用于創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的機(jī)械手臂平臺的研究與設(shè)計(jì)

王明浩，郎慶陽，趙 亮，劉亞男，孫宇飛，蘇 發(fā)，欒叢宇

(遼寧科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

在應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)過程當(dāng)中，必備課堂理論教學(xué)之外，通過創(chuàng)新實(shí)踐活動，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，鍛煉學(xué)生的應(yīng)用技能，十分必要。在學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動中，一些基礎(chǔ)知識技能，如基本的加工制造操作、機(jī)械結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動、單片機(jī)及傳感器應(yīng)用、程序設(shè)計(jì)等是十分必要的。

如果單獨(dú)學(xué)習(xí)以上基礎(chǔ)知識和技能，學(xué)生往往會出現(xiàn)不知如何入手，沒有具體目標(biāo)，無法整合知識的情況，最終導(dǎo)致進(jìn)度緩慢或者失去興趣。通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)具體功能，能直觀看到效果，將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，并且能夠通過整個(gè)制造和調(diào)試的過程，學(xué)習(xí)到創(chuàng)新實(shí)踐中常用的知識和技能很有必要[1]。

機(jī)械手臂是工業(yè)自動化的典型代表設(shè)備，也是學(xué)生普遍具有常識認(rèn)知的裝置，通過機(jī)械手臂平臺項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和基礎(chǔ)知識，是比較合適的選擇。

1 總體方案

系統(tǒng)由平臺、機(jī)械手臂和傳送帶構(gòu)成主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)分為兩個(gè)層面，基礎(chǔ)的單片機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)。機(jī)械手臂和傳送帶放置在平臺上面，位置可以自由調(diào)整，機(jī)械臂前端帶有夾爪，可以夾持工件。圍繞核心功能進(jìn)行功能方案細(xì)化，如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂平臺功能方案

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)[2]。在常見的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡便而方便的軟件之一，具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，非常適合學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐使用。系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，主要的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

平臺部分采用工業(yè)鋁型材作為框架和支撐，選用亞克力板作為底板。

圖2 機(jī)械手臂平臺的結(jié)構(gòu)方案

表1 機(jī)械手臂平臺主要尺寸

機(jī)械臂的主體包括底盤、機(jī)械臂和夾爪，實(shí)現(xiàn)夾持工件在空間內(nèi)移動的功能。底盤采用磁吸的方式安裝在平臺上，其上與機(jī)械臂相連，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)械臂包括大臂和小臂兩部分，均為連桿結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制，實(shí)現(xiàn)移動和升降的功能。夾爪由舵機(jī)控制，通過開合運(yùn)動，夾持和放置工件。

傳送帶采用直流減速電機(jī)驅(qū)動，用來運(yùn)輸工件，其上配置有限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動定位。

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到機(jī)械制圖、三維建模、機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算、電機(jī)選型與應(yīng)用、電源選型與應(yīng)用等知識。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括兩大部分，單片機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)。

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)的驅(qū)動和信息交互。通過控制各個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，并結(jié)合傳感器信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動功能，通過按鍵、顯示屏等模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口控制，通過通信模塊獲取上位機(jī)指令并反饋信息。

其中核心的部分是對電機(jī)的控制，這一方面的功能主要通過控制對應(yīng)驅(qū)動模塊來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手臂的底座和大小臂的動作需要控制對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，機(jī)械手需要控制舵機(jī)運(yùn)動，傳送帶需要控制直流電機(jī)運(yùn)動。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或前進(jìn)一步。在一般理論教學(xué)中，往往只講述了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，并不涉及驅(qū)動控制。平臺選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。常用的驅(qū)動模塊有A4988、DRV8825、TB6560等，通過控制使能、方向和脈沖三個(gè)變量，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、換向和加減速[3]。

舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的控制信號實(shí)際上是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(PWM信號)，該信號可由單片機(jī)產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)或者數(shù)量較少的舵機(jī)，在小功率的情況下，可以由單片機(jī)直接控制。對于多個(gè)舵機(jī)的使用，一般采用舵機(jī)驅(qū)動模塊來實(shí)現(xiàn)，如常見的16路PWM舵機(jī)驅(qū)動板模塊，采用IIC接口，不占用過多單片機(jī)接口即可實(shí)現(xiàn)對16路舵機(jī)的控制。

直流電機(jī)是最常用的動力元件，使用方便，操控簡單，一般驅(qū)動可以選用L298N模塊。L298N是雙H橋的直流電機(jī)驅(qū)動芯片，可以實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的啟停和方向的控制。直流電機(jī)在選用的時(shí)候，一般會選擇固定速度的直流減速電機(jī)，但有些時(shí)候也需要進(jìn)行速度變化，這時(shí)可以采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM調(diào)速信號或者直接采用PWM直流電機(jī)調(diào)速器。

上位機(jī)控制系統(tǒng)是通過運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的軟件程序，控制機(jī)械手臂及傳送帶運(yùn)動。需要使用編程軟件設(shè)計(jì)用戶界面和功能，并編寫相關(guān)程序，與單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。用戶通過計(jì)算機(jī)上的軟件界面輸入控制命令，軟件通過串行通信接口將控制命令以數(shù)據(jù)包形式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)識別指令代碼，控制對應(yīng)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)完成動作。常用的上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法有采用VB/VC開發(fā)語言和使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境兩種。

Visual Basic(簡稱VB)和Visual C++(簡稱VC)都是微軟公司開發(fā)的基于對象的可視化計(jì)算機(jī)程序開發(fā)語言，具有結(jié)構(gòu)化、模塊化、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn)[3]。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境。不同于其他計(jì)算機(jī)語言采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新[5]。

4 系統(tǒng)加工制作

系統(tǒng)的平臺支撐結(jié)構(gòu)由歐標(biāo)2020工業(yè)鋁型材經(jīng)過鋸鋁機(jī)切割后組裝構(gòu)成。平臺底板采用亞克力板材料，亞克力板具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，能夠滿足基礎(chǔ)的應(yīng)用需求，與木板和金屬板比較，最突出的特點(diǎn)是容易加工，一般采用激光切割機(jī)就可以快速加工。

機(jī)械手臂的零部件主要采用3D打印機(jī)技術(shù)加工。采用FDM原理的桌面式3D打印機(jī)，選用PLA材料，首先將用SolidWorks軟件繪制的三維零件模型轉(zhuǎn)換為STL格式文件，然后導(dǎo)入到3D打印機(jī)控制軟件中，經(jīng)過打印參數(shù)設(shè)置，繼而加工完成。3D打印機(jī)在學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用，極大地降低了零件加工的成本和難度，提高了迭代效率。

圖3 機(jī)械手臂平臺實(shí)物圖

加工制作完成的機(jī)械手臂平臺如圖3所示。經(jīng)過組裝調(diào)試，學(xué)生可以通過編程控制，實(shí)現(xiàn)特定的動作和搬運(yùn)功能，不同學(xué)習(xí)組可以設(shè)計(jì)不同的動作任務(wù)，非常適合教學(xué)使用，可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)功能如圖4所示。

圖4 機(jī)械手臂平臺功能

5 總結(jié)

(1) 文章針對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)際需求，研究設(shè)計(jì)了一款用于創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的機(jī)械手臂平臺。

(2) 該平臺體積小，可操作性強(qiáng)，模塊化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)和功能的擴(kuò)展性。

(3) 該平臺采用3D打印等技術(shù)加工制造，成本低，性價(jià)比高。

(4) 該平臺功能豐富，可以學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)、加工制造、電機(jī)驅(qū)動、程序設(shè)計(jì)等知識和技能，經(jīng)過試驗(yàn)，滿足學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的需要。

(5) 該平臺仍有進(jìn)一步提升空間，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和功能，可以實(shí)現(xiàn)行走移動、視覺識別和物聯(lián)網(wǎng)等功能，為學(xué)生學(xué)習(xí)和教師科研服務(wù)。