專利名稱：反饋控制的機器人手指的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種可控的機器人手指的技術(shù)，尤其是涉及一種比較反饋控制的機器人手指。
技術(shù)背景現(xiàn)有的機器人手指控制技術(shù)日新月異，在專利很多申請文件中，提出了很多機器人手指自動控制的結(jié)構(gòu)和方法，以及針對不同用處的機器人手的設(shè)計。但有些設(shè)計只能停留在概念設(shè)計階段，由于其結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化和緊湊，控制部件很難完全實現(xiàn)抓取物體的動作。對于動作矢量控制結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，申請?zhí)?1821647.1給出了這樣一種結(jié)構(gòu)裝置，該裝置是通過計算機的中心處理和移動指令的模塊發(fā)出動作指令，用于連續(xù)處理移動指令，并計算機械關(guān)節(jié)的位置矢量的裝置，該裝置實時計算機處理系統(tǒng)還包括一個動態(tài)控制算法與移動模塊通信，對關(guān)節(jié)反饋信號進行計算，修正動作矢量位置。在機器人動作矢量反饋控制的設(shè)計中很多設(shè)計給出了各種函數(shù)分析的計算控制方式，對采集的反饋信號進行差異修正等等。在這些設(shè)計中有一個共同點，就是對反饋采集系統(tǒng)只采用一種或一種傳感在多處位置進行信號采集，并對這些信號進行控制。這種設(shè)計理念對一種傳感器的依賴較大，考慮到實際應(yīng)用工作環(huán)境，會有很多影響，當(dāng)然也包括這種傳感器的設(shè)計誤差和故障因素，都會對反饋信息采集和動作矢量修正產(chǎn)生影響。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供了一種采用氣壓傳感器和彈簧引力傳感器共同比較反饋控制機器關(guān)節(jié)的反饋控制的機器人手指，其解決了現(xiàn)有技術(shù)中手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠緊湊的技術(shù)問題，同時解決了現(xiàn)有的技術(shù)中采用一種傳感器對機器關(guān)節(jié)動作矢量反饋控制會出現(xiàn)較大誤差的技術(shù)問題。
本實用新型解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
反饋控制的機器人手指包括鉸接在關(guān)節(jié)鉸接點上的各節(jié)手指桿，和鉸接在兩節(jié)手指桿之間的液壓活塞裝置及其驅(qū)動馬達泵，機構(gòu)電源，其特征在于還包括手指動作矢量測量反饋部件；手指動作矢量測量反饋部件包括氣壓活塞，鉸接在相鄰兩節(jié)手指桿之間的氣壓傳感器及其它附屬結(jié)構(gòu)，在關(guān)節(jié)彎曲時手指桿作用的引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)及控制前兩組傳感器發(fā)出的反饋輸入信號和調(diào)整的驅(qū)動馬達泵輸出信號的控制裝置。
本實用新型在相鄰兩節(jié)手指桿伸直后，液壓活塞和氣壓活塞均處在兩節(jié)手指桿所圍成的柱體空間內(nèi)。
本實用新型設(shè)在液壓活塞和氣壓活塞上的壓力管從關(guān)節(jié)彎曲方向相背的位置上引出。
本實用新型的引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)設(shè)在相對于關(guān)節(jié)彎曲方向的相背面的一側(cè)邊緣上；引力傳感器固定在一節(jié)手指桿上，其感觸表面固接一段彈簧的一端，彈簧另一端固連一根鋼絲，鋼絲與關(guān)節(jié)一側(cè)的最外緣的鉸接臂頭端的凸輪表面接觸，鋼絲最后固定在另一節(jié)手指桿上，拉緊的彈簧中心線及鋼絲線所形成的直線垂直于關(guān)節(jié)鉸接軸線。凸輪表面所呈的弧線是一拋物線，關(guān)節(jié)緩慢彎曲，凸輪能使彈簧比較均勻的拉伸變形；當(dāng)關(guān)節(jié)的兩手指桿伸直成直線狀時，也能保證凸輪和鋼絲接觸。在凸輪凸起的另一側(cè)，當(dāng)兩手指桿成90度時，另一手指桿剛好觸到的位置設(shè)有一擋塊。
控制裝置包含CPU，分別和CPU相連的內(nèi)存，操作系統(tǒng)存儲器，動作指令程序存儲器，基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)緩沖存儲器，輸出信號的D/A轉(zhuǎn)換通道；數(shù)據(jù)緩沖存儲器和A/D轉(zhuǎn)換通道相接，A/D轉(zhuǎn)換通道又和I/O接口相連，I/O接口又分別連有氣壓傳感器，引力傳感器的輸入線；D/A轉(zhuǎn)換通道和驅(qū)動馬達泵指令信號輸出線之間是I/O接口。在控制系統(tǒng)中，每一個關(guān)節(jié)在數(shù)據(jù)緩沖存儲器中設(shè)有一個存儲單元和兩個A/D通道，及一個D/A通道；每個數(shù)據(jù)緩沖存儲器存儲單元又分為兩個地址，引力傳感器和氣壓傳感器反饋信號數(shù)據(jù)分別存入其中的一個對應(yīng)的固定不變的地址，通過中間的I/O接口，兩個A/D通道對應(yīng)連接有一個引力傳感器和一個氣壓傳感器的輸入線，一個D/A通道連有一個驅(qū)動馬達泵輸出線。在基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器中為每一個關(guān)節(jié)設(shè)有一個基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲單元。
采用氣動傳感器和彈簧引力傳感器兩種不同的感測裝置從不同的方式來測量機械手指關(guān)節(jié)動作矢量狀況，將反饋數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，在和基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器中的對應(yīng)數(shù)據(jù)進行比較計算，優(yōu)化校正，并將優(yōu)化數(shù)據(jù)再傳給液壓裝置馬達驅(qū)動泵，完成了一個時刻一個關(guān)節(jié)的動作矢量的調(diào)整。當(dāng)然這個調(diào)整是實時的。這種結(jié)構(gòu)不是簡單的將不同傳感器羅列，在不同位置多設(shè)幾個，而是采用不同方式，獨立的采集，并進行三個數(shù)據(jù)的比較。有效降低控制誤差。
對液壓活塞裝置和氣壓傳感器的氣壓活塞裝置的位置設(shè)定，是出于減少機械手的整體構(gòu)造空間來考慮的，相鄰兩節(jié)手指桿伸直后，液壓活塞和氣壓活塞均處在兩節(jié)手指桿所圍成的柱體空間內(nèi)，當(dāng)關(guān)節(jié)彎曲，兩者處在這個變化了的柱體空間之外的部分并不是很多，也就是說，活塞的長度短粗。其要比將活塞設(shè)在關(guān)節(jié)柱體外部兩側(cè)的設(shè)計要美觀?？紤]到機械手有好幾根手指，這種設(shè)計會減少各根手指之間的影響。兩個活塞的壓力管引出位置是考慮到當(dāng)關(guān)節(jié)彎曲抓取物體時，物體不會觸到管子。其設(shè)置的位置相當(dāng)于人手的手背一面。
彈簧引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)在機械關(guān)節(jié)上也是設(shè)在類似人手手背的一側(cè)，不光出于這個目的，還考慮到對關(guān)節(jié)彎曲的位置矢量感測的問題。關(guān)節(jié)彎曲時，帶凸輪的手指桿相對于另一節(jié)手指干旋轉(zhuǎn)，而同時固定在兩手指桿上的彈簧和鋼絲拉線機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的凸輪面將這個拉線機構(gòu)突起，彈簧拉伸，拉動引力傳感器，完成實時位置測量。鋼絲的長度要一定穿過凸輪，再過一段距離。在每一關(guān)節(jié)鉸接點處，其中的一個關(guān)節(jié)要設(shè)一限位擋塊，防止關(guān)節(jié)反向彎曲。關(guān)節(jié)的最大彎曲角度不能超過180度，也就是說，兩手指節(jié)伸直后，不能向手背方向彎曲。
對于反饋信號控制裝置，首先要保證每一個關(guān)節(jié)都有一套基準動作矢量指令數(shù)據(jù)及其存儲單元，這個數(shù)據(jù)是液壓裝置驅(qū)動馬達泵的動作數(shù)據(jù)。各個關(guān)節(jié)的動作情況是不同的。
當(dāng)一組實時信號傳入CPU后，系統(tǒng)進行比較兩者的比值大小，是否比較接近，如接近，再和基準動作矢量數(shù)據(jù)比較，三者數(shù)據(jù)接近，經(jīng)過加權(quán)平均，計算值輸出。如一組信號的兩個值有較大不同，那再和基準動作矢量數(shù)據(jù)比較，三者中比較接近的兩個值加權(quán)平均，計算值輸出，并將發(fā)出指令檢查該傳感器線路的故障問題。如一組信號的兩個值比較一致，均和基準動作矢量數(shù)據(jù)有較大差距，那就取前兩值加權(quán)平均，計算值輸出，并發(fā)出指令檢查該液壓裝置驅(qū)動馬達泵和線路的故障問題。
本實用新型提到的是一個二維矢量控制模式結(jié)構(gòu)，當(dāng)然對于一個三維矢量控制結(jié)構(gòu)模式也是適用的。只需添加立體控制的傳感器，控制系統(tǒng)中添加三維控制的存儲結(jié)構(gòu)單元和基準動作矢量數(shù)據(jù)。
本實用新型的有益效果是通過兩組不同的數(shù)據(jù)反饋結(jié)構(gòu)和控制比較修正裝置，大大降低了關(guān)節(jié)動作矢量的控制誤差，減少了外界環(huán)境，及內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障和校準誤差對矢量控制的影響；同時設(shè)計機構(gòu)緊湊優(yōu)化，外形美觀，在機械手抓取過程中，大大降低了關(guān)節(jié)突出的控制部件動作的影響。


圖1是本實用新型的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和控制裝置示意圖；圖2是本實用新型的控制裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的正視圖；
圖4是本實用新型的關(guān)節(jié)鉸接處凸輪結(jié)構(gòu)示意圖。
1a手指桿 1b手指桿 2鉸接軸線 3凸輪鉸接臂 4液壓活塞 5氣壓活塞6a壓力管 6b壓力管 7彈簧 8驅(qū)動馬達泵 9氣壓傳感器 10引力傳感器11鋼絲 12凸輪 13擋塊具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明在圖1所示的實施例中，體現(xiàn)的是一個關(guān)節(jié)各裝置結(jié)構(gòu)的分布情況，及控制裝置結(jié)構(gòu)粗框。一個關(guān)節(jié)中的兩個手指桿1a和1b，鉸接在關(guān)節(jié)鉸接軸線2上，液壓活塞4和氣壓活塞5兩端鉸接在兩手指桿1a和1b上。驅(qū)動馬達泵8接受指令，將水通過壓力管6a注入或流出液壓活塞4，液壓活塞4的活塞桿拉動手指桿1a和1b彎曲。手指桿1a和1b彎曲帶動氣動活塞5的活塞桿運動，氣動活塞5壓縮氣體，氣體壓強變化，氣壓傳感器9測量壓強，并發(fā)出反饋信號。鋼絲11一端固定在手指桿1b上，另一端和彈簧7固連，彈簧7再和引力傳感器10固連，引力傳感器10固定在手指桿1a上。手指桿1a和1b旋轉(zhuǎn)，凸輪12轉(zhuǎn)動，鋼絲11被凸輪12凸起，引起彈簧7的拉伸變化，引力傳感器10感受拉力的變化，并發(fā)出反饋信號。
在具體工作時，控制裝置中的氣動傳感器9和引力傳感器10同時測量到一個實時動作矢量測量值，通過各自的A/D轉(zhuǎn)換通道，傳到對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖存儲器的存儲單元，這些數(shù)據(jù)在CPU的工作控制下，調(diào)入內(nèi)存，作對比，組出比較結(jié)果，然后將基準動作矢量存儲器中的對應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，再和前兩個值再作對比，根據(jù)程序作出數(shù)值取舍。取舍原則是當(dāng)一組實時信號傳入CPU后，系統(tǒng)進行比較兩者的比值大小，是否比較接近，如接近，再和基準動作矢量數(shù)據(jù)比較，三者數(shù)據(jù)接近，經(jīng)過加權(quán)平均，計算值輸出。如一組信號的兩個值有較大不同，那再和基準動作矢量數(shù)據(jù)比較，三者中比較接近的兩個值加權(quán)平均，計算值輸出，并將發(fā)出指令檢查該傳感器線路的故障問題。如一組信號的兩個值比較一致，均和基準動作矢量數(shù)據(jù)有較大差距，那就取前兩值加權(quán)平均，計算值輸出，并發(fā)出指令檢查該液壓裝置驅(qū)動馬達泵8和線路的故障問題。計算值直接通過D/A通道傳到液壓裝置驅(qū)動馬達泵8調(diào)整位置矢量。
在圖2所示的實施例中，在本圖中是設(shè)定三個關(guān)節(jié)的控制裝置整體結(jié)構(gòu)。三個氣動傳感器9和三個引力傳感器10的導(dǎo)線經(jīng)I/O接口，通過總線結(jié)構(gòu)，分別通過六個A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，將反饋信號傳到三個數(shù)據(jù)緩沖存儲器中，存到各自的存儲單元中。這些實時數(shù)據(jù)在CPU的安排下，指令排序，一組一組的將氣動傳感器9的反饋信號和引力傳感器10的反饋信號一起調(diào)入內(nèi)存中，再從指令集存儲器中調(diào)入對比程序指令，比較數(shù)值差異，作出判斷，然后再將基準動作矢量存儲器中的三個存儲單元中對應(yīng)的那個關(guān)節(jié)的存儲單元的存儲數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，三個數(shù)據(jù)再作比較，根據(jù)程序作出數(shù)據(jù)取舍和計算，并將校正數(shù)據(jù)通過總線及三個D/A通道中對應(yīng)的那個通道，最后經(jīng)I/O接口將指令傳給液壓裝置驅(qū)動馬達泵8，完成一個關(guān)節(jié)實時動作矢量的調(diào)整。
在圖3所示的實施例中，當(dāng)兩手指桿1a和1b處于伸直狀態(tài)時，關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)，液壓活塞4比氣壓活塞5半徑大，體積盡可能的大是為了增加液體體積注入量，減少誤差。且前者處于鉸接軸線3較中點的位置。
引力傳感器10及其附屬結(jié)構(gòu)設(shè)在手指桿1a和1b彎曲的另一面，也就是說類似人手手背的一面。且在手指桿1a和1b的背面一側(cè)處，彈簧7軸線及鋼絲11和鉸接軸線3垂直，且在凸輪12鉸接臂外側(cè)方，鋼絲和凸輪12表面中間處接觸。
在圖4所示的實施例中，可以直觀的看到凸輪12拋物線形狀，旋轉(zhuǎn)的凸輪面將鋼絲11凸起，當(dāng)關(guān)節(jié)的兩手指桿1a和1b伸直成直線狀時，也能保證凸輪12和鋼絲11接觸。在凸輪12凸起的另一側(cè)，當(dāng)兩手指桿1a和1b成90度時，在另一手指桿1a剛好觸到的位置設(shè)有一擋塊13。圖4a是兩手指桿彎曲時，兩者鉸接處的結(jié)構(gòu)示意圖，擋塊13遠離手指桿1a，不會影響關(guān)節(jié)的彎曲。圖4b是兩手指桿1a和1b伸直時，兩者鉸接處的結(jié)構(gòu)示意圖，因擋塊13碰到手指桿1a，使兩手指桿1a和1b不能向手背面彎曲。
權(quán)利要求1.反饋控制的機器人手指，包括鉸接在關(guān)節(jié)鉸接點上的各節(jié)手指桿，和鉸接在兩節(jié)手指桿之間的液壓活塞裝置及其驅(qū)動馬達泵，機構(gòu)電源，其特征在于還包括手指動作矢量測量反饋部件；手指動作矢量測量反饋部件包括氣壓活塞，鉸接在相鄰兩節(jié)手指桿之間的氣壓傳感器及其它附屬結(jié)構(gòu)，在關(guān)節(jié)彎曲時手指桿作用的引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)及控制前兩組傳感器發(fā)出的反饋輸入信號和調(diào)整的驅(qū)動馬達泵輸出信號的控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述控制裝置包含CPU，分別和CPU相連的內(nèi)存，操作系統(tǒng)存儲器，動作指令程序存儲器，基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)緩沖存儲器，輸出信號的D/A轉(zhuǎn)換通道；數(shù)據(jù)緩沖存儲器和A/D轉(zhuǎn)換通道相接，A/D轉(zhuǎn)換通道又和I/O接口相連，I/O接口又分別連有氣壓傳感器，引力傳感器的輸入線；D/A轉(zhuǎn)換通道和驅(qū)動馬達泵指令信號輸出線之間是I/O接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于在控制裝置中，每一個關(guān)節(jié)在數(shù)據(jù)緩沖存儲器中設(shè)有一個存儲單元和兩個A/D通道，及一個D/A通道；每個數(shù)據(jù)緩沖存儲器存儲單元又分為兩個地址，引力傳感器和氣壓傳感器反饋信號數(shù)據(jù)分別存入其中的一個對應(yīng)的固定不變的地址，通過中間的I/O接口，兩個A/D通道對應(yīng)連接有一個引力傳感器和一個氣壓傳感器的輸入線，一個D/A通道連有一個驅(qū)動馬達泵輸出線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于在基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器中為每一個關(guān)節(jié)設(shè)有一個基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述相鄰兩節(jié)手指桿伸直后，液壓活塞和氣壓活塞均處在兩節(jié)手指桿所圍成的柱體空間內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述液壓活塞和氣壓活塞上設(shè)有的壓力管在和關(guān)節(jié)彎曲方向相背的位置上引出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述引力傳感器固定在一節(jié)手指桿上，其感觸表面固接一段彈簧的一端，彈簧另一端固連一根鋼絲，鋼絲和關(guān)節(jié)一側(cè)的最外緣的鉸接臂頭端的凸輪表面接觸，鋼絲最后固定在另一節(jié)手指桿上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)設(shè)在相對于關(guān)節(jié)彎曲方向的相背面的一側(cè)邊緣上，拉緊的彈簧中心線及鋼絲所形成的直線垂直于關(guān)節(jié)鉸接軸線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所屬述的反饋控制的機器人手指，其特征在于所述凸輪表面所呈的弧線是一拋物線，關(guān)節(jié)緩慢彎曲，凸輪能使彈簧比較均勻的拉伸變形；當(dāng)關(guān)節(jié)的兩手指桿伸直成直線狀時，也能保證凸輪和鋼絲接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的反饋控制的機器人手指，其特征在于在凸輪凸起的另一側(cè)，當(dāng)兩手指桿成90度時，另一手指桿剛好觸到的位置設(shè)有一擋塊。
專利摘要反饋控制的機器人手指，包括鉸接的各節(jié)手指桿，鉸接在兩節(jié)手指桿之間的液壓活塞裝置及其驅(qū)動馬達泵，機構(gòu)電源，手指動作矢量測量反饋的部件有鉸接在相鄰兩節(jié)手指桿之間的氣壓傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)，手指桿彎曲間接觸動的引力傳感器及其附屬結(jié)構(gòu)，及控制前兩組傳感器發(fā)出的反饋信號輸入和修正的馬達泵輸出信號的控制裝置。控制裝置包含CPU，分別和CPU相連的內(nèi)存，基準動作矢量數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)緩沖存儲器，及D/A轉(zhuǎn)換通道，數(shù)據(jù)緩沖存儲器又分有引力傳感器和氣壓傳感器的信號數(shù)據(jù)存儲單元，它們分別連有A/D轉(zhuǎn)換通道。本設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)動作矢量調(diào)節(jié)誤差小。
文檔編號B25J15/00GK2832455SQ20052004442
公開日2006年11月1日 申請日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者張承棟 申請人:上海市上海中學(xué)