任立敏，楊忠良，譚益松

(1．東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2．中國鐵路總公司，北京100844)

機(jī)械臂在國防、軍事、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，逐步代替了人類從事危險(xiǎn)、重復(fù)、繁重的勞動(dòng)，對整個(gè)社會(huì)文明的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，廣大學(xué)者分別從不同的角度對機(jī)械臂展開了相關(guān)研究．

巧妙合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械臂研究的重點(diǎn)．劉艷華［1］設(shè)計(jì)了汽車后橋殼數(shù)控焊接機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊接的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了焊接機(jī)械臂控制的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)．趙凱［2］在分析微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械臂構(gòu)型的基礎(chǔ)上，提出了采用中空走線的被動(dòng)關(guān)節(jié)及新型的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案．在此基礎(chǔ)上，開展了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械臂被動(dòng)關(guān)節(jié)及遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于D－H法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析．呂曉軍［3］對空間機(jī)械臂一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和控制展開了研究，指出了內(nèi)部中心孔走線的機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法．程曉鼎［4］設(shè)計(jì)了一種用于可變形模特機(jī)器人的機(jī)械臂，它可以改變手臂長度，做一些典型的試衣動(dòng)作，增強(qiáng)了模特機(jī)器人的試衣效果;文中介紹了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)依據(jù)以及最終結(jié)構(gòu)，運(yùn)用D－H法建立了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程．李世其［5］設(shè)計(jì)了一種兩自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模塊，并根據(jù)此模塊研制了一臺(tái)六自由度空間機(jī)械臂;為確定機(jī)械臂在工作過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，建立了機(jī)械臂的有限元模型，分析了其工作態(tài)的應(yīng)力情況和動(dòng)態(tài)特性．趙亮亮［6］從危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的任務(wù)需求出發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種帶有平移自由度的六自由度機(jī)械臂，建立了機(jī)械臂的虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用D－H法建立機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，進(jìn)行了正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及手爪坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的位姿矩陣．

機(jī)械臂的控制性能直接決定了機(jī)械臂的工作性能，在這一方面學(xué)術(shù)界展開了廣泛的研究［7～12］．陳朝大［7］針對具有危險(xiǎn)的特種環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)可以代替人工作業(yè)的排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)以DSP為中央處理核心，用6個(gè)伺服電機(jī)配合鋁制合金搭建機(jī)械臂硬件結(jié)構(gòu)，利用DSP增強(qiáng)型PWM模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，上位機(jī)采用PC機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)了串口測試軟件向SCI模塊發(fā)送指令的功能，從而控制機(jī)械臂，模仿人手的各類運(yùn)動(dòng)．姜振廷［8］、李?。?］、陳濤［10］利用有限元分析軟件，對機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，從而為機(jī)械臂控制策略的制定提供依據(jù)．高文斌［11］對一種可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行定位精度標(biāo)定方法研究．采用裝配映射矩陣描述任意給定的模塊化機(jī)械臂組成模塊間的裝配關(guān)系，并根據(jù)裝配信息自動(dòng)生成指數(shù)積形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型．孟祥萍［12］針對移動(dòng)機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)角度控制時(shí)，普通PID控制器存在超調(diào)、波動(dòng)和普通積分分離式PID存在響應(yīng)速度慢的問題，并提出了改進(jìn)型積分分離式PID控制算法．

本文設(shè)計(jì)了一種可用于科學(xué)研究、教學(xué)演示等場合的多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂，并對其控制系統(tǒng)展開研究，同時(shí)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的坐標(biāo)反饋系統(tǒng)．

1 多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)

多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和D－H坐標(biāo)變換分析．其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要目的是對機(jī)械臂的機(jī)械本體進(jìn)行虛擬仿真研究，并對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的機(jī)械運(yùn)動(dòng);D－H坐標(biāo)變換主要完成機(jī)械臂的數(shù)學(xué)建模，獲得末端運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)．

1.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，并且在自身結(jié)構(gòu)上解耦等一系列要求．在上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，本文設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示．

基關(guān)節(jié)采用低成本步進(jìn)電機(jī)1作為動(dòng)力源，直接驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)．步進(jìn)電機(jī)體積小，質(zhì)量輕，控制簡單，較為適合在小型機(jī)械臂上運(yùn)用．同時(shí)采用輕型薄壁軸承2支撐，輕型薄壁軸承承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊，是近年來在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛采用的一種軸承．薄壁軸承內(nèi)部具有較大的中心孔，在基關(guān)節(jié)內(nèi)部設(shè)計(jì)有走線槽3，走線槽直接穿過薄壁軸承內(nèi)部中心孔，機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)線路和控制線路從薄壁軸承內(nèi)部中心孔通過，這在保證機(jī)械臂安全運(yùn)行的同時(shí)，又保證了整機(jī)外形的輕巧美觀．第一俯仰關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)4直接驅(qū)動(dòng)．受安裝體積等因素的影響，第二俯仰關(guān)節(jié)無法通過步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)+同步帶的傳動(dòng)方式:步進(jìn)電機(jī)5通過同步帶6和同步帶輪7將動(dòng)力傳遞給第二俯仰關(guān)節(jié)，相比于傳統(tǒng)的V帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可以保證機(jī)械臂第二俯仰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)精度．末端球關(guān)節(jié)點(diǎn)采用重力錘原理自動(dòng)布置．

1.2 機(jī)械臂D－H坐標(biāo)變換

為了獲得機(jī)械臂末端球點(diǎn)的空間坐標(biāo)，需要建立機(jī)械臂的D－H坐標(biāo)模型．本文建立的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的D－H坐標(biāo)模型，如圖2所示．

圖1 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂虛擬樣機(jī)

表1 空間坐標(biāo)測定D－H參數(shù)

圖2 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂D－H坐標(biāo)模型

X0Y0Z0表示基坐標(biāo)系，θ0表示基關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，L01代表基關(guān)節(jié)到第一俯仰關(guān)節(jié)的距離．空間坐標(biāo)儀D－H參數(shù)，如表1所示．

由基坐標(biāo)系X0Y0Z0到第一俯仰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X1Y1Z1的坐標(biāo)變換可以由公式(1)表示:

由第一俯仰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X1Y1Z1到第二俯仰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X2Y2Z2的坐標(biāo)變換可以由公式(2)表示:

由第二俯仰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X2Y2Z2到末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X3Y3Z3的坐標(biāo)變換可以由公式(3)表示:

末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系X3Y3Z3到末端測量點(diǎn)的坐標(biāo)變換可以由公式(4)表示:

機(jī)械臂的D－H坐標(biāo)變換Ttotal可以由公式(5)獲得:

通過公式(5)可以獲得機(jī)械臂末端點(diǎn)的空間坐標(biāo)為

在機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，可通過公式(6)實(shí)時(shí)獲得機(jī)械臂末端點(diǎn)坐標(biāo)．

2 機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)

2.1 機(jī)械臂電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用了AT－89C51單片機(jī)作為核心控制單元，該款單片機(jī)具有功耗低、運(yùn)算速度快、可在線編程、調(diào)試簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的主控芯片，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示．

基關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)和第二俯仰關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)采用基于ULN2803的專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)兩路5線制輸入步進(jìn)電機(jī)，減小了系統(tǒng)的體積;第一俯仰關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較大，輸入電流較高，因而需要選擇驅(qū)動(dòng)功率較大的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器．本文選擇了基于Toshiba TB6560的專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到3．5 A，可以滿足第一俯仰關(guān)節(jié)對驅(qū)動(dòng)力矩的要求．

2.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的坐標(biāo)反饋系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)對機(jī)械臂末端的位置進(jìn)行反饋，并且需要將末端點(diǎn)的坐標(biāo)顯示在1602液晶顯示屏上，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂的坐標(biāo)反饋系統(tǒng)的控制流程如圖4所示．

文中所采用的AT89C51單片機(jī)的機(jī)器周期為1us，相對于機(jī)械臂的機(jī)械運(yùn)動(dòng)周期，計(jì)算速度足夠快，因而機(jī)械臂主控系統(tǒng)采用循環(huán)掃描方式，在每個(gè)掃描周期檢測機(jī)械臂狀態(tài)的變化，在每個(gè)掃描周期結(jié)束時(shí)更新液晶顯示屏輸出，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂末端點(diǎn)空間位置實(shí)時(shí)變化的要求．

圖3 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)框圖

圖4 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

文中研制的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂樣機(jī)及其坐標(biāo)反饋系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖5所示．本文最終在該多關(guān)節(jié)機(jī)械臂實(shí)物樣機(jī)上分別進(jìn)行了多組控制性能實(shí)驗(yàn)和坐標(biāo)反饋實(shí)驗(yàn)．

圖5 多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂樣機(jī)實(shí)物圖

為驗(yàn)證機(jī)械臂工作性能，分別進(jìn)行了機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn)、加減速等實(shí)驗(yàn)．在坐標(biāo)反饋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)定若干個(gè)關(guān)鍵測量點(diǎn)，控制多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)達(dá)到關(guān)鍵測量點(diǎn)，將坐標(biāo)反饋系統(tǒng)的輸出與外界絕對測量坐標(biāo)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證坐標(biāo)反饋系統(tǒng)的性能，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文研制的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂坐標(biāo)反饋系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地獲得并準(zhǔn)確顯示機(jī)械臂末端點(diǎn)的位置信息，其中一組實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)過程如圖6所示．

圖6 多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂樣機(jī)實(shí)驗(yàn)過程

從以上實(shí)驗(yàn)過程可以看出:本文設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)動(dòng)能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求;電氣控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，空間坐標(biāo)反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映出末端測量點(diǎn)的位置變化，并且能夠在液晶顯示屏上輸出空間坐標(biāo)及其變化過程，整機(jī)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求．

4 結(jié) 論

通過對上述多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂的研制過程及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得如下結(jié)論:

(1)設(shè)計(jì)了一種多關(guān)節(jié)新型機(jī)械臂及其坐標(biāo)反饋系統(tǒng)，坐標(biāo)反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映機(jī)械臂末端的坐標(biāo)變化，可以滿足該機(jī)械臂在科學(xué)研究、教學(xué)演示等多場合的任務(wù)要求;

(2)采用步進(jìn)電機(jī)作為多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力源，具有控制簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn);

(3)應(yīng)用輕型薄壁軸承支撐整個(gè)機(jī)械臂，能夠?qū)崿F(xiàn)中心走線，增強(qiáng)整個(gè)設(shè)計(jì)的美觀性;

(4)采用51單片機(jī)+專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合的電氣控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡單、可靠．

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