孫雙雙+周鵬

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機(jī)器人的使用變得越來(lái)越普及。因此，對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的研究也變得越來(lái)越迫切，尤其是工業(yè)機(jī)器人方面。課題針對(duì)這一領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于扳魔方的機(jī)械手，該機(jī)械手擁有兩個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)魔方的夾取，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)魔方的每一個(gè)面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)焊接機(jī)器；軌跡規(guī)劃；梯度下降法；二分法

0 引言

以工業(yè)化機(jī)器人及自動(dòng)化為核心的智能化裝備正掀起一場(chǎng)裝備行業(yè)顛覆性的革命。展會(huì)上一個(gè)玩魔方機(jī)器人能吸引無(wú)數(shù)孩童的眼球。目前玩魔方機(jī)器人并沒(méi)有普及， 它一般由一些大型的公司（如： ARM、 Nokia）科研院所以及中科大、哈工大制作。他們要么是炫耀處理器的能力，要么進(jìn)行一些比賽。核心的處理器一般用手機(jī)與電腦；機(jī)械手部分一般用的是做成的像手臂式的機(jī)械手；模式識(shí)別部分一般用的是色彩傳感器與攝像頭。整套做下來(lái)，成本很高。這樣一個(gè)智能化且能益智的機(jī)器人，本來(lái)應(yīng)該出現(xiàn)在人們的生活中。然而現(xiàn)在卻呆在了少數(shù)的研究院所里，沒(méi)有形成大面積的普及。針對(duì)這一現(xiàn)象，建立開發(fā)一個(gè)成本較低并且能夠形成普及的嵌入式玩魔方機(jī)器人的課題。

美國(guó)于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題。1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司又研制一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)機(jī)械手，商名為Unimate。 1962年美國(guó)鑄造公司也試驗(yàn)成功一種機(jī)械手，該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)。

德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手。主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。瑞士、瑞典、日本等國(guó)也先后開始發(fā)展機(jī)械手研究。

我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國(guó)各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等。

1 總體方案擬定

考慮機(jī)械手工作要求的特殊情況，設(shè)計(jì)采用兩自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)。自由度具體分配如下：

1、旋臂回轉(zhuǎn)自由度。機(jī)身與控制旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)的軸連在一起。當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)機(jī)身和夾手的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此時(shí)夾手夾緊魔方，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)魔方一個(gè)面的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、夾手松開與夾緊的自由度。夾手的驅(qū)動(dòng)由安裝在機(jī)身上的一個(gè)舵機(jī)提供。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械臂的動(dòng)作，機(jī)械臂的動(dòng)作作用在夾手上使夾手產(chǎn)生一個(gè)上下移動(dòng)的動(dòng)作。每一個(gè)機(jī)械手上有兩個(gè)夾手，夾手只能做相互靠近的動(dòng)作和相互遠(yuǎn)離的動(dòng)作。當(dāng)兩個(gè)夾手靠近時(shí)對(duì)應(yīng)為夾緊動(dòng)作，當(dāng)兩個(gè)夾手遠(yuǎn)離時(shí)對(duì)應(yīng)為松開動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)的選擇和控制器的選擇：

考慮到旋轉(zhuǎn)魔方時(shí)所用的力量很小魔方重量輕以及所用的舵機(jī)多達(dá)八個(gè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)的型號(hào)為RB150MG。選用的舵機(jī)控制器是奧松機(jī)器人公司生產(chǎn)的32 路伺服舵機(jī)控制器。RB150MG型號(hào)的舵機(jī)具有控制精度高控制速度快和提供的扭力大的優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。32 路伺服舵機(jī)控制器可以控制多達(dá) 32 個(gè)伺服舵機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能?？梢詫?shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行通信。

2 機(jī)械手各個(gè)組成部件的介紹

2.1夾手

介紹夾手之前首先介紹一下魔方。設(shè)計(jì)的機(jī)械手是用于扳魔方用的，所以剛開始有必要對(duì)魔方做一下介紹。魔方一共有六個(gè)面。魔方有四乘四的和三乘三的。四乘四的意思是魔方的每一個(gè)面分為十六個(gè)小塊，每一條邊有三個(gè)小塊。三乘三的意思是魔方的每一個(gè)面有九個(gè)小塊，每一條邊有三個(gè)小塊。

該魔方共有六種顏色分別為紅色、黃色、綠色、粉紅色、白色、藍(lán)色。模仿的邊長(zhǎng)為5.5厘米。該魔方有個(gè)特點(diǎn)：無(wú)論怎么扳動(dòng)每一個(gè)面中間快的顏色和該面對(duì)面中間快的顏色始終是對(duì)應(yīng)著的。這是因?yàn)閷?duì)模仿的操作都可以分解成很多對(duì)魔方每一個(gè)一個(gè)面的操作，對(duì)魔方一個(gè)面的操作是不會(huì)影響這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的。

夾手是用于夾住魔方的機(jī)構(gòu)。夾手分為兩個(gè)部分：

與魔方直接接觸的部分及機(jī)械手的手指?？紤]到設(shè)計(jì)的具體要求，設(shè)計(jì)選用的此部分的材料為鋁制材料。鋁制材料具有硬度大重量輕和容易加工的的特點(diǎn)，特別適合一些簡(jiǎn)單的部件。該部分由兩塊長(zhǎng)方形鋁片焊接而成。鋁板的厚度為4毫米。上面部分鋁片長(zhǎng)和寬為20毫米和8毫米。下面部分鋁片的長(zhǎng)和寬為30毫米和8毫米。下半部分上鉆有兩個(gè)眼用于和滑塊的鏈接。

滑塊是連接機(jī)身和機(jī)械手的手指的裝置，是夾手的另一個(gè)重要組成部分?；瑝K的材料是黑色塑料。它的硬度不是很大，但是有一定的柔性，非常耐磨，所以適合做往復(fù)帶有磨擦的運(yùn)動(dòng)。滑塊作為機(jī)械手手指的平臺(tái)帶動(dòng)機(jī)械手手指一起滑動(dòng)。后來(lái)實(shí)際操作時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)魔方與滑塊的碰撞，我對(duì)滑塊做了一些改進(jìn)：把每個(gè)滑塊用銼刀磨掉兩個(gè)角，這樣可以增大滑塊與模仿的距離從而減小在轉(zhuǎn)動(dòng)魔方時(shí)魔方與滑塊碰撞的可能性。

要想扳好魔方往往需要很多步驟，每一個(gè)操作都會(huì)多少影響到模仿的位置。隨著操作步驟的增加這種位置的偏離會(huì)越來(lái)越大，最終導(dǎo)致位置偏移過(guò)大使操作偏離預(yù)期的操作。為了解決這個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)了滑片用于固定模仿的位置?；氰F片做的。鐵片是罐裝雀巢咖啡的外皮做的，這是在眾多鐵罐裝飲料中精挑細(xì)選的。雀巢咖啡的外皮硬度合適而且容易加工。

2.2機(jī)身和機(jī)械臂

每一個(gè)機(jī)械手都有兩個(gè)夾手。兩個(gè)夾手可以在機(jī)身上滑動(dòng)。兩個(gè)夾手的滑動(dòng)是由固定在機(jī)身上的一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的。旋臂由兩個(gè)個(gè)部分組成：1、控制旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的軸。2、鏈接裝置。舵機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈接裝置旋轉(zhuǎn)，鏈接裝置旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)身旋轉(zhuǎn)，機(jī)身旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾手的旋轉(zhuǎn)。如果此時(shí)夾手處于半夾緊的狀態(tài)則可以完成對(duì)魔方的一種旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

3 機(jī)械手控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制指令的介紹

設(shè)計(jì)采用的的舵機(jī)控制器是32 路伺服舵機(jī)控制器，它可以輸出PWM波，通過(guò)控制輸出給舵機(jī)的PWM[1]波的空占比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出角度的控制。舵機(jī)控制器的上位機(jī)通過(guò)串口把控制指令發(fā)送給舵機(jī)?？刂浦噶钍亲址６鏅C(jī)把接收到的指令轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)輸出口的PWM波，進(jìn)而控制連接在這個(gè)輸出接口上的舵機(jī)輸出的角度。

3.2 械手個(gè)數(shù)的選擇

到此為止可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。設(shè)計(jì)共用四個(gè)機(jī)械手，每一個(gè)機(jī)械手上有兩個(gè)舵機(jī)，一個(gè)控制旋轉(zhuǎn)一個(gè)控制夾緊與張開。所以一共用了八個(gè)舵機(jī)。本設(shè)計(jì)采用的舵機(jī)控制器是32 路伺服舵機(jī)控制器，最多可以對(duì)32個(gè)舵機(jī)控制，所以完全滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)這八個(gè)舵機(jī)的控制可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)在查閱機(jī)器人相關(guān)書籍和了解現(xiàn)今機(jī)器人的發(fā)展技術(shù)，參考了以往工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，對(duì)比擇優(yōu)，設(shè)計(jì)了二自由度的機(jī)械手，對(duì)于工作范圍內(nèi)的物塊抓取，對(duì)于扳魔方非常適合，對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)工作也不失為一次重要的參考。

設(shè)計(jì)完成以下工作：

1、四個(gè)機(jī)械手由舵機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，每個(gè)機(jī)械手的兩個(gè)手指可以開合，減小控制誤差，且可完成四個(gè)機(jī)械手扳魔方所需的基本動(dòng)作。

2、采用滑片安在機(jī)械手手指上，使魔方的位置更加穩(wěn)定，降低成本的同時(shí)，使魔方機(jī)器人系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

3、編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手扳魔方所需要的各種基本動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京： 科學(xué)出版社，2007 .

[2]馬秀麗.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2008.

[3]陳杰.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京： 高等教育出版社，2010.

[4]張嗣瀛.現(xiàn)代控制理論[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2006.

[5]鄭笑紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M].北京： 煤炭工業(yè)出版社，2004.