具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端

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专题论文 《机械设计》 (//& 年 ! 月 _! (( 机器人 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 在相关负载情况下 ! 级近似可以准确到 "#! ， 所 可写为： 以式 （$） （*） !" % #"& $ & ’ #"( $ ( ’ #") $ ) ’ #"! $ ! 可得到 ! 个 测出一个金属薄板上的 ! 点的应变， 式 （*） 形式的方程， 联立解得 $ & 、 $(、 $ ) 和 $ ! 的 ! 个力， 代入弹性薄板的负载函数式：
机器人手爪抓握一个物体， 在没有任何旋转或平 行移动的情况下， 构成一个静态物理系统， 可以用静态 力学原理进行有效的研究。在对下面的静态系统进行 分析之前， 做如下的假设： 被抓物体是均质的； 被抓物 体与地面的角度或方向关系已知； 抓握系统静止或处 于静态平衡状态。 如图 ! 所示， 在物体上两点处， 从相对的两侧同时 抓握物体。为了分析简便， 假定被抓物体平行于地面 （如果被抓物体与地面成 ! 角， 只需将重力加速度 " 换成 " ./0 。 ! 即可）
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抓握系统传感原理
图!
"# 流体屈服应力与电场强度的关系
!
具有应变式触觉传感器的柔顺指端
具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端采用金 ［"］ 属弹性薄板做弹性元件 ， 应变片做敏感单元， 其结构 如图 # 所示， 其中触头 $ 为尼龙材料， 底座 #、 支撑座 压头 & 和盖板 " 为铝材料， 金属弹性薄板 ’ 为不锈 %、 钢板。两个金属弹性薄板安装在底座和支撑座上， 当 机器人抓握物体时， 触头可以在盖板的孔中滑动， 触头 和压头连在一起。另外， 触头中部有一小段凸缘， 凸缘 到盖板的最大距离限定了传感器的最大质量量程。当 被抓物体的质量超过最大量程时， 凸缘与盖板接触， 通 过盖板将力传到底座上， 从而保证金属弹性薄板不被 破坏。手爪的抓握力通过压头传递到弹性薄板上， 以 使弹性薄板上的着力点固定， 且范围小， 即负载形式确 定。触头与被抓物体接触， 使得被抓物体的横截面尺 寸可以大于、 等于或小于弹性薄板的尺寸， 而不影响对 参数的测量， 扩大了被抓物体的尺寸范围。另外， 在触 头上封装 () 流体， 使手爪具有柔顺可控性， 可实现软 硬抓握。封装方式为， 上下两层导电橡胶之间用海绵 ! 隔开， 最外面用橡胶封装， 中间的海绵层填充满 () 流 ［!］ 体 。在这里 () 流体作为机器人手指皮下介质， 模 仿人手的皮下组织， 当没有通电时 () 流体层可充当 保形层， 当给以电压时 () 流体变为塑性体， 这样就可 以借助 () 流体的柔顺可控性实现稳定抓握， 有效地 防止滑落。
（ ’% (） 0 ’0 ( & ’，
（&/）
式中： — —弹性薄板上负载在 ( 方向的分布， 联立求解式 （" ） 、 式 （&/） !— 两式， 可得 ! 。
用具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端平行 抓握物体时， 如图 ) 所示的 ! 个弹性薄板上的合力 %
抓握点 被抓物体 实心圆钢 & 第一种抓握位置 （ 6 % / < = ;） 实心圆钢 ( 钢管 钢板 实心圆钢 & 第二 种 抓 握 位 置 （ 6 % 1 < = ;） 实心圆钢 ( 钢管 钢板 测量质量 （&/
图%
两个平行机器人手爪抓握物体受力简图
分析此抓握系统的受力情况， 设 #$ 和 #$ 表示在 % # 两个抓握点的反作用力， %$% 和 %$# 为反力矩， & 为 ’( 间的长度， 受重力为 #% ； 受重力为 ) 为 (* 间的长度， 受重力为 #! ； ##； + 1 & 1 ) 为 *, 间的长度， + 为被抓 杆件的长度。那么， 两个抓握点 ( 、 * 处的反作用力分 别为：
$"""#",#$%； 修订日期： $"""#!!#$$ ! 收稿日期：
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电流变流体及其特性
［’］ 。 .+ /+ .012345 最早提出电流变效应的概念 具有独特的 由于电流变流体 （又称为 67 或 678 流体） 性能和广泛的应用前景， 引起了各国科技界的极大关 注， 近十几年来， 人们在电流变流体技术领域内作了大 量的探索性研究。经研究表明电流变流体能够在电场 作用下， 可由牛顿流体变为具有一定屈服应力的 901:# 并且这种转变程度可以由电场连续控制， ;<= 塑性体， 响应速度极快 （!" > % 2） ， 它能够满足实时控制的要求， 流体的特性可以用 67 901:;<= 塑性体基本方程来描 ［&］ 述 ： "） " （!） （ !， （ ?! @# ! " " " !）
基金项目： 国家自然科学基金项目 （,B’C&""D） 资助 万方数据 作者简介： 戴士杰 （!BD"#） ， 男， 讲师， 博士生。研究方向： 机器人触觉、 视觉， 机电系统控制。
《机械设计》 专题论文 机器人 #--% 年 ’ 月 7’ #% # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
文章编号： （$""!） !""!#$%&’ "’#""$"#"’
具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端
戴士杰 ，岳 宏 ，王仲民 ，李德仲
%""!%"） （河北工业大学 机器人及自动化研究所，天津
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摘要： 针对机器人抓握处于重力场中的等截面均质杆件操作， 提出一种具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端的 结构。在机器人平行抓握手爪中， 利用金属弹性薄板做弹性元件， 应变片做触觉敏感单元， 实现对物体的长度和质量的 感知； 在指端的表面封装电流变流体实现软 ( 硬抓握。另外， 着重讨论了抓握系统的传感原理。试验表明， 这种机器人指 端具有良好的识别能力和稳定抓握能力。 关键词： 触觉传感器； 电流变流体； 机器人； 手爪； 应变片 中图分类号： )*$’$ + ,! 文献标识码： -
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%* 支撑座 $* 触头
#* 底座 +* 橡胶 图$
!* 应变片
’* 不锈钢板
&* 压头
"* 盖板 %#* 凸缘
,* 海绵
%-* 电流变流体
%%* 导电橡胶

（"）
具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端
式中： — —系数。 */ —
万方数据
在 （ -/ ，./ ） 处的单个应变读数表示为：
（ .1 ） #1 456 # - -1 ，
图!
应变式触觉传感器金属薄板的边界条件
则作用在金属薄板上的整个负载的合力为：
’+ *
% +
’ + / ( + -!, (
∫ ∫
( + !, (
（ % (） 0 ’0 ( & ’，
（"）
图" 抓握试验装置
可得： 如果把合力的作用点表示成 ! ，
’+ *
%! +
’ + / ( + -!, (
∫ ∫
( + !, (
2)
实验中选取了 ! 种不同物体， 对每种物体， 在不同 的两个抓握位置及施加不同的电场强度情况下进行了 多次抓握实验， 结果如表 &。通过实验数据可以发现， 这种传感器在测量不同密度， 不同长度的物体时具有 良好的性能和很高的精度。
表# 误差 （:） (>" (>( )>) !>& (>" )>1 (>/ $>! 测量长度 （&/
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