白江蘭，白樹峰，黃文峰，尹兆雙

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

基于囊狀顆粒物的新型機械手

白江蘭，白樹峰，黃文峰，尹兆雙

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

機械手是機器人的重要組件之一,由于傳統(tǒng)通用機械手都是由多個獨立活動關節(jié)構成的仿人多指機械手，需要大量的復雜結構和計算，從而導致其相應的高成本，同時，傳統(tǒng)通用機械手響應時間長，抓取動作緩慢且不能完全適應目標物體的形狀，甚至可能損壞目標物體。因此，針對傳統(tǒng)通用機械手的諸多缺陷，設計一種新型的被動式機械手，方法是由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負壓的組合使彈性膜內(nèi)的微小顆粒物質(zhì)可以在松散-游離狀態(tài)相互轉換，使得它可以迅速地抓取和釋放普通通用機械手難以抓取的具備復雜外形的物體，并具有形狀適應性強、控制簡單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點。

囊狀機械手；微小顆粒物質(zhì)；真空狀態(tài)；松散-游離；彈性膜

大多數(shù)機械手主要是由仿人手來設計的，人的手指是十分復雜的，用機械手抓取一個物體時，手指必須精確定位，并且準確判斷出抓取物體時所需要施加力的大小，從而實現(xiàn)順利抓取物體的目的。那么按照這種方式來設計機械手，將會涉及到許多種不同的傳感關節(jié)，這使得機械手無論是在算法還是在控制電路上都是非常復雜的，而且降低了微控制器的處理效率，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)基于顆粒物的機械手。

針對現(xiàn)實生活中機械手的一些缺點，本文對基于顆粒物的機械手進行了進一步的改進。

1 總體設計方案

新型機械手的設計核心是：“手”由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負壓的組合迅速地抓取和釋放普通機械手難以抓取的物體。整體方案如圖1所示,該方案由機械手、機械臂、抽氣泵、意法半導體公司的STM32開發(fā)板、繼電器、舵機驅動電路以及機械臂舵機等部分構成。LED指示電路的作用是顯示機械手是不是在正常地工作。繼電器首要負責控制氣泵的啟動與停止兩種狀態(tài)間的轉換。STM32不斷地控制電機驅動電路以此來控制機器臂伺服舵機，同時負責通過控制繼電器的狀態(tài)來控制充氣泵、抽氣泵的啟停。

圖1 設計方案

當系統(tǒng)通電工作后，首先利用機械手控制器來控制機械手臂的上升、下降、旋轉等動作讓“手”找到被抓取物體的具體位置，并通過調(diào)節(jié)高度等來使“手”適應被抓取物體的具體形狀，然后保持住這種狀態(tài)并“告知”控制器當前動作已完成，通過物體檢測電路使STM32驅動繼電器來驅動抽氣泵使“手”內(nèi)由于空氣負壓而產(chǎn)生硬化，從而將被抓取的物體緊緊地抓在自身彈性膜的表面，實現(xiàn)抓取動作。

抓取完成后，就是“搬運”，STM32通過對機械臂伺服舵機的控制來控制機械臂的旋轉，這樣可以達到將被抓取物體挪到指定位置的目的。最后就是釋放物體，利用空氣正壓可以將被抓取物體釋放，并使機械手返回到原有的自適應物體形態(tài)的狀態(tài)，以便于進行再次對物體的抓取。

通過上述過程，機械手系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)對物體的抓取和釋放的功能，而且有較高的執(zhí)行效率和可靠性。

2 顆粒物選取方案設計

乳膠球里的固體微小顆粒選擇應該遵循低密度、低成本、防潮效果好、半徑小的原則進行選擇。首先低密度主要是為了該物質(zhì)可以在大量使用的同時避免因為自身重量而影響“手”的抓取力或者使“手”變形；低成本主要是節(jié)約資金，在最低消費的情況下選擇最佳適合的物質(zhì)；防潮主要是所選的固體微小顆粒物應該不容易吸收空氣中的水分，延長“手”的使用周期，半徑小使得選取的物質(zhì)不至于太大而影響新型機械手的外部形狀。通過生活中的觀察最后選定3種固體小顆粒物質(zhì)作為備選材料,3種物質(zhì)具體情況如表1所示。

表1 物質(zhì)選擇

由表1對比可以看出，首先3種物質(zhì)半徑相差不大，但是磨砂咖啡豆顆粒的密度相對食鹽和細沙來說是較小的，接近于水的密度，所以當乳膠球內(nèi)裝入相同體積的3種物質(zhì)時，磨碎咖啡粒的質(zhì)量最小，進一步說明磨碎咖啡粒的重量比較輕，有利于控制“手”的抓取靈活性，同時可以避免球膜變形。其次，食鹽吸水容易潮解，這樣降低了“手”的使用周期，所以食鹽無論是在密度上講還是在潮解性上來講都不可以選擇作為乳膠球內(nèi)的物質(zhì)，通過生活調(diào)查可知3種物質(zhì)的市場價格相差不大且價格低廉。通過實驗可以知道，把上述3種物質(zhì)混合使用，效果不如單一使用磨碎咖啡粒好。

通過上述比對，磨碎咖啡粒具有密度低、成本低、防潮效果好這3個優(yōu)點，因此，選擇磨碎咖啡粒作為乳膠球里面的固體微小顆粒物最為合適。

3 “手”結構方案設計

新型機械手是由彈性膜、固體微小顆粒物、抽氣泵組合而成，其核心設計是讓固體微小顆粒物填充到球狀彈性膜總體積的2/3，利用空氣負壓-正壓組合來實現(xiàn)小顆粒物硬化-松散狀態(tài)的轉換，進而達到對物體抓取的目的，在這里沒有電機、線纜和鉸鏈，只有一個用來給機械手充氣、抽氣的大功率空氣泵。新型機械手用一個剛性托半包著，另外，還有一個抽氣口和微小顆粒物過濾裝置，采用這種設計的主要優(yōu)點是它的機械結構簡單。

新型機械手的結構設計如圖2所示，這類布局使得機械手具備低成本和輕易制造的特點。在新型機械手的設計過程中，剛性托是一個重要的設計要素，因為它能輔助機械手指向被抓取對象，并且可以增加與物體之間的垂直接觸面積以加強抓取效果。

乳膠球膜被夾在基座和剛性托之間以達到氣密性良好的目的，球膜的厚度小于0.33 mm，其內(nèi)部填充了350 cm3容量的微小顆粒物。在這個容積狀態(tài)下，機械手是剛好充滿且球膜沒有發(fā)生形變，這使得機械手在松弛狀態(tài)下容易變形。機械手的外形類似一個半徑為43 mm球狀。乳膠球里微小顆粒物應該選擇具有低密度的微小顆粒物，因為這種低密度的材料可以大量使用，同時避免因為自重而影響抓取力或者使球膜變形。

圖2 “手”結構

4 機械臂方案設計

機械臂是機械手特別重要的部件,分為主臂系統(tǒng)和從臂系統(tǒng)。通過電機驅動和關節(jié)連接方式。解決相對復雜的操作。因此，在研究機械手臂時應當斟酌如下幾個方面：

1)斟酌被抓取物體的重量。

2)斟酌活動時的動載荷及遷移轉變慣性。

3)為了避免機械臂部由于活動過度導致很大的形變，設計機器臂時要對其所需要的截面外部形狀采用合適的使用方式。

4)在設計機械手臂時要盡可能使臂部活動部位更加輕便，以削減機械臂對其回轉軸的轉動慣量，這樣機械手將會有很高的活動速度。

按照以上機器臂設計原則以及常用機器臂的運動形式再結合本設計指標綜合斟酌，設計出新型機械手的碼垛型機械手臂如圖3所示。該機械手臂屬于碼垛型臂。它的特性是安裝在腰部上，在這個機構里的小臂和前后兩個大臂相互配合來實現(xiàn)碼垛以及搬運工作。該機器臂主要由其身上的4個相互連接的關節(jié)組成，這樣便可進行幾個有用的活動：腰部的180°旋轉，大臂進行上與下來回活動，小臂進行前與后的活動和手腕往復活動，這些活動均通過安置的舵機控制。選用舵機做碼垛機器臂的驅動源主要是因為舵機的轉動角度僅僅是通過PWM控制，即通過方波的占空比大小控制所需要轉動的角度，這點在作品的設計與調(diào)試過程里是很方便的，在調(diào)試過程中通過調(diào)節(jié)方波占空比的大小來使舵機轉出理想的角度。

由圖3可以看出機械臂主要由舵機、鋁合金機架兩部分組合而成。這樣的設計組合可使機械臂結構優(yōu)化，并且運動時動作平穩(wěn)可靠，成本相對于傳統(tǒng)通用機械手臂較低。眾所周知，自由度是進行機械手臂研究時首要考慮的。自由度是指擁有獨立運動坐標軸的數(shù)目。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用程度更好，布局更加龐大。本課題設計的機械臂具備3個自由度，可以使新型機械手抓取物體更加矯健的同時結構布局也不龐大，提高了抓取效率。所具備的自由度是靠4個舵機彼此配合來調(diào)節(jié)。整體結構主要有4個關節(jié)，這樣的構架不僅外形美觀，符合力學的標準，而且臂的靈活性強(上升，下降，旋轉等)，穩(wěn)定性高。

本機械手臂活動形式的設計屬于關節(jié)型。關節(jié)型機械手便于完成更圓潤的軌跡。這類設計的好處是行動矯捷，所占空間小，具備很大的工作范圍，可以在狹小空間范圍里躲避各種障礙物，全部關節(jié)都采取軸承毗連。在其中3個關節(jié)附近，總共配置了4個舵機，其中2個舵機是用來調(diào)節(jié)機械臂的高度，而另外兩個用來調(diào)節(jié)機器臂的左右旋轉角度，在4個舵機的配合下，機械手臂可以靈活地運動，從而很好地帶動機械手。舵機的工作進程是完全主動的，正常運轉時不必人工干預就能夠完成請求的行動。

圖3 機械臂外觀

工作原理：如圖4所示，與開關相連的是電源，電源由三節(jié)鋰電池構成，可重復充電使用，電源分為兩部分對其進行供電：一部分通過轉換器將12 V轉換成5 V，給單片機供電；另一部分是將12 V電源直接給氣泵供電。系統(tǒng)使用STM32 F103開發(fā)版，后續(xù)電路使用核心板的6個IO口，分別驅動氣泵、舵機和電子氣閥，整個工作系統(tǒng)分為氣泵繼電器模塊、電子氣閥繼電器模塊和舵機模塊。

氣泵繼電器模塊通過IO口輸出信號驅動繼電器的開和閉，進而控制氣泵的工作狀態(tài)；電子氣閥在抽氣氣泵打開之前打開，在抽氣氣泵關閉之前關閉，這樣可以保證氣囊內(nèi)部是真空狀態(tài)。

圖4 機械臂內(nèi)部結構

機械臂的工作狀態(tài)由4個舵機進行控制，4個舵機分別通過4個IO口的復用功能輸出PWM信號加以控制。

5 調(diào)試過程及其結果

基于微小顆粒物真空狀態(tài)轉換的新型機械手的設計工作已經(jīng)完成，新型機械手通過大量的測試，現(xiàn)將實驗數(shù)據(jù)以表格的形式呈現(xiàn)出來，具體如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

本次設計的機械手，通過表2可以看出，新型機械手可以很出色地抓取生活中的物體，且成功率高達83.5%。與普通機械手相比，它具有形狀適應性強、控制簡單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點。隨著時間的推移和技術的進步，基于微小顆粒物真空狀態(tài)轉換的新型機械手無論在硬件方面還是軟件方面都將會有長足的發(fā)展，使它達到更加適應自動化生產(chǎn)應用的要求，未來將擁有廣闊的應用前景。

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A new type of mechanical hand based on cystic particles

BAI Jianglan,BAI Shufeng,HUANG Wenfeng,YIN Zhaoshuang

(College of Electronic and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

The machine hand is one of the important components of robot, but some shortcomings of the traditional machine hand in practical application stay for a long time: traditional universal machine hand is composed of multiple independent humanoid joint multi fingered robot hand the need for complex structure, and a large number of calculations, which leads to the high cost, the corresponding at the same time, traditional general purpose machine hand long response time, which makes the traditional universal machine not only grasping move slowly and can not fully adapt to the shape of an object, or may even damage the target object. This paper is focused on the limitations of traditional universal machine hand, and designs a kind of passive machine model's hand, which is composed of micro particles wrapped in a large number of spherical elastic membrane, the positive pressure and negative pressure air to a combination of fine particulate matter in the modulus of elasticity in loose-free state conversion, so that it can quickly grasp and release the ordinary general machine hand to grab with complex shape objects for which has strong adaptability, simple shape control, high reliability, high efficiency and low cost advantages.

saclike robot arm; micro particles; vacuum; loose-free; elastic modulus

[責任編輯：郝麗英]

TP241

A

1671-4679(2017)05-0042-04

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.009

2017-04-25

白江蘭(1996-),女，本科生，研究方向：電機智能控制.