用于创新实践教学的机械手臂平台的研究与设计

王明浩，郎庆阳，赵 亮，刘亚男，孙宇飞，苏 发，栾丛宇

(辽宁科技学院 机械工程学院，辽宁 本溪 117004)

在应用型本科学生的培养过程当中，必备课堂理论教学之外，通过创新实践活动，培养学生的工程思维，锻炼学生的应用技能，十分必要。在学生创新实践活动中，一些基础知识技能，如基本的加工制造操作、机械结构三维设计、电机驱动、单片机及传感器应用、程序设计等是十分必要的。

如果单独学习以上基础知识和技能，学生往往会出现不知如何入手，没有具体目标，无法整合知识的情况，最终导致进度缓慢或者失去兴趣。通过项目设计一套能够实现具体功能，能直观看到效果，将机械结构设计和控制系统设计相结合，并且能够通过整个制造和调试的过程，学习到创新实践中常用的知识和技能很有必要[1]。

机械手臂是工业自动化的典型代表设备，也是学生普遍具有常识认知的装置，通过机械手臂平台项目，培养学生的创新实践能力和基础知识，是比较合适的选择。

1 总体方案

系统由平台、机械手臂和传送带构成主体机械结构，控制系统分为两个层面，基础的单片机控制系统和上位机软件控制系统。机械手臂和传送带放置在平台上面，位置可以自由调整，机械臂前端带有夹爪，可以夹持工件。围绕核心功能进行功能方案细化，如图1所示。

图1 机械臂平台功能方案

2 机械结构设计

系统机械结构采用SolidWorks软件进行三维建模设计[2]。在常见的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一，具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，非常适合学生创新实践使用。系统的机械结构方案如图2所示，主要的结构尺寸如表1所示。

平台部分采用工业铝型材作为框架和支撑，选用亚克力板作为底板。

图2 机械手臂平台的结构方案

表1 机械手臂平台主要尺寸

机械臂的主体包括底盘、机械臂和夹爪，实现夹持工件在空间内移动的功能。底盘采用磁吸的方式安装在平台上，其上与机械臂相连，通过步进电机驱动控制机械臂实现水平旋转运动。机械臂包括大臂和小臂两部分，均为连杆结构，由步进电机驱动控制，实现移动和升降的功能。夹爪由舵机控制，通过开合运动，夹持和放置工件。

传送带采用直流减速电机驱动，用来运输工件，其上配置有限位开关，实现运动定位。

通过机械结构的设计，学生可以学习到机械制图、三维建模、机械设计计算、电机选型与应用、电源选型与应用等知识。

3 控制系统设计

控制系统包括两大部分，单片机控制系统和上位机控制系统。

单片机控制系统主要负责基础的驱动和信息交互。通过控制各个电机实现运动，并结合传感器信号，实现机械结构的运动功能，通过按键、显示屏等模块，实现人机接口控制，通过通信模块获取上位机指令并反馈信息。

其中核心的部分是对电机的控制，这一方面的功能主要通过控制对应驱动模块来实现。机械手臂的底座和大小臂的动作需要控制对应步进电机运动，机械手需要控制舵机运动，传送带需要控制直流电机运动。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步。在一般理论教学中，往往只讲述了步进电机的工作原理，并不涉及驱动控制。平台选用步进电机驱动模块来实现对步进电机的控制。常用的驱动模块有A4988、DRV8825、TB6560等，通过控制使能、方向和脉冲三个变量，就可以实现步进电机的启停、换向和加减速[3]。

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机的控制信号实际上是一个脉冲宽度调制信号(PWM信号)，该信号可由单片机产生。在实际应用中，单个或者数量较少的舵机，在小功率的情况下，可以由单片机直接控制。对于多个舵机的使用，一般采用舵机驱动模块来实现，如常见的16路PWM舵机驱动板模块，采用IIC接口，不占用过多单片机接口即可实现对16路舵机的控制。

直流电机是最常用的动力元件，使用方便，操控简单，一般驱动可以选用L298N模块。L298N是双H桥的直流电机驱动芯片，可以实现对直流电机的启停和方向的控制。直流电机在选用的时候，一般会选择固定速度的直流减速电机，但有些时候也需要进行速度变化，这时可以采用单片机产生PWM调速信号或者直接采用PWM直流电机调速器。

上位机控制系统是通过运行在计算机上的软件程序，控制机械手臂及传送带运动。需要使用编程软件设计用户界面和功能，并编写相关程序，与单片机控制系统进行通信。用户通过计算机上的软件界面输入控制命令，软件通过串行通信接口将控制命令以数据包形式传送给单片机，单片机系统识别指令代码，控制对应电机驱动器驱动电机完成动作。常用的上位机系统软件设计方法有采用VB/VC开发语言和使用LabVIEW开发环境两种。

Visual Basic(简称VB)和Visual C++(简称VC)都是微软公司开发的基于对象的可视化计算机程序开发语言，具有结构化、模块化、包含协助开发环境的特点[3]。

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境。不同于其他计算机语言采用基于文本的语言产生代码，LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新[5]。

4 系统加工制作

系统的平台支撑结构由欧标2020工业铝型材经过锯铝机切割后组装构成。平台底板采用亚克力板材料，亚克力板具有一定的机械强度和韧性，能够满足基础的应用需求，与木板和金属板比较，最突出的特点是容易加工，一般采用激光切割机就可以快速加工。

机械手臂的零部件主要采用3D打印机技术加工。采用FDM原理的桌面式3D打印机，选用PLA材料，首先将用SolidWorks软件绘制的三维零件模型转换为STL格式文件，然后导入到3D打印机控制软件中，经过打印参数设置，继而加工完成。3D打印机在学生创新实践中的应用，极大地降低了零件加工的成本和难度，提高了迭代效率。

图3 机械手臂平台实物图

加工制作完成的机械手臂平台如图3所示。经过组装调试，学生可以通过编程控制，实现特定的动作和搬运功能，不同学习组可以设计不同的动作任务，非常适合教学使用，可实现的实验及学习功能如图4所示。

图4 机械手臂平台功能

5 总结

(1) 文章针对创新实验室教学实际需求，研究设计了一款用于创新实践教学的机械手臂平台。

(2) 该平台体积小，可操作性强，模块化设计，具有结构和功能的扩展性。

(3) 该平台采用3D打印等技术加工制造，成本低，性价比高。

(4) 该平台功能丰富，可以学习三维设计、加工制造、电机驱动、程序设计等知识和技能，经过试验，满足学生创新实践基础知识学习的需要。

(5) 该平台仍有进一步提升空间，通过优化结构和功能，可以实现行走移动、视觉识别和物联网等功能，为学生学习和教师科研服务。