拆装机器人灵巧手控制系统研究

和金星,杨志成,陆根财,唐宇欣,闫文舟,孙海洋(北京联合大学,北京100101) 摘要:为了提高拆装机器人在控制工件时的控制能力与灵活性,综合设计制作了一种能够在狭窄空间内精准控制工件进行给进、退出及翻转动作的灵巧手。根据工件参数确定了灵巧手尺寸,采用SolidWorks软件构建了灵巧手的整体模型,设计了灵巧手的指部结构。针对机器人的运动需求,设计了一套控制系统,并制作样机进行机器人控件实验。实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定执行给进、退出及反转等控制动作,且灵巧手系统表现出高度的安全性和可靠性。实验结果与仿真控制效果一致,验证了拆装机器人灵巧手设计方案的可行性与有效性。 关键词:灵巧手;拆装机器人;控制系统 中图分类号:TP242;TP273文献标志码:A文章编号:1006-2394(2024)06-0079-04 Research on the Control System of Installing Robot􀆳s Dexterous Hand HE Jinxing,YANG Zhicheng,LU Gencai,TANG Yuxin,YAN Wenzhou,SUN Haiyang(Beijing Union University,Beijing 100101,China) Abstract:In order to improve the control capability andflexibility of the disassembly robot in controlling workpiec-es,a dexterous hand that can accurately control the workpiece to perform feeding,exiting,and flipping actions in narrowspaces has been designed and manufactured. The size of the dexterous hand was determined based on the workpieceparameters,and the overall model of the dexterous hand wasconstructed using SolidWorks software. The finger structureof the dexterous hand was designed. A control system was designed to meet the motion requirements of robots,and aprototype was made for robot control experiments. The experimental results show that the designed robot structure canstably execute control actions such as feeding,exiting,and reversing,and the dexterous hand system exhibits high safetyand reliability. The experimental results are consistent with the simulation control effect,verifying the feasibility andeffectiveness of the design scheme for the dexterous hand of the disassembly and assembly robot. Key words:dexterous hands;disassembly and assembly robots;control system 部件在狭小凹舱内自主装配。 0引言 目前,尚未由文献报道能够同时兼顾给进、退出、翻转功能,并适应机电设备狭长工作空间,实现拆装过程中工件姿态调整的灵巧手设计。针对这一需求,本文提出了一种仿生型灵巧手方案,旨在应用于狭长空间内的机电设备安装。该灵巧手采用单臂结构,能够灵活地在狭长空间内穿越,精确控制细长工件的进退与翻转,从 而 有 效 实 现 密 集 安 装 工 件 产 品 的 拆 装 自动化。 随着科技进步和“双碳”目标的推动,对机电设备的组装与拆卸需求日益增长,其中拆装狭窄空间内的细长组件已成为机电设备组装与维修专业服务中重要的组成部分。现有的研究文献多集中于结构板部装、大型结构装配、推进系统对接等领域。例如:国内舱体内的仪器总装任务普遍采用人工操作,而对于超重与超大仪器单元,则多依赖吊具进行安装[1];孙刚等[2]设计了基于六自由度并联机器人、激光跟踪仪的太阳翼数字化对接方法;高丽丽等[3]将双机器人自动钻铆系统应用于运载火箭锥体壳段壁板铆接装配;孟少华等[4]基于机器人双目视觉进行路径规划,实现了大型 1机器人结构设计 1.1机身结构 根据课题要求,所设计的机器人为混联型结构,集 成了基座平台、立柱、机械臂及灵巧手等部件。相较于传统的平台框架式机器人,这种混型结构展现出更高的灵活性,能更好地适应狭窄空间进行工件的拆装作业。利用SolidWorks软件设计的模型,不仅便于直接应用于机床加工,还显著节省了时间和成本。因此,设计者采用SolidWorks软件构建了机器人的整体模型结构,如图1所示。 通过这些手指间的协调运动,灵巧手能够更好地持拿工件并调整其位姿,同时其紧凑的结构设计使得灵巧手更加适应狭窄的工作环境。灵巧手持拿工件的场景示意图如图3所示。 机械臂安装在机器人上部,采用串联方式设计。灵巧手各手指之间采用并联机制,灵感源自人类手指间能够交替“传递”工件的自然动作。相比之下,当前市场上的机器人灵巧手尚无法实现这一高度灵活的功能。 机器人的头部设计模仿了人类头部,不仅装配有摄像头用于视觉感知,还配备了三维力矩传感器以精确感知环境信息。颈部装有扭矩电机,可实现头部的旋转,根据任务需求灵活调整观测角度,以增强对环境的适应能力。 在传感器的配置上,前端不仅安装了摄像头以捕捉视觉信息,还配备了超声波测距仪用于精确测距。这些传感器被安装在机器人的表皮或外部,便于数据采集与处理。而控制系统、电源系统及电磁阀等关键部件则被安置在机器人内部,确保了结构的紧凑性和功能的完整性。 2控制系统设计 2.1控制系统组成 控制系统采用模块化设计 理 念,其 核 心 为 基 于AT89C52单 片 机 的 控 制 单 元[5],该 单 元 与ESP8266Wi-Fi模块、接近开关模块和摄像头模块紧密集成,共同实现以下功能: 1.2灵巧手结构 采用SolidWorks软件设计的灵巧手,其结构为串并混联结构,整体呈“品”字形排列,具体结构如图2所示。该灵巧手包括1个手掌、1个拇指、1个中指和1个食指,其中拇指位于上部,中指和食指位于下部。每个“指节”均独立配备一个电动机以实现驱动。特别是上部拇指手指尖端装有翻转指节,用于翻转工件。握指节、进退指节和抓持指节则是专为配合持拿工件而专门设计的。 1)接通电源后,物联网自动通过Wi-Fi模块连接手机,实现远程控制;2)通过接近开关,自动调节机械臂与安装空间距离;3)通过摄像头模块,调节各电机的转速、转向及角度[6]。4)根据周围环境情况,自动控制灵巧手的手指电机的启停和转向。 一问题,设计者采用电阻分压法来预处理采集到的电压信 号。具 体 来 说,就 是 采 用 集 成 运 算 放 大 器TLC2262搭建一个电压跟随器,如图6所示。该电路不仅将信号电压范围调整至单片机可接收的0 3.3 V之内,从而避免了信号失真,还提升了输入阻抗;同时在单片机与传感器之间起到了良好的隔离与缓冲作用,保障了信号传输的稳定性和准确性。 基于上述功能需求,整个系统由以下极大核心部分组成:控制单元、摄像头传感器和执行机构(伺服电机) 。系统的总体设计框图如图4所示。 2.2硬件电路设计 硬件 电 路 原 理 图 如 图5所 示,该 电 路 主 要 包 含AT89C52单片机及其周边配套硬件。单片机周边电路由多个关键组件构成,包括12 MHz晶振电路、复位电路、时钟源及滤波电容等。晶振电路采用1个12 MHz的晶振芯片,并辅以两个22 pF的瓷片电容,其主要功能是向单片机提供稳定的时钟信号。复位电路则集成了复位键K0、电解电容C1和限流电阻R1等元件。其工作原理是:当按下复位键K0时,单片机的第9引脚会瞬间接收到一个由低电平跳变至高电平的信号,从而触发单片机系统复位;松开复位键后,虽然电源持续供电,但R1电阻会逐步放电,使得第9引脚由高电平变为低电平。 2.3软件设计 系统软件同样遵循模块化设计原则,其结构主要由主程序及若干子程序模块构成,具体包括前进、倒退、正转和反转等4个功能模块。主程序的执行流程清晰明了,如图7所示。 为了精确反映灵巧手对工件的抓握情况,设计者选用先进的三维力矩传感器作为信息反馈装置。该三维力传感器能够输出与抓握力大小成正比的信号,随后通过转换机制将这些力矩输出转化为05 V的模拟量信号。由于AT89c52单片机内置的模数转换器是12位逐次逼近型模数转换器,且其I / O端口允许的最大输入电压为3.3 V,若直接接入原0 5 V的信号,则会导致部分信号超出范围而造成失真。为了解决这 单片机的控制主程序流程具体如下。 1)系统上电,硬件初始化,单片机检测机器人内部电机是否处于初始位置,验证各个传感器的信号是否正常。若检测到任何异常情况,则立即触发报警机制,并停止后续程序的运行。 2)若系统各项检测正常,则单片机检测是否有待安装的工件。若检测到由工件需要安装,则继续执行相应的子程序操作;若未检测到工件,则系统返回至待机状态,等待新的任务指令。 报,2023,59(8) :233-241.[2]孙刚,刘广通,郭涛,等.航天器总装过程中基于并联调姿平台的太阳翼数字化对接技术[J].航空制造技术,2015(11) :102-106.[3]高丽丽,李士宁,吴冬,等.运载火箭壁板机器人自动钻铆技术研究[J].机械工程与自动化,2020(6) :124-126.[4]孟少华,胡瑞钦,张立建,等.一种基于机器人的航天器大型部件自主装配方法[J].机器人,2018,40(1) :81-88.[5]宋炳辉,尹章轩,苗威鹏,等.基于单片机的火灾烟雾报警器设计[J].仪表技术,2024(1) :33-35.[6]王红,孙少明,孙根基,等.基于机器视觉的古籍修复装置设计[J].仪表技术,2023(6) :28-31. 3)在确认由工件需要安装后,单片机根据工件的具体要求和安装位置的条件,选择合适的子程序进行操作。这些子程序可能包括前进、倒退、正转和反转等动作。任务结束后,系统恢复到初始位置,等待新的任务。 4系统调试 (陆健编发) 为了验证灵巧手设计的合理性,精心制作了灵巧手样机,其加工过程中的关键步骤截图如图8所示。通过一系列严格的测试,设计者针对长度为500 mm的不规则管件,分别进行了纵向移动实验(包括前进与倒退)和横向移动实验(包括正转与反转) 。具体而言,纵向移动实验的截图展示在图8a)中,而横向移动实验的截图则位于图8b) 。实验结果显示,灵巧手在这些实验中均表现出色,达到了预期的性能指标。这些实验结果不仅验证了灵巧手设计的有效性,还为后续实现工件精准安装提供了宝贵的研究参考和设计依据。 􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰 (上接第50页) 时器以及节日提醒等实用功能,极大地提升了生活的便捷性。这款多功能的电子万年历系统,以其直观的时间与日期展示,为用户规划日常生活与工作提供了强有力的支持。用户只需一瞥,便能迅速掌握当前