机械手臂论文:基于六自由度机械手臂实验装置的设计分析

摘 要 通过设计一种六自由度机械手臂实验装置,由底座、手臂、手腕、手部组成,采用直流电机驱动,程序控制,为控制算法和控制理论的测试、检验提供了实验平台,更好的进行对机械手的控制研究。本文从三方面:机械手臂机构设计、机械手臂驱动设计、机械手臂控制系统设计,对六自由度机械手臂实验装置的设计进行论述分析。 
  关键词 机械手 结构设计 控制系统 
  0引言 
  随着科技的飞速发展,机械手在大规模劳动密集型生产中得到了重要应用,成为自动化生产线上不可或缺的一员。机械手提高了生产自动化程度,降低了劳动强度和用工成本,提高了生产效率和产品合格率,提高了生产自动化程度。机械手在生产中仍有许多机械结构和控制系统问题存在,不断加大对机械手的研究,增强其智能性、适应性、准确性和稳定性,满足日益提高的現代化生产要求。 
  1机械手臂机构设计 
  1.1底座结构设计 
  底座是整个机械手臂的支撑部分,是执行腰部360度回转的机构,也是安装动力源、控制系统和驱动系统的部位。 
  1.2手臂结构设计 
  手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件,分为有关节臂和无关节臂,本文所设计的机械手臂试验装置为无关节臂,并采用直流电机驱动,锥齿轮或内啮合齿轮传动。 
  1.3手腕结构设计 
  手腕是用于连接手臂和手部的部件,通过左右旋转平移和俯仰转动,可以调整机械手执行操作时的位置和姿态。 
  1.4手部结构设计 
  手部是直接于物体接触的部件。根据手部与物体接触形式的不同可分为夹持式和吸附式。夹持式通过模仿人手指的结构形式,可分为无关节、固定关节和自由关节三种类型。根据手指数量又可分为二指、三指、四指等,其中二指应用最多。根据传力结构又可分为回转型和平移型,回转型结构简单,方便制造,因此常使用此类型;平移型可夹持范围大,但结构复杂,成本较高。本文采用二指回转型夹持式结构,手部有两个自由度,一个自由度用于夹持物体,一个自由度用于反转手腕,通过直流电机驱动。 
  设计所得机械臂采用的回转型机械手臂与人的手臂结构相似,前三个关节都是回转关节,底座与手臂形成类似人手臂的肩关节,手臂中大臂和小臂形成肘关节,大臂可以做回转运动,小臂可以做俯仰运动。此类机械臂工作范围大、运动灵活迅速、适应性强、通用性好。 
  2机械手臂驱动设计 
  驱动系统通过传动装置为整个机械手臂提供动力,关节型机械手的驱动系统主要由驱动装置和传动装置两部分组成。常见的驱动型式有液压传动、气动传动和电气传动,液压传动具有作用力大、结构紧凑、作用平稳、动作灵敏等优点,但其易产生漏油污染、结构复杂、成本较高;气动传动动作迅速、结构简单、无污染、维修方便,但由于空气易被压缩,工作不线性。工业机械手臂常使用液压传动和气动传动,但液压传动和气动传动结构复杂、成本较高,本文机械手臂作为实验装置,机械手臂不需要进行高强度、高负载的工作,故使用电气传动,具有运动速度快、可靠性好、运动精确、安装维修简单等优点,完全可以满足实验设备的需要。 
  3机械手臂控制系统设计 
  机械手臂控制系统控制着机械手臂按所发出指令要求运动。目前,工业机械手多采用程序控制系统和电气定位系统进行控制。机械手臂实验装置的控制系统较为简单,用单片机输出六路PWM脉冲信号分别控制机械手臂的六个舵机,需要输出一个20ms的脉冲来控制舵机,即可实现机械臂的六个自由度。对机械手臂的控制即对各电机的控制,计算机为控制系统的核心,分别由计算机、伺服控制卡、4套步进电机驱动单元和4套步进电机组成。 
  机械手臂控制系统设计主要时对驱动系统的设计、上位机控制界面的设计和上、下位机之间串口通信的设计等。 
  在对上位机控制界面设计时,主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区和机械手运行示意图等方面。五路舵机控制区采用滚轮条的形式,在右侧的编辑框中实时显示各舵机的转动角度;一路电机控制区采用速度控制的形式,显示电机的正转、反转和停止;用机械手运行示意图实时显示机械手的运行情况,当相应舵机或电机运行时,会在相应的舵机或电机位置上加亮以表示正处于运行状态。 
  4结语 
  随着生产中对机械手需求量的不断增大,对机械手智能性、适应性、准确性和稳定性提出了越来越高的要求。我国对于机械手的研究和应用起步相对较晚,不能适应生产中对机械手提出的要求。对六自由度机械手臂实验装置的设计,实现对机械手的实时精确控制,解决存在各种问题,可以为控制算法和控制理论的测试、检验提供更佳的实验平台,更好地对机械手进行精确而又复杂的控制研究。 机械手臂论文
  参考文献 
  [1] 范小兰,赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现[J].制造业自动化,2012(18). 
  [2] 关明,周希伦,马立静,宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化,2012(14). 
  [3] 张普行,严军辉,贾秋玲.六自由度机械手的运动学分析[J].制造业自动化,2011(20).
浏览次数:  更新时间:2017-06-06 21:30:47
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