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多功能小型六轴机械臂的设计与制作论文

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  关键词:服务业,智能化,3D打印,六轴机械臂

  0引言

多功能小型六轴机械臂的设计与制作论文

  机械臂机器人在工业生产的自动化流水线上发挥着重要作用,以负载能力大、工作效率高、持续工作时间长、工作范围广等特点著称[1]。在企业中往往一台机械臂可以代替4~6名生产线上的工人,在生产活动中可以大大降低企业的劳动成本[2]。目前市面上的机械臂机器人往往应用于大型工业生产,并且其本身造价也十分昂贵。在一些需要大量人力与标准化工作却不需要大负载的应用场景如餐厅、垃圾站的垃圾分类、维修站小型零件装配、医院的手术台等,多自由度机械臂有很大的应用空间[3]。因此,本文基于机械臂精准灵活的特点设计一种应用于餐饮等服务行业的小型机械臂。

  现代的机械设计制造正在向智能化和数字化发展[4-5]。机械臂功能的完善与升级,适用范围的扩大,更有利于机械设计制造发展中工作效率的提高、生产安全的保障及生产流程的简化。机械臂的多元发展可以为机械设计制造提供更多的可能性[6-7]。在家电的智能化发展中,机械臂在智能化家电装配以及运输上具有重要意义。但在装配和运输过程中,机械臂的加入可以大大减少企业对人力成本的支出,一定程度上为企业的可持续发展提供保证。

  基于此,设计制造一款小型高精度六轴机械臂。目标是比市场上销售的相似产品更便宜、成本更低,小幅度改装即可推出市场销售,且精度更高、稳定性更强、寿命更长、功能更全面,具备一定兼容性,可以兼容更多不同公司和研究人员研究出的上位机进行使用,以代替餐厅人员的工作,提高餐厅的自动化程度。机械臂具备的六自由度与末端执行器的多样性,可使其功能更多样化,在工作中能做出更多精准复杂的动作,给来餐厅用餐的客户更好的就餐体验。机械臂的使用可以大大降低服务的出错率,从而获得比传统模式更优质的用户体验,有利于餐饮企业服务水平的提升[8]。文中所介绍的机械臂主要是高精度六轴机械臂下机位的结构设计

  1机械臂设计与分析

  1.1机械结构

  本文机械臂由基座、传动齿轮、伺服电机、减速器、腰关节、小臂、腕关节、手腕部分组成,共有6个自由度,均为旋转关节,即1轴为基座回转运动、2轴为上臂倾动、3轴为下臂倾动、4轴为手臂横摆、5轴为手腕俯仰、6轴为手腕回转,如图1所示。机械臂驱动部分使用BYF混合式双相步进电机,根据不同部位对扭矩的需求分别采用型号为28、42、57的电机基座。伺服电机以其速度可控、位置精准度较高、转矩和转速可由电压控制、精准控制逐渐成为主流[9]。因此,选择具有控制技术优势的伺服电机作为动力源,采用半闭环控制系统结合单片机制作控制器与控制电路操控,上臂部分能实现360°转动,手腕也可实现360°转动,仰俯程度也能达到270°,控制精度比使用舵机控制的机械臂提高5倍。在实际应用中机械臂可以被安装在餐厅餐具的收集口处对餐盘进行分类与清洗,在接入电源工作时会根据输入信息对运输来的餐具形状大小以及是否有残余剩饭等进行识别,随后在控制系统的控制下转动机械臂用铲状执行器将餐具按预设好的种类推入清洗场所,运到清洗场所让安装有清洗执行器的机械臂清洗。也可安装在打饭窗口配合支付系统实现打菜自动化。首先根据用户在点菜窗口的选择实现对菜品的侦选,同时底座的压力检测器也会保证餐品与价值的对等并且可以提供加价加量满足用户多元化需求。实现自动化的餐厅从管理上能在降低运营成本,提高工作效率,增加收益的同时提高用户用餐体验,机械臂的模式化服务提高了产品质量,在食材清洗与制作以及餐具清洗方面保障了卫生安全,并且机械臂可以24 h工作的特点解决了人工需要休息、工作效率受环境影响、人工自身健康影响食品安全等问题[10]。在本设计中,采用了带传动以及直接使用步进电机作为机械臂的驱动机构。解决了市面上低价位机械臂精度较低的问题,使制作的机械臂控制精度更高,并能够夹取物体的质量超越目前同价位的机器。此机械臂在换装不同夹具后可实现粗磨、精磨、抛光、切割、电动螺丝刀、精准夹取等功能,由于本身提高了机器人力反馈精度,各夹具任务精度都会提高,不会出现舵机产品那样剧烈的抖动且难以控制。机械臂在工作状态下,各个部位之间的连接由步进电机直接传动,避免了使用齿轮传动出现的误差。并且使用运行平稳传动距离远的带传动,带传动在工作过程中不仅噪声小而且当运行过载时,带在带轮上打滑,一方面可以保护机械零件,防止工作过程中过载对零件造成不可逆的损害,另一方面带传动极大地提高了机械臂的安全性,发生故障时对操作者的伤害较小,极大地保护了操作者的安全[11]。其结构简单,容易发现运行过程中的问题,检修与替换方便。

  1.2末端执行器设计与分析

  机械臂末端夹具是机械臂完成工作的最终执行机构,是与夹持目标对象最直接接触的机构,通过机械臂末端轴上预留的接口连接固定。以夹持圆形餐盘为例,分析末端执行器的合理性。

  机械臂末端执行器夹持目标对象的形态结构特征决定了末端执行器结构设计。本文假设餐厅为机械臂的工作环境,以机械臂夹取餐盘作为机械臂工作的主要内容,餐盘种类如图2所示。将圆形餐盘的结构特征作为机械臂末端执行器设计的参考对象。走访了6家不同餐厅,了解不同圆形餐盘的使用占比以及测量圆形餐盘的大小尺寸,通过测量不同餐厅圆形餐盘的尺寸大小取平均值,最后记录在表1中。由表可知,圆形餐盘的直径一般在1825 mm,高度一般在2~3 mm,根据这些数据进行圆形餐盘的结构设计以及三维建模,如图3所示。

  所设计的末端执行器夹取的目标物件圆形餐盘多为扁平状,因此基于章军等[12]提出的一种手指各关节可以像人手指关节一样运动可多种组合操作的机械手,根据人体手指的特性模仿手指的功能设计末端执行器为二指夹末端执行器。夹取形式设计为2种,一种是直接沿圆盘直径夹取圆形餐盘的直径夹取方式,另一种是夹取圆形餐盘侧面的厚度夹取方式,以餐盘厚度为夹取参考数据,如图4所示。

  夹取目标餐盘的直径大小对直径夹取方式影响较大,若餐盘的直径较大,则末端执行器的尺寸也会随之增大,夹取角度也随直径的增大而增大,且该方式夹取形式较单一,并且需要附加托举装置以保障夹取目标餐盘不会因为受力不均而失去控制摔毁。

  因此,设计末端执行器使用厚度夹取方式为末端执行器夹指的夹取方式,其适用范围更加广泛,不同宽、深及各种材质的餐盘都可以夹取。让餐盘从两夹指中间进入,然后由动力源带动传动机构使得夹指合紧达到夹住餐盘的目的。由于陶瓷材料制成的圆形餐盘与夹具材料ABS树脂直接接触时摩擦力过小容易出现打滑现象,在机械臂末端执行器与餐盘接触的位置安装橡胶防滑垫,以增大摩擦力,防止打滑导致餐盘损坏,装置结构如图5所示。通过对比带有齿轮啮合传动的连杆机构,执行机构则使用双支点连杆机构,保证末端执行器夹指抓取的对象始终保持在中心轴线上,不会随意变换,并且可以限制夹指的活动范围,以达到容易控制的效果。相比于齿轮啮合中会出现的滑齿,齿轮造价高的问题,双支点连杆机构很好地避开了此类问题。基于工作环境,在末端执行器上设有防尘罩,用来防止灰尘的堆积以及水汽腐蚀对执行机构的损害。在末端执行器上设有红外感应装置,来确保每一次抓取的成功率。在动力源的选择方面,基于设计的双支点连杆机构,选择液压传动作为动力源,而非采用传统的舵机,为了防止在抓取过程中舵机提供的扭矩不足导致夹不起餐盘的问题,所以选择更加稳定的液压传动。

  夹取过程如图6所示,机械臂将末端执行器传动到指定位置,由红外传感器识别餐盘位置,通过机械臂末端舵机微调末端执行器位姿,在确认到达目标位置之后,启动液压装置,液压杆被压出带动传动机构使得夹指末端靠近,在确认夹紧之后,将餐盘运输到目标地点。机械臂控制的稳定性、高效性是机械臂高精度操作目的。通过传感器放置、机械臂末端信息的收集、设计机械臂末端执行器夹具的控制器,实现机械臂高精度操作的控制,因此选择红外传感器[13]。

  利用SolidWorks三维建模软件对末端执行器的机械结构进行建模,末端执行器各部位名称如图7所示,在夹指末端,夹取物体的方式还可以往吸盘式机械结构方向发展,通过气泵的抽取使得在末端形成一小部分真空环境,让夹取的目标物体与末端相接,在完成运输工作之后通入空气解除真空环境,使得目标物体与夹指分离。在传感器上也可以选择视觉传感器以及重力传感器等,使得末端执行器更加智能。

  2控制系统设计

  本文控制系统使用起源于国外,近几年在国内十分受欢迎的开源电子开发创作平台系统Arduino,因为其具有的系统兼容性强,自身操作简易,编程语言简单,成为了许多控制系统元件的首选。图8所示为使用Arduino语言编写的部分程序。使用Arduino IDE软件对Arduino电路板进行程序编写,从而完成对下位机的程序控制。利用Denavit-Hartenberg矩阵与几何分析方法对高精度六轴机械臂末端位姿进行分析计算,求解给定末端位姿的操作臂逆运动学问题,推导得出了关节变量的相应的计算公式,进一步研究了机械臂机器人的运动学、动力学、结构及控制设计,程序框架如图9所示。

  在使用Arduino IDE软件对机械臂运动进行编程时,在编程的过程中首先确定了底座与平台相接触的部位为零坐标系,并且以此为基础对其他轴的运动进行坐标系移动,坐标数据的变化计算。通过变换Denavit-Harten-berg矩阵的数据,使得机械臂在坐标系中发生相应的变化,并且通过编程操控步进电机对机械臂的运动提供动力,使机械臂通过步进电机的工作发生基础运动到达目标位置,但由于考虑到误差的影响,在程序中我们通过Denavit-Hartenberg矩阵与几何分析方法,对机械臂目前所在位置进行对比与逆求解,对机械臂的位姿进行调整,使得机械臂不仅仅可以到达最终位姿,而且反求解的过程中可以验证机械臂运动过程中的合理性[14]。

  3实物制作和测试验证分析

  该设计采用3D打印技术制作的机械臂[15],其最为显著的优点就是更加节约原材料,降低生产加工成本。以模拟机械臂在餐厅内夹取餐盘的工作为例,采用以ABS人工合成树脂材料为3D打印材料。这种材料是目前受广泛应用的打印材料,其本身具有强度高、韧性优良、抗冲击性能优秀,耐磨性能好等特点,可以适用于餐饮,医疗等。并且ABS树脂材料可以满足机械臂工作强度,不易在工作中损坏或者变形[16]。在电脑上完成Solid-Works三维立体建模之后,为了更加真实地验证该设计的科学性和可行性,将通过3D打印出来的机械臂模型在实验室内模拟在餐厅后厨夹取餐盘的工作状态,验证其夹取成功率以及最大夹取质量。在机械臂运动过程中,可以更加直观地观测并分析机设计中存在的问题以及优化方案,可基于实物反证该设计的合理性和可推广性。装配时以六轴手腕回转为例,在3D打印出零件成品后,使用锉刀将打印中的树形支撑打磨平整,再将M3螺丝装入提前预留的螺丝孔中,以固定电机和零件。以同样的方法将机械臂最终实物装配出来,3D打印实物如图10所示。

  该设计可用于服务行业进行餐盘分类,将机械臂的末端执行器改为推盘式并添加防滑胶垫防止损坏餐具,将其放置在餐具收集窗口末端,它即可以通过识别餐具的形状与大小将传输带运输来的餐具按照预设的种类推进收集框。随着机械手的微型化、小型化,其应用将会更加宽广,不再限于机械领域,将在所有的制造装配行业、医疗领域、生活上得到广泛应用[17-19]。

  4结束语

  本文通过使用SolidWorks三维建模软件对高精度六轴机械臂进行三维模型设计,将Arduino语言中的Arduino开发板作为控制系统,最后使用3D打印技术完成实物制作。该机械臂可以完成多自由度的运动,在此基础上机械臂末端可通过安装不同的执行末端以实现多功能应用。以实际应用为方向设计出应用于餐饮行业能实现对餐盘固定夹取功能的末端执行机构,提高了清洗或传递盘子的效率。同时可以通过添加不同类型的传感器以及不同种类的末端执行器在各个工作岗位代替人工。本文研究结果扩大了机械臂未来的应用领域,使它不再局限于工业装配与医疗领域,开拓了服务业等全新的领域,在推动智能机器人普及上起到了积极作用。为工业机械臂功能与应用的创新与工业机器人未来发展方向提供了参考。

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