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一种具有竞争力的四自由度低成本机器人臂的设计与开发
阿什拉夫·埃尔法萨卡汉，爱德华多·亚内斯，卡伦·巴龙，里卡多·萨尔加多
摘要：本文的主要工作是设计、开发和实现一种控制力强、成本低的具有竞争力的机器人手臂。机器人手臂的设计具有四个自由度，能够准确地完成简单的任务，例如轻材料处理，它将集成到一个移动平台中，作为工业劳动力的助手。机器人手臂配备了多个伺服电机，它们在手臂之间进行连接并执行手臂运动。伺服电机包括编码器，因此没有安装控制器。为了控制机器人，我们使用LabVIEW进行反向运动学计算，并将适当的角度串行地传送给驱动伺服电机的微控制器，该控制器具有改变位置、速度和加速度的能力。对机器人手臂进行了测试和验证，结果表明其工作正常。
关键词：机器人手臂；低成本；设计；验证；四自由度；伺服电机；Arduin机器人控制；LabVIEW机器人控制
1.引言
机器人这一术语实际上是指研究、设计和使用机器人系统进行制造[1]。机器人通常用于执行不安全、危险、高度重复和辛苦的任务。它们有许多不同的功能，如材料处理、装配、电弧焊、电阻焊、机床装卸、喷漆、喷涂等。
机器人主要有两种：服务机器人和工业机器人。服务机器人是一种半自主或完全自主操作的机器人，旨在提升人类幸福感指数和维持设备良好状态，不包括制造操作[2]。另一方面，工业机器人被国际标准化组织（ISO）正式定义为三个或更多轴上可编程的自动控制多用途机械手[1]。工业机器人的设计目的是通过可变程序运动来移动材料、零件、工具或专用设备，以执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，还包括机器人执行其任务所需的任何设备和/或传感器，以及序列或监控通信接口。
2007年，大约114000个新安装的工业机器人使世界市场增长了3%。2007年底，大约有100万个工业机器人在使用，而工业用服务机器人估计有5万个[3]。
由于工业机器人手臂的使用越来越多，这个话题的演变开始尝试以一种详细的模式来模仿人类的动作。例如，韩国的一组学生设计了一种创新，机器人手臂考虑到了舞手、举重、中文语言书写和颜色分类[4]。美国的另一组工程师开发了八自由度机器人手臂。这种机器人能够抓取许多形状各异的物体，从笔到球，还可以模拟人的手[5]。在太空中，航天飞机遥控操纵器系统（称为SSRMS或CANA-DARM）及其后继系统是多自由度机器人臂的例子，用于执行各种任务，例如使用一个特别部署的臂架检查航天飞机，臂架末端装有摄像头和传感器，以及卫星。航天飞机货舱的ITE部署和回收操作[6]。
在墨西哥，科学家们正在设计和开发许多机器人手臂，根据墨西哥政府的估计，墨西哥有大约11000个机械臂用于不同的工业应用。然而，专家们认为，机器人手臂的远地点不仅具有更高的质量，而且具有精确性、可重复性和低成本。
大多数机器人都是通过示教重复技术进行操作的。在这种模式下，训练有素的操作员（程序员）通常使用便携式控制设备（示教垂饰）手动教授机器人其任务。在这些编程过程中，机器人的速度很慢。
目前的工作是一个两阶段项目的一部分，该项目要求移动机器人能够将工具从储藏室运输到工业单元。在墨西哥蒙特雷理工大学进行的该项目的这一阶段中，主要关注的是设计、开发和实施一个成本低、精确且控制能力强的工业机器人手臂。这种机器人手臂的设计有四个自由度，能够完成简单的任务，例如轻载操作，它将集成到一个移动平台中，作为工业工人的助手。
2.机械设计
机器人手臂的机械设计是基于一个与人类手臂功能相似的机器人机械手[6-8]。这种机械手的连杆通过允许旋转运动的关节连接，而机械手的连杆被视为形成运动链。机械手运动链的业务端称为末端执行器或臂端加工，类似于人手。图1显示了机械臂机械设计的自由体图。如图所示，末端执行器不包括在设计中，因为使用了商用夹具。这是因为末端效应器是最复杂机器人手臂系统的一部分，反过来，使用商业系统要比建造商业系统容易得多，经济得多。
图2显示了机械臂的工作区域。这是四自由度（4自由度）机器人手臂的典型工作空间。机械设计仅限于4自由度，主要是因为这样的设计满足了几乎所有必要的运动，降低了机器人的成本和复杂性。令人欣慰的是，关节的旋转运动受到限制，旋转是围绕肩膀的两个轴进行的，并且仅围绕肘部和手腕的一个轴进行的，见图1。
机器人手臂关节通常由电动机驱动。选择伺服电机，因为它们包括自动向电机提供反馈并相应调整位置的编码器。然而，这些电机的缺点是旋转范围小于180FI跨度，这大大减少了臂到达的区域和可能的位置[9]。根据结构要求的最大扭矩和可能的负载选择伺服电机的合格性。在目前的研究中，用于该结构的材料是丙烯酸。
图3显示了用于载荷计算的力图。计算仅针对负载最大的接头进行，因为其他接头将具有相同的电机，即电机可以毫无问题地移动连杆。计算中考虑了电机的重量，约50克，除了接头B处的电机重量，因为该重量由链路BA执行。图4显示了连杆CB上的力图，其中包含具有最高载荷的关节（B和C）（承载连杆DC和ED），计算如下
用于扭矩计算的值：
Wd=0.011 kg（链环DE的重量）
Wc=0.030 kg（链环CD的重量）
Wb=0.030 kg（链环CB的重量）
L=1 kg（负载）
Cm=Dm=0.050 kg（电机的重量）
LBC=0.14 m（链环BC的长度）
LCD=0.14 m（链环CD的长度）
LDE=0.05 m（链环DE的长度）
如图4所示的载荷，在y轴上进行力和，并求解CY和CB，见方程式（1）-（4）。同样，对点C、方程式（5）和点B，方程式（6）周围的力矩进行求和，分别获得方程式（7）和（8）中c和b的扭矩。
(1)
CY=（1.141kg）9.8m/=11.18 N (2)
(3)
(5)
（6）
根据计算选择的伺服电机是Hextronik HX12K，其扭矩为280 oz/in。这台电动机被选用是因为它比其他规格相同的电机都要便宜得多。由于我们在接头B处需要更多的扭矩，见方程式（8），我们在点B处使用了两个电机来满足扭矩要求；但是，一个电机足以满足其他接头的要求。在接头B处使用两个电机比使用一个560 oz/in的大电机便宜得多。如图5所示，电机的其他相关特性是可以在130毫秒内转动60度，每台电机的重量为47.9克。
在确定了机器人手臂和电机的初始尺寸后，则使用SolidWorks平台进行设计；设计时应仔细考虑亚克力板的厚度以及各部件之间的连接方式。用于制造机器人的亚克力板的厚度为1/8，选择这种薄片是因为它更容易加工，重量更小，抗性也很好。
在设计过程中，我们面对着如何将丙烯酸薄部分牢固地连接起来的难题。需要工具来燃烧和连接亚克力部件，但这是不可行的，研究小组认为，基于螺钉和螺母的机械连接比其他替代品（例如胶水）坚固得多。为了满足这一要求，设计了一个小功能部件，可以用螺母紧固螺栓，而无需拧入薄薄的丙烯酸层。这个过程的结果见图6所示的三维设计。
在设计结束时，每一个部件都用硬纸板满尺寸印刷，然后我们验证了所有的尺寸和组件的接口。构建了机器人手臂的第一个原型。然后用圆锯和真皮工具从丙烯酸板上加工机器人手臂的部分。由于机器人手臂的零件太小，很难完成如此小而精确的切割，因此零件的细节设计是在专业车间完成的。
在将电机装配到机器手部位的时候，很少出现问题。有一些关键点无法抵抗紧固，反过来可能会损坏；因此，考虑了这些点的加固。机器人手臂的最终结果如图7所示。
3.机器人手臂逆运动学
为了验证机器人手臂的正确定位，进行了运动学反算。这样的计算旨在获得每个电机使用笛卡尔坐标系给出的位置的角度，如图8所示。每个电机都有一个特定功能：位于A接头的电机将最终元件定位在Y轴上，电机B和C将最终元件定位在X和Z轴上。
使用xz平面简化了问题，如图9所示。其中定义了以下已知值[9]：
手臂的长度。
Z：Z轴上的位置。
X：X轴上的位置。
Y：Y轴上的位置
利用三角关系，如图9所示，得到了运动角2和1，如等式（9）和（10）所示。
(9)
(10)
(11)
电机B将使用Ɵ1，电机C将使用Ɵ2。电机A的角度计算见方程（11）。通过这些计算，可以得到伺服电机的角度，进而将整个结构移动到特定位置。
4.末端效应器选择
末端执行器可能是系统中最重要和最复杂的部分之一。明智的是，使用商业建筑比建造商业建筑更经济、更经济。末端执行器主要根据机器人臂的应用和完成的任务而变化，可以是气动、电动或液压的。由于我们的机器人臂是基于一个电气系统，所以我们可以选择末端执行器的电气开关。此外，我们系统的主要应用是处理，因此，我们推荐的末端执行器类型是一个夹持器，如图10所示。请注意，末端执行器由一个伺服电机控制，反过来，我们机器人手臂使用的总伺服电机将是5个移动结构的电机。
5．机器人手臂控制
机器人的手臂可以是自动的或手动控制的。在手动模式下，经过培训的操作员（程序员）通常使用便携式控制设备（示教挂件）来教机器人手动完成其任务。在这些编程过程中，机器人的速度很慢。在目前的工作中，我们将这两种模式都包括在内。
提出的机器人手臂控制基本上由三个层次组成：微控制器、驱动程序和基于计算机的用户界面。该系统具有独特的特点，使编程和控制方法具有灵活性，采用逆运动学实现，并可在全手动模式下实现。控制的电子设计如图11所示。
所用的微控制器是ATMEGA368，它带有一个名为“Arduino”的开发/编程板，如图12所示。编程语言与C语言非常相似，但包含几个库，帮助控制I/O端口、定时器和串行通信。这种微控制器之所以被选用是因为它价格低廉，很容易重新编程，编程语言简单，而且可以为这个特定的芯片提供中断。
所用的驱动器是一个六通道微磁致伺服控制板。它支持三种控制方法：用于直接连接计算机的USB、用于嵌入式系统（如Arduino微控制器）的TTL串行，以及用于独立和无主机控制器应用程序的内部脚本。如图13所示，该控制器的位置分辨率为0.25Omega;，内置速度和加速度控制。
5.1．逆运动学控制
在这种控制方法中，用户输入抓手应该在的坐标系位置。因此，通过可视化用户使用labview生成接口，如图14所示。程序自动进行反向运动学计算，以获得每个电机应有的角度，然后向微控制器或直接向将机器人移动到指定位置的驱动器发送命令。使用RS-232协议进行通信。在下面，您可以看到labview用户界面输入和输出。
LabVIEW用户界面输入为：
X轴位置。
Y轴位置。
Z轴位置。
夹具打开。
夹钳攻角。
串口。
LabVIEW用户界面输出为：
电机A角度。
电机B1角度。
电机B2角度。
电机C角度。
攻角。
夹持角。
这些输出变量以适当的方式处理和发送，以便以正确的方式解释信息。输出通过与控制器通信的串行端口发送。单击but-ton“move”时，将发生一个过程，如图15所示。通过这个动作，机械臂将根据输入值改变其位置。此外，它还有一个备用按钮，用于停止通信控制器。
这种方法的主要优点是它使用了一种有效的移动方式，并提供了可以实现的进一步功能，例如位置和顺序学习。另一方面，缺点是，在反向运动学计算后，可能具有有效角度的位置非常有限，因为伺服电机的约束为180°。
5.2.手动控制
这种类型的控制对于我们的系统是一个额外的选项，在特定的位置有用。当强制位置不能计算其有效角度时，我们可以使用手动控制。基本上，手动控制由一系列模拟输入组成，如电位器，与微控制器相连，微控制器将解释这些值并向伺服驱动器发送命令。为了实现这一点，应该构建一个控制板，如图16所示，作为与用户的接口。可能的实现包括一个教学功能，在该功能中，mi-crocontroller将位置存储在内存中，通过键盘或一系列开关，我们可以调用这些位置。
6.测试和验证
为了验证机器人手臂及其部件，进行了几项试验。测试涵盖了特定的元素和整个系统，如图17所示。对于微控制器，测试是通过软件向微控制器发送不同的命令来进行的，并检查连接到伺服电机的输出的变化，伺服电机根据命令打开或关闭。
随后，通过向每个伺服电机发送不同的直接脉冲并验证移动到正确位置的响应，对伺服电机进行测试。我们用一个标记来寻找电机的初始位置，最终位置通过微控制器发送信号来确定，然后由伺服系统解释，并与编码器提供的信号进行比较，从而使电机旋转到所需的位置。在这项测试中，由于不正确的极化，伺服电机与机器人手臂系统不一致。
伺服电机驱动器也使用实验室视图软件进行了测试，将命令发送给微
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资料编号：[1747]
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