五自由度桌面级多功能机械臂设计

董琦　曾繁迪

摘  要：随着社会需求的发展，工业机械臂逐渐小型化和轻量化，应用领域也向工业应用以外的其他领域拓展。目前，桌面级机械臂在教育（STEAM、创客）、医疗（辅助化验、手术助手）、科研（激光雕刻、3D打印）等领域均存在潜在市场。五自由度桌面级多功能机械臂在一般四自由度桌面机械臂（肩部转动、大臂摆动、小臂摆动、腕部摆动）基础上，增加腕部转动自由度，实现执行末端的球坐标工作空间，实现多功能设计;采用连杆机构实现小臂摆动，将前三个自由度的驱动电机集中放置，优化机械臂重量分布，从而实现轻量化设计。

关键词：机械臂;五自由度;轻量化;多功能设计

中图分类号：TP241         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0025-02

Abstract： With the development of social demand， the industrial manipulator is gradually miniaturized and lightweight， and the application field is also expanded to other fields other than industrial applications. At present， there is a potential market for desktop robotic arms in the fields of education （STEAM， Maker）， medical （auxiliary laboratory， surgical assistant）， scientific research （laser carving， 3D printing） and so on. On the basis of the general four-degree-of-freedom desktop manipulator （shoulder rotation， arm swing， forearm swing， wrist swing）， the five-degree-of-freedom desktop multi-function manipulator increases the degree of freedom of wrist rotation and realizes the spherical coordinate workspace at the end of the operation. to achieve multi-functional design; The forearm swing is realized by using the linkage mechanism， the driving motors of the first three degrees of freedom are centrally placed， and the weight distribution of the manipulator is optimized， thus the lightweight design is realized.

Keywords： manipulator; five-degree-of-freedom; lightweight; multi-function design

引言

随着社会发展和科技进步，劳动力成本持续增高，各制造强国都在大力发展机械臂（工业机器人）技术。机器人技术是一个多综合、多渗透的技术领域，是目前世界上最前沿的技术之一。目前，除工业界以外，机械臂的应用领域正在向服务业、医疗、教育、办公等领域拓展。

随着《中国制造2025》的出台，STEAM教育、创客教育日益受到教育界乃至整个社会的关注。作为当今最前沿的技术之一，机器人教育是进行STEAM或创客教育的理想载体。但目前成熟的机械臂技术，仍然集中在工业机器人领域（如ABB、KUKA等），它们一般外形尺寸庞大、运行精度高、操作力量大。但它们的价格也很高昂，不利于面向个人、或者小型创客团队直接销售。

近几年市场上也出现了一些桌面级机械臂，一般集中于两个市场领域：（1）通过采用轻质材料（塑料、亚克力板等）、减少自由度等措施实现轻量化和低成本，但在功能和精度上只能达到玩具级或准实用级，难以胜任机器人教育或实用需求;（2）将工业机械臂小型化或微型化设计，实现了近工业级的操作精度和实用性，但仍沿袭工业级的设计结构，难以做到消费级的低成本需求。五自由度桌面级多功能机械臂拟以轻量化机的械臂设计为研究目标，进行高精度、多功能、高性能比的消费级桌面机械臂研发，将价格做到“消费级”，尺寸做到“桌面级”。[1]

1 创新特色

本机械臂的创新点主要体现在自由度的增加。一般桌面机械臂是四自由度设计，包括肩部轉动、大臂摆动、小臂摆动、腕部摆动，各自由度驱动电机串联布置（如图1所示）。本项目增加了腕部转动自由度（见图2中电机4的自由度），可实现执行末端的工作区域为球坐标空间，实现多功能设计。如激光雕刻时，一般机械臂只能实现单一平面的水平雕刻，本机械臂可以实现末端执行器360°球坐标转动，从而实现多面雕刻。[4]

2 主要设计内容

2.1 轻量化设计

一般机械臂主要采用各自由度驱动电机串联的结构（如图1所示），第三自由度电机置于大小臂之间，重量分布不合理，不利于实现高速精密运动。本机械臂采用连杆机构实现小臂摆动，将前三个自由度的驱动电机集中放置，优化机械臂重量分布，实现轻量化设计。[3]

2.2 运动范围优化

本机械臂包括4个步进电机和1个腕部舵机，其中步进电机1控制整个机械臂肩部转动，步进电机2控制大臂摆动，步进电机3通过连杆机构控制小臂摆动，步进电机4实现腕部转动、末端执行器摆动，腕部舵机控制末端执行器进行抓取等操作，工作空间如图3所示。

2.3 应用领域的扩展

本机械臂具有轻量化、多功能的创新型特点，设计过程进行成本控制，末端执行器进行模块化设计，可选配激光头、3D打印头、吸盘操作机构。[2]

项目推广后，可广泛应用于STEAM教育、创客教育、医疗、辅助康复等领域。

3 机械臂应用领域

桌面级机械臂主要应用于教育、医疗、辅助康复等领域，本机械臂将针对不同应用领域进行功能上的市场细分，挖掘潜在的最大市场需求。

3.1 教育领域

高校机器人实验教学机械臂可进行实验操作展示，末端实现模块化设计，可以安装激光头、3D打印头、吸盘等来用作激光切割机、激光内雕机、3D打印机、小型码垛机等;对于高危实验，机械臂可替代人工实现，增加实验安全性。

中小学机器人教育机械臂拥有可编程主控板、各类传感器、语音、视觉识别模块等，通过按键、摇杆、语音控制灯光和机械臂，使学生全方位感知人工智能;同时，本机械臂支持二次开发，通过Arduino的编程语言控制，并兼容Mixly编程软件。

3.2 医疗领域

手术室助手在微创手术中，机械臂可以实现对外科仪器前所未有的精准控制，还可以用来定位如内窥镜、胆囊手术以及胃灼热和胃食管反流的矫治等。

辅助化验时，利用机械臂化验不仅能省去大量的人工化验费用，大大减少了化验成本，使得大批量的样本能在较短的时间得到化验，而且有效避免或減少了人体接触有害液体，代替人工完成许多有害液体的化验。

3.3 康复医疗领域

机械臂采用多自由度关节型设计，可辅助康复期伤员病人或老人完成日常生活中的一些基本动作，起到延长手臂的功能。

3.4 其它领域

如轻工业，如码垛、搬运、分拣、装配、包装、切割、喷涂、雕刻、贴标、印刷等;服务业，如倒水、沏茶、调酒、下棋、拍摄、医疗服务等;以及书写、绘画、3D打印、激光雕刻等科技爱好者的技术需求。

4 结束语

本机械臂在一般四自由度桌面机械臂结构基础上，增加腕部转动自由度，实现执行末端的球坐标工作空间，并采用连杆机构实现小臂摆动，将前三个自由度的驱动电机集中放置，优化机械臂重量分布，实现了桌面级机械臂多功能、轻量化的创新设计设计。为机械臂在教育、医疗、科研等非工业领域的应用提供了技术基础。

参考文献：

[1]李晓楠.机械臂的整体方案设计[J].冶金与材料，2019，39（01）：94-95+97.

[2]李道义，陈雷，尚小龙，等.菠萝采摘机械手结构设计[J].农业工程，2019，9（02）：1-5.

[3]张伟业，张炜，华龙新，等.一种新型的桌面级机械臂[J].中国科技信息，2018（16）：53-55.

[4]石昀杭.智能取料机器人的结构设计与分析[C].中国智能交通协会.第十三届中国智能交通年会大会论文集.中国智能交通协会：中国智能交通协会，2018：797-806.

[5]曹国强，赵智睿.桌面级关节型博弈机器人结构设计与性能分析[J].机床与液压，2017，45（17）：6-9+14.