CN102282973A - 具有感觉的多指欠驱动末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有感觉的多指欠驱动末端执行器。其每个手指部分的第一、第二、第三指节铰接，第三指节与手指转台铰接；底座部分的电机经带动移动板作上下移动；手掌部分的手掌上、手掌下连接板之间通过销同轴连接；三个手指的第三指节与移动板分别通过耦合杆连接，三个手指的第三指节与手掌通过手指转台转动连接，底座与手掌通过圆柱导轨连接。每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，电机通过差分机构驱动三个手指的开合，第一、第二及第三指节内侧均设置滑触觉传感器，力反馈电路的输入端与滑触觉传感器连接，力反馈电路的输出端经控制器与电机连接。本发明驱动器数目少、控制简单、可靠性高、体积小可实现对物体形状的自适应抓取。
Description
技术领域
本发明涉及一种末端执行器，具体地说是涉及一种具有感觉的多指欠驱动末端执行器。
背景技术
末端执行器是果蔬采摘机器人的重要组成部分，与工业机器人的末端执行器相比，由于其作业对象和环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性特征，采摘机器人的末端执行器具有明显的特殊性和更高的智能化要求。一般果蔬果实的表皮和果实本身通常都比较脆弱和柔软，这对采摘果实的抓取力度控制提出了比较高的要求。
末端执行器对农业发展起了巨大贡献，但是还存在着一些缺陷：（1）抓取过程中果蔬外表发生损伤。果实柔弱易破的特性导致用刚体抓取很容易损伤果实。尽管所有研制出的末端执行器的夹持手指都选用刚体或者是接触果实一侧粘有海绵、橡胶的刚体,而且基本都是专一用于某一水果品种,但是粘有海绵、橡胶的刚体的变形适应能力很有限。（2）通用性不强。末端执行器的基本结构取决于具体工作对象特性及工作方式。在农作物生产体系中，果蔬形体差异很大，即使是同一品种，其个体大小和形状也不完全相同。因此，采摘机器人只能对一种果实进行收获，并且果实应该大小、形状相差不大，致使采摘机器人效率难以提高的主要原因,也是制约采摘机器人未来发展与应用推广的瓶颈。
发明内容
为了克服现有技术的不足之外，本发明的目的是提供具有感觉的多指欠驱动末端执行器，具有负载能力强、驱动元件少、控制较简单、采摘效率和抓取力自适应的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括三只结构相同的手指、底座和手掌部分；每个手指部分的第一指节与第二指节铰接，第二指节与第三指节铰接，第三指节与手指转台铰接；底座部分的电机经联轴器、丝杠带动移动板作上下移动；手掌部分的手掌上连接板和手掌下连接板之间通过销同轴连接；三个手指的第三指节与所述移动板分别通过耦合杆连接，三个手指的第三指节与手掌通过手指转台转动连接，底座与手掌通过圆柱导轨连接；每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，所述电机通过差分机构驱动三个手指的开合，第一指节、第二指节及第三指节内侧均设置集成触觉和滑动觉一体的滑触觉传感器，力反馈电路的输入端与滑触觉传感器连接，力反馈电路的输出端经控制器与电机连接，电机中的霍尔传感器与控制器组成反馈电路，实现电机转速的控制。
所述每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，它均由精确捏取机构和包络抓取机构组成。
精确捏取机构，由第一指节回转杆、一二指节耦合回转杆、中间平行杆、第二指节、二三指节耦合回转杆、第三指节回转杆、第三指节构成两套平行四边形连杆机构，设置在三个指节之间，第二指节的一端与第一指节回转杆的一端通过第一关节铰接，第一指节回转杆的另一端与一二指节耦合回转杆的一端铰接，一二指节耦合回转杆的另一端与中间平行杆中间孔铰接，中间平行杆内侧孔与第二指节的另一端通过第二关节铰接，中间平行杆外侧孔与二三指节耦合回转杆的一端铰接，二三指节耦合回转杆的另一端与第三指节回转杆的一端铰接，第三指节回转杆的另一端与第三指节的一端通过第三关节铰接。
包络抓取机构，由第一指节、一二指节耦合驱动杆、三角形驱动杆、第二指节、二三指节耦合驱动杆、第三指节驱动杆、第三指节构成两套四连杆机构，设置三个指节之间，第一指节与第二指节的一端通过第一关节铰接，第一指节与一二指节耦合驱动杆的一端铰接，一二指节耦合驱动杆的另一端与三角形驱动杆外侧孔铰接，三角形驱动杆内侧孔与第二指节的另一端通过第二关节铰接，三角形驱动杆中间孔与二三指节耦合驱动杆的一端铰接，二三指节耦合驱动杆的另一端铰接与第三指节驱动杆的一端铰接，第三指节驱动杆的另一端与第三指节通过第三关节铰接。
所述电机安装在手掌正下方，电机驱动固定在移动板上的滑块，每个耦合杆与两个正交铰链的一端铰接，两个正交铰链的另一端与移动板铰接，移动板上下移动驱动三只手指开合。
所述的力反馈电路包括多路模拟开关、电荷转换电路、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路、A/D采样电路；PVDF压电传感器与电荷转换电路连接、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路和A/D采样电路后与控制器输入端连接。
所述的PVDF压电传感器，包括由PVDF薄膜和贴在PVDF薄膜两侧的铜片组成的PVDF压电传感器，引出正负电极，PVDF压电传感器两面分别粘有绝缘橡胶表皮保护层，具有平面的绝缘橡胶表皮保护层贴在各指节表面，具有锯齿形的绝缘橡胶表皮保护层朝向抓取物。
本发明具有的有益效果是：
本发明结构简单、通用性强、驱动器数目少、成本低、控制简单、可靠性高、体积小而且可实现对物体形状的自适应抓取等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的欠驱动结构示意图；
图3是本发明的驱动部分示意图；
图4是本发明的力反馈原理示意图；
图5是本发明的传感器结构示意图；
图6是本发明的传感器处理电路原理图；
图7是本发明的传感器处理电路示意图；
图中：1、第一指节，2、第二指节，3、第三指节，4、手指转台，5、移动板，6、电机固定板，7、基座，8、手掌上连接板，9、包络抓取机构，10、精确捏取机构，11、耦合杆，12、丝杠，13、联轴器，14、电机，15、两个正交的铰链，16 、第一指节回转杆,17、一二指节耦合驱动杆，18、三角形驱动杆，19 、中间平行杆，20、二三指节耦合杆，21、第三指节驱动杆，22、第一关节，23、一二指节耦合回转杆，24 、第二关节，25、二三指节回转耦合杆，26、第三指节回转杆，27、第三关节， 28、绝缘橡胶表皮保护层，29、铜片，30、PVDF薄膜，31、滑块，32、手掌下连接板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括三只结构相同的手指、底座和手掌部分；每个手指部分的第一指节1与第二指节2铰接，第二指节2与第三指节3铰接，第三指节3与手指转台4铰接；底座部分的电机14经联轴器、丝杠带动移动板5作上下移动；手掌部分的手掌上连接板和手掌下连接板之间通过销同轴连接；三个手指的第三指节与所述移动板5分别通过耦合杆11连接，三个手指的第三指节与手掌通过手指转台4转动连接，底座与手掌通过圆柱导轨连接；每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，所述电机14通过差分机构驱动三个手指的开合，第一指节、第二指节及第三指节内侧均设置集成触觉和滑动觉一体的滑触觉传感器，力反馈电路的输入端与滑触觉传感器连接，力反馈电路的输出端经控制器与电机连接，电机中的霍尔传感器与控制器组成反馈电路，实现电机转速的控制。
如图1、图2所示，所述每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，它均由精确捏取机构和包络抓取机构组成。
精确捏取机构：由第一指节回转杆16、一二指节耦合回转杆23、中间平行杆19、第二指节2、二三指节耦合回转杆25、第三指节回转杆26、第三指节3构成两套平行四边形连杆机构，设置在三个指节之间，第二指节2的一端与第一指节回转杆16的一端通过第一关节22铰接，第一指节回转杆16的另一端与一二指节耦合回转杆23的一端铰接，一二指节耦合回转杆23的另一端与中间平行杆19中间孔铰接，中间平行杆19内侧孔与第二指节2的另一端通过第二关节24铰接，中间平行杆19外侧孔与二三指节耦合回转杆25的一端铰接，二三指节耦合回转杆25的另一端与第三指节回转杆26的一端铰接，第三指节回转杆26的另一端与第三指节3的一端通过第三关节27铰接。
包络抓取机构：由第一指节1、一二指节耦合驱动杆17、三角形驱动杆18、第二指节2、二三指节耦合驱动杆20、第三指节驱动杆21、第三指节3构成两套四连杆机构，设置三个指节之间，第一指节1与第二指节2的一端通过第一关节22铰接，第一指节1与一二指节耦合驱动杆17的一端铰接，一二指节耦合驱动杆17的另一端与三角形驱动杆18外侧孔铰接，三角形驱动杆18内侧孔与第二指节2的另一端通过第二关节24铰接，三角形驱动杆18中间孔与二三指节耦合驱动杆20的一端铰接，二三指节耦合驱动杆20的另一端铰接与第三指节驱动杆21的一端铰接，第三指节驱动杆21的另一端与第三指节3通过第三关节27铰接。
如图3所示，所述电机14安装在手掌正下方，电机驱动固定在移动板5上的滑块31，每个耦合杆11与两个正交铰链15的一端铰接，两个正交铰链15的另一端与移动板5铰接，移动板上下移动驱动三只手指开合。
如图4所示，人在抓取物体时，由人发出控制指令，控制系统对信号进行分析识别使欠驱动末端执行器快速夹向物体。当指物接触后，欠驱动末端执行器以一个较小的初始夹紧力夹持物体，PVDF触觉传感器发出己接触信号，此时欠驱动末端执行器停止内握开始下一个动作。在欠驱动末端执行器提起物体时若指物之间的接触力能确保提起物体，则指物之间无相对滑动，PVDF触滑觉传感器无滑觉信号，此时欠驱动末端握物过程结束；若此时指物之间接触力不够大，指物间必有相对滑动，此时置于欠驱动末端执行器指第一指节处的触滑觉传感器检测到滑觉信号并控制欠驱动末端执行器继续内握，欠驱动末端系统增加夹紧力直至指物间无相对滑动，握物稳定，握物过程结束，实现了握力的自适应控制。
如图5所示，所述的PVDF压电传感器组件，包括由PVDF薄膜30和贴在PVDF薄膜两侧的铜片29组成的PVDF压电传感器，引出正负电极，PVDF压电传感器两面分别粘有绝缘橡胶表皮保护层28，具有平面的绝缘橡胶表皮保护层贴在各指节表面，具有锯齿形的绝缘橡胶表皮保护层朝向抓取物。
如图6所示，所述的滑触觉反馈电路包括电荷转换电路、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路、A/D采样电路；PVDF压电传感器的信号经电荷转换电路、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路和A/D采样电路后与控制器输入端连接。
信号处理电路采集信号过程，当手指的传感器接触物体，或物体在其表面滑动时，传感器输出电荷信号。采用电荷放大器将电荷信号转换为电压并放大，然后须进行低通滤波。输出信号中有明显的工频干扰，再增加一级50Hz的陷波滤波器。对滤波信号进行放大和模数转化。
如图7所示，是图6滑触觉反馈原理的硬件实现。
本发明的工作过程为分为包络抓取和精确捏取：
包络抓取工作过程：电机12驱动丝杠正转，丝杠带动移动板14向上运动，移动板带动移动推杆11向上移动，耦合连杆6跟随运动，驱动手指接近抓取物，第三指节3接触到物体并被限制运动，电机继续正转，第二指节2继续运动，电机继续正转，最后第一指节1与物体接触，当指物接触后，PVDF触觉传感器发出己接触信号，电荷放大器将电荷信号转换为电压并放大，然后须进行低通滤波。输出信号中有明显的工频干扰，再增加一级50Hz的陷波滤波器，对滤波信号进行放大和模数转化，将信号传给控制器，控制器识别信号，欠驱动末端执行器停止内握开始下一个动作。在欠驱动末端执行器提起物体时若指物之间的接触力能确保提起物体，则指物之间无相对滑动，PVDF触滑觉传感器无滑觉信号，此时欠驱动末端握物过程结束；若此时指物之间接触力不够大，指物间必有相对滑动，此时置于欠驱动末端执行器指第一指节处的触滑觉传感器检测到滑觉信号并控制欠驱动末端执行器继续内握，欠驱动末端系统增加夹紧力直至指物间无相对滑动，握物稳定，握物过程结束，完成包络抓取过程。
精确捏取工作过程：电机12驱动丝杠正转，丝杠带动移动板向上运动，移动板12带动移动推杆11向上移动，耦合连杆跟随运动，驱动第一指节1、第二指节2和第三指节3平动接近物体，电机继续正转，第一指1、第二指节2和第三指节3继续运动，最后第一指节1与物体接触，当指物接触后，PVDF触觉传感器发出己接触信号，电荷放大器将电荷信号转换为电压并放大，然后须进行低通滤波。输出信号中有明显的工频干扰，再增加一级50Hz的陷波滤波器，对滤波信号进行放大和模数转化，将信号传给控制器，控制器识别信号，欠驱动末端执行器停止内握开始下一个动作。在欠驱动末端执行器提起物体时若指物之间的接触力能确保提起物体，则指物之间无相对滑动，PVDF触滑觉传感器无滑觉信号，此时欠驱动末端握物过程结束；若此时指物之间接触力不够大，指物间必有相对滑动，此时置于欠驱动末端执行器指第一指节处的触滑觉传感器检测到滑觉信号并控制欠驱动末端执行器继续内握，欠驱动末端系统增加夹紧力直至指物间无相对滑动，握物稳定，握物过程结束，完成精确捏取过程。
Claims (5)
1.一种具有感觉的多指欠驱动末端执行器，包括三只结构相同的手指、底座和手掌部分；每个手指部分的第一指节（1）与第二指节（2）铰接，第二指节（2）与第三指节（3）铰接，第三指节（3）与手指转台（4）铰接；底座部分的电机（14）经联轴器、丝杠带动移动板（5）作上下移动；手掌部分的手掌上连接板和手掌下连接板之间通过销同轴连接；三个手指的第三指节与所述移动板（5）分别通过耦合杆（11）连接，三个手指的第三指节与手掌通过手指转台（4）转动连接，底座与手掌通过圆柱导轨连接；其特征在于：每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，所述电机（14）通过差分机构驱动三个手指的开合，第一指节、第二指节及第三指节内侧均设置集成触觉和滑动觉一体的滑触觉传感器，力反馈电路的输入端与滑触觉传感器连接，力反馈电路的输出端经控制器与电机连接，电机中的霍尔传感器与控制器组成反馈电路，实现电机转速的控制。
2.根据权利要求1所述的具有感觉的多指欠驱动末端执行器，其特征在于：所述每个手指的三指节之间集成欠驱动机构，它均由精确捏取机构和包络抓取机构组成；
精确捏取机构，由第一指节回转杆（16）、一二指节耦合回转杆（23）、中间平行杆（19）、第二指节（2）、二三指节耦合回转杆（25）、第三指节回转杆（26）、第三指节（3）构成两套平行四边形连杆机构，设置在三个指节之间，第二指节（2）的一端与第一指节回转杆（16）的一端通过第一关节（22）铰接，第一指节回转杆（16）的另一端与一二指节耦合回转杆（23）的一端铰接，一二指节耦合回转杆（23）的另一端与中间平行杆（19）中间孔铰接，中间平行杆（19）内侧孔与第二指节（2）的另一端通过第二关节（24）铰接，中间平行杆（19）外侧孔与二三指节耦合回转杆（25）的一端铰接，二三指节耦合回转杆（25）的另一端与第三指节回转杆（26）的一端铰接，第三指节回转杆（26）的另一端与第三指节（3）的一端通过第三关节（27）铰接；
包络抓取机构，由第一指节（1）、一二指节耦合驱动杆（17）、三角形驱动杆（18）、第二指节（2）、二三指节耦合驱动杆（20）、第三指节驱动杆（21）、第三指节（3）构成两套四连杆机构，设置三个指节之间，第一指节（1）与第二指节（2）的一端通过第一关节（22）铰接，第一指节（1）与一二指节耦合驱动杆（17）的一端铰接，一二指节耦合驱动杆（17）的另一端与三角形驱动杆（18）外侧孔铰接，三角形驱动杆（18）内侧孔与第二指节（2）的另一端通过第二关节（24）铰接，三角形驱动杆（18）中间孔与二三指节耦合驱动杆（20）的一端铰接，二三指节耦合驱动杆（20）的另一端铰接与第三指节驱动杆（21）的一端铰接，第三指节驱动杆（21）的另一端与第三指节（3）通过第三关节（27）铰接。
3.根据权利要求1所述的具有感觉的多指欠驱动末端执行器，其特征在与：电机（14）安装在手掌正下方，电机驱动固定在移动板（5）上的滑块（31），每个耦合杆（11）与两个正交铰链（15）的一端铰接，两个正交铰链（15）的另一端与移动板（5）铰接，移动板上下移动驱动三只手指开合。
4.根据权利要求1所述的具有感觉的多指欠驱动末端执行器，其特征在于：所述的力反馈电路包括电荷转换电路、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路、A/D采样电路；PVDF压电传感器的信号经电荷转换电路、低通滤波电路、工频陷波电路、增益调节电路和A/D采样电路后与控制器输入端连接。
5.根据权利要求4所述的具有感觉的多指欠驱动末端执行器，其特征在于：所述的PVDF压电传感器，包括由PVDF薄膜（30）和贴在PVDF薄膜两侧的铜片（29）组成的PVDF压电传感器，引出正负电极，PVDF压电传感器两面分别粘有绝缘橡胶表皮保护层（28），具有平面的绝缘橡胶表皮保护层贴在各指节表面，具有锯齿形的绝缘橡胶表皮保护层朝向抓取物。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111221 |