工业机械臂_第三代机械臂除了具有外部感觉功能外,还具有规划和决策的功能,因而可以适应外部环

摘 要
随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化、系统化、智能化的方向发展。中国机器人工业得到了爆发式的增长，在主要应用领域，目前还是以以日本、南韩和德国为主，也是机器人市场的主要主导者。机器手臂的应用更是在其中扮演者重要的角色。调研机构预估到2021年，全球工业机器人的需求将增长82%。
智能制造的发展既然已是大势所趋，工业机器人的重要性也将与日俱增。 尤其在许多制造大国的人口红利渐渐消失，人力成本不断上升之际，工业机器人更已成为这些制造大国维持制造业竞争力的主要关键。高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大的合成速度16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展，集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大全体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的虚拟制造，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统的群体应用，工业机器人也在不停的向智能化方向发展，以适应敏捷制造，满足多样化、个性化的需求。
关键词：机械臂；FMS；CIMS系统

第一章 绪 论

1.1 本课题研究的背景及意义

一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复动作的机械。它也可以简称为示教/在现方式的机械臂或是T/P方式的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态重复动作而对周围环境毫无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制。主要应用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。
第二代机械臂，既具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种情况由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的动作。
第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策功能，从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。
从三代机械臂的发展来看，随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化、系统化、智能化的方向发展。高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大的合成速度16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展，集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大全体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的虚拟制造，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统的群体应用，工业机器人也在不停的向智能化方向发展，以适应敏捷制造，满足多样化、个性化的需求。

1.2 机械臂在工业的应用现状

机械臂的发展趋势是大力研究具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工件，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感器技术的发展，机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。
随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。

1.3 本课题研究内容

通过这款示教机器人，能够实现以下几个方面的目的。
首先示教机器人是一款可以娱乐、辅助人们的服务型机器人。我们研究这款机器人是希望，这款机器人可以走入寻常的百姓家庭中去，融入人们的生活，成为集娱乐与实用一体的机器人。我们控制机器人做一些简单的动作，已达到方便自己的作用。同时人们在使用的过程中会有相应的娱乐感和趣味性。
其次，示教机器人可以将我们交给它的动作，重复的执行。这样我们不难发现，示教机器人会通过重复相同的动作来达到快速生产作业，提供工厂的效益。同时，重复动作也可以作为实体教学的一种，可以使得多数的学员快速的获取知识并且及早的上手。

第二章 机械臂工作流程

2.1 步进电机工作的基本原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用 控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
发热原理
通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

2.2 按键控制步进电机工艺流程

设计方案

使用应用程序中的滑块，我们可以手动控制机械臂的每个伺服或轴的运动。使用“保存”按钮，我们可以记录每个位置或步骤，然后机器人手臂可以自动运行并重复这些步骤。使用同一个按钮，我们可以暂停自动操作以及重置或删除所有步骤，以便我们可以记录新的步骤。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。接下来是连接电子产品。该项目的电路图实际上非常简单。我们只需要一个Arduino开发板和一个HC-05蓝牙模块与智能手机进行通信。六个伺服电机的控制引脚连接到Arduino开发板的六个数字引脚。

2.3 本章小结

首先，我使用Solidworks 3D建模软件设计了机械臂的模型。机械臂有5个自由度。对于前面的3个轴：腰部、肩部和肘部，使用的是MG996R伺服电机，而另外2个轴，腕部滚动和腕部间距，以及夹具我使用了较小的SG90微型伺服电机。为了完成组装，我们只需使用一些螺栓和支架连接上部和下部框架，然后使用提供的电缆将电子组件与控制箱连接。在尝试之前，建议检查滚轮是否足够紧，如果不紧，可以使用偏心螺母将它们拧紧。在调平3D打印机床之后，您就可以将3D创作变为现实。我使用了几个小时的时间完成了Arduino机械臂的所有部件。
我们将准备组装机械臂。首先使用其螺钉将第一台伺服电机连接的基座上。然后在伺服电机的输出轴上我固定了一个圆形喇叭螺栓。在基座上面，放置上盖并用两个螺丝固定，在这个部位，仍是先安装伺服电机，然后将圆形喇叭放到下一个部件上，然后使用输出轴上的螺栓将它们固定在一起。我们在这里可以注意到，在肩轴上最好包括某种弹簧，或者像本例中，我使用橡皮筋固定伺服，因为这个伺服器还承载了其余臂的整个重量。以类似的方式，我继续组装机械臂的剩余部分。至于夹具机构，我使用了大约4毫米的螺栓和螺母来组装。最后，我将夹具机构安装到最后一个伺服机构上，完成了Arduino机器人手臂。

第三章 机械臂控制系统介绍

3.1 基于Arduino控制伺服电机系统

接下来是连接电子产品。该项目的电路图实际上非常简单。我们只需要一个Arduino开发板和一个HC-05蓝牙模块与智能手机进行通信。六个伺服电机的控制引脚连接到Arduino开发板的六个数字引脚。

为了给伺服电机供电，我们需要一个5V电源，但这必须由外部电源供电，因为Arduino无法提供所有需要的电流。电源必须能够提供至少2A的电流。这样，一旦我们将所有组件连接在一起，我们就可以继续编写Arduino代码，以及制作Android应用程序。
本示例中使用的组件如下：
● 3个MG996R伺服电机
● 3个SG90微型伺服电机
● HC-05蓝牙模块
● Arduino开发板
● 5V/2A电源
● 连接导线

3.1.1 机械臂结构

首先，我使用Solidworks 3D建模软件设计了机械臂的模型。机械臂有5个自由度。对于前面的3个轴：腰部、肩部和肘部，使用的是MG996R伺服电机，而另外2个轴，腕部滚动和腕部间距，以及夹具我使用了较小的SG90微型伺服电机。机械臂机构如图3-2

图3-2 机械臂结构

3.1.2 系统供电

MG995伺服电机工作在5V电压，Arduino开发板内部有一个5V稳压器。所以创建电路非常容易。我们必须将5个伺服电机连接到Arduino的PWM引脚，将5个电位器连接到Arduino模拟引脚，以控制伺服电机。对于这个电路，我没有使用任何外部电源。 Arduino通过USB端口供电，电路板上的+ 5v引脚用于向电位器和伺服电机供电。在我们的机械臂中，在任何、时间内，只有一个伺服电机会运动，因此消耗的电流将小于150mA，这可以由Arduino开发板的板载电压调节器提供。

我们有5个伺服电机和5个电位器来分别控制它们。 这5个电位器连接到Arduino板的5个模拟引脚A0到A4。 伺服电机由PWM信号控制，因此我们必须将它们连接到Arduino的PWM引脚。 在Arduino Nano上，引脚D3、D5、D6、D9和D11仅支持PWM，因此我们使用前5个引脚用于伺服电机。 完成后电路板如下所示。 如果需要，我还添加了一个插孔，通过电池为设备供电。
电磁阀控制接口标定
灰色 电磁阀控制信号，去接电磁阀的黑色线
红色 电磁阀的正极12V+
黄色 电机的正极12V+
绿色 电机的负极12V-
接近开关，相同的颜色对应连接

3.1.3 机械臂功能说明

1、刚上电，液晶处于主界面状态，界面布置如下图所示，此时处于选择对象阶段，可以通过UP与DOWN键来回选择控制哪一个对象，一共有七个对象，七个对象名称如下；在初始时选中的是X轴运动控制；

其中，示教演示后面的数值n代表已经记录的动作步数。
2、选中对象按下OK键后，蜂鸣器响一声，对象被选定，进入分对象控制界面，此时进入对选择的对象进行手动控制阶段，通过UP与DOWN键就可以控制相应对象的运行了，其中若选中X轴运动控制, UP与DOWN键决定着机械臂的左右旋转；按下UP键是离开原点方向

若选中Y轴运动控制, UP与DOWN键决定着机械臂的前后运动；
按下UP键是抬高手臂，是回原点方向
若选中Z轴运动控制, UP与DOWN键决定着机械臂的上下运动；
按下UP键是抬高手臂，是回原点方向
若选中吸盘动作, UP与DOWN键决定着吸盘的抓取和释放；
按下UP键是吸住物体
若选中示教演示, 机械臂直接执行前期存储的运动流程。
若选中所有轴回原点, 机械臂直接执行所有轴回原点。
若选中设置电机速度，可以通过UP键提高速度，DOWN键减小速度，总共可以设置1~6共六个速度等级，1级最慢，6级最快。
3、 在对某一个控制对象手动控制结束后，按下OK键，蜂鸣器响两声，此时进入当前控制对象的记忆模式，启动记忆功能，按UP或DOWN键运行，控制器记忆存储运动的路径，再按一次OK键，蜂鸣器响两声，记忆结束，菜单跳回主界面。
4、 再选择下一个控制对象进行动作或路径记忆，过程如同第1步到第3步；
5、 经过若干次存储记忆后，回到主界面时，如果选择示教演示功能，则机械臂先按记忆的动作轨迹逆向回到最初的位置，再按记忆的轨迹正向演示，再逆向回到最初的位置，再按记忆的轨迹正向演示，如此往复；
6、 在示教的过程中，需要接入接近开关，机械臂会在逆向动作的最后两个动作时，等待接近开关被出发后再进行动作。如果不接入接近开关，需要机械臂连续动作，请把接入接近开关的信号线与GND信号相连，以确保机械臂连续动作。
7、 长按下OK键，结束示教运动，清除机械臂记忆数据，回到刚上电时的初始状态。

3.2 本章小结

构建这个机械臂最耗时的部分是制作它的身体。最初我开始使用Solidworks设计车身身体，但后来意识到Thingiverse上有很多很棒的设计，而且没有必要重新发明车轮。所以我经历了设计，发现Ashing Robotic Arm V2.0将与我们的MG995伺服电机完美配合，完全符合我们的目的，电源设计的时候我们采用了直流恒压24v电源，通过自己设计的电路进行转压。整体的架构和工厂的机构十分相似，并且这个机械臂的灵敏度也比较好，能够在不同的方向移动，精度也比较高

第四章 机械臂的硬件设计

4.1 研究对象简介

使用应用程序中的滑块，我们可以手动控制机械臂的每个伺服或轴的运动。使用“保存”按钮，我们可以记录每个位置或步骤，然后机器人手臂可以自动运行并重复这些步骤。使用同一个按钮，我们可以暂停自动操作以及重置或删除所有步骤，以便我们可以记录新的步骤。

4.2 电路的设计

我们设计了以Arduino为主控芯片，采取12v电源接入，并且将伺服电机的驱动模块结合在一起，在电路板我们也设计了led显示屏的驱动电路。其中原理图如图4-1所示

图4-1

整体电路板设计正好放在了我们设计的按键盒子里，达到美观的程度，电路板电路图及接线如图4-2

图4-2

4.3 本章小结

通过本次的项目，我们设计出了简易的示教机器人。该款机器人可以应用于家庭、工厂及其其他的娱乐场所。不难发现示教机器人的应用范围相当的广泛。我们可以将示教机器人做成教学设备。广泛的应用于各种教学场所，诸如学校，医院，工厂教学等等。同时我们也可以将示教机器人应用于娱乐场所，比如家庭娱乐，儿童的互动玩耍，或是家庭的实用场所。定时的执行某种操作，重复夫人执行某段动作。我们也可以通过手机APP来控制示教机器人，通过手机端来使机器人在人为的控制下实现某种动作或是功能等等。
示教机器人有相应的独立控制器，也可以通过手机APP来控制机械臂的运行，这有别于普通的机械臂控制，使得机械臂的使用距离大大的扩大了。
示教机器人适用的范围大大扩大了，不仅可以用于工厂的正常生产，也可以使用于家庭、娱乐场所等。由于集成了WIFI模块，手机端的控制更加的灵活，我们可以随时随地的对机械臂进行调整和控制。

第五章 总结与展望

机械臂的发展趋势是大力研究具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工件，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感器技术的发展，机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。
随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。

参 考 文 献

[1].赵金英，张铁中，杨丽.西红柿采摘机器人视觉系统的目标提取[J].农业机械学报，2006，37(10)：200～203.
[2]郭峰，曹其新，崔永杰等，用于草莓收获机器人的果实定位和果柄检测方法[J].农业工程学报，2008，24(10)：89～94.
[3]宋健.茄子采摘机器人结构参数的优化设计与仿真[J].机械设计与制造，2008，6(6)：166～168.
[4]孙杏初.关节型机器人主连杆(手臂)参数的优化设计[J].北京航空航天大学学报，1996，22(4)：509～512.
[5]贾晓华,乔鹏辉,薛立国.石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺在火电厂的应用[J].中国科技信息, 2007(21):20-21
感谢原点团队的陆老师指导，以及团队成员的努力