專利名稱：一種帶力反饋的機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及機(jī)械手，屬于機(jī)器人領(lǐng)域，特別是可以應(yīng)用到智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
1961年，美國的UNIMATION公司推出第一個(gè)伺服控制的工業(yè)機(jī)器人UNIMATE，1962年UNIMATE在美國GM公司投入使用，1963年，美國的AMF公司推出VERSATRAN商用機(jī)器人，從此，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化階段，此后，機(jī)器人的功能逐漸強(qiáng)大，種類日益增多，越來越廣泛而深入地影響著人類的生產(chǎn)與生活。
移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，在21世紀(jì)有著廣闊的應(yīng)用前景，如賓館商場的迎賓導(dǎo)游、導(dǎo)購，醫(yī)院護(hù)理，社區(qū)巡邏，軍事偵察等。在移動(dòng)機(jī)器人上集成機(jī)械手，使其具有操作的能力，則更能適用環(huán)境和勝任更多的工作，能在各種危險(xiǎn)場合下代替人的工作，如公安排爆，核輻射環(huán)境下的物體搬運(yùn)。
在集成移動(dòng)機(jī)器人和操作手過程中，已有的一種思路是將成熟的工業(yè)機(jī)械手同移動(dòng)平臺結(jié)合起來，由于工業(yè)機(jī)械手質(zhì)量大，能源消耗大，在運(yùn)動(dòng)過程中會產(chǎn)生較大的耦合力作用在移動(dòng)平臺上，影響平臺的穩(wěn)定，從而影響操作的精度；此外，移動(dòng)機(jī)器人攜帶電池的能源有限，成熟的工業(yè)機(jī)械手能源消耗大對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間影響很大。
因此有必要針對移動(dòng)機(jī)器人這個(gè)特定的平臺，研究開發(fā)既能勝任操作任務(wù)，且質(zhì)量輕，耗能小的機(jī)械手。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能勝任操作任務(wù)，且質(zhì)量輕，耗能小的機(jī)械手。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種帶力反饋的機(jī)械手，其采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，兩支架水平平行設(shè)置，兩支架的內(nèi)側(cè)各設(shè)有碰撞檢測開關(guān)；第一絲杠和兩根導(dǎo)軌豎直設(shè)置，兩根豎直導(dǎo)軌的兩端分別固接在兩水平平行的支架上，兩根豎直導(dǎo)軌分別豎直穿過第一滑塊，且與第一滑塊動(dòng)接觸；第一絲杠豎直穿過第一滑塊且通過第一滑塊上的螺紋與第一滑塊動(dòng)連接，第一絲杠的兩端與兩水平支架動(dòng)接觸，其中一端通過第一傳動(dòng)皮帶與第一直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出端相連；第二絲杠、另兩根導(dǎo)軌和兩支撐柱水平設(shè)置，兩支撐柱分別水平固定安裝在第一滑塊的上、下兩端，兩支撐柱的左端伸出遠(yuǎn)離第一滑塊，右端靠近第一滑塊，且兩支撐柱的兩端分別固接在另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架后部，兩豎直支架向第一滑塊的前方延伸；另兩根水平導(dǎo)軌的兩端分別固接在另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架前部，且水平穿過第二滑塊，與第二滑塊動(dòng)接觸，另兩根水平導(dǎo)軌和第二滑塊位于第一滑塊的前面，與第一滑塊無接觸；第二絲杠也水平穿過第二滑塊，第二絲杠通過第二滑塊上的螺紋與第二滑塊動(dòng)連接，第二絲杠的兩端分別與另兩個(gè)豎直支架動(dòng)接觸，其中一端通過第二傳動(dòng)皮帶與第二直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出端相連；另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架內(nèi)側(cè)前部也分別設(shè)有碰撞檢測開關(guān)；在第二滑塊和右端設(shè)置的豎直支架上，分別設(shè)有基座，基座上固接有末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器內(nèi)側(cè)設(shè)有力傳感器。
所述的帶力反饋的機(jī)械手，其所述末端執(zhí)行器，為片形條狀的末端執(zhí)行器，或?yàn)閹е苯嵌说钠螚l狀的末端執(zhí)行器，其內(nèi)外分別由柔性材料和剛性材料復(fù)合而成，在內(nèi)層柔性材料的內(nèi)側(cè)面上，于中心部位軸向設(shè)有條形力傳感器；在末端執(zhí)行器的一端設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)固定孔，通過復(fù)數(shù)個(gè)螺栓固定在基座上。
所述的帶力反饋的機(jī)械手，其所述碰撞檢測開關(guān)，在豎直導(dǎo)軌上端的碰撞檢測開關(guān)和水平導(dǎo)軌左端的碰撞檢測開關(guān)兼具復(fù)位開關(guān)的功能。
所述的帶力反饋的機(jī)械手，其所述末端執(zhí)行器，為成對設(shè)置。
所述的帶力反饋的機(jī)械手，其所述力傳感器，其力信息被量化成1～512個(gè)量級，在夾取物體時(shí)所用力的大小根據(jù)任務(wù)需要編程設(shè)定。
本發(fā)明機(jī)械手質(zhì)量輕，耗能小，成本低，搬運(yùn)物體靈活，能方便地集成到移動(dòng)機(jī)器人平臺上。


圖1是本發(fā)明機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)平視圖；圖2是本發(fā)明機(jī)械手末端執(zhí)行器實(shí)例一平視圖；圖3是本發(fā)明機(jī)械手末端執(zhí)行器實(shí)例二平視圖；圖4是本發(fā)明機(jī)械手末端執(zhí)行器截面圖；圖5是本發(fā)明機(jī)械手功能模塊圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的機(jī)械手，由驅(qū)動(dòng)部分，末端執(zhí)行器，傳感器部分構(gòu)成。
驅(qū)動(dòng)部分有兩個(gè)自由度，采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，分別由兩個(gè)直流伺服電機(jī)控制，并為此配備了功率驅(qū)動(dòng)板和運(yùn)動(dòng)控制DSP板，可以精確地控制末端執(zhí)行器的位置。
末端執(zhí)行器可以方便地安裝到驅(qū)動(dòng)部分上或從驅(qū)動(dòng)部分卸下，面向不同的任務(wù)時(shí)能選擇合適的末端執(zhí)行器。
傳感器部分包括兩個(gè)力傳感器，以及A/D轉(zhuǎn)換電路，4個(gè)碰撞檢測開關(guān)，傳感器信息采集板，可以快速，精確地采集到力信號。并可將力信號作為反饋信息控制驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)。
如圖1所示，本發(fā)明機(jī)械手采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，兩支架15a、15b水平平行設(shè)置，兩支架15a、15b的內(nèi)側(cè)各設(shè)有碰撞檢測開關(guān)14a和14b。絲杠3和兩根導(dǎo)軌4豎直設(shè)置，兩根導(dǎo)軌4分別豎直穿過滑塊11，且與滑塊11動(dòng)接觸，兩根導(dǎo)軌4的兩端固接在支架15a、15b上。絲杠3豎直穿過滑塊11且通過滑塊11上的螺紋與滑塊11動(dòng)連接，絲杠3的兩端與兩支架15a、15b動(dòng)接觸，其中一端通過傳動(dòng)皮帶2與直流伺服電機(jī)1轉(zhuǎn)軸的輸出端相連。絲杠7、兩根導(dǎo)軌10和兩支撐柱17水平設(shè)置，兩支撐柱17分別水平固定安裝在滑塊11的上、下兩端，兩支撐柱17的左端伸出遠(yuǎn)離滑塊11，右端靠近滑塊11，且兩支撐柱17的兩端固接在豎直設(shè)置的支架16a、16b后部，兩支架16a、16b向滑塊11的前方延伸。兩根導(dǎo)軌10水平穿過滑塊8，與滑塊8動(dòng)接觸，并位于滑塊11的前面，與滑塊11無接觸，兩根導(dǎo)軌10的兩端固接在豎直設(shè)置的支架16a、16b前部。絲杠7水平穿過滑塊8，絲杠7通過滑塊8上的螺紋與滑塊8動(dòng)連接，并位于滑塊11的前面，與滑塊11無接觸，絲杠7的兩端與兩支架16a、16b動(dòng)接觸，其中一端通過傳動(dòng)皮帶6與直流伺服電機(jī)5轉(zhuǎn)軸的輸出端相連。豎直設(shè)置的支架16a、16b的內(nèi)側(cè)前部設(shè)有碰撞檢測開關(guān)13a和13b。
在滑塊8和豎直設(shè)置的支架16b上，分別設(shè)有基座9和基座12。基座9和基座12上通過固緊螺絲安裝末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器有兩種，一種如圖2所示，為片形條狀的末端執(zhí)行器19，一種如圖3所示，為帶直角端的片形條狀的末端執(zhí)行器22。末端執(zhí)行器19、22的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其內(nèi)外分別由柔性材料23和剛性材料24復(fù)合而成，在內(nèi)層柔性材料23的內(nèi)側(cè)面上，于中心部位軸向設(shè)有條形力傳感器20。
圖5為本發(fā)明機(jī)械手功能模塊連接示意圖。本發(fā)明機(jī)械手功能模塊，由系統(tǒng)主控模塊101、運(yùn)動(dòng)控制模塊201、功率驅(qū)動(dòng)模塊202、傳感器信息采集模塊301、A/D轉(zhuǎn)換模塊302組成，上述功能模塊按常規(guī)分別與直流伺服電機(jī)1、5，力傳感器17和碰撞檢測開關(guān)13a、13b、14a、14b電連接。本發(fā)明機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部分有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，可以方便地集成到移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中。
直流伺服電機(jī)1通過傳動(dòng)皮帶2帶動(dòng)絲杠3，絲杠3驅(qū)動(dòng)滑塊11沿導(dǎo)軌4做垂直方向的運(yùn)動(dòng)，控制本發(fā)明機(jī)械手末端執(zhí)行器的上下位置；在導(dǎo)軌4的上下兩端處分別有一個(gè)碰撞檢測開關(guān)14a和14b，確保垂直方向在行程范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)上面的碰撞檢測開關(guān)14a還兼垂直方向自由度復(fù)位開關(guān)的功能，當(dāng)機(jī)械手處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)時(shí)，14a應(yīng)處于閉合的狀態(tài)。直流伺服電機(jī)5通過傳動(dòng)皮帶6帶動(dòng)絲杠7，絲杠7驅(qū)動(dòng)滑塊8沿導(dǎo)軌10做水平方向的運(yùn)動(dòng)，控制本發(fā)明機(jī)械手末端執(zhí)行器的開合位置；在導(dǎo)軌10的左右兩端處分別有一碰撞檢測開關(guān)13a和13b，確保水平方向在行程范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)左邊的碰撞檢測開關(guān)13a還兼有水平方向自由度復(fù)位開關(guān)的功能，當(dāng)機(jī)械手處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)時(shí)，13a應(yīng)處于閉合狀態(tài)。
針對抓取對象的形狀和位置的不同，設(shè)計(jì)了兩種末端執(zhí)行器，即圖2中的實(shí)例一，為末端執(zhí)行器19，圖3中實(shí)例二，為末端執(zhí)行器22，它們分別通過安裝孔各自成對地和基座9和12相連。
在末端執(zhí)行器19、22內(nèi)側(cè)的壓力傳感器，即圖2，圖3，圖4中的壓力傳感器20，當(dāng)末端執(zhí)行器19、22夾持到物體時(shí)，力傳感器20的電阻值隨壓力大小線性變化。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊302和傳感器信息采集模塊301的處理，力信息被量化成1-512之間的某一個(gè)值。在夾取物體時(shí)，所用力的大小可根據(jù)任務(wù)需要編程設(shè)定。
本發(fā)明機(jī)械手在工作時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換模塊302實(shí)時(shí)從壓力傳感器20采集模擬力信號，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出到傳感器信息采集模塊301，同時(shí)傳感器信息采集模塊301還采集碰撞檢測開關(guān)13a、13b、14a、14b的狀態(tài)，系統(tǒng)主控模塊101根據(jù)傳感器信息采集模塊301上傳的力反饋信息和碰撞檢測開關(guān)13a、13b、14a、14b的狀態(tài)，再結(jié)合其自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，生成運(yùn)動(dòng)控制命令發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊201，運(yùn)動(dòng)控制模塊201通過功率驅(qū)動(dòng)模塊202驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)1、5運(yùn)動(dòng)，同時(shí)讀取直流伺服電機(jī)1、5的碼盤數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確地執(zhí)行其所接收到的運(yùn)動(dòng)命令。
權(quán)利要求
1.一種帶力反饋的機(jī)械手，其特征在于采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，兩支架水平平行設(shè)置，兩支架的內(nèi)側(cè)各設(shè)有碰撞檢測開關(guān)；第一絲杠和兩根導(dǎo)軌豎直設(shè)置，兩根豎直導(dǎo)軌的兩端分別固接在兩水平平行的支架上，兩根豎直導(dǎo)軌分別豎直穿過第一滑塊，且與第一滑塊動(dòng)接觸；第一絲杠豎直穿過第一滑塊且通過第一滑塊上的螺紋與第一滑塊動(dòng)連接，第一絲杠的兩端與兩水平支架動(dòng)接觸，其中一端通過第一傳動(dòng)皮帶與第一直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出端相連；第二絲杠、另兩根導(dǎo)軌和兩支撐柱水平設(shè)置，兩支撐柱分別水平固定安裝在第一滑塊的上、下兩端，兩支撐柱的左端伸出遠(yuǎn)離第一滑塊，右端靠近第一滑塊，且兩支撐柱的兩端分別固接在另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架后部，兩豎直支架向第一滑塊的前方延伸；另兩根水平導(dǎo)軌的兩端分別固接在另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架前部，且水平穿過第二滑塊，與第二滑塊動(dòng)接觸，另兩根水平導(dǎo)軌和第二滑塊位于第一滑塊的前面，與第一滑塊無接觸；第二絲杠也水平穿過第二滑塊，第二絲杠通過第二滑塊上的螺紋與第二滑塊動(dòng)連接，第二絲杠的兩端分別與另兩個(gè)豎直支架動(dòng)接觸，其中一端通過第二傳動(dòng)皮帶與第二直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出端相連；另兩個(gè)豎直設(shè)置的支架內(nèi)側(cè)前部也分別設(shè)有碰撞檢測開關(guān)；在第二滑塊和右端設(shè)置的豎直支架上，分別設(shè)有基座，基座上固接有末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器內(nèi)側(cè)設(shè)有力傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的帶力反饋的機(jī)械手，其特征在于所述末端執(zhí)行器，為片形條狀的末端執(zhí)行器，或?yàn)閹е苯嵌说钠螚l狀的末端執(zhí)行器，其內(nèi)外分別由柔性材料和剛性材料復(fù)合而成，在內(nèi)層柔性材料的內(nèi)側(cè)面上，于中心部位軸向設(shè)有條形力傳感器；在末端執(zhí)行器的一端設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)固定孔，通過復(fù)數(shù)個(gè)螺栓固定在基座上。
3.如權(quán)利要求1所述的帶力反饋的機(jī)械手，其特征在于所述碰撞檢測開關(guān)，在豎直導(dǎo)軌上端的碰撞檢測開關(guān)和水平導(dǎo)軌左端的碰撞檢測開關(guān)兼具復(fù)位開關(guān)的功能。
4.如權(quán)利要求1或2所述的帶力反饋的機(jī)械手，其特征在于所述末端執(zhí)行器，為成對設(shè)置。
5.如權(quán)利要求2所述的帶力反饋的機(jī)械手，其特征在于所述力傳感器，其力信息被量化成1～512個(gè)量級，在夾取物體時(shí)所用力的大小根據(jù)任務(wù)需要編程設(shè)定。
全文摘要
一種帶力反饋的機(jī)械手，可以設(shè)定夾取物體時(shí)所用力的大小，獲得適中的夾持效果；具有兩自由度，采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)；它包括驅(qū)動(dòng)部分、夾持部分、傳感器部分，其中驅(qū)動(dòng)部分包括運(yùn)動(dòng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)板、直流伺服電機(jī)、垂直導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌；夾持部分即為末端執(zhí)行器；傳感器部分包括力傳感器、碰撞檢測開關(guān)和傳感器信息采集模塊。本發(fā)明的機(jī)械手具有重量輕、成本低的特點(diǎn)，可以方便地集成到移動(dòng)機(jī)器人上，使移動(dòng)機(jī)器人具有操作功能。
文檔編號B25J19/00GK1864939SQ20051007114
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者原魁, 彭一準(zhǔn), 朱海兵, 鄒偉 申請人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所