多爪機械機構設計及控制

杜海峰 繆亞芹 李海洋

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京211156）

近年物流行業發展迅速，貨物運輸儲存機械化日益深入，本文所述產品旨在介紹一款提高室內貨物搬運儲存效率的產品模型設計，用于貨物搬運的模擬測試。

1 多梁多爪分離機構

圖1 為分離機構的框架，每個導軌上都加了連接件以加強框架強度用，且該結構不是固定在支架上的，可以在相應蝸桿減速電機的帶動下在Y 軸一定范圍內移動。

圖1 分離機構支撐框架

圖2 為機械爪的水平移動機構，內裝有兩個行星齒輪直流減速電機，以滿足其在水平面內的自由移動。一定程度的鏤空結構可以減輕機械本身的重量，減少材料消耗，降低成本。電機卡槽的鏤空便于電機的固定，方便電機的拆裝。

圖2 機械爪移動機構

2 遙控程序設計

2.1 機械爪移動機構程序設計

本產品的控制設計較為簡單，以復位開關為基礎，每個機械爪移動機構用六個開關，分別控制其六個方位的移動，按鍵摁下則相應電機工作，反之則電機停止工作。本產品以stm32 芯片為依托，利用已有的函數庫進行控制程序的編寫。

圖3 多梁多爪機械機構

因此使用STM32 作為控制芯片的控制開發較為簡單，插入開發的控制程序，并進行調試，不用過多的外接硬件。

圖4 控制原理流程圖

當操作者摁下遙控器上對應按鈕時，遙控器相應引腳的電位信號發生改變，然后由信號發射裝置將該信號發送至機器內的控制芯片，改變對應引腳電位信號，以控制相應控制電路來完成對相應電機的控制，以完成目標動作。

2.2 機械爪控制系統設計

控制系統在機械爪的工作實踐中發揮著關鍵性作用，如果控制系統出現了問題，機械爪的具體應用會陷入困境。傳統控制系統包含了機械控制和人為控制兩部分，本系統使用了智能控制技術之后，其具體的系統構由PLC 控制器、馬達、重量傳感器、ABS 編碼器等構成，其中控制器負責整個控制系統的邏輯輸入與輸出，馬達通過電磁閥驅動卷揚轉動，編碼器負責檢測卷揚運行的圈數。

圖5 機械爪扭矩自調整流程圖

實踐研究表明，采用了自學習算法的智能控制系統表現出自動化特征，當機械爪閉合后通過控制器讀取載荷數據，并與當前額定載荷進行比較，如果所抓取貨物大于于額定重量，則立刻按一定比例提高機械爪扭矩，以此保證機械爪穩定抓取貨物。

3 電機控制線路設計

考慮成本問題，購買電機控制板路價格較貴，我們利用三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量與單向導通的特性，將STM32 發出的信號接到對應三極管的基極，將電源和電機分別接到三極管的集電極和發射極，以控制三極管的導通進而控制電機的開關，同時在線路上裝有相應的電阻，以保護電路，我們利用單片機輸出的小電流控制電機的開關。

4 減速電機的選擇

4.1 行星齒輪直流減速電機

考慮到設計機械的水平移動機構需要在同一平面內平穩運行，而行星齒輪減速電機正好滿足該要求，且由于模型機使用的是直流電源，故選擇行星齒輪直流減速電機。

4.2 蝸桿減速電機

考慮到機構Y 軸方向需要在有負荷的情況下實現懸停，移動等操作需求，擁有自鎖能力的蝸桿減速電機便成了我們的首要選擇目標，并且運行平穩，減速增扭的特性可以保證相應機構可以穩定的完成垂直方向的移動。

關于蝸桿減速電機的控制，其紅黑導線分別并聯兩組三極管控制線路（包含保護電阻等），兩組三極管分別為PNP 和NPN型，且同類型的三極管基極由同一個STM32 芯片引腳控制，便可利用STM32 芯片的兩個引腳來控制該電機的正反轉。

5 項目總結

多梁多爪機械機構充分利用了電子控制技術，借助于STM32 單片機，利用自主設計的控制電路與遙控器完成對相應的行星齒輪直流減速電機、步進電機、蝸桿減速電機的控制；實現對機械爪的抓取、搬運和碼放，制造成本低，運行穩定、可靠，同時降低了物流行業的人工成本。