CN100368157C - 一种带力反馈的机械手 - Google Patents
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Abstract
一种带力反馈的机械手，可以设定夹取物体时所用力的大小，获得适中的夹持效果；具有两自由度，采用直角坐标结构；它包括：驱动部分、夹持部分、传感器部分，其中驱动部分包括运动控制器、功率驱动板、直流伺服电机、垂直导轨和水平导轨；夹持部分即为末端执行器；传感器部分包括力传感器、碰撞检测开关和传感器信息采集模块。本发明的机械手具有重量轻、成本低的特点，可以方便地集成到移动机器人上，使移动机器人具有操作功能。
Description
技术领域
本发明专利涉及机械手，属于机器人领域，特别是可以应用到智能移动机器人系统中。
背景技术
1961年，美国的UNIMATION公司推出第一个伺服控制的工业机器人UNIMATE，1962年UNIMATE在美国GM公司投入使用，1963年，美国的AMF公司推出VERSATRAN商用机器人，从此，机器人进入实用化阶段，此后，机器人的功能逐渐强大，种类日益增多，越来越广泛而深入地影响着人类的生产与生活。
移动机器人是机器人的一个重要分支，在21世纪有着广阔的应用前景，如宾馆商场的迎宾导游、导购，医院护理，社区巡逻，军事侦察等。在移动机器人上集成机械手，使其具有操作的能力，则更能适用环境和胜任更多的工作，能在各种危险场合下代替人的工作，如公安排爆，核辐射环境下的物体搬运。
在集成移动机器人和操作手过程中，已有的一种思路是将成熟的工业机械手同移动平台结合起来，由于工业机械手质量大，能源消耗大，在运动过程中会产生较大的耦合力作用在移动平台上，影响平台的稳定，从而影响操作的精度；此外，移动机器人携带电池的能源有限，成熟的工业机械手能源消耗大对整个系统的运行时间影响很大。
因此有必要针对移动机器人这个特定的平台，研究开发既能胜任操作任务，且质量轻，耗能小的机械手。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能胜任操作任务，且质量轻，耗能小的机械手。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种带力反馈的机械手，其采用直角坐标结构，两支架水平平行设置，两支架的内侧各设有碰撞检测开关；第一丝杠和两根导轨竖直设置，两根竖直导轨的两端分别固接在两水平平行的支架上，两根竖直导轨分别竖直穿过第一滑块，且与第一滑块动接触；第一丝杠竖直穿过第一滑块且通过第一滑块上的螺纹与第一滑块动连接，第一丝杠的两端与两水平支架动接触，其中一端通过第一传动皮带与第一直流伺服电机转轴的输出端相连；
第二丝杠、两根水平导轨和两支撑柱水平设置，两支撑柱分别水平固定安装在第一滑块的上、下两端，两支撑柱的左端伸出远离第一滑块，右端靠近第一滑块，且两支撑柱的两端分别固接在另两个竖直设置的支架后部，两竖直支架向第一滑块的前方延伸；另两根水平导轨的两端分别固接在另两个竖直设置的支架前部，且水平穿过第二滑块，与第二滑块动接触，另两根水平导轨和第二滑块位于第一滑块的前面，与第一滑块无接触；第二丝杠也水平穿过第二滑块，第二丝杠通过第二滑块上的螺纹与第二滑块动连接，第二丝杠的两端分别与另两个竖直支架动接触，其中一端通过第二传动皮带与第二直流伺服电机转轴的输出端相连；另两个竖直设置的支架内侧前部也分别设有碰撞检测开关；
在第二滑块和右端设置的竖直支架上，分别设有基座，基座上固接有末端执行器，末端执行器内侧设有力传感器。
所述的带力反馈的机械手，其所述末端执行器，为片形条状的末端执行器，或为带直角端的片形条状的末端执行器，其内外分别由柔性材料和刚性材料复合而成，在内层柔性材料的内侧面上，于中心部位轴向设有条形力传感器；在末端执行器的一端设有多个固定孔，通过多个螺栓固定在基座上。
所述的带力反馈的机械手，其所述碰撞检测开关，在竖直导轨上端的碰撞检测开关和水平导轨左端的碰撞检测开关兼具复位开关的功能。
所述的带力反馈的机械手，其所述末端执行器，为成对设置。
所述的带力反馈的机械手，其所述力传感器，其力信息被量化成1～512个量级，在夹取物体时所用力的大小根据任务需要编程设定。
本发明机械手质量轻，耗能小，成本低，搬运物体灵活，能方便地集成到移动机器人平台上。
附图说明
图1是本发明机械手驱动结构平视图；
图2是本发明机械手末端执行器实例一平视图；
图3是本发明机械手末端执行器实例二平视图；
图4是本发明机械手末端执行器截面图；
图5是本发明机械手功能模块图。
具体实施方式
本发明的机械手，由驱动部分，末端执行器，传感器部分构成。
驱动部分有两个自由度，采用直角坐标结构，分别由两个直流伺服电机控制，并为此配备了功率驱动板和运动控制DSP板，可以精确地控制末端执行器的位置。
末端执行器可以方便地安装到驱动部分上或从驱动部分卸下，面向不同的任务时能选择合适的末端执行器。
传感器部分包括两个力传感器，以及A/D转换电路，4个碰撞检测开关，传感器信息采集板，可以快速，精确地采集到力信号。并可将力信号作为反馈信息控制驱动部分的运动。
如图1所示，本发明机械手采用直角坐标结构，两支架15a、15b水平平行设置，两支架15a、15b的内侧各设有碰撞检测开关14a和14b。丝杠3和两根导轨4竖直设置，两根导轨4分别竖直穿过滑块11，且与滑块11动接触，两根导轨4的两端固接在支架15a、15b上。丝杠3竖直穿过滑块11且通过滑块11上的螺纹与滑块11动连接，丝杠3的两端与两支架15a、15b动接触，其中一端通过传动皮带2与直流伺服电机1转轴的输出端相连。丝杠7、两根导轨10和两支撑柱17水平设置，两支撑柱17分别水平固定安装在滑块11的上、下两端，两支撑柱17的左端伸出远离滑块11，右端靠近滑块11，且两支撑柱17的两端固接在竖直设置的支架16a、16b后部，两支架16a、16b向滑块11的前方延伸。两根导轨10水平穿过滑块8，与滑块8动接触，并位于滑块11的前面，与滑块11无接触，两根导轨10的两端固接在竖直设置的支架16a、16b前部。丝杠7水平穿过滑块8，丝杠7通过滑块8上的螺纹与滑块8动连接，并位于滑块11的前面，与滑块11无接触，丝杠7的两端与两支架16a、16b动接触，其中一端通过传动皮带6与直流伺服电机5转轴的输出端相连。竖直设置的支架16a、16b的内侧前部设有碰撞检测开关13a和13b。
在滑块8和竖直设置的支架16b上，分别设有基座9和基座12。基座9和基座12上通过固紧螺丝安装末端执行器。末端执行器有两种，一种如图2所示，为片形条状的末端执行器19，一种如图3所示，为带直角端的片形条状的末端执行器22。末端执行器19、22的结构，如图4所示，其内外分别由柔性材料23和刚性材料24复合而成，在内层柔性材料23的内侧面上，于中心部位轴向设有条形力传感器20。
图5为本发明机械手功能模块连接示意图。本发明机械手功能模块，由系统主控模块101、运动控制模块201、功率驱动模块202、传感器信息采集模块301、A/D转换模块302组成，上述功能模块按常规分别与直流伺服电机1、5，力传感器17和碰撞检测开关13a、13b、14a、14b电连接。本发明机械手的驱动部分有独立的驱动电路和控制电路，可以方便地集成到移动机器人系统中。
直流伺服电机1通过传动皮带2带动丝杠3，丝杠3驱动滑块11沿导轨4做垂直方向的运动，控制本发明机械手末端执行器的上下位置；在导轨4的上下两端处分别有一个碰撞检测开关14a和14b，确保垂直方向在行程范围内运行，同时上面的碰撞检测开关14a还兼垂直方向自由度复位开关的功能，当机械手处于准备就绪状态时，14a应处于闭合的状态。直流伺服电机5通过传动皮带6带动丝杠7，丝杠7驱动滑块8沿导轨10做水平方向的运动，控制本发明机械手末端执行器的开合位置；在导轨10的左右两端处分别有一碰撞检测开关13a和13b，确保水平方向在行程范围内运行，同时左边的碰撞检测开关13a还兼有水平方向自由度复位开关的功能，当机械手处于准备就绪状态时，13a应处于闭合状态。
针对抓取对象的形状和位置的不同，设计了两种末端执行器，即图2中的实例一，为末端执行器19，图3中实例二，为末端执行器22，它们分别通过安装孔各自成对地和基座9和12相连。
在末端执行器19、22内侧的压力传感器，即图2，图3，图4中的压力传感器20，当末端执行器19、22夹持到物体时，力传感器20的电阻值随压力大小线性变化。经过A/D转换模块302和传感器信息采集模块301的处理，力信息被量化成1-512之间的某一个值。在夹取物体时，所用力的大小可根据任务需要编程设定。
本发明机械手在工作时，A/D转换模块302实时从压力传感器20采集模拟力信号，并转化成数字信号输出到传感器信息采集模块301，同时传感器信息采集模块301还采集碰撞检测开关13a、13b、14a、14b的状态，系统主控模块101根据传感器信息采集模块301上传的力反馈信息和碰撞检测开关13a、13b、14a、14b的状态，再结合其自身的运动规划算法，生成运动控制命令发送到运动控制模块201，运动控制模块201通过功率驱动模块202驱动直流伺服电机1、5运动，同时读取直流伺服电机1、5的码盘数据，以准确地执行其所接收到的运动命令。
Claims (6)
1.一种带力反馈的机械手，其特征在于：采用直角坐标结构，两支架水平平行设置，两支架的内侧各设有碰撞检测开关；第一丝杠和两根导轨竖直设置，两根竖直导轨的两端分别固接在两水平平行的支架上，两根竖直导轨分别竖直穿过第一滑块，且与第一滑块动接触；第一丝杠竖直穿过第一滑块且通过第一滑块上的螺纹与第一滑块动连接，第一丝杠的两端与两水平支架动接触，其中一端通过第一传动皮带与第一直流伺服电机转轴的输出端相连；
第二丝杠、两根水平导轨和两支撑柱水平设置，两支撑柱分别水平固定安装在第一滑块的上、下两端，两支撑柱的左端伸出远离第一滑块，右端靠近第一滑块，且两支撑柱的两端分别固接在两个竖直设置的支架后部，两竖直支架向第一滑块的前方延伸；两根水平导轨的两端分别固接在两个竖直设置的支架前部，且水平穿过第二滑块，与第二滑块动接触，两根水平导轨和第二滑块位于第一滑块的前面，与第一滑块无接触；第二丝杠也水平穿过第二滑块，第二丝杠通过第二滑块上的螺纹与第二滑块动连接，第二丝杠的两端分别与两个竖直支架动接触，其中一端通过第二传动皮带与第二直流伺服电机转轴的输出端相连；两个竖直设置的支架内侧前部也分别设有碰撞检测开关；
在第二滑块和右端设置的竖直支架上，分别设有基座，基座上固接有末端执行器，末端执行器内侧设有力传感器。
2.如权利要求1所述的带力反馈的机械手，其特征在于：所述末端执行器，为片形条状的末端执行器，其内外分别由柔性材料和刚性材料复合而成，在内层柔性材料的内侧面上，于中心部位轴向设有条形力传感器；在末端执行器的一端设有多个固定孔，通过多个螺栓固定在基座上。
3.如权利要求2所述的带力反馈的机械手，其特征在于：所述末端执行器，为带直角端的片形条状的末端执行器，其内外分别由柔性材料和刚性材料复合而成，在内层柔性材料的内侧面上，于中心部位轴向设有条形力传感器；在末端执行器的一端设有多个固定孔，通过多个螺栓固定在基座上。
4.如权利要求1所述的带力反馈的机械手，其特征在于：所述碰撞检测开关，在竖直导轨上端的碰撞检测开关和水平导轨左端的碰撞检测开关兼具复位开关的功能。
5.如权利要求1或2或3所述的带力反馈的机械手，其特征在于：所述末端执行器，为成对设置。
6.如权利要求2或3所述的带力反馈的机械手，其特征在于：所述力传感器，其力信息被量化成1～512之间的一个值，在夹取物体时所用力的大小根据任务需要编程设定。
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