摘要：本文對(duì)基于PLC控制的多自由度機(jī)械手教學(xué)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該教學(xué)設(shè)備由可移動(dòng)基座、腰部、前臂、后臂、手腕、夾持器、PLC控制部分組成。該教學(xué)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、夾持等功能演示。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)原則；PLC控制；多自由度；移動(dòng)機(jī)械手；教學(xué)設(shè)備

本課題提到的機(jī)械手設(shè)計(jì)制作的實(shí)質(zhì)就是將工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，使學(xué)生通過設(shè)計(jì)制作的整個(gè)過程完成教學(xué)任務(wù)，并把設(shè)計(jì)制作好的機(jī)械手用于其他課程作為教學(xué)設(shè)備?？梢苿?dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制作、組裝、設(shè)計(jì)控制過程可用于機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程及實(shí)踐課程的教學(xué)任務(wù)。本教學(xué)設(shè)備所設(shè)計(jì)機(jī)械手在外觀上具有類似人的手臂的形狀，在使用上也具有和人手一樣的作用，比如能夠完成招手、握持等動(dòng)作。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款可移動(dòng)、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且靈活的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備。

一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1]

（一）安全性設(shè)計(jì)原則

本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備在教學(xué)任務(wù)中制作完成，作品要求能用在其他課程上教學(xué)。機(jī)械手整體機(jī)械結(jié)構(gòu)上的安全性是最重要的必須放在設(shè)計(jì)首位。具體要求是符合機(jī)械設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則、電子電路安全、操作使用安全等多個(gè)方面。

（二）可靠性設(shè)計(jì)原則

作為教學(xué)設(shè)備運(yùn)行必須可靠。設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂運(yùn)行過程中不發(fā)生異響、抖動(dòng)、不能出現(xiàn)未能按照指令完成指定動(dòng)作等情況；電子電路系統(tǒng)要可靠耐用，不存在安全隱患；在人機(jī)交互過程中，不能危及操作者。

（三）合理性設(shè)計(jì)原則

機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工程力學(xué)、材料力學(xué)、常用機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)原理、連接特性等課程內(nèi)容。機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求考慮到教學(xué)需要拆裝的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，以便在教學(xué)時(shí)能夠輔助課程內(nèi)容。

（四）輕量化設(shè)計(jì)原則

第一是從材料上著手，根據(jù)機(jī)械手特性、要完成的功能及加工要求選擇材料。在滿足性價(jià)比的前提下選取剛度高密度小的材料，如塑料、木材、PVC等輕質(zhì)材料，或者鋁合金等。第二是從結(jié)構(gòu)上考慮，在確保機(jī)械手臂既能很好地拆裝組合，又能運(yùn)轉(zhuǎn)良好且運(yùn)動(dòng)性能滿足教學(xué)要求的前提下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡可能少，整體盡可能輕，這就要求進(jìn)行輕量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。

二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)[1-2]

本課題的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款教學(xué)用機(jī)械手，使其具有簡(jiǎn)單、易拆卸、剛度好、重量輕、整體平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢的特點(diǎn)，機(jī)械臂各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

三、設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)流程

（一）總體設(shè)計(jì)加工方案

本課題所設(shè)計(jì)機(jī)械手采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)用時(shí)少，各構(gòu)件具有連接緊密、通用性強(qiáng)、維護(hù)方便、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是特殊關(guān)節(jié)不能進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上，依據(jù)教學(xué)場(chǎng)景要求比較適宜采用可進(jìn)行連續(xù)軌跡控制的舵機(jī)作為首選驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)樗跐M足性能要求的前提下具有很好的性價(jià)比。本課題所用的螺釘、螺柱、螺母、螺栓等零配件一律選用標(biāo)準(zhǔn)件。特殊零件、外殼、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、關(guān)節(jié)連接件等零部件材料可選取高分子和鋁合金材料，如選用高分子材料可采用3D打印的加工手段來加工；如選用高強(qiáng)度的鋁合金材料，可以手工打磨及各種機(jī)床進(jìn)行加工。

（二）各部件設(shè)計(jì)方案

1.移動(dòng)基座設(shè)計(jì)[3]

移動(dòng)基座由兩部分組成：移動(dòng)平臺(tái)和固定在平臺(tái)上的基座。本課題所設(shè)計(jì)機(jī)械手在教學(xué)上使用，設(shè)計(jì)為履帶式移動(dòng)平臺(tái)。

對(duì)于基座的設(shè)計(jì)要求：確保具有良好的穩(wěn)定性，并且其受到較大的傾覆力矩，需通過受力分析進(jìn)行計(jì)算。保證連接的腰部能旋轉(zhuǎn)360°，旋轉(zhuǎn)到任何位置都可以實(shí)現(xiàn)自鎖。

對(duì)材料的要求：基座轉(zhuǎn)軸要求有一定的強(qiáng)度、剛度，可選擇45#鋼或者鋁合金。而剩下的結(jié)構(gòu)件可選用鋁合金或者高分子材料。

對(duì)于履帶式移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求：履帶底盤采用橡膠履帶。與鋼制履帶相比，橡膠履帶具有質(zhì)量輕、速度快、振動(dòng)小、接地比壓小等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：行走電機(jī)通過配套的行走電機(jī)減速器、錐齒輪、套筒軸，將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪從而帶動(dòng)履帶使底盤運(yùn)動(dòng)。

履帶移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)確定：首先要考慮移動(dòng)履帶平臺(tái)對(duì)地面的平均壓強(qiáng)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)使移動(dòng)平臺(tái)平均接觸地面的壓強(qiáng)要求盡可能小，該指標(biāo)決定了移動(dòng)平臺(tái)是否能安全通過各種地面，由機(jī)械臂重量、移動(dòng)平臺(tái)履帶數(shù)量、移動(dòng)平臺(tái)履帶接觸地面長(zhǎng)度決定：

P=G/nbL" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

公式中：P：履帶平臺(tái)對(duì)地面的平均壓強(qiáng)；L：?jiǎn)胃膸Ы佑|地面長(zhǎng)度；b：履帶寬度；n：履帶數(shù)量（一般取n= 2）；G：機(jī)械臂重量。

履帶作為移動(dòng)平臺(tái)在移動(dòng)過程中的主要驅(qū)動(dòng)部件，在確定履帶移動(dòng)參數(shù)時(shí)，通過計(jì)算履帶移動(dòng)阻力得到平臺(tái)運(yùn)行時(shí)所需牽引力。履帶行走系統(tǒng)在直行爬坡和平地轉(zhuǎn)彎兩種情況下阻力較大[4]。為保證履帶平臺(tái)的正常運(yùn)行，履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要提供大于行駛阻力的牽引力。履帶移動(dòng)平臺(tái)受到的行駛阻力一般包括滾動(dòng)阻力、坡道阻力、慣性阻力、轉(zhuǎn)向阻力和空氣阻力，需進(jìn)一步分析。

2.機(jī)械手臂部設(shè)計(jì)[5-6]

機(jī)械手的前臂與末端執(zhí)行器相連接，對(duì)末端執(zhí)行器起到支撐與位姿調(diào)整的作用。前臂可以改變末端執(zhí)行器的空間位置，決定機(jī)械手的工作范圍。設(shè)計(jì)該部分時(shí)，需要進(jìn)行綜合考慮整體的驅(qū)動(dòng)，可考慮減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)組合完成，更進(jìn)一步需結(jié)合功率和減速比等參數(shù)對(duì)前臂關(guān)節(jié)受到的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。

具體設(shè)計(jì)需要對(duì)前臂所受的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，對(duì)受力進(jìn)行研究。在電機(jī)的選擇上，必須依據(jù)理論力學(xué)計(jì)算得到的機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)移動(dòng)到各自的極限位置過程中產(chǎn)生最大力矩時(shí)各移動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)要求的力矩及由此產(chǎn)生的功率來決定。涉及參數(shù)及變量有：剪力、彎矩、旋轉(zhuǎn)速度、傳動(dòng)效率、使用的安全系數(shù)桿件質(zhì)心、手爪和負(fù)載的質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)模塊質(zhì)量、手腕連接件和端蓋質(zhì)量、關(guān)節(jié)間的質(zhì)心距離、力矩、慣性力、關(guān)節(jié)的最大角速度等。機(jī)械手的后臂設(shè)計(jì)與前臂類似。要注意的是后臂是機(jī)械手中各組成部分受到轉(zhuǎn)矩最大的關(guān)節(jié)。

3.手腕設(shè)計(jì)

機(jī)械手的手腕位于手臂的末端，起到連接手臂和末端執(zhí)行器，進(jìn)行位姿調(diào)整的作用。一般情況下，三自由度的手腕就能對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行位置姿態(tài)的調(diào)整[7]。

設(shè)計(jì)手腕時(shí)有如下要求[8]：結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；強(qiáng)度、剛度高；合理設(shè)計(jì)與臂部和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安裝。

手腕是機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分，在動(dòng)力傳遞的過程中各系統(tǒng)相互會(huì)產(chǎn)生干擾，這在一定程度上會(huì)增加手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。本課題機(jī)械臂各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則又要求輕量化，而設(shè)計(jì)一般原則也要求有一定余量，一般為5%—10%；而前臂、手腕及末端執(zhí)行器部分對(duì)于機(jī)械臂整體的靜力平衡有一定要求，還要求手腕能夠自如完成各種動(dòng)作。所以手腕的設(shè)計(jì)要盡可能簡(jiǎn)單，重量應(yīng)盡可能輕，結(jié)構(gòu)盡可能緊密。在所有的三自由度手腕結(jié)構(gòu)中，只有RRR型自由度手腕比較符合要求，應(yīng)用也比較廣泛，適合作為本課題教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)采用。

4.夾持器設(shè)計(jì)[3]

夾持器又稱為末端執(zhí)行器，作為教學(xué)設(shè)備需要完成抓取、移動(dòng)、放開的動(dòng)作。形態(tài)可以有二爪、三爪、四爪、五爪。本課題的夾持器以二爪為主。兩爪式末端執(zhí)行器傳動(dòng)方案如圖一所示，為對(duì)稱的平面四桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出軸與蝸桿通過聯(lián)軸器連接，蝸桿兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)渦輪，將電機(jī)輸出軸的較高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為蝸輪的低速轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪上固定一根桿件，與桿1、桿2、手爪外殼構(gòu)成四連桿平行機(jī)構(gòu)，使得桿1的運(yùn)動(dòng)為平行移動(dòng)，有利于手爪穩(wěn)定夾持物體。此兩爪式末端執(zhí)行器在移動(dòng)過程中手爪端面相互平行，優(yōu)點(diǎn)是夾持時(shí)增加和所夾持物體的接觸面積，在受力一定的情況下減小了壓強(qiáng)，避免了工件損傷，而圓弧面的結(jié)構(gòu)有利于夾持規(guī)則物體。

5.PLC控制設(shè)計(jì)[9-10]

本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手教學(xué)設(shè)備在控制方式的選擇上有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、可編程序邏輯控制器（PLC）。其他工業(yè)領(lǐng)域上的自動(dòng)控制方式如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），分布式控制系統(tǒng)等不予考慮。

單片機(jī)是一種采用大規(guī)模超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的集成電路芯片，是一種中央處理器芯片具有數(shù)據(jù)處理功能，也具有隨機(jī)存儲(chǔ)功能，由多種1/0口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等構(gòu)成。在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，工業(yè)機(jī)器人常用的嵌入式控制系統(tǒng)是單片機(jī)發(fā)展的第三個(gè)階段即SoC階段，單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛最典型的內(nèi)核[11]。它具有體積不大、功耗不高、容易控制、易于擴(kuò)展、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但是也具有明顯的缺點(diǎn)，對(duì)于開發(fā)人員專業(yè)要求較高，需自行研究控制系統(tǒng)底層控制程序，單片機(jī)無法處理大量數(shù)據(jù)，因此難以滿足大型工業(yè)控制系統(tǒng)的控制要求。它不是主流控制方式，在作為教學(xué)設(shè)備上比不上PLC控制系統(tǒng)。

PLC也叫可編程控制器，是一種能夠進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的目的就是在工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用。采用的存儲(chǔ)器可以用來編制程序，可以執(zhí)行存儲(chǔ)順序控制和邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)、算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字或模擬輸出（O）和輸入（I）接口，控制各種機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。利用它可以方便地編制程序，使工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序控制。

可編程序控制器PLC的發(fā)展歷程分為三個(gè)階段：①采用固定布線的設(shè)計(jì)方式，主要用來代替電磁繼電器；②采用軟布線設(shè)計(jì)方式，主要是以邏輯控制為主；③采用改變存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方式，使其內(nèi)部預(yù)裝程序，存儲(chǔ)器程序變動(dòng)比較容易?？删幊绦蚩刂破鱌LC所采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)，但是相對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，除了存在輸入輸出通道以開關(guān)量為主、編程語言相異、存儲(chǔ)容量小等缺點(diǎn)外，其它與一般微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已十分相似。在工業(yè)控制領(lǐng)域里應(yīng)用十分廣泛，十分適合在教學(xué)設(shè)備上使用。本課題所設(shè)計(jì)機(jī)械手選擇采用PLC控制系統(tǒng)。

6.動(dòng)力源選擇

動(dòng)力源是整個(gè)機(jī)械手臂的能量來源，為關(guān)節(jié)電機(jī)、傳感器、控制器等零部件提供能量。是使機(jī)械手能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證?，F(xiàn)如今小型機(jī)械手臂主要采用交流電、直流電以及電池等作為動(dòng)力源。作為簡(jiǎn)單實(shí)用的教學(xué)設(shè)備，其他動(dòng)力源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等不在考慮范圍內(nèi)。根據(jù)教學(xué)設(shè)備動(dòng)力源的來源必須易于獲取的特點(diǎn)適合采用交流電和電池。電池作為動(dòng)力源，優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率較高、靜音，但是也有功率小、周期短、后期更換費(fèi)用高等缺點(diǎn)。電池可用在負(fù)載小，使用時(shí)間不長(zhǎng)的場(chǎng)合，不適宜長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)演示。設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮作為備選的動(dòng)力源。交流電作為動(dòng)力源，它的優(yōu)點(diǎn)是供電時(shí)間長(zhǎng)，從微小功率到大功率都可以提供。交流電的優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)、供電時(shí)間長(zhǎng)、功率范圍廣；缺點(diǎn)則是供電時(shí)發(fā)熱較大、不方便移動(dòng)、噪聲大。綜合優(yōu)缺點(diǎn)考慮本課題適宜采用交流電作為小型機(jī)械手的動(dòng)力源。

7.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本課題所研究機(jī)械手是作為教學(xué)設(shè)備在教學(xué)中使用，考慮到性價(jià)比，各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)先選用舵機(jī)。為提高機(jī)械機(jī)構(gòu)教學(xué)屬性，在旋轉(zhuǎn)基座、腰部、后臂、前臂、手腕等關(guān)節(jié)處根據(jù)計(jì)算出的功率大小選用不同的舵機(jī)型號(hào)。在各關(guān)節(jié)做功方面：腰部關(guān)節(jié)舵機(jī)主要克服摩擦力矩做功；前臂主要克服手爪、工作負(fù)載及前臂部分重力產(chǎn)生的力矩做功；腰部和前臂相比于后臂處舵機(jī)力矩功要小，手腕與此類似。

舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)原理分析：舵盤的結(jié)構(gòu)是一端為輸出端，另外一端與輸出軸連接，舵盤如同聯(lián)軸器或連接法蘭起到連接作用。舵機(jī)輸出軸一端上的漸開線花鍵，能夠很好地對(duì)中，保證連接精度。舵機(jī)與舵盤軸向固定。機(jī)械臂后臂及手腕采用舵盤固定的驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械臂腰部及手腕采用舵機(jī)固定的驅(qū)動(dòng)方式。

四、預(yù)期應(yīng)用前景

本教學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化理念，攜帶方便、拆裝容易，教學(xué)應(yīng)用適用課程較廣?？梢宰鳛闄C(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程如《工程力學(xué)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》《電氣控制與PLC》《電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)》等多門課程教學(xué)設(shè)備。使學(xué)生更加形象、直觀地了解機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成及特點(diǎn)，深刻理解機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，在機(jī)制及機(jī)器人專業(yè)相關(guān)課程的課堂教學(xué)過程中，具有重大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

作者單位：吳博文 廣西城市職業(yè)大學(xué)

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1] 齊彬. 輕型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿人運(yùn)動(dòng)方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[2] 馮小廣，劉磊.六自由度機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2022，21（02）：154-158.

[3] 孫霖. 攜帶機(jī)械臂的履帶救援機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

[4] 孫振杰. 履帶式多功能果園作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 馬國(guó)慶. 移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 趙雷.基于Solidwork的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，29（01）：54-59.

[7] 丁瑋. 六自由度經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究[D].江蘇科技大學(xué)，2018.

[8] 劉極峰，楊小蘭.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2019：33.

[9] 周鵬. 搬運(yùn)機(jī)械手教學(xué)模型設(shè)計(jì)及其PLC控制系統(tǒng)[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[10] 王夢(mèng)濤. 六自由度機(jī)械臂模塊化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制的研究[D].安徽工業(yè)大學(xué)，2017.

[11] 李慧，馬正先，逄波.業(yè)機(jī)器人及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020：53，59.