一种5自由度多功能机械手的设计制作
汤云龙 张继宇 许成斌 刘兴业 哈尔滨工程大学 信通学院 08831班
摘 要：能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，被称之为机械手。因此在这里提出一种新型的5自由度的多功能机械手的设计以及制作。其主要控制部分使用FPGA 主控板，驱动使用L298电机驱动，五个活动关节为3个电机，两个电机，使用模拟数据转换器AD 。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，具有轻便，操作简单，制作成本低，环保节约能源等特点。
关键词：仿人体；多自由度；机械手；程序操作
机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装
置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。这里提出一种关于一种5自由度多功能机械手的设计以及制作。
研究背景以及意义：
机械臂是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械臂研究始于20
世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械臂，1948年又开发了机械式的主从机械臂。机械臂首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF 公司推出的“VERSTRAN ”和UNIMATION 公司推出的“UNIMATE ”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。对于机械臂的应用有广泛的拓展空间，有着重要的意义。
具体设计制作实施方案
在设计制作5自由度多功能机械手时，采用整体设计分步实施的方法。分
为硬件部分设计，机械部分设计，软件编程设计，其整体系统机构流程图如下：
图1. 系统流程图
1. 机械部分的设计制作
机械部分的制作设计分为机械手的设计制作以及机械框架的设计制作
机械手的设计制作：
设计机械手使用的是SOILDWORKS 3D绘图软件，设计单个零件部分，并进
行装配组装。整体使用办齿轮连接，以及两组四连杆结构构成。使用厚度为2MM 的电木板使用电木板进行加工。后使用高强度胶水进行黏合组装，使用螺丝进行关节活动固定。
图2. 机械手装配图
机械框架部分设计：
整个机械框架结构部分由底座、底盘、U 形架、支架、电机架、舵机架等部
分构成。底座采用金属支架支撑，用于固定转向电机和支撑机械臂。底盘由联轴器直接固定在电机轴上，能减少摩擦力，旋转角度很大。
图3.U 型框架图
关节间由U 形架连接。这种设计比普通的杆连接更加坚固，可以防止机械
运动产生晃动影响实验效果。并且电机可以安放在U 形架的底部，方便组装机械臂。如上图所示，在U 形架底部和两端打孔，用于组装电机和轴，极大的方便了机械臂的制作。由于U 形架的厚度叫薄，不能镶有轴承，所以对电机和舵机会产生些阻力，但影响不大。在轴的设计过程中，采用了如上图的设计。原设计中轴是由直径10mm 到直径4mm 过度的一个同心轴。考虑到加工的困难，更改了设计，并利用原有材料（一根直径8mm 的长轴）截取，降低了加工难度和
成本。
联轴器同样应用旧材料，参照实验需求，采用先安装后打孔的方法，摒弃
了原有的设计思路。既节省了加工时间，同样降低了成本。
图4. 机架图
电机架如上图，是关节级联的核心零件，适用于多自由度机械手、仿生机
器人、双足竞步机器人、类人型机器人。
图5. 舵机架图
上图为舵机支架，采用双侧固定舵机。因为舵机是机械臂抓取和腕部的驱
动设备，承载受力较大，需要抓取物体，所以要求固定坚固。如图的设计方法，能有效的减少支架的重量并且有效的固定舵机。
2. 硬件部分的设计以及制作
由于采用舵机以及直流电机的动力输出，控制部分使用FPGA 主板，驱动使
用L298进行四路控制。控制部分制作以及设计较为简单。
图6.L298电路图
此图为L298的电路图。每路共有2个借口，为了防止电机旋转中产生哦和
电流的干扰使得电路主控板失灵或者烧坏，因此使用电子隔离。舵机使用过程中不适用电机，使用5V 的稳压板直接接住控制板。
3. 软件的编写设计部分
控制部分：
为了提供足够的驱动力矩，近基三个关节采用微型直流伺服电机，该电机
能够最大提供3N M 的输出力矩，相比于舵机来说，它能够提供更大的力矩，使整个系统能够稳定工作。但是由于直流伺服电机是一个开环系统，不能像舵机一般简单的控制，它在提供了系统稳定性的同时，带来了更大的控制难度。
为了解决直流电机的控制问题，采用角度电位器与AD 采回直流电机的角度
值，与控制器组成一个闭环控制系统，这样实现了直流电机的位置控制。这里控制器采用位置PID （比例积分微分控制器）对电机进行准确的位置控制。
PID 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规
律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称 PID调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID
控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P ）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出
与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
图7. 运算过程
积分（I ）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分
成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入 稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。
微分（D ）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分
（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。
PID 控制系统框图
PID 系统公式： t
u (t ) =K c e (t ) +K i ⎰e (t ) dt +T d
0de +u 0dt
K i 其中e(t)为误差值，K c 为比例常数，为积分常数，T d 为微分常数。
通过选择合适的常数值，可以达到高速、稳定且抗干扰能力强的电机控制系统。图XX 为较理想的PID 阶跃响应曲线：
图8. PID阶跃响应曲线
图xx 为Verilog HDL生成的PID 算法模块：
图9.PID 算法模块
整个系统的运动控制由可分为人为手动控制，以及程序自动空制两种。图XX 为运动分配控制器模块：
图10. 运动分配控制器模块
控制器使用4位播码开关进行状态设置，用一个按键进行触发。控制器输入端为角度值以及外部控制交互接口，它输出舵机角度值和电机角度值，再又后级执行器进行PID 控制器实现最后产生PWM 信号控制电机和舵机的工作。功能表如图xsx ：
图11. 图表
在自动运行状态下，系统先回到默认位置，然后执行一段程序内部定义的动作整个控制部分主要围绕整个系统的运动控制展开，难点在于直流伺服电机的位置控制，以及各关节之间的耦合控制问题。
总结：
该作品为控制与机械类作品。主要通过运用机械模仿人的手臂关节弯曲来完成抓取运动。本作品通过增加关节数来增加机械臂的自由程度，已完成更高难度的抓取动作。为了适应当今机械臂高速化、轻型化的需要，该作品采用轻型合金作为机械臂的主要材料，通过选用直流伺服电机（该电机具有精确的速度控制, 转矩速度特性很硬, 原理简单、使用方便, 价格优势）来增加机械臂的速度和灵敏度。采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。大小臂均采用薄璧与整体骨架构成的结构形式，有利于提高刚度，减轻质量。内部铝铸件形状复杂，即用做内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，是连接件减少，工艺简单，减轻了质量。 在创新上，该作品采用了多个运动关节，大大的增加了灵活性和作业范围。技术关键在于通过控制器使各个电机还有舵机相互配合，协同一致。能够按照预定的指令完成相应的动作，实现抓取的功能。而且抓取这个动作能够快速准确的完成。这一项技术指标可以通过测出它的完成时间和相对位置的偏差可以加以掌握和更正。
这种5自由度多功能机械手具有有结构简单、重量轻、操作方便等特点，可通过程序完成固定动作的抓取和移动操作。且由于没有复杂的机械结构，成本很低，具有很大的升级空间和运用空间。该作品通过模仿人的手臂关节运动，可完成多角度的抓取移动工作，可长时间进行工件加工处理、军工制造等多方面的工作。如果加装传感器，则可增加机械臂的应用范围，可用于太空机器人自动采样等工作。该作品只是用于模型研究用，如果采用大功率电机，则可进行工业产品的装卸等人力难以完成的工作。该技术同样可应用于医学外科手术、汽车工业、铸造工业等高精度场合作业。机械臂可以在各种复杂环境（缺氧、高温、严寒等）下工作，进行各种科学探索，丰富人类对大自然的感知，成为各种科技研究工作的一大助力。因此该作品可以通过各种附加件来完成很多领域的工作，有很大的应用潜力和附加应用值。可以进行批量生产从而达到薄利多销或者增添附加件取得高档次的利润。
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