一种自动分选机械手的设计

罗男生 黄市生 曾志彬 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

搬运机械手在现代工业领域应用越来越广，目前，随着工业化的发展，实际生产对搬运机械手的智能程度提出了更高的要求[1]，在搬运过程中，需要机械手自动识别工件的大小或形状，从而实现自动分选[2]。现有的机械手主要通过机器视觉来判断工件形状和尺寸，从而实现自动分类工件[3]，但是机器视觉技术成本高，系统复杂，操作不方便。对于圆柱形工件，如采用机器视觉来实现按直径尺寸自动分类，则系统复杂，技术成本高。所以，采用机器视觉来分类直径大小不一样的圆柱形工件，显然是不合适的。

针对以上问题，本文提出了一种自动分选机械手的设计方案，大致为设计一种五轴机械手及其自动分选方法。下文将从机构设计与软件系统搭建两方面进行具体的阐述。

1 硬件平台设计

本文所设计的机械手包括机械连接的硬件部分和电性连接的控制部分。为提高机械手的灵活度，本文将机械手设置为五轴，由五轴运动机构和末端执行机构组成。

五轴运动机构主要由固定底座、底盘Ⅰ、底盘Ⅱ、臂身Ⅰ、臂身Ⅱ、臂身Ⅲ、手掌组成，底盘Ⅰ通过铜柱设置在固定底座的上方，其中固定底座设置有通孔，可用于机械手固定在工作台或地面等。底盘Ⅰ用于固定竖直方向上的舵机Ⅰ，舵机Ⅰ用于驱动机械手在水平方向上的旋转；底盘Ⅱ直接通过螺钉设置在舵机Ⅰ的轴末端，即舵机Ⅰ动作时，底盘Ⅱ产生转动。底盘Ⅱ用于固定舵机Ⅱ，舵机Ⅱ水平设置。臂身Ⅰ数量为两个，平行设置，一端连接舵机Ⅱ，一端连接舵机Ⅲ，右侧的臂身Ⅰ设置在舵机Ⅱ的轴末端，该效果是臂身Ⅰ相对于舵机Ⅱ做旋转运动；臂身Ⅱ数量为两个，平行设置，一端连接舵机Ⅲ，一端连接舵机Ⅳ，该效果是臂身Ⅱ相对于舵机Ⅲ做旋转运动；臂身Ⅲ数量为两个，平行设置，一端连接舵机Ⅳ，一端连接手掌，左边的臂身Ⅲ设置在舵机Ⅳ的轴输出端，该效果是臂身Ⅲ相对于舵机Ⅳ做旋转运动。舵机Ⅴ设置在手掌的下方，用于控制手掌的张开或闭合。

末端执行机构主要由齿轮指、连杆、指尖组成；两个齿轮指分别设置在舵机Ⅴ的轴输出端与手掌的上方，齿轮指、连杆设置在手掌与指尖之间，形成平行四边形机构，其效果是当舵机Ⅴ动作时，带动齿轮指转动，进一步通过连杆机构带动指尖闭合或张开。激光测距模块设置在左指尖右表面，用于检测右指尖的距离。

电性连接的控制部分：舵机Ⅰ、舵机Ⅱ、舵机Ⅲ、舵机Ⅳ、舵机Ⅴ的信号引脚S端依次连接Arduino控制器的3号、5号、6号、9号、10号引脚，通过PWM控制方式控制机械手的动作，由于需要保证各个舵机能正常运行而不产生卡顿现象，并且需要保护Arduino控制器不被低压损坏，因此每个舵机的5 V电源都需要外接。激光测距模块的SCL、SDA引脚分别与Arduino控制器的SCL、SDA引脚相连，激光测距模块的供电可由Arduino控制器提供，利用激光测距模块可检测机械手爪张开的大小。

2 系统运行方式

舵机Ⅰ的转动在X平面发生，舵机Ⅱ、舵机Ⅲ、舵机Ⅳ的转动在垂直于X平面的平面发生，另外要保证舵机Ⅴ的转动在平行于X平面的平面发生，利用Arduino控制器有序控制各个舵机的运动，从而实现工件夹取。激光测距模块有一个发射头和一个接收头，利用控制器触发激光测距模块，从前发射头产生激光，遇到物体将反射激光回来，计算时间，即可测出物体距离。通过程序设置，机械手的初始状态（即复位状态）为：舵机Ⅰ在0°位置，即机械手整体朝右方向；舵机Ⅱ在0°位置，即机械手的臂身Ⅰ与水平面成60°角，舵机Ⅲ在0°位置，即臂身Ⅱ竖直向下；舵机Ⅳ在0°位置，即臂身Ⅲ水平向右；舵机Ⅴ在0°位置，即机械手爪闭合。

机械手的夹取过程：首先是舵机Ⅴ驱动指尖（手爪）张开，然后舵机Ⅰ驱动机械手整体转动，舵机Ⅱ驱动指尖下移，舵机Ⅲ与舵机Ⅳ驱动共同调整指尖在水平方向，到达工件位置，舵机Ⅴ驱动指尖（手爪）闭合，夹紧圆柱形工件，夹紧后，控制系统通过I2C通信模式触发激光测距模块测量左指尖与右指尖之间的距离，进一步程序计算出圆柱形工件的直径，控制系统根据工件的大小进行分类，把相关尺寸的工件搬运到相对应的工位，例如把φ50的工件放在A区，φ40的工件放在B区等。

机械手的回程（搬运）过程：舵机Ⅱ驱动指尖携带着工件上移至倾斜60°角的位置，舵机Ⅲ与舵机Ⅳ驱动共同调整指尖在水平方向，舵机Ⅰ驱动机械手整体回转，根据Arduino控制器对工件的分区信息，把工件卸放至目标位置，如此实现自动分选。

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。由上文可知，机械手夹紧工件后，激光测距模块测量爪子的开口大小，同时把爪子开口的大小数值发送至控制系统，控制系统通过各个转轴的电机实现把不同大小的工件放置在不同的位置，如此就可以达到以低成本的方式，有效识别不同大小的圆柱体工件，进而实现自动分选的效果。