一种用于智慧工厂化学检测的机械臂设计-专业论文-自动化应用案例

一种用于智慧工厂化学检测的机械臂设计

发布日期：2017-08-11 来源：《智慧工厂》7期作者：于洋李垣江陈梦王丽鹃浏览次数：28077

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【摘　要】：本文提出了自动化验机械臂可以在空间三维直线运动，其试管放置的位置按矩阵式排列在机械臂工作范围内，因此其体积小，容量大、灵活度高。该项目使用嵌入式系统驱动机械臂，采样装置固定在机械臂末端由气泵驱动，化验结果分析部分由颜色传感器和与之相连的嵌入式系统构成，所有的嵌入式系统都与电脑通过串口连接，由上位机软件控制。实验结果表明，自动化验机械臂具有效率高、稳定性好、精确度高等优点，有很高的实际应用价值。

关键词：自动化验机械臂智慧工厂

Abstract: In this paper,the automatic test of mechanical arm can be carried out in three-dimensional linear motion. The location of the test tube is arranged in the working range of the manipulator according to the matrix. Therefore, it is small in size, large in capacity and high in flexibility. The project uses the embedded system driven manipulator, sampling device is fixed at the end of manipulator driven by pump, test results in part by the color sensor and embedded system connected, embedded system all with computer through the serial port connection, controlled by PC software. The experimental results show that the automatic test arm has the advantages of high efficiency, good stability and high accuracy, and has high practical value.

Key words: Automatic test arm Intelligence factory

【中图分类号】TP242 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）07-0000-00

1 引言

现在很多工厂都有自己的化验部门，化验部门的操作员要经过专业的培训才能上岗，而且每天要处理大量的样品。目前我国大部分的化验还是依靠人力来解决，但化验的过程单一重复，完全可以用机械臂代替。采用机器人的智慧工厂可以将人力从重复劳动中解救出来。机器人虽然不如人类劳动智能，但其可重复性好、精度高，它可以把每一次的化验过程都都控制得非常相似，甚至连移动轨迹都控制在0.1mm的误差之内，而且机械臂可以一直工作不用休息，因此由机械臂取代人类来完成化验工作是很有优势的。

2 目的意义

参见图1所示，自动化验机械臂设计的主要任务是完成机械臂的硬件以及嵌入式部分的设计、颜色传感器的嵌入式设计、上位机的软件设计。机械臂的硬件以及嵌入式部分的设计需要对机械臂的坐标形式、自由度、驱动机构等进行确定并完成单片机内部的相关程序的编写，其主要功能是完成对机械臂末端执行器的控制，完成指定的动作。颜色传感器的嵌入式部分设计包括颜色传感器驱动程序设计以及与上位机通信设计，其主要功能是获取化验结束的试管颜色信息。上位机的软件设计包含对机械臂的控制软件部分、读取机械臂状态部分、读取颜色传感器数据部分、数据上传部分。系统结构参见图2所示。

图1 项目结构

图2 系统结构示意图

3 解决方案

3.1 机械臂的硬件以及嵌入式部分的设计

机械臂的硬件以及嵌入式部分的设计需要对机械臂的坐标形式、自由度、驱动机构等进行确定并完成单片机内部的相关程序的编写。在这个项目中我们选取三自由度机械臂，虽然自由度较少但已经可以满足在空间中移动的要求，而且其控制简单稳定，易于后期控制和开发。我们将机械臂放入空间直角坐标系中，通过控制三个自由度的电机来驱动机械臂末端到达指定空间位置。其对应的嵌入式部分需要实现以下功能：

(1)驱动机械臂到达指定位置参见图3所示。

图3 试管架

本项目采用3×6的试管架，试管与试管之间的横纵距离都为2.2cm，试管高度为18cm，设到达的试管对应位置为(x，y)，则x取值范围为0~5，y的取值范围为0~2，(0，0)号试管对应(220，80)，对应位置的二维坐标可表示为(220-2.2*x，80-2.2*y)，通过嵌入式系统控制机械臂到达该坐标即可使机械臂末端对应相应的试管。

(2)控制机械臂下降和抬升：该项目使用的注射器连同针管高度为12cm，机械臂末端连在距注射器上部4cm处、距针管底部8cm处，为使针管离开试管口则机械臂末端高度应大于26cm，为了安全起见这里取30cm。控制坐标设为(x，y，1)，其中(x，y)为对应试管坐标，“1”为抬升状态，对应空间三维坐标为(220-2.2*x，80-2.2*y，30)。为使针管进入试管口并尽可能的深入则机械臂末端高度应在18cm附近，为了安全起见这里取20cm。控制坐标设为(x，y，0)，其中(x，y)为对应试管坐标，“0”为下降状态，对应空间三维坐标为(220-2.2*x，80-2.2*y，20)。