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魔方机械手设计及控制研究

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孙双双+周鹏

摘要：随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。课题针对这一领域，设计了一个用于扳魔方的机械手，该机械手拥有两个自由度，可以实现对魔方的夹取，还可以实现对魔方的每一个面进行旋转。

关键词：移动焊接机器；轨迹规划；梯度下降法；二分法

0引言

以工业化机器人及自动化为核心的智能化装备正掀起一场装备行业颠覆性的革命。展会上一个玩魔方机器人能吸引无数孩童的眼球。目前玩魔方机器人并没有普及，它一般由一些大型的公司（如：ARM、Nokia）科研院所以及中科大、哈工大制作。他们要么是炫耀处理器的能力，要么进行一些比赛。核心的处理器一般用手机与电脑；机械手部分一般用的是做成的像手臂式的机械手；模式识别部分一般用的是色彩传感器与摄像头。整套做下来，成本很高。这样一个智能化且能益智的机器人，本来应该出现在人们的生活中。然而现在却呆在了少数的研究院所里，没有形成大面积的普及。针对这一现象，建立开发一个成本较低并且能够形成普及的嵌入式玩魔方机器人的课题。

美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，解决劳动力不足等问题。1962年，美国联合控制公司又研制一台数控示教再现机械手，商名为Unimate。1962年美国铸造公司也试验成功一种机械手，该机械手的中央立柱可以回转。

德国机械制造业是从1970年开始应用机械手。主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。瑞士、瑞典、日本等国也先后开始发展机械手研究。

我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等。

1总体方案拟定

考虑机械手工作要求的特殊情况，设计采用两自由度机械手设计。自由度具体分配如下：

1、旋臂回转自由度。机身与控制旋转的舵机通过控制旋转的舵机的轴连在一起。当控制旋转的舵机的轴转动时带动机身和夹手的转动。如果此时夹手夹紧魔方，则可以实现对魔方一个面的转动。

2、夹手松开与夹紧的自由度。夹手的驱动由安装在机身上的一个舵机提供。舵机的转动带动机械臂的动作，机械臂的动作作用在夹手上使夹手产生一个上下移动的动作。每一个机械手上有两个夹手，夹手只能做相互靠近的动作和相互远离的动作。当两个夹手靠近时对应为夹紧动作，当两个夹手远离时对应为松开动作。

驱动的选择和控制器的选择：

考虑到旋转魔方时所用的力量很小魔方重量轻以及所用的舵机多达八个的特点设计选用的舵机的型号为RB150MG。选用的舵机控制器是奥松机器人公司生产的32路伺服舵机控制器。RB150MG型号的舵机具有控制精度高控制速度快和提供的扭力大的优点，完全能够满足设计的要求。32路伺服舵机控制器可以控制多达32个伺服舵机协调动作的软硬件结合系统，它不但能实现位置控制和速度控制，还具有时间延时断点发送指令功能。可以实现与上位机的串行通信。

2机械手各个组成部件的介绍

2.1夹手

介绍夹手之前首先介绍一下魔方。设计的机械手是用于扳魔方用的，所以刚开始有必要对魔方做一下介绍。魔方一共有六个面。魔方有四乘四的和三乘三的。四乘四的意思是魔方的每一个面分为十六个小块，每一条边有三个小块。三乘三的意思是魔方的每一个面有九个小块，每一条边有三个小块。

该魔方共有六种颜色分别为红色、黄色、绿色、粉红色、白色、蓝色。模仿的边长为5.5厘米。该魔方有个特点：无论怎么扳动每一个面中间快的颜色和该面对面中间快的颜色始终是对应着的。这是因为对模仿的操作都可以分解成很多对魔方每一个一个面的操作，对魔方一个面的操作是不会影响这种对应关系的。

夹手是用于夹住魔方的机构。夹手分为两