仿生万向钳技术分析

庄 欣，邢子冲，张 杰

（华北理工大学，河北 唐山 063210）

1 背景介绍

钳子被广泛应用于日常生活中，目前小型钳子的操作大多需要依靠人工操作。而对于电动钳子来说，往往是较大的机械手臂，才会有电子操作的空间，并不具有日常化操作的特点。根据研究显示，操作较为精密的小型钳子多是集中于医疗器械，比如SMA腹腔手术钳子[1]，此钳子主要是利用合金的记忆性能以及温度传导性能进行工作运转。再比如目前美国研究的人体控制钳子，可以根据人的意志需求进行相关的操作，也有对于钳子的功能进行局部完善的研究[2]。对于材料方面研究而言，主要是从金属的性质方面入手提高钳子的性能，比如表面摩擦焊接法与合金的应用，两者联合可以有效提高钳子的剪切力[3]。结合目前的研究可见，对于钳子的机械使用方向研究较少，在此方面仍有较大的提升空间。

随着中国生产制造业的不断发展，机械手臂也在不断发展，对于精密仪器的维修以及狭小空间的作业而言，小型钳子的自动化控制成为可以切入的研究方向。再比如目前钳子的使用主要依靠人力工作去调整钳子的工作角度，对于人力的消耗也比较大。将钳子结构进行研究，目前大一点的钳子可以用于树枝等具有发散性特点物品的修剪，比如果树的修理。对于果树的修理，对于大批量的修建而言，可以是环剥剪，也可使自带捆绑性能的钳子，以此大批量完成修剪[4]。

以此，我组以仿生为研究切入点，对不同的动物特征进行分析，将其与机械进行有机结合，制作一款符合自然要求的仿生钳子。

2 技术介绍

2.1 设计思路

本仿生钳子的设计针对于狭小空间作业以及人类难以到达的位置进行的修建作业。其中，狭小空间的作业需要钳子能够在空间上进行角度的调整，进而完成精准作业。对于这一点，我组以眼镜猴本身的特点进行分析。眼镜猴的头部可以调整将近360°，并且该生物的识别捕捉能力较强。

以此为切入点，可以研究一款较为幽闭环境的维修调整。根据以上眼镜猴的特点，拟定该钳子可以完成360°的旋转，开合以及摇摆角度以可以任意调整。这样，整个机械的运作空间就可以达到半球的形态。半径是取钳子的大小。在较为平整的路面工作时，设计一款下方可以移动的装置，用小型的万向轮即可满足要求。对于较高的修剪需求，则会采用眼镜猴能够攀爬的特点，进行攀爬结构的设计，主要是针对于树上的相关枝叶的修剪。以上则为整体机械结构的概述。

对于控制部分，分析到工作环境较为狭小，尤其是细小的零件，工作起来识别不方便，因此会在采用视觉识别模块的基础上，再采用人工远程操作的模块。其中，人工远程操作，可以根据视觉角度移动机械钳的位置，也可以再次调节角度，会有相应的控制面板进行操作。当输入需要作业的零件时，会根据需求分析进行大致定位，而后由人工调节进行精准化工作。

但是，以上结构只能满足局部便利性，对于空间作业要求过高，作业成果较为严格的装置仍有局限性。

2.2 机械结构介绍

机械结构较为简单，主要利用利用盒体外观的整体结构以及齿轮结进行机构的运动传输。该部分包括以利用两个外啮合齿轮确定钳子的摆动幅度，由于其中的一个齿轮链接的轨迹为曲面形态的齿条，利用电机的驱动作业可以保障钳子的连续角度运转。同时，该齿条结构和外观的盒体紧密相连，能够保障作业时的稳定性。其次，该部分的盒体设置成半球状，能够增大内部结构运作空间的同时，可以精准反馈钳子的角度调整情况。此时角度的调整满足1∶1的比例分配。

对于钳子的一周旋转工作而言，是随着整个外壳包装而一起旋转的，旋转的机构会安装在整个盒体的底部，这样不同的模块在运行时，可以由机械构造去形成很好的模块间隔，保障各个机构之间的运行互不干扰。

为了保障钳子的开合能在固定的空间而不产生上下的偏移，会在两个钳子的交接点加上一个链接杆，起到对钳子自身以及相关机构的支撑作用。支撑结构可以延申下来，和下面的外包装盒体结合起来，使得整个装置能够连接成整体。

对于不同的功能，本机械结构采取分层设置。最上层用于剪切装置，第二层用于剪切装置的调整控制系统，第三层用于整体的控制定位系统的安装，最底层就是整体的旋转装置以及移动万向轮结构。在第一层的表面，会装有监控装置进行实时状况的报备，以便进行不同情况的调整。

该仿生万向钳子做了两种，主要是针对于不同的移动装置，对于平地运行的装置采用万向轮，对于作业较高的作业情况采用攀爬装置，会在侧壁上设置多个攀爬的机械臂，以完成高度作业的要求。

2.3 电控结构

电控结构主要利用步进电机、舵机、单片机以及信息控制装置即可完成。其中单片机用于总体的功能控制，包含转动模块、开合控制模块、定位模块、信息反馈模块、远程遥控装置以及角度调整模块。

单片机通过脉冲控制其余的电机，其中消耗功率较大的市步进电机。

1）转动模块。采用爪极式永磁同步电动机，该电动机的每分钟转动范围较广，可以高达110转，能够满足调速的要求。而且出轴直径为7 mm，粗度能够带动上方机构的旋转。经过测量显示，该电机能够带动十斤的物品。所以，选用该转动模块，能够保障装置的装置的正常运行。该转动模块，当转动角度接近时，可以进行单独的角度调节，此时的转动模块会和信息反馈模块相关联，进行细节的调节。

2）开合控制模块。开合控制模块，此处的模块采用舵机进行控制。利用舵机进行钳子开合角度的控制，此处结合感应装置，当需要钳制的相关步骤已经完成后，会自动进行复位，完成下一个工作的准备过程。此处不会进行人工开合角度的控制，因为在转动以及偏移摆动之后，钳子所在的位置就能够整体的要求。因此对于固定的消毒而言，采用舵机并且适时回复原位是符合整体需求的控制。该舵机采用的类型为模拟舵机，利用1.0MS进行45°的开合就能满足要求。因此，相比而言，舵机的控制部分最为简单。

3）定位模块。该万向剪刀GPS数据采集系统由机GPS天线、GPS板卡、数传电台、电平转换模块和地面PC机这几部分构成，机上GPS报文信息经TTL转232模块完成电平转换后通过数传电台模块发送至地面控制器。地面PC机并利用LabView软件完成对GPS数据的实时存储、解析及显示[5]。该部分定信息不光仅针对于自身的位置情况，也会对周围的环境进行探索，和信息反馈模块相呼应，会在面板中显示该装置的位置以及方圆1 m内周边的地形以及障碍物分配情况，使得使用者对于位置的把控和操作更为具体。此处也可以结合监控视频所呈现出来的状况进行视觉判断，人为控制其行走和运作方向。根据下达的指令，控制万向轮的电机会依据单片机的脉冲做出回应。但是，当出现操作者判断不清时，比如对着障碍物前景这样的情况，该机器会依照自身的识别判断情况将信息反馈给操作面板的技术人员，如果技术人员确定这样的运作轨迹满足需求，依旧可以执行命令。

2.4 模块定位

在模块的定位以及操作上，很大程度依旧依托人为控制，自动一体化程度依旧有待提高。

1）信息反馈模块。信息反馈模块主要应用识别技术以及信息判断技术。识别技术以人脸识别技术为参考[6]。人脸识别技术具有对人脸特征的识别，进而提高识别的准确度。为此，我组将会建立独有的信息库，将不同零件的配合方式进行特征分析，同类的组合方式将被作为识别点，满足不同配合的独特性的同时，提高识别的准确度。由此需要对不同的应用场景进行大批量分析，提高库存量，才能满足实际操作中的需求。对于信息判断技术，识别技术板块只是其中的一环，依据上面的识别结果，会进行下一步操作。比如，当机器识别的周围由多数物品都满足信息指令的要求，此时就会将获得的图像情况反馈给远程的操作人员，由远程的操作人员进一步进行筛选。如果人工选择过程中没有发现想要得到的信息，就会下达指令进行重新筛选布置。一旦开启重新筛选，那么最先筛掉的就是原本以及选择过的区域，会在其余的区域进行判断，直到得到有效信息进行下一步操作。在找到目标操作物之后，会依据其功能推荐操作指令，或者由工作者直接下达操作对应的操作指令，直接完成工作步骤。为了防止出现操作功能数据库没有相关的操作，会对用户信息进行提前搜集和匹配。一旦出现却大信息的情况，就会申请指令内容的更新，直到满足操作者的需求为止。其余部分的要求也要依据数据库机型反馈设置，皆可以依照上面的方法依此类推。

2）远程遥控模块。远程遥控装置主要依靠遥控芯片以及动力装置。其中的动力装置上部分已经有了相应的论述，基本都是靠电机的驱动[7]。对于远程遥控的芯片，该部分需要以信息反馈模块的情况作为基础。该芯片会直接和以上模块直接相连，每个部分的代码编辑都会是单独的控制，满足不同操作的反馈需求。

3）角度调整模块。角度调整模块主要和机械部分的齿轮结构相配合，转动电机通过带动齿轮的旋转，在弧形轨道上带动钳子整体角度的旋转。虽然该部分的理想旋转角度区间为180°，结合实际情况，将本部分的跨度区间设置为150°，将钳子本身所具有的角度计算在其中。

3 应用展望

根据目前的进展情况，仅对狭小空间作业的仿生万向钳进行叙述。该钳子的应用价值在于能够减少人为操作的空间、节省人力物力、提高机械的工作效率。实地应用而言，可以适用于车底的维修、庞大机械件的角落维修以及较为危险的狭小空间作业。整体而言，改装置具有长期应用价值。

但是，该装置也存在局限性。目前的装置不够完善，需要大量的认为操作配合，数据库的建立仍有局限性空间。需要进一步结合机械构造进行全方面的扩充。对于工作人员的经验具有较大的依赖性，数据的准确性有待进一步提高。

在未来的应用过程中，会进一步维修技术，提高技术工人的体验感，要做到人工操作于机械化操作的衔接，做到完整的过度，才能提高该机械的应用空间。

4 结语

本文从构思以及结构方面叙述了仿眼镜猴的万向钳的构思和制作的过程，每一个部分的功能价值以及数据库之间的紧密关系。该装置能够完成对于目标物的寻找、定位、钳制以及人工识别等功能。对于其便利、大众化的优势进行了叙述和排列。目前该装置的应用不够广泛，需要做好和目前普通用具的过度才能做到全民应用。同时，本装置也存在许多不足，比如数据库方面，需要进一步提升。由此，改装置的完善也将会由更多的切入点，将机电控制进一步与人们的生活相融合。