机械臂设计论文

今天小编给大家找来了《机械臂设计论文(精选5篇)》相关资料，欢迎阅读！摘要：设计了一种基于PLC控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。叙述了实验教学用气动机械臂的总体结构，给出了PLC控制系统设计和气动驱动系统设计。控制程序采用“化整为零，积零为整”的模块化设计思路，程序运行效率高，可读性好。该机械臂性能稳定，成本较低，能够满足实验教学与科技创新设计需要。

第一篇：机械臂设计论文

多控机械臂物联网系统设计

摘 要：在工业或日常生活中，智能机械臂因为其仿生性，给予人类巨大的帮助，大量应用于工业生产、科研考察等环境中。本系统采用STM32单片机作为机械臂核心控制器，通过移植操作系统与Qt界面到S3C2440开发板并在其上建立局域网服务器，最终实现了机械臂的多种控制方式，可以通过手机APP端、PC、感应手套对机械臂进行操控，还可以让其自动运行。同时亦可通过摄像头对机械臂进行实时监控。

关键词：手势感应 机械臂 局域网 监控

從嵌入式技术的出现到现在，为人类带来了无数的便利，智能生活、智能生产等许多概念让人类的一系列生活方式因这一技术而改变。在工业或日常生活中，智能机械臂因为其仿生性，给予人类巨大的帮助，大量应用于工业生产、科研考察等环境中。随着嵌入式技术的发展，工业生产也越来越自动化，若是机械臂与物联网结合起来，将会使得工业生产与科考技术更加进步，通过多种控制方式与物联网系统，让机械臂具备多种功能，适应不同环境与人群，并具备各种数据传输功能，可以更好地完成工作需求。

1 总体系统设计方案

本系统使用STM32[1-2]作为机械臂终端的控制核心，通过安装蓝牙HC-05模块与无线模块，以便实现手机APP控制与手势感应控制，同时通过移植linux操作系统与Qt界面[3-5]到S3C2440开发板上，并使用串口与STM32控制的机械臂终端进行通信，添加摄像头模块，并建立服务器，为局域网内所有PC机上的Qt客户端提供控制与监视机械臂的服务。硬件系统框图如图1所示。

对于机械臂手势感应手套，主要是通过一个STM32单片机芯片作为主控制器，连接三轴加速度传感器模块与无线模块，采集人手的位置信息，再通过无线模块发送到机械臂终端。手势感应手套硬件设计如图2所示。

2 系统的主要研究功能与设计要求

本系统的主要研究功能主要概括为以下几点。

（1）如何设计一个机械臂终端作为蓝牙数据接收端，接收数据的同时让主控芯片判断数据，然后对机械臂进行操作。

（2）如何设计一个蓝牙的手机控制端的通信协议来对机械臂进行控制。

（3）如何设计一个无线手势感应手套来采集人体手臂的数据，进而实现对机械臂进行控制，其中的无线传输协议如何制定。

（4）如何让机械臂进行自动搬运功能，自动化程序如何设计。

（5）如何使用S3C2440芯片对摄像头进行控制，并采集图像数据后显示于LCD，同时设计一个服务器程序，将图片信息发送给每一个客户端，使局域网内的客户端都可以看到摄像头采集的数据。

基于以上研究功能，本系统设计要求如下。

（1）通过手机APP可以控制机械臂进行操作。

（2）机械臂可以完成一系列展示动作。

（3）机械臂有摄像头，可对机械臂或周围环境进行视频监控。

（4）可以在局域网内对机械臂进行操控。

（5）在linux或Windows操作系统上设计操控与监视的客户端软件。

3 系统的特色和创新点

本系统的特色可概括为：采用手机APP端、电脑客户端、手势感应手套及自动运行等多种控制方式，在不同的工作环境下切换适合的控制方式，使得机械臂可以更好地应用于不同的工作，减少操作难度。采用S3C2440移植Linux系统，并搭建服务器，管理机械臂终端，配合摄像头，让用户通过Qt客户端可以更好地进行远程操作，并且安全可靠，拓展性强。

本系统的创新点：采用手势感应手套对人体的手势数据进行采集，使得机械臂可以模仿人体手臂动作，可以应用于一些类人的机械控制，减少控制难度。摄像头可以监控并判断机械臂是否运动或周围的环境是否有运动的物体，通过这一功能可以监控机械臂的运动状态或无人工厂是否有人进入。

4 结语

在设计多控机械臂物联网系统时，赋予其多种控制方式与多种功能，较之普通的机械臂，有以下优点：

（1）使用手机蓝牙进行直接精确控制，使机械臂可以做出不同动作，方便快捷，适合家庭中的民用机械臂使用。

（2）使用电脑Qt客户端对机械臂进行控制，方便工业生产中的远程控制。

（3）使用手势感应手套对机械臂进行控制，使得人可以方便快捷的控制机械臂，如同控制自己的手一般，此项功能可以应用于人型机器人，比其他操控方式更能快速控制，更能适合人类形态的机器人的操控。

（4）本设计配置了实时监控的摄像头，在局域网的任意一台电脑都可以实时监控或控制机械臂，为远程控制和实时了解信息提供便利。

随着嵌入式技术的发展，工业生产也越来越自动化，若是机械臂与物联网结合起来，将会使得工业生产与科考技术更加进步，通过多种控制方式与物联网系统，让机械臂具备多种功能，适应不同环境与人群，并具备各种数据传输功能，可以更好地完成工作需求。

参考文献

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[2] 刘火良，杨森.单片机与嵌入式：STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

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[5] 程姚根，苗德行.嵌入式操作系统（Linux篇）[M].北京：人民邮电出版社，2014.

作者：王胜 王红心 汤莉莉 李大江 刘进 王泉涛 黄思嘉 孙江波

第二篇：基于OpenCV的机械臂驱动系统设计

摘要：该文主要对四自由度机械臂控制系统进行了研究与设计，用于识别物体并抓取运输。首先，该文先对机械臂的整体机械结构进行设计包括它的底座、躯干、以及机械爪等，然后选择合适的躯干以及钩爪的驱动方式，构建出机械臂的机械结构部分;然后，我们则对其运动方式进行设计，包括电路控制板和驱动装置的选择，数据的接收以及发送方式，以及后期图像接口的设计等;在软件系统上选择了可移植能力强大的OpenCV，其提供的视觉处理算法非常丰富强大：扫描图像对齐、图像去噪、物体分析等，从而加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。实验表明，该机械臂控制系统采用OpenCV不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。

关键词：六自由度机械臂;OpenCV;伺服;制动

1 机械臂控制系统软件设计

1.1 开发环境

本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。

1.2 国内外研究现状

作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。

在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。

1.3 总体思路

1.3.1 机械臂软件设计核心思路

摄像头采集视频图像->利用OpenCV获得图像的一帧->对此帧图像进行滤波处理->将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->对得到的二值图像进行轮廓检测->创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->创建滑动条窗口->将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->在目标体上绘制轮廓。

本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。

1.3.2 OpenCV简介

OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑;医学界病人器官图像的去噪处理;安全系统中的物体动态监测而预警;军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。

1.4 单一模块

1.4.1 颜色识别

颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

RGB(红、绿、蓝)可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。

1.4.2 图像获取与处理

1.4.2.1 图像获取与预处理

利用体感周边外设中强大的Kinect攝像头(VideoCapture(…))获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor(imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV)函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。

高斯滤波函数：cvSmooth(…CV—GAUSSIAN…)。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真(保留信号)。

中值滤波函数：cvSmooth(…CV—MEDIAN…)。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。

1.4.2.2 图像细处理与生成

创建滑动条：返回所读取的颜色参数阙值。本文设定了6个参数：

[LowHue(色度下限值)HighHue(色度上限值)LowSaturation(饱和度下限值)HighSaturation(饱和度上限值)HighBrightness(亮度上限值)LowBrightness(亮度下限值)]

之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。

将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。

图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法(cvCanny(…))，将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。

Canny函數输入输出的都为灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours(…)”函数得到输出的图像的轮廓函数(在二值图像中)，检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours(…)”函数绘制检测的轮廓。

2 机械臂控制系统硬件设计

2.1 自由度及关节

本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。

2.2 基座及连杆

2.2.1 基座

基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。

2.3 机械手臂设计

机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1)灵巧手;2)吸附手;3)夹取手;4)专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。

2.4 驱动方式

调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。

本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。

机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1)输出功率适中，效率高;2)精准度尽可能的高;3)便于维护，调试;4)安全性高;5)成本低。

综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：

本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。

3 结论

机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。

本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。

在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。

从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。

1)机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。

2)完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。

3)视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。

鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。

参考文献：

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[11] 侯宾，张文志，戴源成，等.基于OpenCV的目标物体颜色及轮廓的识别方法[J].现代电子技术，2014(24).

作者：马超 范光宇 张治军 黄达 何群

第三篇：实验教学用气动机械臂PLC控制设计

摘 要：设计了一种基于PLC控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。叙述了实验教学用气动机械臂的总体结构，给出了PLC控制系统设计和气动驱动系统设计。控制程序采用“化整为零，积零为整”的模块化设计思路，程序运行效率高，可读性好。该机械臂性能稳定，成本较低，能够满足实验教学与科技创新设计需要。

关键词：机械臂；PLC控制；气动系统

0 引言

可编程控制器相关课程中有一个主要的教学实验就是基于PLC控制的机械臂，该设计对可编程控制器的原理及其控制应用的理解具有重要的意义。通常会在教学实验、课程设计和科技创新中使用机械臂实验设备。该设计是为了满足实验教学以及科学创新。机械臂选用FX2N-48MR/MT系列PLC控制器，用气压驱动，能很好地满足教学实验、课程设计和科技创新设计的需要。

1 工作规则及控制要求

1.1 工作规则

机械臂的初始位置停在原点，按下复位钮，机械臂在原点复位；按启动钮，机械臂手臂伸出（水平）→手臂下降（竖直）→夹紧手抓→手臂上升（竖直）→手臂收回（水平）→水平摆动90°手臂伸出→手臂下降（竖直）→放松手抓→夹紧手抓→旋转手腕270°→放松手抓→反转手腕270°→手抓夹紧→手腕旋转270°→放松手抓缸→手臂上升（竖直）一手臂收回（水平）一摆动270°手臂回原点。经上面一系列流程，机械臂可完成的动作如图1中所示的位置1下方夹住瓶盖，然后再将瓶盖放下拧紧。通过改变程序设计也可以将该机械臂设计成通用机械臂，即在位置1夹住物品，然后在位置2将物品放下的动作。

图1 机械臂结构图1.2 控制要求

该设计的控制要求：

（1）手动方式：就是通过按钮对机械臂每个动作单独控制.例如，按下“下降”钮，机械臂下降，按下“上升”钮，机械臂上升。手动操作可使机械臂归于原点位置，同时便于机械臂的调整和维修；

（2）步进方式：按照完整的工作步骤从开始每按一下启动钮完成一步动作，然后停止直到再按一次启动钮，会自动执行下一个动作；

（3）单循环工作方式：按下启动钮机械臂从原点开始自动完成一个周期的工序动作后返回原点停止；

（4）连续工作方式：按下启动钮，机械臂从原点按工序自动连续循环工作，按下停止钮机械臂停止复位。如果选择“单周期”工作方式，机械臂会在完成一个周期的工作后返回原点自动停机。

2 机械臂和气压驱动系统设计

2.1 机械臂的总体设计

本设计将机械臂设计成直角坐标式，气缸是主要执行装置，FX2N-48MR/MT系列PLC为电气控制。设计将机械臂总体安装在一个可移动台架上，将机械装置与电气控制系统分离设计。为便于学生实习，台架上有气动电磁阀组、机械装置、开关按钮、电气接头。支架下放置电源、继电器、PLC、空气压缩机等。为方便学生电气接线，用电气接头把PLC的输入输出端子接到支架台面上，在台面上学生即可完成机械臂的接线和拆卸等动作。机械臂的机械装置如图1所示。

本设计的机械臂可以完成5个基本动作，实现五自由度控制，即左右、上下、夹紧、摆动、旋转。每个气缸都配有传感器为方便检测气缸的位置。

本设计主要用于教学实验，所以气缸均选用轻型系列工作压力设计在0.7—1MPa之间。其中，手指缸选V型手指缸MHZ2—100配1个磁性开关，完成夹紧动作。机械臂的手腕选用旋转缸CDRB1B W20配2个磁性开关，完成旋转扭紧动作，一般拧紧一个瓶盖需要旋540°才能完全拧紧，但是通常旋转缸只能旋转270°，所以只能旋转一次松开后再旋转一次，其中需要夹紧两次完成瓶盖的拧紧。我们选用CDJ2KB16—45A型号的垂直缸，并在气缸两端配2个磁性开关用于检测气缸的位置。选用CXSM15—100型号的水平缸，其两端配2个磁性开关。选CDRB1B W30—1805的旋转缸为摆动缸，将摆动角度设置为90°，手臂的摆动（以上选用气缸的最大使用压力均不超过1.0MPa）。焊接一个L型角钢在立柱上，角钢两边分别安装有光电接近开关，分别在2个光电开关的旁边设置一个挡位缓冲装置（内装有弹簧）为防止摆动缸直接碰到光电开关（选用LE4-K型光电开关）。

立柱的结构为将旋转气缸用螺栓固定在一个倒U型的方钢里，并用螺栓连接将其与底座连接。底座采用铝合金材料做成T型，用螺栓固定到台面。

2.2 气压驱动系统设计

据分析，本设计共有5个气缸和配有5个电磁换向阀的气压驱动系统如图2所示。其中电磁换向阀控制气缸的运动方向；单向节流阀控制气缸运动速度；压缩空气由气动二联件向各气缸集中供应。

图2 气压驱动回路图使用带中位的三位五通双向电磁阀可使水平缸摆动、手抓旋转停在任一位置。垂直缸靠弹簧复位本设计采用二位三通单向电磁阀，如果要垂直缸下降则给电磁阀通电，如果将电磁阀断电，在弹簧的作用下垂直缸复位。用二位五通双向电磁阀来控制水平缸和手抓缸的动作。手抓缸不设计节流阀，因为不需要调节速度，只有开合动作。

3 PLC控制系统设计

3.1 PLC的选择

由气压驱动回路图2所示，本设计有7个磁性开关和2个光电开关安装在5个气缸上，用于检测气缸位置，气压机械臂的工作方式由有启动、停止、单循环/联动、手动/自动、复位、急停、上电等7个按钮的操作面板控制，其中单循环/联动和手动/自动为组合旋钮，PLC输入点共计16个，例如磁性开关、光电开关和按钮等均为开关量输入点。PLC输出点为13个，其中开始、复位、停止、上电按钮的指示灯4个，气缸电磁换向阀的电信号9个。本设计选用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27个输入点和17个输出点，均大于设计要求的输入输出点数量，能够满足控制要求。

3.2 控制程序设计

本设计的机械臂设有手动、自动、单循环、联动、复位等工作模式。手动方式可用于机械臂维修调整使用，当设置为手动或单循环工作模式时只循环一个完整的工序便自动停下；当设置为自动方式时，这是气动机械臂正常的工作方式，把组合旋钮转到自动或联动时执行自动循环一直重复运动，直到按停止按钮才能停下。复位操作可使机械臂从任一位置返回原点。

本设计PLC程序设计采用顺序步进指令控制机械臂的动作步骤，流程图如图3所示。

图3 程序流程图在设计PLC控制程序中，将复位控制设置在初始步前，只有当摆动缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松开4个步骤同时完成时叫复位。当摆动缸回转90°以后，如果是自动/联动工作状态，水平缸自动伸出，这个时候是不需要按启动钮；如果是在手动/单循环工作状态时，在机械臂完成一个完整的工作过程后程序回到初始步，必须再一次按启动钮才能继续开始新的一个工作过程。

PLC控制程序在设计时，需注意手抓合拢后在被抓物品被放下前要始终保持是夹紧状态；在步进指令状态下工作时每执行一步都需要执行一次手抓夹紧的动作，或者在SET置位指令工作状态下使手抓夹紧，在使用RST复位指令时使手抓松开。可根据被操作对象的具体特征和具体要求来改变程序来调整旋转角度。

4 结束语

经对机械臂的安装和调试，本设计的机械臂能够按照设计要求的完成动作和达到控制要求，总体有以下几个特点：

4.1 具有可靠的控制性

在PLC的控制下运行稳定可靠，能很好地满足教学实验需要。

4.2 具有简便的操作性

便于学生在台面上安装和调试，我们将气动、电气接线部分设置在台面上，线路、传感器和气缸均可拆下。

4.3 面板具有清晰易控性

操作面板清晰易控，指示一目了然，按钮操作方便顺手。

4.4 具有便捷的调试性

为能实现程序在线调试，在台面上设置PC与PLC连接。

本研究基于PLC控制的机械臂能够满足实验教学、调试方便和模拟工业现场等需求。

参考文献

[1]杨后川，张学民，陈勇.SIMATIC S7-200 可编程控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]赵燕，周新建.可编程控制器原理及应用[M].北京：中国林业出版社，北京大学出版社，2006.

[3]赵美宁，王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计[J].液压与气动，2007，（9）.

[4]杨后川，高昆，陈勇.某型飞机起落架收放作动筒液压测试系统PLC控制设计[J].机电产品开发与创新，2007，（2）.

[5]李湘伟.基于PLC控制的教学型五自由度气动机械手设计[J].液压与气动，2008，（2）：4951.

[6]姜佩东.液压与气动技术[M].北京：高等教育出版社，2000.

作者：段晓飞

第四篇：一种四自由度串联采摘机械臂系统设计

摘 要：為提高番茄采摘效率，降低番茄生产成本，本文设计了一种四自由度串联采摘机械臂系统。在设计过程中，笔者首先确定关节型机械臂构型，分析机械臂各杆长和工作负载，完后各关节电机选型;然后设计控制系统以及无刷电机控制流程;最后搭建实物样机，控制各关节的电机将末端执行器送到成熟番茄的位置完成采摘任务。

关键词：番茄采摘;四自由度;串联机械臂;无刷电机

番茄可用于鲜食和深加工，在中国鲜食番茄产量占比高达90%[1]。其中，用于深加工的番茄采摘已经实现了机械化，而用于鲜食的番茄由于采摘难度大仍未实现机械化。目前，在中国参加鲜食番茄生产的劳动力主要是老人和妇女，工作效率较低。由于番茄采摘期较短，采摘作业效率不高，会导致部分番茄腐烂，影响番茄产量和质量。鲜食番茄采摘费时费力，其投入的劳动力占整个番茄生产环节劳动力投入的50%～70%[2]。随着社会的进步，人工采摘成本不断提高，而采摘成本则会在更大程度上影响鲜食番茄的市场价值。本文主要基于农业机器人技术，针对标准化温室番茄采摘自动化问题，设计一种四自由度串联采摘机械臂系统。

1 机械系统设计

关节型机械臂灵活性强，结构紧凑，工作范围大且占用空间小[3-5]，因此本文采用关节型机械臂。自由度数是机械臂的一个重要技术指标。自由度减少可简化机械系统和控制系统设计，但会降低机械臂灵活性;反之，将提高机械系统和控制系统的复杂性[6]。本文研究的番茄温室空间较为狭窄，故确定四自由度的串联机械臂结构，其结构如图1所示。

谐波减速器具有体积小、质量轻、传动比大和运动精度高等特点。同时，交流电机、步进电机和无刷电机目前被广泛应用于机器人设计制造。其中，交流电机扭矩大但需要交流电源，不适用于农业机器人;步进电机精度高，但不能对其进行力矩控制;无刷电机寿命长、噪声低、调速性能好。因此，本文设计的四自由度的串联机械臂的腰部关节电机、肩部关节电机、肘部关节电机均使用无刷电机加谐波减速器驱动。舵机具有体积小、扭矩大、易于控制的特点，广泛应用于机器人控制。因此，本文设计的四自由度的串联机械臂的腕部关节和末端执行器电机使用舵机驱动。

机械臂的受力分析图如图2所示。

根据实际温室番茄生长空间，设计机械臂大臂杆长[a2]=32cm，小臂杆长[a3]=39cm，机械臂末端点到腕部距离[a4]=13cm。末端执行器上安装3个中等尺寸的舵机，舵机质量在55～65g，选取最大值65g作为设计质量，预估末端执行器上其他部件质量150g，番茄单果质量在100～170g[7]，取单果质量为170g，则

(1)

则腕部关节所受扭矩为

(2)

根据腕部关节所受扭矩选取LOBOT生产的LD-220MG数字舵机。

舵机[m2]的质量为65g，估计小臂臂杆[m3]的质量为200g，则肘部关节所受扭矩为

(3)

根据肘部关节所受力矩，选用北京时代超群42BL80S09-230无刷电机和日本东方ASM46AA2-H50谐波减速器。

无刷电机和谐波减速器[m4]的质量为820g，估计小臂臂杆[m5]的质量为200g，则肩部关节所受扭矩为

(4)

根据肩部关节所受力矩，选用无刷电机北京时代超群60BL100S15-230无刷电机和东方ASM66MC-H100谐波减速器。腰部关节承受的转矩主要和机械臂的转动惯量和沿腰部转动的角加速度大小有关，该关节电机选用与肘部关节同型号的无刷电机和谐波减速器。

2 运动控制系统设计

机械臂腰部关节、肩部关节和肘部关节均由无刷电机驱动，腕部关节和末端执行器上的3个电机均由舵机驱动。根据机械系统特性与采摘要求，设计的运动控制模块整体框架如图3所示。该模块主要包括主控制器、电机控制器和传感器。其中，主控制器通过指令完成对电机运动的控制;各电机控制器的驱动程序以及视觉伺服控制的控制程序均在STM32单片机中运行。

STM32单片机作为主控制器，其串口3通过一个TTL to485模块将电平转换至485电平，进而作为485总线上的主机控制3个无刷电机控制器，驱动3个无刷电机。STM32单片机通过串口2与16路舵机控制器通信，进而控制手爪及腕部的4个舵机运动。另外，用于机械臂复位的3个红外光电开关以及手爪上的1个红外光电开关与主控制器的IO口直接相连。

控制机械臂完成采摘动作的关键在于无刷电机的控制，由此，设计单个无刷电机转速控制的程序流程，如图4所示。首先创建一个一维数组存放一帧数据。为避免电机因速度过大而发生意外，控制电机速度在-700～700Hz/s。其次，根据所控无刷电机控制器地址、电机速度配置数组前六位，通过CRC校验函数返回值配置数组后两位。再次，将配置好信息的数组通过串口发送到485总线上。最后，等待接收控制命令，当接收到从机回传码时，程序运行结束。

3 样机及效果

根据温室大棚番茄采摘的实际需要，搭建的番茄采摘机械臂样机如图5所示。在设计过程中，首先确定关节型机械臂构型;其次，以STM32为控制器，基于总线设计了控制系统硬件组成，通过无刷电机控制算法使机械臂更具稳定性。

本文所设计的机械臂基本能完成自动化采摘的任务，但由于时间、实验设备等方面的限制，还需要对采摘机械臂进行进一步研究、设计及优化。

参考文献：

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[2]赵德安，姬伟，陈玉，等.果樹采摘机器人研制与设计[J].机器人技术与应用，2014(5)：16-20.

[3]蒲筠果，王志刚，朱良.基于农业采摘的机械臂结构设计研究[J].农机化研究，2018(9)：39-43.

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[5]刘忠超，熊雷，翟天嵩.六自由度采摘机械臂系统设计[J].农机化研究，2015(8)：112-114，119.

[6]宋健.茄子采摘机器人结构参数的优化设计与仿真[J].机械设计与制造，2008(6)：166-168.

[7]秦利杰，焦娟，文莲莲，等.株行距对架式促成栽培番茄生长和产量的影响[J].天津农业科学，2018(10)：43-49.

作者：王勇 刘群铭 史颖刚

第五篇：机械臂运动轨迹在线控制系统设计与研究

摘要： 针对多自由度机械臂系统，基于单片机设计了机械臂运行轨迹控制系统，该系统包含上位机、主控面板及机械臂舵机控制板等部分，通过光电编码器及位移传感器捕捉机械臂的实时位置信息，基于Arduino舵机扩展板、D-H理论搭建机械臂结构模型，实现机械臂多自由度控制。由试验结果可知，所设计系统可更为精准的控制机械臂运动轨迹，且具有良好的运行稳定性和可靠性。

關键词： 单片机;机械臂;运行轨迹;编码器;传感器

Key words： single chip computer;mechanical arm;trajectory;encoder;sensor

0  引言

伴随社会经济的飞速发展和科学技术的不断进步，工业机器人在生产制造领域中的应用日益广泛，且朝着智能化、自动化方向发展[1]。在工业生产中，利用机器人替代传统的人工劳动方式不仅有效保证了生产效率，同时也降低了工人的劳动强度，降低了生产成本，工业机器人已然成为现代化生产中的核心环节[2]。工业机器人的核心组成部分为机械臂，通过机械臂的移动和转动可实现不同功能，在实际生产中对机械臂的运行轨迹和相应动作进行编程使其实现预期功能[3]。国内外相关研究人员关于机械臂运动轨迹规划及运动控制方面进行了大量研究，谢乃流采用三次多项式多路径点，对六自由度机械臂的轨迹规划问题进行了研究[4];焦继乐基于模糊逼近算法，研究了机械臂应用于目标物体抓取过程中的运动轨迹规划问题[5];贾庆轩采用A*算法，分析了机械臂避障过程中的轨迹规划方

法[6];汪首坤基于A*算法，通过圆柱体对机械臂各关节进行包络，实现A*算法的改进优化，采用变步长分段搜索的方式对机械臂运动路线进行规划[7]。传统机械臂运行轨迹控制系统通过PLC实现对机械臂运行过程中输出信号的采集和处理，完成对机械臂运行轨迹的实时控制，但仅适用于单自由度机械臂控制，且存在精度低，稳定性差等问题[8]，本文基于单片机设计了机械臂运行轨迹在线控制系统，实现了机械臂运行轨迹的多自由度控制，且具有较高的稳定性和精准性。

1  硬件选型、设计

1.1 硬件结构设计

系统硬件包括上位机、主控制板及舵机三部分构成，其中上位机触摸屏通信接口具有通信协议兼容性好，接口简单，交互方式方便、直接、快捷的特点，适用于各类型控制器，其不仅承载了控制系统与外部交互的作用，且确保了控制系统的安全、稳定运行。实际运行中，工作人员可通过触摸屏实时监控包装机的运行状况，同时可通过触摸屏输入控制指令及工艺参数。Arduino主控板作为系统核心，采用ATmegal280单片机作为处理单元，与PC机通过RS232通信，采用在线控制计算机实现功能选择[9]。主控板完成机械臂运行参数的实时调整控制，同时基于RF模块将信息传输到控制板并生成脉宽调制信号。通过传输信号的差异化时间控制完成多伺服舵机协作。

1.2 ATmega1280单片机

ATmega1280单片机为8位微控制器，具有功耗小、性能高、可扩展性好等优势。含有86个I/0接口，16个模拟信号输入接口，4个串口，具有JTAG模拟功能，为系统编程提供基础[10]。

1.3 光电编码器位移传感器设计

系统通过传感器实时采集机械臂位置、位移等信息。文中采用增量式光电编码器位移传感器实现机械臂位置和位移量的实时检测，该传感器为非接触型传感器，具有分辨率高，速度快等诸多优势[11]。使用时无需对机械臂关节进行校准，即可获知机械臂关节位置。增量式光电编码器工作原理如图1所示。

1.4 舵机控制板设计

系统采用Arduino扩展板作为舵机控制板，可对16路舵机同时进行控制，实现机械臂的多自由度控制，分辨率为0.09，兼容USB及TTL通信，实现了扩展板和主控板之间的连接。

完成系统硬件模块连接后，根据D-H理论，构建机械臂连杆相对底座坐标的空间坐标系，获取连杆位置、方向参数[12]。机械臂结构图如图2所示。

2  系统软件设计

文中软件系统设计主要原则为保证系统具有良好的可移植性和易修改性，选取模块化系统软件结构，如图3所示。

2.1 系统软件实现分析

系统软件包括上位机程序及主控板程序，主控程序可分为单自由度、多自由度、轨迹规划三种功能模式，通过上位机或键盘选取，实现全自由度协作运行。

文中基于LabVIEW完成控制系统软件设计，实现机械臂在线控制[13]。系统控制界面由舵机数据在线控制转盘、按键及速度调整构成。通过RS232协议，实现多自由度转角及方向实时调整，舵机转盘数据代表舵机修正的角度范围。

2.2 单片机系统时钟初始化

通常而言，单片机通过锁相环提升片内时钟频率，使其大于振荡器频率，以提升CPU运行速度及系统电磁兼容性[14]。文中采用16MHz外部振荡源，预设SYNR、REFDV值，则锁相环PLLCLK输出时钟频率为：

式中：

SYNR——时钟合成寄存器;

REFDV——时钟分频寄存器;

OSCCLK——外部晶振。

由计算可得锁相环输出时钟频率为80MHz，通过OSCCLK描述时钟选择寄存器，即Bus Clcok=PLLCLK/2

式中Bus Clcok为总线时钟频率，为40MHz。时钟初始化流程图如图4所示。

3  实验分析

通过实验验证系统有效性、可行性，对运动轨迹控制模式进行仿真。在图板上设定A（0，0，0）和B（3，2，0），通过系统控制机械臂夹持器再A、B之间画直线，计算关节角，并通过笛卡尔进行直线插补，设计系统使用前后机械臂运行轨迹对比图如图5所示。

由图5可知，通过本系统机械臂可根据预设轨迹经过设定b、c、d、e四个点至B点，由此验证本系统具有轨迹控制功能。为进一步验证系统稳定性，设定期望运行时间为7.27s，比对本系统与基于PLC的控制系统消耗时间，如图6所示。

由图6可知，基于PLC的轨迹控制系统在各目标点处存在停顿，缩短限定时间后，机械臂关节“加速-停顿-加速”。本文系统具有缓冲区，确保了机械臂关节运动的持续性。实验表明，本系统可有效提升机械臂运行稳定性与快速性。

为进一步验证系统可行性，分别对系统进行梯形、三次多项式轨迹测试，结果如图7所示。由图7可知，在梯形轨迹测试中，提升和下落阶段轨迹控制偏差均小于0.3°，符合要求;三次多项式测试中，轨迹控制偏差小于0.4°，符合要求。由测试结果可知，文中设计系统具有良好的轨迹控制精度。

4  结论

传统机械臂运行轨迹控制系统通过PLC实现对机械臂工作过程中输出信号的采集和处理，完成对机械臂运行轨迹的实时控制，但仅适用于单自由度机械臂控制。针对多自由度机械臂系统，本文基于单片机设计了由上位机、主控制板及舵机控制板构成的机械臂运行轨迹在线控制系统。系统采用光电编码器位移传感器实现机械臂实时位置及位移的捕捉，基于D-H理论搭建机械臂结构模型，实现多自由度控制。由实验测试可知，文中机械臂运行轨迹在线控制系统可稳定、快速、精准的控制机械臂的运动轨迹，在诸多领域具有广阔应用前景。

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[4]谢乃流，陈劲杰，石岩.基于六自由度机械臂的轨迹规划[J].机械制造与自动化，2017，40（1）：141-144.

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作者：马芸慧 方业云