一種自動分選機械手的設計

羅男生 黃市生 曾志彬 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業發展有限公司，廣東東莞523000；3.廣東石東實業（集團）公司，廣東東莞523000）

0 引言

搬運機械手在現代工業領域應用越來越廣，目前，隨著工業化的發展，實際生產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，從而實現自動分選[2]。現有的機械手主要通過機器視覺來判斷工件形狀和尺寸，從而實現自動分類工件[3]，但是機器視覺技術成本高，系統復雜，操作不方便。對于圓柱形工件，如采用機器視覺來實現按直徑尺寸自動分類，則系統復雜，技術成本高。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計方案，大致為設計一種五軸機械手及其自動分選方法。下文將從機構設計與軟件系統搭建兩方面進行具體的闡述。

1 硬件平臺設計

本文所設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，本文將機械手設置為五軸，由五軸運動機構和末端執行機構組成。

五軸運動機構主要由固定底座、底盤Ⅰ、底盤Ⅱ、臂身Ⅰ、臂身Ⅱ、臂身Ⅲ、手掌組成，底盤Ⅰ通過銅柱設置在固定底座的上方，其中固定底座設置有通孔，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用于驅動機械手在水平方向上的旋轉；底盤Ⅱ直接通過螺釘設置在舵機Ⅰ的軸末端，即舵機Ⅰ動作時，底盤Ⅱ產生轉動。底盤Ⅱ用于固定舵機Ⅱ，舵機Ⅱ水平設置。臂身Ⅰ數量為兩個，平行設置，一端連接舵機Ⅱ，一端連接舵機Ⅲ，右側的臂身Ⅰ設置在舵機Ⅱ的軸末端，該效果是臂身Ⅰ相對于舵機Ⅱ做旋轉運動；臂身Ⅱ數量為兩個，平行設置，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做旋轉運動；臂身Ⅲ數量為兩個，平行設置，一端連接舵機Ⅳ，一端連接手掌，左邊的臂身Ⅲ設置在舵機Ⅳ的軸輸出端，該效果是臂身Ⅲ相對于舵機Ⅳ做旋轉運動。舵機Ⅴ設置在手掌的下方，用于控制手掌的張開或閉合。

末端執行機構主要由齒輪指、連桿、指尖組成；兩個齒輪指分別設置在舵機Ⅴ的軸輸出端與手掌的上方，齒輪指、連桿設置在手掌與指尖之間，形成平行四邊形機構，其效果是當舵機Ⅴ動作時，帶動齒輪指轉動，進一步通過連桿機構帶動指尖閉合或張開。激光測距模塊設置在左指尖右表面，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生卡頓現象，并且需要保護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 系統運行方式

舵機Ⅰ的轉動在X平面發生，舵機Ⅱ、舵機Ⅲ、舵機Ⅳ的轉動在垂直于X平面的平面發生，另外要保證舵機Ⅴ的轉動在平行于X平面的平面發生，利用Arduino控制器有序控制各個舵機的運動，從而實現工件夾取。激光測距模塊有一個發射頭和一個接收頭，利用控制器觸發激光測距模塊，從前發射頭產生激光，遇到物體將反射激光回來，計算時間，即可測出物體距離。通過程序設置，機械手的初始狀態（即復位狀態）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驅動指尖（手爪）張開，然后舵機Ⅰ驅動機械手整體轉動，舵機Ⅱ驅動指尖下移，舵機Ⅲ與舵機Ⅳ驅動共同調整指尖在水平方向，到達工件位置，舵機Ⅴ驅動指尖（手爪）閉合，夾緊圓柱形工件，夾緊后，控制系統通過I2C通信模式觸發激光測距模塊測量左指尖與右指尖之間的距離，進一步程序計算出圓柱形工件的直徑，控制系統根據工件的大小進行分類，把相關尺寸的工件搬運到相對應的工位，例如把φ50的工件放在A區，φ40的工件放在B區等。

機械手的回程（搬運）過程：舵機Ⅱ驅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驅動共同調整指尖在水平方向，舵機Ⅰ驅動機械手整體回轉，根據Arduino控制器對工件的分區信息，把工件卸放至目標位置，如此實現自動分選。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據功能要求對機械手進行了結構設計；第二，根據機械手的功能要求搭建了控制系統。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值發送至控制系統，控制系統通過各個轉軸的電機實現把不同大小的工件放置在不同的位置，如此就可以達到以低成本的方式，有效識別不同大小的圓柱體工件，進而實現自動分選的效果。