章家藏

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學院，浙江 溫州 325016）

1 概述

工業(yè)機器人是一種可替換人工重復作業(yè)的多自由度機械手，具備了相應的自動化、可編程性、半自動化等功能,并可以利用自己的機械控制和動力能源完成不同功能, 如工業(yè)加工、裝配、搬運等，因此被廣泛應用于制造、物流、能源、化工、電子等各種領(lǐng)域中。目前工業(yè)機器人核心技術(shù)被國外的庫卡、ABB、安川、發(fā)那科四大公司壟斷，國內(nèi)比較好的企業(yè)有新松機器人等。2022 年是《中國制造2025》實施的第8年，培養(yǎng)工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)人才是提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力的重要一環(huán)，因此在國內(nèi)眾多大專院校中均開設(shè)了工業(yè)機器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)。目前試驗或教學等相關(guān)的設(shè)備多大依賴進口，然而進口的設(shè)備存在諸如體積大、設(shè)備價格高、使用和維護成本高、安全系數(shù)低的缺點，且此類設(shè)備只能用于示教演示，學生靜態(tài)觀察學習，無法動手參與到實踐當中。本文研制的基于Mini ESP8266 控制的舵機驅(qū)動教學用工業(yè)機器人，擁有設(shè)計和制造成本低、總體尺寸小、無安全隱患的優(yōu)點，因此可在實訓室批量配置，便于學生手動實踐，能夠較好地解決了進口大型設(shè)備的實驗教學難題。該設(shè)備可在智能制造、計算機、自動化、機械電子等各類工科相關(guān)專業(yè)中推廣使用[1]。

2 六軸教學用機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

為降低成本，本文利用SolidWorks 建模，使用3D 打印機打印各類部件，并充分考慮模塊化的設(shè)計思想，便于在批量化生產(chǎn)時實現(xiàn)零件的互通互換，從而降低設(shè)計、制造、維護成本。

2.1 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 所示教學用的六軸機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要包括底座、轉(zhuǎn)盤、固定支架，固定支架上鉸接有大臂，大臂上鉸接有小臂，小臂上鉸接有腕部支架，腕部支架設(shè)有末端執(zhí)行器支座，支座上設(shè)有末端執(zhí)行器（手爪）。底座上安裝有內(nèi)舵機，內(nèi)舵機的輸出軸與轉(zhuǎn)盤連接，固定支架上安裝有第一舵機，第一舵機的輸出軸與大臂連接，大臂上安裝有第二舵機，第二舵機的輸出軸與小臂連接，小臂上安裝有第三舵機，第三舵機的輸出軸與腕部支架連接，腕部支架上安裝有第四舵機，第四舵機的輸出軸與支座連接，支座上安裝有第五舵機，第五舵機的輸出軸與第一爪子齒輪連接。整體結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，利于在教學過程中進行展示。

圖1 教學用的六軸機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

末端執(zhí)行器：

圖2 所示，機械臂的末端執(zhí)行器（夾爪）是由兩個帶有半齒輪的手爪組成，左邊為驅(qū)動手爪，連接舵機驅(qū)動軸；右邊為從動手爪，自由安裝在轉(zhuǎn)軸上。舵機旋轉(zhuǎn)時帶動左手爪轉(zhuǎn)動，通過嚙合的齒輪，實現(xiàn)手爪的開合抓取。

圖2 末端執(zhí)行器（左）大臂/小臂結(jié)構(gòu)（右）

大臂/小臂：

大臂與/臂的零件相同，可以互通互換。若需提高該機器人的工作范圍，可繼續(xù)鉸接該部件，提升機械臂的靈活性。

2.2 有限元分析

機器人結(jié)構(gòu)在設(shè)計初期無法考慮到實際工作過程中需要的剛度特性、機械強度，一般優(yōu)先考慮材料、設(shè)計尺寸、外部輪廓等參數(shù)，所以設(shè)計最后需針對結(jié)構(gòu)大小臂做有限元分析，驗證機械臂在負載受力情況下剛度和強度能否滿足日常教學研究使用條件，在此基礎(chǔ)來確定是否要對其結(jié)果做出針對性優(yōu)化[2]。

大、小臂是結(jié)構(gòu)中通用且受力較大、容易變形的部件，因此本文僅對大小臂做力學分析。首先將SolidWorks 三維建模軟件中已建好的三維結(jié)構(gòu)導出成STEP 格式，將STEP格式的結(jié)構(gòu)模型導入到hypermesh 靜力學仿真軟件中，尺寸單位選擇mm，其材料選擇為用于快速成型（3D 打?。┑腁BS 材質(zhì)，收縮率為0.65%左右，材料密度為1g/cm3左右，拉伸強度為63MPa，泊松比為0.394，邵氏硬度為92 度，彈性模量約為2000MPa[2]。在軟件中設(shè)置好以上材料性能參數(shù)后，使用四面體作為單元劃分類型，指定網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格劃分最終結(jié)果如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖

完成上述步驟后，增加約束和載荷。結(jié)構(gòu)部件上端鉸接有其他部件，可視為負載，將其設(shè)定為固定端，部件下端連接有作為驅(qū)動的舵機，對下部分施加扭矩。為了便于分析，設(shè)定施加的總扭矩為50N·m，采用optistruct 軟件仿真分析，得到該部件的應力如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)的應力分析圖

從應力分析圖來看，該部件的最大應力出現(xiàn)在部件和驅(qū)動舵機連接處，大小為0.4453MPa，可知該值遠低于ABS材料的許用應力值，故結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足工作要求，不會影響六軸機器人性能和其他工作部件，無需對其做特殊優(yōu)化或做加大尺寸處理。

3 六軸教學用機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

為降低產(chǎn)品成本，除結(jié)構(gòu)優(yōu)化及采用快速成型的加工方式外，在硬件選擇上盡可能選用性價比高的零件，故采用了TS90A型號的舵機驅(qū)動、ESP8266 型號的模塊控制。

3.1 TS90A舵機

本文采用舵機（伺服馬達）作為機器人基本執(zhí)行結(jié)構(gòu)，型號為TS90A、堵轉(zhuǎn)扭矩：16-18N·cm(4.8V)、可控制角度0～180 度、工作電壓：4.8V-6V，該舵機的優(yōu)勢是控制簡單，價格低。

圖5 舵機實物圖

對本文的六軸機器人而言，需六個舵機協(xié)同工作。通過控制模塊發(fā)送有效的PWM拓展模塊信號，如圖6 所示的工作原理圖先輸出控制脈沖到控制電路，由此來控制馬達，馬達帶動減速齒輪組，反饋到比例電位器，通過比例電壓形成閉環(huán)控制。TS90A舵機的組成包括控制電路板、位置反饋檢測器、電機、限位開關(guān)等[3]。

圖6 TS90A舵機的工作原理

TS90A 舵機的控制需輸入一個約為20 毫秒的時基脈沖，該脈沖的高電平為500 微秒～2500 微秒的角度控制脈沖。如表1 所示，180 度角度伺服對應的控制關(guān)系。

表1 脈沖與角度對應表

3.2 ESP8266 控制模塊

ESP8266 是一種高度集成的Wi-Fi MCU（微控制單元），廣泛應用在物聯(lián)網(wǎng)中。該模塊集成了Wi-Fi 天線、片上SRAM和32-bit 處理器。ESP8266 能通過GPIO 口集成傳感器和其他設(shè)備，另外片內(nèi)還集成了天線開關(guān)、低噪聲接收放大器、濾波器等，開發(fā)成本低，性價比高。因此選用了ESP8266 控制六軸機器人的舵機，能夠較好實現(xiàn)所需功能，利于學生的二次開發(fā)學習。圖7 所示為ESP8266 控制模塊原理圖[4]。

圖7 ESP8266 控制模塊原理圖

因本文中的六軸機器人僅需舵機控制，出于降低成本的考慮，最終選用了ESP8266 的mini 版本，即mini ESP8266 模塊。選用此版本在不降低產(chǎn)品性能的前提下，進一步降低了成本，同時保留了wifi 功能。（圖8）

Mini ESP8266 有D0 到D8 共9 個數(shù)字接口，最多可以連接控制9 個舵機，本文只需用到6 臺舵機，故任意選用其中6 個接口即可。每臺舵機都有灰橙紅三根連接接口，其中紅色連接線連接控制板的5V口，灰色連接線連接G 口（由于控制模塊只有一個5V接口和一個G 接口，無法同時給6 個舵機同時供電，故需借助杜邦線和面包板擴充給多個舵機供電）。舵機的控制線（橙色線）各自連接到控制板D0-D8 中的任意接口，從而實現(xiàn)對舵機的單獨控制。

Mini ESP8266 有三種編程方式：第一種是使用AT指令進行操作。這種方式無需編程，可與單片機配合使用，也可以在PC端安裝調(diào)試軟件使用。第二種是LUA語言編程，這種方式不需要依靠串口調(diào)試軟件與單片機。第三種方式是采用Arduino 開發(fā)環(huán)境編程，本文采用了此類方式，在PC端使用Arduino開發(fā)方式進行開發(fā)。

3.3 控制系統(tǒng)程序的設(shè)計

本文用 C 語言在Arduino ide 環(huán)境中編寫程序，首先使用命令#include＜Servo.h＞調(diào)用Arduino 伺服舵機庫文件，使用Servo servo命令創(chuàng)建舵機對象（第二servo 是指舵機名稱，可任意編寫）。使用命令servo.attach(int pin,[int min],[int max])來選擇舵機控制參數(shù)，其中int pin用于選擇舵機，如填寫D0 即控制接了D0 口的舵機，[int min],[int max] 分別表示最小角度,最大角度。使用servo.write(int value)命令來控制舵機旋轉(zhuǎn)的角度，如果輸入的值為大于300，則視為脈沖寬度（微秒）。使用servo.writeMicroseconds(int value)命令以微秒為單位寫入脈沖寬度。使用servo.detach()命令使舵機與其針腳分離，該針腳可繼續(xù)被用作PWM接口。

控制舵機轉(zhuǎn)動的原理是，給舵機一個特定PWM信號,舵機會轉(zhuǎn)到相應角度。以微秒級高電平再轉(zhuǎn)為低電平信號來控制舵機轉(zhuǎn)到指定角度，舵機要持續(xù)發(fā)信號直到目標角度，通常響應500 微秒到2500 微秒間的值，其中1000 為逆時針方向，2000 為順時針方向，1500 在中間位置。具體對應參數(shù)可參考表1 中的脈沖與角度對應表。

Mini ESP8266 控制板帶有wifi 模塊，本文的機器人還可以通過wifi 連接PC，通過編寫簡單的網(wǎng)頁按鈕，利用網(wǎng)頁控制機械手的運行如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)頁控制六軸機器人界面與實物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計是一款基于Mini ESP8266 的3D打印教學用的低成本六軸機器人。介紹了機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，舵機控制等。為降低成本，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件材料的選擇等做了優(yōu)化。采用本機器人教學可以培養(yǎng)學生的3D 建模能力、程序編寫能力。對工業(yè)機器人專業(yè)的學生而言，熟悉工業(yè)機器人在關(guān)節(jié)坐標系下的運動方式和控制方式是非常重要的，能使學生有具體和形象的接觸理解。本文的設(shè)計已申請相關(guān)專利。