一種自動(dòng)分選機(jī)械手的設(shè)計(jì)

羅男生 黃市生 曾志彬 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

搬運(yùn)機(jī)械手在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，目前，隨著工業(yè)化的發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的智能程度提出了更高的要求[1]，在搬運(yùn)過程中，需要機(jī)械手自動(dòng)識(shí)別工件的大小或形狀，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分選[2]?，F(xiàn)有的機(jī)械手主要通過機(jī)器視覺來判斷工件形狀和尺寸，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類工件[3]，但是機(jī)器視覺技術(shù)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，操作不方便。對(duì)于圓柱形工件，如采用機(jī)器視覺來實(shí)現(xiàn)按直徑尺寸自動(dòng)分類，則系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)成本高。所以，采用機(jī)器視覺來分類直徑大小不一樣的圓柱形工件，顯然是不合適的。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種自動(dòng)分選機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，大致為設(shè)計(jì)一種五軸機(jī)械手及其自動(dòng)分選方法。下文將從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)搭建兩方面進(jìn)行具體的闡述。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手包括機(jī)械連接的硬件部分和電性連接的控制部分。為提高機(jī)械手的靈活度，本文將機(jī)械手設(shè)置為五軸，由五軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

五軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由固定底座、底盤Ⅰ、底盤Ⅱ、臂身Ⅰ、臂身Ⅱ、臂身Ⅲ、手掌組成，底盤Ⅰ通過銅柱設(shè)置在固定底座的上方，其中固定底座設(shè)置有通孔，可用于機(jī)械手固定在工作臺(tái)或地面等。底盤Ⅰ用于固定豎直方向上的舵機(jī)Ⅰ，舵機(jī)Ⅰ用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在水平方向上的旋轉(zhuǎn)；底盤Ⅱ直接通過螺釘設(shè)置在舵機(jī)Ⅰ的軸末端，即舵機(jī)Ⅰ動(dòng)作時(shí)，底盤Ⅱ產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。底盤Ⅱ用于固定舵機(jī)Ⅱ，舵機(jī)Ⅱ水平設(shè)置。臂身Ⅰ數(shù)量為兩個(gè)，平行設(shè)置，一端連接舵機(jī)Ⅱ，一端連接舵機(jī)Ⅲ，右側(cè)的臂身Ⅰ設(shè)置在舵機(jī)Ⅱ的軸末端，該效果是臂身Ⅰ相對(duì)于舵機(jī)Ⅱ做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；臂身Ⅱ數(shù)量為兩個(gè)，平行設(shè)置，一端連接舵機(jī)Ⅲ，一端連接舵機(jī)Ⅳ，該效果是臂身Ⅱ相對(duì)于舵機(jī)Ⅲ做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；臂身Ⅲ數(shù)量為兩個(gè)，平行設(shè)置，一端連接舵機(jī)Ⅳ，一端連接手掌，左邊的臂身Ⅲ設(shè)置在舵機(jī)Ⅳ的軸輸出端，該效果是臂身Ⅲ相對(duì)于舵機(jī)Ⅳ做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)Ⅴ設(shè)置在手掌的下方，用于控制手掌的張開或閉合。

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由齒輪指、連桿、指尖組成；兩個(gè)齒輪指分別設(shè)置在舵機(jī)Ⅴ的軸輸出端與手掌的上方，齒輪指、連桿設(shè)置在手掌與指尖之間，形成平行四邊形機(jī)構(gòu)，其效果是當(dāng)舵機(jī)Ⅴ動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)齒輪指轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指尖閉合或張開。激光測(cè)距模塊設(shè)置在左指尖右表面，用于檢測(cè)右指尖的距離。

電性連接的控制部分：舵機(jī)Ⅰ、舵機(jī)Ⅱ、舵機(jī)Ⅲ、舵機(jī)Ⅳ、舵機(jī)Ⅴ的信號(hào)引腳S端依次連接Arduino控制器的3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)引腳，通過PWM控制方式控制機(jī)械手的動(dòng)作，由于需要保證各個(gè)舵機(jī)能正常運(yùn)行而不產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象，并且需要保護(hù)Arduino控制器不被低壓損壞，因此每個(gè)舵機(jī)的5 V電源都需要外接。激光測(cè)距模塊的SCL、SDA引腳分別與Arduino控制器的SCL、SDA引腳相連，激光測(cè)距模塊的供電可由Arduino控制器提供，利用激光測(cè)距模塊可檢測(cè)機(jī)械手爪張開的大小。

2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

舵機(jī)Ⅰ的轉(zhuǎn)動(dòng)在X平面發(fā)生，舵機(jī)Ⅱ、舵機(jī)Ⅲ、舵機(jī)Ⅳ的轉(zhuǎn)動(dòng)在垂直于X平面的平面發(fā)生，另外要保證舵機(jī)Ⅴ的轉(zhuǎn)動(dòng)在平行于X平面的平面發(fā)生，利用Arduino控制器有序控制各個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件夾取。激光測(cè)距模塊有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，利用控制器觸發(fā)激光測(cè)距模塊，從前發(fā)射頭產(chǎn)生激光，遇到物體將反射激光回來，計(jì)算時(shí)間，即可測(cè)出物體距離。通過程序設(shè)置，機(jī)械手的初始狀態(tài)（即復(fù)位狀態(tài)）為：舵機(jī)Ⅰ在0°位置，即機(jī)械手整體朝右方向；舵機(jī)Ⅱ在0°位置，即機(jī)械手的臂身Ⅰ與水平面成60°角，舵機(jī)Ⅲ在0°位置，即臂身Ⅱ豎直向下；舵機(jī)Ⅳ在0°位置，即臂身Ⅲ水平向右；舵機(jī)Ⅴ在0°位置，即機(jī)械手爪閉合。

機(jī)械手的夾取過程：首先是舵機(jī)Ⅴ驅(qū)動(dòng)指尖（手爪）張開，然后舵機(jī)Ⅰ驅(qū)動(dòng)機(jī)械手整體轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)指尖下移，舵機(jī)Ⅲ與舵機(jī)Ⅳ驅(qū)動(dòng)共同調(diào)整指尖在水平方向，到達(dá)工件位置，舵機(jī)Ⅴ驅(qū)動(dòng)指尖（手爪）閉合，夾緊圓柱形工件，夾緊后，控制系統(tǒng)通過I2C通信模式觸發(fā)激光測(cè)距模塊測(cè)量左指尖與右指尖之間的距離，進(jìn)一步程序計(jì)算出圓柱形工件的直徑，控制系統(tǒng)根據(jù)工件的大小進(jìn)行分類，把相關(guān)尺寸的工件搬運(yùn)到相對(duì)應(yīng)的工位，例如把φ50的工件放在A區(qū)，φ40的工件放在B區(qū)等。

機(jī)械手的回程（搬運(yùn)）過程：舵機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)指尖攜帶著工件上移至傾斜60°角的位置，舵機(jī)Ⅲ與舵機(jī)Ⅳ驅(qū)動(dòng)共同調(diào)整指尖在水平方向，舵機(jī)Ⅰ驅(qū)動(dòng)機(jī)械手整體回轉(zhuǎn)，根據(jù)Arduino控制器對(duì)工件的分區(qū)信息，把工件卸放至目標(biāo)位置，如此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分選。

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)。由上文可知，機(jī)械手夾緊工件后，激光測(cè)距模塊測(cè)量爪子的開口大小，同時(shí)把爪子開口的大小數(shù)值發(fā)送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過各個(gè)轉(zhuǎn)軸的電機(jī)實(shí)現(xiàn)把不同大小的工件放置在不同的位置，如此就可以達(dá)到以低成本的方式，有效識(shí)別不同大小的圓柱體工件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分選的效果。