基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的設計

郭 茜，牟士壯，陳曉杰

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫立信分院電氣工程系，江蘇 無錫214000）

在傳統(tǒng)機械制造行業(yè)中，基于舵機的小型夾持類機械手（臂），其控制方式主要為程序直接控制，或通過上位機與單片機通信，通過人體各感官進行主觀控制，這些控制方式不能很好的適應各類材質(zhì)特點，缺點比較明顯[1]。例如，一輛可移動式機械手小車夾持一蘋果從A點運送至B點，那么在夾持過程中如果夾持力度控制不好，蘋果就會造成損傷。如果有壓力反饋環(huán)節(jié)，那么就能根據(jù)蘋果特性，設置夾持力度，并實時反饋，避免運送途中損傷蘋果[2]。

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手是面向生活、娛樂、工業(yè)等領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器，其屬于機械行業(yè)和高端裝備制造行業(yè)[3]。

1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的設計

從實現(xiàn)功能角度出發(fā)，本作品在設計過程中主要應該考慮以下兩點：夾持功能及壓力反饋功能。能夠?qū)崿F(xiàn)夾持功能的機械結(jié)構形式比較多，起初設計的結(jié)構為半齒輪嚙合四桿爪型機械手，該結(jié)構易實現(xiàn)抓取動作，傳動效率高，但是壓力反饋效果不佳，后期經(jīng)多次試驗后依然無法完全解決該問題，遂舍棄并改用雙舵機四桿結(jié)構。雙舵機四桿機械手張合尺寸較大，能夠很好地適應不同規(guī)格被抓取物，并且能夠均勻傳遞壓力進行閉環(huán)控制，其內(nèi)部結(jié)構如圖1所示。

圖1 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的內(nèi)部結(jié)構圖

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的基本原理為：本機械裝置由舵機（MG995）組成多個關節(jié)，自由度高；通過壓力傳感器（FSR402）檢測對夾持物所施加的壓力，根據(jù)不同材質(zhì)的特性，設定不同范圍的壓力數(shù)值，確保被夾持物不被損壞、變形；通過單片機（Arduino）采集信息，處理后與舵機控制板（STM32系列16路）進行通信，控制舵機動作，確保順利完成任務。

該裝置在制作及實驗過程中的難點包括：

（1）機械結(jié)構制作中需要根據(jù)現(xiàn)有鉗工實訓設備進行加工，加工精度、裝配精度難度大；

（2）該實驗需要多個MG995，驅(qū)動多個舵機時需要專門舵機控制板，單片機與舵機控制板通信、控制程序?qū)W生有所挑戰(zhàn)；

（3）FSR402壓力傳感器采集系信息時所測壓力精確度不高，如何處理會對使用者造成困擾。

基于以上難點，在設計和制作過程中采取了以下措施：

一是，根據(jù)圖紙要求精確制作，對鉗加工難以勝任的，根據(jù)圖紙進行相應優(yōu)化，盡量減少零件制作數(shù)量；

二是，對舵機控制板通信方式以及控制代碼進行解析研究，確保順利控制；

三是，利用示波軟件，研究壓力與電壓信號線性關系。

根據(jù)以上分析，基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的設計圖如圖2所示。

圖2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的設計圖

根據(jù)設計圖紙，制造出基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的實物如圖3所示。

圖3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的實物圖

2 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的工作過程

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的工作過程如下，見圖4所示。

（1）根據(jù)被夾持物材質(zhì)及特點，比對實驗參數(shù)，設定最佳夾持力范圍。

（2）根據(jù)機械手及被夾持物相對位置，驅(qū)動機械臂，使機械手到達相應位置。

（3）機械手開始夾緊，壓力傳感器同時檢測，達到最佳壓力值時停止動作。

（4）將被夾持物放至制定點，恢復原來狀態(tài)。

圖4 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的工作過程

3 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的創(chuàng)新點

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及相關文獻表明：雖然有基于壓力反饋的電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，但經(jīng)過詳細比對，無論是設計原理，還是裝置結(jié)構，亦或是驅(qū)動單元等與本裝置均有明顯區(qū)別[4]?；趬毫Ψ答佇捅”陬惲慵A持機械手的創(chuàng)新點主要有：

（1）本設計更趨向于輕量化、應用化，移動方便快捷。

（2）本設計通過壓力傳感器（FSR402）采集夾持力，傳回單片機后與設定夾持力進行比較，作出相應動作，從而對夾持過程實現(xiàn)閉環(huán)控制，見圖5.

圖5 基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手的創(chuàng)新點

根據(jù)以上分析可知，基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手具有創(chuàng)新性。

4 結(jié)論

基于壓力反饋型薄壁類零件夾持機械手是靠自身動力和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器，在日常生活、工業(yè)等諸多領域中具有廣泛的用途[5]。在后續(xù)的使用和研究過程中，還可以做以下進一步改進，以提高裝置的適應性。

（1）添加旋轉(zhuǎn)編碼器，對壓力傳感器控壓范圍進行調(diào)節(jié)。

（2）添加HC-05藍牙，實現(xiàn)上位機與單片機、舵機控制板交互控制。

（3）安裝履帶式可移動底盤，實現(xiàn)機械手臂移動操作。