多爪机械机构设计及控制

杜海峰 缪亚芹 李海洋

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京211156）

近年物流行业发展迅速，货物运输储存机械化日益深入，本文所述产品旨在介绍一款提高室内货物搬运储存效率的产品模型设计，用于货物搬运的模拟测试。

1 多梁多爪分离机构

图1 为分离机构的框架，每个导轨上都加了连接件以加强框架强度用，且该结构不是固定在支架上的，可以在相应蜗杆减速电机的带动下在Y 轴一定范围内移动。

图1 分离机构支撑框架

图2 为机械爪的水平移动机构，内装有两个行星齿轮直流减速电机，以满足其在水平面内的自由移动。一定程度的镂空结构可以减轻机械本身的重量，减少材料消耗，降低成本。电机卡槽的镂空便于电机的固定，方便电机的拆装。

图2 机械爪移动机构

2 遥控程序设计

2.1 机械爪移动机构程序设计

本产品的控制设计较为简单，以复位开关为基础，每个机械爪移动机构用六个开关，分别控制其六个方位的移动，按键摁下则相应电机工作，反之则电机停止工作。本产品以stm32 芯片为依托，利用已有的函数库进行控制程序的编写。

图3 多梁多爪机械机构

因此使用STM32 作为控制芯片的控制开发较为简单，插入开发的控制程序，并进行调试，不用过多的外接硬件。

图4 控制原理流程图

当操作者摁下遥控器上对应按钮时，遥控器相应引脚的电位信号发生改变，然后由信号发射装置将该信号发送至机器内的控制芯片，改变对应引脚电位信号，以控制相应控制电路来完成对相应电机的控制，以完成目标动作。

2.2 机械爪控制系统设计

控制系统在机械爪的工作实践中发挥着关键性作用，如果控制系统出现了问题，机械爪的具体应用会陷入困境。传统控制系统包含了机械控制和人为控制两部分，本系统使用了智能控制技术之后，其具体的系统构由PLC 控制器、马达、重量传感器、ABS 编码器等构成，其中控制器负责整个控制系统的逻辑输入与输出，马达通过电磁阀驱动卷扬转动，编码器负责检测卷扬运行的圈数。

图5 机械爪扭矩自调整流程图

实践研究表明，采用了自学习算法的智能控制系统表现出自动化特征，当机械爪闭合后通过控制器读取载荷数据，并与当前额定载荷进行比较，如果所抓取货物大于于额定重量，则立刻按一定比例提高机械爪扭矩，以此保证机械爪稳定抓取货物。

3 电机控制线路设计

考虑成本问题，购买电机控制板路价格较贵，我们利用三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量与单向导通的特性，将STM32 发出的信号接到对应三极管的基极，将电源和电机分别接到三极管的集电极和发射极，以控制三极管的导通进而控制电机的开关，同时在线路上装有相应的电阻，以保护电路，我们利用单片机输出的小电流控制电机的开关。

4 减速电机的选择

4.1 行星齿轮直流减速电机

考虑到设计机械的水平移动机构需要在同一平面内平稳运行，而行星齿轮减速电机正好满足该要求，且由于模型机使用的是直流电源，故选择行星齿轮直流减速电机。

4.2 蜗杆减速电机

考虑到机构Y 轴方向需要在有负荷的情况下实现悬停，移动等操作需求，拥有自锁能力的蜗杆减速电机便成了我们的首要选择目标，并且运行平稳，减速增扭的特性可以保证相应机构可以稳定的完成垂直方向的移动。

关于蜗杆减速电机的控制，其红黑导线分别并联两组三极管控制线路（包含保护电阻等），两组三极管分别为PNP 和NPN型，且同类型的三极管基极由同一个STM32 芯片引脚控制，便可利用STM32 芯片的两个引脚来控制该电机的正反转。

5 项目总结

多梁多爪机械机构充分利用了电子控制技术，借助于STM32 单片机，利用自主设计的控制电路与遥控器完成对相应的行星齿轮直流减速电机、步进电机、蜗杆减速电机的控制；实现对机械爪的抓取、搬运和码放，制造成本低，运行稳定、可靠，同时降低了物流行业的人工成本。