设计和实现一个简单的，低成本的机械臂

Mashad Uddin Saleh¹， Gazi Mahamud Hasan²穆罕默德·阿卜杜拉·阿尔·肖赫尔^3.阿布·哈斯纳特·费尔杜斯(Abul Hasnat Ferdous)⁴比斯瓦吉特·比斯瓦斯·迪潘⁵

孟加拉工程技术大学EEE系校友，达卡，孟加拉国^1、5
孟加拉国工程技术大学电子电气工程系硕士研究生，达卡，孟加拉国^2、3
孟加拉国工程技术大学电子电气工程学系理学士，孟加拉国达卡⁴

有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文设计了一种非常适合工业应用的三自由度机械臂。三自由度可进行横向、垂直、抓取等深度动作。三个手臂模块均由功能相当于人体肌肉的电缆驱动，完美模拟人体手臂的驱动过程。高度灵活，重量轻和工业用途的大工作空间可以使这个机械臂相当棘手。

关键字

机械臂，控制，圆柱坐标，自由度，PWM

介绍

半个多世纪以来，机器人一直是先进制造业的主要组成部分。随着机器人及其周边设备变得更加复杂、可靠和小型化，这些系统越来越多地用于工业、军事和执法目的[1,2]。工业用途最常见的制造机器人是机械臂[3,4]。机械臂将末端执行器从一个地方移动到另一个地方。一个特定的手臂可以很好地配备和设计与所有类型的末端执行器，适合特定的应用。工业机器人被设计成在受控环境中一遍又一遍地做同样的事情。如果手臂是完全自主的，那么机器人就会在记忆中输入精确的动作顺序，每当一个新部件从装配线上下来时，它就会一遍又一遍地这样做。而且，无需任何修改，机器人就能按照预先设定的方式工作。它可以以固定的速度以完全重复的方式移动到固定的角度。

本文提出了一种轻量化、低成本的仿人机械臂的设计方案，主要应用于化工、化肥工业、机械设备设计实验室等工业领域。该模型提出了一个3-DOF设计的应用。手臂将移动程序员预先设定的角度，到达那里，它将向下移动它的肩膀部分，通过握拳来捕捉物体。捕获后，手臂将再次移动，并将物体放置到所需的位置。根据这一基本思想，我们提出了一个模型，并对其进行了设计和控制。我们提出的模型可以在很多方面用于否定使用危险材料、化学品和复杂物体的风险。

控制电路及操作

在臂的设计中，着重强调了控制电路的简洁性和臂的设计。基本电路接线图、工作原理、操作步骤如下:

A.控制电路

基本控制电路由3个直流电机、2个双向电机驱动/ H桥(l293)、1个Atmel 8051系列89S52单片机、1个终端稳压器(7805)和6个SPDT开关组成。为了得到合理的结果，控制电路首先在Proteus软件中进行模拟。仿真成功后进行了实际实现。完成了整个仿真过程，并在实际生活中对软件电路进行了仿真。

用于信号接收的电机基本连接如下所示:

图1手臂控制电路

B.工作原理

在这个项目中，我们必须处理3-D运动，我们选择柱坐标(r， θ， z)来完成目的。我们保持臂的轨迹是一个半径为r的圆。为了将目标物体带到不同的位置和不同的高度，我们使用了沿两个坐标的运动(沿半径为常数的圆的圆周旋转所需的角度θ，然后沿z轴向上或向下位移)。为了抓取和释放目标对象，我们设计了一个夹持器，它有一个可移动的部分和两个固定的部分，可以在任意方向上握住目标对象(根据目标对象的宽度)。为了沿着两个坐标(θ， z)移动，并改变抓地力宽度，我们在每种情况下都使用了直流电机，并将其与简单的滑轮系统耦合。电机驱动器接收来自微控制器的信号并进行相应的操作。对于双向旋转，我们使用h桥电机驱动器。

分步操作如下框图所示:

图2显示操作顺序的框图

我们用实时对象来证明我们模型的可行性。该模型由木材组成，可以承载大量的负载，这使得它在工业应用中非常可靠。该系统的容量可以通过插入更强的电机和一些更好的设计来提高。

C.实验数据

利用我们的模型，我们进行了一些实际观察，并得到了令人鼓舞的结果。我们使用一些轻的物体来获取，携带和移动一个地方到另一个地方。这些物体的重量不同，它们的表观运动所花费的时间被制成表格。所花费的时间是真实的，非常适合真实的工业应用。收集的数据如下表所示:

提出的模型和实际运行的模型如下图所示。图3为模型的基本结构，图4为模型的实际动作(握紧物体和移动)。

图3提出的机械臂模型

图4夹持器抓取物体

限制和修改

在我们提出的模型中，电机被允许在其额定速度和扭矩下运动，没有任何PWM，因此很难达到更好的精度。通过开关进行完全手动控制，因此，在更实际的应用中，操作员需要适当的开关时间。还可以做一些进一步的修改。一些人:

采用适当占空比的PWM可以更好地控制电机[5]的转速。

可集成自动开关。在这种情况下，将当前点、接收点和目标点作为数字输入，并比较这些数据，可以设计开-关开关序列，使其更加用户友好。

增加的DOF数量将有效地提高灵活性。

结论

由于一些不可避免的约束，该模型在几个方面存在不足。尽管如此，它仍然展示了简单低成本机械臂的基本工作原理。经过一些修改，它肯定会变成一个有市场的概念。为了使设计更有效，应包括两个基本的设计分析问题，即位移分析和张力分析。抓握系统对于设计和制造更复杂的机械臂也是非常有用的。

确认

最后，我们要感谢BUET机械车间，木工车间和钣金车间所有帮助我们工作的人。没有他们的真诚努力，这种模式是不可能被曝光的。最后，我们想借此机会感谢我们的课程老师提出的宝贵建议和指导。

附录

参考文献

亨特，丹尼尔，智能机器人。施普林格美国，1985。
恩格尔哈特，K. G.和爱德华兹，R. A.“服务机器人的人与机器人集成”。人机交互。Taylor & Francis有限公司，伦敦，英国，1992年。
Asfour, T.， Berns, K.，和Dillmann, R.， <人形机器人盔甲:设计和控制>。第一届IEEE-RAS人形机器人国际会议(HUMANOIDS 2000)。2000.
Hirzinger, G.等人，“设计轻量级手臂和多指手的机电一体化方法”，在IEEE机器人与自动化国际会议论文集，旧金山，美国，2000。
吴，Albert M.，等。数字PWM控制:在电压调节模块中的应用电力电子专家会议，1999。PESC 99。IEEE第30届年会。1999年第1卷。