六自由度机械臂自动取书装置
制作者：孔超 指导教师：朱弘峰
【内容摘要】：本文分析介绍了六自由度机械臂自动取书装置的设计，包括工作原理、各个模块的
的设计，重点分析了技术方案，在项目制作过程中遇到的难点，编程的设计。
【关键词】：六自由度、机械臂、编程 1. 项目背景及意义
该项目来源于我们的日常生活的发现，在图书馆的日常管理中，我们发现当我们想借阅书本时，往往先通过系统查找自己想要借阅的书籍，然后去书库按照号码来寻找，但在寻找的过程中，有时会出现找不到书，或者废了好大劲才找到，我们发现人工取书并不能很好的满足图书借阅人的日常需求，因此亟需一个图书馆自动取书装置，来实现书籍借阅的自动化。在国内外，自动取书装置还不够完善，最先近的德国也只是实现了书籍的自动传送，并没有涉及从书架取书的自动化装置。该装置能完成的任务有能够分辨不同的书籍；将指定的书籍从书架中取出以及把取出的书放在篮子里的一系列动作。
2. 工作原理
六自由度机械臂自动取书装置的工作原理是由摄像头采集图像信号并传递给单片机，由单片机对图像信号进行处理，分辨出不同的书，然后控制机械臂上的舵机执行夹持书本的动作，最后将书放到指定位置。
3. 模块设计
六自由度机械臂自动取书装置分为机械臂模块和摄像头探测模块，由单片机连接并控制。
图1 原理图
机械臂模块：由6个舵机和一个手抓组成。负责夹持书本的执行，由单片机予以控制。 单片机：负责对摄像头信号的处理和对机械手的控制。
摄像头：负责对不同书本的信号采集，并将信号传给单片机。
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图2 电气原理图
图3 程序流程图
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4. 机构原理
图4 六自由度机械臂结构原理图
如图4所示，基座和滑台组成一个移动副A，它们能够沿直线相对滑动；B是一个旋转副，在X-Y平面进行旋转；C是一个旋转副，在X-Z平面进行旋转；D是一个旋转副，在X-Z平面内进行旋转；E是一个旋转副，在Y-Z平面进行旋转；F是一个旋转副，在X-Z平面进行旋转；G是一个旋转副，在Y-Z平面进行旋转。 四、驱动原理 1.电动滑台
1)简介：电动滑台是直线滑台的一种，工业上又常称为电动缸，线性模组等，由直线滑台与马达驱动的结合构成。（我们采用的事步进电机马达驱动）通过马达驱动实现带动工件自动线性运动。通过多方向轴的组合，组成设备上的运动执行机构，这种机构常被称为：工业机械手、XYZ轴机械手、坐标轴滑台等。 2) 电动滑台的主要特点可以从4个主要参数表现出来：
（1）精度：不同行业的对电动滑台精度要求不同，所以没有具体对电动滑台精度的规定，可以按照大型机床设备，和中小型机床来对精度进行分级。大型的机床一般精度在1米1丝上下。中小型机床设备对精度要求一般高于0.1mm。
（2）速度：电动滑台的速度一般使用时均小于理论值，因为其速度主要受到电动滑台上的负载影响，同时如果在生产过程中只最求速度，精度也会受到影响而下降。 （3）负载：负载是主要影响电动滑台的精度和速度的主要元素之一。 （4）行程：有效行程是指电动滑台上的滑块能滑动的有效路径长度。越长的电动滑台，负载带来的负面影响就越大。
3)电动滑台采用不同传动方式的区别： （1）齿轮传动：
1.因为是齿咬合，存在反向间隙；2.精度的一至性很难保证；3.运行速度较低；4. 长时间运行机械磨损较大；5.齿间咬合振动较大，容易造成轴承磨损，旋转轴断裂，且噪音较大；6.维护较多。 （2）同步带传动：
同步带式：电动滑台的传动方式由皮带 和直线导轨辅助完成。 1.刚性差；2.容易磨损，断裂；3.精度较低；4.推力小等。 （3）丝杆传运：
滚珠螺杆式：电动滑台的传动方式由滚珠螺杆，和直线导轨辅助完成。
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1.行程较短；2.速度较慢；3.高精度丝杆货期漫长，且全行程精度一至性难保证等。 4）结构：由于不同的规格影响着电动滑台不同的结构发展，因此不能在电动滑台的规格上统一结构。但是从结构上可以分外部结构和内部结构。 （1）电动滑台的外部结构分为：开放式和封闭式。
开放式：电动滑台的受力部分主要集中在中下部和两侧，将其传动部分裸露在外。 封闭式：电动滑台的受力部分主要集中在外部材料，将其传动部分封闭起来。 （2）电动滑台与马达的连接方式分为：间接式和直接式两种。 （3）动力源一般选择步进电机和伺服马达，具体根据实际需求选定。
5）总结我们采用封闭式的电动滑台，因为需要外部受力，所以我们把传动部分封闭起来，我们采用电动滑台和马达进行直接连接，动力源我们采用步进电机。如图所示(我们做了简单的示意图)：
图5 A是步进电机；B是电动滑台
2.步进电机 1）介绍
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非
超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
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因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
图6步进电机
2)基本原理
（1）工作原理
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 下面我们用一个四相步进电机来说明步进电机工作原理： 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的
各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。如图所示是该四相反应式 步进电机工作原理示意图。
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