂的當(dāng)前狀態(tài)表示操作的內(nèi)容和功能的運(yùn)行中的操作。攝像機(jī)返回圖像綜合信息，壓力傳感器、位置信息模塊、人體傳感器提供輔助信息。

機(jī)械臂減少了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)難度，使機(jī)械臂可以轉(zhuǎn)換到不同的工作工具并完成相關(guān)業(yè)務(wù)。通過軟件聯(lián)合控制，機(jī)械臂可用于各類生產(chǎn)活動(dòng)，適用于大規(guī)模重復(fù)操作，可以用全局機(jī)制代替過程控制，提高生產(chǎn)效率。

機(jī)械臂在控制方面使用了一種自由的方式來進(jìn)行控制，即任何特定的任務(wù)中都包括兩個(gè)重要步驟：狀態(tài)確認(rèn)和執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)此參數(shù)中的任何特定工作都已完成時(shí)，可以執(zhí)行此操作。

圖像識別是判斷圖像狀態(tài)的主要工具。然而，三維關(guān)聯(lián)需要一些技術(shù)支持，可以通過圖像變換來實(shí)現(xiàn)。壓力傳感器主要用于根據(jù)確定的壓力執(zhí)行操作，因?yàn)槟承┕δ苄枰磯?，如焊接、緊固等。使用人體紅外傳感器以防止意外傷害，防止有人在機(jī)械手環(huán)境中活動(dòng)而造成傷害。

本文以螺釘安裝為例論述萬能機(jī)械臂的操作步驟。要安裝螺釘，需要分為3個(gè)步驟：取螺釘、放置螺釘和緊固螺釘。此項(xiàng)任務(wù)需要兩個(gè)末端工具，分別為夾持裝置和緊固裝置。

7 安裝螺釘?shù)木唧w過程

7.1 取出螺釘

取出螺釘包括以下幾個(gè)方面：①切換到夾持裝置，識別螺釘并將夾持裝置移動(dòng)到相應(yīng)位置;②夾持裝置動(dòng)作，取到螺釘并移動(dòng)到待機(jī)位置。

7.2 放置螺釘

放置螺釘包括以下幾個(gè)方面：①查看螺釘并確定螺釘完好;②機(jī)械臂執(zhí)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，以設(shè)定的角度將螺釘放置在指定位置。

7.3 緊固螺釘

緊固螺釘包括以下幾個(gè)方面：①調(diào)用緊固工具并移動(dòng)到操作位置;②執(zhí)行緊固螺釘操作，根據(jù)壓力傳感器的結(jié)果判斷螺釘是否已緊固。在此過程中，僅需要根據(jù)使用情況更換一次工具，其余操作均可利用圖像采集和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的功能來實(shí)現(xiàn)。對于部分難以操作的螺釘來說，也可在操作中隨時(shí)更換前部操作端，并使用邏輯控制程序改變緊固螺釘所需的壓力數(shù)據(jù)，從而滿足該操作的泛用性。同理，對于其他人工操作，如焊接、拼接、按壓、沖洗等，也可更換操作頭、更改操作指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的廣泛復(fù)用。本機(jī)械臂系統(tǒng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，不同的部件扮演著不同的角色，再具體的工作過程中，機(jī)械臂負(fù)責(zé)移動(dòng)和配合作業(yè)臺完成做功，接頭負(fù)責(zé)切換和使用工具，軟件則負(fù)責(zé)識別和控制，各部分共同確保了機(jī)械臂的正常運(yùn)行。我們的社會(huì)很多工作都是人工重復(fù)性地做，多功能機(jī)械臂的運(yùn)用將會(huì)給我們的社會(huì)帶來質(zhì)的變化。

7 結(jié)束語

當(dāng)今，工業(yè)發(fā)展日趨多樣化，產(chǎn)品工序不斷增加、工藝不斷復(fù)雜化，給機(jī)械自動(dòng)化操作帶來了新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對產(chǎn)品制造、維修、組裝等不同領(lǐng)域的各類要求，需要設(shè)計(jì)一款多功能、高復(fù)用性、成本低廉的機(jī)械臂，配合新的傳感器技術(shù)和控制技術(shù)，為機(jī)械制造提供新的助力。本文對萬能機(jī)械臂進(jìn)行了設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需求、組成、原理及工作步驟，以期為制造業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化工作作出一定的貢獻(xiàn)。

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