機械工程中機械手臂應用研究

張朝權

摘要：機械手臂不僅僅促進了工業領域的發展，而且也滿足了我們的日常生活的需求。然而，在我國，機械手臂的設計仍存在著許多的缺陷，在機械工程領域應用還不是很完美，需要相關技術人員繼續努力創新，將設計理論應用的實際中，促進我國機械工程領域的發展。

關鍵詞：機械工程;機械手臂;應用

在國內對兩條機械臂機器人的科研大概只有5～6年的時間，尚處與模仿和學習階段。也可以這樣說，我國對于兩條機械臂機器人的研究才剛開始接觸。由于受到相關資料和科研要求的限制，當前國內對兩條機械臂機器人的科研大多就相關行動路線規劃、動力學及調控這些內容。根據相關統計，幾年前我國雙機械臂機器人行業生產情況并不樂觀，2014年僅僅只有8臺，2015年訂單變為50臺，之后便是以翻倍的速度上漲，2016年為122臺，2017年更是達到了220臺。雖然我國有著廣大市場，但是綜合分析，由于我國在雙機械臂機器人領域或者說在工業機器人行業的基礎技術，行業資源，核心技術都比較欠缺，應用不是很廣泛。

一、機械手臂的分類

社會的進步離不開科技的發展，而近年來智能機器方面因為其可用范圍寬廣，可操控性強，經濟實惠效益大而備受關注，也使各大高校組織，科研機構或企業主動投入大量的人才與資金進行大力研發。而在各類智能機器人的研發中，智能機械手臂的開發使用獨樹一幟，機械手臂能夠不考慮疲倦與危險，直接提高工作效率，減少工傷事故，同時具有維修方便，可控性強等特點。本設計采用STC15單片機作為控制平臺，擁有七自由度機械手控制系統，可以進行調試與儲存的功能，同時添加的語音控制模塊也使該設計具有人機對話功能和語音控制信號的功能。整個系統設計靈活智能，可控性強，對于機器人的研究教學或者工業開發模型方面提供一個實驗系統，具有很強的研發意義

1直角坐標型機械手

這種形式的機械手他的精度和方位不跟著工作空間的變動而改變，很輕松的就可以獲得高的精度。然而，這種類型的機械手操作空間很小，手臂收回的同時又朝相對的反方向伸出，因此會阻礙工作的正常操作，并且這種機械手占地空間要求大，會很占地方。

2圓柱坐標型機械手

該類型機械手能夠繞著中心軸轉一定角度，其工作空間也可以變大，相關計算方法較簡潔;直線移動的部位運用氣壓傳動，這樣可以做到輸出功率更大化，能夠順延到機體[2]。不過，它的手部能夠到達的空間局限性很大，不可以到達靠近柱子或接近大地區域;平行移動的傳動部分的密封、防油等工作比較困難;小臂在進行作業時，小臂后端可能接觸工作空間中的其他物件。

3球坐標（極坐標）型機械手

該類型的機械手用三個包括移動和旋轉的活動關節來確定目標的地方，通常需要加上一個旋轉的關節以此來確定目標的位姿。該類型機械手可以圍繞一個主軸進行轉動，中心主軸區域的作業空間很大。但是該機械手比較復雜，操控起來很不方便，而且直線運動的傳動依然有密封及作業死角的難題。

4多關節型機械手

該類型機械手臂是一種比較適合接近目標操作的傳動方式。它像人的手臂一樣有多個活動關節，可以達到幾個自由度共同作業的目的，行動起來十分的靈便。該種形式機械手有大臂和小臂的運動，以及肘部位和肩部位等各個關節的活動[3]?？梢宰鰯祩€方向的轉動，作業空間很大，行動靈便，通用性很好，但是定位的精度不太好，調控裝備十分繁瑣。該種形式機械手擁有上肢的部分結構，有類似于人工操作的性能。

二、機械手臂的應用領域

機械手臂]主要有四個大部件：1）爪部，通過傳動機構的動作來引導手抓執行末端的張合。2）腕部，腕部的作用是連接手抓和機械臂的傳動部分，腕部的動作主要是為了改變夾持目標的位置，該部位活動靈便，轉動慣性很小。3）臂部，機械臂是機械手重要的組成部分之一，機械臂主要起到支撐和傳動運動的作用，是極其重要的部分之一。4）機身，機身是具有支承的作用，也是用來傳動手臂動作的部件。

機械手臂的設計對人類發展具有重要意義，機械手臂在航天航空試驗測試、多自由度模擬仿真、多自由度動感娛樂、多自由度精密加工、機器人、機械升降平臺、汽車壓機、汽車制造設備、機械自動化生產線、鋼鐵連鑄、石油化工、物料搬運、注塑機、模具控制、閥門控制、精密機床、制藥機械、食品工業等領域均有較為廣泛的應用。

三、系統軟件設計

系統軟件設計步驟主要分為以下幾個部分：（1）啟動系統后進行機械手動作初始化;（2）動作初始化完成后，存儲初始化動作;（3）識別接收語音控制命令;（4）加載命令對應的動作指令序列;（5）發送其指令序列到舵機控制電路;（6）完成指令序列對應動作。

四、系統測試及其誤差率

語音識別模塊測試時先設置詞條和反饋語文本，詞條：@WriteKeywords#開燈001|關燈002|$;反饋語文本：@WriteFlashText#|001馬上開燈|002馬上關燈$，然后將模塊識別模式設置為“對話模式”，發送指令@AsrMode#1$，設置模塊“返回值輸出格式”為“單字節輸出”模式。當用戶喊“開燈”時，回答“馬上開燈”，LED亮起;當用戶喊“關燈”，回答“馬上關燈”，LED熄滅。當語音模塊成功測試連接后開始測試實驗，設置“拿起”“放下”為語音指令，在進行二十五次檢測中失誤兩次，成功二十三次。成功率達到百分之九十二。

本設計主控芯片選取STC15MCU為主控芯片，由其控制七自由度手臂完成簡單的動作和抓取任務，再結合舵機控制電路和語音識別模塊，機械手臂可以向上，向下，左轉，右轉，伸手，合手等動作;能準確的接收到使用者的指令，將一個物體抓取起來，并遞給使用者。關于機械手臂在智能機器人與工業型機器人的教學研究和應用領域方面發展越來越廣泛，必將在不久的將來擁有一席之地，而該系統可以對現在的教學研究和工業生產方向當做教學模型，擁有非常好的實際作用。

參考文獻：

[1]? 蔡自興，徐光祐.人工智能及其應用[M].北京：清華大學出版社，2004：94-186.

[2]? 黃智偉，鄧月明，王彥.ARM9嵌入式系統設計基礎教材.北京：北京航空航天大學出版社，2013：87-107.

（作者身份證號碼：350426198201236012）