包裹性抓取不规则物品的自反馈机械爪

在城市建设、医疗服务、娱乐生活等领域，都能见到机械爪的身影。但在实际应用中，老式舵机机械爪在工作过程中需负载抓取，这会影响电机的完整性和稳定性。柔性机械爪则在抓取过程中的稳定性不够强。

能否在简化电路、减少安全隐患的同时，让机械爪适配更多抓取对象，更合理、准确地抓取？在网络检索时，我发现市面上有一种“月牙形自适应台钳”，其月牙结构可以紧密适配被夹物品，进行试压和工作。这给我的设计带来了启发。

一、设计思路

简化电路，降低设计制作难度，提升运作稳定性保护电路，便于后期维修。采用月牙状爪手，实现包裹性自反馈抓取，提升物品适配度。

二、设计原理

设计电机正转时释放过程的电路，电机反转时抓取过程的电路。

在电源与电机（用电器）间加入双刀双抛开关，对电流进行有效控制。电流通过双刀双抛开关后，二极管和微动开关并联，二极管只可单向通过，保持装置中两组并联电路中的二极管方向一致。

当双刀双抛开关与下侧闭合时，电机正转；与上侧闭合时，电机反转。电机正反转的转换过程不受微动开关开合的影响。

电机正反转决定了与之承接的螺杆的旋转顺逆。当电机正转，螺杆顺时针旋转，“螺母”向上移动，爪手张开，机械爪释放；当电机反转，螺杆逆时针旋转，“螺母”向下移动，爪手内收，机械爪抓取。

微动开关的巧妙安装可以有效保护装置。机械爪在抓取过程中，因物品过大或不适配而无法抓取时，其手臂触碰按钮，断开微动开关，形成物理性断开，保护装置及电路。

三、制作过程

（一）材料与设备

螺丝刀、电烙铁、壁纸刀、剪线钳、胶枪、胶棒、3D打印机等。3D打印结构件、N20螺杆减速电机、7.4 V锂电池、开关等。

（二）制作过程

通过对传统机械爪和变异形机械爪的分析，我以“提高物品适配度，增大接触面积”以及“增加抓取稳定性，简化操作”为制作理念。

针对第一点，起初我参考了虎口钳钳口的半月牙设计，但在设计和完善过程中，我发现其钳口部分单薄，应用在机械爪上不仅不能有效增大接触面积，其支撑和受力情况也受限。之后，我基于一款半月形自适应台钳结构设计机械爪的手部，将“月牙”数量增加至2的n次方。

待结构、电路等部分的构思初步制作完成，我利用3D打印机进行成品的制作以及组装。

四、实验测试

在电路的控制下，电机正转、反转使螺杆旋转。顺时针旋转使其连接的机械爪手臂闭合，逆时针旋转使其连接的机械爪手臂张开，实现机械爪的抓取与释放。

实验过程中，在机械爪抓取物品时，观察其接触面是否严密、抓取后向他处位移时是否稳定、能否顺利抓取等。测试结果如表1。

五、创新点

在设计和制作过程中没有使用傳感器和编程，电路简单，易操作。在抓取释放过程中，机械爪的高适配度通过3D打印技术实现。

利用3D打印技术虽制作便捷，但对被抓取物品的自重有一定的要求。后续将提升坚固性、相互承接的螺杆等部分的润滑程度，减少误差。（指导老师：何斌）

专家点评

徐博同学的包裹性抓取不规则物品的自反馈机械爪，是一件改进型发明作品。这项发明源于他在看到机械爪应用前景良好的同时，也发现了老式舵机机械爪负载过程会影响电机完整性和稳定性、柔性机械爪则在抓取过程中稳定性不佳等不足，于是想到了这项发明课题。

从发明选题方法分析，他利用了缺点列举法，即列举已有事物的缺点来进行改进性发明的思路与方法，青少年称之为“挖缺点”。从解题思路分析，他主要利用了移植法——将“月牙形自适应台钳”的部分结构移植到自己的这项发明中，使现有机械爪具有自适应性和稳定性的新特点。

这项作品的完成，其一，体现了发明人对科技创新的浓厚兴趣，对本人研究成果的分享意愿和严谨的科学态度，对科学研究工作的基本规律和方法的理解等科研潜质。其二，体现了发明人敢于质疑、勇于进取的精神和对现有技术的迁移应用能力。