CN107398911A - 一种以位置控制进行夹持力控制的机械手 - Google Patents
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Abstract
一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手。包括刚柔混联手指，步进电机，直线导轨副，角度传感器，刚性手指，主机架。其中，刚柔混联结构的柔顺手指由拉杆和柔顺手指构成。刚性手指固定在主机架上，拉杆与主机架、拉杆与柔顺手指之间可以发生转动；柔顺手指驱动端与主机架之间有一个直线导轨副，由步进电机带动丝杆螺母副进行平移；柔顺手指的末端在平移下向刚性手指方向发生变形；当目标物被刚性手指和柔顺手指夹持后，在不超过目标物压溃力的情况下，按照事先测得的实验值继续给柔顺手指驱动端施加一定的进给量，以在柔顺手指末端与刚性手指之间产生预期的夹持力。本发明用于如玻璃制品，草莓、杨梅等浆果，以及蛋类等容易损伤物品的夹持。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械手，尤其是涉及一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手。
背景技术
诸如浆果，蛋类，玻璃等容易损伤的物品，在自动化、机械化的采收或包装过程中，都不可避免会产生夹持操作。它们极易在夹持力下受到损伤，另外这些目标物都存在着个体之间尺寸差异大，夹紧时只依靠对机械手的手指位置控制不能完成夹紧任务，能够对夹紧力进行精确控制的机械手一直是机械手研发领域的研究热点。目前主要的解决方法是在机械手的夹持部位安装压力传感器进行夹持力的检测，而后通过机械手机构的控制环节进行夹持力的闭环控制。这种方式很直观，一直以来人们都在努力的研发精密的压力传感器以适应微小夹持力控制的需求。但是，微型的力传感器感应原件直接与目标物接触，一方面容易受到污染因而对传感器密封的要求很高，另一方面反复的接触受压使得传感器容易疲劳失灵。再者，在夹持目标物形体不规则的情况下，机械手的实际夹持点难以确定，这就需要增加更多的压力传感器进行检测，以增加夹持力传感器产生有效信号的概率，进而造成控制逻辑更为复杂。此外，采用压力传感器的反馈值作为夹持力闭环控制的输入信号，必须在微小的夹持进给量下，逐次检测、运算、输出，大都要缓慢夹持，工作效率低下。针对以上问题，本发明提出一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，在不采用压力传感器的条件下，通过对机械手的夹紧机构进行位置控制以实现对夹持力的控制，并实现快速夹紧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，刚柔混联手指通过伺服电机带动丝杆螺母副，在定位控制方式下进行驱动，以控制夹紧力为目标进行设计。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手。包括刚柔混联手指，步进电机，直线导轨副，角度传感器，刚性手指，主机架。其中，刚柔混联结构的柔顺手指由拉杆和柔顺手指构成。刚性手指固定在主机架上，拉杆与主机架、拉杆与柔顺手指之间可以发生转动；柔顺手指驱动端与主机架之间有一个直线导轨副，由步进电机带动丝杆螺母副进行平移；柔顺手指的末端在平移下向刚性手指方向发生变形；当目标物被刚性手指和柔顺手指夹持后，在不超过目标物压溃力的情况下，按照事先测得的实验值继续给柔顺手指驱动端施加一定的进给量，以在柔顺手指末端与刚性手指之间产生预期的夹持力。本发明用于如玻璃制品，草莓、杨梅等浆果，以及蛋类等容易损伤物品的夹持。
本发明具有的有益效果是：对于夹持点在一定范围内但不能准确确定的夹持操作情况下，并且在不使用力传感器的条件下，基于拉杆7的转角θt和滑块5的实时位置St换算，得到为了获取夹持力Fn而所需要的滑块5的位移增量ΔSf。通过精确控制伺服电机或者伺服电机4的转角，以控制柔顺手指驱动端的准确进给量ΔSf，实现对夹持力的精确控制。同时，不需要压力传感器进行夹持力的直接检测，也就不需要进行逐次压力检测、运算、再输出位置步进量驱动机构夹持，从而有效提高夹持效率。
本发明结构简单，操作容易，运动灵活，可用于浆果果实快速柔性采摘或者玻璃制品等易损物品的夹持作业，配合机械臂等其它装置可实现高效高可靠性的采摘、包装等作业。
附图说明
图1是一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手的等角视图，图2是一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，在未夹持状态下的主视图，图3是一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，在夹持状态下的主视图。图中：1. 主机架，2. 刚性手指，3. 目标物，4. 伺服电机，5. 滑块，6. 柔顺手指，7. 拉杆，8. 转轴，9.丝杆，10.螺钉，11导轨，12.螺钉，13.转轴，14.角度传感器，15.螺钉。
具体实施方式
如图所示，本发明的实施包括两个手指，机械手的主机架1上安装刚性手指2，通过螺钉10固定，滑轨11用螺栓连接的方式固定在主机架1上，伺服电机4由螺钉12固定安装在主机架1上，拉杆7与主机架1通过销轴8铰接。滑块5与导轨11采用燕尾槽滑动副联结，伺服电机4与丝杆9直连，滑块5上有螺纹孔，与丝杆9之间采用螺旋传动副的方式配合连接。在伺服电机4的驱动下，滑块5可以相对于导轨11在图中竖直方向滑动。柔顺手指6采用软质橡胶或者硅胶材料制作，柔顺手指6的上端与滑块5采用过盈配合的方式连接，柔顺手指6的下端与拉杆7的下端由销轴12铰接。角度传感器14安装在主机架1上，由螺钉15固定，角度传感器14的转轴与销轴8同轴，角度传感器14的转轴与拉杆7采用销孔过盈配合的方式固连在一起，所以拉杆7相对于主机架1的转角，可以通过角度传感器14的输出信号获得。
夹紧过程分成若干个微小进给步逐步完成。在每个进给步内，由机械手控制系统发出指定个数的脉冲驱动伺服电机4转动，相应丝杆9发生转角增量Δα， 则滑块5产生一个向下的位移增量ΔS。此时检测角度传感器13的转角增量Δθ，如果Δθ为正值，说明拉杆7在发生转动，即柔顺手指6的下端尚未与目标物3接触。继续增加滑块5向下的位移增量ΔS，检测角度传感器13的转角增量Δθ，如果Δθ为零，则说明柔顺手指6的下端与目标物3已经接触；然后，机械手控制系统根据记录的各次微小进给增量累加计算当前滑块5所在的位置值St，并读取当前角度传感器13发生的转角θt，然后为了得到设定夹持力Fn，通过运行控制模型计算所需滑块5的位移增量ΔSf，并等效计算出伺服电机4所需的脉冲个数nf。最后控制系统向伺服电机4的驱动器发出nf个脉冲，以得到预期的夹持力，完成整个夹持过程。卸载过程只要由机械手控制系统发出指定累计个数的反向脉冲给伺服电机4，使柔顺手指6的驱动端回到初始位置,即完成卸载过程。
Claims (3)
1.一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，其特征在于：包括，主机架（1），柔顺手指（6），伺服电机（4） ，拉杆（7），角度传感器（14）。
2.根据权利要求1所述的一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，其特征在于：拉杆（7）与主机架（1）通过销轴（8）铰接，角度传感器（14）的转轴与销轴（8）同轴，角度传感器（14）的转轴与拉杆（7）固连。
3.根据权利要求1所述的一种以位置控制进行夹紧力控制的机械手，其特征在于：伺服电机（4）驱动由柔性材料构成的柔顺手指（6）的驱动端，使柔顺手指（6）产生变形。
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