機(jī)械工程中機(jī)械手臂應(yīng)用研究

張朝權(quán)

摘要：機(jī)械手臂不僅僅促進(jìn)了工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，而且也滿足了我們的日常生活的需求。然而，在我國，機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)仍存在著許多的缺陷，在機(jī)械工程領(lǐng)域應(yīng)用還不是很完美，需要相關(guān)技術(shù)人員繼續(xù)努力創(chuàng)新，將設(shè)計(jì)理論應(yīng)用的實(shí)際中，促進(jìn)我國機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程;機(jī)械手臂;應(yīng)用

在國內(nèi)對(duì)兩條機(jī)械臂機(jī)器人的科研大概只有5～6年的時(shí)間，尚處與模仿和學(xué)習(xí)階段。也可以這樣說，我國對(duì)于兩條機(jī)械臂機(jī)器人的研究才剛開始接觸。由于受到相關(guān)資料和科研要求的限制，當(dāng)前國內(nèi)對(duì)兩條機(jī)械臂機(jī)器人的科研大多就相關(guān)行動(dòng)路線規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)及調(diào)控這些內(nèi)容。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，幾年前我國雙機(jī)械臂機(jī)器人行業(yè)生產(chǎn)情況并不樂觀，2014年僅僅只有8臺(tái)，2015年訂單變?yōu)?0臺(tái)，之后便是以翻倍的速度上漲，2016年為122臺(tái)，2017年更是達(dá)到了220臺(tái)。雖然我國有著廣大市場，但是綜合分析，由于我國在雙機(jī)械臂機(jī)器人領(lǐng)域或者說在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)，行業(yè)資源，核心技術(shù)都比較欠缺，應(yīng)用不是很廣泛。

一、機(jī)械手臂的分類

社會(huì)的進(jìn)步離不開科技的發(fā)展，而近年來智能機(jī)器方面因?yàn)槠淇捎梅秶鷮拸V，可操控性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠效益大而備受關(guān)注，也使各大高校組織，科研機(jī)構(gòu)或企業(yè)主動(dòng)投入大量的人才與資金進(jìn)行大力研發(fā)。而在各類智能機(jī)器人的研發(fā)中，智能機(jī)械手臂的開發(fā)使用獨(dú)樹一幟，機(jī)械手臂能夠不考慮疲倦與危險(xiǎn)，直接提高工作效率，減少工傷事故，同時(shí)具有維修方便，可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用STC15單片機(jī)作為控制平臺(tái)，擁有七自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行調(diào)試與儲(chǔ)存的功能，同時(shí)添加的語音控制模塊也使該設(shè)計(jì)具有人機(jī)對(duì)話功能和語音控制信號(hào)的功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活智能，可控性強(qiáng)，對(duì)于機(jī)器人的研究教學(xué)或者工業(yè)開發(fā)模型方面提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的研發(fā)意義

1直角坐標(biāo)型機(jī)械手

這種形式的機(jī)械手他的精度和方位不跟著工作空間的變動(dòng)而改變，很輕松的就可以獲得高的精度。然而，這種類型的機(jī)械手操作空間很小，手臂收回的同時(shí)又朝相對(duì)的反方向伸出，因此會(huì)阻礙工作的正常操作，并且這種機(jī)械手占地空間要求大，會(huì)很占地方。

2圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手

該類型機(jī)械手能夠繞著中心軸轉(zhuǎn)一定角度，其工作空間也可以變大，相關(guān)計(jì)算方法較簡潔;直線移動(dòng)的部位運(yùn)用氣壓傳動(dòng)，這樣可以做到輸出功率更大化，能夠順延到機(jī)體[2]。不過，它的手部能夠到達(dá)的空間局限性很大，不可以到達(dá)靠近柱子或接近大地區(qū)域;平行移動(dòng)的傳動(dòng)部分的密封、防油等工作比較困難;小臂在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，小臂后端可能接觸工作空間中的其他物件。

3球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手

該類型的機(jī)械手用三個(gè)包括移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)關(guān)節(jié)來確定目標(biāo)的地方，通常需要加上一個(gè)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)以此來確定目標(biāo)的位姿。該類型機(jī)械手可以圍繞一個(gè)主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，中心主軸區(qū)域的作業(yè)空間很大。但是該機(jī)械手比較復(fù)雜，操控起來很不方便，而且直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)依然有密封及作業(yè)死角的難題。

4多關(guān)節(jié)型機(jī)械手

該類型機(jī)械手臂是一種比較適合接近目標(biāo)操作的傳動(dòng)方式。它像人的手臂一樣有多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，可以達(dá)到幾個(gè)自由度共同作業(yè)的目的，行動(dòng)起來十分的靈便。該種形式機(jī)械手有大臂和小臂的運(yùn)動(dòng)，以及肘部位和肩部位等各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)[3]?？梢宰鰯?shù)個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，作業(yè)空間很大，行動(dòng)靈便，通用性很好，但是定位的精度不太好，調(diào)控裝備十分繁瑣。該種形式機(jī)械手擁有上肢的部分結(jié)構(gòu)，有類似于人工操作的性能。

二、機(jī)械手臂的應(yīng)用領(lǐng)域

機(jī)械手臂]主要有四個(gè)大部件：1）爪部，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作來引導(dǎo)手抓執(zhí)行末端的張合。2）腕部，腕部的作用是連接手抓和機(jī)械臂的傳動(dòng)部分，腕部的動(dòng)作主要是為了改變夾持目標(biāo)的位置，該部位活動(dòng)靈便，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性很小。3）臂部，機(jī)械臂是機(jī)械手重要的組成部分之一，機(jī)械臂主要起到支撐和傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的作用，是極其重要的部分之一。4）機(jī)身，機(jī)身是具有支承的作用，也是用來傳動(dòng)手臂動(dòng)作的部件。

機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)對(duì)人類發(fā)展具有重要意義，機(jī)械手臂在航天航空試驗(yàn)測試、多自由度模擬仿真、多自由度動(dòng)感娛樂、多自由度精密加工、機(jī)器人、機(jī)械升降平臺(tái)、汽車壓機(jī)、汽車制造設(shè)備、機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線、鋼鐵連鑄、石油化工、物料搬運(yùn)、注塑機(jī)、模具控制、閥門控制、精密機(jī)床、制藥機(jī)械、食品工業(yè)等領(lǐng)域均有較為廣泛的應(yīng)用。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)步驟主要分為以下幾個(gè)部分：（1）啟動(dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行機(jī)械手動(dòng)作初始化;（2）動(dòng)作初始化完成后，存儲(chǔ)初始化動(dòng)作;（3）識(shí)別接收語音控制命令;（4）加載命令對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令序列;（5）發(fā)送其指令序列到舵機(jī)控制電路;（6）完成指令序列對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

四、系統(tǒng)測試及其誤差率

語音識(shí)別模塊測試時(shí)先設(shè)置詞條和反饋語文本，詞條：@WriteKeywords#開燈001|關(guān)燈002|$;反饋語文本：@WriteFlashText#|001馬上開燈|002馬上關(guān)燈$，然后將模塊識(shí)別模式設(shè)置為“對(duì)話模式”，發(fā)送指令@AsrMode#1$，設(shè)置模塊“返回值輸出格式”為“單字節(jié)輸出”模式。當(dāng)用戶喊“開燈”時(shí)，回答“馬上開燈”，LED亮起;當(dāng)用戶喊“關(guān)燈”，回答“馬上關(guān)燈”，LED熄滅。當(dāng)語音模塊成功測試連接后開始測試實(shí)驗(yàn)，設(shè)置“拿起”“放下”為語音指令，在進(jìn)行二十五次檢測中失誤兩次，成功二十三次。成功率達(dá)到百分之九十二。

本設(shè)計(jì)主控芯片選取STC15MCU為主控芯片，由其控制七自由度手臂完成簡單的動(dòng)作和抓取任務(wù)，再結(jié)合舵機(jī)控制電路和語音識(shí)別模塊，機(jī)械手臂可以向上，向下，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，伸手，合手等動(dòng)作;能準(zhǔn)確的接收到使用者的指令，將一個(gè)物體抓取起來，并遞給使用者。關(guān)于機(jī)械手臂在智能機(jī)器人與工業(yè)型機(jī)器人的教學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)展越來越廣泛，必將在不久的將來擁有一席之地，而該系統(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)在的教學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)方向當(dāng)做教學(xué)模型，擁有非常好的實(shí)際作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 蔡自興，徐光祐.人工智能及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：94-186.

[2]? 黃智偉，鄧月明，王彥.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：87-107.

（作者身份證號(hào)碼：350426198201236012）