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书画手臂的模型设计

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陈鹏+韩博+张俊博

摘要：机械臂广泛的应用在工业领域，其形式多种多样，采用DARM函数算法、Melzi控制板控制的书画手臂，在生活中能够广泛应用，而且具有着结构简单、控制精确、方便简捷、实用性较高等优点。通过对现有的各种机械臂的介绍分析，明确书画手臂的优缺点，为进一步的改进与完善提供方法和途径。

关键词：机械臂；DARM；对比分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.249

0引言

工业机器人的快速发展实现了生产自动化，提高了生产效率。在工程机械、车间厂房、高危作业、产品生产线、汽车零部件等行业机器人都得到了应用，并且经济效益、发展前景都十分可观。伴随着工业机器人的飞速发展，研究的不断深入，机器人产品向高精度、高智能、可控性强和高性能方向发展。人们希望这种机器人也能走进我们的日常生活中来，于是服务型的机器人逐渐走进了我们的视野，因此也便有了低成本的、小型的、所谓的“桌面版”机械臂的产品。桌面版的机械臂虽不如工业版的具有力量大、精度高、速度快的特点，但在日常生活中，具有写字、画画、拾物等功能，简单方便，增加了趣味性的同时，又可学习到知识。以所研究的书画手臂为例，进行介绍分析，明确其优点与不足，为以后的发展与应用奠定基础。

1桌面机械臂的发展情况

1.1uArm

uArm是一个连杆式的机械臂，它的控制部分采用了便于编程控制的开源硬件Arduino，。其最大的特点是底部转盘，所有动力装置都装在这个地方以减少机械臂部分的重量，从而减少惯性动作对稳定性的影响，同时也能增加机械臂的负载能力以提高效力。

在功能上也与Leapmotion合作，玩家可以通过手勢操作机械臂，比如操控吸盘吸附非规则物体或者用机械手操控规则物体。在Processing后台，玩家也可以对Leapmotion所开放的接口编程，把uArm变成你定制化的机械臂。

1.27bot

7bot机械臂其主要原型为ABB工业机械臂IRB2400，硬件结构方面，7BotArm采用了6轴、全金属设计，不仅更加牢固耐用，而且还可以在3维空间做更多操控。其另外一个特点是采用了定制舵机方案，可以设定舵机的输出力矩大小和运行速度，确保精度，还可以采用数字I2C总线接口，仅用四根线就可以串联127个舵机。

7BotArm提供了多种控制方式，包括手势、网页控制、结合计算机视觉等实现智能控制，可以覆盖不同人群的不同需求。具体来说：

（1）增加了机器人视觉功能，可以完成打地鼠游戏、陪人下棋等诸多智能应用。

（2）增加了软件仿真环境，模型可以和现实机器人一一对应，也可以在软件环境中规划好路径然后下载到实际环境中去复现。

（3）增加了示教功能，用户可以直接拖动机械臂进行轨迹规划，然后记录回放，在不需要任何编程的情况下就可以控制机械臂运动。

1.3Dobot

DOBOT机械臂，号称是全球首款高精度消费级桌面机械臂，在能够完成多种机械臂动作的基础上，具有价格低廉的特点，同样是基于开源硬件Arduino控制的机构，其精度为0.2mm。

DOBOT机械臂可以3d打印、写字、画画，他的另一个强大功能就是脑电波读取。使用者将传感器戴在头上，集中注意力，例如给出一个向左的信号，并记录为向左的动作，下次再遇到这个脑电波信号，它就会给出向左的动作等。

2书画手臂的模型设计

2.1结构简介

书画手臂由一个基座、一个末端执行器、六根金属连杆和电动轴枢，以及同步轮和同步带组成，这样的机械臂可以在其活动范围内实现任意的三维位置和位姿。每一个活动的关节称为一个自由度，共有3个关节，即为3自由度机械臂。机构运行时，由Melzi控制板控制三个电动机的工作，从而控制执行端在X、Y、Z三个方向的移动来进行写字画画

2.2DARM函数详解

控制机械臂运转的函数，主要有两个，即正解函数和反解函数，下面详细说明

2.2.1正解函数

3结语

uArm、7bot、Dobot三种机械臂控制精度高、功能强大、更加智能化，但其昂贵的价格也使很多人望尘莫及，书画手臂虽不及这三种机械臂，但其具有价格低廉、操作简单、结构简易、实用性较高等特点。能够根据使用者的需要，方便的完成写字画画等基础功能，另外，书画手臂还可以运用在激光雕刻、3D打印等方面，在保证娱乐性的同时，还可让广大的使用者学习到很多的知识。在控制精度方面，书画手臂仍有不足，但也有改进的空间，相信在以后书画手臂将会有很大的进步。

参考文献：

[1]蔡汉明，钱永恒.Dobot型机器人运动学分析与仿真[J].机电工程，2016，33（10）：1217—1220.

[2]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]刘极峰，丁继斌.机器人技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.

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