孟令達(dá)++方俊杰++周雨

摘 要：針對市場需求，文中設(shè)計(jì)了一款由仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器組成的機(jī)械手。該機(jī)械手可應(yīng)用于排爆機(jī)器人，危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域，可有力保障作業(yè)人員的人身安全，具有良好的社會(huì)效益與廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：仿生；機(jī)械手；傳感器

1 作品簡介

該機(jī)械手由仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)手及傳感器手套組成，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳感器手套由手套，傳感器模塊，控制模塊，通信模塊組成，具體如圖1所示。

1.1 傳感器手套工作原理及圖示

控制模塊采用Arduino Nano控制板，其處理器采用高性能低功耗的AtmelAVR ATmega328芯片。

通信模塊采用nRF24l01模塊。Arduino Nano控制板及nRF24l01無線通信模塊如圖2所示。

傳感器模塊由flex 4.5英寸彎曲傳感器和22 kΩ固定電阻構(gòu)成，彎曲傳感器在彎曲時(shí)其電阻變大，彎曲傳感器接22 kΩ固定電阻，傳感器和電阻間接5 V電壓，控制模塊測量固定電阻的電壓變化，將其電壓變化的數(shù)據(jù)處理變?yōu)槎鏅C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)，后通過無線模塊發(fā)送給機(jī)械手部分，使之完成相應(yīng)動(dòng)作。電壓測量原理圖如圖3所示。

1.2 仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)手設(shè)計(jì)原理及圖示

仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)手部分由機(jī)械模塊，動(dòng)力模塊，單片機(jī)模塊，通信模塊組成。

機(jī)械模塊模仿人手關(guān)節(jié)，3D打印技術(shù)打印拼裝完成，理論上可以完成所有人手的動(dòng)作。該部分共40個(gè)部件，每根手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，手指可繞關(guān)節(jié)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手各部件如圖4所示。組裝好的機(jī)械手如圖5所示。

動(dòng)力模塊由五個(gè)SG90舵機(jī)構(gòu)成，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手各手指運(yùn)動(dòng)。每個(gè)舵機(jī)柄上連接兩根線，這兩根線分別連接在手指兩側(cè)，通過兩根線的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手指彎曲和張開。手指轉(zhuǎn)動(dòng)原理如圖6所示。機(jī)械手動(dòng)力模塊如圖7所示。

圖4 機(jī)械手部件

圖5 組裝好的機(jī)械手

圖6 手指轉(zhuǎn)動(dòng)原理

圖7 機(jī)械手動(dòng)力模塊

通信模塊采用nRF24l01模塊，其有效連接范圍約為100m。傳感器手套的通信模塊相連接，接受傳感器手套傳來的數(shù)據(jù)。

通信模塊接收數(shù)據(jù)后傳遞給控制板，控制板按照接收的數(shù)據(jù)控制舵機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而帶動(dòng)手指轉(zhuǎn)動(dòng)，讓機(jī)械手完成各種動(dòng)作。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該機(jī)械手使用仿生原理，模仿人手的骨骼架構(gòu)，可以很好的完成人手的動(dòng)作。

（2）將手指的彎曲程度通過傳感器電阻的變化處理為可被單片機(jī)捕捉的電信號(hào)，將手指的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，將具體的動(dòng)作數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器真正的交融。

（3）該機(jī)械手摒棄傳統(tǒng)機(jī)械手程序控制或者按鍵控制這些不方便的控制方式，利用體感方式極大地提高了機(jī)械手的精確度和可操控性，機(jī)械手完全同步人手的動(dòng)作，通過人手的動(dòng)作隨心所欲控制機(jī)械手的動(dòng)作，簡化控制。使用該機(jī)械手的人員無需培訓(xùn)即可使用，為從事危險(xiǎn)工作或者接觸危險(xiǎn)品工作人員的安全提供保障。

（4）該機(jī)械手和傳感器手套通過無線模塊連接，其有效連接范圍約百米，簡化了線材的使用，人可遠(yuǎn)距離無線操控機(jī)械手。

（5）將電子電路、單片機(jī)和機(jī)械機(jī)構(gòu)巧妙結(jié)合，運(yùn)用于解決與人類活動(dòng)相關(guān)的執(zhí)行操作。機(jī)械手成本低，卻可以達(dá)到較高的精確度。

3 市場前景

該機(jī)械手應(yīng)用廣泛，可大量應(yīng)用于危險(xiǎn)工作的場景。

（1）可用于排爆機(jī)器人。將該機(jī)械手裝置于排爆機(jī)器人，人可遠(yuǎn)程通過手部動(dòng)作操控機(jī)械手進(jìn)行爆炸物的拆除，通過體感方式大大增加了可操控性及精確性，同時(shí)還降低了機(jī)械手使用的難度，數(shù)據(jù)也可通過無線方式傳輸，人在安全區(qū)域操作，最大程度保障拆彈人員的安全。

（2）應(yīng)用于危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)場景。人可以通過體感方式操控機(jī)械手來做一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，無需直接接觸危險(xiǎn)品，大大降低了危險(xiǎn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

（3）應(yīng)用于潛艇的機(jī)械臂及機(jī)械手。使用高強(qiáng)度材料打造機(jī)械手，可應(yīng)用于深海潛艇作業(yè)，人通過體感方式直接操控機(jī)械手，大大增加了機(jī)械手的靈活性和可操控性，更降低了海底作業(yè)的難度。

該機(jī)械手制作成本低，用途廣泛，使用方法簡單，彌補(bǔ)了當(dāng)前社會(huì)上機(jī)械手不易操控，精確性低等缺點(diǎn)。若能批量生產(chǎn)投放相應(yīng)市場，必能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)利益。