仿生萬向鉗技術分析

莊 欣，邢子沖，張 杰

（華北理工大學，河北 唐山 063210）

1 背景介紹

鉗子被廣泛應用于日常生活中，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，并不具有日常化操作的特點。根據研究顯示，操作較為精密的小型鉗子多是集中于醫療器械，比如SMA腹腔手術鉗子[1]，此鉗子主要是利用合金的記憶性能以及溫度傳導性能進行工作運轉。再比如目前美國研究的人體控制鉗子，可以根據人的意志需求進行相關的操作，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用，兩者聯合可以有效提高鉗子的剪切力[3]。結合目前的研究可見，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。

隨著中國生產制造業的不斷發展，機械手臂也在不斷發展，對于精密儀器的維修以及狹小空間的作業而言，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整鉗子的工作角度，對于人力的消耗也比較大。將鉗子結構進行研究，目前大一點的鉗子可以用于樹枝等具有發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合，制作一款符合自然要求的仿生鉗子。

2 技術介紹

2.1 設計思路

本仿生鉗子的設計針對于狹小空間作業以及人類難以到達的位置進行的修建作業。其中，狹小空間的作業需要鉗子能夠在空間上進行角度的調整，進而完成精準作業。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境的維修調整。根據以上眼鏡猴的特點，擬定該鉗子可以完成360°的旋轉，開合以及搖擺角度以可以任意調整。這樣，整個機械的運作空間就可以達到半球的形態。半徑是取鉗子的大小。在較為平整的路面工作時，設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，進行攀爬結構的設計，主要是針對于樹上的相關枝葉的修剪。以上則為整體機械結構的概述。

對于控制部分，分析到工作環境較為狹小，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，可以根據視覺角度移動機械鉗的位置，也可以再次調節角度，會有相應的控制面板進行操作。當輸入需要作業的零件時，會根據需求分析進行大致定位，而后由人工調節進行精準化工作。

但是，以上結構只能滿足局部便利性，對于空間作業要求過高，作業成果較為嚴格的裝置仍有局限性。

2.2 機械結構介紹

機械結構較為簡單，主要利用利用盒體外觀的整體結構以及齒輪結進行機構的運動傳輸。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的齒條，利用電機的驅動作業可以保障鉗子的連續角度運轉。同時，該齒條結構和外觀的盒體緊密相連，能夠保障作業時的穩定性。其次，該部分的盒體設置成半球狀，能夠增大內部結構運作空間的同時，可以精準反饋鉗子的角度調整情況。此時角度的調整滿足1∶1的比例分配。

對于鉗子的一周旋轉工作而言，是隨著整個外殼包裝而一起旋轉的，旋轉的機構會安裝在整個盒體的底部，這樣不同的模塊在運行時，可以由機械構造去形成很好的模塊間隔，保障各個機構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機構的支撐作用。支撐結構可以延申下來，和下面的外包裝盒體結合起來，使得整個裝置能夠連接成整體。

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

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，對于作業較高的作業情況采用攀爬裝置，會在側壁上設置多個攀爬的機械臂，以完成高度作業的要求。

2.3 電控結構

電控結構主要利用步進電機、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）轉動模塊。采用爪極式永磁同步電動機，該電動機的每分鐘轉動范圍較廣，可以高達110轉，能夠滿足調速的要求。而且出軸直徑為7 mm，粗度能夠帶動上方機構的旋轉。經過測量顯示，該電機能夠帶動十斤的物品。所以，選用該轉動模塊，能夠保障裝置的裝置的正常運行。該轉動模塊，當轉動角度接近時，可以進行單獨的角度調節，此時的轉動模塊會和信息反饋模塊相關聯，進行細節的調節。

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，此處結合感應裝置，當需要鉗制的相關步驟已經完成后，會自動進行復位，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數據采集系統由機GPS天線、GPS板卡、數傳電臺、電平轉換模塊和地面PC機這幾部分構成，機上GPS報文信息經TTL轉232模塊完成電平轉換后通過數傳電臺模塊發送至地面控制器。地面PC機并利用LabView軟件完成對GPS數據的實時存儲、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，也會對周圍的環境進行探索，和信息反饋模塊相呼應，會在面板中顯示該裝置的位置以及方圓1 m內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。此處也可以結合監控視頻所呈現出來的狀況進行視覺判斷，人為控制其行走和運作方向。根據下達的指令，控制萬向輪的電機會依據單片機的脈沖做出回應。但是，當出現操作者判斷不清時，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人員，如果技術人員確定這樣的運作軌跡滿足需求，依舊可以執行命令。

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用識別技術以及信息判斷技術。識別技術以人臉識別技術為參考[6]。人臉識別技術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，識別技術板塊只是其中的一環，依據上面的識別結果，會進行下一步操作。比如，當機器識別的周圍由多數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現想要得到的信息，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域，會在其余的區域進行判斷，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，會依據其功能推薦操作指令，或者由工作者直接下達操作對應的操作指令，直接完成工作步驟。為了防止出現操作功能數據庫沒有相關的操作，會對用戶信息進行提前搜集和匹配。一旦出現卻大信息的情況，就會申請指令內容的更新，直到滿足操作者的需求為止。其余部分的要求也要依據數據庫機型反饋設置，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有了相應的論述，基本都是靠電機的驅動[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。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）角度調整模塊。角度調整模塊主要和機械部分的齒輪結構相配合，轉動電機通過帶動齒輪的旋轉，在弧形軌道上帶動鉗子整體角度的旋轉。雖然該部分的理想旋轉角度區間為180°，結合實際情況，將本部分的跨度區間設置為150°，將鉗子本身所具有的角度計算在其中。

3 應用展望

根據目前的進展情況，僅對狹小空間作業的仿生萬向鉗進行敘述。該鉗子的應用價值在于能夠減少人為操作的空間、節省人力物力、提高機械的工作效率。實地應用而言，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。整體而言，改裝置具有長期應用價值。

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，數據庫的建立仍有局限性空間。需要進一步結合機械構造進行全方面的擴充。對于工作人員的經驗具有較大的依賴性，數據的準確性有待進一步提高。

在未來的應用過程中，會進一步維修技術，提高技術工人的體驗感，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用空間。

4 結語

本文從構思以及結構方面敘述了仿眼鏡猴的萬向鉗的構思和制作的過程，每一個部分的功能價值以及數據庫之間的緊密關系。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、大眾化的優勢進行了敘述和排列。目前該裝置的應用不夠廣泛，需要做好和目前普通用具的過度才能做到全民應用。同時，本裝置也存在許多不足，比如數據庫方面，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。