一種教學(xué)用的低成本六軸機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究

章家藏

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016）

1 概述

工業(yè)機(jī)器人是一種可替換人工重復(fù)作業(yè)的多自由度機(jī)械手，具備了相應(yīng)的自動(dòng)化、可編程性、半自動(dòng)化等功能,并可以利用自己的機(jī)械控制和動(dòng)力能源完成不同功能, 如工業(yè)加工、裝配、搬運(yùn)等，因此被廣泛應(yīng)用于制造、物流、能源、化工、電子等各種領(lǐng)域中。目前工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)被國(guó)外的庫(kù)卡、ABB、安川、發(fā)那科四大公司壟斷，國(guó)內(nèi)比較好的企業(yè)有新松機(jī)器人等。2022 年是《中國(guó)制造2025》實(shí)施的第8年，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)人才是提高國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新能力的重要一環(huán)，因此在國(guó)內(nèi)眾多大專院校中均開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)。目前試驗(yàn)或教學(xué)等相關(guān)的設(shè)備多大依賴進(jìn)口，然而進(jìn)口的設(shè)備存在諸如體積大、設(shè)備價(jià)格高、使用和維護(hù)成本高、安全系數(shù)低的缺點(diǎn)，且此類設(shè)備只能用于示教演示，學(xué)生靜態(tài)觀察學(xué)習(xí)，無(wú)法動(dòng)手參與到實(shí)踐當(dāng)中。本文研制的基于Mini ESP8266 控制的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)教學(xué)用工業(yè)機(jī)器人，擁有設(shè)計(jì)和制造成本低、總體尺寸小、無(wú)安全隱患的優(yōu)點(diǎn)，因此可在實(shí)訓(xùn)室批量配置，便于學(xué)生手動(dòng)實(shí)踐，能夠較好地解決了進(jìn)口大型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題。該設(shè)備可在智能制造、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、機(jī)械電子等各類工科相關(guān)專業(yè)中推廣使用[1]。

2 六軸教學(xué)用機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

為降低成本，本文利用SolidWorks 建模，使用3D 打印機(jī)打印各類部件，并充分考慮模塊化的設(shè)計(jì)思想，便于在批量化生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)零件的互通互換，從而降低設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)成本。

2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 所示教學(xué)用的六軸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要包括底座、轉(zhuǎn)盤(pán)、固定支架，固定支架上鉸接有大臂，大臂上鉸接有小臂，小臂上鉸接有腕部支架，腕部支架設(shè)有末端執(zhí)行器支座，支座上設(shè)有末端執(zhí)行器（手爪）。底座上安裝有內(nèi)舵機(jī)，內(nèi)舵機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)盤(pán)連接，固定支架上安裝有第一舵機(jī)，第一舵機(jī)的輸出軸與大臂連接，大臂上安裝有第二舵機(jī)，第二舵機(jī)的輸出軸與小臂連接，小臂上安裝有第三舵機(jī)，第三舵機(jī)的輸出軸與腕部支架連接，腕部支架上安裝有第四舵機(jī)，第四舵機(jī)的輸出軸與支座連接，支座上安裝有第五舵機(jī)，第五舵機(jī)的輸出軸與第一爪子齒輪連接。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，利于在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行展示。

圖1 教學(xué)用的六軸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器：

圖2 所示，機(jī)械臂的末端執(zhí)行器（夾爪）是由兩個(gè)帶有半齒輪的手爪組成，左邊為驅(qū)動(dòng)手爪，連接舵機(jī)驅(qū)動(dòng)軸；右邊為從動(dòng)手爪，自由安裝在轉(zhuǎn)軸上。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)左手爪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)嚙合的齒輪，實(shí)現(xiàn)手爪的開(kāi)合抓取。

圖2 末端執(zhí)行器（左）大臂/小臂結(jié)構(gòu)（右）

大臂/小臂：

大臂與/臂的零件相同，可以互通互換。若需提高該機(jī)器人的工作范圍，可繼續(xù)鉸接該部件，提升機(jī)械臂的靈活性。

2.2 有限元分析

機(jī)器人結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)初期無(wú)法考慮到實(shí)際工作過(guò)程中需要的剛度特性、機(jī)械強(qiáng)度，一般優(yōu)先考慮材料、設(shè)計(jì)尺寸、外部輪廓等參數(shù)，所以設(shè)計(jì)最后需針對(duì)結(jié)構(gòu)大小臂做有限元分析，驗(yàn)證機(jī)械臂在負(fù)載受力情況下剛度和強(qiáng)度能否滿足日常教學(xué)研究使用條件，在此基礎(chǔ)來(lái)確定是否要對(duì)其結(jié)果做出針對(duì)性優(yōu)化[2]。

大、小臂是結(jié)構(gòu)中通用且受力較大、容易變形的部件，因此本文僅對(duì)大小臂做力學(xué)分析。首先將SolidWorks 三維建模軟件中已建好的三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)出成STEP 格式，將STEP格式的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到hypermesh 靜力學(xué)仿真軟件中，尺寸單位選擇mm，其材料選擇為用于快速成型（3D 打?。┑腁BS 材質(zhì)，收縮率為0.65%左右，材料密度為1g/cm3左右，拉伸強(qiáng)度為63MPa，泊松比為0.394，邵氏硬度為92 度，彈性模量約為2000MPa[2]。在軟件中設(shè)置好以上材料性能參數(shù)后，使用四面體作為單元?jiǎng)澐诸愋停付ňW(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格劃分最終結(jié)果如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖

完成上述步驟后，增加約束和載荷。結(jié)構(gòu)部件上端鉸接有其他部件，可視為負(fù)載，將其設(shè)定為固定端，部件下端連接有作為驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)，對(duì)下部分施加扭矩。為了便于分析，設(shè)定施加的總扭矩為50N·m，采用optistruct 軟件仿真分析，得到該部件的應(yīng)力如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析圖

從應(yīng)力分析圖來(lái)看，該部件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在部件和驅(qū)動(dòng)舵機(jī)連接處，大小為0.4453MPa，可知該值遠(yuǎn)低于ABS材料的許用應(yīng)力值，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工作要求，不會(huì)影響六軸機(jī)器人性能和其他工作部件，無(wú)需對(duì)其做特殊優(yōu)化或做加大尺寸處理。

3 六軸教學(xué)用機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為降低產(chǎn)品成本，除結(jié)構(gòu)優(yōu)化及采用快速成型的加工方式外，在硬件選擇上盡可能選用性價(jià)比高的零件，故采用了TS90A型號(hào)的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、ESP8266 型號(hào)的模塊控制。

3.1 TS90A舵機(jī)

本文采用舵機(jī)（伺服馬達(dá)）作為機(jī)器人基本執(zhí)行結(jié)構(gòu)，型號(hào)為T(mén)S90A、堵轉(zhuǎn)扭矩：16-18N·cm(4.8V)、可控制角度0～180 度、工作電壓：4.8V-6V，該舵機(jī)的優(yōu)勢(shì)是控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低。

圖5 舵機(jī)實(shí)物圖

對(duì)本文的六軸機(jī)器人而言，需六個(gè)舵機(jī)協(xié)同工作。通過(guò)控制模塊發(fā)送有效的PWM拓展模塊信號(hào)，如圖6 所示的工作原理圖先輸出控制脈沖到控制電路，由此來(lái)控制馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)減速齒輪組，反饋到比例電位器，通過(guò)比例電壓形成閉環(huán)控制。TS90A舵機(jī)的組成包括控制電路板、位置反饋檢測(cè)器、電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)等[3]。

圖6 TS90A舵機(jī)的工作原理

TS90A 舵機(jī)的控制需輸入一個(gè)約為20 毫秒的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平為500 微秒～2500 微秒的角度控制脈沖。如表1 所示，180 度角度伺服對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系。

表1 脈沖與角度對(duì)應(yīng)表

3.2 ESP8266 控制模塊

ESP8266 是一種高度集成的Wi-Fi MCU（微控制單元），廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)中。該模塊集成了Wi-Fi 天線、片上SRAM和32-bit 處理器。ESP8266 能通過(guò)GPIO 口集成傳感器和其他設(shè)備，另外片內(nèi)還集成了天線開(kāi)關(guān)、低噪聲接收放大器、濾波器等，開(kāi)發(fā)成本低，性價(jià)比高。因此選用了ESP8266 控制六軸機(jī)器人的舵機(jī)，能夠較好實(shí)現(xiàn)所需功能，利于學(xué)生的二次開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)。圖7 所示為ESP8266 控制模塊原理圖[4]。

圖7 ESP8266 控制模塊原理圖

因本文中的六軸機(jī)器人僅需舵機(jī)控制，出于降低成本的考慮，最終選用了ESP8266 的mini 版本，即mini ESP8266 模塊。選用此版本在不降低產(chǎn)品性能的前提下，進(jìn)一步降低了成本，同時(shí)保留了wifi 功能。（圖8）

Mini ESP8266 有D0 到D8 共9 個(gè)數(shù)字接口，最多可以連接控制9 個(gè)舵機(jī)，本文只需用到6 臺(tái)舵機(jī)，故任意選用其中6 個(gè)接口即可。每臺(tái)舵機(jī)都有灰橙紅三根連接接口，其中紅色連接線連接控制板的5V口，灰色連接線連接G 口（由于控制模塊只有一個(gè)5V接口和一個(gè)G 接口，無(wú)法同時(shí)給6 個(gè)舵機(jī)同時(shí)供電，故需借助杜邦線和面包板擴(kuò)充給多個(gè)舵機(jī)供電）。舵機(jī)的控制線（橙色線）各自連接到控制板D0-D8 中的任意接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的單獨(dú)控制。

Mini ESP8266 有三種編程方式：第一種是使用AT指令進(jìn)行操作。這種方式無(wú)需編程，可與單片機(jī)配合使用，也可以在PC端安裝調(diào)試軟件使用。第二種是LUA語(yǔ)言編程，這種方式不需要依靠串口調(diào)試軟件與單片機(jī)。第三種方式是采用Arduino 開(kāi)發(fā)環(huán)境編程，本文采用了此類方式，在PC端使用Arduino開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.3 控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本文用 C 語(yǔ)言在Arduino ide 環(huán)境中編寫(xiě)程序，首先使用命令#include＜Servo.h＞調(diào)用Arduino 伺服舵機(jī)庫(kù)文件，使用Servo servo命令創(chuàng)建舵機(jī)對(duì)象（第二servo 是指舵機(jī)名稱，可任意編寫(xiě)）。使用命令servo.attach(int pin,[int min],[int max])來(lái)選擇舵機(jī)控制參數(shù)，其中int pin用于選擇舵機(jī)，如填寫(xiě)D0 即控制接了D0 口的舵機(jī)，[int min],[int max] 分別表示最小角度,最大角度。使用servo.write(int value)命令來(lái)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，如果輸入的值為大于300，則視為脈沖寬度（微秒）。使用servo.writeMicroseconds(int value)命令以微秒為單位寫(xiě)入脈沖寬度。使用servo.detach()命令使舵機(jī)與其針腳分離，該針腳可繼續(xù)被用作PWM接口。

控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理是，給舵機(jī)一個(gè)特定PWM信號(hào),舵機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。以微秒級(jí)高電平再轉(zhuǎn)為低電平信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到指定角度，舵機(jī)要持續(xù)發(fā)信號(hào)直到目標(biāo)角度，通常響應(yīng)500 微秒到2500 微秒間的值，其中1000 為逆時(shí)針?lè)较颍?000 為順時(shí)針?lè)较颍?500 在中間位置。具體對(duì)應(yīng)參數(shù)可參考表1 中的脈沖與角度對(duì)應(yīng)表。

Mini ESP8266 控制板帶有wifi 模塊，本文的機(jī)器人還可以通過(guò)wifi 連接PC，通過(guò)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)按鈕，利用網(wǎng)頁(yè)控制機(jī)械手的運(yùn)行如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)頁(yè)控制六軸機(jī)器人界面與實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)是一款基于Mini ESP8266 的3D打印教學(xué)用的低成本六軸機(jī)器人。介紹了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，舵機(jī)控制等。為降低成本，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件材料的選擇等做了優(yōu)化。采用本機(jī)器人教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的3D 建模能力、程序編寫(xiě)能力。對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的學(xué)生而言，熟悉工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方式和控制方式是非常重要的，能使學(xué)生有具體和形象的接觸理解。本文的設(shè)計(jì)已申請(qǐng)相關(guān)專利。