基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端及方法

摘要

本发明涉及一种基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端及方法，适用于工业机械手抓取物体时末端局部接触应力的实时监测。包括特制的机械手柱状或球状末端、超声发射和接收探头、探头支架、调节螺栓螺母、超声发射接收器、数据采集卡、计算机。机械手末端上下平面上装有探头支架，其上的调节螺栓螺母用于调整和固定探头的位置；依次将探头、超声发射接收器、数据采集卡和计算机连接。工作时，超声发射接收器发出电信号激励超声发射探头产生表面波；表面波沿机械手末端表面传播，接收探头接收表面波并转化为电信号传回超声接收发射器；数据采集卡对发出和接收的信号进行采样和数字化，计算机实现数据存储和计算分析得到表面波传播时间的变化，实现对机械手末端局部接触应力的实时监测，使原本冷冰冰的工业机械手拥有了感知接触应力的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械手末端及方法，尤其适用于工业机械手使用的一种基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端及方法。

背景技术

机械手是在机械化和自动化生产过程中发展出来的一种新型装置，能够模仿人手臂的某些动作，抓取或搬运物体，在构造和性能上兼具人和机器的优点。随着机器人构学的发展，机械手的灵活性、准确性和快速性已经可以媲美甚至超过人手，但是冷冰冰的机械手并不像人手一样拥有触觉，如何使机械手像人手一样拥有触觉，成为了机器手领域的热点问题。

人手在抓取特定形状及材料的物体时，要考虑手指和物体间的作用力是否会损害物体。同样，当工业机械手抓取高精度、易变现或有表面质量要求的物体时，必须要保证物体不因夹持时的局部接触应力产生局部残余应力、变形甚至损坏。因此，非常有必要对工业机械手末端的夹持接触应力进行实时监测。

机械手上的应变片式力传感器可用来测量机械手夹持物体时的夹紧力或力矩，但是机械手末端和物体接触部位的局部应力状况却无法反映。机器人仿生皮肤虽然有接触觉、压觉、滑觉多种触觉功能，但是存在强度有限、制造工艺复杂及成本高等问题，完全不适用于工业中被抓取物体体积大、重量大的情形。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、工作可靠，有效防止机械手对物体夹持造成损坏的基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端及方法。

技术方案：本发明的声表面波接触应力智能感知的机械手末端，包括作为夹持机构的互相匹配的一对机械手指，所述机械手指的前端为柱状末端或球状末端，还包括通过线路顺序与机械手末端上下方的超声接收探头和超声发射探头连接的计算机、数据采集卡和超声发射接收器，每根机械手指上下方分别设有探头支架，通过探头支架在机械手末端上方设有超声接收探头，下方设有超声发射探头，超声接收探头和超声发射探头在探头支架中位置可调。

所述的每根柱状末端与夹持物体接触部位为两个圆柱体侧面的切割面组合而成的双曲面结构，双曲面结构为两个并排设置的柱体截取一部分构成，柱状末端的切割而成的圆柱上下面和圆柱面以圆角过渡；柱状末端的上平面圆心处通过探头支架设有超声接收探头，下平面圆心处通过探头支架设有发射探头；从发射探头发出的表面波，沿可传播角度内的任意方向传播均会被超声接收探头接收，且声波沿各方向传播的声程相同；当物体被夹持表面为平面或柱面时，使用所述的特制柱状末端夹持，从而实时监测线接触应力。

所述的每根球状末端与夹持物体接触部分为一个球体的部分切割结构，球状末端夹持部位的形状由球体演变而来：在球体上对称地削出两个圆形平面，这两个平面以圆角和球面过渡，截取此球状体的一部分作为球状末端的夹持部位；球状末端的上平面圆心处通过探头支架设有超声接收探头，下平面圆心处通过探头支架设有发射探头,从超声发射探头发出的表面波，沿可传播角度内的任意方向传播均会被超声接收探头接收，且声波沿各方向传播的声程相同；当物体被夹持表面不规则时，使用所述的特制球状末端夹持，能够实时监测点接触应力。

所述的柱状末端或球状末端上下平面和圆柱面或球面交接处采用圆角过渡；频率为f的超声表面波在末端材料的传播速度为v，则能使表面波直接传播过去，而无能量损失的最小圆角半径为R

所述的每个探头支架的左右两侧分别设有用于调节和固定探头左右移动位置的横向螺栓螺母，探头支架后方设有用于调节和固定探头前后移动位置的纵向螺栓螺母，探头支架上方设有用于压紧探头的压紧螺栓螺母，通过调整上述横向螺栓螺母、纵向螺栓螺母和压紧螺栓螺母从而使探头精确地保持在扇形平面的圆心处。

所述的四个调节螺栓螺母：探头压紧螺栓螺母、横向螺栓螺母、纵向螺栓螺母中的螺栓均为双头螺旋螺栓，细牙螺纹头用于调节探头位置，粗牙螺纹头用于固定探头位置。

所述的横向螺栓螺母、纵向螺栓螺母在调节超声发射探头或超声接收探头位置时，需要通过计算机反馈的表面波发射信号和接收信号的相关函数波形来进行调节；先用便于确定几何中心的圆柱状微型探头代替超声接收探头，调整超声发射探头的位置，使得相关函数波形最大值附近只有一个极大值，即为此最大值；确定超声发射探头的位置后，再换回超声接收探头，并调整位置，同样使得相关函数波形最大值附近只有一个极大值，即最大值；此时表明超声发射探头和超声接受探头均位于扇形平面的圆心处。

利用探头支架将超声接收探头和超声发射探头固定在末端上下平面之前，须先清洁探头和末端上下平面间的贴合面，再在末端的侧平面上沾涂足量的耦合剂，以确保超声接收探头和超声发射探头和末端表面间完成充分的声能传递；由于超声接收探头和超声发射探头需要长期保持精确的位置，不便频繁拆装，且机械手常以不同姿势工作，所以耦合剂选择吸附性好、粘稠度大且耦合效果较好的机油。

一种使基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的工作方法，其步骤为：

机械手的柱状末端或球状末端夹持物体时，超声发射接收器产生表面波的电信号，激励超声发射探头转换为表面波沿机械手末端表面传播，超声接收探头又将接收到的表面波转换电信号传回超声发射接收器；

柱状末端或球状末端的圆柱面或球面和夹持物间有线接触或点接触，表面产生局部接触应力，由于声弹性效应，表面波在应力区传播速度将产生变化，从超声发射探头传播到超声接收探头的时间将产生变化；

超声发射接收器发射和接收的电信号被数据采集卡接收，并对信号进行采样和数字化；计算机对发出和接收到的声波信号进行互相关分析，得出表面波在声程内的传播时间；由于表面波声程相同，接触应力成为时间差的唯一影响因素，声波在无应力时和经过应力区传播的时间差与接触应力成线性关系，所以通过事先标定的线性关系可由测得的时间差得到对应的接触应力；当接触应力过大或超出额定值时发出预警或停止增加对物体的夹紧力，防止机械手末端在夹持高精度、易变形和有表面质量要求的物体过程中，对物体造成有害的残余应力、变形甚至损坏的情况发生。

使用互相关分析法求时间差Δt：利用两声波信号的互相关分析求得声波在声程内的传播时间，记x

由于x

Δt＝Δτ＝|τ

由于，互相关分析是用计算机完成，因此以上的模拟信号均通过数据采集卡转换为离散数字量来处理。记T

X

X

数字信号的互相关函数可表示为：

其中m为非负整数，由上述知，当机械手未夹持物体时，有非负整数m＝m

即有：

τ

τ

Δt＝Δτ＝|τ

由表面波声弹性理论知：一定声程上表面波传播时间的改变量是弹性体表面应力的线性函数。所以时间差Δt和接触应力σ有如下关系：

Δt＝Kσ

其中常数K由材料的声弹性系数和产生应力的声程长度决定。所以，接触应力σ可以用时间差Δt线性表示：

将

σ＝K′Δt

所以，求得K′即可得到接触应力σ与时间差Δt线性关系，为了提高求得K′值的准确性，可采取实验标定，由于接触应力在接触宽度内不是相等的，为了提高对夹持物体的保护和简化计算，采用最大接触应力σ

其中，E为材料弹性模量，L为接触长度，R

同理：对球状末端标定时，最大点接触应力σ

其中，R

有益效果：本发明采用超声表面波感知工业机械手指端夹持物体时的接触应力，让工业机械手末端拥有像人手一样感知接触应力的能力，当接触应力过大或超出额定值时发出预警或警报信号。防止机械手夹持高精度、易变形和有表面质量的物体过程中，对物体造成有害的残余应力、变形甚至损坏的情况发生。装置结构简单、工作可靠，有效地调高了工业机械手工作的可靠性。

对接触应力进行实时监测，让工业机械拥有感知接触应力的能力，避免过大的接触应力对物体造成损害的情况发生。鉴于此，需要研制一种工业机械手末端夹持物体时的接触应力智能感知装置，在机械手夹持的过程中，对接触应力进行实时监测，让冷冰冰的工业机械手拥有像人手一样感知接触应力的能力，当接触应力过大或超出额定值时发出预警或警报信号，防止物体因过大的接触应力而受到损害的情况发生。

附图说明

图1为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的结构示意图；

图2为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的柱状末端结构示意图；

图3为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的球状末端结构示意图；

图4(a)为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的表面波在多个面间传播原理；

图4(b)为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的表面波在多个面间传播原理；

图5(a)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的柱状末端形状设计原理图；

图5(b)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的柱状末端形状设计原理图；

图5(c)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的柱状末端形状设计原理图；

图6(a)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的球状末端形状设计原理图；

图6(b)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的球状末端形状设计原理图；

图6(c)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的球状末端形状设计原理图；

图6(d)本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的球状末端形状设计原理图；

图7为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的互相关函数计算时间差Δt示意图；

图8为本发明基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的探头支架调节和固定探头结构示意图。

图中：1-计算机；2-数据采集卡；3-超声发射接收器；4-超声发射探头；5A-柱状末端；5B-球状末端；6-超声接收探头；7-探头支架；8-压紧螺栓螺母；9-横向螺栓螺母；10-沉头螺钉；11-圆柱销；12-纵向螺栓螺母。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的阐述：

如图1所示，本发明的一种基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端，主要包括依次相连接的计算机1、数据采集卡2、超声发射接收器3；超声发射探头4和超声接收探头6均与超声发射接收器3接口相连；机械手须使用特制的柱状末端5A或球状末端5B；指端侧平面上装有探头支架7，用来调整和固定探头在末端上下平面上的位置。

基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端，其特征在于：它包括作为夹持机构的互相匹配的一对机械手指，所述机械手指的前端为柱状末端5A或球状末端5B，还包括通过线路顺序与机械手末端上下方的超声接收探头6和超声发射探头4连接的计算机1、数据采集卡2和超声发射接收器3，每根机械手指上下方分别设有探头支架7，通过探头支架7在机械手末端上方设有超声接收探头6，下方设有超声发射探头4，超声接收探头6和超声发射探头4在探头支架7中位置可调。

如图2所示，所述的每根柱状末端5A与夹持物体接触部位为两个圆柱体侧面的切割面组合而成的双曲面结构，双曲面结构为两个并排设置的柱体截取一部分构成，柱状末端5A的切割而成的圆柱上下面和圆柱面以圆角过渡；柱状末端5A的上平面圆心处通过探头支架7设有超声接收探头6，下平面圆心处通过探头支架7设有发射探头4；从发射探头4发出的表面波，沿可传播角度内的任意方向传播均会被超声接收探头6接收，且声波沿各方向传播的声程相同；当物体被夹持表面为平面或柱面时，使用所述的特制柱状末端5A夹持，从而实时监测线接触应力。

如图3所示，所述的每根球状末端5B与夹持物体接触部分为一个球体的部分切割结构，球状末端5B夹持部位的形状由球体演变而来：在球体上对称地削出两个圆形平面，这两个平面以圆角和球面过渡，截取此球状体的一部分作为球状末端5B的夹持部位；球状末端5B的上平面圆心处通过探头支架7设有超声接收探头6，下平面圆心处通过探头支架7设有发射探头4,从超声发射探头4发出的表面波，沿可传播角度内的任意方向传播均会被超声接收探头6接收，且声波沿各方向传播的声程相同；当物体被夹持表面不规则时，使用所述的特制球状末端5B夹持，能够实时监测点接触应力。

所述的每个探头支架7的左右两侧分别设有用于调节和固定探头左右移动位置的横向螺栓螺母9，探头支架7后方设有用于调节和固定探头前后移动位置的纵向螺栓螺母12，探头支架7上方设有用于压紧探头的压紧螺栓螺母8，通过调整上述横向螺栓螺母9、纵向螺栓螺母12和压紧螺栓螺母8从而使探头精确地保持在扇形平面的圆心处。

所述的四个调节螺栓螺母：探头压紧螺栓螺母8、横向螺栓螺母9、纵向螺栓螺母12中的螺栓均为双头螺旋螺栓，细牙螺纹头用于调节探头位置，粗牙螺纹头用于固定探头位置。

所述的横向螺栓螺母9、纵向螺栓螺母12在调节超声发射探头4或超声接收探头6位置时，需要通过计算机1反馈的表面波发射信号和接收信号的相关函数波形来进行调节；先用便于确定几何中心的圆柱状微型探头代替超声接收探头6，调整超声发射探头4的位置，使得相关函数波形最大值附近只有一个极大值，即为此最大值；确定超声发射探头4的位置后，再换回超声接收探头6，并调整位置，同样使得相关函数波形最大值附近只有一个极大值，即最大值；此时表明超声发射探头4和超声接受探头6均位于扇形平面的圆心处。

利用探头支架7将超声接收探头6和超声发射探头4固定在末端上下平面之前，须先清洁探头和末端上下平面间的贴合面，再在末端的侧平面上沾涂足量的耦合剂，以确保超声接收探头6和超声发射探头4和末端表面间完成充分的声能传递；由于超声接收探头6和超声发射探头4需要长期保持精确的位置，不便频繁拆装，且机械手常以不同姿势工作，所以耦合剂选择吸附性好、粘稠度大且耦合效果较好的机油。

一种基于超声表面波接触应力智能感知的机械手末端的工作方法，其步骤为：

机械手的柱状末端5A或球状末端5B夹持物体时，超声发射接收器3产生表面波的电信号，激励超声发射探头4转换为表面波沿机械手末端表面传播，超声接收探头6又将接收到的表面波转换电信号传回超声发射接收器3；

柱状末端5A或球状末端5B的圆柱面或球面和夹持物间有线接触或点接触，表面产生局部接触应力，由于声弹性效应，表面波在应力区传播速度将产生变化，从超声发射探头4传播到超声接收探头6的时间将产生变化；

超声发射接收器3发射和接收的电信号被数据采集卡2接收，并对信号进行采样和数字化；计算机1对发出和接收到的声波信号进行互相关分析，得出表面波在声程内的传播时间；由于表面波声程相同，接触应力成为时间差的唯一影响因素，声波在无应力时和经过应力区传播的时间差与接触应力成线性关系，所以通过事先标定的线性关系可由测得的时间差得到对应的接触应力；当接触应力过大或超出额定值时发出预警或停止增加对物体的夹紧力，防止机械手末端在夹持高精度、易变形和有表面质量要求的物体过程中，对物体造成有害的残余应力、变形甚至损坏的情况发生。

如图2和图3所示，特制柱状末端5A或球状末端5B的夹持部位形状由圆柱体或球体演变而来，将与物体接触的部位设计成这两种形状是为了达到以下两点目的：

Ⅰ)在传播曲面上，超声发射探头4发出的表面波沿任意方向传播均会被超声接收探头6接收到。因为末端和物体接触时，由于物体形状或夹持位置等原因，导致夹持部分和物体具体接触位置并不确定，所以表面波的传播区域必须覆盖整个可能和物体接触的夹持部位表面，并且通过区域内的表面波均要被超声接收探头6接收，才能确保接收到的信号中包涵接触应力的信息。

Ⅱ)在传播曲面上，表面波沿任意方向从超声发射探头4到超声接收探头6的声程相同。因为本装置是通过表面波在应力区相对于无应力时传播的时间差来计算接触应力，所以保证沿各方向传播的表面波声程相同，才能使得接触应力成为时间差的唯一影响因素。

下面结合示图就柱状末端5A和球状末端5B的形状设计原理做详细阐述。

如图4(a)所示，当表面波传播到介质表面边界时，如果边界为棱边，则会在原平面产生反射波，还会在侧面产生折射波；如图4(b)所示，传递介质的边界是曲率半径大于5个波长的圆角，则表面波几乎不损失能量，继续传递；声音在末端材料的传播速度为v，超声波频率为f，则能使表面波直接传播过去，而无能量损失的最小圆角半径为R

如图2和图5所示，柱状末端5A夹持部位的形状由圆柱演变而来。如图5(a)所示，在圆柱表面上，从一个底面的圆心沿任意方向到另一个底面的圆心的最短路径长度均相等，即路径①、②和③的长度L

如图3和图6所示，球状末端5B夹持部位的形状由球体演变而来。如图6(a)所示，在球面上，从一点沿任意方向到离此点最远点的最短路径长度均相等，即路径①、②和③的长度L

使用互相关分析法求时间差Δt：由于超声接收探头6接收的表面波信号相对于超声发射探头4发出的表面波信号除了时间上存在延迟、幅值减小外，波形几乎没有区别，具有高度的相似性，所以可通过两声波信号的互相关分析求得声波在声程内的传播时间。记x

由于x

Δt＝Δτ＝|τ

由于，互相关分析是用计算机完成，因此以上的模拟信号均通过数据采集卡2转换为离散数字量来处理。记T

X

X

数字信号的互相关函数可表示为：

其中m为非负整数，由上述知，当机械手未夹持物体时，有非负整数m＝m

τ

τ

Δt＝Δτ＝|τ

由表面波声弹性理论知：一定声程上表面波传播时间的改变量是弹性体表面应力的线性函数。所以时间差Δt和接触应力σ有如下关系：

Δt＝Kσ

其中常数K由材料的声弹性系数和产生应力的声程长度决定。所以，接触应力σ可以用时间差Δt线性表示：

将

σ＝K′Δt

所以，求得K′即可得到接触应力σ与时间差Δt线性关系。为了提高求得K′值的准确性，可采取实验标定。由于接触应力在接触宽度内不是相等的，为了提高对夹持物体的保护和简化计算，采用最大接触应力σ

其中，E为材料弹性模量，L为接触长度，R

同理：如图6(d)所示，对球状末端标定时，最大点接触应力σ

其中，R

σ

如图8所示，所述每个探头支架由交叉分布的两个沉头螺钉10和两个圆柱销11固定在末端上下平面上；探头支架上分别设有四个调节螺栓螺母，分别为两个设置在探头支架左右两侧用于调节和固定探头左右位置的横向螺栓螺母9、设置在探头支架后方用于调节和固定探头前后位置的纵向螺栓螺母12、设置在探头支架上方用于压紧探头的压紧螺栓螺母8，它们使探头精确地保持在扇形平面的圆心处。

所述的调节螺栓为双头螺旋，细牙螺纹头用于调节探头位置，粗牙螺纹头用于固定探头位置。

调试方式及步骤如下：先用便于确定几何中心的圆柱状微型探头代替超声接收探头6，调整超声发射探头4的位置；如图7中实线表示的R

此外，探头固定在末端上下平面之前，须先清洁探头和末端上下平面间的贴合面，再在末端的上下平面上沾涂足量的耦合剂，以确保探头和末端表面间完成充分的声能传递；由于探头需要长期保持精确的位置，不便频繁拆装，且机械手常以不同姿势工作，所以耦合剂选择吸附性好、粘稠度大且耦合效果较好的机油。