CN106671122B - 一种具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有距离、压力传感器和堵转保护功能的物体夹持器，属于机器人操作技术领域。包括：主控盒、压力传感器、距离传感器、堵转保护电路、带防滑功能的橡胶和摄像头。在抓取物体的时候，摄像头会识别物体种类，同时距离传感器会检测被抓物体的是否在可抓取范围之内，同时提供可抓取信号。当物体被抓取时会挤压压力传感器，发出相应的已抓取信号。当物体被抓取但没有挤压压力传感器时，堵转保护会检测电机是否处于堵转状态，若处于堵转状态会自我调节到正常状态，并通过通信接口提供抓取稳定的信号。本发明设计的物体夹持器，设计精巧简单，可靠性高，能有效的保证电机的寿命，同时能减少由于机器误操作造成的损失。

Description

一种具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器

技术领域

本发明涉及一种具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器，属于机器人操作技术领域。

背景技术

在工业操作和抓取中，为了避免对操作物体造成损坏，对于物体的形态和受力可能会有很多的精细的要求。常规的物体加持器一般无距离传感器，会导致当物体的高度不一的时候，夹持器终端无法方便的调节加持位置。而且没有压力传感器的它们，对于比较易碎和易损坏的物体来说，具有较大的破坏性。同时，由于电机没有堵转保护，导致它们抓到物体后一直处于堵转状态，在此状态下可能产生极大的电流，长时间处于此状态下会减少夹持器的寿命，严重时甚至会损坏夹持器，造成较大的损失。同时，夹持器还附有高清摄像头，可以传输实时数据，以便检测物体分类。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器，通过高清摄像头来分辨物体类别，同时获取夹持器末端的距离传感器、压力传感器和堵转保护的数据，通过分析和处理其数据，产生一种夹持器自我保护的反馈机制。

本发明提出的具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器，包括左爪、右爪、主控盒、主控板、距离传感器、摄像头、电机和通信接口板；所述的主控盒带有U形盒盖，U形盒盖通过盒盖固定孔固定在主控盒上；所述的左爪和右爪设于主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上，左爪内侧面和右爪内侧面分别加工有防滑槽，左爪的下端部通过左爪转动销置于主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上，右爪的下端部通过右爪和电机连接轴与置于主控盒的U形盒盖内的电机输出轴联动，左爪下端部和右爪下端部各设有联动齿轮，左爪下端部的联动齿轮与右爪下端部的联动齿轮相互啮合；所述的左爪上端部和右爪上端部分别设有爪尖、压力传感器和防滑橡胶垫，压力传感器和防滑橡胶垫依次叠压在爪尖表面；距离传感器的红外线发射管和距离传感器的红外线接收管固定在主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上；所述的主控板和通信接口板通过螺钉、螺母叠装在主控盒的U形盒盖的底部后置于主控盒内，主控板上集成有距离传感器电路、堵转保护电路和压力检测电路。

本发明提出的具有距离、压力检测和堵转保护的物体夹持器，其优点是：可以实现压力感知、抓取物体的距离检测、堵转保护等功能，同时可通过视频信号对所加物体进行分类。本发明的传感器可以应用于机器人上的夹持器，以及其他复杂环境场景下的精密抓取。与现在通用的无传感器和反馈的夹持器相比，本发明的物体夹持器能对夹取的物体进行分类，同时对物体夹取状态进行监测，使得物体被抓取之后夹持器会对此时状态进行反馈，使抓取的过程更为准确可靠。此外，由于夹取到物体之后，电机会堵转，具有堵转保护功能，因此能对电机进行一定保护，延长电机使用寿命。

附图说明

图1是本发明提出的具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器的结构示意图。

图2是图1所示的电机夹持器中主控盒的结构示意图。

图3是本发明的电机夹持器的工作原理示意图。

1是防滑橡胶垫，2是压力传感器，3是爪尖，4是固定螺丝，5是左爪，6是盒盖侧板，7是主控盒，8是盒盖固定孔，9是右爪和电机连接轴，10为右爪，11为联动齿轮，12为距离传感器的红外线发射管和距离传感器的红外线接收管，13是左爪转动销，14是防滑槽，15为摄像头固定孔，16是摄像头，17是电机，18是电机输出轴，19是外设备连接孔，20是螺母，21是主控板，22是通信接口板，23是螺钉。

具体实施方式

本发明提出的具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器，其结构示意图如图1所示，包括左爪5、右爪10、主控盒7、主控板21、距离传感器、摄像头16、电机17和通信接口板22。主控盒7带有U形盒盖，U形盒盖通过盒盖固定孔8固定在主控盒7上。左爪5和右爪10设于主控盒7U形盒盖的盒盖侧板6上，左爪5内侧面和右爪10内侧面分别加工有防滑槽14，左爪5的下端部通过左爪转动销13置于主控盒的U形盒盖的盒盖侧板6上，右爪10的下端部通过右爪和电机连接轴9与置于主控盒的U形盒盖内的电机17输出轴联动，左爪5下端部和右爪10下端部各设有联动齿轮11，左爪下端部的联动齿轮与右爪下端部的联动齿轮相互啮合。左爪5上端部和右爪10上端部分别设有爪尖3、压力传感器2和防滑橡胶垫1，爪尖3通过固定螺丝4固定在爪的上端部，压力传感器2和防滑橡胶垫1依次叠压在爪尖3表面。距离传感器的红外线发射管和距离传感器的红外线接收管12固定在主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上。主控板21和通信接口板22通过螺钉23、螺母20叠装在主控盒的U形盒盖的底部后置于主控盒7内，如图2所示。主控板21上集成有距离传感器电路、堵转保护电路和压力检测电路。

本发明的物体夹持器中所用的电机17，为传统的舵机类型。所述的压力传感器电路为一个通用的模数转换电路，压力反馈信号通过模数转换接口来对压力进行监测。使用的距离传感器为深圳真尚公司生产的距离传感器LDM31，主要组成器件主要包括一对红外发射接收管、和一块处理芯片以及信号传输线。当被监测物体在可监测范围内时，距离传感器的红外线接收管通过接收红外发射管的波产生一定的电压，然后处理芯片对产生的电压进行处理来计算距离，其中使用了一个可调电阻来进行调控，可使其监测范围可达到0 .2-30cm。

上述的堵转保护的实现，主要是在电机的地线上面串联了一个小电阻，通过模数转换接口对小电阻的电压的监控来控制堵转。

上述的摄像头主要固定在外壳上，使用的是1080P高清摄像头直接与通信接口板电路连接，传输数据到上位机对物体进行分类。

爪尖3的尖端有若干个凸起，左右指尖可以完美相嵌，爪尖侧面有螺孔可以用固定螺钉4和爪部分固定，左爪5的结构上面如图1中所示，防滑橡胶垫1嵌入爪上部分的槽里，压力传感器2也安装与槽内。左爪5与下面主控盒的盒盖侧板6通过圆孔用螺钉固定。盒盖侧板6与主控盒7通过盒盖固定孔8固定。右爪10与盒盖侧板6通过右爪和电机连接轴9相连接，通过电机带动右爪的齿轮11的运动来使夹持器夹紧或者松开。距离传感器的红外线发射管和距离传感器的红外线接收管12位于左爪5下端和主控盒的盒盖之间。左爪5通过左爪转动销13与盒盖侧板6相连接。防滑槽14，用来夹取时防滑。在图2中，高清摄像头16为1080P型摄像头，通过摄像头固定孔15与主控盒的U形盒盖固定。电机16为舵机类型的电机，用脉冲信号驱动。右爪10连接在电机输出轴18连接上。外设备连接孔19是夹持器与外界预留的固定孔，方便与其他物体连接。通信接口板22位于主控板上21，有四根线与主控板连接，用排针固定在主控板的上端，分别是电源、地、RX和TX。通信接口板和主控板都放在主控盒7里，用专用的螺母20和螺钉23固定。主控芯片使用模数转换接口来读压力传感器2、距离传感器的红外线接收管和堵转信号的值，使用通用输入输出接口来读取距离传感器的电平。

上述压力传感器与一个大电阻串联进行分压限流，通过模数转换接口读压力传感器的电压值来衡量压力的变化。

上述距离传感器中，使用深圳真尚公司生产的距离传感器LDM31。所述的一对红外发射、接收管部署在夹持器的底端，距离传感器的有三根线，分别是电源、地和信号，三根线与主控板连接，其中信号与主控板的通用输入输出口连接，当有物体到达可监测范围内时，信号变为高电平。

上述的堵转保护电路集成于主控板上，其技术重点在于精密电阻的选择。在本发明中，使用一个1A/0 .5Ω左右的自恢复保险丝与电机的地线串联后接上电源负极来实现。正常的电机在不堵转的情况下电路为0 .2A左右，堵转电流可达2A。对此可以设定一个电压阈值，一旦保险丝的电压大于阈值，主控芯片会减小电机驱动的运动信号，再次检测是否大于阈值，循环反复，直至电压到阈值之下即可。

本发明提出的拥有距离、压力传感器和堵转保护的电机夹持器，其中的主控盒，用于容纳和支撑夹持器的电路和传感部分，可以根据实际使用场景的要求进行定制。夹部分上端带爪尖，下端是一个带刻度的齿轮，夹子与电机通过电机输出轴用螺钉连接。其工作原理如图3所示。当夹持器处于预运行状态时，摄像头会检测所抓物体的位置，判断物体的类别，将图像信号经过通信处理进行数据传出，送给电脑进行分析处理。当夹持器处于闭合状态时，距离传感器关闭不起作用，无距离检测信号；一旦夹持器张开，距离传感器的红外线发射管发射红外线，距离传感器的红外线接收管接收红外信号当作距离检测信号，当有物体在可夹取范围内时，距离传感器的距离检测信号会变为高电平，同时会触发中央处理器的通用输入输出接口。信号经过中央处理器后，会用串口把信息通过通信处理信号后的数据传出给电脑，以供它的分析和处理。当电脑给出闭合的指令时，指令又通过通信处理信号传给中央处理器，中央处理器解析处理命令，发出脉冲信号使夹持器产生运动信号来闭合。夹持器闭合过程中会通过模数转换接口来检测压力反馈信号，一旦夹持器两边的压力传感器反馈的压力值变化并超过设定的阈值之后，中央处理器会产生相应脉冲的电机运动信号来停止夹持器的闭合并保持当前的位置。如果在过程中由于物体的形态各异，有时会导致没触发压力反馈信号，这时的堵转保护会产生作用。物体夹住堵转了之后，中央处理器会向电脑发送已经夹取到物体的信息，同时检测堵转保护信号，如果堵转保护信号的电压大于设定的阈值，会减小少许夹持器的闭合的程度，然后再检测堵转保护信号，如果还是大于阈值则继续减小，反之就保持不变。

本发明提出的拥有距离、压力传感器和堵转保护的物体夹持器，包括外壳、夹子、主控盒以及必要的结构组件，采用精细机械加工技术做成。与物体的直接接触部分是一层2cm柔软的黑色防滑橡胶，用于防滑的同时固定压力传感器，当抓取的物体受力后会挤压作用于压力传感器上，使其产生阻值变化从而改变压力传感器上的电压，由中央处理器上的模数转换接口对电压变化进行分析来判断当前状态。夹持器的闭合直接由电机带动，中央处理器产生可调的脉冲信号来驱动电机。距离传感器模块主要是用了一对红外的发射、接收管和一个距离传感器处理芯片，红外线在发射过程中如果有物体遮挡，距离传感器的红外线接收管端会产生一个电压信号，然后这个电压信号会进入距离传感器的处理芯片里面进行处理，处理的结果会通过模数转换接口连到主控板的端口进行中央处理。红外的发射、接收管固定在夹持器底端，距离传感模块除了红外发射接收管之外，其他的部分集成在主控板上，主控板放在主控盒里面。距离传感器可以通过调节上述的变阻器调节可监测范围，范围大致在0 .2-30cm左右。堵转电路也集成在主控板上，堵转保护电路的原理在于电机在堵转的时候电路会突然增大，此时监测串联在回路上的采样电阻的电压可以监测到电机是否处于堵转状态，从而产生堵转保护信号。上述采样电阻用一个使用一个1A/0 .5Ω左右的自恢复保险丝代替，自恢复保险丝阻值很小而且具有大电流会自动断开并延迟恢复的特性，保护了电机在堵转情况下的安全。上述的所有电路模块都集成在主控板上，而与上位机的通信使用了无线蓝牙串口进行信号的通信处理，保证了整个系统的通信可靠性。

Claims (1)

1.一种具有距离、压力检测和堵转保护功能的物体夹持器，其特征在于包括左爪、右爪、主控盒、主控板、距离传感器、摄像头、电机和通信接口板；所述的主控盒带有U形盒盖，U形盒盖通过盒盖固定孔固定在主控盒上；所述的左爪和右爪设于主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上，左爪内侧面和右爪内侧面分别加工有防滑槽，左爪的下端部通过左爪转动销置于主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上，右爪的下端部通过右爪和电机的连接轴与置于主控盒的U形盒盖内的电机输出轴联动，左爪的下端部和右爪的下端部各设有联动齿轮，左爪的下端部的联动齿轮与右爪的下端部的联动齿轮相互啮合；所述的左爪的上端部和右爪的上端部分别设有爪尖、压力传感器和防滑橡胶垫，压力传感器和防滑橡胶垫依次叠压在爪尖表面，爪尖的尖端有若干个凸起；距离传感器的红外线发射管和距离传感器的红外线接收管固定在主控盒的U形盒盖的盒盖侧板上；所述的主控板和通信接口板通过螺钉、螺母叠装在主控盒的U形盒盖的底部后置于主控盒内，主控板上集成有距离传感器电路、堵转保护电路和压力检测电路；摄像头通过摄像头固定孔与主控盒的U形盒盖固定，摄像头与通信接口板电路连接；

所述物体夹持器的工作流程如下：当夹持器处于预运行状态时，摄像头会检测所抓物体的位置，判断物体的类别，将图像信号经过通信处理进行数据传出，送给电脑进行分析处理；当夹持器处于闭合状态时，距离传感器关闭不起作用，无距离检测信号；一旦夹持器张开，距离传感器的红外线发射管发射红外线，距离传感器的红外线接收管接收红外信号当作距离检测信号，当有物体在可夹取范围内时，距离传感器的距离检测信号会变为高电平，同时会触发中央处理器的通用输入输出接口；所述距离检测信号经过中央处理器后，串口把所述距离检测信号通过通信处理后的数据传出给电脑，以供它的分析和处理；当电脑给出闭合的指令时，指令又通过通信处理传给中央处理器，中央处理器解析处理指令，发出脉冲信号使夹持器产生运动信号来闭合；夹持器闭合过程中会通过模数转换接口来检测压力反馈信号，一旦夹持器两边的压力传感器反馈的压力值超过设定的阈值之后，中央处理器会产生相应脉冲的电机运动信号来停止夹持器的闭合并保持当前的位置；在夹持过程中由于物体的形态各异，会导致没触发压力反馈信号，这时的堵转保护电路会产生作用；夹取到物体之后，电机会发生堵转，中央处理器会向电脑发送已经夹取到物体的信息，同时检测堵转保护信号，如果堵转保护信号的电压大于设定的阈值，会减小夹持器的闭合的程度，然后再检测堵转保护信号，如果还是大于阈值则继续减小，反之就保持不变。

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