专利名称：一种多传感器机器人手爪及方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人领域，特别涉及一种多传感器的机器人手爪。
机器人手爪是机器人的关键部件，为了能够在存在着不确定的环境下进行灵巧的操作，机器人必须具有很强的感知能力。机器人手爪所用的传感器主要有视觉传感器、接近觉传感器、力／力矩传感器、位置／姿态传感器、速度／加速度传感器、触觉／滑觉传感器等。机器人手爪通过这些传感器来获得环境的信息实现快速、准确、柔顺地触摸、抓取、操作工件等，由多个传感器感知在同一环境下不同或相同侧面的有关信息，这些信息之间存在着内在的联系。
传统上对不同传感器采用单独独立的应用方式，割断了信息之间的内在联系，丢失了信息有机组合可能蕴含的装置。本实用新型的目的是研制一种合理的选择、分配、协调多传感器资源的机器人手爪，对机器人手爪输出的信息进行融合处理，从而得到关于环境和目标对象完整的、可靠的信息。
本发明研制的机器人手爪由夹持机构和感觉系统组成。夹持机构是实现手爪功能的单自由度执行机构，其主要设计参数为运动范围、开闭速度、夹持力和定位精度。感觉系统以感知与手爪有关的各种外界和内部信息为目的，以手爪内部的力觉、接近觉、触觉、滑觉和位移传感器为基础。同时结合机器人状态信息，为机器人准确可靠地移动和抓取工件提供反馈信息。
本发明的技术方案是一种多传感器机器人手爪，包括左手指夹持面(1)、(9)和(2)(10)，右手指夹持面(4)、(11)和(5)、(12)，左手指夹持面(3)和右手指夹持面(6)，螺母螺杆(7)、伺服电机(8)、齿轮传动(13)，其特征在于多传感器机器人手爪由夹持机构和感觉系统组成，所述的夹持机构采用微型伺服电机(8)驱动，通过螺母螺杆(7)将电机的转动转变为手指的开合运动，手爪上安装了两个相对运动的手指，它们分别与螺杆(7)的左螺纹和右螺纹部分相连，当螺母螺杆(7)转动时两边的手指分别向相反方向移动；左右手指上各有五个夹持面，其中四个夹持面是左手指上的夹持面(1)、(9)在手指根部，与XY平面平行，左手指上的夹持面(2)、(10)与XY平面成45°角，它们与右手指上相应的夹持面(4)、(11)和夹持面(5)、(12)构成两对V型槽，用于夹持工字型桁架或抓拿单元；左手指的另一个夹持面(3)位于手指的中间部位，垂直于XY平面并与右手指相应的夹持面(6)平行为第五个夹持面；手爪在抓较小工件时，用手指中部的夹持面(3)和(6)夹持，手爪在抓较大工件时，根据工件把手的形状，可以用根部的V型凹槽或用手指中部的夹持面(3)、(6)夹持；所述的微型伺服电机(8)选用减速直流电机，最大输出力距Mg为0．76Nm，额定转速为6转／秒，外部齿轮传动(13)比为1∶1，主动齿轮和从动齿轮均为22齿；所述的螺母螺杆(7)采用钢质材料制造，在润滑条件下摩擦系数为fg=0．11，螺杆上的驱动螺纹为M8，螺距为1．75mm，螺杆转速为6转／秒，螺纹半径r=4mm，螺纹升角α=arctg(t／2π)=0．06963rad，手指运动速度为10．5mm／秒，手爪的开闭速度为21mm／秒，在采用三角螺纹时，当量摩擦角ρ=arctg(1．155fg)=0．12637rad，能够产生最大夹紧力Fgmax=Mg／[rtg(α+ρ)]=854N＞Fgmin，Fgmin为该手爪所必须具备的最小夹紧力；所述的感觉系统配置由具有一定数量和适当空间分布的力觉、接近觉、距离觉、触觉、滑觉以及温度传感器构成，它们被一体化的设计和集成到机器人手爪中，其中A．位移传感器安装在驱动电机旁边，通过检测齿轮传动(13)转过的齿数来检测手指的开闭距离，为手爪控制器提供位置反馈信息。在手爪夹紧状态下该传感器还可以测出工件在夹持方向尺寸，为感觉系统判断被抓物体定位情况提供依据。位移传感器采用增量式码盘原理，驱动电机的传动齿轮作为光调节器。
B．力传感器安装在机器人手指的每一个夹持面的根部，它们能够检测沿夹持面法线方向的接触力。这些力传感器具有一定的空间分布，采用适当的信息融合算法可以获得抓紧力和多维力信息。
C．接近觉传感器嵌入在机器人手指根部的水平夹持面(1)、(4)、(9)、(11)和手指夹持面(3)、(6)指尖上，用于检测指面和工字梁表面的相对距离以进行位姿调整和防碰；D．触觉传感器位于手指夹持面(3)、(6)上，用于为灵巧操作提供触觉滑觉反馈。
一种制造多传感器机器人手爪的方法，其特征在于在器件级、数据级和任务级中采用了数据融合的方法，即采用神经网络来进行数据融合器件级的数据融合主要是为了做误差补偿和线性化处理，数据级的数据融合主要是从分布的传感器(组)中获取总体的感觉信息，任务级的数据融合主要是执行各种测量和控制任务。
由于机器人手爪采用微型伺服电机驱动，通过螺母螺杆将电机的转动转变为手指的开合运动。机器人手爪上安装了一对手指，它们分别与螺杆的左螺纹和右螺纹部分相连，当螺杆转动时两边的手指分别向相反方向移动时，形成机器人手爪的开闭运动。因此采用这种运动机构和多传感器的机器人手爪有如下优点1．有自锁功能，在断电情况下能够保持抓紧状态。
2．手指开闭为与中心线对称的平行运动，手指中心位置在夹持过程中保持不变。
3．机器人手爪至腕部距离较短，有利于提高钢度和承载能力。
4．多传感器集成提高了信息的可信度，获得的综合信息与任何一个单一传感器所获得的信息相比，具有更高的精度和可靠性。
图1是机器人手爪的主视图。
图2是机器人手爪的侧视图。
图3是机器人手爪抓握工字形衍架时的立体结构图。
下面结合附图对实施例对本发明进行进一步说明当机器人以蟹式或人步式行走时，机器人手爪交替地抓握固定于空间站上的工字形衍架或抓拿单元以支撑本体，见图1、图2中机器人手爪的主视图、侧视图。机器人到达指定的工作地点后，机器人手爪握住桁架或抓拿单元，见图3中机器人手爪抓握工字形衍架时的立体结构图。
在图1、图2、图3中，多传感器机器人手爪由夹持机构和感觉配置组成，所述的夹持机构采用微型伺服电机8驱动，通过螺母螺杆7将电机的转动转变为手指的开合，手爪上安装了两个相对运动的手指，它们分别与螺母螺杆7的左螺纹和右螺纹部分相连，当螺母螺杆7转动时两边的手指分别向相反方向移动；左右手指上各有五个夹持面，其中四个夹持面是左手指上的夹持面1、9在手指根部，与XY平面平行，左手指上的夹持面2、10与XY平面成45°角，它们与右手指上相应的夹持面4、11和夹持面5、12构成两对V型槽，用于夹持工字型桁架或抓拿单元；左手指的另一个夹持面3位于手指的中间部位，垂直于XY平面并与右手指相应的夹持面6平行为第五个夹持面；手爪在抓较小工件时，用手指中部的夹持面3和6夹持，手爪在抓较大工件时，根据工件把手的形状，可以用根部的V型凹槽或用手指中部的夹持面3、6夹持；所述的微型伺服电机8选用PITTMANGM8822型减速直流电机，最大输出力矩Mg为0．76Nm，额定转速为6转／秒。外部齿轮传动比为1∶1，主动齿轮和从动齿轮均为22齿。螺杆上的驱动螺纹为M8，螺距为1．75mm。
螺杆转速为6转／秒，手指运动速度为10．5mm／秒，手爪的开闭速度为21mm／秒。
为了适应机器人模型和空间任务，本发明对机器人手爪的机械结构和感觉系统进行了优化配置。机器人手爪具有两个相对的手指，每个手指由一个位于根部的V指面和位于中下部的指面组成，这种结构兼顾了行走和固定过程中的工字梁抓持和物件操作的要求。感觉系统由具有一定数量和适当空间分布的力觉、接近觉、距离觉、触觉、滑觉以及温度传感器构成，它们被一体化的设计和集成到机器人手爪中，通过数据融合可以为控制系统提供准确丰富的状态信息。
权利要求
1．一种多传感器机器人手爪，包括左手指夹持面(1)、(9)和(2)(10)，右手指夹持面(4)、(11)和(5)、(12)，左手指夹持面(3)和右手指夹持面(6)，螺母螺杆(7)、伺服电机(8)、齿轮传动(13)，其特征在于多传感器机器人手爪由夹持机构和感觉系统组成，所述的夹持机构采用微型伺服电机(8)驱动，通过螺母螺杆(7)将电机的转动转变为手指的开合运动，手爪上安装了两个相对运动的手指，它们分别与螺母螺杆(7)的左螺纹和右螺纹部分相连，当螺母螺杆(7)转动时两边的手指分别向相反方向移动；左右手指上各有五个夹持面，其中四个夹持面是左手指上的夹持面(1)、(9)在手指根部，与XY平面平行，左手指上的夹持面(2)、(10)与XY平面成45°角，它们与右手指上相应的夹持面(4)、(11)和夹持面(5)、(12)构成两对V型槽，用于夹持工字型桁架或抓拿单元；左手指的另一个夹持面(3)位于手指的中间部位，垂直于XY平面并与右手指相应的夹持面(6)平行为第五个夹持面；手爪在抓较小工件时，用手指中部的夹持面(3)和(6)夹持，手爪在抓较大工件时，根据工件把手的形状，可以用根部的V型凹槽或用手指中部的夹持面(3)、(6)夹持；所述的微型伺服电机(8)选用减速直流电机，最大输出力距Mg为0．76Nm，额定转速为6转／秒，外部齿轮传动(13)比为1∶1，主动齿轮和从动齿轮均为22齿；所述的螺母螺杆(7)采用钢质材料制造，在润滑条件下摩擦系数为fg=0．11，螺杆上的驱动螺纹为M8，螺距为1．75mm，螺杆转速为6转／秒，螺纹半径r=4mm，螺纹升角α=arctg(t／2π)=0．06963rad，手指运动速度为10．5mm／秒，手爪的开闭速度为21mm／秒，在采用三角螺纹时，当量摩擦角ρ=arctg(1．155fg)=0．12637rad，能够产生最大夹紧力Fgmax=Mg／[rtg(α+ρ)]=854N＞Fgmin，Fgmin为该手爪所必须具备的最小夹紧力；所述的感觉系统配置由具有一定数量和适当空间分布的力觉、接近觉、距离觉、触觉、滑觉以及温度传感器构成，它们被一体化的设计和集成到机器人手爪中，其中A．位移传感器安装在驱动电机旁边，通过检测齿轮传动(13)转过的齿数来检测手指的开闭距离；B．力传感器安装在机器人手指的每一个夹持面的根部，它们能够检测沿夹持面法线方向的接触力；C．接近觉传感器嵌入在机器人手指根部的水平夹持面(1)、(4)、(9)、(11)和手指夹持面(3)、(6)指尖上，用于检测指面和工字梁表面的相对距离以进行位姿调整和防碰；D．触觉传感器位于手指夹持面(3)、(6)上，用于为灵巧操作提供触觉滑觉反馈。
2．一种制造多传感器机器人手爪的方法，其特征在于在器件级、数据级和任务级中采用了数据融合的方法，即采用神经网络来进行数据融合器件级的数据融合主要是为了做误差补偿和线性化处理，数据级的数据融合主要是从分布的传感器(组)中获取总体的感觉信息，任务级的数据融合主要是执行各种测量和控制任务。
全文摘要
一种多传感器机器人手爪及方法,由夹持机构和感觉系统组成。机器人手爪具有两个相对的手指,每个手指由一个位于根部的V指面和位于中下部的指面组成,这种结构兼顾了行走和固定过程中的工字梁抓持和物件操作的要求。感觉系统由具有一定数量和适当空间分布的力觉、接近觉、距离觉、触觉、滑觉以及温度传感器构成,它们被一体化的设计和集成到机器人手爪中,通过数据融合可以提供准确丰富的状态信息。
文档编号B25J15/08GK1290591SQ0011908
公开日2001年4月11日 申请日期2000年10月24日 优先权日2000年10月24日
发明者梅涛, 解传芬, 倪林, 马军 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所