文浙江省安吉县高级中学109班吴凯方瑶任业正

打造猎鹰之爪
——自动抓球机器手的设计制作

文浙江省安吉县高级中学109班吴凯方瑶任业正

随着高新技术发展日新月异，机器人逐渐成为国内外科技人员的研究课题，中国每年举办的大学生机器人大赛也着实吸引了许多人，尤其是我们青年学生的眼球。

一次讨论时，吴凯见识了智能化机器人的魅力后提出，虽然以我们现在的能力还不能做成一个完整的机器人，但能否做一个智能的手臂来转移物体呢？经过讨论，我们决定做一个能自动抓球的机器手。

我们把想法告诉科技辅导老师后，得到了他的鼓励和支持。学校的劳技教室有车床、操作台等工具和编程用的电脑、下载用的芯片等，这为我们开展该项目提供了条件。

俗话说：“三军未动，粮草先行”、“知己知彼，百战不殆”，所以我们先上网查找资料，找到了一些抓手及已发明的机器臂的图片。通过了解我们发现机器手的形式和抓取的方式有很多，也知道了需要哪些设备。特别是伺服电机不可少，它是一种可以在0°～180°之间任意旋转，而且可以给出向前或向后的力的精确电机。更重要的是还要用电脑软件进行编程，使机械臂智能化。

通过对智能化机器知识的了解，我们三人决定用3个伺服电机做一个具有三个自由度旋转的机器手，使其能完成一个简单的任务。

机器手的身体用简单、易得、易切割的木头来做，用废旧的电源插座外壳来做机器手的旋转平台，主控器是一个RCU，动力装置我们选用了三个伺服马达，为了让机器手更灵活、更智能，我们还设想装上感应装置，可惜后来没能实现。接着，我们分工收集材料，如螺丝钉、乒乓球、适宜的木块等。

一、制作机器手模型

我们找来两个废旧的插座外壳作为底座，将其中一个伺服电机放入其内（称为旋转驱动器），用一块小木块与泡沫固定旋转驱动器（因为电机经常摆动易受损）。

为了使两个外壳很好地组合且可转动，我们用一个连接臂将其连接起来。一开始，我们用一个“一”字型的固定片，再用圆规脚的两颗小螺丝来固定，但考虑到节约材料，我们又想到用“十字”型的固定片来固定，一头嵌在底座上，另一头用一颗小螺丝来固定，这样一个连接臂就完成了。

在控制平台上，我们安装了两个伺服电机，用于平台的一前一后，前面的是给予手臂前后伸缩的力，后一个控制手臂的张合。

由于科技老师准备了伺服马达以及一些电子设备，我们决定用马达来带动，可具体怎么做大家都一头雾水。后来通过参考网上的资料和图片，我们初步定下了方案。

手臂的制作是我们遇到的最大困难，因为手臂要考虑重力（电机的动力有限）、摩擦、形状等多种因素。一开始，我们手工制作了一个木块做的手臂，但由于厚度不够，尝试多次都不行，于是我们打算重做。

方瑶利用寒假找了一些金属片，开学后大家一起动手制作。在两块金属片间夹一块一定厚度的泡沫，经过试验，效果不错，只是泡沫的摩擦力还不够，需要改进（如图1）。

我们想到了用摩擦系数大的布料来增大摩擦力，或者在爪子的最前端用铁丝做成“]”形来固定球，不让其“跑”掉。手臂伸缩、电机的木棒转动时的半径会随手臂的伸缩而改变大小，此时吴凯想到在木棒上刻一个槽，让钉子可以上下滑动以适应相应的大小。

大家力往一处使，连续几天一到课外活动时间，就去科技馆制作教室，或设计草图或按图施工，慢慢地机器手逐渐成形，动力装置也基本解决，至此硬件部分大体完成（如图2）。

图1

图2

二、“猎鹰之爪”抓球过程设计

我们制作的机器爪子主要功能是将球从一个地方移到另一个地方，主要的构成零件是3个伺服马达及其连接部件，大部分动作完成靠这3个伺服马达完成（如图3）。

图3

伺服马达①相当于人的腰，控制着上身在0°～180°任意角扭转，将“控制台”左（或右）移动、调整爪子抓取的方向。

伺服马达②相当于大腿，它调整爪子伸出和缩回的幅度。

伺服马达③便是控制爪子的张开和合拢，是抓取球的关键。

整个工作过程如下：

机器爪子运行前，爪子呈张开状态，运行时，伺服马达①向左（或向右）转动90°，带动控制台转动，使整个爪子位于球的正前方，停隔几秒，伺服马达②向前转动，手臂伸出，使球位于爪子中心，停隔几秒，伺服马达③向前转动，爪子抓紧小球，整个“取”的过程便完成了，再者是“送回”的过程。

伺服马达②向后转动，爪子缩回，停隔几秒，伺服马达①向右（或向左）转回，使“机身”转回原位，停隔几秒，伺服马达②向前转动，爪子再次伸出停隔几秒，伺服马达③向后转动，爪子张开，球落到目标点。

整个过程可以通过“机器人快车”软件来编成程序，循环执行结束。

三、安装智能模块，编写程序

我们上网查找了有关信息和资料，了解RCU、伺服马达和感应装置的功能和使用方法，然后按照预先的设想开始编程。

毕竟这是我们第一次尝试为机器人编辑应用程序（如图4），总想早点完成编程，将其应用到机器手上，可越着急遇到的麻烦越多。好在大家都没有半途而废，多次的失败也让我们积累了经验，一周后，我们终于编出了一套切实可行的程序。接着安装智能模块，将RCU装在尾部，调整三号伺服马达的位置，平衡整体重心，又将钢丝（后来用细铅丝代替）连在一起，仿照自行车的刹车结构成为牵引，完成爪的闭合。最后通过数据线把电脑上的程序输入RCU，就算基本完工，等着调试了。

在调试中，由于智能化的要求，我们对手臂的运动范围、运行速度、取球的动作设计等进行讨论与调整，稍有一些理论基础的方瑶、任业正便开始找书、学习《机器人快车》中的程序，提供一些整体思路及细节问题的解决，吴凯则对机器手的装置进一步进行改良完善。

经过几个月的努力，机器手终于能在一定范围抓取乒乓球了，取球、放球，动作干净利索，如同工厂自动化生产线上的货物自动装卸，像“猎鹰之爪”一样灵动起来。

图4

（指导老师：汪文峰）