專利名稱：具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種末端執(zhí)行器，具體地說是涉及一種具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行
O
背景技術(shù)：
末端執(zhí)行器是果蔬采摘機器人的重要組成部分，與工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復(fù)雜多變性特征，采摘機器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。一般果蔬果實的表皮和果實本身通常都比較脆弱和柔軟，這對采摘果實的抓取力度控制提出了比較高的要求。末端執(zhí)行器對農(nóng)業(yè)發(fā)展起了巨大貢獻，但是還存在著一些缺陷(1)抓取過程中果蔬外表發(fā)生損傷。果實柔弱易破的特性導(dǎo)致用剛體抓取很容易損傷果實。盡管所有研制出的末端執(zhí)行器的夾持手指都選用剛體或者是接觸果實一側(cè)粘有海綿、橡膠的剛體，而且基本都是專一用于某一水果品種，但是粘有海綿、橡膠的剛體的變形適應(yīng)能力很有限。(2) 通用性不強。末端執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)取決于具體工作對象特性及工作方式。在農(nóng)作物生產(chǎn)體系中，果蔬形體差異很大，即使是同一品種，其個體大小和形狀也不完全相同。因此，采摘機器人只能對一種果實進行收獲，并且果實應(yīng)該大小、形狀相差不大，致使采摘機器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機器人未來發(fā)展與應(yīng)用推廣的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之外，本發(fā)明的目的是提供一種具有感覺的欠驅(qū)動機械手，具有負(fù)載能力強、驅(qū)動元件少、控制較簡單、采摘效率和抓取力自適應(yīng)的裝置。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明包括手二只結(jié)構(gòu)相同手指、底座和掌部分；每個手指部分的第一指節(jié)與第二指節(jié)的一端通過第一關(guān)節(jié)鉸接，第二指節(jié)的另一端與手掌上連接板通過第二關(guān)節(jié)鉸接；底座部分的電機安裝在手掌下連接板，電機軸與移動板同軸螺紋傳動連接，兩根移動推桿的一端分別固定在移動板的兩端；兩根移動推桿的另一端與各自耦合連桿的一端鉸接；手掌部分的手掌上連接板和手掌下連接板兩側(cè)分別用連接圓桿連接；每個手指的三角形驅(qū)動桿的中間孔與底座之間連接是通過各自耦合連桿的另一端鉸接；底座的電機與手掌的下連接板通過螺栓固定；每個手指與手掌是通過手指的第二關(guān)節(jié)與手掌上連接板鉸接；其特征在于第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，電機通過差分機構(gòu)驅(qū)動兩個手指的開合，第一指節(jié)與第二指節(jié)內(nèi)側(cè)設(shè)置接觸覺傳感器、滑動覺傳感器。所述每個手指的二個指節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，它均由精確捏取機構(gòu)和包絡(luò)抓取機構(gòu)組成。精確捏取機構(gòu)，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿、一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿、第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿和第二指節(jié)構(gòu)成平行四邊形連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間；第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的另一端與一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿的一端鉸接，一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿的另一端與第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的一端鉸接，第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的另一端與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)鉸接。包絡(luò)抓取機構(gòu)，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿、一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿、三角形驅(qū)動桿和第二指節(jié)構(gòu)成四連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間，第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿的另一端與一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿的一端鉸接，一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿的另一端與三角形驅(qū)動桿的外側(cè)孔鉸接，驅(qū)動桿的內(nèi)側(cè)孔與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)鉸接。所述電機安裝在手掌下連接板，電機輸出軸直接驅(qū)動安裝在移動板上，所述兩個耦合連桿與固定在移動板上兩個移動推桿形成移動副，實現(xiàn)一個電機驅(qū)動二個手指的開合的差分機構(gòu)。所述的滑觸覺反饋電路包括電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路、A/D采樣電路；PVDF壓電傳感器的信號經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路和A/D采樣電路后與控制器輸入端連接。所述的PVDF壓電傳感器，包括由PVDF薄膜和貼在PVDF薄膜兩側(cè)的銅片組成的 PVDF壓電傳感器，引出正負(fù)電極，PVDF壓電傳感器兩面分別粘有絕緣橡膠表皮保護層，具有平面的絕緣橡膠表皮保護層貼在各指節(jié)表面，具有鋸齒形的絕緣橡膠表皮保護層朝向抓取物。本發(fā)明具有的有益效果是
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、驅(qū)動器數(shù)目少、成本低、控制簡單、可靠性高、體積小而且可實現(xiàn)對物體形狀的自適應(yīng)抓取等特點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的底座部分結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的欠驅(qū)動手指原理示意圖； 圖4是本發(fā)明的滑觸覺反饋原理示意圖； 圖5是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本發(fā)明的傳感器處理原理示意圖； 圖7是本發(fā)明的傳感器處理電路示意圖中1、第一指節(jié)，2、第一關(guān)節(jié)，3、第二指節(jié)，4、第二關(guān)節(jié)，5、連接圓桿，6、耦合連桿，7、 手掌上連接板，8、精確捏取機構(gòu)，9、包絡(luò)抓取機構(gòu)，10、限位板，11、移動推桿，12、電機，13、 手掌下連接板，14、移動板，15、第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿，16、一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿，17第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿，18、一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿，19、三角形驅(qū)動桿，20、絕緣橡膠表皮保護層，21、銅片，22、 PVDF薄膜。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明包括手二只結(jié)構(gòu)相同手指、底座和掌部分；每個手指部分的第一指節(jié)1與第二指節(jié)3的一端通過第一關(guān)節(jié)2鉸接，第二指節(jié)3的另一端與手掌上連接板 7通過第二關(guān)節(jié)4鉸接；底座部分的電機12安裝在手掌下連接板13，電機軸與移動板14同軸螺紋傳動連接，兩根移動推桿11的一端分別固定在移動板的兩端；兩根移動推桿11的另一端與各自耦合連桿6的一端鉸接；手掌部分的手掌上連接板7和手掌下連接板13兩側(cè)分別用連接圓桿5連接；每個手指的三角形驅(qū)動桿19的中間孔與底座之間連接是通過各自耦合連桿6的另一端鉸接；底座的電機12與手掌的下連接板13通過螺栓固定；每個手指與手掌是通過手指的第二關(guān)節(jié)4與手掌上連接板7鉸接；其特征在于第一關(guān)節(jié)2和第二關(guān)節(jié)4 之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，電機12通過差分機構(gòu)驅(qū)動兩個手指的開合，第一指節(jié)1與第二指節(jié) 3內(nèi)側(cè)設(shè)置接觸覺傳感器、滑動覺傳感器。如圖1、圖2、圖3所示，所述每個手指的二個指節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，它均由精確捏取機構(gòu)8和包絡(luò)抓取機9構(gòu)組成。精確捏取機構(gòu)8，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15、一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿16、第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿 17和第二指節(jié)2構(gòu)成平行四邊形連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間；第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)2與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15的另一端與一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿16的一端鉸接，一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿16的另一端與第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿17的一端鉸接，第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿17的另一端與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)4鉸接。包絡(luò)抓取機構(gòu)9，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15、一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿18、三角形驅(qū)動桿19 和第二指節(jié)2構(gòu)成四連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間，第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)2與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿15的另一端與一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿18的一端鉸接， 一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿18的另一端與三角形驅(qū)動桿19的外側(cè)孔鉸接，三角形驅(qū)動桿19的內(nèi)側(cè)孔與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)4鉸接。如圖2所示，所述電機12安裝在手掌下連接板13，電機輸出軸直接驅(qū)動安裝在移動板14上，所述兩個耦合連桿與固定在移動板14上兩個移動推桿11形成移動副，實現(xiàn)一個電機驅(qū)動二個手指的開合的差分機構(gòu)，手掌下連接板螺栓固定限位板10，以限制移動板運動行程。如圖4所示，人在抓取物體時，由人發(fā)出控制指令，控制系統(tǒng)對信號進行分析識別使欠驅(qū)動末端執(zhí)行器快速夾向物體。當(dāng)指物接觸后，欠驅(qū)動末端執(zhí)行器以一個較小的初始夾緊力夾持物體，PVDF觸覺傳感器發(fā)出己接觸信號，此時欠驅(qū)動末端執(zhí)行器停止內(nèi)握開始下一個動作。在欠驅(qū)動末端執(zhí)行器提起物體時若指物之間的接觸力能確保提起物體，則指物之間無相對滑動，PVDF觸滑覺傳感器無滑覺信號，此時欠驅(qū)動末端握物過程結(jié)束；若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置于欠驅(qū)動末端執(zhí)行器指第一指節(jié)處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號并控制欠驅(qū)動末端執(zhí)行器繼續(xù)內(nèi)握，欠驅(qū)動末端系統(tǒng)增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩(wěn)定，握物過程結(jié)束，實現(xiàn)了握力的自適應(yīng)控制。如圖5所示，所述的PVDF壓電傳感器組件，包括由PVDF薄膜22和貼在PVDF薄膜兩側(cè)的銅片21組成的PVDF壓電傳感器，引出正負(fù)電極，PVDF壓電傳感器兩面分別粘有絕緣橡膠表皮保護層20，具有平面的絕緣橡膠表皮保護層貼在各指節(jié)表面，具有鋸齒形的絕緣橡膠表皮保護層朝向抓取物。如圖6所示，所述的滑觸覺反饋電路包括電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路、A/D采樣電路；PVDF壓電傳感器的信號經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路和A/D采樣電路后與控制器輸入端連接。信號處理電路采集信號過程，當(dāng)手指的傳感器接觸物體，或物體在其表面滑動時，傳感器輸出電荷信號。采用電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓并放大，然后須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻干擾，再增加一級50Hz的陷波濾波器。對濾波信號進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化。如圖7所示，是圖6滑觸覺反饋原理的硬件實現(xiàn)。本發(fā)明的工作過程為分為包絡(luò)抓取和精確捏取
包絡(luò)抓取工作過程電機12驅(qū)動絲杠正轉(zhuǎn)，絲杠帶動移動板14向上運動，移動板帶動移動推桿11向上移動，耦合連桿6跟隨運動，驅(qū)動手指接近抓取物，第二指節(jié)3接觸到物體并被限制運動，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，第一指節(jié)1繼續(xù)運動，最后第一指節(jié)1與物體接觸，當(dāng)指物接觸后，PVDF觸覺傳感器發(fā)出己接觸信號，電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓并放大，然后須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻干擾，再增加一級50Hz的陷波濾波器，對濾波信號進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化，將信號傳給控制器，控制器識別信號，欠驅(qū)動末端執(zhí)行器停止內(nèi)握開始下一個動作。在欠驅(qū)動末端執(zhí)行器提起物體時若指物之間的接觸力能確保提起物體， 則指物之間無相對滑動，PVDF觸滑覺傳感器無滑覺信號，此時欠驅(qū)動末端握物過程結(jié)束； 若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置于欠驅(qū)動末端執(zhí)行器指第一指節(jié)處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號并控制欠驅(qū)動末端執(zhí)行器繼續(xù)內(nèi)握，欠驅(qū)動末端系統(tǒng)增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩(wěn)定，握物過程結(jié)束，完成包絡(luò)抓取過程。精確捏取工作過程電機12驅(qū)動絲杠正轉(zhuǎn)，絲杠帶動移動板向上運動，移動板12 帶動移動推桿11向上移動，耦合連桿跟隨運動，驅(qū)動第一指節(jié)1和第二指節(jié)3平動接近物體，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，第一指1和第二指節(jié)3繼續(xù)運動，最后第一指節(jié)1與物體接觸，當(dāng)指物接觸后，PVDF觸覺傳感器發(fā)出己接觸信號，電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓并放大，然后須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻干擾，再增加一級50Hz的陷波濾波器，對濾波信號進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化，將信號傳給控制器，控制器識別信號，欠驅(qū)動末端執(zhí)行器停止內(nèi)握開始下一個動作。在欠驅(qū)動末端執(zhí)行器提起物體時若指物之間的接觸力能確保提起物體， 則指物之間無相對滑動，PVDF觸滑覺傳感器無滑覺信號，此時欠驅(qū)動末端握物過程結(jié)束； 若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置于欠驅(qū)動末端執(zhí)行器指第一指節(jié)處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號并控制欠驅(qū)動末端執(zhí)行器繼續(xù)內(nèi)握，欠驅(qū)動末端系統(tǒng)增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩(wěn)定，握物過程結(jié)束，完成精確捏取過程。
權(quán)利要求
1.一種具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，包括手二只結(jié)構(gòu)相同手指、底座和掌部分；每個手指部分的第一指節(jié)(1)與第二指節(jié)(3)的一端通過第一關(guān)節(jié)(2)鉸接，第二指節(jié)(3)的另一端與手掌上連接板(7)通過第二關(guān)節(jié)(4)鉸接；底座部分的電機(12)安裝在手掌下連接板(13)，電機軸與移動板(14)同軸螺紋傳動連接，兩根移動推桿(11)的一端分別固定在移動板的兩端；兩根移動推桿(11)的另一端與各自耦合連桿(6)的一端鉸接；手掌部分的手掌上連接板(7)和手掌下連接板(13)兩側(cè)分別用連接圓桿(5)連接；每個手指的三角形驅(qū)動桿(19)的中間孔與底座之間連接是通過各自耦合連桿(6)的另一端鉸接；底座的電機 (12)與手掌的下連接板(13)通過螺栓固定；每個手指與手掌是通過手指的第二關(guān)節(jié)(4)與手掌上連接板(7)鉸接；其特征在于第一關(guān)節(jié)(2)和第二關(guān)節(jié)(4)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)， 電機(12)通過差分機構(gòu)驅(qū)動兩個手指的開合，第一指節(jié)(1)與第二指節(jié)(3)內(nèi)側(cè)設(shè)置接觸覺傳感器、滑動覺傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，其特征在于所述每個手指的二個指節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，它均由精確捏取機構(gòu)(8)和包絡(luò)抓取機(9)構(gòu)組成；精確捏取機構(gòu)(8)，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)、一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿(16)、第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(17)和第二指節(jié)(2)構(gòu)成平行四邊形連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間；第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)(2)與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)的另一端與一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿(16)的一端鉸接，一二指節(jié)回轉(zhuǎn)耦合桿(16)的另一端與第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(17)的一端鉸接，第二指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(17)的另一端與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)(4)鉸接；包絡(luò)抓取機構(gòu)(9)，由第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)、一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿(18)、三角形驅(qū)動桿 (19)和第二指節(jié)(2)構(gòu)成四連桿機構(gòu)，設(shè)置在兩指節(jié)之間，第二指節(jié)的第一關(guān)節(jié)(2)與第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)的一端鉸接，第一指節(jié)回轉(zhuǎn)桿(15)的另一端與一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿(18) 的一端鉸接，一二指節(jié)耦合驅(qū)動桿(18)的另一端與三角形驅(qū)動桿(19)的外側(cè)孔鉸接，三角形驅(qū)動桿(19)的內(nèi)側(cè)孔與第二指節(jié)的第二關(guān)節(jié)(4)鉸接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，其特征在于所述電機(12)安裝在手掌下連接板(13)，電機輸出軸直接驅(qū)動安裝在移動板(14)上，所述兩個耦合連桿與固定在移動板(14)上兩個移動推桿(11)形成移動副，實現(xiàn)一個電機驅(qū)動二個手指的開合的差分機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，其特征在于所述的滑觸覺反饋電路包括電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路、A/D采樣電路； PVDF壓電傳感器的信號經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調(diào)節(jié)電路和 A/D采樣電路后與控制器輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，其特征在于所述的PVDF壓電傳感器，包括由PVDF薄膜(22)和貼在PVDF薄膜兩側(cè)的銅片(21)組成的PVDF壓電傳感器，引出正負(fù)電極，PVDF壓電傳感器兩面分別粘有絕緣橡膠表皮保護層(20)，具有平面的絕緣橡膠表皮保護層貼在各指節(jié)表面，具有鋸齒形的絕緣橡膠表皮保護層朝向抓取物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有感覺的欠驅(qū)動末端執(zhí)行器。其每個手指部分的第一、第二指節(jié)的一端通過第一關(guān)節(jié)鉸接，第二指節(jié)的另一端與手掌上連接板通過第二關(guān)節(jié)鉸接；底座部分的電機與移動板同軸連接，兩根移動推桿的一端分別固定在移動板的兩端；另一端與各自耦合連桿的一端鉸接；手掌部分的手掌上、下連接板兩側(cè)分別用圓桿連接；每個手指的三角形驅(qū)動桿的中間孔與底座之間連接是通過各自耦合連桿的另一端鉸接；底座的電機與手掌的下連接板固接；每個手指與手掌是通過手指的第二關(guān)節(jié)與手掌上連接板鉸接。第一、第二關(guān)節(jié)之間集成欠驅(qū)動機構(gòu)，第一、第二指節(jié)內(nèi)側(cè)設(shè)置滑觸覺傳感器。本發(fā)明驅(qū)動器數(shù)目少、控制簡單可實現(xiàn)對物體形狀的自適應(yīng)抓取。
文檔編號A01D46/30GK102282972SQ20111019254
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者武傳宇, 潘孝業(yè), 胡挺 申請人:浙江理工大學(xué)