机械手设计与实现

1.机械手整体方案设计

1）设计目标

基于Nextmech平台，设计一款可搬运、喷漆、定点、定线的机械手。基于ARM控制机械手臂实现以下状态：腰身的自由旋转，大小臂及手腕的伸展、收缩，手爪的放松、抓紧，喷漆头的对位、对向运动。

2）设计方案

为实现设计目标，需要进行运动方案设计、硬件设计与软件控制系统设计。

首先，对要完成预定功能的机械手进行运动简图和顺序流程图设计，对运动方案进行运动学分析。然后，将零件导入建模软件建立模型进行虚拟结构设计与装配，并优化结构。

其次，对模型进行运动学仿真和分析。对设计结构进行实体搭建，在组装过程中完成对结构的调整。检查结构是否满足要完成预定动作的要求。

最后，设计控制部分软件程序，结合传感器和ARM控制器，对程序进行调试。检查是否能完成预定动作及对传感器信号的处理是否正确。

六自由度机械手实现搬运主要的执行部分包含腰身的旋转，大臂、小臂、手腕的抬升，手腕旋转，手爪放松、抓紧等动作。为了使控制方便、简洁、可调，其机构采用关节式。在搬运的基础上，主要执行部分还有喷漆头的旋转和摇摆运动，鉴于最终功能的同体实现，在末位置把手爪和喷漆头设计在一起。在执行搬运功能时，手腕旋转至零位置，满足喷漆的结构简图如图11.42所示。

根据机械手功能要求，设计了开始、准备、检测位、检测、抓取、放置、喷漆、停止八个指令状态位，顺序功能图如图11.43所示。图11.43中实现功能包括：通电后进入初始化状态；各关节回舵机中输入值7.5后进入准备状态，各关节转动一定角度，按下启动按钮，腰身到物品摆放位；按下物品检测按钮，进行物品检测。如有物品，大臂、小臂、手腕摆动到位，手腕旋转到手爪的工作位；按下抓取按钮，进行物品抓取，手爪由放松变为抓紧，当确认物品抓紧后，按大臂、小臂、手腕的顺序依次回初始位，然后腰身再次顺时针旋转至物品摆放位，把抓取的物品放置在指定位置；手腕旋转至喷漆工作位，进行喷漆，腰身按照“顺时针—逆时针—顺时针”的规律来回转动，手腕上下摆动。当喷漆作业完成后，按下停止按钮，各关节返回初始位。

图11.42　满足喷漆的机构简图

图11.43　顺序功能图

2.机械手结构搭建

机械手结构包括云台、舵机套件、双U形架、腕关节、小臂、手爪。

（1）将云台部件组合形成云台机械结构，再将舵机安装在云台机械结构上。

（2）舵机套件包含多功能支架、舵机、金属舵盘三部分，将这三部分装配在一起，构成舵机套件。

（3）双U形架、小臂的搭建，这两者的结合使大小臂可以同时组装好。每一个U形架对应一个轴承，其目的是使关节间结构稳定且灵活度高。

（4）利用两个舵机套件，搭建腕关节。

（5）手爪的机械结构是一个整体，可以直接使用。

（6）将以上各部分装配在一起，形成机械手结构。

注意：装配时从里到外、从下到上几个U形架之间的连接均使用轴承，十字螺钉尽量用匹配的拧紧工具，每个关节尽量保持中值装配，保证其能从-90°～90°正常转动，舵机线不够长时要接入相匹配的电线增长；螺钉应拧紧，防止后续因机械手工作而造成各关节间的脱节问题。

3.机械手程序设计

1）程序流程图设计

设计任务是设计一款可定线、定点搬运的机械手，具体程序流程如图11.44所示。

图11.44　机械手程序流程图

2）手动调试程序设计

手动调试程序设计的目的在于验证机械手各关节总体基础上的可调范围，提高整体结构稳定性，为搭建自动程序奠定基础。

3）程序框图设计

此次设计要完成其基本功能，最少需要包括初始化、准备、检测位、检测、抓取、放置、喷漆、停止的八种状态，通过状态机实现各状态之间的相互转换。(www.xing528.com)

（1）初始化。如图11.45所示，初始化实际就是各舵机返回中值位，这个程序的实现基于装配硬件之前做过的舵机调值。这一步的目的一方面是扩大关节活动范围，使其能在该位置正向、逆向运转90°，增加程序编写的灵活性；另一方面是排除各构件间易产生的阻挡和干扰。

图11.45　初始化程序框图

（2）准备。准备程序框图如图11.46所示。这一环节的目的是减少各关节路径位移，提高整体稳定性，保护各舵机受力均匀，在初始化的基础上，各关节行驶了大部分的位移，为接下来的状态提供保障。大小臂及手腕摆动到位，人为检验无误后，按下按键开关，进入下一个状态。

图11.46　准备程序框图

（3）检测位。Nextmech提供的舵机转矩均只有0.235N·m左右，力矩小，无法带动机构。因此，采用了乐幻索尔的标准舵机，传感开关采用按键方式，检测位程序框图如图11.47所示。

图11.47　检测位程序框图

（4）检测物品。检测状态用于检测是否有待抓取物品，其程序框图如图11.48所示。

图11.48　检测程序框图

（5）抓取。通过控制舵机反转、正转对应手爪的抓紧、松开，实现物品的抓取，抓取程序框图如图11.49所示。

图11.49　抓取程序框图

（6）放置。这一步和抓取相对应，其程序框图如图11.50所示。

图11.50　放置程序框图

（7）喷漆。由于机械结构硬件限制，此环节硬件部分属于虚拟设计，工作原理是腰身和手腕同时摆动产生正向横向位移差，依次喷涂某一面或某一个区域，喷漆程序框图如图11.51所示。

图11.51　喷漆程序框图

（8）停止。停止状态结束的控制程序包括关节回零等，其程序框图如图11.52所示。

图11.52　停止程序框图

程序编写完毕后，进行 Nextcore 与计算机之间的连接，运行程序的同时，完成程序与Nextcore的数据读写工作，即可进行机械动作的观测及程序的调试。