一种具有压力感知功能的机械手的设计

罗鸿彬 曾志彬 黎梓恒 吴国洪 陈学忠

（1.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523000；2.东莞市横沥模具科技产业发展有限公司，广东东莞523000；3.广东石东实业（集团）公司，广东东莞523000）

0 引言

机械手在各行各业都具有很好的应用前景[1]，其可以用来夹持与搬运物体。

现在大多数机械手都属于刚性机械手，对于有些物体而言，只能施加一定范围的力夹取它，若施加超过额定范围的力，则物体会变形甚至损坏[2]。因此，有必要提供一种具有感知夹取时压力变化功能的机械手。

本文提出了一种具有压力感知功能的机械手的设计方案，大致为利用一个步进电机驱动，并通过同步轮同步带、导轨与滑块的传动方式，实现物体的夹持，以Arduino控制器为处理中心[3]，压力传感器作为主要传感器，控制机械手夹持力度。下文将具体从机构设计方面与软件系统方面进行阐述。

1 硬件平台设计

轴座是机械手的基础部分，本文所设计的具有压力感知功能的机械手包括轴座和与轴座连接的步进电机，步进电机设置在轴座的上方。

机械手还包括同步带、同步轮和轮轴，轮轴设置在轴座的右边，轮轴的上半截具有一个螺纹孔和一段外螺纹，轮轴通过螺母固定于轴座；同步轮分别设置在步进电机输出轴的末端与轮轴的末端，同步轮通过垂直该轮轴心的螺钉锁紧在步进电机输出轴的末端与轮轴的末端；同步带设置在两个同步轮之间。轮轴上方的螺纹孔设置有限位螺钉，而限位螺钉用于顶住轴座以防止转轴的旋转效应，转轴固定不旋转。

轴座的下表面设置有导轨和与之配套的滑块，导轨通过螺钉与轴座连接，滑块的下表面设置有同步带固定件Ⅰ。同步带固定件Ⅰ的表面设置有压紧同步带的同步带固定件Ⅱ，同步带设置在同步带固定件Ⅰ与同步带固定件Ⅱ之间。轴座的上方设置有限制机械手张开范围的限位开关，轴座上表面设置了限位开关固定件，限位开关设置在限位开关固定件的下表面；同步带固定件Ⅱ的表面设置有触发限位开关输出电信号的挡片。

机械手还包括有夹持物体的立臂，立臂设置在横臂的侧面，横臂设置在同步带固定件Ⅰ的下表面，立臂的侧面设置有感知夹持物体时压力的压力传感器。

机械手硬件平台的设计还包括其电连接部分，限位开关的其一引脚连接5 V电源的GND端，另一引脚同时引出两条线分别连接Arduino控制器的9号数字引脚和10 kΩ电阻，10 kΩ电阻的另一端与5 V电源的+5 V端电连接；压力传感器的A0引脚与Arduino控制器的A0引脚电连接，压力传感器还要外接5 V电源；步进电机的蓝、红、绿、黑四根线分别与步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-连接；步进电机驱动器的DIR+和PUL+引脚分别与Arduino控制器的6和7号数字引脚连接，步进电机驱动器的DIR-和PUL-引脚短接，进一步地与Arduino控制器的GND引脚连接；液晶屏的RS、E、D4、D5、D6、D7引脚分别与Arduino控制器的12、11、5、4、3、2引脚连接，液晶屏的GND和R/W引脚进行短接，进一步地与Arduino控制器的GND引脚连接，液晶屏的vcc引脚与Arduino控制器的+5 V引脚连接。

2 控制系统搭建

系统的运行方式为：以Arduino控制器为处理中心，限位开关和压力传感器作为感应器，步进电机和液晶屏作为执行元件。

Arduino控制器按指令控制步进电机旋转，进而通过传动机构带动手爪张开与闭合。

Arduino控制器采集限位开关的触发信息，限制机械手的张开范围，当设置在滑块表面的挡片到达限位开关的U型槽里，限位开关将被触发，Arduino控制器将感应到9号引脚的电信号变化，从而停止对步进电机的脉冲输出；Arduino控制器采集压力传感器的模拟量电信号，并且与程序中设定的阈值比较，当采集的信号值等于或大于阈值时，则停止对步进电机的脉冲输出，当采集的信号值小于阈值时，则继续对步进电机进行脉冲输出，实时调整机械手爪施加的压力，从而实现机械手以适当的力夹取物体；Arduino控制器采集压力传感器的模拟量电信号，并同时通过液晶屏显示机械手爪的实时压力值，以达到监控的目的。

3 结语

本文所做的工作总结如下：

第一，根据功能要求对机械手进行了结构设计；

第二，根据机械手的功能要求搭建了控制系统。

机械手爪的张开与闭合动作采用步进电机来实现，与之配套的传动方式采用同步轮同步带、导轨与滑块的方式，实时测量夹持压力的功能通过Arduino控制器+压力传感器来实现，并且添加限位开关、液晶显示屏辅助机械手的运行，更加安全化与实用化。