包黎明，任林昌＊，李光宇，馬 易，王繼濤，景紅燕

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

目前，機器人的主要工作是通過機械臂的運動來實現(xiàn)的，因此對機械臂運動的軌跡規(guī)劃是實現(xiàn)其運動控制和動力學(xué)分析的必要過程，且機器人機械臂的運動規(guī)劃是一種可靠的提高機器人運動軌跡精度和穩(wěn)定性[1]。

機械臂一方面要與工作環(huán)境進行交互，另一方面還要保證精確的操控目標(biāo)，這對機械臂的設(shè)計和控制精度提出了挑戰(zhàn)，但實際情況是大多數(shù)機械臂不能自主移動，阻礙機械手臂上多功能方向的發(fā)展[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 目標(biāo)與功能

（1）本項目對機械臂結(jié)構(gòu)進行設(shè)計制造，實現(xiàn)六自由度機械臂的單自由度、多自由度及基本的運動規(guī)劃功能，實現(xiàn)機械臂自主移動的目標(biāo)。最終面向工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)、電子、醫(yī)藥等領(lǐng)域進行推廣，具有很好的市場潛力和應(yīng)用價值。

（2）安全可靠，帶過載保護，徹底解決燒舵機的難題。通過手柄、藍牙、上位機給舵機控制器發(fā)送指令來實現(xiàn)遠程控制。采用集成度很高的模塊化關(guān)節(jié)，可以通過模塊的組合快速組合出不同構(gòu)型的機械臂，用來應(yīng)對不同的應(yīng)用需求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)底層以STM32為主控驅(qū)動部件，采用六個數(shù)字舵機作為機械臂的的運動核心。操作人員使用無線遙控發(fā)送指令到機械臂微控制器控制機械臂實現(xiàn)精準(zhǔn)操作，并最完成最終物體的抓取任務(wù)。

（1）STM32是單片機：負責(zé)處理信號和對機械手的控制。

（2）數(shù)字舵機：只需要發(fā)送一次PWM信號，精度高。

（3）微控制器：控制機械臂完成精準(zhǔn)操作。

1.3 機構(gòu)原理

圖1 六自由度機械臂結(jié)構(gòu)原理圖

如圖2所示，基座和滑臺組成一個移動副A，它們能夠沿直線相對滑動；B是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Y平面進行旋轉(zhuǎn)；C是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進行旋轉(zhuǎn)；D是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-平面內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)；E是一個旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進行旋轉(zhuǎn)；F是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進行旋轉(zhuǎn)；G是一個旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進行旋轉(zhuǎn)。

1.4 設(shè)計路線

圖2為總體設(shè)計路線。

1.5 機械手硬件

機械手外骨架采用鋁合金板材制作，減輕重量，關(guān)節(jié)處采用推力軸承與法蘭和舵機相配合的方式，舵機直接帶動手臂運動。經(jīng)計算，機械手系統(tǒng)的可抓取范圍為直線方向上500mm，覆蓋范圍為半徑為250mm的球形范圍，但機械手精度在5mm范圍左右。為安全，需要加裝限位保護，即當(dāng)有人觸及到其工作范圍時，立即急停。

圖2 設(shè)計流程

2 整體方案設(shè)計與驗證

2.1 設(shè)計目的

設(shè)計的六自由度機械臂，主要由主板、底座、腰部、大手臂、小手臂、手腕、手爪組成。最終實現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動、大手臂擺動、小手臂擺動、手腕擺動、手腕轉(zhuǎn)動、夾爪夾取六個自由度的運動。通過設(shè)計，主要目的是實現(xiàn)機械臂對輕小物體實現(xiàn)抓取任務(wù)，通過對六自由度機械臂進行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建運動仿真模型，利用軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)六自由度機械臂的單自由度、多自由度及基本的運動規(guī)劃功能。

2.2 設(shè)計與驗證

根據(jù)設(shè)想，運用D-H法對六自由度機械臂進行數(shù)學(xué)建模。D-H參數(shù)就是一個用四個參數(shù)表達兩對關(guān)節(jié)連桿之間位置角度關(guān)系的機械臂數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)系確定系統(tǒng)。通過下文我們會看到，它通過限制原點位置和X軸的方向，人為減少兩個自由度，因此它只需要用四個參數(shù)即可表達關(guān)節(jié)之間原本是六自由度的坐標(biāo)變換。接著，運用MATLAB構(gòu)建運動仿真模型，驗證設(shè)計的可行性。然后通過軟件編程，利用程序控制機械臂運動來實現(xiàn)機械臂六自由度運動功能。最后，組裝硬件并對硬件進行反復(fù)調(diào)試，實現(xiàn)六自由度機械臂的運動規(guī)劃功能。

3 結(jié)語

在此次項目制作過程中，我們認真的探討項目各個方面的內(nèi)容，通過反復(fù)查閱資料，實驗性開發(fā)機器人的主控系統(tǒng)、組裝機器人結(jié)構(gòu)、多次試驗后確定我們可以在未來的項目期限內(nèi)完成項目。采用模塊化設(shè)計理念，模塊化設(shè)計可以提高通用性，裝配與維護方便，針對具體的工作要求，只需要改變模塊兒的數(shù)量和形式，即可在相對短的時間內(nèi)滿足多種任務(wù)需求，縮短了設(shè)計周期減少了設(shè)計成本。