包裹性抓取不規(guī)則物品的自反饋機(jī)械爪

◆北京市第八十中學(xué) 徐博

在城市建設(shè)、醫(yī)療服務(wù)、娛樂生活等領(lǐng)域，都能見到機(jī)械爪的身影。但在實(shí)際應(yīng)用中，老式舵機(jī)機(jī)械爪在工作過程中需負(fù)載抓取，這會(huì)影響電機(jī)的完整性和穩(wěn)定性。柔性機(jī)械爪則在抓取過程中的穩(wěn)定性不夠強(qiáng)。

能否在簡(jiǎn)化電路、減少安全隱患的同時(shí)，讓機(jī)械爪適配更多抓取對(duì)象，更合理、準(zhǔn)確地抓取？在網(wǎng)絡(luò)檢索時(shí)，我發(fā)現(xiàn)市面上有一種“月牙形自適應(yīng)臺(tái)鉗”，其月牙結(jié)構(gòu)可以緊密適配被夾物品，進(jìn)行試壓和工作。這給我的設(shè)計(jì)帶來了啟發(fā)。

一、設(shè)計(jì)思路

簡(jiǎn)化電路，降低設(shè)計(jì)制作難度，提升運(yùn)作穩(wěn)定性保護(hù)電路，便于后期維修。采用月牙狀爪手，實(shí)現(xiàn)包裹性自反饋?zhàn)ト?，提升物品適配度。

二、設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)釋放過程的電路，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)抓取過程的電路。

在電源與電機(jī)（用電器）間加入雙刀雙拋開關(guān)，對(duì)電流進(jìn)行有效控制。電流通過雙刀雙拋開關(guān)后，二極管和微動(dòng)開關(guān)并聯(lián)，二極管只可單向通過，保持裝置中兩組并聯(lián)電路中的二極管方向一致。

當(dāng)雙刀雙拋開關(guān)與下側(cè)閉合時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；與上側(cè)閉合時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換過程不受微動(dòng)開關(guān)開合的影響。

電機(jī)正反轉(zhuǎn)決定了與之承接的螺桿的旋轉(zhuǎn)順逆。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，螺桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“螺母”向上移動(dòng)，爪手張開，機(jī)械爪釋放；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，螺桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“螺母”向下移動(dòng)，爪手內(nèi)收，機(jī)械爪抓取。

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

三、制作過程

（一）材料與設(shè)備

螺絲刀、電烙鐵、壁紙刀、剪線鉗、膠槍、膠棒、3D 打印機(jī)等。3D 打印結(jié)構(gòu)件、N20 螺桿減速電機(jī)、7.4 V 鋰電池、開關(guān)等。

（二）制作過程

通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械爪和變異形機(jī)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(wěn)定性，簡(jiǎn)化操作”為制作理念。

針對(duì)第一點(diǎn)，起初我參考了虎口鉗鉗口的半月牙設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)和完善過程中，我發(fā)現(xiàn)其鉗口部分單薄，應(yīng)用在機(jī)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(yīng)臺(tái)鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械爪的手部，將“月牙”數(shù)量增加至2 的n 次方。

待結(jié)構(gòu)、電路等部分的構(gòu)思初步制作完成，我利用3D 打印機(jī)進(jìn)行成品的制作以及組裝。

圖1 加工制作

圖2 半月形自適應(yīng)裝置圖

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在電路的控制下，電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)使螺桿旋轉(zhuǎn)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)使其連接的機(jī)械爪手臂閉合，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使其連接的機(jī)械爪手臂張開，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的抓取與釋放。

圖3 電機(jī)反轉(zhuǎn)的抓取過程（左）與電機(jī)正轉(zhuǎn)的釋放過程

實(shí)驗(yàn)過程中，在機(jī)械爪抓取物品時(shí)，觀察其接觸面是否嚴(yán)密、抓取后向他處位移時(shí)是否穩(wěn)定、能否順利抓取等。測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 抓取不同物品的記錄

五、創(chuàng)新點(diǎn)

在設(shè)計(jì)和制作過程中沒有使用傳感器和編程，電路簡(jiǎn)單，易操作。在抓取釋放過程中，機(jī)械爪的高適配度通過3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

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

專家點(diǎn)評(píng)

徐博同學(xué)的包裹性抓取不規(guī)則物品的自反饋機(jī)械爪，是一件改進(jìn)型發(fā)明作品。這項(xiàng)發(fā)明源于他在看到機(jī)械爪應(yīng)用前景良好的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了老式舵機(jī)機(jī)械爪負(fù)載過程會(huì)影響電機(jī)完整性和穩(wěn)定性、柔性機(jī)械爪則在抓取過程中穩(wěn)定性不佳等不足，于是想到了這項(xiàng)發(fā)明課題。

從發(fā)明選題方法分析，他利用了缺點(diǎn)列舉法，即列舉已有事物的缺點(diǎn)來進(jìn)行改進(jìn)性發(fā)明的思路與方法，青少年稱之為“挖缺點(diǎn)”。從解題思路分析，他主要利用了移植法——將“月牙形自適應(yīng)臺(tái)鉗”的部分結(jié)構(gòu)移植到自己的這項(xiàng)發(fā)明中，使現(xiàn)有機(jī)械爪具有自適應(yīng)性和穩(wěn)定性的新特點(diǎn)。

這項(xiàng)作品的完成，其一，體現(xiàn)了發(fā)明人對(duì)科技創(chuàng)新的濃厚興趣，對(duì)本人研究成果的分享意愿和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，對(duì)科學(xué)研究工作的基本規(guī)律和方法的理解等科研潛質(zhì)。其二，體現(xiàn)了發(fā)明人敢于質(zhì)疑、勇于進(jìn)取的精神和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的遷移應(yīng)用能力。