基于囊狀顆粒物的新型機(jī)械手

白江蘭，白樹峰，黃文峰，尹兆雙

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

基于囊狀顆粒物的新型機(jī)械手

白江蘭，白樹峰，黃文峰，尹兆雙

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

機(jī)械手是機(jī)器人的重要組件之一,由于傳統(tǒng)通用機(jī)械手都是由多個(gè)獨(dú)立活動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的仿人多指機(jī)械手，需要大量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和計(jì)算，從而導(dǎo)致其相應(yīng)的高成本，同時(shí)，傳統(tǒng)通用機(jī)械手響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，抓取動(dòng)作緩慢且不能完全適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀，甚至可能損壞目標(biāo)物體。因此，針對(duì)傳統(tǒng)通用機(jī)械手的諸多缺陷，設(shè)計(jì)一種新型的被動(dòng)式機(jī)械手，方法是由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個(gè)球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負(fù)壓的組合使彈性膜內(nèi)的微小顆粒物質(zhì)可以在松散-游離狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，使得它可以迅速地抓取和釋放普通通用機(jī)械手難以抓取的具備復(fù)雜外形的物體，并具有形狀適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

囊狀機(jī)械手；微小顆粒物質(zhì)；真空狀態(tài)；松散-游離；彈性膜

大多數(shù)機(jī)械手主要是由仿人手來設(shè)計(jì)的，人的手指是十分復(fù)雜的，用機(jī)械手抓取一個(gè)物體時(shí)，手指必須精確定位，并且準(zhǔn)確判斷出抓取物體時(shí)所需要施加力的大小，從而實(shí)現(xiàn)順利抓取物體的目的。那么按照這種方式來設(shè)計(jì)機(jī)械手，將會(huì)涉及到許多種不同的傳感關(guān)節(jié)，這使得機(jī)械手無論是在算法還是在控制電路上都是非常復(fù)雜的，而且降低了微控制器的處理效率，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)基于顆粒物的機(jī)械手。

針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中機(jī)械手的一些缺點(diǎn)，本文對(duì)基于顆粒物的機(jī)械手進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

新型機(jī)械手的設(shè)計(jì)核心是：“手”由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個(gè)球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負(fù)壓的組合迅速地抓取和釋放普通機(jī)械手難以抓取的物體。整體方案如圖1所示,該方案由機(jī)械手、機(jī)械臂、抽氣泵、意法半導(dǎo)體公司的STM32開發(fā)板、繼電器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及機(jī)械臂舵機(jī)等部分構(gòu)成。LED指示電路的作用是顯示機(jī)械手是不是在正常地工作。繼電器首要負(fù)責(zé)控制氣泵的啟動(dòng)與停止兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。STM32不斷地控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以此來控制機(jī)器臂伺服舵機(jī)，同時(shí)負(fù)責(zé)通過控制繼電器的狀態(tài)來控制充氣泵、抽氣泵的啟停。

圖1 設(shè)計(jì)方案

當(dāng)系統(tǒng)通電工作后，首先利用機(jī)械手控制器來控制機(jī)械手臂的上升、下降、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作讓“手”找到被抓取物體的具體位置，并通過調(diào)節(jié)高度等來使“手”適應(yīng)被抓取物體的具體形狀，然后保持住這種狀態(tài)并“告知”控制器當(dāng)前動(dòng)作已完成，通過物體檢測(cè)電路使STM32驅(qū)動(dòng)繼電器來驅(qū)動(dòng)抽氣泵使“手”內(nèi)由于空氣負(fù)壓而產(chǎn)生硬化，從而將被抓取的物體緊緊地抓在自身彈性膜的表面，實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。

抓取完成后，就是“搬運(yùn)”，STM32通過對(duì)機(jī)械臂伺服舵機(jī)的控制來控制機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，這樣可以達(dá)到將被抓取物體挪到指定位置的目的。最后就是釋放物體，利用空氣正壓可以將被抓取物體釋放，并使機(jī)械手返回到原有的自適應(yīng)物體形態(tài)的狀態(tài)，以便于進(jìn)行再次對(duì)物體的抓取。

通過上述過程，機(jī)械手系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取和釋放的功能，而且有較高的執(zhí)行效率和可靠性。

2 顆粒物選取方案設(shè)計(jì)

乳膠球里的固體微小顆粒選擇應(yīng)該遵循低密度、低成本、防潮效果好、半徑小的原則進(jìn)行選擇。首先低密度主要是為了該物質(zhì)可以在大量使用的同時(shí)避免因?yàn)樽陨碇亓慷绊憽笆帧钡淖ト×蛘呤埂笆帧弊冃?；低成本主要是?jié)約資金，在最低消費(fèi)的情況下選擇最佳適合的物質(zhì)；防潮主要是所選的固體微小顆粒物應(yīng)該不容易吸收空氣中的水分，延長(zhǎng)“手”的使用周期，半徑小使得選取的物質(zhì)不至于太大而影響新型機(jī)械手的外部形狀。通過生活中的觀察最后選定3種固體小顆粒物質(zhì)作為備選材料,3種物質(zhì)具體情況如表1所示。

表1 物質(zhì)選擇

由表1對(duì)比可以看出，首先3種物質(zhì)半徑相差不大，但是磨砂咖啡豆顆粒的密度相對(duì)食鹽和細(xì)沙來說是較小的，接近于水的密度，所以當(dāng)乳膠球內(nèi)裝入相同體積的3種物質(zhì)時(shí)，磨碎咖啡粒的質(zhì)量最小，進(jìn)一步說明磨碎咖啡粒的重量比較輕，有利于控制“手”的抓取靈活性，同時(shí)可以避免球膜變形。其次，食鹽吸水容易潮解，這樣降低了“手”的使用周期，所以食鹽無論是在密度上講還是在潮解性上來講都不可以選擇作為乳膠球內(nèi)的物質(zhì)，通過生活調(diào)查可知3種物質(zhì)的市場(chǎng)價(jià)格相差不大且價(jià)格低廉。通過實(shí)驗(yàn)可以知道，把上述3種物質(zhì)混合使用，效果不如單一使用磨碎咖啡粒好。

通過上述比對(duì)，磨碎咖啡粒具有密度低、成本低、防潮效果好這3個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此，選擇磨碎咖啡粒作為乳膠球里面的固體微小顆粒物最為合適。

3 “手”結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

新型機(jī)械手是由彈性膜、固體微小顆粒物、抽氣泵組合而成，其核心設(shè)計(jì)是讓固體微小顆粒物填充到球狀彈性膜總體積的2/3，利用空氣負(fù)壓-正壓組合來實(shí)現(xiàn)小顆粒物硬化-松散狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到對(duì)物體抓取的目的，在這里沒有電機(jī)、線纜和鉸鏈，只有一個(gè)用來給機(jī)械手充氣、抽氣的大功率空氣泵。新型機(jī)械手用一個(gè)剛性托半包著，另外，還有一個(gè)抽氣口和微小顆粒物過濾裝置，采用這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

新型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，這類布局使得機(jī)械手具備低成本和輕易制造的特點(diǎn)。在新型機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，剛性托是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要素，因?yàn)樗茌o助機(jī)械手指向被抓取對(duì)象，并且可以增加與物體之間的垂直接觸面積以加強(qiáng)抓取效果。

乳膠球膜被夾在基座和剛性托之間以達(dá)到氣密性良好的目的，球膜的厚度小于0.33 mm，其內(nèi)部填充了350 cm3容量的微小顆粒物。在這個(gè)容積狀態(tài)下，機(jī)械手是剛好充滿且球膜沒有發(fā)生形變，這使得機(jī)械手在松弛狀態(tài)下容易變形。機(jī)械手的外形類似一個(gè)半徑為43 mm球狀。乳膠球里微小顆粒物應(yīng)該選擇具有低密度的微小顆粒物，因?yàn)檫@種低密度的材料可以大量使用，同時(shí)避免因?yàn)樽灾囟绊懽ト×蛘呤骨蚰ぷ冃巍?/p>

圖2 “手”結(jié)構(gòu)

4 機(jī)械臂方案設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是機(jī)械手特別重要的部件,分為主臂系統(tǒng)和從臂系統(tǒng)。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)和關(guān)節(jié)連接方式。解決相對(duì)復(fù)雜的操作。因此，在研究機(jī)械手臂時(shí)應(yīng)當(dāng)斟酌如下幾個(gè)方面：

1)斟酌被抓取物體的重量。

2)斟酌活動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及遷移轉(zhuǎn)變慣性。

3)為了避免機(jī)械臂部由于活動(dòng)過度導(dǎo)致很大的形變，設(shè)計(jì)機(jī)器臂時(shí)要對(duì)其所需要的截面外部形狀采用合適的使用方式。

4)在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂時(shí)要盡可能使臂部活動(dòng)部位更加輕便，以削減機(jī)械臂對(duì)其回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣機(jī)械手將會(huì)有很高的活動(dòng)速度。

按照以上機(jī)器臂設(shè)計(jì)原則以及常用機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)形式再結(jié)合本設(shè)計(jì)指標(biāo)綜合斟酌，設(shè)計(jì)出新型機(jī)械手的碼垛型機(jī)械手臂如圖3所示。該機(jī)械手臂屬于碼垛型臂。它的特性是安裝在腰部上，在這個(gè)機(jī)構(gòu)里的小臂和前后兩個(gè)大臂相互配合來實(shí)現(xiàn)碼垛以及搬運(yùn)工作。該機(jī)器臂主要由其身上的4個(gè)相互連接的關(guān)節(jié)組成，這樣便可進(jìn)行幾個(gè)有用的活動(dòng)：腰部的180°旋轉(zhuǎn)，大臂進(jìn)行上與下來回活動(dòng)，小臂進(jìn)行前與后的活動(dòng)和手腕往復(fù)活動(dòng)，這些活動(dòng)均通過安置的舵機(jī)控制。選用舵機(jī)做碼垛機(jī)器臂的驅(qū)動(dòng)源主要是因?yàn)槎鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度僅僅是通過PWM控制，即通過方波的占空比大小控制所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，這點(diǎn)在作品的設(shè)計(jì)與調(diào)試過程里是很方便的，在調(diào)試過程中通過調(diào)節(jié)方波占空比的大小來使舵機(jī)轉(zhuǎn)出理想的角度。

由圖3可以看出機(jī)械臂主要由舵機(jī)、鋁合金機(jī)架兩部分組合而成。這樣的設(shè)計(jì)組合可使機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并且運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)作平穩(wěn)可靠，成本相對(duì)于傳統(tǒng)通用機(jī)械手臂較低。眾所周知，自由度是進(jìn)行機(jī)械手臂研究時(shí)首要考慮的。自由度是指擁有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的數(shù)目。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用程度更好，布局更加龐大。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具備3個(gè)自由度，可以使新型機(jī)械手抓取物體更加矯健的同時(shí)結(jié)構(gòu)布局也不龐大，提高了抓取效率。所具備的自由度是靠4個(gè)舵機(jī)彼此配合來調(diào)節(jié)。整體結(jié)構(gòu)主要有4個(gè)關(guān)節(jié)，這樣的構(gòu)架不僅外形美觀，符合力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，而且臂的靈活性強(qiáng)(上升，下降，旋轉(zhuǎn)等)，穩(wěn)定性高。

本機(jī)械手臂活動(dòng)形式的設(shè)計(jì)屬于關(guān)節(jié)型。關(guān)節(jié)型機(jī)械手便于完成更圓潤(rùn)的軌跡。這類設(shè)計(jì)的好處是行動(dòng)矯捷，所占空間小，具備很大的工作范圍，可以在狹小空間范圍里躲避各種障礙物，全部關(guān)節(jié)都采取軸承毗連。在其中3個(gè)關(guān)節(jié)附近，總共配置了4個(gè)舵機(jī)，其中2個(gè)舵機(jī)是用來調(diào)節(jié)機(jī)械臂的高度，而另外兩個(gè)用來調(diào)節(jié)機(jī)器臂的左右旋轉(zhuǎn)角度，在4個(gè)舵機(jī)的配合下，機(jī)械手臂可以靈活地運(yùn)動(dòng)，從而很好地帶動(dòng)機(jī)械手。舵機(jī)的工作進(jìn)程是完全主動(dòng)的，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不必人工干預(yù)就能夠完成請(qǐng)求的行動(dòng)。

圖3 機(jī)械臂外觀

工作原理：如圖4所示，與開關(guān)相連的是電源，電源由三節(jié)鋰電池構(gòu)成，可重復(fù)充電使用，電源分為兩部分對(duì)其進(jìn)行供電：一部分通過轉(zhuǎn)換器將12 V轉(zhuǎn)換成5 V，給單片機(jī)供電；另一部分是將12 V電源直接給氣泵供電。系統(tǒng)使用STM32 F103開發(fā)版，后續(xù)電路使用核心板的6個(gè)IO口，分別驅(qū)動(dòng)氣泵、舵機(jī)和電子氣閥，整個(gè)工作系統(tǒng)分為氣泵繼電器模塊、電子氣閥繼電器模塊和舵機(jī)模塊。

氣泵繼電器模塊通過IO口輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器的開和閉，進(jìn)而控制氣泵的工作狀態(tài)；電子氣閥在抽氣氣泵打開之前打開，在抽氣氣泵關(guān)閉之前關(guān)閉，這樣可以保證氣囊內(nèi)部是真空狀態(tài)。

圖4 機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂的工作狀態(tài)由4個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，4個(gè)舵機(jī)分別通過4個(gè)IO口的復(fù)用功能輸出PWM信號(hào)加以控制。

5 調(diào)試過程及其結(jié)果

基于微小顆粒物真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新型機(jī)械手的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成，新型機(jī)械手通過大量的測(cè)試，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以表格的形式呈現(xiàn)出來，具體如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，通過表2可以看出，新型機(jī)械手可以很出色地抓取生活中的物體，且成功率高達(dá)83.5%。與普通機(jī)械手相比，它具有形狀適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，基于微小顆粒物真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新型機(jī)械手無論在硬件方面還是軟件方面都將會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展，使它達(dá)到更加適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用的要求，未來將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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A new type of mechanical hand based on cystic particles

BAI Jianglan,BAI Shufeng,HUANG Wenfeng,YIN Zhaoshuang

(College of Electronic and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

The machine hand is one of the important components of robot, but some shortcomings of the traditional machine hand in practical application stay for a long time: traditional universal machine hand is composed of multiple independent humanoid joint multi fingered robot hand the need for complex structure, and a large number of calculations, which leads to the high cost, the corresponding at the same time, traditional general purpose machine hand long response time, which makes the traditional universal machine not only grasping move slowly and can not fully adapt to the shape of an object, or may even damage the target object. This paper is focused on the limitations of traditional universal machine hand, and designs a kind of passive machine model's hand, which is composed of micro particles wrapped in a large number of spherical elastic membrane, the positive pressure and negative pressure air to a combination of fine particulate matter in the modulus of elasticity in loose-free state conversion, so that it can quickly grasp and release the ordinary general machine hand to grab with complex shape objects for which has strong adaptability, simple shape control, high reliability, high efficiency and low cost advantages.

saclike robot arm; micro particles; vacuum; loose-free; elastic modulus

[責(zé)任編輯：郝麗英]

TP241

A

1671-4679(2017)05-0042-04

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.009

2017-04-25

白江蘭(1996-),女，本科生，研究方向：電機(jī)智能控制.