CN213796545U - 视觉与力反馈控制功能的夹爪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种视觉与力反馈控制功能的夹爪，包括：基座、动力传输装置、手指结构、力反馈控制装置、驱动控制装置、图像采集装置和位置记忆装置；动力传输装置安装在基座上；手指结构位于动力传输装置两端，在动力传输装置的作用下带动手指结构相向或反向移动；力反馈控制装置安装在手指结构和基座上；驱动控制装置，安装在基座上，并与力反馈控制装置信号连接；图像采集装置固装在基座一侧；位置记忆装置与驱动控制装置信号连接。通过实施本实用新型的技术方案，开合行程大，重量轻，抓取力大；抓取平稳，牢固，抓取成功率高；力反馈控制装置中，力反馈误差控制在0.9N以内；系统掉电后上电后能正确回零上。

Description

视觉与力反馈控制功能的夹爪

技术领域

本实用新型涉及视觉与力综合控制技术领域，特别涉及一种视觉与力反馈控制功能的夹爪。

背景技术

机器人终端执行装置-夹爪/抓手，一直以来，是各国科研人员进行研究的一个重点方向。夹爪性能的优劣与好坏将直接影响整个机器人的使用。

虽然，目前人们对夹爪研究取得了很大的成果，也有很多成果已经开启了商业模式，市面上做的较为成熟的当属二指平动夹爪，这种夹爪虽然应用到了商业中，但仍然存在着一些不足和缺陷，比如，夹取物体尺寸有限、没有反馈控制对夹取的物体产生破坏、夹持力较小以及抓取不可靠、精度低等问题。

如CN 111283717 A公开的工业机械手末端机械夹爪，该抓手：电机驱动齿轮传动，带动两个轴上螺母运动，从而驱动两爪运动，该结构中两个传动轴与螺母配合，两轴连接通过联轴器，一方面需要要求较高的加工精度保证装配后，两轴同轴度满足要求，导向采用导向轮导向，该结构为纯机械结构传动，两爪运行，通过控制电机正反转实现，该结构因为没有控制器、驱动机构以及反馈机构，只能适用用固定刚性物体的夹取，夹爪结构设计呈V型结构，适于夹取棒料等圆柱状物体，由于行程较小，所有夹取物体尺寸受限。

一方面，大行程夹爪要求电机至少运行一圈，所以对编码器提出了严格的要求。编码器主要分为绝对值编码和增量值编码器。采用绝对值编码要求编码器为多圈，而对于小型电机很难与多圈绝对编码器组合；采用增量编码器可以使电机运行多圈，但存在这样一个问题：系统掉电后，会丢失原有的位置信息；另一方面，夹爪在抓取物体时，若没有反馈控制装置，容易夹坏物体，而大部分二指夹爪用于商业中的主要用于夹取刚性物体，如金属材料等，对反馈控制要求较低，而柔性夹爪虽然可以避免夹坏物品，但柔性夹爪一般都是由空气压力或者液压驱动，从而引入气源装置或者污染环境。

因此，一种带有力反馈控制装置且具有位置记忆功能的夹爪亟待研究。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种视觉与力反馈控制功能的夹爪，包括：

基座；

动力传输装置，安装在基座上；

手指结构，位于动力传输装置两端，在动力传输装置的作用下带动手指结构相向或反向移动；

力反馈控制装置，安装在手指结构和基座上；

驱动控制装置，安装在基座上，并与力反馈控制装置信号连接；

图像采集装置，固装在基座一侧。

进一步的，所述基座包括：

控制底板；

第一轴承支座，位于控制底板的一端；

第二轴承支座，位于控制底板的另一端；

轴承端盖，分别嵌装在第一轴承支座和第二轴承支座上。

进一步的，所述动力传输装置包括：

导向结构，安装在控制底板上；和

传动结构，与导向结构滑动连接；所述传动结构包括：

丝杆，两端分别通过轴承与轴承端盖连接；

丝杆定位套，分别套接在丝杆两端；

第一梯形螺母，位于丝杆一端并螺纹连接；

第二梯形螺母，位于丝杆另一端并螺纹连接；

第一齿轮，与丝杆(221)呈一体结构；

第二齿轮，与第一齿轮传动连接。

进一步的，所述手指结构包括第一手指结构和第二手指结构，所述第一手指结构和第二手指结构相对设置；

第一手指结构包括：

第一手指基座，安装在第一梯形螺母上；

第一手指，与第一手指基座固接；和

第一手指软垫，粘附在第一手指上；

第二手指结构包括：

第二手指基座，安装在第二梯形螺母上；

第二手指，与第二手指基座固接；和

第二手指软垫，粘附在第二手指上。

进一步的，所述力反馈控制装置包括：

力感知传感器，粘附在第一手指软垫上；

力感知信号处理模块，位于控制底板一侧，并与力感知传感器电连接；和

传感器走线拖链，设置在力感知传感器和力感知信号处理模块之间。

进一步的，所述驱动控制装置包括：

电机固定座，安装在控制底板上；

微型直流电机，固定在电机固定座上；

驱动控制单元，安装在控制底板顶部。

进一步的，所述图像采集装置包括：

相机固定座，与基座侧壁固接；和

相机单元，固定在相机固定座上，用于采集手指结构待夹物体。

进一步的，还包括：位置记忆装置，与驱动控制装置信号连接。

进一步的，所述位置记忆装置包括：

传感器感应片，设置在第二梯形螺母上；

接近开关传感器，位于传感器感应片一侧，固定在控制底板上，并与驱动控制单元信号连接。

通过实施本实用新型技术方案，具有以下技术效果：通过力反馈控制装置、驱动控制装置和图像采集装置，协作机器人终端，在视觉与力综合控制下，从而实现物体的有效抓取，不止对刚性物体进行夹取，还对柔性物体进行夹取。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图一；

图2为本实用新型结构示意图二；

图3为本实用新型结构示意图三；

图4为本实用新型图3中A处的局部放大图。

附图标记说明如下：

1.基座；11.控制底板；12.第一轴承支座；13.第二轴承支座；14.轴承端盖；15.外壳；2.动力传输装置；21.导向结构；22.传动结构；221.丝杆；222. 丝杆定位套；223.第一梯形螺母；224.第二梯形螺母；225.第一齿轮；226.第二齿轮；227.轴承；3.手指结构；31.第一手指结构；311.第一手指基座；312. 第一手指；313.第一手指软垫；32.第二手指结构；321.第二手指基座；322.第二手指；323.第二手指软垫；4.力反馈控制装置；41.力感知传感器；42.力感知信号处理模块；43.传感器走线拖链；5.驱动控制装置；51.电机固定座；52. 微型直流电机；53.驱动控制单元；6.图像采集装置；61.相机固定座；62.相机单元；7.位置记忆装置；71.传感器感应片；72.接近开关传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1-4所示，本实用新型公开了一种视觉与力反馈控制功能的夹爪，包括：基座1、动力传输装置2、手指结构3、力反馈控制装置4、驱动控制装置 5和图像采集装置6。

动力传输装置2，安装在基座1上。手指结构3，位于动力传输装置2两端，在动力传输装置2的作用下带动手指结构3相向或反向移动。力反馈控制装置4，安装在手指结构3和基座1上。驱动控制装置5，安装在基座1上，并与力反馈控制装置4信号连接。图像采集装置6，固装在基座1一侧。本实用新型在协作机器人终端场景下，通过视觉与力综合控制来实现物体的有效抓取。

基座1包括：控制底板11、第一轴承支座12、第二轴承支座13和轴承端盖14，还包括外壳15。第一轴承支座12，位于控制底板11的一端。第二轴承支座13，位于控制底板11的另一端。轴承端盖14，分别嵌装在第一轴承支座 12和第二轴承支座13上。外壳15扣合在控制底板11、第一轴承支座12和第二轴承支座13端部，用来保护整体内部结构。基座1用于对安装在其上的所有结构提供支撑作用。

动力传输装置2包括：导向结构21和传动结构22。导向结构21，安装在控制底板11上。传动结构22，与导向结构21滑动连接。动力传输装置用于使手指结构3同步移动。

传动结构22包括：丝杆221、丝杆定位套222、第一梯形螺母223、第二梯形螺母224、第一齿轮225和第二齿轮226。丝杆221，两端分别通过轴承 227与轴承端盖14连接。丝杆定位套222，分别套接在丝杆221两端。第一梯形螺母223，位于丝杆221一端并螺纹连接。第二梯形螺母224，位于丝杆221 另一端并螺纹连接。第一齿轮225，与丝杆221呈一体结构。第二齿轮226，与第一齿轮225传动连接。轴承227安装在轴承端盖14上，且其连接有丝杆 221。传动结构22在导向结构21的引导作用下进行移动。

手指结构3包括第一手指结构31和第二手指结构32，所述第一手指结构 31和第二手指结构32相对设置。第一手指结构31包括：第一手指基座311、第一手指312和第一手指软垫313。第一手指基座311，安装在第一梯形螺母 223上。第一手指312，与第一手指基座311固接。第一手指软垫313，粘附在第一手指312上。第二手指结构32包括：第二手指基座321、第二手指322和第二手指软垫323。第二手指基座321，安装在第二梯形螺母224上。第二手指322，与第二手指基座321固接。第二手指软垫323，粘附在第二手指322 上。第一手指结构31和第二手指结构32在导向结构21的引导作用下随着传动结构22移动而移动。

力反馈控制装置4包括：力感知传感器41、力感知信号处理模块42和传感器走线拖链43。力感知传感器41，粘附在第一手指软垫313。力感知信号处理模块42，位于控制底板11一侧，并与力感知传感器41电连接。传感器走线拖链43，设置在力感知传感器41和力感知信号处理模块42之间。力反馈控制装置4用于反馈手指结构3所夹取物体的压力值，通过力反馈控制装置完成尺寸在100mm以内的物体的有效夹取。

驱动控制装置5包括：电机固定座51、微型直流电机52和驱动控制单元 53。电机固定座51安装在控制底板11上。微型直流电机52固定在电机固定座51上。驱动控制单元53安装在控制底板11顶部。电机固定座51用于将微型直流电机52固定在基座1上。

图像采集装置6包括：相机固定座61和相机单元62。相机固定座61，与基座1侧壁固接。相机单元62，固定在相机固定座61上，用于采集手指结构 3待夹物体。

本实用新型还包括：位置记忆装置7，与驱动控制装置5信号连接。即使系统掉电后，也不会丢失原有位置信息。

进一步的，位置记忆装置7包括：传感器感应片71和接近开关传感器 72。传感器感应片71，设置在第二梯形螺母224上。接近开关传感器72，位于传感器感应片71一侧，固定在控制底板11上，并与驱动控制单元53信号连接。

第一手指软垫313上粘附有力感知传感器41，第一手指312和第二手指322 同时对向移动和背向移动。首先相机单元6扫描物体，控制机械手臂运行，待夹爪运行到物体正下方，即第一手指312和第二手指322中间下方后，微型直流电机52在驱动控制单元53作用下，控制微型直流电机52运行，微型直流电机52带动第一齿轮225与第二齿轮226传动，将动力传输至左右旋梯形的丝杆 221上，丝杆221通过与第一梯形螺母223与第二梯形螺母224传动，在导向机构(微型滑轨)21的导向下，带动第一梯形螺母223与第二梯形螺母224向夹爪中心靠拢，第一手指312和第二手指322分别安装在第一梯形螺母223与第二梯形螺母224上，从而带动第一手指312和第二手指322同时靠近物体，待第一手指312和第二手指322接触到物体后，位于第一手指312上的力感知传感器41识别到压力，压力值转换为电阻值后经力感知传感器41传输到力感知信号处理模块42中，将电阻信号转换成电压信号后，由驱动控制单元53进行接收并处理，当物体挤压力感知传感器41的压力达到软件中设置的传感器压力值后，控制微型直流电机52停止运行，然后驱动控制单元53控制机械手臂运行到指定位置后，控制微型直流电机52反转，使物体放到指定的位置，从而完成物体的夹取与放置。

机械手臂整体系统断电或者掉电之后，第一手指312和第二手指322会停在最后的位置，待系统上电后，夹爪会在微型直流电机52、驱动控制单元 53、的共同作用进行复位，也就是回零点，零点的位置为第一手指312和第二手指322最大距离处，微型直流电机52带动动力传输装置2使第一手指312 和第二手指322背向移动，当接近开关传感器72检测到与位于第二手指322 对应的第二梯形螺母224上的传感器感应片71之间的距离达到2mm时，接近开关传感器72发出信号由驱动控制单元53读取后，然后在驱动控制单元53 的控制下，使微型直流电机52停止运行，这时夹爪系统中驱动控制单元53完成了记忆功能，这样才能进行后面的夹取。

本实用新型的技术效果：

(1)开合行程大，重量轻，抓取力大；

附：夹爪性能参数：

开合行程：100.6mm，实际行程100mm；

设计重量：0.85kg，实测重量：0.83kg；

手指移动速度：50mm.s-1；

抓取力：20N。

(2)抓取平稳，牢固，抓取成功率高；

抓取与放置实验：

待抓手装配与调试完后，将抓手安装在协作机器人终端后，进行了现场抓取实验：抓取的物品为与水果尺寸一致的模型：苹果、橘子等，尺寸在40-90mm 范围内。

因为是水果模型，所以软件中设置的传感器抓取力值为4N(该抓手的抓取力设计值为20N)。将不同水果的模型，总共5个，任意放置在桌面后，安装于机械手臂上的该夹爪进行了三次试验，其中一次实验中，有一个水果因未被相机识别，未能抓取，其余两次实验，均有效成功的完成了5个水果模型的夹取与放置。

完成抓取与放置实验后，进行了系统掉电后上电回零实验，人为给机械手臂系统掉电，夹爪停留在上次抓取后放置物品的位置，即第一手指312和第二手指322之间的距离既不是最大行程(第一手指312和第二手指322之间行程设计值100.5mm)，也不是最小行程(第一手指312和第二手指322之间行程设计值0)，而是某一个具体值。然后给系统上电后，两手指自动开始复位到最大行程处，此时，查看接近开关传感器指示灯为亮状态，即完成了位置记忆功能。同时再次进行了抓取实验，抓手运行正确。

(3)力反馈控制机构中，力反馈误差控制在0.9N以内；

抓手力感知控制精度调试实验：

力感知控制精度调试是在进行抓取前对传感器进行的精度分析以及力与电压关系函数进行分析。现场调试引入指针式拉压力计，通过拉压力计对传感器施加不同的压力后，由软件读取驱动器读取的电压值后进行拟合分析，得出力与电压之间的关系，并得出了反馈力的控制误差在0.9N以内,而东南大学研究的仿人机械手的反馈力误差控制在1.5N以内。

(4)系统掉电后上电后能正确回零；

完成抓取与放置实验后，进行了系统掉电后上电回零实验，人为给机械手臂系统掉电，夹爪停留在上次抓取后放置物品的位置，即第一手指312和第二手指322之间的距离既不是最大行程(第一手指312和第二手指322之间行程设计值100.6mm)，也不是最小行程(第一手指312和第二手指322之间行程设计值0)，而是某一个具体值。然后给系统上电后，两手指自动开始复位到最大行程处，此时，查看接近开关传感器指示灯为亮状态(未到最大行程出灯为灭状态)，即完成了位置记忆功能。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上仅为说明本实用新型的实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，包括：

基座(1)；

动力传输装置(2)，安装在基座(1)上；

手指结构(3)，位于动力传输装置(2)两端，在动力传输装置(2)的作用下带动手指结构(3)相向或反向移动；

力反馈控制装置(4)，安装在手指结构(3)和基座(1)上；

驱动控制装置(5)，安装在基座(1)上，并与力反馈控制装置(4)信号连接；

图像采集装置(6)，固装在基座(1)一侧。

2.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述基座(1)包括：

控制底板(11)；

第一轴承支座(12)，位于控制底板(11)的一端；

第二轴承支座(13)，位于控制底板(11)的另一端；

轴承端盖(14)，分别嵌装在第一轴承支座(12)和第二轴承支座(13)上。

3.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述动力传输装置(2)包括：

导向结构(21)，安装在控制底板(11)上；和

传动结构(22)，与导向结构(21)滑动连接；所述传动结构(22)包括：

丝杆(221)，两端分别通过轴承与轴承端盖(14)连接；

丝杆定位套(222)，分别套接在丝杆(221)两端；

第一梯形螺母(223)，位于丝杆(221)一端并螺纹连接；

第二梯形螺母(224)，位于丝杆(221)另一端并螺纹连接；

第一齿轮(225)，与丝杆(221)呈一体结构；

第二齿轮(226)，与第一齿轮(225)传动连接。

4.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述手指结构(3)包括第一手指结构(31)和第二手指结构(32)，所述第一手指结构(31)和第二手指结构(32)相对设置；

第一手指结构(31)包括：

第一手指基座(311)，安装在第一梯形螺母(223)上；

第一手指(312)，与第一手指基座(311)固接；和

第一手指软垫(313)，粘附在第一手指(312)上；

第二手指结构(32)包括：

第二手指基座(321)，安装在第二梯形螺母(224)上；

第二手指(322)，与第二手指基座(321)固接；和

第二手指软垫(323)，粘附在第二手指(322)上。

5.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述力反馈控制装置(4)包括：

力感知传感器(41)，粘附在第一手指软垫(313)上；

力感知信号处理模块(42)，位于控制底板(11)一侧，并与力感知传感器(41)电连接；和

传感器走线拖链(43)，设置在力感知传感器(41)和力感知信号处理模块(42)之间。

6.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述驱动控制装置(5)包括：

电机固定座(51)，安装在控制底板(11)上；

微型直流电机(52)，固定在电机固定座(51)上；

驱动控制单元(53)，安装在控制底板(11)顶部。

7.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述图像采集装置(6)包括：

相机固定座(61)，与基座(1)侧壁固接；和

相机单元(62)，固定在相机固定座(61)上，用于采集手指结构(3)待夹物体。

8.根据权利要求1所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，还包括：位置记忆装置(7)，与驱动控制装置(5)信号连接。

9.根据权利要求8所述的视觉与力反馈控制功能的夹爪，其特征在于，所述位置记忆装置(7)包括：

传感器感应片(71)，设置在第二梯形螺母(224)上；

接近开关传感器(72)，位于传感器感应片(71)一侧，固定在控制底板(11)上，并与驱动控制单元(53)信号连接。

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