李國良　呂佳　劉曉成

簡介

人們一直以來都在研究如何制造某種與人類自身結構及功能相似的機械裝置，從Unimate到dobot，機械臂技術已然成為當今科技發(fā)展的一個重要方向，其應用領域也逐步拓寬，對其性能的要求也在逐步提高，包括輕質、重載、高速、高精度、高靈活性、高適應性、智能化等。機械臂可以在很多人類無法進入的區(qū)域，比如輻射、化學污染、水下、失重、高溫、高壓、噪聲等環(huán)境中工作。在工業(yè)4.0時代，機械臂在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造及太空探索等領域具有極大的應用與發(fā)展空間。作為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，機械臂在流水線上能以較高的精度幫助人們進行重物搬運、焊接裝配等。

原理驗證機

第一代原理驗證機采用一般機械臂底座放于桌面上的結構設計，通過給電磁鐵輸入高頻脈沖信號，利用電磁鐵中自感現(xiàn)象導致電流具有慣性的特點，控制電磁鐵通斷時間以實現(xiàn)電磁鐵的定位。但根據(jù)實際驗證機驗證，證明其原理不具有可行性，后根據(jù)磁懸浮列車驅動原理，計劃設計直線電機結構控制，但經(jīng)過論證否定了該方案。因而設計了第二代原理驗證機如圖1所示，采取類似人類手臂的垂直結構，運用雙頭電磁鐵組進行牽拉，運用單圈電位器進行定位，并利用吸盤式電磁鐵與導軌間的摩擦力進行固定，圓臺及手指部分采用舵機驅動。

各機構設計

大臂結構

大臂為一個形狀似藕的垂直結構，主體為圓柱體，內(nèi)部有垂直的圓柱形管道，將推拉式電磁鐵逐個串聯(lián)安裝以增加行程。除最下方電磁鐵為推式電磁鐵外，其余為拉式電磁鐵，分為正反2組放入大臂的管道中，分別模擬肱二頭肌和肱三頭肌。將這些電磁鐵組并聯(lián)并拉動上部牽引線（使用自行車剎車線），將導軌安裝于肘部軸承上，滑塊通過碳桿拉桿與軸承相連，牽引線另一頭（外皮）固定于直線導軌的滑塊上，內(nèi)芯則固定于導軌的遠端。當牽引線回抽時，滑塊接近遠端，以此抬起小臂，模擬肱三頭肌電磁鐵拉動的牽引線則固定于導軌下部，反向牽拉，以此放下手臂。

肘部阻尼結構

為控制小臂的運動幅度及運動速度，肘部安裝了阻尼裝置，即采用自行車剎車盤，當小臂到達預定位置后鎖死阻尼盤（如圖2所示），最下面一個推式電磁鐵彈出以消除前面電磁鐵牽拉的沖量，防止電磁鐵因沖量過大拉動小臂超過預定位置導致精度降低。隨著阻尼增大，機械振動將會增大，因此只憑借該阻尼盤無法實現(xiàn)較精準的定位，故將剎車器安裝于大臂后側，上端升降步進電機運動時，可使剎車器角度小幅變化，帶動小臂小范圍變化，以此進行再次定位以提高定位精度。

小臂及機械手結構設計

在小臂中部安有軸承及28BYJ48步進電機以實現(xiàn)小臂的轉動，手腕部使用一個RDS3115MG舵機控制手抬高放下的動作。為了讓手指既能很輕巧地抓雞蛋，又能快速地敲擊鍵盤或琴鍵，因此安于小臂前段用于控制手指的動力方式不采用舵機驅動，而改用升降步進電機與電磁鐵相結合的動力布局方案，運用自行車的變速線作為拉繩拉動手指活動，并根據(jù)實際應用情況決定采用步進電機驅動或電磁鐵驅動的方式，運用電磁鐵驅動可利用其沖量實現(xiàn)彈琴等敲擊動作，或配合步進電機，運用電磁鐵的末端沖量實現(xiàn)捏碎雞蛋等動作。

支架部分設計

支撐架分為底座、支柱和圓臺，圓臺安裝了推力軸承及Y軸垂直平面內(nèi)旋轉軸承，可使用步進電機進行水平轉動，并安裝了步進電機控制Y軸運動，以此進行伸出或收回的動作。完成后的機械臂見圖2。

電路設計

控制系統(tǒng)的單片機采用Arduinomega2560，見圖3。采用場效應管作為電磁鐵的控制元件，并配合10mF50V電容和肖特基管作為供電部分，使用激光測距儀、陀螺儀、單圈電位器及直線電位器對小臂角度進行判斷和定位，通過傾斜傳感器進行初始位置校準。

算法設計

該機械臂系統(tǒng)需要事先輸入預定目標位置后再進行動作到達指定位置，不適于進行微小多次的調整，因此需對該機械臂進行運動學逆分析。

經(jīng)推導可得到支架上Y軸步進電機輸出值為：

Y=1'sinθ₁（1'為中心支點到步進電機作用點距離）

以此實現(xiàn)有目標位置的運動角度及步進電機運動距離判斷。

結論與改進方向

該機械臂模型在醫(yī)用義肢、輔助搬運器械、教育機械、裝配、計算機智能模擬交互等領域及危險環(huán)境替人工作方面有較大的應用前景。相較于傳統(tǒng)機械臂具有運動速度快、結構簡單、造價較低、易于更換配件、可在高粉塵等復雜環(huán)境中有效工作的特點。它更適于進行有目標的指定位置操作，不適用于小幅度的精細工作。

該機械臂還有改進空間。在改進設計時，可定制更為小巧的電磁鐵以提高效率，也可運用拓撲絕緣體、液體金屬等材料實現(xiàn)高效低能耗運動；因該系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械臂有較大結構及動力區(qū)別，因此在算法方面也有很大的改進空間。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

本項目綜合運用了機械、電氣、生物學科的知識，作者在完成項目過程中各方面的能力得到提高，知識得到豐富。以電磁鐵模擬肌肉爆發(fā)力特性有創(chuàng)新。但作者對電磁鐵的特性理解還不夠，手臂的精度考慮不足。應進一步研究多軸聯(lián)動，開發(fā)自動化程度更高、精度更高、速度更快的機械臂。