本发明涉及一种机械手，具体涉及一种带有触觉和力觉的机械手关节，属于机器人技术领域。
背景技术：
机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
在机械手的抓取过程中，需要感知机械手与被抓取物体之间的接触点，以及抓取力的大小(即触觉和力觉)。现有的机械手通常没有触觉和力觉的反馈，或仅有其中一项，在抓取不同的物体时，由于被抓取物体的形状和材质不同，抓取过程十分困难。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题：(1)感知机械手与被抓取物的接触点；(2)感知机械手的抓取力度；(3)实现机械手指的触觉反馈。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种带有触觉和力觉的机械手关节，在机械手关节与被抓取物体接触的一面布置由若干个压力传感器组成的压力传感器阵列，在机械手关节的末端布置力矩传感器。
进一步地，压力传感器阵列能够反馈出机械手关节上的受力位置。
进一步地，压力传感器是指机械手关节受压力产生形变而造成输出信号变化的传感器。优选地，压力传感器选用人造皮肤、电容式压力传感器、光电式压力传感器、电阻式压力传感器、气压式压力传感器之中的一种或多种的组合。
进一步地，在压力传感器外表面覆盖一层柔性材料。优选地，柔性材料选用硅胶。
进一步地，力矩传感器用于测量绕机械手关节末端旋转轴的力矩。
进一步地，力矩传感器是指机械手关节受扭力产生形变而造成输出信号变化的传感器。优选地，力矩传感器选用一维力矩传感器、六维力矩传感器、应变片之中的一种或者多种的组合。
进一步地，力矩传感器的量程比压力传感器的量程大。
本发明的有益效果：(1)可以感知机械手与被抓取物体之间的接触点；(2)一定程度上模拟人手的触觉感知；(3)可以测量机械手关节的抓取力矩；(4)适用于抓取不同形状、不同材质的物体。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中的机械手关节的整体结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中的机械手关节的电路示意图。
图例说明：
1电机
2减速箱
3减速箱输出轴
4蜗杆
5关节前端固定座
6轴承
7关节前端转动轴
8关节后端固定座
9蜗轮
10关节后端转动轴
11应变片
12应变片引线
13控制电路板
14压力传感器阵列
15硅胶垫
16关节背面连接件
17关节正面
18减速箱安装孔
19关节固定孔
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明涉及一种带有触觉和力觉的机械手关节，触觉用于感知机械手与被抓取物的接触点，以及获得小量程的接触力；力觉用于测量大量程的抓取力度。
图1所示是本实施例中的带有触觉和力觉的机械手关节。在机械手关节与被抓取物体接触的一面(机械手关节的正面)布置由若干个压力传感器组成的压力传感器阵列。压力传感器阵列的阵列密度和精度决定了触觉反馈的灵敏度，阵列密度、精度越高，反馈的抓取位置更准确，触觉的灵敏度也越高。压力传感器量程较小，用于测量力量较小的抓取力。
压力传感器阵列能够反馈出机械手关节上的受力位置。压力传感器包括但不仅限于人造皮肤、电容式压力传感器、光电式压力传感器、电阻式压力传感器、气压式压力传感器等由于机械手关节受压力产生形变而造成输出信号变化的传感器。在压力传感器外侧表面覆盖一层可变性的柔性材料，在抓取过程中起到保护压力传感器，同时增加抓取摩擦力的作用。优选地，柔性材料选用硅胶。当机械手与被抓取物体产生滑动、扭转等相对运动时，压力传感器阵列会发生相应的读数变化，即实现了触觉的观测。
在机械手关节的末端布置力矩传感器。力矩传感器的量程比压力传感器的量程大，具体表现为：当压力传感器变化范围为满量程时，力矩传感器的输出信号仅在小范围内变化。力矩传感器用于测量绕机械手关节末端旋转轴的力矩，即机械手抓取过程中该关节所受的力矩。力矩传感器包括但不仅限于一维力矩传感器、六维力矩传感器、以及应变片等测量由于机械手关节受力产生形变而造成输出信号变化的传感器。
上述机械手关节的其他零部件及其连接方式如下：
机械手关节通过其上的关节固定孔19安装并固定。在机械手关节中，减速箱安装孔18内装有减速箱2，电机1经过减速箱2减速之后与关节前端固定座5连接，减速箱输出轴3上固定安装蜗杆4。蜗轮9与关节后端固定座8固连，关节后端固定座8与关节前端固定座5通过关节背面连接件16和控制电路板13固定。关节正面17布置有压力传感器阵列14，在压力传感器阵列14外侧覆盖一层硅胶垫15。在关节后端固定座8中间位置贴有应变片11，应变片引线12连接至控制电路板13，在控制电路板13上对应变片11的信号进行放大、运算等处理。应变片11在安装时应尽量使得应变方向与关节后端固定座8在受外力而产生形变时的拉伸方向保持一致。在安装时，关节前端转动轴7与前一关节的后端转动轴保持同心，关节前端转动轴7的两端分别安装在轴承6之中，蜗杆4转动时带动前一关节的蜗杆绕关节前端转动轴7旋转。
上述机械手关节的技术原理与工作方式如下：
在该关节中，压力传感器为某种压力传感器阵列，力矩传感器为应变片。当机械手关节在抓取物体时，关节正面与物体发生接触，导致硅胶垫15产生形变。此时压力传感器可以返回抓取点的位置。当抓取压力持续增大，关节受到绕关节后端转动轴10的扭矩，包括关节后端固定座8在内的结构件将产生一定的弹性形变。由于应变片11固定于关节后端固定座8，关节后端固定座8的弹性形变会导致应变片11产生相应的拉伸或者压缩，导致应变片11的阻值发生变化。通过控制电路板13上合理的运算即放大电路，经过适当的标定之后即可以得到机械手关节受到的力矩。
假设机械手受到的关节力矩τ与应变片的形变ε有如下关系：
ε＝f(τ)
根据应变片的工作原理，其阻值的变化δr与零点阻值r的关系为：
δr/r＝kε
其中，k为应变片的灵敏系数。
搭建如下电路对应变片进行测量。如图2所示，其中：r1为应变片，典型阻值为r；r2、r3、r4为定常电阻，阻值均为r；u为供电电压，u0为测得的电压。当机械手没有收到任何外力时，r1～r4阻值相等，u0等于零。当机械手受到外力发生变形时，r1阻值变为r+δr，u0＝u*δr/4r＝ukε/4＝uk/4*f(τ)，即为测得的电压变化量。由于供电电压u和应变片的灵敏系数都是常数，关节受到的力矩与测得的电压有唯一确定的关系，只需要简单的标定即可以得到准确的力矩值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。