羅男生 黃市生 曾志彬 吳國洪 陳學(xué)忠

（1.東莞理工學(xué)院機械工程學(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.廣東石東實業(yè)（集團(tuán)）公司，廣東東莞523000）

0 引言

搬運機械手在現(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，實際生產(chǎn)對搬運機械手的智能程度提出了更高的要求[1]，在搬運過程中，需要機械手自動識別工件的大小或形狀，從而實現(xiàn)自動分選[2]?，F(xiàn)有的機械手主要通過機器視覺來判斷工件形狀和尺寸，從而實現(xiàn)自動分類工件[3]，但是機器視覺技術(shù)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，操作不方便。對于圓柱形工件，如采用機器視覺來實現(xiàn)按直徑尺寸自動分類，則系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)成本高。所以，采用機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。

針對以上問題，本文提出了一種自動分選機械手的設(shè)計方案，大致為設(shè)計一種五軸機械手及其自動分選方法。下文將從機構(gòu)設(shè)計與軟件系統(tǒng)搭建兩方面進(jìn)行具體的闡述。

1 硬件平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的機械手包括機械連接的硬件部分和電性連接的控制部分。為提高機械手的靈活度，本文將機械手設(shè)置為五軸，由五軸運動機構(gòu)和末端執(zhí)行機構(gòu)組成。

五軸運動機構(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，可用于機械手固定在工作臺或地面等。底盤Ⅰ用于固定豎直方向上的舵機Ⅰ，舵機Ⅰ用于驅(qū)動機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Ⅰ的軸末端，即舵機Ⅰ動作時，底盤Ⅱ產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。底盤Ⅱ用于固定舵機Ⅱ，舵機Ⅱ水平設(shè)置。臂身Ⅰ數(shù)量為兩個，平行設(shè)置，一端連接舵機Ⅱ，一端連接舵機Ⅲ，右側(cè)的臂身Ⅰ設(shè)置在舵機Ⅱ的軸末端，該效果是臂身Ⅰ相對于舵機Ⅱ做旋轉(zhuǎn)運動；臂身Ⅱ數(shù)量為兩個，平行設(shè)置，一端連接舵機Ⅲ，一端連接舵機Ⅳ，該效果是臂身Ⅱ相對于舵機Ⅲ做旋轉(zhuǎn)運動；臂身Ⅲ數(shù)量為兩個，平行設(shè)置，一端連接舵機Ⅳ，一端連接手掌，左邊的臂身Ⅲ設(shè)置在舵機Ⅳ的軸輸出端，該效果是臂身Ⅲ相對于舵機Ⅳ做旋轉(zhuǎn)運動。舵機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)行機構(gòu)主要由齒輪指、連桿、指尖組成；兩個齒輪指分別設(shè)置在舵機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，形成平行四邊形機構(gòu)，其效果是當(dāng)舵機Ⅴ動作時，帶動齒輪指轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步通過連桿機構(gòu)帶動指尖閉合或張開。激光測距模塊設(shè)置在左指尖右表面，用于檢測右指尖的距離。

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

2 系統(tǒng)運行方式

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

機械手的夾取過程：首先是舵機Ⅴ驅(qū)動指尖（手爪）張開，然后舵機Ⅰ驅(qū)動機械手整體轉(zhuǎn)動，舵機Ⅱ驅(qū)動指尖下移，舵機Ⅲ與舵機Ⅳ驅(qū)動共同調(diào)整指尖在水平方向，到達(dá)工件位置，舵機Ⅴ驅(qū)動指尖（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)激光測距模塊測量左指尖與右指尖之間的距離，進(jìn)一步程序計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)尺寸的工件搬運到相對應(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。

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

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)功能要求對機械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；第二，根據(jù)機械手的功能要求搭建了控制系統(tǒng)。由上文可知，機械手夾緊工件后，激光測距模塊測量爪子的開口大小，同時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)通過各個轉(zhuǎn)軸的電機實現(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，有效識別不同大小的圓柱體工件，進(jìn)而實現(xiàn)自動分選的效果。