郭 茜，牟士壯，陳曉杰

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫立信分院電氣工程系，江蘇 無錫214000）

在傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)中，基于舵機(jī)的小型夾持類機(jī)械手（臂），其控制方式主要為程序直接控制，或通過上位機(jī)與單片機(jī)通信，通過人體各感官進(jìn)行主觀控制，這些控制方式不能很好的適應(yīng)各類材質(zhì)特點(diǎn)，缺點(diǎn)比較明顯[1]。例如，一輛可移動(dòng)式機(jī)械手小車夾持一蘋果從A點(diǎn)運(yùn)送至B點(diǎn)，那么在夾持過程中如果夾持力度控制不好，蘋果就會造成損傷。如果有壓力反饋環(huán)節(jié)，那么就能根據(jù)蘋果特性，設(shè)置夾持力度，并實(shí)時(shí)反饋，避免運(yùn)送途中損傷蘋果[2]。

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手是面向生活、娛樂、工業(yè)等領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，其屬于機(jī)械行業(yè)和高端裝備制造行業(yè)[3]。

1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)

從實(shí)現(xiàn)功能角度出發(fā)，本作品在設(shè)計(jì)過程中主要應(yīng)該考慮以下兩點(diǎn)：夾持功能及壓力反饋功能。能夠?qū)崿F(xiàn)夾持功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式比較多，起初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為半齒輪嚙合四桿爪型機(jī)械手，該結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，傳動(dòng)效率高，但是壓力反饋效果不佳，后期經(jīng)多次試驗(yàn)后依然無法完全解決該問題，遂舍棄并改用雙舵機(jī)四桿結(jié)構(gòu)。雙舵機(jī)四桿機(jī)械手張合尺寸較大，能夠很好地適應(yīng)不同規(guī)格被抓取物，并且能夠均勻傳遞壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的基本原理為：本機(jī)械裝置由舵機(jī)（MG995）組成多個(gè)關(guān)節(jié)，自由度高；通過壓力傳感器（FSR402）檢測對夾持物所施加的壓力，根據(jù)不同材質(zhì)的特性，設(shè)定不同范圍的壓力數(shù)值，確保被夾持物不被損壞、變形；通過單片機(jī)（Arduino）采集信息，處理后與舵機(jī)控制板（STM32系列16路）進(jìn)行通信，控制舵機(jī)動(dòng)作，確保順利完成任務(wù)。

該裝置在制作及實(shí)驗(yàn)過程中的難點(diǎn)包括：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)制作中需要根據(jù)現(xiàn)有鉗工實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行加工，加工精度、裝配精度難度大；

（2）該實(shí)驗(yàn)需要多個(gè)MG995，驅(qū)動(dòng)多個(gè)舵機(jī)時(shí)需要專門舵機(jī)控制板，單片機(jī)與舵機(jī)控制板通信、控制程序?qū)W(xué)生有所挑戰(zhàn)；

（3）FSR402壓力傳感器采集系信息時(shí)所測壓力精確度不高，如何處理會對使用者造成困擾。

基于以上難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和制作過程中采取了以下措施：

一是，根據(jù)圖紙要求精確制作，對鉗加工難以勝任的，根據(jù)圖紙進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，盡量減少零件制作數(shù)量；

二是，對舵機(jī)控制板通信方式以及控制代碼進(jìn)行解析研究，確保順利控制；

三是，利用示波軟件，研究壓力與電壓信號線性關(guān)系。

根據(jù)以上分析，基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，制造出基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的實(shí)物如圖3所示。

圖3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的實(shí)物圖

2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程如下，見圖4所示。

（1）根據(jù)被夾持物材質(zhì)及特點(diǎn)，比對實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)定最佳夾持力范圍。

（2）根據(jù)機(jī)械手及被夾持物相對位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，使機(jī)械手到達(dá)相應(yīng)位置。

（3）機(jī)械手開始夾緊，壓力傳感器同時(shí)檢測，達(dá)到最佳壓力值時(shí)停止動(dòng)作。

（4）將被夾持物放至制定點(diǎn)，恢復(fù)原來狀態(tài)。

圖4 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的工作過程

3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及相關(guān)文獻(xiàn)表明：雖然有基于壓力反饋的電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但經(jīng)過詳細(xì)比對，無論是設(shè)計(jì)原理，還是裝置結(jié)構(gòu)，亦或是驅(qū)動(dòng)單元等與本裝置均有明顯區(qū)別[4]?；趬毫Ψ答佇捅”陬惲慵A持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

（1）本設(shè)計(jì)更趨向于輕量化、應(yīng)用化，移動(dòng)方便快捷。

（2）本設(shè)計(jì)通過壓力傳感器（FSR402）采集夾持力，傳回單片機(jī)后與設(shè)定夾持力進(jìn)行比較，作出相應(yīng)動(dòng)作，從而對夾持過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，見圖5.

圖5 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手的創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)以上分析可知，基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手具有創(chuàng)新性。

4 結(jié)論

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機(jī)械手是靠自身動(dòng)力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，在日常生活、工業(yè)等諸多領(lǐng)域中具有廣泛的用途[5]。在后續(xù)的使用和研究過程中，還可以做以下進(jìn)一步改進(jìn)，以提高裝置的適應(yīng)性。

（1）添加旋轉(zhuǎn)編碼器，對壓力傳感器控壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）添加HC-05藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)、舵機(jī)控制板交互控制。

（3）安裝履帶式可移動(dòng)底盤，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂移動(dòng)操作。