CN110561467B - 多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域。该装置包括两个指段、两个关节轴、三个电机、三个传动机构、控制模块、三个电机驱动模块和五个传感器，其中控制模块执行控制程序。该装置为机器人手指，可以实现直线平夹抓取与自适应抓取两种抓取模式的综合。在物体位于末端时可以采用直线平夹方式，手指末端始终保持在同一高度，更好地抓取桌面上的薄板类零件；在物体位于第一指段附近时能够实现先直线平夹运动两个关节，再实现自适应包络抓取的效果，针对不同形状、大小的物体具有自适应特性，抓取稳定，使用方便，抓取范围大，适用在需要抓取多种物体的机器人中。

Description

多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置的设计。

背景技术

拟人机器人是机器人研究的尖端领域，其许多功能都需要机器人手的抓取和操作来实现。因此，机器人手的设计是拟人机器人设计的关键技术。

自适应抓取具有自动适应物体形状、大小的特点，降低了控制难度和成本，已经成为机器人手设计中的一个重要分支技术。

此外，具有平行夹持功能的机器人手适合抓取工业上的许多物品，在很多机器人手中应用。不过末端圆弧轨迹的特点使得平行夹持手在抓取桌面物品时还需要机械臂的协调配合，导致这个功能的使用成本较高，编程不便，带来诸多不足。

一种具有末端始终沿着直线轨迹的平行夹持手可以大大降低对于机械臂配合协调的需求，控制难度降低很多，因此，目前具有直线平夹功能的机器人手被提出来，并已经有了一些设计作品出现，不过将直线平夹与自适应结合起来的直线平夹自适应手还处于比较初级的阶段——核心是采用机械装置，多数利用了各种弹簧、限位块等元件，在弹簧的设计中存在着许多变数，弹簧长时间使用存在不可靠易损坏等安全隐患，同时弹簧的选型与测试也带来研发的成本升高。

因此利用电子式来取代机械式实现直线平行夹持与自适应抓取功能就具有了突出的优点——一方面，减少了机械零部件数量，制造成本低，同时模块化设计多个关节也大大降低了设计成本与安装成本，在维修方面也具有诸多优势，另一方面，电子式功能仅需要编程完成一次，既可以将程序多次复用，利用程序的便利修改特点，还可以轻松升级，在线更新，于是功能更加多样化，这样成为目前技术发展的一种潮流和趋势。

现有的具有自适应抓取特性的机器人手大多数为机械式自适应手。机械式自适应手指传动链长，会产生空程、间隙和丢步等问题，使手指抓取性能降低。机械式自适应手的触发阈值过大，需要在手指根部的第一指段上施加较大的抓取力才能触发自适应，当施加于手指根部的第一指段上的抓取力较小时，机械式自适应手无法完成自适应，当第一指段抓取力较大时，机械式自适应手可以完成自适应，但会导致第二指段抓取力与第一指段抓取力相比非常小，为了使两个指段都有较大的抓取力，需要第一指段施加更大的抓取力，但是过大的第一指段抓取力会损坏物体，因此，对许多物体的抓取来说，机械式自适应手指抓取方式很不理想。

现有的一种多传感器反馈自适应机器人手指装置(专利CN102303316B)，包括两个指段、关节轴、电机、三个传感器、控制模块和电机驱动模块。该装置利用多传感器反馈信号、电机驱动与控制模块和自适应抓取控制算法实现了参数可调、程序控制的机器人手指装置，可以实现不同形状、大小物体的自适应抓取，达到了触发自适应抓取的单电机单关节动作效果，其不足之处在于：1)该装置仅能实现单个关节的自适应弯曲，没有多个关节，无法实施包络抓取；2)该装置不具有平行夹持的功能，该装置弯曲过程中，末端指段并不保持原有姿态；3)该装置难以简单串联实现多关节的平行夹持与自适应抓取。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，该装置实现末端指段直线平夹和自适应抓取，同时多个指段对物体的抓取力相互独立易于调节控制，控制准确、抓取自由、适应性高、适应范围广和操作简单。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，包括上基座、第一电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在上基座中，所述第一指段套固在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套固在远关节轴上；所述第一电机与上基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一指段相连；所述远关节轴的中心线与近关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置还包括下基座、第二电机、第三电机、第二传动机构、第三传动机构、控制模块、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块、第一压力传感器、第二压力传感器、近关节角度传感器、远关节角度传感器和位移传感器；所述第二电机与第一指段固接，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连；所述第三电机与下基座固接，第三电机的输出轴与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与上基座相连；所述上基座滑动镶嵌在下基座中；所述上基座相对于下基座的滑动方向与近关节轴的中心线垂直；所述近关节角度传感器设置在上基座上，近关节角度传感器检测近关节轴相对于上基座的角度位置；所述远关节角度传感器设置在第一指段上，远关节角度传感器检测远关节轴相对于第一指段的角度位置；所述位移传感器设置在下基座中，位移传感器检测上基座相对于下基座的高度位置；所述第一压力传感器与第一指段固接，第一压力传感器检测第一指段触碰物体的压力；所述第二压力传感器与第二指段固接，第二压力传感器检测第二指段触碰物体的压力；所述控制模块包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端、外部输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端；所述控制模块的外部输入端接收来自外部的输入信号；所述近关节角度传感器的信号引出端与控制模块的第一输入端连接，所述远关节角度传感器的信号引出端与控制模块的第二输入端连接；所述位移传感器的信号引出端与控制模块的第三输入端连接；所述第一压力传感器的信号引出端与控制模块的第四输入端连接；所述第二压力传感器的信号引出端与控制模块的第五输入端连接；所述第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块为结构相同的电机驱动模块；所述电机驱动模块包括输入端和输出端；所述控制模块的第一输出端与第一电机驱动模块的输入端连接，控制模块的第二输出端与第二电机驱动模块的输入端连接，控制模块的第三输出端与第三电机驱动模块的输入端连接；所述第一电机驱动模块的输出端与第一电机的引线连接，所述第二电机驱动模块的输出端与第二电机的引线连接，所述第三电机驱动模块的输出端与第三电机的引线连接；远关节轴的中心线与近关节轴的中心线构成平面Q；远关节轴的中心线与近关节轴的中心线的距离为L；上基座相对于下基座在初始位置时位于最低点，位移传感器反馈的位置H在初始位置时为0，上基座向上运动方向为H的正方向；平面Q在初始位置时平行于上基座在下基座中的滑动方向，近关节角度传感器反馈的角度α在初始位置时为0，第一指段相对于上基座绕着近关节轴逆时针转动方向为α的正方向；远关节角度传感器反馈的角度β在初始位置时为0，第二指段相对于第一指段绕着远关节轴顺时针转动方向为β的正方向；所述控制模块运行控制程序；

所述控制程序包括以下步骤：

a)检测第一压力传感器反馈的第一指段与物体之间的压力F₁；

b)检测第二压力传感器反馈的第二指段与物体之间的压力F₂；

c)如果压力F₁超过预设的压力阈值F₁₀，则进行步骤d)，否则进行步骤e)；

d)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

e)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤i)；

f)通过第二电机驱动模块驱动第二电机反转，该转动使第二指段向物体靠拢，延迟一段微小的时间Δt；

g)检测第二压力传感器反馈的第二指段与物体之间的压力F₂；

h)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

i)通过第一电机驱动模块驱动第一电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

j)通过第二电机驱动模块驱动第二电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

k)通过第三电机驱动模块驱动第三电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

l)检测近关节角度传感器反馈的相对于初始位置的逆时针转角α；

m)检测远关节角度传感器反馈的相对于初始位置的顺时针转角β；

n)检测位移传感器反馈的相对于初始位置的位移H；

o)如果β-α大于2°，则进行步骤p)，否则进行步骤r)；

p)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

q)通过第二电机驱动模块驱动第二电机反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

r)如果H-L(1-cosα)大于2mm，则进行步骤s)，否则进行步骤u)；

s)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

t)通过第三电机驱动模块驱动第三电机反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

u)如果β-α小于-2°，则进行步骤v)，否则进行步骤x)；

v)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

w)通过第二电机驱动模块驱动第二电机正转，延迟一段微小的时间Δt,并返回步骤l)；

x)如果H-L(1-cosα)小于-2mm，则进行步骤y)，否则进行步骤a)；

y)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

z)通过第三电机驱动模块驱动第三电机正转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)。

本发明所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、传动小齿轮、传动大齿轮和传动轴；所述第一电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在上基座中，所述传动小齿轮套固在传动轴上，所述传动大齿轮套固在近关节轴上，所述传动小齿轮与传动大齿轮啮合。

本发明所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、传动小齿轮、传动大齿轮和传动轴；所述第二电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在第一指段中，所述传动小齿轮套固在传动轴上，所述传动大齿轮套固在远关节轴上，所述传动小齿轮与传动大齿轮啮合。

本发明所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、齿条、传动大齿轮和传动轴；所述第三电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在下基座中，所述齿条固接在上基座中，所述传动大齿轮套固在传动轴上，所述齿条与传动大齿轮啮合。

本发明所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一电机采用直流伺服电机，所述第二电机采用直流伺服电机，所述第三电机采用直流伺服电机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明利用多传感器反馈信号、电机驱动模块、控制模块和直线平夹与自适应抓取控制算法综合实现了直线平夹自适应的一种机器人手指装置，通过采集指段之间的位置信息实现直线平夹，通过采集物体接触或离开手指的信息实现不同形状、大小物体的自适应抓取。该装置与传统机械式的直线平夹自适应手相比，抓取效果更优，两个指段的抓取是相对独立的，可以实现稳定抓取；自适应效果好，仅需要一个较小的抓取力即可触发自适应抓取，减少了传动间隙和控制死区，抓取过程稳定。实现末端指段直线平夹和对不同形状、大小物体的自适应抓取，同时多个指段对物体的抓取力相互独立易于调节控制，结构简单，传动链短，抓取稳定，可靠性高，适应范围广。利用该装置可以实现控制准确、抓取自由、适应性高、适应性广和操作简单的机器人手。

附图说明

图1是本发明所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的三维外观图。

图2是图1所示实施例的三维图(部分零件未画出)。

图3是图1所示实施例的正面外观图(部分零件未画出)。

图4是图1所示实施例的侧面外观图。

图5和图6是图1所示实施例在进行直线平夹抓取的过程示意图。

图7、图8和图9是图1所示实施例在进行自适应抓取的过程示意图。

图10是图1所示实施例的电路连接原理示意图。

图11是图1所示实施例的控制程序的流程图。

在图1至图11中：

1-上基座， 2-第一电机， 3-第一指段，

4-第二指段， 5-近关节轴， 6-远关节轴，

7-下基座， 8-第二电机， 9-第三电机，

10-控制模块， 11-第一电机驱动模块， 12-第二电机驱动模块，

13-第三电机驱动模块， 14-第一压力传感器， 15-第二压力传感器，

16-近关节角度传感器， 17-远关节角度传感器， 18-位移传感器，

19-紧定螺钉， 20-螺钉， 21-减速器，

22-蜗杆， 23-蜗轮， 24-传动小齿轮，

25-传动大齿轮， 26-齿条， 27-弹簧，

28-第一表面板， 29-第二表面板， 30-固定件，

31-连接件， 32-传动轴， 33-物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明所述多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4所示，包括上基座1、第一电机2、第一指段3、第二指段4、近关节轴5和远关节轴6；所述近关节轴5套设在上基座1中，所述第一指段3通过紧定螺钉19套固在近关节轴5上，所述远关节轴6套设在第一指段3中，所述第二指段4通过紧定螺钉19套固在远关节轴6上；所述第一电机2通过螺钉20与上基座1固接，第一电机2的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一指段3相连；所述第一指段3套固在近关节轴5上；所述远关节轴6的中心线与近关节轴5的中心线相互平行；该多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置还包括下基座7、第二电机8、第三电机9、控制模块10、第一电机驱动模块11、第二电机驱动模块12、第三电机驱动模块13、第一压力传感器14、第二压力传感器15、近关节角度传感器16、远关节角度传感器17和位移传感器18；所述第二电机8通过螺钉20与第一指段3固接，第二电机8的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段4相连；所述第三电机9通过螺钉20下基座7固接，第三电机9的输出轴与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与上基座1相连；所述上基座1滑动镶嵌在下基座7中；所述上基座1相对于下基座7的滑动方向与近关节轴5的中心线垂直；所述近关节角度传感器包括可以相对转动的主体和转轴，所述近关节角度传感器16的主体通过固定件30、螺钉20设置在上基座1上，近关节角度传感器16检测近关节轴5相对于上基座1的角度位置；所述远关节角度传感器17包括可以相对转动的主体和转轴，所述远关节角度传感器17的主体通过固定件30、螺钉20设置在第一指段3上，远关节角度传感器17检测远关节轴6相对于第一指段3的角度位置；所述位移传感器18通过固定件30、螺钉20设置在下基座7中，位移传感器18检测上基座1相对于下基座7的高度位置；近关节角度传感器16的转轴通过连接件31与近关节轴5相连，远关节角度传感器17的转轴通过连接件31与远关节轴6相连，位移传感器18通过连接件31、传动大齿轮25、齿条26与上基座1相连；所述第一压力传感器14与第一指段3固接，第一压力传感器14检测第一指段3触碰物体33的压力；所述第二压力传感器15与第二指段4固接，第二压力传感器15检测第二指段4触碰物体33的压力；第一压力传感器14与第一表面板28接触，所述第一表面版28通过弹簧27、螺钉20滑动镶嵌在第一指段3上；第二压力传感器15与第二表面板29接触，所述第二表面板29通过弹簧27、螺钉20滑动镶嵌在第二指段上；所述控制模块10包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端、外部输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端；所述控制模块10的外部输入端接收来自外部的输入信号；所述近关节角度传感器16的信号引出端与控制模块10的第一输入端连接，所述远关节角度传感器17的信号引出端与控制模块10的第二输入端连接；所述位移传感器18的信号引出端与控制模块10的第三输入端连接；所述第一压力传感器14的信号引出端与控制模块10的第四输入端连接；所述第二压力传感器15的信号引出端与控制模块10的第五输入端连接；所述第一电机驱动模块11、第二电机驱动模块12、第三电机驱动模块13为结构相同的电机驱动模块；所述电机驱动模块包括输入端和输出端；所述控制模块10的第一输出端与第一电机驱动模块11的输入端连接，控制模块10的第二输出端与第二电机驱动模块12的输入端连接，控制模块的第三输出端与第三电机驱动模块13的输入端连接；所述第一电机驱动模块11的输出端与第一电机2的引线连接，所述第二电机驱动模块12的输出端与第二电机8的引线连接，所述第三电机驱动模块13的输出端与第三电机9的引线连接；远关节轴6的中心线与近关节轴5的中心线构成平面Q；远关节轴6的中心线与近关节轴5的中心线的距离为L；上基座1相对于下基座7在初始位置时位于最低点，位移传感器18反馈的位置H在初始位置时为0，上基座1向上运动方向为H的正方向；平面Q在初始位置时平行于上基座1在下基座7中的滑动方向，近关节角度传感器16反馈的角度α在初始位置时为0，第一指段3相对于上基座1绕着近关节轴5逆时针转动方向为α的正方向；远关节角度传感器17反馈的角度β在初始位置时为0，第二指段4相对于第一指段3绕着远关节轴6顺时针转动方向为β的正方向；

所述控制模块运行控制程序；

所述控制程序包括以下步骤：

a)检测第一压力传感器14反馈的第一指段3与物体33之间的压力F₁；

b)检测第二压力传感器15反馈的第二指段4与物体33之间的压力F₂；

c)如果压力F₁超过预设的压力阈值F₁₀，则进行步骤d)，否则进行步骤e)；

d)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

e)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤i)；

f)通过第二电机驱动模块12驱动第二电机8反转，该转动使第二指段4向物体33靠拢，延迟一段微小的时间Δt；

g)检测第二压力传感器15反馈的第二指段4与物体33之间的压力F₂；

h)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

i)通过第一电机驱动模块11驱动第一电机2正转，延迟一段微小的时间Δt；j)通过第二电机驱动模块12驱动第二电机8正转，延迟一段微小的时间Δt；k)通过第三电机驱动模块13驱动第三电机9正转，延迟一段微小的时间Δt；

l)检测近关节角度传感器16反馈的相对于初始位置的逆时针转角α；

m)检测远关节角度传感器17反馈的相对于初始位置的顺时针转角β；

n)检测位移传感器18反馈的相对于初始位置的位移H；

o)如果β-α大于2°，则进行步骤p)，否则进行步骤r)；

p)通过第一电机驱动模块11停止第一电机2转动；

q)通过第二电机驱动模块12驱动第二电机8反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

r)如果H-L(1-cosα)大于2mm，则进行步骤s)，否则进行步骤u)

s)通过第一电机驱动模块11停止第一电机2转动；

t)通过第三电机驱动模块13驱动第三电机9反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

u)如果β-α小于-2°，则进行步骤v)，否则进行步骤x)；

v)通过第一电机驱动模块11停止第一电机2转动；

w)通过第二电机驱动模块12驱动第二电机8正转，延迟一段微小的时间Δt,并返回步骤l)；

x)如果H-L(1-cosα)小于-2mm，则进行步骤y)，否则进行步骤a)

y)通过第一电机驱动模块11停止第一电机2转动；

z)通过第三电机驱动模块13驱动第三电机9正转，延迟一段微小的时间Δt,

并返回步骤l)。

本实施例中，第一传动机构包括减速器21、蜗杆22、蜗轮23、传动小齿轮24、传动大齿轮25和传动轴32；所述第一电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连，所述蜗杆22套固在减速器21的输出轴上，所述蜗轮23与蜗杆22啮合，所述蜗轮23套固在传动轴32上，所述传动轴32套设在上基座1中，所述传动小齿轮24套固在传动轴32上，所述传动大齿轮25套固在近关节轴5上，所述传动小齿轮24与传动大齿轮25啮合。

本实施例中，第二传动机构包括减速器21、蜗杆22、蜗轮23、传动小齿轮24、传动大齿轮25和传动轴32；所述第二电机8的输出轴与减速器21的输入轴相连，所述蜗杆22套固在减速器21的输出轴上，所述蜗轮23与蜗杆22啮合，所述蜗轮23套固在传动轴32上，所述传动轴32套设在第一指段3中，所述传动小齿轮24套固在传动轴32上，所述传动大齿轮25套固在远关节轴6上，所述传动小齿轮24与传动大齿轮25啮合。

本实施例中，第三传动机构包括减速器21、蜗杆22、蜗轮23、传动大齿轮25、传动轴32和齿条26；所述第三电机9的输出轴与减速器21的输入轴相连，所述蜗杆22套固在减速器21的输出轴上，所述蜗轮23与蜗杆22啮合，所述蜗轮23套固在传动轴32上，所述传动轴32套设在下基座7中，所述齿条26固接在上基座1中，所述传动大齿轮25套固在传动轴32上，所述齿条26与传动大齿轮25啮合。

本实施例中，所述第一电机2采用直流伺服电机，所述第二电机8采用直流伺服电机，所述第三电机9采用直流伺服电机。

本实施例的电路连接原理示意图如图10所示，本实施例的的控制程序的流程图如图11所示。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例的抓取过程可分为两部分。

(a1)第一部分为自适应抓取过程。先动第一指段，当第一指段接触物体后再动第二指段，这样可以实现对不同形状尺寸的物体的包络稳定抓取，因而这样的方式能够无需上位机通过外部传感器去实时控制，只是在手的内部甚至是手指的内部进行了一个接收到传感器就反应的小闭环反馈控制。整个过程如图7、图8和图9。

此时第一压力传感器14检测第一指段3与物体33之间的压力F₁，第二压力传感器15检测第二指段4与物体33之间的压力F₂。

如果压力F₁超过预设的压力阈值F₁₀，则判断压力F₂是否超过预设的压力阈值F₂₀，如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则反转第二电机8，通过第二传动机构，带动第二指段8反转，使第二指段8向物体33靠拢，直到第二指段8与物体33间的压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀后程序结束。

如果压力F₁未超过预设的压力阈值F₁₀，则判断压力F₂是否超过预设的压力阈值F₂₀，如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行(a2)部分。

(a2)第二部分为直线平夹过程。此时第一电机2正转，通过第一传动机构，带动第一指段3和近关节轴5正转一个逆时针的角度α；第二电机8正转，通过第二传动机构，带动第二指段4和远关节轴6正转一个顺时针的角度β；第三电机9正转，通过第三传动机构，带动上基座1抬高位移H。直线平夹抓取过程如图5和图6所示。

如果β-α大于2°，则停转第一电机2，通过第一传动机构，停止第一指段3转动，且反转第二电机8，通过第二传动机构，带动第二指段4反转，使第二指段4的转角β向α靠拢，直到β-α不大于2°，否则进行下一步。

如果H-L(1-cosα)大于2mm，则停转第一电机2，通过第一传动机构，停止第一指段3转动，且反转第三电机9，通过第三传动机构，带动上基座1下降，使上基座1的位移H向L(1-cosα)靠拢，直到H-L(1-cosα)不大于2mm，否则进行下一步。

如果β-α小于-2°，则停转第一电机2，通过第一传动机构，停止第一指段3转动，且正转第二电机8，通过第二传动机构，带动第二指段4正转，使第二指段4的转角β向α靠拢，直到β-α不小于-2°，否则进行下一步。

如果H-L(1-cosα)小于-2mm，则停转第一电机2，通过第一传动机构，停止第一指段3转动，且正转第三电机9，通过第三传动机构，带动上基座1抬高，使上基座1的位移H向L(1-cosα)靠拢，直到H-L(1-cosα)不小于-2mm。否则返回(a1)部分。

(a1)和(a2)两部分会保持循环，直到有程序结束指令。

当放开物体时，与上述过程相反，不再赘述。

本发明利用多传感器反馈信号、电机驱动模块、控制模块和直线平夹与自适应抓取控制算法综合实现了直线平夹自适应的一种机器人手指装置，通过采集指段之间的位置信息实现直线平夹，通过采集物体接触或离开手指的信息实现不同形状、大小物体的自适应抓取。该装置与传统机械式的直线平夹自适应手相比，抓取效果更优，两个指段的抓取是相对独立的，可以实现稳定抓取；自适应效果更好，仅需要一个较小的抓取力即可触发自适应抓取，减少了传动间隙和控制死区，抓取过程稳定。实现末端指段直线平夹和对不同形状、大小物体的自适应抓取，同时多个指段对物体的抓取力相互独立易于调节控制，结构简单，传动链短，抓取稳定，可靠性高，适应范围广。利用该装置可以实现控制准确、抓取自由、适应性高、适应性广和操作简单的机器人手。

Claims (5)

1.一种多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，包括上基座、第一电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在上基座中，所述第一指段套固在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套固在远关节轴上；所述第一电机与上基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一指段相连；所述远关节轴的中心线与近关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置还包括下基座、第二电机、第三电机、第二传动机构、第三传动机构、控制模块、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块、第一压力传感器、第二压力传感器、近关节角度传感器、远关节角度传感器和位移传感器；所述第二电机与第一指段固接，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连；所述第三电机与下基座固接，第三电机的输出轴与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与上基座相连；所述上基座滑动镶嵌在下基座中；所述上基座相对于下基座的滑动方向与近关节轴的中心线垂直；所述近关节角度传感器设置在上基座上，近关节角度传感器检测近关节轴相对于上基座的角度位置；所述远关节角度传感器设置在第一指段上，远关节角度传感器检测远关节轴相对于第一指段的角度位置；所述位移传感器设置在下基座中，位移传感器检测上基座相对于下基座的高度位置；所述第一压力传感器与第一指段固接，第一压力传感器检测第一指段触碰物体的压力；所述第二压力传感器与第二指段固接，第二压力传感器检测第二指段触碰物体的压力；所述控制模块包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端、外部输入端、第一输出端、第二输出端和第三输出端；所述控制模块的外部输入端接收来自外部的输入信号；所述近关节角度传感器的信号引出端与控制模块的第一输入端连接，所述远关节角度传感器的信号引出端与控制模块的第二输入端连接；所述位移传感器的信号引出端与控制模块的第三输入端连接；所述第一压力传感器的信号引出端与控制模块的第四输入端连接；所述第二压力传感器的信号引出端与控制模块的第五输入端连接；所述第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第三电机驱动模块为结构相同的电机驱动模块；所述电机驱动模块包括输入端和输出端；所述控制模块的第一输出端与第一电机驱动模块的输入端连接，控制模块的第二输出端与第二电机驱动模块的输入端连接，控制模块的第三输出端与第三电机驱动模块的输入端连接；所述第一电机驱动模块的输出端与第一电机的引线连接，所述第二电机驱动模块的输出端与第二电机的引线连接，所述第三电机驱动模块的输出端与第三电机的引线连接；远关节轴的中心线与近关节轴的中心线构成平面Q；远关节轴的中心线与近关节轴的中心线的距离为L；上基座相对于下基座在初始位置时位于最低点，位移传感器反馈的位置H在初始位置时为0，上基座向上运动方向为H的正方向；平面Q在初始位置时平行于上基座在下基座中的滑动方向，近关节角度传感器反馈的角度α在初始位置时为0，第一指段相对于上基座绕着近关节轴逆时针转动方向为α的正方向；远关节角度传感器反馈的角度β在初始位置时为0，第二指段相对于第一指段绕着远关节轴顺时针转动方向为β的正方向；所述控制模块运行控制程序；

所述控制程序包括以下步骤：

a)检测第一压力传感器反馈的第一指段与物体之间的压力F₁；

b)检测第二压力传感器反馈的第二指段与物体之间的压力F₂；

c)如果压力F₁超过预设的压力阈值F₁₀，则进行步骤d)，否则进行步骤e)；

d)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

e)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤i)；

f)通过第二电机驱动模块驱动第二电机反转，该转动使第二指段向物体靠拢，延迟一段微小的时间Δt；

g)检测第二压力传感器反馈的第二指段与物体之间的压力F₂；

h)如果压力F₂超过预设的压力阈值F₂₀，则程序结束，否则进行步骤f)；

i)通过第一电机驱动模块驱动第一电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

j)通过第二电机驱动模块驱动第二电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

k)通过第三电机驱动模块驱动第三电机正转，延迟一段微小的时间Δt；

l)检测近关节角度传感器反馈的相对于初始位置的逆时针转角α；

m)检测远关节角度传感器反馈的相对于初始位置的顺时针转角β；

n)检测位移传感器反馈的相对于初始位置的位移H；

o)如果β-α大于2°，则进行步骤p)，否则进行步骤r)；

p)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

q)通过第二电机驱动模块驱动第二电机反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

r)如果H-L(1-cosα)大于2mm，则进行步骤s)，否则进行步骤u)；

s)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

t)通过第三电机驱动模块驱动第三电机反转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)；

u)如果β-α小于-2°，则进行步骤v)，否则进行步骤x)；

v)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

w)通过第二电机驱动模块驱动第二电机正转，延迟一段微小的时间Δt,并返回步骤l)；

x)如果H-L(1-cosα)小于-2mm，则进行步骤y)，否则进行步骤a)；

y)通过第一电机驱动模块停止第一电机转动；

z)通过第三电机驱动模块驱动第三电机正转，延迟一段微小的时间Δt，并返回步骤l)。

2.如权利要求1所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、传动小齿轮、传动大齿轮和传动轴；所述第一电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在上基座中，所述传动小齿轮套固在传动轴上，所述传动大齿轮套固在近关节轴上，所述传动小齿轮与传动大齿轮啮合。

3.如权利要求1所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、传动小齿轮、传动大齿轮和传动轴；所述第二电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在第一指段中，所述传动小齿轮套固在传动轴上，所述传动大齿轮套固在远关节轴上，所述传动小齿轮与传动大齿轮啮合。

4.如权利要求1所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、齿条、传动大齿轮和传动轴；所述第三电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在传动轴上，所述传动轴套设在下基座中，所述齿条固接在上基座中，所述传动大齿轮套固在传动轴上，所述齿条与传动大齿轮啮合。

5.如权利要求1所述的多传感器反馈控制直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一电机采用直流伺服电机，所述第二电机采用直流伺服电机，所述第三电机采用直流伺服电机。