网站原创摘 要：论文设计了一种由直流减速电机和伺服舵机构成的六自
由度机械手臂实验装置,VC++上位机界面通过串口控制机械手臂的运行,借此六自由度机械手实验装置可以在实验室内测试各种控制算法和控制理论,为机械手控制研究提供极大的便利.
关 键 词：机械手模块设计控制系统
机械手主要应用于劳动密集型的加工行业,代替人类完成单调重复的劳动,提高生产效率和产品合格率.机械手的应用扩大了人的手足和大脑功能,使人类避免从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作[1].目前已广泛应用于汽车制造、家具制造、服装加工等领域.
1机械手机构设计
1.1底座结构设计底座是用于安装手臂、动力源、控制器和驱动机构的支架.本机械手底座支架装有一个减速电机和一个智能控制器,如图1所示：
1.2手臂结构设计手臂是连接底座和手部的中间部分,有无关节臂和有关节臂之分,目前采用的手臂大多为无关节臂[2],本文采用有关节臂.
手臂的作用是引导手部准确的抓住物体,并运送到所需要的位置上.为了使机械手能够准确的工作手臂的三个自由度都要准确的定位.本机械手手臂结构采用三个SR-40舵机及其相关卡口工件组成,三个自由度可使机械手手臂结构更加自由灵活地运动,手臂结构如图2所示：
1.3手部结构设计手部安装在手臂的前端.手部由两个舵机控制,从而实现手腕的反转和手指的关闭.
机械手手部的构造系模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种[3].手指的数量又可分为二指、三
指、四指等,其中以二指用的最多,设计时采用的二指结构,其中一指固定,另一指由舵机控制.手指可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要.所谓没有手指的手部,一般是指真空吸盘或磁性吸盘.机械手手部结构包含两个自由度,一个自由度用于夹持物件,另一个自由度用于反转手腕,两个自由度均由HS-7955TG舵机实现,手部结构如图3所示：
机械手装配完成后的整体设计效果图如图4所示：
2机械手臂驱动设计
常见的驱动机构主要液压驱动、气压驱动和电气驱动.其中以液压驱动、气压驱动应用的最多,而电动驱动应用的比较少.液压驱动主要是通过缸、阀、油泵和油箱等实现传动.具有体积小、作用力大,动作平缓,调速方便等优点,但需要配备油泵等动力设备,系统复杂,成本较高.气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等.以空气作为动力传递媒介,具有维护简单、方便,运行清洁,但因空气的可压缩性比价高,一般难以线性控制.电气驱动采用的不多,一般以电机作为动力源,用大减速比减速器来驱动执行机构,系统简单,维护方便,但因电机功率原因,很难达到较高的功率输出,不适合高负荷野外工作.
2.1机械手驱动方式的选择与设计因为本文所设计的六自由度机械手为实验室内部研究使用,故不需考虑能源供给和功率问题,反观液压驱动和气压驱动都需要庞大的配套系统来支撑驱动,所以本文采用电气驱动方式.驱动元件主要包括减速电机和舵机.图1中的减速电机采用OpenCS5A/8A智能驱动器进行控制,实现其速度控制和位置控制.OpenCS5A/8A是一款应用最新的DSP控制技术开发的集运动控制、驱动、PLC功能于一体的智能控制
与数字伺服驱动器,内嵌高级运动控制语言（TML）,使其易于实现无刷直流,无刷交流（矢量控制）旋转或直线,有刷伺服电机的单轴与多轴控制.机械手的其余关节使用舵机控制,舵机是一种位置伺服的驱动器,控制信号是PWM信号[4],利用占空比的变化改变舵机的位置.舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms-2.5ms范围内,其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化.具有控制简单,安装方便等优点.
2.2机械手控制系统通信设计机械手的控制系统设计主要包括驱动机构（减速电机和舵机）的控制、上位机控制界面的设计以及上、下位机之间的串口通信等.机械手控制算法经上位机解算后将控制信息经串口发给下位机MCU,下位机根据位置信息分别控制各个减速电机,从而实现机械手的精确控制[5].
3基于VC++的控制界面设计
上位机控制界面主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区、机械手运行示意图等几个部分,如图5所示.
舵机控制采用滚动条的方式,并将每个舵机转动的角度实时显示在右侧的编辑框内；电机控制采用速度控制,主要包括电机的正转、反转、停止等；机械手运行示意图显示机械手的运动情况,当某个舵机或电机运行时,示意图上相对应的舵机或电机位置将会加亮,表示这一舵机或电机正在运行[6].
4结论
论文主要提供了一种机械手的设计思路,进行硬件制作和控制系统的设计,最终实现机械手的实时控制.解决了减速电机控制、多路舵机控制和上、下位机之间串口通信等难点问题,为实验室机械手位置控制算法的研究提供了实验研究基础,为实验室研究机械手更加精确而又复杂的控制算法提供了实验平台.