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設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)競爭低成本四自由度機(jī)器人手臂
作者：Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon,Ricardo Salgado
接收于2011年10月19日，2011年11月7日修訂，2011年11月15日接受
文摘：
這項(xiàng)工作的主要焦點(diǎn)是設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施低成本、強(qiáng)控制、有競爭力的機(jī)器人手臂。設(shè)計(jì)四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實(shí)現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個(gè)移動(dòng)平臺(tái),作為一個(gè)助理工業(yè)的勞動(dòng)力。機(jī)器人手臂配備有伺服電機(jī)來做手臂之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動(dòng)作。伺服電機(jī)包括編碼器,以至于沒有控制器實(shí)現(xiàn)。我們控制機(jī)器人使用的虛擬儀器,它執(zhí)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌葘?duì)一個(gè)單片機(jī),驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的功能修改位置、速度和加速度。測試和驗(yàn)證的機(jī)器人手臂結(jié)果顯示它正常工作。
關(guān)鍵詞：
機(jī)器人手臂,低成本，設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，四自由度,伺服馬達(dá),Arduino機(jī)器人控制，虛擬儀器機(jī)器人控制
1.介紹
機(jī)器人術(shù)語實(shí)際上是定義為研究、設(shè)計(jì)和使用機(jī)器人系統(tǒng)制造[1]。機(jī)器人通常用于執(zhí)行不安全的,危險(xiǎn)的,高度重復(fù),和不愉快的任務(wù)。他們有很多不同的功能,如物料搬運(yùn)、裝配、電弧焊、電阻焊、機(jī)床裝載和卸載功能、繪畫、噴涂等。
主要有兩種不同的機(jī)器人:服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人運(yùn)行的半或全自主執(zhí)行服務(wù)有用的福祉人類和設(shè)備,不包括制造業(yè)務(wù)[2]。工業(yè)機(jī)器人,另一方面,是由ISO正式定義為可編程在三個(gè)或三個(gè)以上軸的自動(dòng)控制和多功能的機(jī)械手[1]。工業(yè)機(jī)器人的目的是實(shí)現(xiàn)材料、零件、工具或?qū)ｉT的設(shè)備通過變量編程動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)。一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)不但包括工業(yè)機(jī)器人而且包括任何設(shè)備和/或傳感器需要機(jī)器人來執(zhí)行其任務(wù)以及測序或監(jiān)控通信接口。2007年世界市場增長了3%,其中大約有114000個(gè)新安裝的工業(yè)機(jī)器人。2007年底約有一百萬工業(yè)機(jī)器人在使用中,相比之下,估計(jì)有50000服務(wù)機(jī)器人對(duì)工業(yè)使用[3]。
由于使用的工業(yè)機(jī)器人手臂的增加,一個(gè)進(jìn)化的話題開始試圖模仿人類的動(dòng)作在一個(gè)細(xì)節(jié)模式。例如一群學(xué)生在韓國做了一個(gè)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)創(chuàng)新,考慮到跳舞的手,舉重,中國書法寫作和顏色分類[4]。另一組工程師在美國發(fā)展八自由度機(jī)器人手臂。這個(gè)機(jī)器人能夠掌握很多形狀對(duì)象從一筆一個(gè)球和模擬人類的手[5]。在太空中,航天飛機(jī)遠(yuǎn)程控制器系統(tǒng),稱為SSRMS或創(chuàng)意,和它的繼任者是例子,多自由度機(jī)器人手臂,已經(jīng)被用來執(zhí)行各種任務(wù),如檢查航天飛機(jī)的使用的一種專門部署與相機(jī)和傳感器連接在末端的執(zhí)行器和衛(wèi)星部署和從航天飛機(jī)的貨艙檢索策略[6]。
在墨西哥,科學(xué)家有望設(shè)計(jì)和開發(fā)許多機(jī)器人手臂,墨西哥政府估計(jì),在墨西哥大約有11000個(gè)機(jī)器人手臂用在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而,專家認(rèn)為,最奢華的機(jī)器人手臂不僅是高質(zhì)量的,而且要準(zhǔn)確、可重復(fù)性和粗短的成本。
大多數(shù)機(jī)器人設(shè)置為一個(gè)操作的教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下,一個(gè)訓(xùn)練有素的操作者(程序員)通常使用便攜式控制裝置(一個(gè)示教器)教機(jī)器人其任務(wù)手動(dòng)。機(jī)器人的速度在這些編程會(huì)話是緩慢的。目前的工作是一個(gè)兩階段的項(xiàng)目的一部分,這就需要一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人能夠運(yùn)輸工具從庫房到工業(yè)電解槽。在這個(gè)階段,該項(xiàng)目開展的科技大學(xué),墨西哥蒙特雷,主要關(guān)注的是設(shè)計(jì),發(fā)展和實(shí)施一個(gè)工業(yè)機(jī)器人手臂粗短的成本、準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。設(shè)計(jì)四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實(shí)現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個(gè)移動(dòng)平臺(tái),作為一個(gè)助理工業(yè)的勞動(dòng)力。
2.機(jī)械設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂是基于機(jī)器人機(jī)械手和一個(gè)人類的手臂具有相似的功能[6 - 8]。這樣一個(gè)機(jī)械手的鏈接進(jìn)行連接接頭允許轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和鏈接的機(jī)械手被認(rèn)為形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。業(yè)務(wù)結(jié)束的運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)械手稱為末端執(zhí)行器或結(jié)束臂工具，它類似于人類的手。圖1顯示了自由體對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)械臂。如圖所示,末端執(zhí)行器不包括在設(shè)計(jì)中，因?yàn)樯逃脢A具已被使用。這是因?yàn)?末端執(zhí)行器是一種最復(fù)雜的系統(tǒng)的部分,反過來, 比建造它更容易經(jīng)濟(jì)使用在商業(yè)中。
圖2顯示了工作區(qū)域的機(jī)械手臂。這是典型的工作空間有四自由度(4自由度)機(jī)械手臂。機(jī)械設(shè)計(jì)僅限于4自由度主要是因?yàn)檫@樣一個(gè)設(shè)計(jì)允許最必要的運(yùn)動(dòng)和保持成本和復(fù)雜的機(jī)器人有競爭力。因此,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)受到限制,旋轉(zhuǎn)完成約兩軸肩和周圍只有一個(gè)在手肘和手腕,見圖1。
機(jī)械臂關(guān)節(jié)通常由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)的選擇,因?yàn)樗鼈儼ň幋a器自動(dòng)提供反饋到汽車和相應(yīng)的調(diào)整位置。但是,這些汽車的缺點(diǎn)是,旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度,大大降低了胳膊達(dá)到的區(qū)域和可能的位置[9]。選擇伺服電機(jī)基于最大扭矩所需的結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載。在目前的研究中,這些材料用于結(jié)構(gòu)丙烯酸。
圖1：自由體的機(jī)器人手臂 圖2：工作區(qū)域的機(jī)械手臂。
圖3顯示了用于負(fù)荷計(jì)算力線圖。進(jìn)行的計(jì)算只對(duì)關(guān)節(jié)最大的負(fù)載,因?yàn)槠渌P(guān)節(jié)會(huì)有相同的運(yùn)動(dòng),即電動(dòng)機(jī)可以移動(dòng)鏈接沒有問題。計(jì)算考慮了電動(dòng)機(jī)的重量,約50克,除了電動(dòng)機(jī)的重量在聯(lián)合B,因?yàn)樗M(jìn)行鏈接英航。圖4顯示了力圖在鏈接CB,其中包含關(guān)節(jié)(B和C)具有最高負(fù)荷(攜帶鏈接DC和ED)和計(jì)算進(jìn)行了如下。
值用于計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
Wd = 0.011 kg (重量鏈接DE)
Wc = 0.030 kg (重量鏈接CD)
Wb = 0.030 kg (重量鏈接CB)
L = 1 kg (負(fù)載)
Cm = Dm= 0.050 kg (電動(dòng)機(jī)重量)
LBC = 0.14 m (長度鏈接BC)
LCD = 0.14 m (長度鏈接CD)
LDE = 0.05 m (長度鏈接DE)
執(zhí)行力的總和在Y軸,使用負(fù)載如圖4,和解決為CY和CB,見方程(1)-(4)。類似地,執(zhí)行時(shí)刻的總和在C點(diǎn),方程(5)和B點(diǎn),方程(6),得到扭矩在C和B,方程(7)、(8),分別為。
所選擇的伺服電機(jī),根據(jù)計(jì)算結(jié)果,是Hextronik HX12K,扭矩280/盎司。這個(gè)電動(dòng)機(jī)是推薦的,因?yàn)樗绕渌魏蜗嗤?guī)格電動(dòng)機(jī)更便宜。因?yàn)槲覀冃枰嗟呐ぞ卦诼?lián)合B,見方程(8),我們使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)在B點(diǎn)符合轉(zhuǎn)矩要求；然而,一個(gè)電動(dòng)機(jī)對(duì)于其他關(guān)節(jié)是足夠的。使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合B是比使用一個(gè)560/盎司大的電動(dòng)機(jī)便宜很多。在圖5中的其他相關(guān)特征的電動(dòng)機(jī),他們可以在130毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換60度并擁有47.9克。
一旦最初尺寸的機(jī)器人手臂和電動(dòng)機(jī)被定義,設(shè)計(jì)進(jìn)行使用SolidWorks平臺(tái)；設(shè)計(jì)應(yīng)該仔細(xì)考慮亞克力板的厚度和其他每個(gè)碎片會(huì)被附加到哪里。用來制造機(jī)器人的這個(gè)亞克力是在1/8的厚度薄鋼板中被選中,因?yàn)樗奖慵庸で腋俚闹亓颗c良好的阻力。
在設(shè)計(jì)過程中，我們遇到了一些困難，由于強(qiáng)烈的方式，加入薄丙烯酸部分。這是需要工具來燃燒，并加入丙烯酸，并且不是小組認(rèn)為，機(jī)械交界處的螺釘和螺母的基礎(chǔ)上，將遠(yuǎn)強(qiáng)于其他的替代品，如膠水為例。為了做到這一點(diǎn)，一個(gè)小的功能的設(shè)計(jì)允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。這個(gè)過程的結(jié)果是在圖6中顯示的三維設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)結(jié)束，每個(gè)部分在滿量程卡紙印刷，然后我們核實(shí)了所有的裝配尺寸和接口。反過來，我們建立了第一個(gè)原型的機(jī)器人手臂。接著，對(duì)上述機(jī)器人手臂的部分被加工的丙烯酸系片材，使用圓鋸和皮膚工具。因?yàn)樵谝粋€(gè)專業(yè)的車間進(jìn)行機(jī)器人手臂的部分太小，它不容易實(shí)現(xiàn)這樣小和精確的切割，對(duì)部分詳細(xì)說明做了專業(yè)研討。
在組裝機(jī)器人部件與電機(jī)的過程中，很少有問題彈出。關(guān)鍵點(diǎn)無法抗拒緊固，反過來，可能會(huì)出現(xiàn)故障，因此，加強(qiáng)這些點(diǎn)被考慮在內(nèi)。上述機(jī)器人手臂的最終結(jié)果在圖7中所示。
圖3：機(jī)械手臂力線圖 圖4：力圖鏈接CB
圖5：伺服電動(dòng)機(jī)
3．機(jī)器人手臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)
為了驗(yàn)證正確的定位的機(jī)器人手臂，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算被用于獲得通過使用在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)從給定的位置，如在圖8中所示的每個(gè)電機(jī)的角度。每個(gè)電機(jī)將有一個(gè)特定的功能：位于在A的電機(jī)中的y軸的最終元件的位置，電動(dòng)機(jī)B和C在x軸和z軸的最終元件的位置。
問題是簡化使用xz平面,如圖9所示。在這下面的已知值定義[9]: 使用三角關(guān)系,如圖9所示,電動(dòng)機(jī)角度得到θ2和θ1,見方程(9)和(10)。電動(dòng)機(jī)B的是要使用θ1和電動(dòng)機(jī)C將要使用θ2。用于電機(jī)的角度A的計(jì)算，如在方程（11）中看到。這些計(jì)算，得到的伺服電機(jī)的角度并依次他們采取的行動(dòng)，以移動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的特定位置。
4.末端選擇
端部執(zhí)行器可能是系統(tǒng)的最重要和最復(fù)雜的部分之一。明智的是，這是很容易使用一個(gè)商業(yè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。端部執(zhí)行器，主要是根據(jù)應(yīng)用程序和任務(wù)，機(jī)器人手臂的完成而變化，它可以是氣動(dòng)，電動(dòng)或液壓。由于我們的機(jī)器人手臂在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇的末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主應(yīng)用程序的處理，因此，我們的最終建議類型的執(zhí)行器，如在圖10中示出的叼紙牙。請注意，端部執(zhí)行器的控制由一個(gè)伺服電機(jī)，反過來，總伺服電機(jī)用于我們的機(jī)器人手臂5移動(dòng)的結(jié)構(gòu)的電機(jī)。
5.機(jī)器人手臂控制
機(jī)器人手臂可以自主或手動(dòng)控制。在手動(dòng)模式下，一個(gè)訓(xùn)練有素的操作者（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教手動(dòng)做任務(wù)的機(jī)器人。在這些編程會(huì)話機(jī)器人的速度很慢。在當(dāng)前的工作中，我們封閉了這兩種模式。
所提出的機(jī)器人手臂的控制基本上包括三個(gè)層次：一個(gè)微控制器，驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨(dú)特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的靈活性，除了它也可以被實(shí)現(xiàn)在全手動(dòng)模式。在圖11中所示的電子控制設(shè)計(jì)。
采用的微控制器是帶有命名為“Arduino的”開發(fā)/編程板的Atmega368，如圖12所示。是非常類似于C的編程語言，但有助于控制的I / O端口，定時(shí)器，串行通信的的幾個(gè)libraryies。該微控制器的選擇，因?yàn)樗哂械偷膬r(jià)格，這是很容易重新編程，編程語言是簡單，和中斷是可用于這個(gè)特定的芯片。
使用的驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)六聲道微型的大師伺服控制器板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計(jì)算機(jī)，TTL串口，用于與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器，內(nèi)部腳本的自包含的，無主控制器應(yīng)用程序。這個(gè)控制器中，如在圖13中所示，包括一個(gè)0.25μs分辨率用于位置和內(nèi)置的速度和加速度控制。
6.測試和驗(yàn)證
進(jìn)行測試，以驗(yàn)證的機(jī)器人的臂和它的組件。睪丸覆蓋的特定元素和整個(gè)系統(tǒng)的，如在圖17中示出。對(duì)于單片機(jī)，發(fā)生在測試的軟件的微控制器通過發(fā)送不同的命令和檢查的輸出連接到伺服電機(jī)，打開或關(guān)閉根據(jù)命令。
伺服電機(jī)進(jìn)行測試之后通過不同的直接脈沖發(fā)送到每個(gè)伺服馬達(dá)和驗(yàn)證移動(dòng)到正確的位置的響應(yīng)。我們使用了一個(gè)馬克知道在哪里的初始位置，并通過與微控制器發(fā)送信號(hào)，反過來，它被解釋由伺服和編碼器所提供的信號(hào)相比，導(dǎo)致確定電機(jī)的最終位置到所需的位置的轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)測試中，伺服電機(jī)是不一致的機(jī)器人手臂系統(tǒng)，因?yàn)椴徽_的極化。
伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也使用Labview軟件測試將命令發(fā)送到微控制器發(fā)送特定的命令來驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)連接改變位置。重要的是要注意到，在項(xiàng)目開始的選擇，不同的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和微控制器之間的通信相關(guān)的幾個(gè)問題的出現(xiàn)。所以，我們選擇的驅(qū)動(dòng)程序，它允許直接從計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)到它與只有一個(gè)USB線，所以在手動(dòng)控制的執(zhí)行的情況下，所以單片機(jī)只會(huì)被用在案例的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。
進(jìn)行其他測試，以驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的功能，如在圖18中示出。通過引入一個(gè)特定的位置在Labview的接口和測量的參考點(diǎn)之間的距離的最后一點(diǎn)，以便核實(shí)：從逆到直接運(yùn)動(dòng)學(xué)正確的轉(zhuǎn)換，在指定的角度之間的關(guān)系的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生這些測試電機(jī)。
機(jī)器人手臂的測試和驗(yàn)證是需要細(xì)長的時(shí)間，因?yàn)樾枰啻蔚娜蝿?wù)之一。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯(cuò)誤的角度的計(jì)算，錯(cuò)誤校正電機(jī)，與物理的角度和位置的測量的問題，以及因過載而預(yù)期不會(huì)燃燒的伺服電機(jī)之一。
7.結(jié)果和討論
機(jī)器人手臂在不同的工作條件下，結(jié)果如下：
7.1伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍
得到的伺服電動(dòng)機(jī)的限制，因?yàn)檫@種類型的電機(jī)包含規(guī)范，它具有小于180度的跨度。所有電機(jī)的實(shí)際的范圍被認(rèn)為是在范圍125 - 142度，如表1中所示。這清楚地表明，實(shí)際操作機(jī)器人手臂的從旁觀者情況下不同。
7.2電流消耗
電流消耗取決于負(fù)載和機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)的類型。在目前的研究中，有4個(gè)級(jí)別的電流消耗。
8.結(jié)論
本文介紹了機(jī)器人的手臂，這有天賦完成簡單的任務(wù)，如光材料處理的設(shè)計(jì)，開發(fā)和實(shí)施。機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)和建造由丙烯酸材料伺服電機(jī)，執(zhí)行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動(dòng)作。伺服電機(jī)包括編碼器，使得沒有控制器實(shí)施，但是，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)范圍是小于180°的跨度，從而大大減小由臂和可能的位置達(dá)到的區(qū)域。限于四個(gè)自由度的機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)使大部分必要的運(yùn)動(dòng)和保持競爭力的成本和復(fù)雜性的機(jī)器人。不包括末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，因?yàn)槭惺蹔A具使用，因?yàn)樗欠浅Ｈ菀缀徒?jīng)濟(jì)的使用不是建立一個(gè)商業(yè)。
在設(shè)計(jì)過程中，我們遇到了一些困難，由于強(qiáng)烈的方式，加入薄丙烯酸部分。用螺釘和螺母的基礎(chǔ)上的機(jī)械結(jié)，并為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)小的功能被設(shè)計(jì)允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。
控制的機(jī)器人手臂，三種方法實(shí)現(xiàn)的：一個(gè)微控制器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨(dú)特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的靈活性，除了它也可以被實(shí)現(xiàn)在全手動(dòng)模式。這個(gè)機(jī)器人手臂是便宜得多的可用機(jī)器人手臂與他人的對(duì)比，也可以控制它的運(yùn)動(dòng)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)，使用Labview接口。
幾個(gè)進(jìn)行測試，以驗(yàn)證其中睪丸覆蓋的特定??元件和整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人臂，在不同的操作條件下的結(jié)果表明的機(jī)器人手臂值得信任。
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