一種具有壓力感知功能的機(jī)械手的設(shè)計(jì)

羅鴻彬 曾志彬 黎梓恒 吳國(guó)洪 陳學(xué)忠

（1.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523000；2.東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東東莞523000；3.廣東石東實(shí)業(yè)（集團(tuán)）公司，廣東東莞523000）

0 引言

機(jī)械手在各行各業(yè)都具有很好的應(yīng)用前景[1]，其可以用來夾持與搬運(yùn)物體。

現(xiàn)在大多數(shù)機(jī)械手都屬于剛性機(jī)械手，對(duì)于有些物體而言，只能施加一定范圍的力夾取它，若施加超過額定范圍的力，則物體會(huì)變形甚至損壞[2]。因此，有必要提供一種具有感知夾取時(shí)壓力變化功能的機(jī)械手。

本文提出了一種具有壓力感知功能的機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，大致為利用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過同步輪同步帶、導(dǎo)軌與滑塊的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)物體的夾持，以Arduino控制器為處理中心[3]，壓力傳感器作為主要傳感器，控制機(jī)械手夾持力度。下文將具體從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與軟件系統(tǒng)方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

軸座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，本文所設(shè)計(jì)的具有壓力感知功能的機(jī)械手包括軸座和與軸座連接的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在軸座的上方。

機(jī)械手還包括同步帶、同步輪和輪軸，輪軸設(shè)置在軸座的右邊，輪軸的上半截具有一個(gè)螺紋孔和一段外螺紋，輪軸通過螺母固定于軸座；同步輪分別設(shè)置在步進(jìn)電機(jī)輸出軸的末端與輪軸的末端，同步輪通過垂直該輪軸心的螺釘鎖緊在步進(jìn)電機(jī)輸出軸的末端與輪軸的末端；同步帶設(shè)置在兩個(gè)同步輪之間。輪軸上方的螺紋孔設(shè)置有限位螺釘，而限位螺釘用于頂住軸座以防止轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，轉(zhuǎn)軸固定不旋轉(zhuǎn)。

軸座的下表面設(shè)置有導(dǎo)軌和與之配套的滑塊，導(dǎo)軌通過螺釘與軸座連接，滑塊的下表面設(shè)置有同步帶固定件Ⅰ。同步帶固定件Ⅰ的表面設(shè)置有壓緊同步帶的同步帶固定件Ⅱ，同步帶設(shè)置在同步帶固定件Ⅰ與同步帶固定件Ⅱ之間。軸座的上方設(shè)置有限制機(jī)械手張開范圍的限位開關(guān)，軸座上表面設(shè)置了限位開關(guān)固定件，限位開關(guān)設(shè)置在限位開關(guān)固定件的下表面；同步帶固定件Ⅱ的表面設(shè)置有觸發(fā)限位開關(guān)輸出電信號(hào)的擋片。

機(jī)械手還包括有夾持物體的立臂，立臂設(shè)置在橫臂的側(cè)面，橫臂設(shè)置在同步帶固定件Ⅰ的下表面，立臂的側(cè)面設(shè)置有感知夾持物體時(shí)壓力的壓力傳感器。

機(jī)械手硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)還包括其電連接部分，限位開關(guān)的其一引腳連接5 V電源的GND端，另一引腳同時(shí)引出兩條線分別連接Arduino控制器的9號(hào)數(shù)字引腳和10 kΩ電阻，10 kΩ電阻的另一端與5 V電源的+5 V端電連接；壓力傳感器的A0引腳與Arduino控制器的A0引腳電連接，壓力傳感器還要外接5 V電源；步進(jìn)電機(jī)的藍(lán)、紅、綠、黑四根線分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的A+、A-、B+、B-連接；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR+和PUL+引腳分別與Arduino控制器的6和7號(hào)數(shù)字引腳連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR-和PUL-引腳短接，進(jìn)一步地與Arduino控制器的GND引腳連接；液晶屏的RS、E、D4、D5、D6、D7引腳分別與Arduino控制器的12、11、5、4、3、2引腳連接，液晶屏的GND和R/W引腳進(jìn)行短接，進(jìn)一步地與Arduino控制器的GND引腳連接，液晶屏的vcc引腳與Arduino控制器的+5 V引腳連接。

2 控制系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：以Arduino控制器為處理中心，限位開關(guān)和壓力傳感器作為感應(yīng)器，步進(jìn)電機(jī)和液晶屏作為執(zhí)行元件。

Arduino控制器按指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手爪張開與閉合。

Arduino控制器采集限位開關(guān)的觸發(fā)信息，限制機(jī)械手的張開范圍，當(dāng)設(shè)置在滑塊表面的擋片到達(dá)限位開關(guān)的U型槽里，限位開關(guān)將被觸發(fā)，Arduino控制器將感應(yīng)到9號(hào)引腳的電信號(hào)變化，從而停止對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出；Arduino控制器采集壓力傳感器的模擬量電信號(hào)，并且與程序中設(shè)定的閾值比較，當(dāng)采集的信號(hào)值等于或大于閾值時(shí)，則停止對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出，當(dāng)采集的信號(hào)值小于閾值時(shí)，則繼續(xù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行脈沖輸出，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)械手爪施加的壓力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手以適當(dāng)?shù)牧A取物體；Arduino控制器采集壓力傳感器的模擬量電信號(hào)，并同時(shí)通過液晶屏顯示機(jī)械手爪的實(shí)時(shí)壓力值，以達(dá)到監(jiān)控的目的。

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：

第一，根據(jù)功能要求對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

第二，根據(jù)機(jī)械手的功能要求搭建了控制系統(tǒng)。

機(jī)械手爪的張開與閉合動(dòng)作采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，與之配套的傳動(dòng)方式采用同步輪同步帶、導(dǎo)軌與滑塊的方式，實(shí)時(shí)測(cè)量夾持壓力的功能通過Arduino控制器+壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)，并且添加限位開關(guān)、液晶顯示屏輔助機(jī)械手的運(yùn)行，更加安全化與實(shí)用化。