書畫手臂的模型設(shè)計

陳鵬+韓博+張俊博

摘 要：機械臂廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，其形式多種多樣，采用DARM函數(shù)算法、Melzi控制板控制的書畫手臂，在生活中能夠廣泛應(yīng)用，而且具有著結(jié)構(gòu)簡單、控制精確、方便簡捷、實用性較高等優(yōu)點。通過對現(xiàn)有的各種機械臂的介紹分析，明確書畫手臂的優(yōu)缺點，為進一步的改進與完善提供方法和途徑。

關(guān)鍵詞：機械臂；DARM；對比分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.249

0 引言

工業(yè)機器人的快速發(fā)展實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，提高了生產(chǎn)效率。在工程機械、車間廠房、高危作業(yè)、產(chǎn)品生產(chǎn)線、汽車零部件等行業(yè)機器人都得到了應(yīng)用，并且經(jīng)濟效益、發(fā)展前景都十分可觀。伴隨著工業(yè)機器人的飛速發(fā)展，研究的不斷深入，機器人產(chǎn)品向高精度、高智能、可控性強和高性能方向發(fā)展。人們希望這種機器人也能走進我們的日常生活中來，于是服務(wù)型的機器人逐漸走進了我們的視野，因此也便有了低成本的、小型的、所謂的“桌面版”機械臂的產(chǎn)品。桌面版的機械臂雖不如工業(yè)版的具有力量大、精度高、速度快的特點，但在日常生活中，具有寫字、畫畫、拾物等功能，簡單方便，增加了趣味性的同時，又可學(xué)習(xí)到知識。以所研究的書畫手臂為例，進行介紹分析，明確其優(yōu)點與不足，為以后的發(fā)展與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 桌面機械臂的發(fā)展情況

1.1 uArm

uArm是一個連桿式的機械臂，它的控制部分采用了便于編程控制的開源硬件Arduino，。其最大的特點是底部轉(zhuǎn)盤，所有動力裝置都裝在這個地方以減少機械臂部分的重量，從而減少慣性動作對穩(wěn)定性的影響，同時也能增加機械臂的負(fù)載能力以提高效力。

在功能上也與Leapmotion合作，玩家可以通過手勢操作機械臂，比如操控吸盤吸附非規(guī)則物體或者用機械手操控規(guī)則物體。在Processing后臺，玩家也可以對Leapmotion所開放的接口編程，把uArm變成你定制化的機械臂。

1.2 7bot

7bot機械臂其主要原型為ABB工業(yè)機械臂IRB2400，硬件結(jié)構(gòu)方面，7BotArm采用了6軸、全金屬設(shè)計，不僅更加牢固耐用，而且還可以在3維空間做更多操控。其另外一個特點是采用了定制舵機方案，可以設(shè)定舵機的輸出力矩大小和運行速度，確保精度，還可以采用數(shù)字I2C總線接口，僅用四根線就可以串聯(lián)127個舵機。

7BotArm提供了多種控制方式，包括手勢、網(wǎng)頁控制、結(jié)合計算機視覺等實現(xiàn)智能控制，可以覆蓋不同人群的不同需求。具體來說：

（1）增加了機器人視覺功能，可以完成打地鼠游戲、陪人下棋等諸多智能應(yīng)用。

（2）增加了軟件仿真環(huán)境，模型可以和現(xiàn)實機器人一一對應(yīng)，也可以在軟件環(huán)境中規(guī)劃好路徑然后下載到實際環(huán)境中去復(fù)現(xiàn)。

（3）增加了示教功能，用戶可以直接拖動機械臂進行軌跡規(guī)劃，然后記錄回放，在不需要任何編程的情況下就可以控制機械臂運動。

1.3 Dobot

DOBOT機械臂，號稱是全球首款高精度消費級桌面機械臂，在能夠完成多種機械臂動作的基礎(chǔ)上，具有價格低廉的特點，同樣是基于開源硬件Arduino控制的機構(gòu)，其精度為0.2mm。

DOBOT機械臂可以3d打印、寫字、畫畫，他的另一個強大功能就是腦電波讀取。使用者將傳感器戴在頭上，集中注意力，例如給出一個向左的信號，并記錄為向左的動作，下次再遇到這個腦電波信號，它就會給出向左的動作等。

2 書畫手臂的模型設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

書畫手臂由一個基座、一個末端執(zhí)行器、六根金屬連桿和電動軸樞，以及同步輪和同步帶組成，這樣的機械臂可以在其活動范圍內(nèi)實現(xiàn)任意的三維位置和位姿。每一個活動的關(guān)節(jié)稱為一個自由度，共有3個關(guān)節(jié)，即為3自由度機械臂。機構(gòu)運行時，由Melzi控制板控制三個電動機的工作，從而控制執(zhí)行端在X、Y、Z三個方向的移動來進行寫字畫畫

2.2 DARM函數(shù)詳解

控制機械臂運轉(zhuǎn)的函數(shù)，主要有兩個，即正解函數(shù)和反解函數(shù)，下面詳細(xì)說明

2.2.1 正解函數(shù)

3 結(jié)語

uArm、7bot、Dobot三種機械臂控制精度高、功能強大、更加智能化，但其昂貴的價格也使很多人望塵莫及，書畫手臂雖不及這三種機械臂，但其具有價格低廉、操作簡單、結(jié)構(gòu)簡易、實用性較高等特點。能夠根據(jù)使用者的需要，方便的完成寫字畫畫等基礎(chǔ)功能，另外，書畫手臂還可以運用在激光雕刻、3D打印等方面，在保證娛樂性的同時，還可讓廣大的使用者學(xué)習(xí)到很多的知識。在控制精度方面，書畫手臂仍有不足，但也有改進的空間，相信在以后書畫手臂將會有很大的進步。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡漢明，錢永恒.Dobot型機器人運動學(xué)分析與仿真[J].機電工程，2016，33（10）：1217—1220.

[2]蔡自興.機器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]劉極峰，丁繼斌.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]JohnJCraig.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006.

[5]張立棟.李亮玉.王天琪.工業(yè)機器人逆解問題的旋量解法[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2016，4（35）：539—544.