多功能智能机械臂技术论文

多功能智能机械臂

设计者：

摘要：未来属于科技的时代，一切都将向着智能化发展。传统的黑板板书教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，但其人性化较差，粉尘对授课人危害极大。鉴于此，本作品研制了一个多功能智能机械臂，该机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作，书写速度与手动书写相媲，操作简单，工作灵活，稳定性高，紧跟时代步伐。

关键词：智能；机械臂；书写擦除

1 研制背景及意义

教学实践领域，在以多媒体教学为主流的环境下，传统的黑板板书教学方式仍占有举足轻重的地位。该教学方式生动形象，灵活性和可操作性强，能起到很好的教学目的。

板书教学过程中，授课者要利用粉笔手动书写，幅面改变时需用黑板刷手动擦除，费时费力，粉笔落下的粉尘对人的身体健康有害等实际问题；诸多研究皆是通过改良擦除黑板的方式或者提高擦除效率来减少粉尘对老师的待危害，这类改进起到了一定的作用，但是还是存在以下两点主要问题。第一，黑板擦除装置机构复杂，操作繁琐，很多授课者都不愿意使用；第二，授课者仍然还得手动进行书写，工作量依旧很大。在竞争日渐激烈的今天，辛勤工作的老师不仅想提升教学质量，而且期待能减少工作强度，将更多的精力用在教学科研中。

针对上述问题，本作品采用高级的技术及算法，研制了一个多功能智能机械臂，此机械臂可以替代老师在黑板上完成所有的书写擦除工作。授课教师利用控制终端进行简单的操作，控制机械臂使其在竖直的黑板上随意移动，通过操作控制终端实现自动写字，画图和擦除黑板等功能，这样，充分体验了智能化未来化科技化的优点。智能机械手书写高效且定位精准，成本不高让它有很好的普及性应用前景。科技化的教室可以大大激发学生的学习兴趣。机械手是社会智能化发展的一种产物，将它引入课堂是未来发展的需要，可以让学生体现梦幻般的课堂生活。

2 原理分析与硬件电路图

本作品主要由可手持控制终端和多功能智能机械臂组成。可手持控制终端由教师操作，可进行书写和画图等诸多操作的控制，多功能智能机械臂执行相应的书写、画图操作，可手持控制终端和多功能智能机械臂之间采用蓝牙通信。

2.1 可手持控制终端

可手持控制终端主要包括控制通信部分、操作按键部分和触摸屏。教师在触摸屏上进行书写操作，控制通信部分将书写指令数据以蓝牙方式发送给智能机械臂，由机械臂完成书写操作。可手持控制终端的硬件电路如图1所示：

图1 可手持控制终端的硬件电路图

图中，微控制器采用Atmel公司的ATmega128，16枚按键分别是字库目录索引的“上”、“下”、“左”、“右”，字库汉字选择的“上”、“下”、“左”、“右”，“写字”，“擦除”，“前移”，“后移”，“触屏跟随”，“抬起”，“放下”，“发送”。连接器J1、J2是与触摸屏的连接接口，J6是与蓝牙模块的通信接口，ATmega128

与蓝牙模块的采用串口通信方式。

2.2 多功能智能机械臂

对智能机械臂的基本要求是能够快速、准确地夹持着笔芯书写文字或描绘图形，这就要求智能机械臂具有高精度、高灵敏性、灵活的自由度、完善的定位功能、和一定的承载能力，以及占用操作空间小、运动灵活等特性。实现这些特性的前提是确保机械臂具有足够的自由度，一般工业机械手最高是6个自由度，本设计机械臂同样采用6自由度。

2.2.1多功能智能机械臂硬件设计

多功能智能机械臂由五大部分组成：机械臂基体、吸附部分、驱动部分、MCU控制和通信部分和书写擦除部分。其模型结构图如图2所示：

图2 多功能智能机械臂模型结构图

图中，各组成部分的主要硬件结构和功能如下：

（1）机械臂基体：采用四轮小车结构，各轮外圈由橡胶包覆，基体外壳由钛合金板铆接而成。主要承载整个机械臂的重量。

（2）吸附部分：由多个电磁吸盘组成，其使得整个机械臂能够吸附在黑板上；

（3）驱动部分：由电机和行走轮构成，主要实现机械臂的运动。

（4）MCU 控制和通信部分：接收控制终端以蓝牙方式发送的命令数据，解析生成各类操作指令，包括命令写字、触屏跟随写字、抬起笔、放下笔、擦除、移动调整书写位置等指令，并根据指令进行字模解码、坐标计算定位、舵机操作角度计算、舵机驱动 等计算和控制功能。

（5）书写擦除部分：由舵机一、连接座一、舵机二、连接座二、舵机三、连接座三、舵机四、连接座四、舵机五、连接座五、电机、夹持机构、书写擦除笔组成。其主要执行书写及擦除动作。

除MCU 控制和通信部分外，其余四部分构成智能机械臂的机械结构部分。 2.2.2 机械臂机械结构设计

智能机械臂的设计使用高速的舵机结构加上铝合金的手臂，可以达到高速反应的能力，6个自由度的机械臂可以完成空间任意坐标的定位，从而根据坐标移动，可以写出任何的文字、曲线。一般老师在黑板上面画的曲线往往很不公整，采用智能机械手代替以后，通过进一步优化硬件和程序，能够让机械手画出来一条完美的曲线，书写美观工整。

所使用高速舵机的最大扭力确定为20kg/cm ，最大堵转功率15w ，扭力计算公式如下： P （有效）=F(扭力) * V （速度）

舵机转速减小时功率增大，F(扭力)随之增大，所以舵机有良好的抗负载能力，对于较大的负载也能承受。

机械臂上面采用的6061铝管在工作时候需要承受的最大应力计算如下：

2max 1.53max 1.31*10M pa Mpa W

s =

==

机械臂采用（x ，y ，z ）空间坐标的形式，其中坐标的计算采用到三角函数、反三角函数等等，通过利

用三角函数计算每一个关节的空间坐标，叠加下去，算出来全部6个关节的空间坐标，从而得到实际笔头的工作坐标，实现精准的（x ，y ，z ）定位。有了完善的定位功能之后，便可以实现任何的书写操作。 2.2.3 MCU 控制和通信硬件设计

智能机械臂的核心控制部分采用Atmel 公司的ATmega2560微控制器。其主要硬件资源如表1所示：

ATmega2560微控制器作为机械臂的控制核心，主要实现以下三部分功能： （1）与手持控制终端进行蓝牙通信，接收相关的指令和数据；

（2）数据解码计算，根据指令判别操作类型，计算得出相关操作参数； （3）控制机械臂的舵机，驱动机械臂执行相关动作。 ATmega2560的蓝牙通信和舵机控制接口电路如图3所示：