戈文茜，蒯彥文 ，蒯蘇蘇 ，謝 靜

（1.私立無錫光華學(xué)校，江蘇 無錫 214084；2.江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212017；3.江蘇大學(xué)工業(yè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

基于ROBOPro醫(yī)學(xué)機器人的創(chuàng)新設(shè)計

戈文茜1，蒯彥文2，蒯蘇蘇3，謝 靜4

（1.私立無錫光華學(xué)校，江蘇 無錫 214084；2.江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212017；3.江蘇大學(xué)工業(yè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

作者利用慧魚創(chuàng)意組合模型進行醫(yī)學(xué)機器人的創(chuàng)新設(shè)計，并用ROBOPro軟件開發(fā)了帶存儲區(qū)程序的三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人創(chuàng)新程序,采用二個全局變量Z變量和X變量模塊，分別通過“+”指令，使機械手在最短的時間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，并運動到規(guī)劃出滿足非線性運動學(xué)約束的最優(yōu)圓弧曲線連續(xù)軌跡，使創(chuàng)新設(shè)計完成了預(yù)定的功能和動作。

慧魚模型；機器人電子創(chuàng)新設(shè)計；軟件ROBOPro；程序

德國慧魚模型搭接的一種醫(yī)學(xué)機器人，主要包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要功能是能夠?qū)⑽矬w堆垛和按指定曲線擺放，在具體的設(shè)計情境中用有關(guān)知識解決相應(yīng)的問題時，如果實現(xiàn)變換的所有步驟都已知，則稱為“常規(guī)問題”；如果至少有一步未知，則稱為“發(fā)明問題”。解決常規(guī)問題的設(shè)計是常規(guī)設(shè)計，解決發(fā)明問題的設(shè)計是創(chuàng)新設(shè)計。本文對機械手在最短的時間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間問題，設(shè)計新的運算程序，對慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機器人的軌跡控制進行編程和創(chuàng)新。

一、慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機器人設(shè)計

用慧魚零件及電子元器件搭接的三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人是一個4自由度的機械手，如圖1所示，由五個模塊組成。

圖1 三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人

模塊一：自由度1為機械手基座旋轉(zhuǎn)運動的軸Ⅰ，電動機M1轉(zhuǎn)動驅(qū)動齒輪箱（1）減速，帶動渦輪蝸桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)動帶動基座轉(zhuǎn)動，通過脈沖齒輪計數(shù)由行程開關(guān)I1和限位開關(guān)I2確定旋轉(zhuǎn)的角度。

模塊二：自由度2為機械手水平運動的軸Ⅱ，電動機M2轉(zhuǎn)動驅(qū)動齒輪箱（2）減速，并帶動水平安裝的絲桿螺母機構(gòu)運動，實現(xiàn)手臂前進或后退100mm。

模塊三：自由度3為機械手垂直運動的軸Ⅲ，電動機M3轉(zhuǎn)動驅(qū)動定軸輪系（3）帶動垂直安裝的絲桿螺母機構(gòu)運動，實現(xiàn)手臂160mm的升降。

模塊四：自由度4為機械手手爪，電動機M4轉(zhuǎn)動驅(qū)動齒輪箱4減速后帶動輸出軸，由于手爪上絲桿軸與齒輪箱（4）的輸出軸不在一條軸線上，所以通過萬向節(jié)連接，行程開關(guān)I7控制絲桿軸帶動螺旋機構(gòu)的螺桿轉(zhuǎn)動，絲桿軸通過聯(lián)軸節(jié)與裝配螺塊的螺桿連接，形成中空的絲桿螺塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。能夠調(diào)節(jié)絲桿的長度，從而滿足不同行程的螺塊的前后移動，帶動手爪擺桿擺動使手指（搖桿）張開和閉合。

圖2 機械手爪傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

模塊五：控制軟件ROBOPro，ROBO控制器接到計算機后通過軟件來實現(xiàn)對慧魚機器人的控制，編寫ROBOPro圖形化程序，調(diào)用相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)對機器人的控制。

二、模式識別

在給定機器人的任務(wù)下，用計算機實現(xiàn)模式識別，所識別的過程是機器人運動狀態(tài)的抽象對象，這種對象與數(shù)字形式的信息的區(qū)別就是模式信息。

四自由度機械手四個模塊的機械結(jié)構(gòu)分別由四個電機驅(qū)動，每個電機由2個電子開關(guān)控制，其中一個是限位，另一個是行程，在程序的ROBOPro開始模塊后通過按行程開關(guān)按鈕來啟動電機M1，一旦基座轉(zhuǎn)動，電機M1靠限位開關(guān)自動關(guān)閉，三軸聯(lián)動模式識別是由限位開關(guān)來實現(xiàn)的。插入一個判斷模塊，查詢輸入行程開關(guān)I1的狀態(tài)，對輸入I1進行設(shè)置，電機M1順時針轉(zhuǎn)動。插入另一個判斷模塊，用來查詢限位開關(guān)I2的狀態(tài)。對輸入I2進行設(shè)置。一旦基座轉(zhuǎn)動到指定位置，并且壓住了限位開關(guān)，電機M1停止；同時插入一個判斷模塊是查詢輸入行程開關(guān)I3的狀態(tài)，對輸入I3進行設(shè)置，電機M2順時針轉(zhuǎn)動；插入另一個判斷模塊，用來查詢限位開關(guān)I4的狀態(tài)。對輸入I4進行設(shè)置，一旦手臂運動到指定位置，并且壓住了限位開關(guān)I4，電機M2停止......；各電機啟動、關(guān)閉邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 電機啟動、關(guān)閉邏輯關(guān)系

由計算機編程通過ROBO控制器的控制，實現(xiàn)三軸+1爪聯(lián)動，其硬件控制電路見圖3，USB數(shù)據(jù)線連接ROBO控制器與計算機串口，充電器連接ROBO控制器，操作ROBO控制器紅按鈕使指示燈在USB處點亮。

1.數(shù)字信號輸入

圖3中ROBO控制器的I1～I8接口用于連接電子開關(guān)，當(dāng)電子開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，控制器檢測到數(shù)字信號“1”并反饋給計算機，否則檢測到數(shù)字信號“0”。機械手使用的 1～8 個電子開關(guān)（限位～行程開關(guān)）I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8 連接數(shù)字輸入口。

2.馬達輸出

控制器輸出端口M1～M4接口連接電機，硬件接線時電機M1、電機M2、電機M3、電機M4分別連接ROBO控制器的 M1、M2、M3、M4 輸出端口。

圖3 機器人控制電路

3.擴展板“1+1”模式

如果將圖3中控制手爪運動的電機M4連接到I/O擴展板，ROBO控制器需通過一根十針的帶狀電纜將I/O擴展板和主板相連，圖4表示了I/O擴展板與ROBO控制器耦合的在線控制電機測試過程。

圖4 計算機在線控制電機測試連線

（1）硬件接線：設(shè)有兩個電機分別連接ROBO控制器 （主板）的M1輸出端口和I/O擴展板的M1輸出端口，USB數(shù)據(jù)線連接ROBO控制器與計算機串口，兩個充電器分別連接ROBO控制器和I/O擴展板。

（2）在編程窗口中組建成控制程序流程圖。用鼠標(biāo)拖拽編程模塊中的 并選中后右擊鍵，出現(xiàn)馬達輸出對話框，選點[M1、馬達、IF1、8、順時針轉(zhuǎn)]，主板電機 M1 設(shè)置完成；若選點[M1、馬達、EM1、8、逆時針轉(zhuǎn)]，出現(xiàn) 圖形，擴展板電機EM1設(shè)置完成，如圖5所示。

圖5 IF1、EM1電機運行對話框

機器人使用的每個程序中，ROBO控制器的接口收集從數(shù)字量收到的數(shù)值，然后送到計算機，計算機把數(shù)值量的輸出數(shù)值反饋傳送到接口上，ROBO控制器上的微處理器接收來自計算機下載的程序，由程序自動打開或關(guān)閉相連的電機。

三、機器人程序創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)控制任務(wù)，采用模塊化設(shè)計方法，將機器人的運動分為兩部分：①從參考點A抓取的物體分別擺放到中轉(zhuǎn)站B點空間垂直堆垛；②從中轉(zhuǎn)站B點在最短的時間機械手平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，從中抓取的物體分別按非線性運動學(xué)圓弧形曲線擺放到目標(biāo)區(qū)C點。

圖6的示教主程序可實現(xiàn)參考點A的三個物體抓取至中轉(zhuǎn)站B點在空間垂直擺放。

三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人的空間垂直直線軌跡控制編程運算方法如下：

開始，手爪清0，三軸清0；

定時器延時等待2秒；

三軸坐標(biāo)賦值，機械臂到達A點位置；

手爪夾緊物體，機械臂沿Z軸升高；

三軸坐標(biāo)更新賦值，機械臂到達B點位置；

手爪松開物體；

手爪閉合，機械臂沿Z軸升高；

三軸坐標(biāo)賦值，機械臂到達A點位置；

循環(huán)至手爪清0，下一個物體的抓取。

圖6 三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人示教主程序

為實現(xiàn)對中轉(zhuǎn)站B點垂直擺放的三個物體做出抓取，并進行按圓弧形曲線擺放到目標(biāo)區(qū)C點的功能，通過對機器人關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換進行軌跡規(guī)劃，編寫創(chuàng)新程序如圖7所示。

機械手在最短的時間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間問題，開發(fā)帶存儲區(qū)程序的編寫，需通過Z軸變量設(shè)置并接受“+”指令，實現(xiàn)空間 B（x，y，z）點和回 B’（x，y，z’）點的變換，同時通過X軸變量設(shè)置接受“+”指令，控制圓弧曲率，可使物體擺放到目標(biāo)區(qū)C點滿足非線性運動學(xué)圓弧曲線連續(xù)軌跡的功能。

三軸聯(lián)動醫(yī)學(xué)機器人的由空間垂直直線軌跡運動至平面圓弧曲線軌跡的控制編程運算方法如下：

開始，三軸清0，手爪清0，機械臂沿Z軸升高至B點；

輸入Z軸坐標(biāo)變量初始值10，Z變量保持這個值，直到通過+40指令，控制得到Z軸一個新的增加值，回B’點，實現(xiàn)每次抓取下一個物體。

手爪夾緊物體，三軸坐標(biāo)賦值，機械手臂到目標(biāo)區(qū)C點位置；

輸入X軸坐標(biāo)變量初始值100，X變量保持這個值，直到通過+25指令，得到一個新的X軸坐標(biāo)增加值，可控制每次擺放物體的角度；

圖7 開發(fā)帶存儲區(qū)全局變量的創(chuàng)新程序

手爪松開物體，按圓弧軌跡擺放；

機械手臂沿Z軸升高，三軸更新賦值，機械手臂到達B點新位置；

循環(huán)至Z軸變量，進行下一個物體的抓取。

通過對慧魚三軸式醫(yī)學(xué)機器人進行創(chuàng)新設(shè)計，二次開發(fā)了帶存儲區(qū)全局變量的創(chuàng)新程序，使其控制系統(tǒng)的編程從ROBOPro圖形化第一級編程升級到采用ROBOPro圖形化第三級編程，采用兩個全局變量Z變量和X變量模塊，分別通過“+”指令，指令傳送的值就由當(dāng)前值增加，使機械手在最短的時間平穩(wěn)地跟蹤任務(wù)空間的任意指定垂直直線軌跡，并運動到規(guī)劃出滿足非線性運動學(xué)約束的最優(yōu)圓弧曲線連續(xù)軌跡。

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TP242.2

A

1673-8454（2017）22-0094-03

（編輯：魯利瑞）