小型桌面机械手控制系统及驱动部件的设计*

徐嘉豪，邓　君

(东莞理工学院 机械工程学院，广东 东莞　523808)

0　引　言

机械手是一种自动化设备，能够依照预设的程序或要求去模仿人类手部的动作，代替人手夹取和移动物体[1]。随着诸如海洋、极地这样人类难以到达的地域的资源开发利用以及“机器换人”的风潮，机械手作为能够代替人手完成各种任务的执行装置，在各种各样的机器人领域中都显得越来越重要。而机械手不止能应用于工业生产和科研，新时代人们的生活越来越智能化，机械手定将作为一种方便的代劳工具进入人们的日常生活。机构的自由度是指运动机构能够进行相对滑动和旋转等的独立的运动方式[2]。设计机构的一项至关重要的参数就是自由度，自由度数目越多，设计出的机械手的结构就越复杂，就有更好的灵活性和通用性。笔者对桌面机械手的控制系统及驱动部件的选择进行了研究，并设计了一种四自由度串联结构桌面机械手。爪部的基础结构为一个夹持的夹子，可以胜任简单的流水线工件夹持和移动任务。

1　机械手总体功能

一般来说机械手都由肘部和手部两个机构构成。肘部能够通过构件间的相对旋转和移动或复合运动来达成指定的动作，带动手部改变位置和姿势。手部的结构形式有托持型、吸附型和夹持型三种，可以实现抓持物体(或工件)的功能[3]。可以通过在手部安装不同的构件实现工件的移动，摆放，组装以及绘画、激光雕刻等功能。

2　控制系统选择

除去已逐步被淘汰的传统的继电器控制，现在市场上机械手控制系统主要采用可编程控制器 PLC和微机控制，可编程控制器 PLC的控制系统一般成本较高，具有运行稳定，易于使用和维护，易于编程，有较强抗干扰性等优点。 采用微机控制有较强的智能性，价格低廉，中国中小企业发展迅速，而这类企业往往需要廉价的生产设备，所以微控制器对于核心设备的控制具有无与伦比的优势，因而基于单片机器人控制系统具有很强的活力[4]。本文研究的机械手为桌面式机械手，要求机械手体积小，运动精确，重复定位精度高，响应迅速且价格便宜，以此决定采用CNC USB控制。

Computer number control (计算机数字控制机床)简称CNC(数控机床)，该控制系统可以用控制代码或其他符号指令逻辑地处理程序。CNC控制板的主控芯片为atmel328P单片机，控制器由C编写并优化，其稳定，无偏差的控制脉冲可以保持在30 kHz以上。它通过多个CAM工具的输出测试，接受标准G代码。 螺旋运动，圆弧和圆形可以像其他基本的G代码命令般完全支持。CNC控制板已集成多路电机驱动模块，工作电压为12到36伏，能够直接驱动多个工作电压为12 V以内的步进电机。相比于市场上流行的51单片机控制的小型机械手，采用CNC控制能节省外接驱动的麻烦，用于运动控制系统中简化了电路结构，提高了控制精度和稳定性，能实现较为复杂的控制，增强了系统的灵活性，既保证机器手的可靠稳定运行，又能降低设备成本。编程方式采用标准GCODE编程，轨迹编程方式，需配合PC端及CNC USB Controller 或GRBL Controller等软件，具有精度高，自动化程度高，工作稳定，编程简单的特点。如图1所示。

图1　CNC USB Controller界面

3　驱动部件选择

本文研究的四轴机械手采用三个四相步进电机加行星减速驱动作为手臂的驱动部件。当前市场上的大多数的小型机械手均采用舵机作为驱动,舵机的英文是Serve，是一种低端伺服电机系统，也是最普遍的一种伺服电机系统。它将PWM信号与滑动变阻器的电压进行比较，通过硬件电路实现固定控制增益的位置控制。舵机包含了传感器、控制器和电机,是完整的伺服电机系统[5]。虽然精度不高，位置镇定的能力不足，但是价格便宜，结构紧凑，可以满足一些低端要求。采用舵机驱动的机械手，多存在精度不足，响应较慢且会抖动的缺陷。适用于旋转角度不足一周，精度要求不高的场合，例如机械手手部的夹取机构的驱动部件。

步进电机的角位移与输入的脉冲数成正比，并与脉冲及时同步。数字控制信号和电脉冲信号可以通过步进电机转换成相应的角位移。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向[6]。可以在较宽的频率范围内，通过改变脉冲频率来实现速度，快速启停，前进和后退控制等[7]。步进电机无需涉及伺服系统的复杂反馈回路，便可以实现良好的定位精度，具有成本高，易于控制，无累计误差的优点[8]。由其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可靠[9]。四相步进电机的每一个步进角度是1.8°，有128个细分，其精度能够达到1.8/128；而与之相比，使用舵机作为驱动部件的机械手一个脉冲只能运动0.18°，本文研究的机械手要就有较高的精度且运行平稳，故而采用步进电机作为驱动部件更加适合。一般舵机机械手的精度是10 mm，而采用步进电机之后的重复定位精度可以达到0.2 mm。

4　机械手结构

如图2所示为机械臂结构，短臂摆长 155 mm，长臂摆长 180 mm，由底座至短臂摆轴垂直距离109.3 mm，短臂直立收起时整体高度不超过300 mm。桌面机械手需要在能够完成多种功能的前提下尽量减小体积，于是在设计时将机械手收起状态下高度控制在300 mm以内并最远能伸至离轴400 mm以上，使用Simulation进行受力分析。四自由度分别是指机械手整体的旋转，由步进电机1驱动；短臂的旋转，由步进电机 2控制；长臂的旋转，由步进电机3 控制以及由舵机控制的爪子的夹持，夹持宽为60 mm。如图3所示，机械臂末端运动范围最高点离底盘322.7 mm，最低点在底盘平面以下159.6 mm，最近点离整体旋转轴172 mm，最远点可伸到离轴442 mm。末端重复定位精度达到0.20 mm，夹持末端工作负重为1 kg，最大负重2 kg。底座及夹持结构可拆卸更换，可夹持毛笔或钢笔进行书写，亦可安装雕刻激光器进行激光雕刻或安装3D打印套件实现3D打印。

图2　机械手结构　　　　图3　机械手运动范围

5　结　语

本文研究了桌面机械手的控制系统及驱动部件，采用CNC USB控制和四相步进电机后，其定位精度及响应速度完全能够满足一般桌面机械手的要求，配合编程软件CNC USB Controller可以完成物品移动、摆放等简单工作，亦可以直接输入图形实现书写和绘画，或者将手部更换为雕刻激光器可完成激光切割和雕刻，具有广阔的应用前景。