一种万能机械臂设计

[摘    要]机械臂是拟人手臂、手腕和手功能性的机械电子控制系统。拟人手臂、手腕和手功能性的机械电子控制系统;它可把任意物件或专用工具按空间位置和姿态的时变要求开展挪动，进而实现某一工业化生产的作业的要求。文章介绍了一种万能机械臂，通过增加支臂的数量，实现对作业区域内各位置以不同角度进行作业且可以自由转换机械臂运用接头，实现程序化逻辑控制机械臂动作，以高质量机械作业取代复杂的手工作业。

[关键词]机械自动;机械设计;万能械臂

[中图分类号]TP241 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–00–03

A Design of Universal Mechanical arm

Yuan Min-hu

[Abstract]The robotic arm is a functional mechanical electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands. A functional mechanical and electronic control system for anthropomorphic arms， wrists and hands; it can move any object or special tool according to the time-varying requirements of space position and posture， and then realize the requirements of a certain industrialized production operation. The article introduces a universal robotic arm. By increasing the number of support arms， it can work at different angles at various positions in the work area， and can freely switch the robot arm to use the joints to achieve programmed logic to control the action of the robot arm with high quality Mechanical work replaces complicated manual work.

[Keywords]mechanical automation; mechanical design; universal manipulator

1 概述

人类文明就是一个不断改良工具的过程，而工具的制作和运用都离不开相应的适配和驱动。自工业革命以来，人类建立了技术信仰，大规模繁重的机械式工作被机器所取代。机械臂用于代替人力工作，但在今天的相关技术中，机械臂功能单一、成本居高不下，因此机械臂的作用有限。本文设计的万能机械臂可以在不同的环境中满足不同的任务，并且易于运行和维护。如今，机械臂的使用开始普及，但在使用范围上仍不够完善，因为机械臂控制系统采用的是试教模式，导致机械手的设计特殊和应用难以满足不同种类的功能要求。为此，设计机械臂是为了改进或打破原有方式，拓广应用范围，降低成本，提高机械臂的使用效率。机械臂可以简化为刚体旋转模型，其中旋转的自由度决定了机械臂的功能和使用复杂度。因此，为了在实际使用中兼顾功能多样和使用简单两个方面，需要在设计中有所取舍，安排合适的转轴位置和方向，调整机械臂各段的长度和比例，进行充分的刚体运动分析，结合软硬件控制系统的开发，才能达到增加机械臂综合使用效果的目的。

2 机械臂的价值

本机械臂设计的目的是取代手工作业。当前机械臂的作用主要停留在抓取挪动和简单的作业，而大部分机械式的手工作业依然无法完成。这些机械式工作不仅辛苦而且技术含量低，难以获得可观的收入，这就导致这些需要大量人工参与的生产渐渐变得无人问津甚至制造业外流的隐患。而这些最普遍的生产活动又对我们生活不可或缺，如果让其他国家生产又容易授人以柄，所以本机械臂的运用拥有巨大的现实意义。

不可否认现实中很多矛盾就是源于那些辛苦不体面的工作没人愿意去做。从历史的角度而言，机械取代那些辛苦的机械式工作仅仅只是时间的问题，我们追求更高效更轻松的生产方式本就是社会发展的原动力。而机械臂大规模取代手工作业必然导致生产力的飞速发展，这丝毫不亚于蒸汽机电力和计算机这些现代技术飞跃的时代意义。

3 机械臂的优势

自工业革命以来，人类建立了技术信仰，大规模繁重的机械式工作被机器所取代。但制造业依然繁荣在有奋斗精神且人工成本低廉的地区，近几年的用工荒和制造业外流也是我们国家面临的严峻挑战。究其原因还是当前机械化存在功能单一的问题。基本所有的工作都不会是简单的一个步骤就可以完成的，这就导致当前功能单一的机械臂无法完全胜任大部分工作。而多功能机械臂可以根据需要切换不同的工具为完成不同的工作步骤创造基础，配合工作台和作业无死角的六关节机械臂为完成不同的工作步骤提供保障。

3.1 成本低

因為当前机械臂存在功能单一的缺陷，无法独立完成一项工作的全部步骤，所以现实中的机械臂不是有大量前置和后置的配套设施就是需要操作员的协助，在改善成本还节约人力方面是非常有限的。

反观多功能机械臂，由于切换不同的作业工具就可以用来完成不同的作业步骤。而机械臂主体，软件部分都是共用的，只需要配置相应的作业工具就可以完成一项工作的全部步骤。这样就省去烦琐的配套设施和人力协助，大幅度地降低成本。

3.2 运用方便

当前机械臂使用的主要是试教模式，每一个机械臂指令都需要专门的调校，且同样的工作换一个工作环境又得重新调校，这在无形之中就增加了机械臂的运用成本和技术门槛。

而多功能机械臂把每个具体的指令都分为作业指令和空间校准部分。空间校准部分可以通过机械臂内置完成，而作业部分可以配合相关工具配套提供。这样多功能机械臂在完成一个具体指令时只需要插入相关工具的配套指令即可，大幅度地降低机械臂的运用成本且复制性很强。

3.3 功能多样

当前机械存在功能单一的问题。基本所有的工作都不会是简单的一个步骤就可以完成的，这就导致当前功能单一的机械臂无法完全胜任大部分工作。而多功能机械臂可以根据需要切换不同的工具为完成不同的工作步骤创造基础，配合工作台和作业无死角的六关节机械臂为完成不同的工作步骤提供保障。

3.4 复用性强

传统机械臂使用的多是试教模式，每一个指令都需要专门的调校，且同样的工作换一个工作环境又得重新调校，这在无形之中就增加了机械臂的运用成本和技术门槛。

多功能机械臂把每个具体的指令都分为作业指令和空间校准部分。空间校准部分可以通过机械臂内置完成，而作业部分可以配合相关工具配套提供。这样多功能机械臂在完成一个具体指令的时候只需要插入相关工具的配套指令即可，大幅度降低机械臂的运用成本且复制性很强。

4 万能机械臂系统的组成

（1）本机械臂系统是一个完整的系统，不同的部件扮演着不同的角色。其中机械臂负责移动和配合作业台完成做功，而接头负责切换和使用工具，软件则负责识别和控制。各部分共同确保了机械臂的正常运行。

1.底部旋轴;2.底臂;3.底臂轴;4.下臂;5、下臂轴;6.中臂;7.中臂旋轴;8.上臂;9.上臂轴;10.前臂;11.前臂旋轴;12.末端

（2）万能机械臂的结构如图1所示。其中，底部旋轴负责机械臂整体的旋转;底臂、下臂、中臂、上臂、前臂起到支撑整个机械臂的作用，同时这些臂段具有一定长度，可以在各个轴的控制下使末端到达指定的位置;底臂轴、下臂轴、上臂轴旋转方向垂直于轴的方向，负责机械臂的弯曲和伸展;中臂旋轴和前臂旋轴旋转方向与轴的方向重合，形成“侧勾”、“回勾”等复杂动作，并调整侧向角度;末端可更换各种操作组件，如钳子、扳手等，用于实际操作。

以三抓接头为例演示一个紧固螺丝的过程：①固定工具1流水线抓取主件，配合作业台固定主件到作业台。②固定工具2零件槽抓取零件。配合作业台固定零件到作业台。③可切换接头3切换打螺丝工具，螺丝槽吸取（打螺丝工具可以自己吸，不可以吸的话用抓螺丝工具也可以）螺丝，用作业指令安装紧固螺丝。④固定工具抓取主件，作业台松开主件，放回流水线。

这样工业生产中一个最常见的螺丝固定就完成了，其中并不存在无法实现的难点。

5 万能机械臂系统的工作原理

在机械臂中，每一个关节都可以自由旋转，由旋转电机组成的驱动装置连接到其他臂端。连接臂的连接方向控制在与末端相反的方向，并将系统与垂直装置组合，实现两轴机械臂的旋转。为方便工作，机械臂的末端连接到工作工具上，可根据工作内容选择动作工具，如螺丝、扳手、钻头、刀、老虎钳等。

机械臂提供一个通用的控件，包括信息采集单元和控制台。其中信息采集单元为位置信息模块、人体传感器和压力信息模块;控制台配置为根据信息采集单元上的信息控制全局数据，以实现相应的动作。

用多功能机械臂完成一项具体工作需要确定的工作流程是：确定本项工作具体步骤——>;确定各步骤所需工具——>补充每步骤工作指令。

6 万能机械臂的操作步骤

（1）逻辑模式控制可以根据程序使用指定的格式，现有的控制系统存在一个可定制的空间，因为它不需要考虑其他机器人的状态，可以执行嵌入式指令，提高工作效率和质量。

（2）机械臂依照伸展技术方案，能够在操作范围内实现任何一点的操作。其中，任意三节臂段是一个三角形，可以在立体空间中指向任何一点。此外，在压力传感器的作用下可以实现任意力度的操作，这是实现万能操作的最简单方法。

（3）机械臂可以使用不同工具来完成不同类型的功能，并可以通过更换工作工具来实现对当前工作的技术解决方案。應独立更换作业机具，注意对作业精度的影响，用户可根据接口文档自行开发新的臂端工具。

（4）机械臂的当前状态表示操作的内容和功能的运行中的操作。摄像机返回图像综合信息，压力传感器、位置信息模块、人体传感器提供辅助信息。

机械臂减少了应用程序设计难度，使机械臂可以转换到不同的工作工具并完成相关业务。通过软件联合控制，机械臂可用于各类生产活动，适用于大规模重复操作，可以用全局机制代替过程控制，提高生产效率。

机械臂在控制方面使用了一种自由的方式来进行控制，即任何特定的任务中都包括两个重要步骤：状态确认和执行动作。当此参数中的任何特定工作都已完成时，可以执行此操作。

图像识别是判断图像状态的主要工具。然而，三维关联需要一些技术支持，可以通过图像变换来实现。压力传感器主要用于根据确定的压力执行操作，因为某些功能需要按压，如焊接、紧固等。使用人体红外传感器以防止意外伤害，防止有人在机械手环境中活动而造成伤害。

本文以螺钉安装为例论述万能机械臂的操作步骤。要安装螺钉，需要分为3个步骤：取螺钉、放置螺钉和紧固螺钉。此项任务需要两个末端工具，分别为夹持装置和紧固装置。

7 安装螺钉的具体过程

7.1 取出螺钉

取出螺钉包括以下几个方面：①切换到夹持装置，识别螺钉并将夹持装置移动到相应位置;②夹持装置动作，取到螺钉并移动到待机位置。

7.2 放置螺钉

放置螺钉包括以下几个方面：①查看螺钉并确定螺钉完好;②机械臂执行运动动作，以设定的角度将螺钉放置在指定位置。

7.3 紧固螺钉

紧固螺钉包括以下几个方面：①调用紧固工具并移动到操作位置;②执行紧固螺钉操作，根据压力传感器的结果判断螺钉是否已紧固。在此过程中，仅需要根据使用情况更换一次工具，其余操作均可利用图像采集和机械臂运动的功能来实现。对于部分难以操作的螺钉来说，也可在操作中随时更换前部操作端，并使用逻辑控制程序改变紧固螺钉所需的压力数据，从而满足该操作的泛用性。同理，对于其他人工操作，如焊接、拼接、按压、冲洗等，也可更换操作头、更改操作指令，实现设备的广泛复用。本机械臂系统是一个完整的系统，不同的部件扮演着不同的角色，再具体的工作过程中，机械臂负责移动和配合作业台完成做功，接头负责切换和使用工具，软件则负责识别和控制，各部分共同确保了机械臂的正常运行。我们的社会很多工作都是人工重复性地做，多功能机械臂的运用将会给我们的社会带来质的变化。

7 结束语

当今，工业发展日趋多样化，产品工序不断增加、工艺不断复杂化，给机械自动化操作带来了新的挑战。为了应对产品制造、维修、组装等不同领域的各类要求，需要设计一款多功能、高复用性、成本低廉的机械臂，配合新的传感器技术和控制技术，为机械制造提供新的助力。本文对万能机械臂进行了设计，阐述了机械臂的设计需求、组成、原理及工作步骤，以期为制造业机械化、自动化、现代化工作作出一定的贡献。

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