基于力反馈的抓持机构设计

基于力反馈的抓持机构设计

张东波　李　军　席　巍　蒋卓一

（北京联合大学机电学院，北京，100020）

摘 要

关键词：机器人，模块化，传感器，抓取控制

0　引言

搬运工作是自动化生产作业中的重要环节，机器人手爪则是完成搬运工作的关键部件。自动化作业能够大大减轻工人的劳动强度，降低生产线出错率，提高生产效率。对此，一款能够应用于生产作业的、可靠的、稳定的、价格低廉的搬运机器人抓持机构设计方法和装置能够有效促进自动化搬运技术的发展。

为提高搬运作业系统中机器人对不同物体进行搬运的适用性，本课题设计研发了一款压力可控的搬运抓持机构。

1　整体结构设计

1.1　主体机械结构

为实现搬运操作以及对抓持机构的功能进行验证，本文采用直线滑台机构设计三自由度的直角坐标机器人系统。

首先采用三维制图软件ProE对系统的三维结构进行设计，用运动仿真功能实现对系统结构的优化设计。所设计的直角坐标机器人抓持系统（图 1），分别采用三个步进电机驱动的直线滑台控制实现抓持机构在空间中X、Y、Z三个方向上的移动，抓持装置通过单电机驱动，系统的结构主体采用铝型材完成构建。直角坐标机器人系统的主要功能是实现对抓持机构的空间位置的调整，包括完成作业任务时所需要的位置定位、对手爪机构在抓取作业过程中的执行机构末端位置的微调。

图1　直角坐标机器人系统结构示意图

1.2　手爪机械结构

手爪机构是本文研究的主要内容。本文设计研制了一个能够通过单电机驱动的手爪装置（图 2），采用丝杆电机将电机的旋转运动转换为直线运动，通过连杆机构实现运动的传递，控制手爪的末端进行开合操作，在末端位置设计的弹簧机构实现对运动的柔性操作，能够将力的变化转换为移动机构的位置的变化，进而能够实现采用驱动电机对力的控制，通过安装在末端的压力传感器能够检测获得手爪抓取物体时各指端的压力大小。

图2　抓持机构组成示意图

在图2中，弹簧10的作用是将力的大小转换为丝杆螺母5的位移量的大小，从而通过控制电机的旋转角度就能够实现对手爪夹紧力的大小的控制。弹簧的弹性模量不同，丝杆螺母5的位移量与手爪夹紧力的大小间的关系就会不同，弹簧的弹性模量小，要获得同样的夹紧力，丝杆螺母的位移量就要大，并且对目标物的夹持位置会向下移动，相反，弹簧的弹性模量大，要获得同样的夹紧力丝杆螺母的位移量就会小。

2　控制系统设计

基于系统的结构组成和功能，本文选用单片机最小系统开发板为系统的控制器，所选用的单片机型号为STC89C52，控制器系统的结构图如图3所示。

图3　抓持机构控制系统结构图

采用指示灯和按键作为系统的调试以及运行过程的状态指示，系统的驱动单元采用的是步进电机驱动，能够通过控制脉冲输出的方式，实现对系统定位功能的开环控制，步进电机的控制采用步进电机驱动器实现。执行机构的极限位置设置限位开关，实现对机构的运动范围的限制，压力传感器采用是薄膜式传感器——力敏电阻，能够将压力的大小转变为电阻信号大小进行输出，然后通过变送器将电阻信号的变化转换为电压信号，以I2C通信的模数转换模块PCF8951，将模拟量电压信号转变为单片机可以识别的数字量信号，单片机控制系统的接线原理图如图4所示。其中，P3口除串口通信的用于与上位机的通信外，其他端口均作为I/O口使用，P3.6和P3.7模拟I2C的通信协议，获取模数转换后的压力信号。

图4　单片机控制系统接线原理图

3　系统试验及结果分析

采用单片机为控制器、以直角坐标机器人提供空间位置移动的力反馈抓持机构，整体样机图如图5所示。

单片机控制器采用的是，定时器产生脉冲信号对步进电机的运动控制和转动角度进行控制，利用定时器中断实现脉冲信号的控制，在定时器中断服务程序中设定变量计数，利用计数值的大小控制脉冲信号输出的频率，采用变量对输出的脉冲进行计数，结合滚珠丝杠的螺距实现对移动机构移动距离的开环控制。在系统工作时，限位开关用于对移动机构的校正，消除累积误差。

设计控制算法对该系统完成抓取任务进行试验，分别以水果、机械零件、塑料等物体为抓取对象，试验结果显示，所设计的系统能够很好地适应作业目标的形状和形变，并且在抓取过程中能够实现对抓持力的控制。

该力反馈机械爪能够实现智能抓取功能，当需要抓取如柔软易碎、形状不定等特殊属性的物体时，机械爪能通过力反馈装置，按照提供的标准自行控制爪的抓取力度来合理有效地抓取物品。力反馈机械爪还具有自我安全保护的功能，当压力达到一定程度时自动关断抓取作业电机的运转，防止机械爪的机械结构和电机被损坏。

弹簧和变形结构的相互配合，实现了将力的大小控制转换为机构的位移量的控制，使得爪子在增加灵活度的同时，又依靠弹簧的拉力使抓握变得牢固。

图5　系统整体结构样机

4　结论

本文设计了一个单电机驱动的力反馈抓持机构，机构采用单片机控制器进行控制，通过力反馈传感器的反馈控制，能够实现对作业对象的抓持过程中的夹紧力进行准确控制。本文设计搭建了一个三自由度的直角坐标机器人试验系统，将力反馈抓持机构安装在该系统上进行了抓持试验。试验结果显示，所设计的力反馈抓持机构能够按照设定的力的大小，实现对作业目标的抓取功能。

参考文献

［1］ 骆敏舟，杨秀清，梅涛. 机器人手爪的研究现状与进展. 机器人技术与应用，2008（2）：24-35.

［2］ 于文鹏，王巍，宗光华，等. 抓持式对接机构的设计及分析.机器人，2010，32（2）：233-240.

［3］ 金波，林龙贤.果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制.机械工程学报，2014，50（19）：1-8.

［4］ 张楠，何玉成，王南. 操作机器人机械手爪的设计研究及应用. 机械设计，2013，30（3）：17-20+61.

本课题是北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目，项目编号：201511417SJ036。

抓取作业是自动化生产作业中重要的环节之一，本文设计一种具有感知工作信息和完成抓取任务的机器人手爪机构，该抓取机构采用单步进丝杆电机进行驱动，采用STC89C52单片机为控制器。在手爪末端设计安装有压力传感器，基于压力传感器的反馈信号对抓取作业的力的大小以及抓取位置进行精准控制。