專利名稱：三感覺機械手的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種機械手，特別是一種帶傳感器的機械手。
機械手一般都是由傳動部分、手爪、驅動電路和控制器構成。機械手按其手瓜結構可分為雙指型及多指型機械手，而手指又有單關節和多關節之分。無論哪種機械手，它們都是以抓取具有一定形狀的物體為目的的。現有的一般作業用機械手是不帶傳感器、或只帶一些起安全作用的傳感器，這類機械手被稱作無感覺非柔性機械手。這種機械手的手爪在作業過程中，可能產生以下情況硬接觸、硬爪取，要造成碰撞和沖擊，對定位不準的物體更是如此；例如，抓取易碎、易爆物體，可能造成不可挽回的損失。它不能進行軟接觸和軟抓取，即不能以最小的夾緊力抓取物體，故此使用范圍受到了一定的限制。有些機械手盡管也帶有傳感器，但它們往往只作一些特殊用途如焊接機械手帶有輪廓跟蹤傳感器；裝配機械手帶有力傳感器等。
本實用新型的目的是提供一種具有接近覺、接觸覺、滑動覺的智能機械手，從而對物體能進行軟接觸及軟抓取。
本實用新型的實質在于手爪的構成是由電機驅動的蝸桿，并在與其相匹配的兩個扇形蝸輪上，各連接一根以蝸桿為對稱軸的連桿一端，這兩根連桿的另一端分別連接一個設置接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動覺傳感器于指殼座上的手指；罩于蝸桿及兩個扇形蝸輪外圍的、它的上面與電機一樣固連在法蘭盤上的手爪體，手爪體與兩個手指之間各連接一根在上述連桿外側的、并且以蝸桿為對稱軸的連桿所組成。這樣通過兩組連桿、兩個扇形蝸輪及手爪體一起，構成以蝸輪為對稱軸的成活動連接的兩個四邊形。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述。


圖1是傳動臂及手爪的局部剖視結構示意圖。
圖2是本實用新型的原理方框圖。
圖3是接近覺、接觸覺、滑動覺三感覺組合一體的剖視結構圖。
圖4是紅外發射器的剖視結構圖(紅外探測器的剖視結構與此圖相同)。
圖5是接近覺傳感器信號處理裝置的一種電路實例。
圖6是表皮保護層的幾種形狀。
參照
圖1，傳動臂18由步進電機1帶動絲杠螺母傳動副，經直桿3與手爪19的法蘭盤4是固定連接，轉動時，帶動直桿3、法蘭盤4(即帶動整個手爪19)運動。整個傳動臂罩在外殼2中。手爪19以電機5驅動蝸桿7，電機5固定在手爪19內。在兩個與蝸桿7相匹配的扇形蝸輪8、17上，各連接一根以蝸桿7為對稱軸的連桿10、15的一端，這兩根連桿10、15的另一端分別連接一個設置接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動覺傳感器于指殼座12、14上的手指。罩于蝸桿7及扇形蝸輪8、17外圍的、而它的上面固定連接在法蘭盤4上的手爪體6，手爪體6與兩個手指之間各連接一根在連桿10、15外側的，并以蝸桿7為對稱軸的連桿9、16所組成。以蝸桿7為對稱軸分于兩側的連桿10、9，15、16，各自平行且相等，構成為軸對稱的兩端都成鉸鏈連接的兩個平行四邊形。兩個手指是由兩個具有三感覺傳感器13和指殼座12、14組成。彈簧11作為消除蝸桿7傳動回差用。
參照
圖1、圖2，機械手的工作過程如下手爪19在電機5驅動下，手指張開至設定范圍，信號處理裝置20輸入手爪19的接近覺傳感器調制信號，手爪19由傳動臂18移動到被抓物所在位置，手指先以快速度夾向物體，當接近覺傳感器感知接近物體(最大接近距離15毫米)時，抓取動作減速，直到手指接觸到物體表面。接觸物體表面的信號由接觸覺傳感器感知，并送入信號處理裝置20，微處理器21接收到該信號后控制驅動裝置31，給手爪19一個預夾緊力，然后開始作抓取作業。若作業中物體與手指間產生相對滑動，滑覺信號同樣經信號處理裝置20送到微處理器21，由微處理器21控制驅動裝置31增加對物體的夾緊力，這一過程持續到手爪19能穩定地抓取物體為止。
接觸覺傳感器和滑動覺傳感器的實質在于使用高分子壓電材料聚偏氟乙烯(PVDF)作為敏感材料，它的壓電電壓常數很高，故很靈敏，很適合作動態檢測。整個組合后的三感覺傳感器13的結構如圖3所示。接觸覺傳感器和滑動覺傳感器，都是由復蓋在用來充實金屬殼底座26內腔的絕緣橡膠基底25表面的聚偏氟乙烯膜24(其二面是有銀膜的)；其上側面一個電極是銅箔23，用導電膠使銅箔23與聚偏氟乙烯膜24的上表面銀膜和金屬外殼底座26粘接牢，作接地端；另一個電極則是穿過金屬外殼底座26及絕緣橡膠基底25，與聚偏氟乙烯膜24的下表面銀膜中間相連的導電膠29與信號處理裝置相連；和最上面的絕緣橡膠表皮保護層22所構成。表皮保護層22起到保護聚偏氟乙烯膜24及傳遞力的作用。接近覺傳感器是由紅外發射器27、紅外探測器30及其信號處理裝置構成。接觸覺傳感器和滑動覺傳感器是同一個傳感器，它們只是在輸出信號上抽取不同的特征值、作為接觸覺或滑動覺的判據，所以可稱其為接觸覺滑動覺傳感器。接近覺傳感器的紅外發射器27、紅外探測器30穿透在金屬外殼底座26、絕緣橡膠基底25、聚偏氟乙烯膜24及絕緣橡膠表皮保護層22的中間，它們的頭都在表皮保護層22中間的孔洞處，與接觸覺滑動覺傳感器組合成一個整體，成為三感覺傳感器13。三感覺傳感器13相互協調，完成手爪19對物體抓取過程的軟接觸及軟抓取。接近覺傳感器既可用反射光強法，也可用相移法來測量它與被抓取物體接近的距離。紅外發射器27、紅外探測器30及接觸覺滑動覺傳感器都與信號處理裝置20相連接。當物體接近該傳感器表皮保護層22時，接近覺紅外探測器30接收到信號，輸入到信號處理裝置20，使手爪19抓取速度減慢，成為軟接觸。當物體接觸表皮保護層22時，接觸壓力即通過表皮保護層22、傳至聚偏氟乙烯膜24產生接觸信號，就輸入信號處理裝置20。滑動覺信號的產生是簡接的當物體與手指表面的表皮保護層22之間產生相對滑動時，表皮保護層22要產生微振動，所以滑動覺信號就是該微振動經聚偏氟乙烯膜24產生的微振動信號，輸入信號處理裝置20。為更好的傳遞接觸壓力和感知這一滑動信號，對傳感器表皮保護層22的結構形狀是有一定要求的。圖6是幾種實施例，其中圖6a是圓臺形點陣狀，圖6b是三角形齒圓弧狀，這兩種形狀的表皮保護層22能全方位感知滑動現象；圖6c是三角形齒直紋狀，這種表皮保護層22只能在垂直于該齒紋的方向上感知滑動現象。接近覺、接觸覺及滑動覺信號由低噪聲電纜線28輸入信號處理裝置20。
接近覺傳感器的紅外發射器27與紅外探測器30，其結構十分類似。紅外發射器27是將紅外發光二極管32，用環氧樹脂35封裝在形如鉚釘狀的金屬殼體33內，如圖4所示，其電極引出線是φ2毫米的低噪聲電纜線28，在紅外發光二極管32的前面是和金屬殼體33內側是紅外濾光片34。紅外探測器30與紅外發射器27不同之處，只是紅外探測器30用的是硅光敏三極管，而紅外發射器27用的是紅外發光二極管32，其余結構完全相同。
圖5給出了接近覺傳感器的信號處理裝置的一種電路實例，為反射光強法測距電路。方波信號由NE555產生，輸出信號一路送解調電路，另一路則通過兩個反向器，分別控制開關管G1、G2的導通和截止。這樣，接在開關管G2集電極上的紅外發射器27，就斷續發出紅外信號。它的發射功率則由運算放大器A1組成的反饋電路進行控制，R7是調節電位器。運算放大器A2及電阻R10、R11構成紅外探測器30的信號取出及初級放大電路，C2為耦合電容。運算放大器A3、A4，場效應管G4及三極管G5構成解調及放大電路，C3為濾波電容。解調電路的工作過程如下首先，運算放大器A3對耦合電容C2輸出信號反向并放大一倍，由場效應管G4對一負值信號實施截止。這樣處理的信號再與耦合電容C2處的信號組成加法器，便恢復了方波信號的線性值，體現紅外探測器30所接收到的光的強弱。該恢復信號再經濾波電容C3濾波后，就獲得較為滿意的輸出信號，可直接接入與微處理器相連的A／D轉換器，進行控制算法運算。
信號處理及控制算法用的微處理器，可以是單板機或單片機，這由系統所需的計算量及要求的速度來決定。控制驅動步進電機的脈沖信號由PIO輸出，運行頻率則由CTC中斷加以保證。
本實用新型提供的機械手，由于擁有接近覺、接觸覺和滑動覺這三種感覺，所以它能自適應地對物體進行軟接觸、軟抓取，能夠以最小的夾緊力穩定地抓取物體。它能成功地抓取能承受的重物，又能抓取輕至1.5克的空火柴盒(無明顯變形)，還能抓取易破碎的雞蛋、玻璃瓶等。它可被安裝在特殊作業的機械設備及深海、航天等未知作業場合使用的機器人上。
權利要求1.一種三感覺機械手，由傳動臂[18]、具有電機[5]的手爪[19]、信號處理裝置[20]、微處理器[21]和驅動裝置[31]構成，其特征在于所述的手爪[19]是由電機[5]驅動的蝸桿[7]，與其相匹配的兩個扇形蝸輪[8、17]上，各連接一根以蝸桿[7]為對稱軸的連桿[10、15]，它們的另一端分別連接一個設置接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動覺傳感器于指殼座上的手指，罩于蝸桿[7]及扇形蝸輪[8、17]外圍的、上面固連在法蘭盤[4]上的手爪體[6]，與兩個手指之間各連接一根在連桿[10、15]外側的、以蝸桿為對稱軸的連桿[9、16]所組成。
2.根據權利要求1所述的三感覺機械手，其特征在于接觸覺傳感器、滑動覺傳感器，都是由復蓋在用來充實金屬殼底座〔26〕內腔的絕緣橡膠基底〔25〕表面的聚偏氟乙烯膜〔24〕，其上面一個電極是和金屬外殼底座〔26〕相連的銅箔〔23〕，另一個電極是穿過金屬外殼底座〔26〕及絕緣橡膠基底〔25〕與聚偏氟乙烯膜〔24〕中間相連的導電膠〔29〕，和最上面的絕緣橡膠表皮保護層〔22〕所構成。
3.根據權利要求1或2所述的三感覺機械手，其特征在于接觸覺傳感器和滑動覺傳感器是一個傳感器。
4.根據權利要求1所述的三感覺機械手，其特征在于接近覺傳感器是由紅外發射器〔27〕、紅外探測器〔30〕及其信號處理裝置構成。
5.根據權利要求4所述的三感覺機械手，其特征在于紅外發射器〔27〕、紅外探測器〔30〕穿透在金屬外殼底座〔26〕、絕緣橡膠基底〔25〕、聚偏氟乙烯膜〔24〕及絕緣橡膠表皮保護層〔22〕的中間。
6.根據權利要求2或5所述的三感覺機械手，其特征在于絕緣橡膠表皮保護層〔22〕的外表形狀是圓臺形點陣狀，也可以是三角形齒圓弧狀或者是三角形齒直紋狀。
7.根據權利要求1所述的三感覺機械手，其特征在于連桿〔10、9，15、16〕以蝸桿〔7〕為對稱軸分于兩側各自平行且相等。
專利摘要一種三感覺機械手，是具有接近覺、接觸覺及滑動覺的初級智能機械手。接觸覺與滑動覺是一體的，是采用聚偏氟乙烯作敏感材料制成的；接近覺是由紅外發射器、紅外探測器及相應的信號處理電路組成，被嵌裝在接觸覺與滑動覺傳感器中間，組合成一個整體。這種機械手能自適應地對物體進行軟接觸和軟抓取，并能以最小的夾緊力穩定地抓取能承受的重物，還能用于抓取易碎易爆物品及安裝在深海、航天等作業的機器人上。
文檔編號B25J13/08GK2063070SQ8922112
公開日1990年10月3日 申請日期1989年12月12日 優先權日1989年12月12日
發明者何發昌, 羅志增, 邵遠, 毛希祥 申請人:杭州電子工業學院