一種具有感覺的多指欠驅動末端執行器的製作方法
2023-04-29 04:16:21
專利名稱：一種具有感覺的多指欠驅動末端執行器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種末端執行器，具體地說是涉及一種具有感覺的多指欠驅動末端執行器。
背景技術：
末端執行器是果蔬採摘機器人的重要組成部分，與工業機器人的末端執行器相比，由於其作業對象和環境的柔嫩性、不規則性和複雜多變性特徵，採摘機器人的末端執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，這對採摘果實的抓取力度控制提出了比較高的要求。末端執行器對農業發展起了巨大貢獻，但是還存在著一些缺陷(1)抓取過程中果蔬外表發生損傷。果實柔弱易破的特性導致用剛體抓取很容易損傷果實。儘管所有研製出的末端執行器的夾持手指都選用剛體或者是接觸果實一側粘有海綿、橡膠的剛體，而且基本都是專一用於某一水果品種，但是粘有海綿、橡膠的剛體的變形適應能力很有限。(2) 通用性不強。末端執行器的基本結構取決於具體工作對象特性及工作方式。在農作物生產體系中，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，採摘機器人只能對一種果實進行收穫，並且果實應該大小、形狀相差不大，致使採摘機器人效率難以提高的主要原因，也是制約採摘機器人未來發展與應用推廣的瓶頸。
發明內容為了克服現有技術的不足之外，本新型的目的是提供具有感覺的多指欠驅動末端執行器，具有負載能力強、驅動元件少、控制較簡單、採摘效率和抓取力自適應的裝置。為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是本實用新型包括三隻結構相同的手指、底座和手掌部分；每個手指部分的第一指節與第二指節鉸接，第二指節與第三指節鉸接，第三指節與手指轉臺鉸接；底座部分的電機經聯軸器、絲槓帶動移動板作上下移動；手掌部分的手掌上連接板和手掌下連接板之間通過銷同軸連接；三個手指的第三指節與所述移動板分別通過耦合杆連接，三個手指的第三指節與手掌通過手指轉臺轉動連接，底座與手掌通過圓柱導軌連接；每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，所述電機通過差分機構驅動三個手指的開合，第一指節、第二指節及第三指節內側均設置集成觸覺和滑動覺一體的滑觸覺傳感器，力反饋電路的輸入端與滑觸覺傳感器連接，力反饋電路的輸出端經控制器與電機連接，電機中的霍爾傳感器與控制器組成反饋電路，實現電機轉速的控制。所述每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，它均由精確捏取機構和包絡抓取機構組成。精確捏取機構，由第一指節迴轉杆、一二指節耦合迴轉杆、中間平行杆、第二指節、 二三指節耦合迴轉杆、第三指節迴轉杆、第三指節構成兩套平行四邊形連杆機構，設置在三個指節之間，第二指節的一端與第一指節迴轉杆的一端通過第一關節鉸接，第一指節迴轉杆的另一端與一二指節耦合迴轉杆的一端鉸接，一二指節耦合迴轉杆的另一端與中間平行杆中間孔鉸接，中間平行杆內側孔與第二指節的另一端通過第二關節鉸接，中間平行杆外側孔與二三指節耦合迴轉杆的一端鉸接，二三指節耦合迴轉杆的另一端與第三指節迴轉杆的一端鉸接，第三指節迴轉杆的另一端與第三指節的一端通過第三關節鉸接。包絡抓取機構，由第一指節、一二指節耦合驅動杆、三角形驅動杆、第二指節、二三指節耦合驅動杆、第三指節驅動杆、第三指節構成兩套四連杆機構，設置三個指節之間，第一指節與第二指節的一端通過第一關節鉸接，第一指節與一二指節耦合驅動杆的一端鉸接，一二指節耦合驅動杆的另一端與三角形驅動杆外側孔鉸接，三角形驅動杆內側孔與第二指節的另一端通過第二關節鉸接，三角形驅動杆中間孔與二三指節耦合驅動杆的一端鉸接，二三指節耦合驅動杆的另一端鉸接與第三指節驅動杆的一端鉸接，第三指節驅動杆的另一端與第三指節通過第三關節鉸接。所述電機安裝在手掌正下方，電機驅動固定在移動板上的滑塊，每個耦合杆與兩個正交鉸鏈的一端鉸接，兩個正交鉸鏈的另一端與移動板鉸接，移動板上下移動驅動三隻手指開合。所述的力反饋電路包括多路模擬開關、電荷轉換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路、A/D採樣電路；PVDF壓電傳感器與電荷轉換電路連接、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路和A/D採樣電路後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薄膜兩側的銅片組成的 PVDF壓電傳感器，引出正負電極，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表面，具有鋸齒形的絕緣橡膠表皮保護層朝向抓取物。本實用新型具有的有益效果是本實用新型結構簡單、通用性強、驅動器數目少、成本低、控制簡單、可靠性高、體積小而且可實現對物體形狀的自適應抓取等特點。
圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的欠驅動結構示意圖；圖3是本實用新型的驅動部分示意圖；圖4是本實用新型的力反饋原理示意圖；圖5是本實用新型的傳感器結構示意圖；圖6是本實用新型的傳感器處理電路原理圖；圖7是本實用新型的傳感器處理電路示意圖；圖中1、第一指節，2、第二指節，3、第三指節，4、手指轉臺，5、移動板，6、電機固定板，7、基座，8、手掌上連接板，9、包絡抓取機構，10、精確捏取機構，11、耦合杆，12、絲槓，13、 聯軸器，14、電機，15、兩個正交的鉸鏈，16、第一指節迴轉杆，17、一二指節耦合驅動杆，18、 三角形驅動杆，19、中間平行杆，20、二三指節耦合杆，21、第三指節驅動杆，22、第一關節， 23、一二指節耦合迴轉杆，24、第二關節，25、二三指節迴轉耦合杆，26、第三指節迴轉杆， 27、第三關節，28、絕緣橡膠表皮保護層，29、銅片，30、PVDF薄膜，31、滑塊，32、手掌下連接板。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。如圖1所示，本實用新型包括三隻結構相同的手指、底座和手掌部分；每個手指部分的第一指節1與第二指節2鉸接，第二指節2與第三指節3鉸接，第三指節3與手指轉臺 4鉸接；底座部分的電機14經聯軸器、絲槓帶動移動板5作上下移動；手掌部分的手掌上連接板和手掌下連接板之間通過銷同軸連接；三個手指的第三指節與所述移動板5分別通過耦合杆11連接，三個手指的第三指節與手掌通過手指轉臺4轉動連接，底座與手掌通過圓柱導軌連接；每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，所述電機14通過差分機構驅動三個手指的開合，第一指節、第二指節及第三指節內側均設置集成觸覺和滑動覺一體的滑觸覺傳感器，力反饋電路的輸入端與滑觸覺傳感器連接，力反饋電路的輸出端經控制器與電機連接，電機中的霍爾傳感器與控制器組成反饋電路，實現電機轉速的控制。如圖1、圖2所示，所述每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，它均由精確捏取機構和包絡抓取機構組成。精確捏取機構由第一指節迴轉杆16、一二指節耦合迴轉杆23、中間平行杆19、第二指節2、二三指節耦合迴轉杆25、第三指節迴轉杆沈、第三指節3構成兩套平行四邊形連杆機構，設置在三個指節之間，第二指節2的一端與第一指節迴轉杆16的一端通過第一關節22鉸接，第一指節迴轉杆16的另一端與一二指節耦合迴轉杆23的一端鉸接，一二指節耦合迴轉杆23的另一端與中間平行杆19中間孔鉸接，中間平行杆19內側孔與第二指節2 的另一端通過第二關節M鉸接，中間平行杆19外側孔與二三指節耦合迴轉杆25的一端鉸接，二三指節耦合迴轉杆25的另一端與第三指節迴轉杆沈的一端鉸接，第三指節迴轉杆沈的另一端與第三指節3的一端通過第三關節27鉸接。包絡抓取機構由第一指節1、一二指節耦合驅動杆17、三角形驅動杆18、第二指節2、二三指節耦合驅動杆20、第三指節驅動杆21、第三指節3構成兩套四連杆機構，設置三個指節之間，第一指節1與第二指節2的一端通過第一關節22鉸接，第一指節1與一二指節耦合驅動杆17的一端鉸接，一二指節耦合驅動杆17的另一端與三角形驅動杆18外側孔鉸接，三角形驅動杆18內側孔與第二指節2的另一端通過第二關節M鉸接，三角形驅動杆 18中間孔與二三指節耦合驅動杆20的一端鉸接，二三指節耦合驅動杆20的另一端鉸接與第三指節驅動杆21的一端鉸接，第三指節驅動杆21的另一端與第三指節3通過第三關節 27鉸接。如圖3所示，所述電機14安裝在手掌正下方，電機驅動固定在移動板5上的滑塊 31，每個耦合杆11與兩個正交鉸鏈15的一端鉸接，兩個正交鉸鏈15的另一端與移動板5 鉸接，移動板上下移動驅動三隻手指開合。如圖4所示，人在抓取物體時，由人發出控制指令，控制系統對信號進行分析識別使欠驅動末端執行器快速夾向物體。當指物接觸後，欠驅動末端執行器以一個較小的初始夾緊力夾持物體，PVDF觸覺傳感器發出己接觸信號，此時欠驅動末端執行器停止內握開始下一個動作。在欠驅動末端執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，此時欠驅動末端握物過程結束；若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置於欠驅動末端執行器指第一指節處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號並控制欠驅動末端執行器繼續內握，欠驅動末端系統增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩定，握物過程結束，實現了握力的自適應控制。如圖5所示，所述的PVDF壓電傳感器組件，包括由PVDF薄膜30和貼在PVDF薄膜兩側的銅片四組成的PVDF壓電傳感器，引出正負電極，PVDF壓電傳感器兩面分別粘有絕緣橡膠表皮保護層觀，具有平面的絕緣橡膠表皮保護層貼在各指節表面，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換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路、A/D採樣電路；PVDF壓電傳感器的信號經電荷轉換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路和A/D採樣電路後與控制器輸入端連接。信號處理電路採集信號過程，當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。採用電荷放大器將電荷信號轉換為電壓並放大，然後須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻幹擾，再增加一級50Hz的陷波濾波器。對濾波信號進行放大和模數轉化。如圖7所示，是圖6滑觸覺反饋原理的硬體實現。本實用新型的工作過程為分為包絡抓取和精確捏取包絡抓取工作過程電機12驅動絲槓正轉，絲槓帶動移動板14向上運動，移動板帶動移動推桿11向上移動，耦合連杆6跟隨運動，驅動手指接近抓取物，第三指節3接觸到物體並被限制運動，電機繼續正轉，第二指節2繼續運動，電機繼續正轉，最後第一指節1與物體接觸，當指物接觸後，PVDF觸覺傳感器發出己接觸信號，電荷放大器將電荷信號轉換為電壓並放大，然後須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻幹擾，再增加一級50Hz的陷波濾波器，對濾波信號進行放大和模數轉化，將信號傳給控制器，控制器識別信號，欠驅動末端執行器停止內握開始下一個動作。在欠驅動末端執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，此時欠驅動末端握物過程結束；若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置於欠驅動末端執行器指第一指節處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號並控制欠驅動末端執行器繼續內握，欠驅動末端系統增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩定，握物過程結束，完成包絡抓取過程。精確捏取工作過程電機12驅動絲槓正轉，絲槓帶動移動板向上運動，移動板12 帶動移動推桿11向上移動，耦合連杆跟隨運動，驅動第一指節1、第二指節2和第三指節3 平動接近物體，電機繼續正轉，第一指1、第二指節2和第三指節3繼續運動，最後第一指節 1與物體接觸，當指物接觸後，PVDF觸覺傳感器發出己接觸信號，電荷放大器將電荷信號轉換為電壓並放大，然後須進行低通濾波。輸出信號中有明顯的工頻幹擾，再增加一級50Hz 的陷波濾波器，對濾波信號進行放大和模數轉化，將信號傳給控制器，控制器識別信號，欠驅動末端執行器停止內握開始下一個動作。在欠驅動末端執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，此時欠驅動末端握物過程結束；若此時指物之間接觸力不夠大，指物間必有相對滑動，此時置於欠驅動末端執行器指第一指節處的觸滑覺傳感器檢測到滑覺信號並控制欠驅動末端執行器繼續內握，欠驅動末端系統增加夾緊力直至指物間無相對滑動，握物穩定，握物過程結束，完成精確捏取過程。
權利要求1.一種具有感覺的多指欠驅動末端執行器，包括三隻結構相同的手指、底座和手掌部分；每個手指部分的第一指節(1)與第二指節(2 )鉸接，第二指節(2 )與第三指節(3 )鉸接， 第三指節(3)與手指轉臺(4)鉸接；底座部分的電機(14)經聯軸器、絲槓帶動移動板(5)作上下移動；手掌部分的手掌上連接板和手掌下連接板之間通過銷同軸連接；三個手指的第三指節與所述移動板(5)分別通過耦合杆(11)連接，三個手指的第三指節與手掌通過手指轉臺(4)轉動連接，底座與手掌通過圓柱導軌連接；其特徵在於每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，所述電機(14)通過差分機構驅動三個手指的開合，第一指節、第二指節及第三指節內側均設置集成觸覺和滑動覺一體的滑觸覺傳感器，力反饋電路的輸入端與滑觸覺傳感器連接，力反饋電路的輸出端經控制器與電機連接，電機中的霍爾傳感器與控制器組成反饋電路，實現電機轉速的控制。
2.根據權利要求1所述的具有感覺的多指欠驅動末端執行器，其特徵在於所述每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，它均由精確捏取機構和包絡抓取機構組成；精確捏取機構，由第一指節迴轉杆(16)、一二指節耦合迴轉杆(23)、中間平行杆(19)、 第二指節(2)、二三指節耦合迴轉杆(25)、第三指節迴轉杆(26)、第三指節(3)構成兩套平行四邊形連杆機構，設置在三個指節之間，第二指節(2)的一端與第一指節迴轉杆(16)的一端通過第一關節(22)鉸接，第一指節迴轉杆(16)的另一端與一二指節耦合迴轉杆(23) 的一端鉸接，一二指節耦合迴轉杆(23)的另一端與中間平行杆(19)中間孔鉸接，中間平行杆(19)內側孔與第二指節(2)的另一端通過第二關節(24)鉸接，中間平行杆(19)外側孔與二三指節耦合迴轉杆(25)的一端鉸接，二三指節耦合迴轉杆(25)的另一端與第三指節迴轉杆(26)的一端鉸接，第三指節迴轉杆(26)的另一端與第三指節(3)的一端通過第三關節(27)鉸接；包絡抓取機構，由第一指節(1)、一二指節耦合驅動杆(17)、三角形驅動杆(18)、第二指節(2)、二三指節耦合驅動杆(20)、第三指節驅動杆(21)、第三指節(3)構成兩套四連杆機構，設置三個指節之間，第一指節(1)與第二指節(2)的一端通過第一關節(22)鉸接，第一指節(1)與一二指節耦合驅動杆(17)的一端鉸接，一二指節耦合驅動杆(17)的另一端與三角形驅動杆(18)外側孔鉸接，三角形驅動杆(18)內側孔與第二指節(2)的另一端通過第二關節(24)鉸接，三角形驅動杆(18)中間孔與二三指節耦合驅動杆(20)的一端鉸接，二三指節耦合驅動杆(20)的另一端鉸接與第三指節驅動杆(21)的一端鉸接，第三指節驅動杆 (21)的另一端與第三指節(3 )通過第三關節(27 )鉸接。
3.根據權利要求1所述的具有感覺的多指欠驅動末端執行器，其特徵在於電機(14) 安裝在手掌正下方，電機驅動固定在移動板(5)上的滑塊(31)，每個耦合杆(11)與兩個正交鉸鏈(15)的一端鉸接，兩個正交鉸鏈(15)的另一端與移動板(5)鉸接，移動板上下移動驅動三隻手指開合。
4.根據權利要求1所述的具有感覺的多指欠驅動末端執行器，其特徵在於所述的力反饋電路包括電荷轉換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路、A/D採樣電路； PVDF壓電傳感器的信號經電荷轉換電路、低通濾波電路、工頻陷波電路、增益調節電路和 A/D採樣電路後與控制器輸入端連接。
5.根據權利要求4所述的具有感覺的多指欠驅動末端執行器，其特徵在於所述的 PVDF壓電傳感器，包括由PVDF薄膜(30)和貼在PVDF薄膜兩側的銅片(29)組成的PVDF壓電傳感器，引出正負電極，PVDF壓電傳感器兩面分別粘有絕緣橡膠表皮保護層(28)，具有平面的絕緣橡膠表皮保護層貼在各指節表面，具有鋸齒形的絕緣橡膠表皮保護層朝向抓取物。
專利摘要本實用新型公開了一種具有感覺的多指欠驅動末端執行器。其每個手指部分的第一、第二、第三指節鉸接，第三指節與手指轉臺鉸接；底座部分的電機經帶動移動板作上下移動；手掌部分的手掌上、手掌下連接板之間通過銷同軸連接；三個手指的第三指節與移動板分別通過耦合杆連接，三個手指的第三指節與手掌通過手指轉臺轉動連接，底座與手掌通過圓柱導軌連接。每個手指的三指節之間集成欠驅動機構，電機通過差分機構驅動三個手指的開合，第一、第二及第三指節內側均設置滑觸覺傳感器，力反饋電路的輸入端與滑觸覺傳感器連接，力反饋電路的輸出端經控制器與電機連接。本實用新型驅動器數目少、控制簡單、可靠性高、體積小可實現對物體形狀的自適應抓取。
文檔編號A01D46/00GK202172604SQ201120242018
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者武傳宇, 潘孝業, 胡挺 申請人:浙江理工大學