專利名稱：一種帶力反饋的機械手的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及機械手，屬于機器人領域，特別是可以應用到智能移動機器人系統中。
背景技術：
1961年，美國的UNIMATION公司推出第一個伺服控制的工業機器人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商用機器人，從此，機器人進入實用化階段，此后，機器人的功能逐漸強大，種類日益增多，越來越廣泛而深入地影響著人類的生產與生活。
移動機器人是機器人的一個重要分支，在21世紀有著廣闊的應用前景，如賓館商場的迎賓導游、導購，醫院護理，社區巡邏，軍事偵察等。在移動機器人上集成機械手，使其具有操作的能力，則更能適用環境和勝任更多的工作，能在各種危險場合下代替人的工作，如公安排爆，核輻射環境下的物體搬運。
在集成移動機器人和操作手過程中，已有的一種思路是將成熟的工業機械手同移動平臺結合起來，由于工業機械手質量大，能源消耗大，在運動過程中會產生較大的耦合力作用在移動平臺上，影響平臺的穩定，從而影響操作的精度；此外，移動機器人攜帶電池的能源有限，成熟的工業機械手能源消耗大對整個系統的運行時間影響很大。
因此有必要針對移動機器人這個特定的平臺，研究開發既能勝任操作任務，且質量輕，耗能小的機械手。
發明內容
本發明的目的是提供一種既能勝任操作任務，且質量輕，耗能小的機械手。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種帶力反饋的機械手，其采用直角坐標結構，兩支架水平平行設置，兩支架的內側各設有碰撞檢測開關；第一絲杠和兩根導軌豎直設置，兩根豎直導軌的兩端分別固接在兩水平平行的支架上，兩根豎直導軌分別豎直穿過第一滑塊，且與第一滑塊動接觸；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連接，第一絲杠的兩端與兩水平支架動接觸，其中一端通過第一傳動皮帶與第一直流伺服電機轉軸的輸出端相連；第二絲杠、另兩根導軌和兩支撐柱水平設置，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豎直設置的支架后部，兩豎直支架向第一滑塊的前方延伸；另兩根水平導軌的兩端分別固接在另兩個豎直設置的支架前部，且水平穿過第二滑塊，與第二滑塊動接觸，另兩根水平導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連接，第二絲杠的兩端分別與另兩個豎直支架動接觸，其中一端通過第二傳動皮帶與第二直流伺服電機轉軸的輸出端相連；另兩個豎直設置的支架內側前部也分別設有碰撞檢測開關；在第二滑塊和右端設置的豎直支架上，分別設有基座，基座上固接有末端執行器，末端執行器內側設有力傳感器。
所述的帶力反饋的機械手，其所述末端執行器，為片形條狀的末端執行器，或為帶直角端的片形條狀的末端執行器，其內外分別由柔性材料和剛性材料復合而成，在內層柔性材料的內側面上，于中心部位軸向設有條形力傳感器；在末端執行器的一端設有復數個固定孔，通過復數個螺栓固定在基座上。
所述的帶力反饋的機械手，其所述碰撞檢測開關，在豎直導軌上端的碰撞檢測開關和水平導軌左端的碰撞檢測開關兼具復位開關的功能。
所述的帶力反饋的機械手，其所述末端執行器，為成對設置。
所述的帶力反饋的機械手，其所述力傳感器，其力信息被量化成1～512個量級，在夾取物體時所用力的大小根據任務需要編程設定。
本發明機械手質量輕，耗能小，成本低，搬運物體靈活，能方便地集成到移動機器人平臺上。
圖1是本發明機械手驅動結構平視圖；圖2是本發明機械手末端執行器實例一平視圖；圖3是本發明機械手末端執行器實例二平視圖；圖4是本發明機械手末端執行器截面圖；圖5是本發明機械手功能模塊圖。
具體實施例方式
本發明的機械手，由驅動部分，末端執行器，傳感器部分構成。
驅動部分有兩個自由度，采用直角坐標結構，分別由兩個直流伺服電機控制，并為此配備了功率驅動板和運動控制DSP板，可以精確地控制末端執行器的位置。
末端執行器可以方便地安裝到驅動部分上或從驅動部分卸下，面向不同的任務時能選擇合適的末端執行器。
傳感器部分包括兩個力傳感器，以及A/D轉換電路，4個碰撞檢測開關，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動部分的運動。
如圖1所示，本發明機械手采用直角坐標結構，兩支架15a、15b水平平行設置，兩支架15a、15b的內側各設有碰撞檢測開關14a和14b。絲杠3和兩根導軌4豎直設置，兩根導軌4分別豎直穿過滑塊11，且與滑塊11動接觸，兩根導軌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動連接，絲杠3的兩端與兩支架15a、15b動接觸，其中一端通過傳動皮帶2與直流伺服電機1轉軸的輸出端相連。絲杠7、兩根導軌10和兩支撐柱17水平設置，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。兩根導軌10水平穿過滑塊8，與滑塊8動接觸，并位于滑塊11的前面，與滑塊11無接觸，兩根導軌10的兩端固接在豎直設置的支架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動接觸，其中一端通過傳動皮帶6與直流伺服電機5轉軸的輸出端相連。豎直設置的支架16a、16b的內側前部設有碰撞檢測開關13a和13b。
在滑塊8和豎直設置的支架16b上，分別設有基座9和基座12。基座9和基座12上通過固緊螺絲安裝末端執行器。末端執行器有兩種，一種如圖2所示，為片形條狀的末端執行器19，一種如圖3所示，為帶直角端的片形條狀的末端執行器22。末端執行器19、22的結構，如圖4所示，其內外分別由柔性材料23和剛性材料24復合而成，在內層柔性材料23的內側面上，于中心部位軸向設有條形力傳感器20。
圖5為本發明機械手功能模塊連接示意圖。本發明機械手功能模塊，由系統主控模塊101、運動控制模塊201、功率驅動模塊202、傳感器信息采集模塊301、A/D轉換模塊302組成，上述功能模塊按常規分別與直流伺服電機1、5，力傳感器17和碰撞檢測開關13a、13b、14a、14b電連接。本發明機械手的驅動部分有獨立的驅動電路和控制電路，可以方便地集成到移動機器人系統中。
直流伺服電機1通過傳動皮帶2帶動絲杠3，絲杠3驅動滑塊11沿導軌4做垂直方向的運動，控制本發明機械手末端執行器的上下位置；在導軌4的上下兩端處分別有一個碰撞檢測開關14a和14b，確保垂直方向在行程范圍內運行，同時上面的碰撞檢測開關14a還兼垂直方向自由度復位開關的功能，當機械手處于準備就緒狀態時，14a應處于閉合的狀態。直流伺服電機5通過傳動皮帶6帶動絲杠7，絲杠7驅動滑塊8沿導軌10做水平方向的運動，控制本發明機械手末端執行器的開合位置；在導軌10的左右兩端處分別有一碰撞檢測開關13a和13b，確保水平方向在行程范圍內運行，同時左邊的碰撞檢測開關13a還兼有水平方向自由度復位開關的功能，當機械手處于準備就緒狀態時，13a應處于閉合狀態。
針對抓取對象的形狀和位置的不同，設計了兩種末端執行器，即圖2中的實例一，為末端執行器19，圖3中實例二，為末端執行器22，它們分別通過安裝孔各自成對地和基座9和12相連。
在末端執行器19、22內側的壓力傳感器，即圖2，圖3，圖4中的壓力傳感器20，當末端執行器19、22夾持到物體時，力傳感器20的電阻值隨壓力大小線性變化。經過A/D轉換模塊302和傳感器信息采集模塊301的處理，力信息被量化成1-512之間的某一個值。在夾取物體時，所用力的大小可根據任務需要編程設定。
本發明機械手在工作時，A/D轉換模塊302實時從壓力傳感器20采集模擬力信號，并轉化成數字信號輸出到傳感器信息采集模塊301，同時傳感器信息采集模塊301還采集碰撞檢測開關13a、13b、14a、14b的狀態，系統主控模塊101根據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13a、13b、14a、14b的狀態，再結合其自身的運動規劃算法，生成運動控制命令發送到運動控制模塊201，運動控制模塊201通過功率驅動模塊202驅動直流伺服電機1、5運動，同時讀取直流伺服電機1、5的碼盤數據，以準確地執行其所接收到的運動命令。
權利要求
1.一種帶力反饋的機械手，其特征在于采用直角坐標結構，兩支架水平平行設置，兩支架的內側各設有碰撞檢測開關；第一絲杠和兩根導軌豎直設置，兩根豎直導軌的兩端分別固接在兩水平平行的支架上，兩根豎直導軌分別豎直穿過第一滑塊，且與第一滑塊動接觸；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連接，第一絲杠的兩端與兩水平支架動接觸，其中一端通過第一傳動皮帶與第一直流伺服電機轉軸的輸出端相連；第二絲杠、另兩根導軌和兩支撐柱水平設置，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豎直設置的支架后部，兩豎直支架向第一滑塊的前方延伸；另兩根水平導軌的兩端分別固接在另兩個豎直設置的支架前部，且水平穿過第二滑塊，與第二滑塊動接觸，另兩根水平導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連接，第二絲杠的兩端分別與另兩個豎直支架動接觸，其中一端通過第二傳動皮帶與第二直流伺服電機轉軸的輸出端相連；另兩個豎直設置的支架內側前部也分別設有碰撞檢測開關；在第二滑塊和右端設置的豎直支架上，分別設有基座，基座上固接有末端執行器，末端執行器內側設有力傳感器。
2.如權利要求1所述的帶力反饋的機械手，其特征在于所述末端執行器，為片形條狀的末端執行器，或為帶直角端的片形條狀的末端執行器，其內外分別由柔性材料和剛性材料復合而成，在內層柔性材料的內側面上，于中心部位軸向設有條形力傳感器；在末端執行器的一端設有復數個固定孔，通過復數個螺栓固定在基座上。
3.如權利要求1所述的帶力反饋的機械手，其特征在于所述碰撞檢測開關，在豎直導軌上端的碰撞檢測開關和水平導軌左端的碰撞檢測開關兼具復位開關的功能。
4.如權利要求1或2所述的帶力反饋的機械手，其特征在于所述末端執行器，為成對設置。
5.如權利要求2所述的帶力反饋的機械手，其特征在于所述力傳感器，其力信息被量化成1～512個量級，在夾取物體時所用力的大小根據任務需要編程設定。
全文摘要
一種帶力反饋的機械手，可以設定夾取物體時所用力的大小，獲得適中的夾持效果；具有兩自由度，采用直角坐標結構；它包括驅動部分、夾持部分、傳感器部分，其中驅動部分包括運動控制器、功率驅動板、直流伺服電機、垂直導軌和水平導軌；夾持部分即為末端執行器；傳感器部分包括力傳感器、碰撞檢測開關和傳感器信息采集模塊。本發明的機械手具有重量輕、成本低的特點，可以方便地集成到移動機器人上，使移動機器人具有操作功能。
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 優先權日2005年5月20日
發明者原魁, 彭一準, 朱海兵, 鄒偉 申請人:中國科學院自動化研究所