莊 欣，邢子沖，張 杰

（華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210）

1 背景介紹

鉗子被廣泛應(yīng)用于日常生活中，目前小型鉗子的操作大多需要依靠人工操作。而對于電動鉗子來說，往往是較大的機械手臂，才會有電子操作的空間，并不具有日?；僮鞯奶攸c。根據(jù)研究顯示，操作較為精密的小型鉗子多是集中于醫(yī)療器械，比如SMA腹腔手術(shù)鉗子[1]，此鉗子主要是利用合金的記憶性能以及溫度傳導(dǎo)性能進行工作運轉(zhuǎn)。再比如目前美國研究的人體控制鉗子，可以根據(jù)人的意志需求進行相關(guān)的操作，也有對于鉗子的功能進行局部完善的研究[2]。對于材料方面研究而言，主要是從金屬的性質(zhì)方面入手提高鉗子的性能，比如表面摩擦焊接法與合金的應(yīng)用，兩者聯(lián)合可以有效提高鉗子的剪切力[3]。結(jié)合目前的研究可見，對于鉗子的機械使用方向研究較少，在此方面仍有較大的提升空間。

隨著中國生產(chǎn)制造業(yè)的不斷發(fā)展，機械手臂也在不斷發(fā)展，對于精密儀器的維修以及狹小空間的作業(yè)而言，小型鉗子的自動化控制成為可以切入的研究方向。再比如目前鉗子的使用主要依靠人力工作去調(diào)整鉗子的工作角度，對于人力的消耗也比較大。將鉗子結(jié)構(gòu)進行研究，目前大一點的鉗子可以用于樹枝等具有發(fā)散性特點物品的修剪，比如果樹的修理。對于果樹的修理，對于大批量的修建而言，可以是環(huán)剝剪，也可使自帶捆綁性能的鉗子，以此大批量完成修剪[4]。

以此，我組以仿生為研究切入點，對不同的動物特征進行分析，將其與機械進行有機結(jié)合，制作一款符合自然要求的仿生鉗子。

2 技術(shù)介紹

2.1 設(shè)計思路

本仿生鉗子的設(shè)計針對于狹小空間作業(yè)以及人類難以到達的位置進行的修建作業(yè)。其中，狹小空間的作業(yè)需要鉗子能夠在空間上進行角度的調(diào)整，進而完成精準作業(yè)。對于這一點，我組以眼鏡猴本身的特點進行分析。眼鏡猴的頭部可以調(diào)整將近360°，并且該生物的識別捕捉能力較強。

以此為切入點，可以研究一款較為幽閉環(huán)境的維修調(diào)整。根據(jù)以上眼鏡猴的特點，擬定該鉗子可以完成360°的旋轉(zhuǎn)，開合以及搖擺角度以可以任意調(diào)整。這樣，整個機械的運作空間就可以達到半球的形態(tài)。半徑是取鉗子的大小。在較為平整的路面工作時，設(shè)計一款下方可以移動的裝置，用小型的萬向輪即可滿足要求。對于較高的修剪需求，則會采用眼鏡猴能夠攀爬的特點，進行攀爬結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要是針對于樹上的相關(guān)枝葉的修剪。以上則為整體機械結(jié)構(gòu)的概述。

對于控制部分，分析到工作環(huán)境較為狹小，尤其是細小的零件，工作起來識別不方便，因此會在采用視覺識別模塊的基礎(chǔ)上，再采用人工遠程操作的模塊。其中，人工遠程操作，可以根據(jù)視覺角度移動機械鉗的位置，也可以再次調(diào)節(jié)角度，會有相應(yīng)的控制面板進行操作。當輸入需要作業(yè)的零件時，會根據(jù)需求分析進行大致定位，而后由人工調(diào)節(jié)進行精準化工作。

但是，以上結(jié)構(gòu)只能滿足局部便利性，對于空間作業(yè)要求過高，作業(yè)成果較為嚴格的裝置仍有局限性。

2.2 機械結(jié)構(gòu)介紹

機械結(jié)構(gòu)較為簡單，主要利用利用盒體外觀的整體結(jié)構(gòu)以及齒輪結(jié)進行機構(gòu)的運動傳輸。該部分包括以利用兩個外嚙合齒輪確定鉗子的擺動幅度，由于其中的一個齒輪鏈接的軌跡為曲面形態(tài)的齒條，利用電機的驅(qū)動作業(yè)可以保障鉗子的連續(xù)角度運轉(zhuǎn)。同時，該齒條結(jié)構(gòu)和外觀的盒體緊密相連，能夠保障作業(yè)時的穩(wěn)定性。其次，該部分的盒體設(shè)置成半球狀，能夠增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)運作空間的同時，可以精準反饋鉗子的角度調(diào)整情況。此時角度的調(diào)整滿足1∶1的比例分配。

對于鉗子的一周旋轉(zhuǎn)工作而言，是隨著整個外殼包裝而一起旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)會安裝在整個盒體的底部，這樣不同的模塊在運行時，可以由機械構(gòu)造去形成很好的模塊間隔，保障各個機構(gòu)之間的運行互不干擾。

為了保障鉗子的開合能在固定的空間而不產(chǎn)生上下的偏移，會在兩個鉗子的交接點加上一個鏈接桿，起到對鉗子自身以及相關(guān)機構(gòu)的支撐作用。支撐結(jié)構(gòu)可以延申下來，和下面的外包裝盒體結(jié)合起來，使得整個裝置能夠連接成整體。

對于不同的功能，本機械結(jié)構(gòu)采取分層設(shè)置。最上層用于剪切裝置，第二層用于剪切裝置的調(diào)整控制系統(tǒng)，第三層用于整體的控制定位系統(tǒng)的安裝，最底層就是整體的旋轉(zhuǎn)裝置以及移動萬向輪結(jié)構(gòu)。在第一層的表面，會裝有監(jiān)控裝置進行實時狀況的報備，以便進行不同情況的調(diào)整。

該仿生萬向鉗子做了兩種，主要是針對于不同的移動裝置，對于平地運行的裝置采用萬向輪，對于作業(yè)較高的作業(yè)情況采用攀爬裝置，會在側(cè)壁上設(shè)置多個攀爬的機械臂，以完成高度作業(yè)的要求。

2.3 電控結(jié)構(gòu)

電控結(jié)構(gòu)主要利用步進電機、舵機、單片機以及信息控制裝置即可完成。其中單片機用于總體的功能控制，包含轉(zhuǎn)動模塊、開合控制模塊、定位模塊、信息反饋模塊、遠程遙控裝置以及角度調(diào)整模塊。

單片機通過脈沖控制其余的電機，其中消耗功率較大的市步進電機。

1）轉(zhuǎn)動模塊。采用爪極式永磁同步電動機，該電動機的每分鐘轉(zhuǎn)動范圍較廣，可以高達110轉(zhuǎn)，能夠滿足調(diào)速的要求。而且出軸直徑為7 mm，粗度能夠帶動上方機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過測量顯示，該電機能夠帶動十斤的物品。所以，選用該轉(zhuǎn)動模塊，能夠保障裝置的裝置的正常運行。該轉(zhuǎn)動模塊，當轉(zhuǎn)動角度接近時，可以進行單獨的角度調(diào)節(jié)，此時的轉(zhuǎn)動模塊會和信息反饋模塊相關(guān)聯(lián)，進行細節(jié)的調(diào)節(jié)。

2）開合控制模塊。開合控制模塊，此處的模塊采用舵機進行控制。利用舵機進行鉗子開合角度的控制，此處結(jié)合感應(yīng)裝置，當需要鉗制的相關(guān)步驟已經(jīng)完成后，會自動進行復(fù)位，完成下一個工作的準備過程。此處不會進行人工開合角度的控制，因為在轉(zhuǎn)動以及偏移擺動之后，鉗子所在的位置就能夠整體的要求。因此對于固定的消毒而言，采用舵機并且適時回復(fù)原位是符合整體需求的控制。該舵機采用的類型為模擬舵機，利用1.0MS進行45°的開合就能滿足要求。因此，相比而言，舵機的控制部分最為簡單。

3）定位模塊。該萬向剪刀GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由機GPS天線、GPS板卡、數(shù)傳電臺、電平轉(zhuǎn)換模塊和地面PC機這幾部分構(gòu)成，機上GPS報文信息經(jīng)TTL轉(zhuǎn)232模塊完成電平轉(zhuǎn)換后通過數(shù)傳電臺模塊發(fā)送至地面控制器。地面PC機并利用LabView軟件完成對GPS數(shù)據(jù)的實時存儲、解析及顯示[5]。該部分定信息不光僅針對于自身的位置情況，也會對周圍的環(huán)境進行探索，和信息反饋模塊相呼應(yīng)，會在面板中顯示該裝置的位置以及方圓1 m內(nèi)周邊的地形以及障礙物分配情況，使得使用者對于位置的把控和操作更為具體。此處也可以結(jié)合監(jiān)控視頻所呈現(xiàn)出來的狀況進行視覺判斷，人為控制其行走和運作方向。根據(jù)下達的指令，控制萬向輪的電機會依據(jù)單片機的脈沖做出回應(yīng)。但是，當出現(xiàn)操作者判斷不清時，比如對著障礙物前景這樣的情況，該機器會依照自身的識別判斷情況將信息反饋給操作面板的技術(shù)人員，如果技術(shù)人員確定這樣的運作軌跡滿足需求，依舊可以執(zhí)行命令。

2.4 模塊定位

在模塊的定位以及操作上，很大程度依舊依托人為控制，自動一體化程度依舊有待提高。

1）信息反饋模塊。信息反饋模塊主要應(yīng)用識別技術(shù)以及信息判斷技術(shù)。識別技術(shù)以人臉識別技術(shù)為參考[6]。人臉識別技術(shù)具有對人臉特征的識別，進而提高識別的準確度。為此，我組將會建立獨有的信息庫，將不同零件的配合方式進行特征分析，同類的組合方式將被作為識別點，滿足不同配合的獨特性的同時，提高識別的準確度。由此需要對不同的應(yīng)用場景進行大批量分析，提高庫存量，才能滿足實際操作中的需求。對于信息判斷技術(shù)，識別技術(shù)板塊只是其中的一環(huán)，依據(jù)上面的識別結(jié)果，會進行下一步操作。比如，當機器識別的周圍由多數(shù)物品都滿足信息指令的要求，此時就會將獲得的圖像情況反饋給遠程的操作人員，由遠程的操作人員進一步進行篩選。如果人工選擇過程中沒有發(fā)現(xiàn)想要得到的信息，就會下達指令進行重新篩選布置。一旦開啟重新篩選，那么最先篩掉的就是原本以及選擇過的區(qū)域，會在其余的區(qū)域進行判斷，直到得到有效信息進行下一步操作。在找到目標操作物之后，會依據(jù)其功能推薦操作指令，或者由工作者直接下達操作對應(yīng)的操作指令，直接完成工作步驟。為了防止出現(xiàn)操作功能數(shù)據(jù)庫沒有相關(guān)的操作，會對用戶信息進行提前搜集和匹配。一旦出現(xiàn)卻大信息的情況，就會申請指令內(nèi)容的更新，直到滿足操作者的需求為止。其余部分的要求也要依據(jù)數(shù)據(jù)庫機型反饋設(shè)置，皆可以依照上面的方法依此類推。

2）遠程遙控模塊。遠程遙控裝置主要依靠遙控芯片以及動力裝置。其中的動力裝置上部分已經(jīng)有了相應(yīng)的論述，基本都是靠電機的驅(qū)動[7]。對于遠程遙控的芯片，該部分需要以信息反饋模塊的情況作為基礎(chǔ)。該芯片會直接和以上模塊直接相連，每個部分的代碼編輯都會是單獨的控制，滿足不同操作的反饋需求。

3）角度調(diào)整模塊。角度調(diào)整模塊主要和機械部分的齒輪結(jié)構(gòu)相配合，轉(zhuǎn)動電機通過帶動齒輪的旋轉(zhuǎn)，在弧形軌道上帶動鉗子整體角度的旋轉(zhuǎn)。雖然該部分的理想旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間為180°，結(jié)合實際情況，將本部分的跨度區(qū)間設(shè)置為150°，將鉗子本身所具有的角度計算在其中。

3 應(yīng)用展望

根據(jù)目前的進展情況，僅對狹小空間作業(yè)的仿生萬向鉗進行敘述。該鉗子的應(yīng)用價值在于能夠減少人為操作的空間、節(jié)省人力物力、提高機械的工作效率。實地應(yīng)用而言，可以適用于車底的維修、龐大機械件的角落維修以及較為危險的狹小空間作業(yè)。整體而言，改裝置具有長期應(yīng)用價值。

但是，該裝置也存在局限性。目前的裝置不夠完善，需要大量的認為操作配合，數(shù)據(jù)庫的建立仍有局限性空間。需要進一步結(jié)合機械構(gòu)造進行全方面的擴充。對于工作人員的經(jīng)驗具有較大的依賴性，數(shù)據(jù)的準確性有待進一步提高。

在未來的應(yīng)用過程中，會進一步維修技術(shù)，提高技術(shù)工人的體驗感，要做到人工操作于機械化操作的銜接，做到完整的過度，才能提高該機械的應(yīng)用空間。

4 結(jié)語

本文從構(gòu)思以及結(jié)構(gòu)方面敘述了仿眼鏡猴的萬向鉗的構(gòu)思和制作的過程，每一個部分的功能價值以及數(shù)據(jù)庫之間的緊密關(guān)系。該裝置能夠完成對于目標物的尋找、定位、鉗制以及人工識別等功能。對于其便利、大眾化的優(yōu)勢進行了敘述和排列。目前該裝置的應(yīng)用不夠廣泛，需要做好和目前普通用具的過度才能做到全民應(yīng)用。同時，本裝置也存在許多不足，比如數(shù)據(jù)庫方面，需要進一步提升。由此，改裝置的完善也將會由更多的切入點，將機電控制進一步與人們的生活相融合。