CN1052445A - 三感觉机械手 - Google Patents

Abstract

一种三感觉机械手，是具有接近觉、接触觉及滑 动觉的初级智能机械手。接触觉与滑动觉是一体的， 是采用聚偏氟乙烯作敏感材料制成的；接近觉是由红 外发射器、红外探测器及相应的信号处理电路组成， 被嵌装在接触觉与滑动觉传感器中间，组合成一个整 体。这种机械手能自适应地对物体进行软接触和软 抓取，并能以最小的夹紧力稳定地抓取能承受的重 物，还能用于抓取易碎易爆物品及安装在深海、航天 等作业的机器人上。

Description

本发明是一种机械手，特别是一种带传感器的机械手。

机械手一般都是由传动部分、手爪、驱动电路和控制器构成。机械手按其手瓜结构可分为双指型及多指型机械手，而手指又有单关节和多关节之分。无论哪种机械手，它们都是以抓取具有一定形状的物体为目的的。现有的一般作业用机械手是不带传感器、或只带一些起安全作用的传感器，这类机械手被称作无感觉非柔性机械手。这种机械手的手爪在作业过程中，可能产生以下情况：硬接触、硬爪取，要造成碰撞和冲击，对定位不准的物体更是如此;例如，抓取易碎、易爆物体，可能造成不可挽回的损失。它不能进行软接触和软抓取，即不能以最小的夹紧力抓取物体，故此使用范围受到了一定的限制。有些机械手尽管也带有传感器，但它们往往只作一些特殊用途：如焊接机械手带有轮廓跟踪传感器;装配机械手带有力传感器等。

本发明的目的是提供一种具有接近觉、接触觉、滑动觉的智能机械手，从而对物体能进行软接触及软抓取。

本发明的实质在于手爪的构成是由电机驱动的蜗杆，并在与其相匹配的两个扇形蜗轮上，各连接一根以蜗杆为对称轴的连杆一端，这两根连杆的另一端分别连接一个设置接近觉传感器、接触觉传感器、滑动觉传感器于指壳座上的手指;罩于蜗杆及两个扇形蜗轮外围的、它的上面与电机一样固连在法兰盘上的手爪体，手爪体与两个手指之间各连接一根在上述连杆外侧的、并且以蜗杆为对称轴的连杆所组成。这样通过两组连杆、两个扇形蜗轮及手爪体一起，构成以蜗轮为对称轴的成活动连接的两个四边形。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是传动臂及手爪的局部剖视结构示意图。

图2是本发明的原理方框图。

图3是接近觉、接触觉、滑动觉三感觉组合一体的剖视结构图。

图4是红外发射器的剖视结构图（红外探测器的剖视结构与此图相同）。

图5是接近觉传感器信号处理电路的一种电路实例。

图6是表皮保护层的几种形状。

参照图1，传动臂18由步进电机1带动丝杠螺母传动副，经直杆3与手爪19的法兰盘4是固定连接，转动时，带动直杆3、法兰盘4（即带动整个手爪19）运动。整个传动臂罩在外壳2中。手爪19以电机5驱动蜗杆7，电机5固定在手爪19内。在两个与蜗杆7相匹配的扇形蜗轮8、17上，各连接一根以蜗杆7为对称轴的连杆10、15的一端，这两根连杆10、15的另一端分别连接一个设置接近觉传感器、接触觉传感器、滑动觉传感器于指壳座12、14上的手指。罩于蜗杆7及扇形蜗轮8、17外围的、而它的上面固定连接在法兰盘4上的手爪体6，手爪体6与两个手指之间各连接一根在连杆10、15外侧的，并以蜗杆7为对称轴的连杆9、16所组成。以蜗杆7为对称轴分于两侧的连杆10、9，15、16，各自平行且相等，构成为轴对称的两端都成铰链连接的两个平行四边形。两个手指是由两个具有三感觉传感器13和指壳座12、14组成。弹簧11作为消除蜗杆7传动回差用。

参照图1、图2，机械手的工作过程如下：手爪19在电机5驱动下，手指张开至设定范围，信号处理电路20输入手爪19的接近觉传感器调制信号，手爪19由传动臂18移动到被抓物所在位置，手指先以快速度夹向物体，当接近觉传感器感知接近物体（最大接近距离15毫米）时，抓取动作减速，直到手指接触到物体表面。接触物体表面的信号由接触觉传感器感知，并送入信号处理电路20，微处理器21接收到该信号后控制驱动电路31，给手爪19一个预夹紧力，然后开始作抓取作业。若作业中物体与手指间产生相对滑动，滑觉信号同样经信号处理电路20送到微处理器21，由微处理器21控制驱动电路31增加对物体的夹紧力，这一过程持续到手爪19能稳定地抓取物体为止。

接触觉传感器和滑动觉传感器的实质在于使用高分子压电材料聚偏氟乙烯（PVDF）作为敏感材料，它的压电电压常数很高，故很灵敏，很适合作动态检测。整个组合后的三感觉传感器13的结构如图3所示。接触觉传感器和滑动觉传感器，都是由复盖在用来充实金属壳底座26内腔的绝缘橡胶基底25表面的聚偏氟乙烯膜24（其二面是有银膜的）;其上侧面一个电极是铜箔23，用导电胶使铜箔23与聚偏氟乙烯膜24的上表面银膜和金属外壳底座26粘接牢，作接地端;另一个电极则是穿过金属外壳底座26及绝缘橡胶基底25，与聚偏氟乙烯膜24的下表面银膜中间相连的导电胶29与信号处理电路相连;和最上面的绝缘橡胶表皮保护层22所构成。表皮保护层22起到保护聚偏氟乙烯膜24及传递力的作用。接近觉传感器是由红外发射器27、红外探测器30及其信号处理电路构成。接触觉传感器和滑动觉传感器是同一个传感器，它们只是在输出信号上抽取不同的特征值、作为接触觉或滑动觉的判据，所以可称其为接触觉滑动觉传感器。接近觉传感器的红外发射器27、红外探测器30穿透在金属外壳底座26、绝缘橡胶基底25、聚偏氟乙烯膜24及绝缘橡胶表皮保护层22的中间，它们的头都在表皮保护层22中间的孔洞处，与接触觉滑动觉传感器组合成一个整体，成为三感觉传感器13。三感觉传感器13相互协调，完成手爪19对物体抓取过程的软接触及软抓取。接近觉传感器既可用反射光强法，也可用相移法来测量它与被抓取物体接近的距离。红外发射器27、红外探测器30及接触觉滑动觉传感器都与信号处理电路20相连接。当物体接近该传感器表皮保护层22时，接近觉红外探测器30接收到信号，输入到信号处理电路20，使手爪19抓取速度减慢，成为软接触。当物体接触表皮保护层22时，接触压力即通过表皮保护层22、传至聚偏氟乙烯膜24产生接触信号，就输入信号处理电路20。滑动觉信号的产生是简接的：当物体与手指表面的表皮保护层22之间产生相对滑动时，表皮保护层22要产生微振动，所以滑动觉信号就是该微振动经聚偏氟乙烯膜24产生的微振动信号，输入信号处理电路20。为更好的传递接触压力和感知这一滑动信号，对传感器表皮保护层22的结构形状是有一定要求的。图6是几种实施例，其中图6a是圆台形点阵状，图6b是三角形齿圆弧状，这两种形状的表皮保护层22能全方位感知滑动现象;图6c是三角形齿直纹状，这种表皮保护层22只能在垂直于该齿纹的方向上感知滑动现象。接近觉、接触觉及滑动觉信号由低噪声电缆线28输入信号处理电路20。

接近觉传感器的红外发射器27与红外探测器30，其结构十分类似。红外发射器27是将红外发光二极管32，用环氧树脂35封装在形如铆钉状的金属壳体33内，如图4所示，其电极引出线是φ2毫米的低噪声电缆线28，在红外发光二极管32的前面是和金属壳体33内侧是红外滤光片34。红外探测器30与红外发射器27不同之处，只是红外探测器30用的是硅光敏三极管，而红外发射器27用的是红外发光二极管32，其余结构完全相同。

图5给出了接近觉传感器的信号处理电路的一种电路实例，为反射光强法测距电路。方波信号由NE555产生，输出信号一路送解调电路，另一路则通过两个反向器，分别控制开关管G₁、G₂的导通和截止。这样，接在开关管G₂集电极上的红外发射器27，就断续发出红外信号。它的发射功率则由运算放大器A₁组成的反馈电路进行控制，R₇是调节电位器。运算放大器A₂及电阻R₁₀、R₁₁构成红外探测器30的信号取出及初级放大电路，C₂为耦合电容。运算放大器A₃、A₄，场效应管G₄及三极管G₅构成解调及放大电路，C₃为滤波电容。解调电路的工作过程如下：首先，运算放大器A₃对耦合电容C₂输出信号反向并放大一倍，由场效应管G₄对一负值信号实施截止。这样处理的信号再与耦合电容C₂处的信号组成加法器，便恢复了方波信号的线性值，体现红外探测器30所接收到的光的强弱。该恢复信号再经滤波电容C₃滤波后，就获得较为满意的输出信号，可直接接入与微处理器相连的A/D转换器，进行控制算法运算。

信号处理及控制算法用的微处理器，可以是单板机或单片机，这由系统所需的计算量及要求的速度来决定。控制驱动步进电机的脉冲信号由PIO输出，运行频率则由CTC中断加以保证。

本实用新型提供的机械手，由于拥有接近觉、接触觉和滑动觉这三种感觉，所以它能自适应地对物体进行软接触、软抓取，能够以最小的夹紧力稳定地抓取物体。它能成功地抓取能承受的重物，又能抓取轻至1.5克的空火柴盒（无明显变形），还能抓取易破碎的鸡蛋、玻璃瓶等。它可被安装在特殊作业的机械设备及深海、航天等未知作业场合使用的机器人上。

Claims (7)

1、一种三感觉机械手，由传动臂[18]、具有电机[5]的手爪[19]、信号处理电路[20]、微处理器[21]和驱动电路[31]构成，其特征在于所述的手爪[19]是由电机[5]驱动的蜗杆[7]，与其相匹配的两个扇形蜗轮[8、17]上，各连接一根以蜗杆[7]为对称轴的连杆[10、15]，它们的另一端分别连接一个设置接近觉传感器、接触觉传感器、滑动觉传感器于指壳座上的手指，罩于蜗杆[7]及扇形蜗轮[8、17]外围的、上面固连在法兰盘[4]上的手爪体[6]，与两个手指之间各连接一根在连杆[10、15]外侧的、以蜗杆为对称轴的连杆[9、16]所组成。

2、根据权利要求1所述的三感觉机械手，其特征在于接触觉传感器、滑动觉传感器，都是由复盖在用来充实金属壳底座〔26〕内腔的绝缘橡胶基底〔25〕表面的聚偏氟乙烯膜〔24〕，其上面一个电极是和金属外壳底座〔26〕相连的铜箔〔23〕，另一个电极是穿过金属外壳底座〔26〕及绝缘橡胶基底〔25〕与聚偏氟乙烯膜〔24〕中间相连的导电胶〔29〕，和最上面的绝缘橡胶表皮保护层〔22〕所构成。

3、根据权利要求1或2所述的三感觉机械手，其特征在于接触觉传感器和滑动觉传感器是一个传感器。

4、根据权利要求1所述的三感觉机械手，其特征在于接近觉传感器是由红外发射器〔27〕、红外探测器〔30〕及其信号处理电路构成。

5、根据权利要求4所述的三感觉机械手，其特征在于红外发射器〔27〕、红外探测器〔30〕穿透在金属外壳底座〔26〕、绝缘橡胶基底〔25〕、聚偏氟乙烯膜〔24〕及绝缘橡胶表皮保护层〔22〕的中间。

6、根据权利要求2或5所述的三感觉机械手，其特征在于绝缘橡胶表皮保护层〔22〕的外表形状是圆台形点阵状，也可以是三角形齿圆弧状或者是三角形齿直纹状。

7、根据权利要求1所述的三感觉机械手，其特征在于连杆〔10、9，15、16〕以蜗杆〔7〕为对称轴分于两侧各自平行且相等。

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