基于慧鱼技术的机械手臂方案设计
roject Design of a Mechanical arm Based on Fischer Technology
Liao Shengwen Wang Yuqin Zhang Xiaoying Wu Na Yang Jian
（ChaoHu University Chaohu city 238000）
Abstract： Fischertechnik model based on the conceptual design of the mechanical arm. Design of the main content including the overall design of the mechanical arm， complete mechanical system scheme design and model making， of mechanical arm in the process of cargo handling the operation parameters of the overall planning， the final preparation of the completed the overall control program and debugging. The experimental results show that the structure of the system is simple and feasible.
Key words： Fischer Technology；mechanical arm；control program
中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0270-02
引言
近年来，随着科技发展迅速，人们的生活节奏不断加快，越来越多的人不想从事体力劳动，进而企业出现“用工荒”的问题。在高校教学过程中，由于部分理论知识较抽象，教师讲解较难，学生理解掌握起来也较难，这样就达不到想要的教学效果。本次设计的机械手臂在生活中应用较广，如建筑工地上的旋转升降型机械手臂、吊臂，企业在生产制造过程中使用的机械手臂等。这些机械手臂在结构和控制上都比较复杂，所以我们在教学过程中的讲解就有一定的困难。机械手臂模型方案是基于慧鱼技术进行设计的，它的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，在这个过程中机械手臂共完成了对物品的夹起、移动、升降和旋转等动作。从某方面来说，机械手臂的出现代替了劳动力，进而为现代企业解决用工荒的难题。该模型与常见的机构相比具有体积小且易于移动，故灵活性强，可以在教学中的典型机构与它相结合演示给学生看，通过演示更深入理解各个结构之间是如何运转，采用理论与实践相结合的方法，让学生学习理论课程更具有生动性和形象性，达到掌握该课程理论知识的目的。
慧鱼创意组合模型是一个技术含量很高的工程技术类趣味拼装模型，其主要部件尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装并不影响模型结合的精确度。它为应用型高校在教学过程中创新教育和创新实验提供了很好的实践平台。总体来说，慧鱼模型的使用，既让学生融汇贯通各学科多领域的综合知识，将其应用于实践过程中，又培养了创新的意识，最重要的是给予学生实现创新的平台。为此设计并制作拼接了机械手臂，文章主要对机械手臂的机械系统与控制系统进行了组装设计讲解。
一、机械系统设计方案
机械手臂的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，即：机械手臂从起始位置到物品所在位置后将物品夹起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位准备进行下一动作。根据它的功能目标机械手臂的机械系统主要有旋转机构、伸缩机构、升降机构以及开合机构四大部分组成，模型实物如图1所示，该模型体积较小，各个机构的运转可清楚的看见，方便教师携带，可将其模型展示给学生观看，便于学生理解和巩固。
图1 机械手臂
Fig.1 multi-function robot arm
1.机械手臂的旋转装置
机械手臂的旋转功能在方案中是通过齿轮啮合传动实现的，并在起始位置和终止位置中放置行程开关来控制机械手臂的移动范围和旋转方向的变换。其传动简图如图1.1所示。图中小齿轮是主动轮，便于对旋转速度的控制。
（a）旋转装置简图
1―转盘 2―小齿轮 3―齿轮箱 4―马达箱图
1.1 实际旋转机构图
Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart
2.机械手臂的伸缩机构
通过利用蜗轮蜗杆、齿轮之间的传动以及连杆与滑块杆之间的滑动来进行实现机械手臂的伸缩功能。并通过齿轮箱来控制它的速度。实现这一功能的意义在于，可以增大其工作范围，通过它的伸缩功能，机械手臂可以不用移动就能到达指定位置，其传动简图如图1.2所示。
（a）伸缩装置简图
1―马达 2―齿轮箱 3―蜗杆 4―连杆
图1.2 实际伸缩机构图
Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart
3.机械手臂的升降机构
机械手臂的升降功能则是通过链传动和涡轮蜗杆传动之间的相互连接来进行实现的。它的传动简图如图1.3所示。 （a）链传动机构简图
1―小齿轮；2―链条
图1.3 实际升降机构图
Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart
4.机械手臂的开合机构
物品的夹起与放开都是通过机械手臂的开合来完成，在设计过程中，选用涡轮蜗杆的结构作为运转的机构。将涡轮蜗杆固定在机械手臂的中间，通过马达带动蜗杆的转动，涡轮与手臂之间的衔接物会带动手臂向两侧张开或夹紧，实现机械手臂对物品的夹紧和放下的功能。
（a）夹紧机构简图
1-开关；2-销；3-机械手臂；4-涡轮；5-蜗杆
图1.4 实际夹紧机构图
Fig 1.4 Actual clamping mechanism
二、控制系统设计方案
1.总体运行过程
假设机械手臂现处于张开状态，且在最底层，手臂未发生移动，将物品放置于某一位置，高度与机械手臂高度一致。运行过程如下：一开始，先转动转盘至某一角度，由马达M2控制，其位置在小齿轮的齿轮箱旁边， 顺时针为正转。然后将机械手臂向前伸出一定距离，使其恰能触碰到物品，由马达M3控制，其位置在移动机构中远离机械手臂的一侧，顺时针时伸缩装置向前运动。接下来，用机械手臂夹紧物品，由马达M4控制，逆时针为手臂闭合。夹住物品后，利用升降结构将物品升至同货架高度一致的位置，由马达M1控制，逆时针为上升。接着，调节物品与货架之间的距离，通过向前或后退移动一定距离，直至两者之间距离为零，再通过旋转功能，旋转到货架上面，最后控制夹手张开，将物品放置在货架上，完成运输功能。系统的总体运行程序如图2所示。
图2 总体控制程序图
Fig 2 Overall control chart
（1）旋转功能介绍。物品的转移可以通过偏置一定的角度，使物品到达指定的地点，可通过编程控制马达M2实现旋转，顺时针旋转为正转。
（2）伸缩功能介绍。要想精确的定位重物在哪个位置放置，可通过移动装置，实现机械手臂的伸缩功能，编程控制马达M3实现机械手臂的伸缩，顺时针旋转为向前移动。
（3）升降功能介绍。要使物品放到货架上，则需要调节物品的高度不得高于货架且不能过低，装置通过链条传动，利用小齿轮将链条带动，然后控制涡轮蜗杆的升降，从而实现物品的升降，编程控制马达M1实现升降，逆时针旋转为物品上升。
（4）开合功能介绍。物品的夹取是在运输过程中的重要环节，通过涡轮蜗杆机构，编程控制马达M4实现夹手的张开与闭合功能，顺时针旋转为夹手张开状态。
三、结语
本次设计的机械手臂是对物品搬运过程进行模拟，在模拟过程中与实际的工程应用还有一定的差距，但整个设计方案以及控制程序的调试具有一定的价值。它为理论与实践相结合提供了基础，提高了学生对专业知识的理解与掌握，增强了动手实践能力。
此外，通过慧鱼创意组合模型的组装实践还可以对学生的实习情况进行一定补充。由于各个方面的原因导致学生在校的实习时间较短，实际实践的机会较少，导致对工业系统原理、工厂生产流程等情况不能透彻了解， 在教学中可以充分应用慧鱼创意组合模型，并结合实验室已有设备（如计算机和单片机）和慧鱼产品的零部件依照实际的工业结构进行模型搭建， 再按照生产流程编制程序加以控制，组成柔性生产线，仿真工业生产的现场设备运行和加工情况，让学生获得感性认识，从而完成从理论到实践的跨越，弥补了在实习中的一系列不足。
