摘要：論文設(shè)計(jì)了一種由直流減速電機(jī)和伺服舵機(jī)構(gòu)成的六自

由度機(jī)械手臂實(shí)驗(yàn)裝置，VC++上位機(jī)界面通過串口控制機(jī)械手臂的運(yùn)行，借此六自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試各種控制算法和控制理論，為機(jī)械手控制研究提供極大的便利。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 模塊設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)

機(jī)械手主要應(yīng)用于勞動密集型的加工行業(yè)，代替人類完成單調(diào)重復(fù)的勞動，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。機(jī)械手的應(yīng)用擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，使人類避免從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作[1]。目前已廣泛應(yīng)用于汽車制造、家具制造、服裝加工等領(lǐng)域。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 底座是用于安裝手臂、動力源、控制器和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的支架。本機(jī)械手底座支架裝有一個減速電機(jī)和一個智能控制器，如圖1所示：

1.2 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂是連接底座和手部的中間部分，有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分，目前采用的手臂大多為無關(guān)節(jié)臂[2]，本文采用有關(guān)節(jié)臂。

手臂的作用是引導(dǎo)手部準(zhǔn)確的抓住物體，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠準(zhǔn)確的工作手臂的三個自由度都要準(zhǔn)確的定位。本機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)采用三個SR-403P舵機(jī)及其相關(guān)卡口工件組成，三個自由度可使機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)更加自由靈活地運(yùn)動，手臂結(jié)構(gòu)如圖2所示：

1.3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部安裝在手臂的前端。手部由兩個舵機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)手腕的反轉(zhuǎn)和手指的關(guān)閉。

機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種[3]。手指的數(shù)量又可分為二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，設(shè)計(jì)時采用的二指結(jié)構(gòu)，其中一指固定，另一指由舵機(jī)控制。手指可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤。機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)包含兩個自由度，一個自由度用于夾持物件，另一個自由度用于反轉(zhuǎn)手腕，兩個自由度均由HS-7955TG舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，手部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

機(jī)械手裝配完成后的整體設(shè)計(jì)效果圖如圖4所示：

2 機(jī)械手臂驅(qū)動設(shè)計(jì)

常見的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動應(yīng)用的最多，而電動驅(qū)動應(yīng)用的比較少。液壓驅(qū)動主要是通過缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動。具有體積小、作用力大，動作平緩，調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)，但需要配備油泵等動力設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。以空氣作為動力傳遞媒介，具有維護(hù)簡單、方便，運(yùn)行清潔，但因空氣的可壓縮性比價高，一般難以線性控制。電氣驅(qū)動采用的不多，一般以電機(jī)作為動力源，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)簡單，維護(hù)方便，但因電機(jī)功率原因，很難達(dá)到較高的功率輸出，不適合高負(fù)荷野外工作。

2.1 機(jī)械手驅(qū)動方式的選擇與設(shè)計(jì) 因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械手為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部研究使用，故不需考慮能源供給和功率問題，反觀液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動都需要龐大的配套系統(tǒng)來支撐驅(qū)動，所以本文采用電氣驅(qū)動方式。驅(qū)動元件主要包括減速電機(jī)和舵機(jī)。圖1中的減速電機(jī)采用OpenCS5A/8A智能驅(qū)動器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款應(yīng)用最新的DSP控制技術(shù)開發(fā)的集運(yùn)動控制、驅(qū)動、PLC功能于一體的智能控制

與數(shù)字伺服驅(qū)動器，內(nèi)嵌高級運(yùn)動控制語言（TML），使其易于實(shí)現(xiàn)無刷直流，無刷交流（矢量控制）旋轉(zhuǎn)或直線，有刷伺服電機(jī)的單軸與多軸控制。機(jī)械手的其余關(guān)節(jié)使用舵機(jī)控制，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，控制信號是PWM信號[4]，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)，其實(shí)是利用調(diào)節(jié)固定周期內(nèi)的占空比來控制角度的變化。具有控制簡單，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)通信設(shè)計(jì) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)（減速電機(jī)和舵機(jī)）的控制、上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)以及上、下位機(jī)之間的串口通信等。機(jī)械手控制算法經(jīng)上位機(jī)解算后將控制信息經(jīng)串口發(fā)給下位機(jī)MCU，下位機(jī)根據(jù)位置信息分別控制各個減速電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確控制[5]。

3 基于VC++的控制界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制界面主要包括五路舵機(jī)控制區(qū)、一路電機(jī)控制區(qū)、機(jī)械手運(yùn)行示意圖等幾個部分，如圖5所示。

舵機(jī)控制采用滾動條的方式，并將每個舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度實(shí)時顯示在右側(cè)的編輯框內(nèi)；電機(jī)控制采用速度控制，主要包括電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等；機(jī)械手運(yùn)行示意圖顯示機(jī)械手的運(yùn)動情況，當(dāng)某個舵機(jī)或電機(jī)運(yùn)行時，示意圖上相對應(yīng)的舵機(jī)或電機(jī)位置將會加亮，表示這一舵機(jī)或電機(jī)正在運(yùn)行[6]。

4 結(jié)論

論文主要提供了一種機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行硬件制作和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的實(shí)時控制。解決了減速電機(jī)控制、多路舵機(jī)控制和上、下位機(jī)之間串口通信等難點(diǎn)問題，為實(shí)驗(yàn)室機(jī)械手位置控制算法的研究提供了實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，為實(shí)驗(yàn)室研究機(jī)械手更加精確而又復(fù)雜的控制算法提供了實(shí)驗(yàn)平臺。

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