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        基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)

        2018-08-30 09:34:08牟士壯陳曉杰
        裝備制造技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:控制板舵機(jī)薄壁

        郭 茜,牟士壯,陳曉杰

        (江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫立信分院電氣工程系,江蘇 無錫214000)

        在傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)中,基于舵機(jī)的小型夾持類機(jī)械手(臂),其控制方式主要為程序直接控制,或通過上位機(jī)與單片機(jī)通信,通過人體各感官進(jìn)行主觀控制,這些控制方式不能很好的適應(yīng)各類材質(zhì)特點(diǎn),缺點(diǎn)比較明顯[1]。例如,一輛可移動(dòng)式機(jī)械手小車夾持一蘋果從A點(diǎn)運(yùn)送至B點(diǎn),那么在夾持過程中如果夾持力度控制不好,蘋果就會造成損傷。如果有壓力反饋環(huán)節(jié),那么就能根據(jù)蘋果特性,設(shè)置夾持力度,并實(shí)時(shí)反饋,避免運(yùn)送途中損傷蘋果[2]。

        基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手是面向生活、娛樂、工業(yè)等領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置,它能自動(dòng)執(zhí)行工作,是靠自身動(dòng)力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器,其屬于機(jī)械行業(yè)和高端裝備制造行業(yè)[3]。

        1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)

        從實(shí)現(xiàn)功能角度出發(fā),本作品在設(shè)計(jì)過程中主要應(yīng)該考慮以下兩點(diǎn):夾持功能及壓力反饋功能。能夠?qū)崿F(xiàn)夾持功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式比較多,起初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為半齒輪嚙合四桿爪型機(jī)械手,該結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作,傳動(dòng)效率高,但是壓力反饋效果不佳,后期經(jīng)多次試驗(yàn)后依然無法完全解決該問題,遂舍棄并改用雙舵機(jī)四桿結(jié)構(gòu)。雙舵機(jī)四桿機(jī)械手張合尺寸較大,能夠很好地適應(yīng)不同規(guī)格被抓取物,并且能夠均勻傳遞壓力進(jìn)行閉環(huán)控制,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的基本原理為:本機(jī)械裝置由舵機(jī)(MG995)組成多個(gè)關(guān)節(jié),自由度高;通過壓力傳感器(FSR402)檢測對夾持物所施加的壓力,根據(jù)不同材質(zhì)的特性,設(shè)定不同范圍的壓力數(shù)值,確保被夾持物不被損壞、變形;通過單片機(jī)(Arduino)采集信息,處理后與舵機(jī)控制板(STM32系列16路)進(jìn)行通信,控制舵機(jī)動(dòng)作,確保順利完成任務(wù)。

        該裝置在制作及實(shí)驗(yàn)過程中的難點(diǎn)包括:

        (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)制作中需要根據(jù)現(xiàn)有鉗工實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行加工,加工精度、裝配精度難度大;

        (2)該實(shí)驗(yàn)需要多個(gè)MG995,驅(qū)動(dòng)多個(gè)舵機(jī)時(shí)需要專門舵機(jī)控制板,單片機(jī)與舵機(jī)控制板通信、控制程序?qū)W(xué)生有所挑戰(zhàn);

        (3)FSR402壓力傳感器采集系信息時(shí)所測壓力精確度不高,如何處理會對使用者造成困擾。

        基于以上難點(diǎn),在設(shè)計(jì)和制作過程中采取了以下措施:

        一是,根據(jù)圖紙要求精確制作,對鉗加工難以勝任的,根據(jù)圖紙進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化,盡量減少零件制作數(shù)量;

        二是,對舵機(jī)控制板通信方式以及控制代碼進(jìn)行解析研究,確保順利控制;

        三是,利用示波軟件,研究壓力與電壓信號線性關(guān)系。

        根據(jù)以上分析,基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

        圖2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)圖

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,制造出基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的實(shí)物如圖3所示。

        圖3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的實(shí)物圖

        2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程

        基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程如下,見圖4所示。

        (1)根據(jù)被夾持物材質(zhì)及特點(diǎn),比對實(shí)驗(yàn)參數(shù),設(shè)定最佳夾持力范圍。

        (2)根據(jù)機(jī)械手及被夾持物相對位置,驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂,使機(jī)械手到達(dá)相應(yīng)位置。

        (3)機(jī)械手開始夾緊,壓力傳感器同時(shí)檢測,達(dá)到最佳壓力值時(shí)停止動(dòng)作。

        (4)將被夾持物放至制定點(diǎn),恢復(fù)原來狀態(tài)。

        圖4 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程

        3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)

        根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及相關(guān)文獻(xiàn)表明:雖然有基于壓力反饋的電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),但經(jīng)過詳細(xì)比對,無論是設(shè)計(jì)原理,還是裝置結(jié)構(gòu),亦或是驅(qū)動(dòng)單元等與本裝置均有明顯區(qū)別[4]?;趬毫Ψ答佇捅”陬惲慵A持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)主要有:

        (1)本設(shè)計(jì)更趨向于輕量化、應(yīng)用化,移動(dòng)方便快捷。

        (2)本設(shè)計(jì)通過壓力傳感器(FSR402)采集夾持力,傳回單片機(jī)后與設(shè)定夾持力進(jìn)行比較,作出相應(yīng)動(dòng)作,從而對夾持過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,見圖5.

        圖5 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)

        根據(jù)以上分析可知,基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手具有創(chuàng)新性。

        4 結(jié)論

        基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手是靠自身動(dòng)力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器,在日常生活、工業(yè)等諸多領(lǐng)域中具有廣泛的用途[5]。在后續(xù)的使用和研究過程中,還可以做以下進(jìn)一步改進(jìn),以提高裝置的適應(yīng)性。

        (1)添加旋轉(zhuǎn)編碼器,對壓力傳感器控壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (2)添加HC-05藍(lán)牙,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)、舵機(jī)控制板交互控制。

        (3)安裝履帶式可移動(dòng)底盤,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂移動(dòng)操作。

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