复合式机器人机械臂滚筒式分拣收集装置设计

摘要

针对青少年机器人竞赛中球体分拣任务的特殊需求，提出一种基于摩擦传动与齿轮传动的复合式机器人机械臂设计方案。该装置采用“橡皮筋-双滚筒”复合结构实现球体吸附，结合坡度货箱与齿轮换向系统完成分拣收集。重点阐述模块化机械臂结构设计、“橡皮筋-双滚筒”摩擦力增大设计以及空间受限条件下的齿轮传动布局优化。测试表明，该设计可稳定处理10~15个球体，较传统抓取式机械臂效率提升3倍，为小型机器人执行分拣任务提供了可快速拆装的解决方案。

Graphical abstract

关键词

机器人机械臂 / 齿轮传动 / 摩擦传动 / 分拣装置 / 模块化设计 / 齿轮换向

笔者介绍一种复合式机器人机械臂创新设计，通过结合滚筒、橡皮筋和齿轮传动装置实现半自动吸球、吐球任务。这种设计不仅能够提高机器人的工作效率，还能够提高操作的精确度和稳定性，为机器人在工业和日常应用中的进一步发展提供新的思路与方法。

1 机械臂创新设计的背景和构想

机器人创新挑战赛的手动部分要求参赛选手抓取场地上的小球并搬运到收纳区，成功放置得分如下：绿色小球1个得10分，蓝色小球1个得5分，黑色小球代表放射性物质，1个扣30分。很多学生的设计方案均以人的“手”为设计方向，通过控制电机来实现抓取和放置小球，还有的学生以铲车的铲斗为方向设计“铲斗”机械臂。这些方案都能完成任务并得分，但均存在一些弊端，以“手”为设计的机械臂在实际的抓取中只能完成1~3个小球，且会出现卡球的情况，从而导致电机死机。“铲斗”机械臂每次抓取小球的数量有所提升，但这些机械臂都存在一个共同的缺点，即：当抓取到黑色小球和其他小球时无法筛选，不够智能，从而降低了机械臂完成任务的效率。

笔者设计的机器人机械臂是通过控制电机的正反转带动滚筒的转动来实现吸球、吐球任务的，吸上来的球存放在有坡度的货箱内，通过设置舵机的转动角度实现货箱门为打开状态时，小球由于受到重力的作用和在橡皮筋的转动带动下，自动掉落在收纳区内。

2 “橡皮筋-双滚筒”设计

“橡皮筋-双滚筒”是一种新型的传动装置，它由滚筒和橡皮筋组成。滚筒是一个由多种零件组装成的器件，用于传递动力，而橡皮筋是一种具有弹性的材料，连接在滚筒两端的齿轮上。当滚筒转动时，带动橡皮筋转动，产生摩擦力，当碰到小球时，小球由于摩擦力的作用就被吸入，随后向上滚动，最后由于上方的滚筒向内的作用力被弹入货箱。

因为机器人的宽度是150 mm，所以笔者用1根长度是90 mm的十字棍，两边通过轴连器分别接上长度50 mm的十字棍，轴连接器前面连接厚度为5 mm的垫片，垫片前面再连接厚度为10 mm的40齿齿轮（齿轮的半径为25 mm），齿轮前务必要连接厚度是5 mm的垫片（这样设计是为了后面齿轮接上橡皮筋预留一定的空间），后面连上规格为10 mm×50 mm×150 mm的板，在左端接上厚度为10 mm的50齿齿轮（齿轮的半径为25 mm），在右端接上厚度为10 mm的36齿双锥齿轮（齿轮的半径为20 mm）。最后在滚筒两端的齿轮接上4根橡皮筋，这样“橡皮筋-双滚筒”的设计与搭建就完成了，设计图纸如图1所示。

根据小球的半径是20 mm、板的孔距是10 mm、齿轮的半径为25 mm等多方面的参数，经过多次实践测试得出：滚筒的最佳位置是连在第5孔的水平位置。

3 齿轮传动装置

（1） 双模传动系统：滚筒表面线速度与橡皮筋弹性变形协同作用，实现柔性吸附。在齿轮传动系统中，电机与齿轮的连接通常涉及两个齿轮：主动齿轮和从动齿轮。主动齿轮是与电机输出轴直接连接的齿轮，它通过齿轮啮合传递动力和转矩给从动齿轮。因此，主动齿轮是“动”的，因为它直接与电机相连，并驱动整个齿轮传动系统。从动齿轮则是被主动齿轮驱动的齿轮，它接收来自主动齿轮的动力，并将其传递到齿轮系统的其他部分或工作机械上。从动齿轮是“被动”的，因为它不直接与电机相连，而是依赖于主动齿轮的动力^［1］。笔者的设计是右端的36齿双锥齿轮为主动齿轮，直接和转速电机相连接，带动滚筒的转动。左端的50齿齿轮为从动齿轮，把动力传输到其他齿轮和滚筒。滚筒表面线速度与橡皮筋弹性变形协同作用，实现柔性吸附且摩擦力增大。

（2） 空间折叠设计：通过30齿过渡齿轮实现同轴反向传动，节省50%垂直空间。因为货箱的设计要求高度达到125 mm，一个滚筒的直径才50 mm，所以笔者设计了竖直方向的双滚筒装置。在齿轮传动系统中，两个相邻齿轮的转向是相反的，即如果一个齿轮顺时针旋转，另一个齿轮就会逆时针旋转。两个50齿齿轮直接连接的结果是小球先被吸入后又被吐出，小球不仅没有入库，反而又重新回到场地。笔者的设计是在50齿齿轮的上方接2个30齿齿轮（齿轮的半径为15 mm），中间的30齿齿轮是过渡齿轮，通过30齿过渡齿轮实现同轴反向传动，最后实现上下滚筒同向转动。齿轮传动装置实物如图2所示。这样的设计不仅解决了货箱的高度要求问题，也达到了2个滚筒同向转动的要求，同时节省50%垂直空间。

4 货箱设计

参考现实生活中货车货箱的形状和结构，结合齿轮传动装置设计机器人的货箱。货箱两侧充分利用方形平板组装出两侧的挡板，底部由一块方形大板沿一定的坡度放下，在两侧的第3个孔位用插销固定，货箱门的打开设计通过控制小舵机由水平位置沿逆时针方向转到竖直方向。

5 快速拆装接口

为了节省更换机械臂的时间和提高更换机械臂的稳定性，笔者把滚筒、齿轮、电机、货箱等配件通过方形平板和插销科学地组装成1只完整的机械臂，只要通过4插销定位结构就能实现更换机械臂。实践测试证明，学生一般在10~15 s的时间内都能完成。学生在采用这套机械臂完成机器人创新挑战赛的手动任务中，吸球吐球稳定高效，得分高，取得了较好的成绩。

6 结语

创新设计的机器人机械臂，通过结合橡皮筋、双滚筒和齿轮传动装置，实现半自动吸球和吐球任务。这种设计不仅能够提高机器人的工作效率，还能够提高操作的精确度和稳定性。

通过机械臂的设计和控制，可以实现对物体的精确抓取和搬运；通过“橡皮筋-双滚筒”的设计和应用，可以提高机器人的运动和力量传递效率；通过齿轮传动装置的设计和应用，可以实现对吸球和吐球力度的精确控制。这些创新设计为机器人在工业和日常应用中的进一步发展提供了新的思路与方法。

参考文献

[1] 张展.实用机械传动装置设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2012.