【文章內(nèi)容簡介】 人主要由類似人的手和臂組 成它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手配件主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移 主從機(jī)械手 4 動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和 方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 2～ 3 個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機(jī)械手每個自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或 dsp 等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手。 在不同領(lǐng)域中使用的機(jī)械手也不盡相同 ,如注塑機(jī)機(jī)械手配件就有 :吸盤系列、抱具系列、夾具系列等等不同的種類 。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 機(jī)械手 的發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn) 發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi) 主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。 目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊 、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 主從機(jī)械手 5 世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到 3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到 6 軸，負(fù)載 2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG。 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根 本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 主從機(jī)械手 6 第 2章 主從機(jī)械手的 硬件 配置 MultiFLEX控制器 MultiFLEX 介紹 MultiFLEX2AVR 控制器是一款小型機(jī)器人通用控制器?？刂破鞑捎?AVR 系列ATmega128 單片機(jī)作為主處理器。 ATmega128 能夠運(yùn)行在 16MHz 的頻率下，對于輕量級的自動控制系統(tǒng)而言有足夠的數(shù)據(jù)處理能力。 MultiFLEX2AVR 控制器可以處理IO、 AD 和總線數(shù)據(jù)，控制 R/C 舵機(jī)、數(shù)字舵機(jī)，是構(gòu)建小型機(jī)器人的最佳選擇。 MultiFLEX 的特點(diǎn) ? 高運(yùn)算能力、低 耗、體積小。 520MHz、 32 位的高性能嵌入式處理器和 Linux 操作系統(tǒng) ，運(yùn)算處理能力強(qiáng)大，而功耗不到 2W ；體積小巧。 ? 控制接口豐富。 可以控制 R\C 舵機(jī)、機(jī)器人總線舵機(jī)，直流電機(jī)伺服驅(qū)動 等。 ? 數(shù)據(jù)接口豐富。 12 路雙向 IO 接口， 8 路 10 位精度的 AD 接口 ； RS422 總線、以太網(wǎng)接口、USB 接口。 ? 多種開發(fā)環(huán)境。 配套 NorthSTAR 圖形化集成開發(fā)環(huán)境 ，純代碼開發(fā)環(huán)境； ? 接口開放徹底。 MultiFLEX2AVR 開放所有底層函數(shù)接口 ，用戶就可以直接 用這些函數(shù)編寫程序 。如圖 21 為 MultiFLEX 的模塊。 主從機(jī)械手 7 圖 21MultiFLEX 的模塊 MultiFLEX 功能概述 控制器功能高度集成，具有 12 路 IO、 8 路 10 位精度的 AD 接口，能夠控制 R/C 舵機(jī)、機(jī)器人舵機(jī)，具有 RS232 接口和 RS422 總線接口，足以勝任常規(guī)機(jī)器人控制； 控制器開發(fā)簡單，使用配套的圖形化集成開發(fā)環(huán)境 NorthStar，您只需編寫程序邏輯流程圖，程序就能夠自動生成 C 代碼，編譯后下載到控制器后就可實(shí)現(xiàn)控制器的各種控制功能。此外，控制器也支持 AVRStudio， Eclipse 等 IDE 開發(fā)環(huán)境。我們?yōu)? 控制器編寫了功能完善的服務(wù)程序模板，并將所有功能函數(shù)做了封裝，提供方便調(diào)用的 API 接口，如果您熟悉 C 語言，就可以直接調(diào)用這些函數(shù)接口編寫程序，不用費(fèi)心編寫調(diào)試單片機(jī)底層程序，將注意力放在機(jī)器人上層控制算法上。 CDS5500 機(jī)器人舵機(jī) CDS5500 的 功能概述 大扭矩： 10Kgf? cm 的持續(xù)轉(zhuǎn)動輸出扭矩，大于 20Kgf? cm 位置保持扭矩位置伺服控制模式下轉(zhuǎn)動范圍 0300176。高轉(zhuǎn)速：最高 176。輸出轉(zhuǎn)速在速度控制模式下可連續(xù)旋轉(zhuǎn)，調(diào)速 DC ～ 寬電壓范圍供電總線連接，理論可串聯(lián) 254 個單 176。位置分辨率高達(dá) 1M 通訊波特率雙端輸出軸，適合安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié) 主從機(jī)械手 8 的伺服更新率高精度全金屬齒輪組，雙滾珠軸承兼容 Robotis Dynamixel 通訊協(xié)議連接處 O 型環(huán)密封，防 塵防濺水具備位置、溫度、電壓、速度反饋 ，如圖 22 舵機(jī)的外形 。 圖 22 舵機(jī) CDS5500 的特點(diǎn) ? 控制精度高。位置伺服控制分辨率可達(dá) 度。 ? 響應(yīng)速度快。響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 2ms， 而傳統(tǒng)航模舵機(jī)為 20ms。 ? 通過串行總線控制，可最多連接數(shù)百個單元；每個單元均具有位置、速度、力矩等反饋，用 CDS 系列舵機(jī)搭建的機(jī)器人可以用人工示教來設(shè)定動作；即用戶用手調(diào)整機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)姿態(tài)，機(jī)器人舵機(jī)能夠自動記錄位置、速 度等參數(shù)，并由用戶播放。不再需要一個關(guān)節(jié)一個關(guān)節(jié)地設(shè)置參數(shù)，不再需要設(shè)置參數(shù)后再觀察關(guān)節(jié)是否到位、參數(shù)是否合適。 ? 能整周旋轉(zhuǎn)，適合用在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，也可作為輪式機(jī)器人的動力驅(qū)動。 ? 具有強(qiáng)大的保護(hù)功能?？梢?限制電流、溫度等參數(shù)，如果溫度過高等可以報(bào)警 自動停機(jī)，防止損壞 。 UPDebugger 多功能調(diào)試器 CDS55xx的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試需要使用 UPDebugger 多功能調(diào)試器來完成。調(diào)試時(shí)，將使用 UPDebugger 多功能調(diào)試器的 Servo 模式 。 通過模式選擇按鈕可以讓調(diào)試器的工作模式在 RS23 AVRISP、 SERVO 之間相互切換。調(diào)試 CDS55xx 時(shí)，需要通過模式選擇按鈕將功能切換到 SERVO 模式。具體功能及接口定義如圖 23所示： 主從機(jī)械手 9 如圖 23 多功能調(diào)試器接口 定義圖 主從機(jī)械手 10 第 3章 主從機(jī)械手的軟件 介紹 NorthSTAR軟件 NorthSTAR 包括以下三個部分的功能 ? 用圖形化、可視化的方式給機(jī)器人編程，同步生成 C 語言代碼，在后臺編譯、并下載到機(jī)器人控制器上執(zhí)行； ? 集成 3D仿 真。可進(jìn)行動作仿真、步態(tài)及路徑規(guī)劃等。仿真數(shù)據(jù)輸入圖形編程環(huán) 境； ? 集成 實(shí)時(shí)、可視化數(shù)據(jù)采集與顯示。類似虛擬示波器的功能，能在機(jī)器人運(yùn)行的時(shí)候?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)器人各部分的數(shù)據(jù)，并用波形的方式顯示在 PC機(jī)上 NorthSTAR 的 工程 界面如圖 31 圖 31NorthSTAR 的工程界 面 主從機(jī)械手 11 舵機(jī)調(diào)試軟件 RobotSevo_Terminal ，是舵機(jī)專用調(diào)試軟件 。 調(diào) 試 CDS55xx 數(shù)字舵機(jī)時(shí)，首先建立正確的電氣連接，然后在 PC 上運(yùn)行 RobotSevoTerminal。注意將 UPDebugger 多功能調(diào)試器切換到 Servo 模式。 下圖為舵機(jī)的電氣連接。 32 舵機(jī)電氣連接圖 主從機(jī)械手 12 第 4章 主從機(jī)械手的 搭建 舵機(jī) 組裝 下圖為 舵機(jī)的組裝 圖 41 舵機(jī)組裝 機(jī)械 臂拼接 下圖為 機(jī)械臂的拼接 圖