CN102294692B

CN102294692B - 一种机械手

Info

Publication number: CN102294692B
Application number: CN201110211621.0A
Authority: CN
Inventors: 潘明强; 陈立国; 陈涛; 孙立宁; 王振华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: CN102294692A

Abstract

本发明是一种机械手，包括：机械臂、吸附头、弹性压片、力杠杆和接触开关。与吸附头联动的弹性压片给吸附头提供一个竖直方向下的弹力，与吸附头联动的力杠杆来触发接触开关。通过控制弹性压片的形变量和吸附头与力杠杆间隙之间的关系，达到控制吸附头与目标器件之间的接触力的目的。同时，通过在吸附头上开设透光通孔，利用该透光通孔达到判断器件位姿的目的。

Description

一种机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其是一种用来对MEMS器件进行操作的机械手。

背景技术

对器件的拾取、搬运、放置等操作是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems;MEMS)器件装配、封装、组装、密封等过程中的基本环节。机械手与器件接触力的控制和对器件位姿判断一直是对MEMS器件操作过程中的关键点，直接影响器件操作的效果和效率。为此，便捷可靠的接触力控制和位姿判断方法一直是MEMS器件操作手的研究热点。

现有的一种控制机械手与器件的接触力的方法，是在机械手上安装一套复杂的压力传感器以及控制系统，这种压力传感器可以实时检测出机械手与目标器件上的接触力大小，并且通过电信号通知控制系统对机械手进行控制操作。然而这套系统不仅需要昂亏的传感器设施，同时由于对力的检测本身就是属于精密操作，所以增加了将传感器以及控制系统集成到机械手上的难度。

另外，在机械手对目标器件进行拾取和放置的过程中，需要对目标器件的位姿进行判断。请参见图1，图1是一种现有的机械手位姿判断装置示意图。如图所示，现有的判断手段是通过一套外加的影像获取系统10，在机械手11对目标器件12进行操作的过程中，对目标器件11进行实时观测，从而得到其位姿信息。然而这种外加的影像获取系统10，在一些机械手需要做频繁移动的操作中，经常会由于复杂的操作轨迹而无法和机械手保持同步移动，因此其获得的位姿信息也没有办法保持实时精确的传递给控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种机械手，该机械手可以通过简单有效而且成本低廉的控制装置获得一种精确控制机械手与目标器件之间的接触力的办法。同时，本发明的另一目的在于提供一种具有位姿观测装置的机械手，该观测装置不仅可以实时准确的为操作人员提供目标器件的位姿判断信息，而且还能始终与机械手保持同步移动。

根据本发明的第一目的提供的一种机械手，包括：机械臂、吸附头、弹性压片、力杠杆和接触开关，其中：所述吸附头在竖直方向上能动地设置于机械臂的一端；所述弹性压片一端固定于机械臂上，另一端自由压接于吸附头上，为所述吸附头在竖直方向提供弹力；所述力杠杆通过一支点连接于机械臂上，其第一端与吸附头形成联动关系，第二端置于所述接触开关的上方；当所述吸附头在竖直方向上移动，并使所述弹性压片产生的弹力达到预设值时，所述力杠杆在该吸附头的带动下，其第二端移动并触发接触开关。

可选的，该机械手进一步包括气路装置和气路接口，所述气路装置设置于机械臂上，所述气路结构连接该气路装置和所述吸附头。

可选的，所述吸附头设有至少一个吸附孔，该吸附孔连通于气路装置。

可选的，所述力杠杆上设有支点母孔，所述机械臂上设有支点子孔，通过一插销串连该支点子母孔形成所述力杠杆的支点。

可选的，所述力杠杆上设有多个所述支点母孔，该多个支点母孔在水平方向上一字排开，所述机械臂上设有多个与所述支点母孔对应的支点子孔，所述插销串联该不同的支点子、母孔以形成位置不同的所述支点。

可选的，所述力杠杆上设有多个所述支点母孔，该多个支点母孔在竖直方向上一字排开，所述机械臂上设有多个与所述支点母孔对应的支点子孔，所述插销串联该不同的支点子、母孔以形成位置不同的所述支点。

可选的，所述接触开关为光敏式接触开关、压敏式接触开关或者电阻式接触开关。

根据本发明的另一目的提供的一种机械手，在所述吸附头上设有透光通孔。

可选的，所述透光通孔内部或者上方设有放大透镜或者影像摄取装置。

可选的，所述透光通孔中还设有对吸附头下方进行照明的微型光源。。

上述的机械手，通过一块与吸附头联动的弹性压片提供给吸附头一个竖直方向上的弹力，再通过一个与吸附头联动的力杠杆，来触发接触开关，从而有效的控制吸附头的移动距离，即控制弹性压片的形变程度，达到控制吸附头与目标器件之间的接触力的目的。另外，通过在吸附头上开设透光通孔，利用该透光通孔达到判断器件位姿的目的。

与现有的技术相比，本发明的机械手具有如下优点：第一，控制接触力的手段比较简单，仅需要弹性压片、力杠杆和一个接触开关就能实现，在保证达到精确控制的同时，大大降低了机械手的成本。第二，在吸附头上直接开设透光通孔，通过该透光通孔判断器件位姿，无需外加的检测装置和控制装置，既操作简单，又方便有效，可以保证吸附头在进行复杂操作情况下的同步判断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种现有的机械手位姿判断装置示意图；

图2是本发明的机械手的正视图；

图3是图2中AA方向的剖视图；

图4和图5为两种不同实施方式的调节结构的力杠杆结构；

图6是本发明的吸附头的吸附面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

请一并参见图2和图3，图2是本发明的机械手的正视图，图3是图2中AA方向的剖视图。如图所示，该机械手100包括：机械臂110、吸附头120、弹性压片130、力杠杆140和接触开关150。其中：所述吸附头120设置在机械臂110的一端，该吸附头120与机械臂110的连接处，设有导轨或气缸，使得吸附头120能够在竖直方向上做上下移动。进一步的，该吸附头120通过气路接头121，与设置在机械臂110臂身上的气路122联通起来。该气路122能够形成负压，使吸附头120接触到目标器件后，可以吸住目标器件，从而对目标器件进行拾取、搬运、安装、放置等操作。所述气路接头121通常铰接在吸附头110的上部，并与吸附头110形成一个整体，铰接处需要较高的气密性，保证在吸附目标器件的过程中不会因为漏气而掉落。吸附头120的吸附面上设有至少一个的吸附孔123，该吸附孔123通过吸附头120中的吸附气道(图中未示出)连通到气路122，使气路122形成的负压能够在吸附面上形成吸附力。

弹性压片130的一端通过铆接、焊接等方式固定在机械臂110上，另外一端则自由压接于吸附头120上。当吸附头120做上下移动时，该弹性压片130提供给吸附头120一个竖直方向上的弹力。该竖直方向上的弹力可以是向下的压力，也可以是向上的拉力，视不同的运用场合而定。通常来说，对于固定厚度、固定材质的弹性压片，其获得的弹力大小与其发生形变大小有关。因此只要知道弹性压片130随吸附头120运动时发生的形变大小，就可以知道此时弹性压片130作用在吸附头120上的弹力大小。

力杠杆140为弓形杠杆，其杆身上设有支点母孔，在机械臂110上设有对应的支点子孔，通过一插销串接该支点子母孔形成力杠杆的支点143。力杠杆140通过该支点143连接在机械臂110上，并可绕该支点143转动。该杠杆140的第一端141与吸附头120形成联动关系，即当吸附头120做上下运动时，所述第一端141也与吸附头120一起做上下运动。具体地，该第一端141浮置于吸附头120的一个台阶结构上，这种浮置方式即可以是固定在一起，也可以相隔一定的空间。该力杠杆140的第二端142设置在接触开关150的上方，当第一端141被吸附头120带动向上移动时，该第二端142则向下移动，并接触到接触开关150上，以此触发该接触开关150，从而使接触开关150能够发出操作信号。

所述接触开关150可以为光敏式接触开关、压敏式接触开关或者电阻式接触开关中的一种。该接触开关150底下设有多个引线接头151，该多个引线接头151连接外部的控制系统(图中未示出)，从而使接触式开关150可以对该控制系统输出或接受信号数据。

下面，将介绍本发明是如何通过上述的弹性压片130、力杠杆140以及接触开关150来实现对机械手100的接触力控制。

如前文中所述，该弹性压片130所提供的弹力是根据该弹性压片130的形变而来的。而吸附头120在拾取目标器件的时候，与目标器件之间的接触力由该弹性压片130提供。因此只要控制好弹性压片130的形变程度，就能使吸附头120在接触目标器件时产生的接触力得到有效的控制。下面以机械手100拾取一个目标器件的操作为例来说明该控制过程。譬如该目标器件所能承受的压力为100N，如果超过该器件所能承受的压力，很有可能损害该器件。因此应当设定弹性压片130所提供的弹性压力不能超过100N。此时，根据弹力计算出弹性压片130所能发生的形变，该形变决定了吸附头120向上移动的位移量，即吸附头120在与目标器件接触挤压时，向上移动的最大位移不能超过上述的位移量。为此，为了控制该位移量，力杠杆140的第一端141在随吸附头120向上移动到该位移量时，第二端142恰好能接触到接触开关150，触发该接触开关150发出停止机械臂移动的指令，完成吸附头120与目标器件之间的接触动作，开始下一步操作。具体地，当机械臂110移动到目标器件上方，准备拾取该目标器件时，吸附头120首先开始与该目标器件发生接触，并受挤压向上移动。此时带动弹性压片130以及力杠杆140的第一端141一起向上移动。弹性压片130的移动使其对吸附头120提供一个向下的压力，该向下压力同时作用到目标器件上。为了保护该目标器件不被压坏，该压力应该小于一预设值。当吸附头120在向上移动到一定的距离，使弹性压片130产生的压力达到该预设值时，力杠杆140的第二端正好移动到该接触开关150上，从而触发该接触开关150发出停止机械臂移动的指令，即整个接触动作完成，开始下一步动作。

进一步的，针对不同的目标器件，可以接受的压力也是不一样的，这就要求力杠杆140可以具有调节其第二端142与接触开关150接触所需要的位移量的能力。请参见图4和图5，图4和图5为两种不同实施方式的调节结构的力杠杆结构。在图4中，力杠杆140’具有多个水平方向支点母孔144’，该多个支点母孔144’呈一字排开。在机械臂110上设有多个与上述支点母孔144’对应的支点子孔。当插销穿插不同的子、母孔时，形成的支点位置也不一样。而不同位置的支点，决定了力杠杆的第一端到支点的半径和第二端到支点的半径之间的比值，从而决定了使第二端接触到接触开关所需要的第一端的移动距离。如果目标器件所能承受的压力比较小，即吸附头能够带动弹性压片发生的形变比较小，则选择比较靠近第一端的支点母孔作为支点，这样一来，吸附头向上移动一段很小的距离，力杠杆第二段就会向下移动一段很大的距离，从而尽快的接触到接触开关；如果目标器件所能承受的压力比较大，即吸附头能够带动弹性压片发生的形变比较大，则选择比较靠近第二端的支点母孔作为支点，这样一来，吸附头向上移动一段很大的距离，力杠杆第二段才会向下移动一段很小的距离，从而较晚的接触到接触开关。以此方式来调节吸附头与目标器件之间的接触力大小。

在图5中，力杠杆140”具有多个竖直方向支点母孔144”，该多个支点母孔144”呈一字排开。在机械臂110上设有多个与上述支点母孔144”对应的支点子孔。当插销穿插不同的子、母孔时，形成的支点位置也不一样。而不同位置的支点，决定了力杠杆140”的第一端浮置在吸附头台阶结构上的间隔距离，从而决定了吸附头向上带动该力杠杆第一端所需要的距离。如果目标器件所能承受的压力比较小，即吸附头能够带动弹性压片发生的形变比较小，则选择比较靠近上方的支点母孔作为支点，使力杠杆的第一端比较靠近吸附头的台阶结构，这样一来，吸附头向上移动一段很小的距离，就能带动力杠杆的第二端向下转动，从而比较早的接触到接触开关；如果目标器件所能承受的压力比较大，即吸附头能够带动弹性压片发生的形变比较大，则选择比较靠近下方的支点母孔作为支点，使力杠杆的第一端比较远离吸附头的台阶结构，这样一来，吸附头需要向上移动一段很大的距离，才能带动力杠杆的第二端向下转动，从而比较迟的接触到接触开关。以此方式来调节吸附头与目标器件之间的接触力大小。

下面，再介绍本发明的机械手如何对目标器件进行位姿判断。请参见图6，图6是本发明的吸附头的吸附面示意图。在该吸附头吸附面124上，除了分布至少一个的吸附孔123以外，还设有一个透光通孔125，该透光通孔125穿透整个吸附头以及气路接头121。操作人员只需由吸附头的上方观察，就能通过该透光通孔125看到吸附头下方的情况。因此在进行诸如拾取或放置目标器件的操作时，能够提供最直接的位姿观察方式，并且由于该透光通孔125直接设置在吸附头上，因此没有额外的控制系统就能实现同步观察。

进一步的，在该透光通孔125内部或者上方可以设置放大透镜，使观察到的目标器件更加清晰。

进一步的，也可以在该透光通孔125内部或者上方设置影像摄取装置，比如CCD等，通过获取影像信息来判断器件的位姿情况。

进一步的，还可以在透光通孔中再设置一个微型光源126，可以对吸附头下方进行照明，有利于操作人员观察。

综上所述，本发明的机械手，通过一块与吸附头联动的弹性压片提供给吸附头一个竖直方向上的弹力，再通过一个与吸附头联动的力杠杆，来触发接触开关，从而有效的控制吸附头的移动距离，即控制弹性压片的形变程度，达到控制吸附头与目标器件之间的接触力的目的。另外，通过在吸附头上开设透光通孔，利用该透光通孔达到判断器件位姿的目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种机械手，其特征在于包括：机械臂、吸附头、弹性压片、力杠杆和接触开关，其中：所述吸附头在竖直方向上能动地设置于机械臂的一端；所述弹性压片一端固定于机械臂上，另一端自由压接于吸附头上，为所述吸附头在竖直方向提供弹力；所述力杠杆通过一支点连接于机械臂上，其第一端与吸附头形成联动关系，第二端置于所述接触开关的上方；当所述吸附头在竖直方向上移动，并使所述弹性压片产生的弹力达到预设值时，所述力杠杆在该吸附头的带动下，其第二端移动并触发接触开关。

2.如权利要求1所述的机械手，其特征在于：进一步包括气路和气路接头，所述气路设置于机械臂上，所述气路接头连接该气路和所述吸附头。

3.如权利要求2所述的机械手，其特征在于：所述吸附头设有至少一个吸附孔，该吸附孔连通于气路。

4.如权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述力杠杆上设有支点母孔，所述机械臂上设有支点子孔，通过一插销串连该支点子母孔形成所述力杠杆的支点。

5.如权利要求4所述的机械手，其特征在于：所述力杠杆上设有多个所述支点母孔，该多个支点母孔在水平方向上一字排开，所述机械臂上设有多个与所述支点母孔对应的支点子孔，所述插销串联该不同的支点子、母孔以形成位置不同的所述支点。

6.如权利要求4所述的机械手，其特征在于：所述力杠杆上设有多个所述支点母孔，该多个支点母孔在竖直方向上一字排开，所述机械臂上设有多个与所述支点母孔对应的支点子孔，所述插销串联该不同的支点子、母孔以形成位置不同的所述支点。

7.如权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述接触开关为光敏式接触开关、压敏式接触开关或者电阻式接触开关。

8.如权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述吸附头上设有透光通孔。

9.如权利要求8所述的机械手，其特征在于：所述透光通孔内部或者上方设有放大透镜或者影像摄取装置。

10.如权利要求8所述的机械手，其特征在于：所述透光通孔中还设有对吸附头下方进行照明的微型光源。