基于慧魚技術(shù)的機(jī)械手臂方案設(shè)計(jì)

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1基于慧魚技術(shù)的機(jī)械手臂方案設(shè)計(jì)摘要：基于慧魚技術(shù)構(gòu)思設(shè)計(jì)了機(jī)械手臂模型，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括機(jī)械手臂總體方案設(shè)計(jì)，完成機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和模型的制作，對(duì)機(jī)械手臂在搬運(yùn)物品過(guò)程中的動(dòng)作指標(biāo)進(jìn)行了整體規(guī)劃，最后編制完成了整體控制程序并進(jìn)行了調(diào)試，通過(guò)對(duì)機(jī)械手臂方案的運(yùn)行試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可行．關(guān)鍵詞：方案設(shè)計(jì)，手臂． 引言近年來(lái)，隨著科技發(fā)展迅速，人們的生活節(jié)奏不斷加快，越來(lái)越多的人不想從事體力勞動(dòng)，進(jìn)而企業(yè)出現(xiàn)“用工荒”的問(wèn)題。在高校教學(xué)過(guò)程中，由于部分理論知識(shí)較抽象，教師講解較難，學(xué)生理解掌握起來(lái)也較難，這樣就達(dá)不到想要的教學(xué)效果。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂在生活中應(yīng)用較廣，如建筑工地上的旋轉(zhuǎn)升降型機(jī)械手臂、吊臂，企業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中使用的機(jī)械手臂等。這些機(jī)械手臂在結(jié)構(gòu)和控制上都比較復(fù)雜，所以我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中的講解就有一定的困難。機(jī)械手臂模型方案是基于慧魚技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(gè)過(guò)程中機(jī)械手臂共完成了對(duì)物品的夾起、移動(dòng)、升降和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。從某方面來(lái)說(shuō)，機(jī)械手臂的出現(xiàn)代替了勞動(dòng)力，進(jìn)而為現(xiàn)代企業(yè)解決用工荒的難題。該模型與常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)相比具有體積小且易于移動(dòng)，故靈活性強(qiáng)，可以在教學(xué)中的典型機(jī)構(gòu)與它相結(jié)合演示給學(xué)生看，通過(guò)演示更深入2理解各個(gè)結(jié)構(gòu)之間是如何運(yùn)轉(zhuǎn)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，讓學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程更具有生動(dòng)性和形象性，達(dá)到掌握該課程理論知識(shí)的目的?；埕~創(chuàng)意組合模型是一個(gè)技術(shù)含量很高的工程技術(shù)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(fù)拆裝并不影響模型結(jié)合的精確度。它為應(yīng)用型高校在教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了很好的實(shí)踐平臺(tái)?？傮w來(lái)說(shuō)，慧魚模型的使用，既讓學(xué)生融匯貫通各學(xué)科多領(lǐng)域的綜合知識(shí)，將其應(yīng)用于實(shí)踐過(guò)程中，又培養(yǎng)了創(chuàng)新的意識(shí)，最重要的是給予學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的平臺(tái)。為此設(shè)計(jì)并制作拼接了機(jī)械手臂，文章主要對(duì)機(jī)械手臂的機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行了組裝設(shè)計(jì)講解。一、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案機(jī)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(jī)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(zhǔn)備進(jìn)行下一動(dòng)作。根據(jù)它的功能目標(biāo)機(jī)械手臂的機(jī)械系統(tǒng)主要有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)以及開合機(jī)構(gòu)四大部分組成，模型實(shí)物如圖 1 所示，該模型體積較小，各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)可清楚的看見(jiàn)，方便教師攜帶，可將其模型展示給學(xué)生觀看，便于學(xué)生理解和鞏固。圖 1 機(jī)械手臂Fig.1 multi-function robot arm1.機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)裝置3機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)功能在方案中是通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，并在起始位置和終止位置中放置行程開關(guān)來(lái)控制機(jī)械手臂的移動(dòng)范圍和旋轉(zhuǎn)方向的變換。其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1.1 所示。圖中小齒輪是主動(dòng)輪，便于對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的控制。（a）旋轉(zhuǎn)裝置簡(jiǎn)圖1―轉(zhuǎn)盤 2―小齒輪 3―齒輪箱 4―馬達(dá)箱圖1.1 實(shí)際旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart2.機(jī)械手臂的伸縮機(jī)構(gòu)通過(guò)利用蝸輪蝸桿、齒輪之間的傳動(dòng)以及連桿與滑塊桿之間的滑動(dòng)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮功能。并通過(guò)齒輪箱來(lái)控制它的速度。實(shí)現(xiàn)這一功能的意義在于，可以增大其工作范圍，通過(guò)它的伸縮功能，機(jī)械手臂可以不用移動(dòng)就能到達(dá)指定位置，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1.2 所示。（a）伸縮裝置簡(jiǎn)圖1―馬達(dá) 2―齒輪箱 3―蝸桿 4―連桿圖 1.2 實(shí)際伸縮機(jī)構(gòu)圖Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart3.機(jī)械手臂的升降機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂的升降功能則是通過(guò)鏈傳動(dòng)和渦輪蝸桿傳動(dòng)之間的相互連接來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。它的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1.3 所示。 （a）鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖41―小齒輪；2―鏈條圖 1.3 實(shí)際升降機(jī)構(gòu)圖Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart4.機(jī)械手臂的開合機(jī)構(gòu)物品的夾起與放開都是通過(guò)機(jī)械手臂的開合來(lái)完成，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用渦輪蝸桿的結(jié)構(gòu)作為運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。將渦輪蝸桿固定在機(jī)械手臂的中間，通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪與手臂之間的銜接物會(huì)帶動(dòng)手臂向兩側(cè)張開或夾緊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂對(duì)物品的夾緊和放下的功能。（a）夾緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-開關(guān)；2- 銷；3-機(jī)械手臂；4-渦輪；5-蝸桿圖 1.4 實(shí)際夾緊機(jī)構(gòu)圖Fig 1.4 Actual clamping mechanism二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.總體運(yùn)行過(guò)程假設(shè)機(jī)械手臂現(xiàn)處于張開狀態(tài)，且在最底層，手臂未發(fā)生移動(dòng)，將物品放置于某一位置，高度與機(jī)械手臂高度一致。運(yùn)行過(guò)程如下：一開始，先轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤至某一角度，由馬達(dá) M2 控制，其位置在小齒輪的齒輪箱旁邊， 順時(shí)針為正轉(zhuǎn)。然后將機(jī)械手臂向前伸出一定距離，使其恰能觸碰到物品，由馬達(dá) M3 控制，其位置在移動(dòng)機(jī)構(gòu)中遠(yuǎn)離機(jī)械手臂的一側(cè)，順時(shí)針時(shí)伸縮裝置向前運(yùn)動(dòng)。接下來(lái)，用機(jī)械手臂夾緊物品，由馬達(dá) M4 控制，逆時(shí)針為手臂閉合。夾住物品5后，利用升降結(jié)構(gòu)將物品升至同貨架高度一致的位置，由馬達(dá) M1控制，逆時(shí)針為上升。接著，調(diào)節(jié)物品與貨架之間的距離，通過(guò)向前或后退移動(dòng)一定距離，直至兩者之間距離為零，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)功能，旋轉(zhuǎn)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(yùn)輸功能。系統(tǒng)的總體運(yùn)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(zhuǎn)功能介紹。物品的轉(zhuǎn)移可以通過(guò)偏置一定的角度，使物品到達(dá)指定的地點(diǎn)，可通過(guò)編程控制馬達(dá) M2 實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)。（2）伸縮功能介紹。要想精確的定位重物在哪個(gè)位置放置，可通過(guò)移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮功能，編程控制馬達(dá) M3 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為向前移動(dòng)。（3）升降功能介紹。要使物品放到貨架上，則需要調(diào)節(jié)物品的高度不得高于貨架且不能過(guò)低，裝置通過(guò)鏈條傳動(dòng)，利用小齒輪將鏈條帶動(dòng)，然后控制渦輪蝸桿的升降，從而實(shí)現(xiàn)物品的升降，編程控制馬達(dá) M1 實(shí)現(xiàn)升降，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為物品上升。（4）開合功能介紹。物品的夾取是在運(yùn)輸過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，編程控制馬達(dá) M4 實(shí)現(xiàn)夾手的張開與閉合功能，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為夾手張開狀態(tài)。三、結(jié)語(yǔ)本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂是對(duì)物品搬運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬，在模擬過(guò)程6中與實(shí)際的工程應(yīng)用還有一定的差距，但整個(gè)設(shè)計(jì)方案以及控制程序的調(diào)試具有一定的價(jià)值。它為理論與實(shí)踐相結(jié)合提供了基礎(chǔ)，提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與掌握，增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐能力。此外，通過(guò)慧魚創(chuàng)意組合模型的組裝實(shí)踐還可以對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)情況進(jìn)行一定補(bǔ)充。由于各個(gè)方面的原因?qū)е聦W(xué)生在校的實(shí)習(xí)時(shí)間較短，實(shí)際實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，導(dǎo)致對(duì)工業(yè)系統(tǒng)原理、工廠生產(chǎn)流程等情況不能透徹了解， 在教學(xué)中可以充分應(yīng)用慧魚創(chuàng)意組合模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備（如計(jì)算機(jī)和單片機(jī)）和慧魚產(chǎn)品的零部件依照實(shí)際的工業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型搭建， 再按照生產(chǎn)流程編制程序加以控制，組成柔性生產(chǎn)線，仿真工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行和加工情況，讓學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，從而完成從理論到實(shí)踐的跨越，彌補(bǔ)了在實(shí)習(xí)中的一系列不足。參考文獻(xiàn)：１. 王文燦，基于慧魚模型的智能化黑板設(shè)計(jì)[Ｊ]２０１５２. 曲凌，慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程[２０１６]