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設計和開發(fā)一個競爭低成本四自由度機器人手臂
作者：Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon,Ricardo Salgado
接收于2011年10月19日，2011年11月7日修訂，2011年11月15日接受
文摘：
這項工作的主要焦點是設計、開發(fā)和實施低成本、強控制、有競爭力的機器人手臂。設計四自由度和才華橫溢的機器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務,如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。機器人手臂配備有伺服電機來做手臂之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動作。伺服電機包括編碼器,以至于沒有控制器實現(xiàn)。我們控制機器人使用的虛擬儀器,它執(zhí)行逆運動學計算和串行通信的適當?shù)慕嵌葘σ粋€單片機,驅(qū)動伺服電機的功能修改位置、速度和加速度。測試和驗證的機器人手臂結(jié)果顯示它正常工作。
關(guān)鍵詞：
機器人手臂,低成本，設計，驗證，四自由度,伺服馬達,Arduino機器人控制，虛擬儀器機器人控制
1.介紹
機器人術(shù)語實際上是定義為研究、設計和使用機器人系統(tǒng)制造[1]。機器人通常用于執(zhí)行不安全的,危險的,高度重復,和不愉快的任務。他們有很多不同的功能,如物料搬運、裝配、電弧焊、電阻焊、機床裝載和卸載功能、繪畫、噴涂等。
主要有兩種不同的機器人:服務機器人和工業(yè)機器人。服務機器人是機器人運行的半或全自主執(zhí)行服務有用的福祉人類和設備,不包括制造業(yè)務[2]。工業(yè)機器人,另一方面,是由ISO正式定義為可編程在三個或三個以上軸的自動控制和多功能的機械手[1]。工業(yè)機器人的目的是實現(xiàn)材料、零件、工具或?qū)ｉT的設備通過變量編程動作來執(zhí)行各種任務。一個工業(yè)機器人系統(tǒng)不但包括工業(yè)機器人而且包括任何設備和/或傳感器需要機器人來執(zhí)行其任務以及測序或監(jiān)控通信接口。2007年世界市場增長了3%,其中大約有114000個新安裝的工業(yè)機器人。2007年底約有一百萬工業(yè)機器人在使用中,相比之下,估計有50000服務機器人對工業(yè)使用[3]。
由于使用的工業(yè)機器人手臂的增加,一個進化的話題開始試圖模仿人類的動作在一個細節(jié)模式。例如一群學生在韓國做了一個機械手臂的設計創(chuàng)新,考慮到跳舞的手,舉重,中國書法寫作和顏色分類[4]。另一組工程師在美國發(fā)展八自由度機器人手臂。這個機器人能夠掌握很多形狀對象從一筆一個球和模擬人類的手[5]。在太空中,航天飛機遠程控制器系統(tǒng),稱為SSRMS或創(chuàng)意,和它的繼任者是例子,多自由度機器人手臂,已經(jīng)被用來執(zhí)行各種任務,如檢查航天飛機的使用的一種專門部署與相機和傳感器連接在末端的執(zhí)行器和衛(wèi)星部署和從航天飛機的貨艙檢索策略[6]。
在墨西哥,科學家有望設計和開發(fā)許多機器人手臂,墨西哥政府估計,在墨西哥大約有11000個機器人手臂用在不同的工業(yè)應用。然而,專家認為,最奢華的機器人手臂不僅是高質(zhì)量的,而且要準確、可重復性和粗短的成本。
大多數(shù)機器人設置為一個操作的教和重復技術(shù)。在這種模式下,一個訓練有素的操作者(程序員)通常使用便攜式控制裝置(一個示教器)教機器人其任務手動。機器人的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩階段的項目的一部分,這就需要一個移動機器人能夠運輸工具從庫房到工業(yè)電解槽。在這個階段,該項目開展的科技大學,墨西哥蒙特雷,主要關(guān)注的是設計,發(fā)展和實施一個工業(yè)機器人手臂粗短的成本、準確和優(yōu)越的控制。設計四自由度和才華橫溢的機器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務,如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。
2.機械設計
機械設計的機器人手臂是基于機器人機械手和一個人類的手臂具有相似的功能[6 - 8]。這樣一個機械手的鏈接進行連接接頭允許轉(zhuǎn)動運動和鏈接的機械手被認為形成一個運動鏈。業(yè)務結(jié)束的運動鏈機械手稱為末端執(zhí)行器或結(jié)束臂工具，它類似于人類的手。圖1顯示了自由體對機械設計的機械臂。如圖所示,末端執(zhí)行器不包括在設計中，因為商用夾具已被使用。這是因為,末端執(zhí)行器是一種最復雜的系統(tǒng)的部分,反過來, 比建造它更容易經(jīng)濟使用在商業(yè)中。
圖2顯示了工作區(qū)域的機械手臂。這是典型的工作空間有四自由度(4自由度)機械手臂。機械設計僅限于4自由度主要是因為這樣一個設計允許最必要的運動和保持成本和復雜的機器人有競爭力。因此,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)活動受到限制,旋轉(zhuǎn)完成約兩軸肩和周圍只有一個在手肘和手腕,見圖1。
機械臂關(guān)節(jié)通常由電機驅(qū)動。伺服電機的選擇,因為它們包括編碼器自動提供反饋到汽車和相應的調(diào)整位置。但是,這些汽車的缺點是,旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度,大大降低了胳膊達到的區(qū)域和可能的位置[9]。選擇伺服電機基于最大扭矩所需的結(jié)構(gòu)和可能的負載。在目前的研究中,這些材料用于結(jié)構(gòu)丙烯酸。
圖1：自由體的機器人手臂 圖2：工作區(qū)域的機械手臂。
圖3顯示了用于負荷計算力線圖。進行的計算只對關(guān)節(jié)最大的負載,因為其他關(guān)節(jié)會有相同的運動,即電動機可以移動鏈接沒有問題。計算考慮了電動機的重量,約50克,除了電動機的重量在聯(lián)合B,因為它進行鏈接英航。圖4顯示了力圖在鏈接CB,其中包含關(guān)節(jié)(B和C)具有最高負荷(攜帶鏈接DC和ED)和計算進行了如下。
值用于計算轉(zhuǎn)矩：
Wd = 0.011 kg (重量鏈接DE)
Wc = 0.030 kg (重量鏈接CD)
Wb = 0.030 kg (重量鏈接CB)
L = 1 kg (負載)
Cm = Dm= 0.050 kg (電動機重量)
LBC = 0.14 m (長度鏈接BC)
LCD = 0.14 m (長度鏈接CD)
LDE = 0.05 m (長度鏈接DE)
執(zhí)行力的總和在Y軸,使用負載如圖4,和解決為CY和CB,見方程(1)-(4)。類似地,執(zhí)行時刻的總和在C點,方程(5)和B點,方程(6),得到扭矩在C和B,方程(7)、(8),分別為。
所選擇的伺服電機,根據(jù)計算結(jié)果,是Hextronik HX12K,扭矩280/盎司。這個電動機是推薦的,因為它比其他任何相同規(guī)格電動機更便宜。因為我們需要更多的扭矩在聯(lián)合B,見方程(8),我們使用兩個電動機在B點符合轉(zhuǎn)矩要求；然而,一個電動機對于其他關(guān)節(jié)是足夠的。使用兩個電動機聯(lián)合B是比使用一個560/盎司大的電動機便宜很多。在圖5中的其他相關(guān)特征的電動機,他們可以在130毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換60度并擁有47.9克。
一旦最初尺寸的機器人手臂和電動機被定義,設計進行使用SolidWorks平臺；設計應該仔細考慮亞克力板的厚度和其他每個碎片會被附加到哪里。用來制造機器人的這個亞克力是在1/8的厚度薄鋼板中被選中,因為它方便加工且更少的重量與良好的阻力。
在設計過程中，我們遇到了一些困難，由于強烈的方式，加入薄丙烯酸部分。這是需要工具來燃燒，并加入丙烯酸，并且不是小組認為，機械交界處的螺釘和螺母的基礎(chǔ)上，將遠強于其他的替代品，如膠水為例。為了做到這一點，一個小的功能的設計允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。這個過程的結(jié)果是在圖6中顯示的三維設計。
設計結(jié)束，每個部分在滿量程卡紙印刷，然后我們核實了所有的裝配尺寸和接口。反過來，我們建立了第一個原型的機器人手臂。接著，對上述機器人手臂的部分被加工的丙烯酸系片材，使用圓鋸和皮膚工具。因為在一個專業(yè)的車間進行機器人手臂的部分太小，它不容易實現(xiàn)這樣小和精確的切割，對部分詳細說明做了專業(yè)研討。
在組裝機器人部件與電機的過程中，很少有問題彈出。關(guān)鍵點無法抗拒緊固，反過來，可能會出現(xiàn)故障，因此，加強這些點被考慮在內(nèi)。上述機器人手臂的最終結(jié)果在圖7中所示。
圖3：機械手臂力線圖 圖4：力圖鏈接CB
圖5：伺服電動機
3．機器人手臂逆運動學
為了驗證正確的定位的機器人手臂，逆運動學進行計算。這種計算被用于獲得通過使用在笛卡爾坐標系統(tǒng)從給定的位置，如在圖8中所示的每個電機的角度。每個電機將有一個特定的功能：位于在A的電機中的y軸的最終元件的位置，電動機B和C在x軸和z軸的最終元件的位置。
問題是簡化使用xz平面,如圖9所示。在這下面的已知值定義[9]: 使用三角關(guān)系,如圖9所示,電動機角度得到θ2和θ1,見方程(9)和(10)。電動機B的是要使用θ1和電動機C將要使用θ2。用于電機的角度A的計算，如在方程（11）中看到。這些計算，得到的伺服電機的角度并依次他們采取的行動，以移動整個結(jié)構(gòu)的特定位置。
4.末端選擇
端部執(zhí)行器可能是系統(tǒng)的最重要和最復雜的部分之一。明智的是，這是很容易使用一個商業(yè)和經(jīng)濟建設。端部執(zhí)行器，主要是根據(jù)應用程序和任務，機器人手臂的完成而變化，它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機器人手臂在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇的末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主應用程序的處理，因此，我們的最終建議類型的執(zhí)行器，如在圖10中示出的叼紙牙。請注意，端部執(zhí)行器的控制由一個伺服電機，反過來，總伺服電機用于我們的機器人手臂5移動的結(jié)構(gòu)的電機。
5.機器人手臂控制
機器人手臂可以自主或手動控制。在手動模式下，一個訓練有素的操作者（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教手動做任務的機器人。在這些編程會話機器人的速度很慢。在當前的工作中，我們封閉了這兩種模式。
所提出的機器人手臂的控制基本上包括三個層次：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個基于計算機的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運動學的靈活性，除了它也可以被實現(xiàn)在全手動模式。在圖11中所示的電子控制設計。
采用的微控制器是帶有命名為“Arduino的”開發(fā)/編程板的Atmega368，如圖12所示。是非常類似于C的編程語言，但有助于控制的I / O端口，定時器，串行通信的的幾個libraryies。該微控制器的選擇，因為它具有低的價格，這是很容易重新編程，編程語言是簡單，和中斷是可用于這個特定的芯片。
使用的驅(qū)動程序是一個六聲道微型的大師伺服控制器板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機，TTL串口，用于與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器，內(nèi)部腳本的自包含的，無主控制器應用程序。這個控制器中，如在圖13中所示，包括一個0.25μs分辨率用于位置和內(nèi)置的速度和加速度控制。
6.測試和驗證
進行測試，以驗證的機器人的臂和它的組件。睪丸覆蓋的特定元素和整個系統(tǒng)的，如在圖17中示出。對于單片機，發(fā)生在測試的軟件的微控制器通過發(fā)送不同的命令和檢查的輸出連接到伺服電機，打開或關(guān)閉根據(jù)命令。
伺服電機進行測試之后通過不同的直接脈沖發(fā)送到每個伺服馬達和驗證移動到正確的位置的響應。我們使用了一個馬克知道在哪里的初始位置，并通過與微控制器發(fā)送信號，反過來，它被解釋由伺服和編碼器所提供的信號相比，導致確定電機的最終位置到所需的位置的轉(zhuǎn)動。在這個測試中，伺服電機是不一致的機器人手臂系統(tǒng)，因為不正確的極化。
伺服電機驅(qū)動器也使用Labview軟件測試將命令發(fā)送到微控制器發(fā)送特定的命令來驅(qū)動一臺電機連接改變位置。重要的是要注意到，在項目開始的選擇，不同的伺服電機驅(qū)動器和微控制器之間的通信相關(guān)的幾個問題的出現(xiàn)。所以，我們選擇的驅(qū)動程序，它允許直接從計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)到它與只有一個USB線，所以在手動控制的執(zhí)行的情況下，所以單片機只會被用在案例的實現(xiàn)手動控制。
進行其他測試，以驗證了整個系統(tǒng)的功能，如在圖18中示出。通過引入一個特定的位置在Labview的接口和測量的參考點之間的距離的最后一點，以便核實：從逆到直接運動學正確的轉(zhuǎn)換，在指定的角度之間的關(guān)系的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生這些測試電機。
機器人手臂的測試和驗證是需要細長的時間，因為需要多次迭代的任務之一。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯誤的角度的計算，錯誤校正電機，與物理的角度和位置的測量的問題，以及因過載而預期不會燃燒的伺服電機之一。
7.結(jié)果和討論
機器人手臂在不同的工作條件下，結(jié)果如下：
7.1伺服電機運動范圍
得到的伺服電動機的限制，因為這種類型的電機包含規(guī)范，它具有小于180度的跨度。所有電機的實際的范圍被認為是在范圍125 - 142度，如表1中所示。這清楚地表明，實際操作機器人手臂的從旁觀者情況下不同。
7.2電流消耗
電流消耗取決于負載和機器人臂的運動的類型。在目前的研究中，有4個級別的電流消耗。
8.結(jié)論
本文介紹了機器人的手臂，這有天賦完成簡單的任務，如光材料處理的設計，開發(fā)和實施。機器人手臂的設計和建造由丙烯酸材料伺服電機，執(zhí)行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動作。伺服電機包括編碼器，使得沒有控制器實施，但是，電動機的旋轉(zhuǎn)范圍是小于180°的跨度，從而大大減小由臂和可能的位置達到的區(qū)域。限于四個自由度的機器人手臂的設計，因為這樣的設計使大部分必要的運動和保持競爭力的成本和復雜性的機器人。不包括末端執(zhí)行器的設計，因為市售夾具使用，因為它是非常容易和經(jīng)濟的使用不是建立一個商業(yè)。
在設計過程中，我們遇到了一些困難，由于強烈的方式，加入薄丙烯酸部分。用螺釘和螺母的基礎(chǔ)上的機械結(jié)，并為了實現(xiàn)這一點，一個小的功能被設計允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。
控制的機器人手臂，三種方法實現(xiàn)的：一個微控制器，一個驅(qū)動器，和一個基于計算機的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運動學的靈活性，除了它也可以被實現(xiàn)在全手動模式。這個機器人手臂是便宜得多的可用機器人手臂與他人的對比，也可以控制它的運動從一臺計算機，使用Labview接口。
幾個進行測試，以驗證其中睪丸覆蓋的特定??元件和整個系統(tǒng)的機器人臂，在不同的操作條件下的結(jié)果表明的機器人手臂值得信任。
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