文浙江省安吉縣高級中學109班吳凱方瑤任業(yè)正

打造獵鷹之爪
——自動抓球機器手的設計制作

文浙江省安吉縣高級中學109班吳凱方瑤任業(yè)正

隨著高新技術發(fā)展日新月異，機器人逐漸成為國內(nèi)外科技人員的研究課題，中國每年舉辦的大學生機器人大賽也著實吸引了許多人，尤其是我們青年學生的眼球。

一次討論時，吳凱見識了智能化機器人的魅力后提出，雖然以我們現(xiàn)在的能力還不能做成一個完整的機器人，但能否做一個智能的手臂來轉移物體呢？經(jīng)過討論，我們決定做一個能自動抓球的機器手。

我們把想法告訴科技輔導老師后，得到了他的鼓勵和支持。學校的勞技教室有車床、操作臺等工具和編程用的電腦、下載用的芯片等，這為我們開展該項目提供了條件。

俗話說：“三軍未動，糧草先行”、“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，所以我們先上網(wǎng)查找資料，找到了一些抓手及已發(fā)明的機器臂的圖片。通過了解我們發(fā)現(xiàn)機器手的形式和抓取的方式有很多，也知道了需要哪些設備。特別是伺服電機不可少，它是一種可以在0°～180°之間任意旋轉，而且可以給出向前或向后的力的精確電機。更重要的是還要用電腦軟件進行編程，使機械臂智能化。

通過對智能化機器知識的了解，我們?nèi)藳Q定用3個伺服電機做一個具有三個自由度旋轉的機器手，使其能完成一個簡單的任務。

機器手的身體用簡單、易得、易切割的木頭來做，用廢舊的電源插座外殼來做機器手的旋轉平臺，主控器是一個RCU，動力裝置我們選用了三個伺服馬達，為了讓機器手更靈活、更智能，我們還設想裝上感應裝置，可惜后來沒能實現(xiàn)。接著，我們分工收集材料，如螺絲釘、乒乓球、適宜的木塊等。

一、制作機器手模型

我們找來兩個廢舊的插座外殼作為底座，將其中一個伺服電機放入其內(nèi)（稱為旋轉驅動器），用一塊小木塊與泡沫固定旋轉驅動器（因為電機經(jīng)常擺動易受損）。

為了使兩個外殼很好地組合且可轉動，我們用一個連接臂將其連接起來。一開始，我們用一個“一”字型的固定片，再用圓規(guī)腳的兩顆小螺絲來固定，但考慮到節(jié)約材料，我們又想到用“十字”型的固定片來固定，一頭嵌在底座上，另一頭用一顆小螺絲來固定，這樣一個連接臂就完成了。

在控制平臺上，我們安裝了兩個伺服電機，用于平臺的一前一后，前面的是給予手臂前后伸縮的力，后一個控制手臂的張合。

由于科技老師準備了伺服馬達以及一些電子設備，我們決定用馬達來帶動，可具體怎么做大家都一頭霧水。后來通過參考網(wǎng)上的資料和圖片，我們初步定下了方案。

手臂的制作是我們遇到的最大困難，因為手臂要考慮重力（電機的動力有限）、摩擦、形狀等多種因素。一開始，我們手工制作了一個木塊做的手臂，但由于厚度不夠，嘗試多次都不行，于是我們打算重做。

方瑤利用寒假找了一些金屬片，開學后大家一起動手制作。在兩塊金屬片間夾一塊一定厚度的泡沫，經(jīng)過試驗，效果不錯，只是泡沫的摩擦力還不夠，需要改進（如圖1）。

我們想到了用摩擦系數(shù)大的布料來增大摩擦力，或者在爪子的最前端用鐵絲做成“]”形來固定球，不讓其“跑”掉。手臂伸縮、電機的木棒轉動時的半徑會隨手臂的伸縮而改變大小，此時吳凱想到在木棒上刻一個槽，讓釘子可以上下滑動以適應相應的大小。

大家力往一處使，連續(xù)幾天一到課外活動時間，就去科技館制作教室，或設計草圖或按圖施工，慢慢地機器手逐漸成形，動力裝置也基本解決，至此硬件部分大體完成（如圖2）。

圖1

圖2

二、“獵鷹之爪”抓球過程設計

我們制作的機器爪子主要功能是將球從一個地方移到另一個地方，主要的構成零件是3個伺服馬達及其連接部件，大部分動作完成靠這3個伺服馬達完成（如圖3）。

圖3

伺服馬達①相當于人的腰，控制著上身在0°～180°任意角扭轉，將“控制臺”左（或右）移動、調(diào)整爪子抓取的方向。

伺服馬達②相當于大腿，它調(diào)整爪子伸出和縮回的幅度。

伺服馬達③便是控制爪子的張開和合攏，是抓取球的關鍵。

整個工作過程如下：

機器爪子運行前，爪子呈張開狀態(tài)，運行時，伺服馬達①向左（或向右）轉動90°，帶動控制臺轉動，使整個爪子位于球的正前方，停隔幾秒，伺服馬達②向前轉動，手臂伸出，使球位于爪子中心，停隔幾秒，伺服馬達③向前轉動，爪子抓緊小球，整個“取”的過程便完成了，再者是“送回”的過程。

伺服馬達②向后轉動，爪子縮回，停隔幾秒，伺服馬達①向右（或向左）轉回，使“機身”轉回原位，停隔幾秒，伺服馬達②向前轉動，爪子再次伸出停隔幾秒，伺服馬達③向后轉動，爪子張開，球落到目標點。

整個過程可以通過“機器人快車”軟件來編成程序，循環(huán)執(zhí)行結束。

三、安裝智能模塊，編寫程序

我們上網(wǎng)查找了有關信息和資料，了解RCU、伺服馬達和感應裝置的功能和使用方法，然后按照預先的設想開始編程。

畢竟這是我們第一次嘗試為機器人編輯應用程序（如圖4），總想早點完成編程，將其應用到機器手上，可越著急遇到的麻煩越多。好在大家都沒有半途而廢，多次的失敗也讓我們積累了經(jīng)驗，一周后，我們終于編出了一套切實可行的程序。接著安裝智能模塊，將RCU裝在尾部，調(diào)整三號伺服馬達的位置，平衡整體重心，又將鋼絲（后來用細鉛絲代替）連在一起，仿照自行車的剎車結構成為牽引，完成爪的閉合。最后通過數(shù)據(jù)線把電腦上的程序輸入RCU，就算基本完工，等著調(diào)試了。

在調(diào)試中，由于智能化的要求，我們對手臂的運動范圍、運行速度、取球的動作設計等進行討論與調(diào)整，稍有一些理論基礎的方瑤、任業(yè)正便開始找書、學習《機器人快車》中的程序，提供一些整體思路及細節(jié)問題的解決，吳凱則對機器手的裝置進一步進行改良完善。

經(jīng)過幾個月的努力，機器手終于能在一定范圍抓取乒乓球了，取球、放球，動作干凈利索，如同工廠自動化生產(chǎn)線上的貨物自動裝卸，像“獵鷹之爪”一樣靈動起來。

圖4

（指導老師：汪文峰）