包裹性抓取不規則物品的自反饋機械爪

◆北京市第八十中學 徐博

在城市建設、醫療服務、娛樂生活等領域，都能見到機械爪的身影。但在實際應用中，老式舵機機械爪在工作過程中需負載抓取，這會影響電機的完整性和穩定性。柔性機械爪則在抓取過程中的穩定性不夠強。

能否在簡化電路、減少安全隱患的同時，讓機械爪適配更多抓取對象，更合理、準確地抓??？在網絡檢索時，我發現市面上有一種“月牙形自適應臺鉗”，其月牙結構可以緊密適配被夾物品，進行試壓和工作。這給我的設計帶來了啟發。

一、設計思路

簡化電路，降低設計制作難度，提升運作穩定性保護電路，便于后期維修。采用月牙狀爪手，實現包裹性自反饋抓取，提升物品適配度。

二、設計原理

設計電機正轉時釋放過程的電路，電機反轉時抓取過程的電路。

在電源與電機（用電器）間加入雙刀雙拋開關，對電流進行有效控制。電流通過雙刀雙拋開關后，二極管和微動開關并聯，二極管只可單向通過，保持裝置中兩組并聯電路中的二極管方向一致。

當雙刀雙拋開關與下側閉合時，電機正轉；與上側閉合時，電機反轉。電機正反轉的轉換過程不受微動開關開合的影響。

電機正反轉決定了與之承接的螺桿的旋轉順逆。當電機正轉，螺桿順時針旋轉，“螺母”向上移動，爪手張開，機械爪釋放；當電機反轉，螺桿逆時針旋轉，“螺母”向下移動，爪手內收，機械爪抓取。

微動開關的巧妙安裝可以有效保護裝置。機械爪在抓取過程中，因物品過大或不適配而無法抓取時，其手臂觸碰按鈕，斷開微動開關，形成物理性斷開，保護裝置及電路。

三、制作過程

（一）材料與設備

螺絲刀、電烙鐵、壁紙刀、剪線鉗、膠槍、膠棒、3D 打印機等。3D 打印結構件、N20 螺桿減速電機、7.4 V 鋰電池、開關等。

（二）制作過程

通過對傳統機械爪和變異形機械爪的分析，我以“提高物品適配度，增大接觸面積”以及“增加抓取穩定性，簡化操作”為制作理念。

針對第一點，起初我參考了虎口鉗鉗口的半月牙設計，但在設計和完善過程中，我發現其鉗口部分單薄，應用在機械爪上不僅不能有效增大接觸面積，其支撐和受力情況也受限。之后，我基于一款半月形自適應臺鉗結構設計機械爪的手部，將“月牙”數量增加至2 的n 次方。

待結構、電路等部分的構思初步制作完成，我利用3D 打印機進行成品的制作以及組裝。

圖1 加工制作

圖2 半月形自適應裝置圖

四、實驗測試

在電路的控制下，電機正轉、反轉使螺桿旋轉。順時針旋轉使其連接的機械爪手臂閉合，逆時針旋轉使其連接的機械爪手臂張開，實現機械爪的抓取與釋放。

圖3 電機反轉的抓取過程（左）與電機正轉的釋放過程

實驗過程中，在機械爪抓取物品時，觀察其接觸面是否嚴密、抓取后向他處位移時是否穩定、能否順利抓取等。測試結果如表1。

表1 抓取不同物品的記錄

五、創新點

在設計和制作過程中沒有使用傳感器和編程，電路簡單，易操作。在抓取釋放過程中，機械爪的高適配度通過3D 打印技術實現。

利用3D 打印技術雖制作便捷，但對被抓取物品的自重有一定的要求。后續將提升堅固性、相互承接的螺桿等部分的潤滑程度，減少誤差。

專家點評

徐博同學的包裹性抓取不規則物品的自反饋機械爪，是一件改進型發明作品。這項發明源于他在看到機械爪應用前景良好的同時，也發現了老式舵機機械爪負載過程會影響電機完整性和穩定性、柔性機械爪則在抓取過程中穩定性不佳等不足，于是想到了這項發明課題。

從發明選題方法分析，他利用了缺點列舉法，即列舉已有事物的缺點來進行改進性發明的思路與方法，青少年稱之為“挖缺點”。從解題思路分析，他主要利用了移植法——將“月牙形自適應臺鉗”的部分結構移植到自己的這項發明中，使現有機械爪具有自適應性和穩定性的新特點。

這項作品的完成，其一，體現了發明人對科技創新的濃厚興趣，對本人研究成果的分享意愿和嚴謹的科學態度，對科學研究工作的基本規律和方法的理解等科研潛質。其二，體現了發明人敢于質疑、勇于進取的精神和對現有技術的遷移應用能力。