基于慧魚技術的機械手臂方案設計

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1基于慧魚技術的機械手臂方案設計摘要：基于慧魚技術構思設計了機械手臂模型，設計的主要內容包括機械手臂總體方案設計，完成機械系統(tǒng)方案設計和模型的制作，對機械手臂在搬運物品過程中的動作指標進行了整體規(guī)劃，最后編制完成了整體控制程序并進行了調試，通過對機械手臂方案的運行試驗表明，該系統(tǒng)結構簡單，原理可行．關鍵詞：方案設計，手臂． 引言近年來，隨著科技發(fā)展迅速，人們的生活節(jié)奏不斷加快，越來越多的人不想從事體力勞動，進而企業(yè)出現“用工荒”的問題。在高校教學過程中，由于部分理論知識較抽象，教師講解較難，學生理解掌握起來也較難，這樣就達不到想要的教學效果。本次設計的機械手臂在生活中應用較廣，如建筑工地上的旋轉升降型機械手臂、吊臂，企業(yè)在生產制造過程中使用的機械手臂等。這些機械手臂在結構和控制上都比較復雜，所以我們在教學過程中的講解就有一定的困難。機械手臂模型方案是基于慧魚技術進行設計的，它的主要功能是將物品從某一位置移到另一位置，在這個過程中機械手臂共完成了對物品的夾起、移動、升降和旋轉等動作。從某方面來說，機械手臂的出現代替了勞動力，進而為現代企業(yè)解決用工荒的難題。該模型與常見的機構相比具有體積小且易于移動，故靈活性強，可以在教學中的典型機構與它相結合演示給學生看，通過演示更深入2理解各個結構之間是如何運轉，采用理論與實踐相結合的方法，讓學生學習理論課程更具有生動性和形象性，達到掌握該課程理論知識的目的。慧魚創(chuàng)意組合模型是一個技術含量很高的工程技術類趣味拼裝模型，其主要部件尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝并不影響模型結合的精確度。它為應用型高校在教學過程中創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗提供了很好的實踐平臺。總體來說，慧魚模型的使用，既讓學生融匯貫通各學科多領域的綜合知識，將其應用于實踐過程中，又培養(yǎng)了創(chuàng)新的意識，最重要的是給予學生實現創(chuàng)新的平臺。為此設計并制作拼接了機械手臂，文章主要對機械手臂的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進行了組裝設計講解。一、機械系統(tǒng)設計方案機械手臂的主要功能是將物品從某一位置移到另一位置，即：機械手臂從起始位置到物品所在位置后將物品夾起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位準備進行下一動作。根據它的功能目標機械手臂的機械系統(tǒng)主要有旋轉機構、伸縮機構、升降機構以及開合機構四大部分組成，模型實物如圖 1 所示，該模型體積較小，各個機構的運轉可清楚的看見，方便教師攜帶，可將其模型展示給學生觀看，便于學生理解和鞏固。圖 1 機械手臂Fig.1 multi-function robot arm1.機械手臂的旋轉裝置3機械手臂的旋轉功能在方案中是通過齒輪嚙合傳動實現的，并在起始位置和終止位置中放置行程開關來控制機械手臂的移動范圍和旋轉方向的變換。其傳動簡圖如圖 1.1 所示。圖中小齒輪是主動輪，便于對旋轉速度的控制。（a）旋轉裝置簡圖1―轉盤 2―小齒輪 3―齒輪箱 4―馬達箱圖1.1 實際旋轉機構圖Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart2.機械手臂的伸縮機構通過利用蝸輪蝸桿、齒輪之間的傳動以及連桿與滑塊桿之間的滑動來進行實現機械手臂的伸縮功能。并通過齒輪箱來控制它的速度。實現這一功能的意義在于，可以增大其工作范圍，通過它的伸縮功能，機械手臂可以不用移動就能到達指定位置，其傳動簡圖如圖 1.2 所示。（a）伸縮裝置簡圖1―馬達 2―齒輪箱 3―蝸桿 4―連桿圖 1.2 實際伸縮機構圖Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart3.機械手臂的升降機構機械手臂的升降功能則是通過鏈傳動和渦輪蝸桿傳動之間的相互連接來進行實現的。它的傳動簡圖如圖 1.3 所示。 （a）鏈傳動機構簡圖41―小齒輪；2―鏈條圖 1.3 實際升降機構圖Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart4.機械手臂的開合機構物品的夾起與放開都是通過機械手臂的開合來完成，在設計過程中，選用渦輪蝸桿的結構作為運轉的機構。將渦輪蝸桿固定在機械手臂的中間，通過馬達帶動蝸桿的轉動，渦輪與手臂之間的銜接物會帶動手臂向兩側張開或夾緊，實現機械手臂對物品的夾緊和放下的功能。（a）夾緊機構簡圖1-開關；2- 銷；3-機械手臂；4-渦輪；5-蝸桿圖 1.4 實際夾緊機構圖Fig 1.4 Actual clamping mechanism二、控制系統(tǒng)設計方案1.總體運行過程假設機械手臂現處于張開狀態(tài)，且在最底層，手臂未發(fā)生移動，將物品放置于某一位置，高度與機械手臂高度一致。運行過程如下：一開始，先轉動轉盤至某一角度，由馬達 M2 控制，其位置在小齒輪的齒輪箱旁邊， 順時針為正轉。然后將機械手臂向前伸出一定距離，使其恰能觸碰到物品，由馬達 M3 控制，其位置在移動機構中遠離機械手臂的一側，順時針時伸縮裝置向前運動。接下來，用機械手臂夾緊物品，由馬達 M4 控制，逆時針為手臂閉合。夾住物品5后，利用升降結構將物品升至同貨架高度一致的位置，由馬達 M1控制，逆時針為上升。接著，調節(jié)物品與貨架之間的距離，通過向前或后退移動一定距離，直至兩者之間距離為零，再通過旋轉功能，旋轉到貨架上面，最后控制夾手張開，將物品放置在貨架上，完成運輸功能。系統(tǒng)的總體運行程序如圖 2 所示。圖 2 總體控制程序圖Fig 2 Overall control chart（1）旋轉功能介紹。物品的轉移可以通過偏置一定的角度，使物品到達指定的地點，可通過編程控制馬達 M2 實現旋轉，順時針旋轉為正轉。（2）伸縮功能介紹。要想精確的定位重物在哪個位置放置，可通過移動裝置，實現機械手臂的伸縮功能，編程控制馬達 M3 實現機械手臂的伸縮，順時針旋轉為向前移動。（3）升降功能介紹。要使物品放到貨架上，則需要調節(jié)物品的高度不得高于貨架且不能過低，裝置通過鏈條傳動，利用小齒輪將鏈條帶動，然后控制渦輪蝸桿的升降，從而實現物品的升降，編程控制馬達 M1 實現升降，逆時針旋轉為物品上升。（4）開合功能介紹。物品的夾取是在運輸過程中的重要環(huán)節(jié)，通過渦輪蝸桿機構，編程控制馬達 M4 實現夾手的張開與閉合功能，順時針旋轉為夾手張開狀態(tài)。三、結語本次設計的機械手臂是對物品搬運過程進行模擬，在模擬過程6中與實際的工程應用還有一定的差距，但整個設計方案以及控制程序的調試具有一定的價值。它為理論與實踐相結合提供了基礎，提高了學生對專業(yè)知識的理解與掌握，增強了動手實踐能力。此外，通過慧魚創(chuàng)意組合模型的組裝實踐還可以對學生的實習情況進行一定補充。由于各個方面的原因導致學生在校的實習時間較短，實際實踐的機會較少，導致對工業(yè)系統(tǒng)原理、工廠生產流程等情況不能透徹了解， 在教學中可以充分應用慧魚創(chuàng)意組合模型，并結合實驗室已有設備（如計算機和單片機）和慧魚產品的零部件依照實際的工業(yè)結構進行模型搭建， 再按照生產流程編制程序加以控制，組成柔性生產線，仿真工業(yè)生產的現場設備運行和加工情況，讓學生獲得感性認識，從而完成從理論到實踐的跨越，彌補了在實習中的一系列不足。參考文獻：１. 王文燦，基于慧魚模型的智能化黑板設計[Ｊ]２０１５２. 曲凌，慧魚創(chuàng)意機器人設計與實踐教程[２０１６]