一種具有壓力感知功能的機械手的設計

羅鴻彬 曾志彬 黎梓恒 吳國洪 陳學忠

（1.東莞理工學院機械工程學院，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）公司，廣東東莞523000）

0 引言

機械手在各行各業(yè)都具有很好的應用前景[1]，其可以用來夾持與搬運物體。

現(xiàn)在大多數(shù)機械手都屬于剛性機械手，對于有些物體而言，只能施加一定范圍的力夾取它，若施加超過額定范圍的力，則物體會變形甚至損壞[2]。因此，有必要提供一種具有感知夾取時壓力變化功能的機械手。

本文提出了一種具有壓力感知功能的機械手的設計方案，大致為利用一個步進電機驅(qū)動，并通過同步輪同步帶、導軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)物體的夾持，以Arduino控制器為處理中心[3]，壓力傳感器作為主要傳感器，控制機械手夾持力度。下文將具體從機構(gòu)設計方面與軟件系統(tǒng)方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

軸座是機械手的基礎(chǔ)部分，本文所設計的具有壓力感知功能的機械手包括軸座和與軸座連接的步進電機，步進電機設置在軸座的上方。

機械手還包括同步帶、同步輪和輪軸，輪軸設置在軸座的右邊，輪軸的上半截具有一個螺紋孔和一段外螺紋，輪軸通過螺母固定于軸座；同步輪分別設置在步進電機輸出軸的末端與輪軸的末端，同步輪通過垂直該輪軸心的螺釘鎖緊在步進電機輸出軸的末端與輪軸的末端；同步帶設置在兩個同步輪之間。輪軸上方的螺紋孔設置有限位螺釘，而限位螺釘用于頂住軸座以防止轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)效應，轉(zhuǎn)軸固定不旋轉(zhuǎn)。

軸座的下表面設置有導軌和與之配套的滑塊，導軌通過螺釘與軸座連接，滑塊的下表面設置有同步帶固定件Ⅰ。同步帶固定件Ⅰ的表面設置有壓緊同步帶的同步帶固定件Ⅱ，同步帶設置在同步帶固定件Ⅰ與同步帶固定件Ⅱ之間。軸座的上方設置有限制機械手張開范圍的限位開關(guān)，軸座上表面設置了限位開關(guān)固定件，限位開關(guān)設置在限位開關(guān)固定件的下表面；同步帶固定件Ⅱ的表面設置有觸發(fā)限位開關(guān)輸出電信號的擋片。

機械手還包括有夾持物體的立臂，立臂設置在橫臂的側(cè)面，橫臂設置在同步帶固定件Ⅰ的下表面，立臂的側(cè)面設置有感知夾持物體時壓力的壓力傳感器。

機械手硬件平臺的設計還包括其電連接部分，限位開關(guān)的其一引腳連接5 V電源的GND端，另一引腳同時引出兩條線分別連接Arduino控制器的9號數(shù)字引腳和10 kΩ電阻，10 kΩ電阻的另一端與5 V電源的+5 V端電連接；壓力傳感器的A0引腳與Arduino控制器的A0引腳電連接，壓力傳感器還要外接5 V電源；步進電機的藍、紅、綠、黑四根線分別與步進電機驅(qū)動器的A+、A-、B+、B-連接；步進電機驅(qū)動器的DIR+和PUL+引腳分別與Arduino控制器的6和7號數(shù)字引腳連接，步進電機驅(qū)動器的DIR-和PUL-引腳短接，進一步地與Arduino控制器的GND引腳連接；液晶屏的RS、E、D4、D5、D6、D7引腳分別與Arduino控制器的12、11、5、4、3、2引腳連接，液晶屏的GND和R/W引腳進行短接，進一步地與Arduino控制器的GND引腳連接，液晶屏的vcc引腳與Arduino控制器的+5 V引腳連接。

2 控制系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)的運行方式為：以Arduino控制器為處理中心，限位開關(guān)和壓力傳感器作為感應器，步進電機和液晶屏作為執(zhí)行元件。

Arduino控制器按指令控制步進電機旋轉(zhuǎn)，進而通過傳動機構(gòu)帶動手爪張開與閉合。

Arduino控制器采集限位開關(guān)的觸發(fā)信息，限制機械手的張開范圍，當設置在滑塊表面的擋片到達限位開關(guān)的U型槽里，限位開關(guān)將被觸發(fā)，Arduino控制器將感應到9號引腳的電信號變化，從而停止對步進電機的脈沖輸出；Arduino控制器采集壓力傳感器的模擬量電信號，并且與程序中設定的閾值比較，當采集的信號值等于或大于閾值時，則停止對步進電機的脈沖輸出，當采集的信號值小于閾值時，則繼續(xù)對步進電機進行脈沖輸出，實時調(diào)整機械手爪施加的壓力，從而實現(xiàn)機械手以適當?shù)牧A取物體；Arduino控制器采集壓力傳感器的模擬量電信號，并同時通過液晶屏顯示機械手爪的實時壓力值，以達到監(jiān)控的目的。

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行了結(jié)構(gòu)設計；

第二，根據(jù)機械手的功能要求搭建了控制系統(tǒng)。

機械手爪的張開與閉合動作采用步進電機來實現(xiàn)，與之配套的傳動方式采用同步輪同步帶、導軌與滑塊的方式，實時測量夾持壓力的功能通過Arduino控制器+壓力傳感器來實現(xiàn)，并且添加限位開關(guān)、液晶顯示屏輔助機械手的運行，更加安全化與實用化。