机械工程中机械手臂应用研究

张朝权

摘要：机械手臂不仅仅促进了工业领域的发展，而且也满足了我们的日常生活的需求。然而，在我国，机械手臂的设计仍存在着许多的缺陷，在机械工程领域应用还不是很完美，需要相关技术人员继续努力创新，将设计理论应用的实际中，促进我国机械工程领域的发展。

关键词：机械工程;机械手臂;应用

在国内对两条机械臂机器人的科研大概只有5～6年的时间，尚处与模仿和学习阶段。也可以这样说，我国对于两条机械臂机器人的研究才刚开始接触。由于受到相关资料和科研要求的限制，当前国内对两条机械臂机器人的科研大多就相关行动路线规划、动力学及调控这些内容。根据相关统计，几年前我国双机械臂机器人行业生产情况并不乐观，2014年仅仅只有8台，2015年订单变为50台，之后便是以翻倍的速度上涨，2016年为122台，2017年更是达到了220台。虽然我国有着广大市场，但是综合分析，由于我国在双机械臂机器人领域或者说在工业机器人行业的基础技术，行业资源，核心技术都比较欠缺，应用不是很广泛。

一、机械手臂的分类

社会的进步离不开科技的发展，而近年来智能机器方面因为其可用范围宽广，可操控性强，经济实惠效益大而备受关注，也使各大高校组织，科研机构或企业主动投入大量的人才与资金进行大力研发。而在各类智能机器人的研发中，智能机械手臂的开发使用独树一帜，机械手臂能够不考虑疲倦与危险，直接提高工作效率，减少工伤事故，同时具有维修方便，可控性强等特点。本设计采用STC15单片机作为控制平台，拥有七自由度机械手控制系统，可以进行调试与储存的功能，同时添加的语音控制模块也使该设计具有人机对话功能和语音控制信号的功能。整个系统设计灵活智能，可控性强，对于机器人的研究教学或者工业开发模型方面提供一个实验系统，具有很强的研发意义

1直角坐标型机械手

这种形式的机械手他的精度和方位不跟着工作空间的变动而改变，很轻松的就可以获得高的精度。然而，这种类型的机械手操作空间很小，手臂收回的同时又朝相对的反方向伸出，因此会阻碍工作的正常操作，并且这种机械手占地空间要求大，会很占地方。

2圆柱坐标型机械手

该类型机械手能够绕着中心轴转一定角度，其工作空间也可以变大，相关计算方法较简洁;直线移动的部位运用气压传动，这样可以做到输出功率更大化，能够顺延到機体[2]。不过，它的手部能够到达的空间局限性很大，不可以到达靠近柱子或接近大地区域;平行移动的传动部分的密封、防油等工作比较困难;小臂在进行作业时，小臂后端可能接触工作空间中的其他物件。

3球坐标（极坐标）型机械手

该类型的机械手用三个包括移动和旋转的活动关节来确定目标的地方，通常需要加上一个旋转的关节以此来确定目标的位姿。该类型机械手可以围绕一个主轴进行转动，中心主轴区域的作业空间很大。但是该机械手比较复杂，操控起来很不方便，而且直线运动的传动依然有密封及作业死角的难题。

4多关节型机械手

该类型机械手臂是一种比较适合接近目标操作的传动方式。它像人的手臂一样有多个活动关节，可以达到几个自由度共同作业的目的，行动起来十分的灵便。该种形式机械手有大臂和小臂的运动，以及肘部位和肩部位等各个关节的活动[3]。可以做数个方向的转动，作业空间很大，行动灵便，通用性很好，但是定位的精度不太好，调控装备十分繁琐。该种形式机械手拥有上肢的部分结构，有类似于人工操作的性能。

二、机械手臂的应用领域

机械手臂]主要有四个大部件：1）爪部，通过传动机构的动作来引导手抓执行末端的张合。2）腕部，腕部的作用是连接手抓和机械臂的传动部分，腕部的动作主要是为了改变夹持目标的位置，该部位活动灵便，转动惯性很小。3）臂部，机械臂是机械手重要的组成部分之一，机械臂主要起到支撑和传动运动的作用，是极其重要的部分之一。4）机身，机身是具有支承的作用，也是用来传动手臂动作的部件。

机械手臂的设计对人类发展具有重要意义，机械手臂在航天航空试验测试、多自由度模拟仿真、多自由度动感娱乐、多自由度精密加工、机器人、机械升降平台、汽车压机、汽车制造设备、机械自动化生产线、钢铁连铸、石油化工、物料搬运、注塑机、模具控制、阀门控制、精密机床、制药机械、食品工业等领域均有较为广泛的应用。

三、系统软件设计

系统软件设计步骤主要分为以下几个部分：（1）启动系统后进行机械手动作初始化;（2）动作初始化完成后，存储初始化动作;（3）识别接收语音控制命令;（4）加载命令对应的动作指令序列;（5）发送其指令序列到舵机控制电路;（6）完成指令序列对应动作。

四、系统测试及其误差率

语音识别模块测试时先设置词条和反馈语文本，词条：@WriteKeywords#开灯001|关灯002|$;反馈语文本：@WriteFlashText#|001马上开灯|002马上关灯$，然后将模块识别模式设置为“对话模式”，发送指令@AsrMode#1$，设置模块“返回值输出格式”为“单字节输出”模式。当用户喊“开灯”时，回答“马上开灯”，LED亮起;当用户喊“关灯”，回答“马上关灯”，LED熄灭。当语音模块成功测试连接后开始测试实验，设置“拿起”“放下”为语音指令，在进行二十五次检测中失误两次，成功二十三次。成功率达到百分之九十二。

本设计主控芯片选取STC15MCU为主控芯片，由其控制七自由度手臂完成简单的动作和抓取任务，再结合舵机控制电路和语音识别模块，机械手臂可以向上，向下，左转，右转，伸手，合手等动作;能准确的接收到使用者的指令，将一个物体抓取起来，并递给使用者。关于机械手臂在智能机器人与工业型机器人的教学研究和应用领域方面发展越来越广泛，必将在不久的将来拥有一席之地，而该系统可以对现在的教学研究和工业生产方向当做教学模型，拥有非常好的实际作用。

参考文献：

[1]  蔡自兴，徐光祐.人工智能及其应用[M].北京：清华大学出版社，2004：94-186.

[2]  黄智伟，邓月明，王彦.ARM9嵌入式系统设计基础教材.北京：北京航空航天大学出版社，2013：87-107.

（作者身份证号码：350426198201236012）