液壓機(jī)械手握力的軟抓取控制及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐的需要，不僅要求搬運(yùn)機(jī)器人能進(jìn)行握力不變的剛性抓取，而且能實(shí)現(xiàn)握力可控制的軟抓取。在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)械手研制中，“軟抓”是一個(gè)令人感興趣的課題。本文介紹我們研制的具有二個(gè)自由度（提升和抓取）的液壓機(jī)械手。它能對(duì)不同重量的物體（小至一個(gè)空火柴盒，大至50N的鐵塊）進(jìn)行軟抓取。該液壓機(jī)械手的電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為極化式雙向比例電磁鐵-伺服轉(zhuǎn)閥-液壓缸系統(tǒng)，具有體積小、輸出力大、靈敏度高、工作可靠、價(jià)格低的特點(diǎn)，很適合小型機(jī)械手上使用。

　　液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)：

　　圖1為液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。采用兩套電液伺服系統(tǒng)分別控制機(jī)械手的提升和抓取。抓取缸活塞桿位移通過(guò)彈簧、滑塊和連桿機(jī)構(gòu)控制手爪的夾持力，手爪為平行夾持型，手爪板可以更換，以便抓取不同形狀的物體。

　　液壓機(jī)械手握力的軟抓取控制通過(guò)裝在手爪板上的滑覺(jué)、接近覺(jué)、接觸覺(jué)傳感器和微處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　傳感器的研制：

　　為了實(shí)現(xiàn)“軟抓取”，必須隨時(shí)檢測(cè)出機(jī)械手與被抓物體間的狀態(tài)。這通過(guò)裝在手爪板上的滑覺(jué)、接近覺(jué)、接觸覺(jué)三種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　滑覺(jué)傳感器：

　　它是三種傳感器中最關(guān)鍵的檢測(cè)元件，用來(lái)檢測(cè)物體在夾持過(guò)程中是否滑移。我們作了壓電式、電磁感應(yīng)式、棘輪棘爪式和霍爾元件式滑覺(jué)傳感器的試驗(yàn)。其中**種是利用壓電陶瓷間接檢測(cè)物體的振動(dòng)來(lái)判斷物體是否發(fā)生滑移后三種是利用檢測(cè)磁場(chǎng)變化來(lái)判斷物體是否發(fā)生滑移。試驗(yàn)表明,霍爾元件式**,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、可靠性好，并且信號(hào)無(wú)需任何處理就可直接與微機(jī)相聯(lián)。其結(jié)構(gòu)是采用多極扇形磁鋼,利用滾輪摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)變化，借助霍爾開(kāi)關(guān)元件來(lái)檢測(cè)滑覺(jué)信號(hào)。

　　接近覺(jué)傳感器：

　　它的作用是當(dāng)物體接近手爪板時(shí)發(fā)出信號(hào)。在此高效機(jī)械手上采用光電開(kāi)關(guān)作為接近覺(jué)傳感器。當(dāng)物體接近手爪時(shí),光線被切斷,光電三極管發(fā)出信號(hào)。其特點(diǎn)是采用紅外光作為光源,不受自然光的影響，工作可靠。

　　接觸覺(jué)傳惑器：

　　它的作用是當(dāng)手爪板與物體接觸時(shí)向微機(jī)發(fā)出信號(hào)，使夾緊動(dòng)作停止，物體開(kāi)始提升，并發(fā)出檢測(cè)滑移的指令。該機(jī)械手采用干簧管開(kāi)關(guān)作為接觸覺(jué)傳感器，通過(guò)調(diào)整裝有小磁鋼的彈簧片的厚薄和彎曲程度，可以獲得很小的導(dǎo)通接觸力（小于0.1N）。實(shí)驗(yàn)表明，干簧管的工作很可靠。

　　電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：

　　電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服放大器、極化式雙向比例電磁鐵、伺服轉(zhuǎn)閥及液壓缸組成。其作用是將輸入的電信號(hào)變換成液壓缸活塞的相應(yīng)位移。伺服放大器（包括激磁恒流源）是一臺(tái)具有電流負(fù)反饋的直流放大器。由于采用了電流負(fù)反饋,有效地克服了電磁鐵線圈電感和銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì),提高了電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性。

　　極化式雙向比例電磁鐵，它的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào),推動(dòng)小型伺服轉(zhuǎn)閥。它采用動(dòng)鐵結(jié)構(gòu),恒定電流激磁,控制線圈采用差動(dòng)連接方式,具有體積小、響應(yīng)快（tr=2.7ms，ts=14.7ms）、線性度好（＜1%）、頻寬較高（一3dB為145Hz）的特點(diǎn)。

　　伺服轉(zhuǎn)閥采用本室研制的電液伺服擺動(dòng)馬達(dá)的閥芯和閥套改裝而成。該伺服轉(zhuǎn)閥的閥口開(kāi)閉用來(lái)控制提升液壓缸和抓取液壓缸的運(yùn)動(dòng)。液壓缸它是電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。輸出是活塞的位移。此液壓缸采用雙出桿型式。

　　圖2是電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)脈沖響應(yīng)的試驗(yàn)曲線。由于液壓缸是積分環(huán)節(jié)，所以活塞位移是一條斜線。由圖可見(jiàn)，響應(yīng)平緩，無(wú)超調(diào)量。