CN102699923A - 机械手控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械手控制系统，包括有上位机，控制器，用于接收上位机的信号，并根据所接收的信号发出对步进电机驱动器单元的控制信号；步进电机驱动器单元，用于接收控制器所发出的控制信号，并驱动步进电动机单元按照控制要求进行动作；步进电动机单元，用于在步进电机驱动器单元的驱动下，控制机械手的伸缩和旋转。该系统采用视觉辨识的方法从摄像头获取的视频图像中获得有用的控制信息并发送给控制器，通过步进电机驱动器、步进电动机，驱动机械手的动作，能够实现人机互动、进行交互游戏、显示手语，并且还能够实现物体抓取和旋转，为进一步对机械手控制系统的研究和利用提供了有益的探索和设备基础。

Description

机械手控制系统

技术领域

本发明涉及一种机械手控制系统。特别是涉及一种结构简单，控制简便、灵活，低成本机械手控制系统。

背景技术

机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是随着计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展，同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件或工具的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动、摆动、移动或复合运动等动作来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的重要参数之一。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。控制系统的核心通常是由单片机或信号处理器等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。而有些操作装置需要由人直接操纵，机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

一般情况下，机械手的动作都要人为事先设定参数，或者通过摇杆、键盘等机械电子部件输入控制参数，控制机械手的动作，而随着科技的发展，基于视觉输入信号，通过辨识算法，得到控制者的指令意图，机械手随之实现相应的动作，已经成为机械手的又一发展趋势，本发明即基于该思想而实现的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种设计简单，控制方便，低成本的机械手控制系统。

本发明所采用的技术方案是：一种机械手控制系统，包括有上位机，还设置有：控制器，用于接收上位机的信号，并根据所接收的信号发出对步进电机驱动器单元的控制信号；步进电机驱动器单元，用于接收控制器所发出的控制信号，并驱动步进电动机单元按照控制要求进行动作；步进电动机单元，用于在步进电机驱动器单元的驱动下，控制机械手的伸缩和旋转。

所述的上位机包括有获取外部视觉信号的摄像头。

所述的步进电机驱动单元包括有驱动拇指步进电动机的拇指步进电机驱动器；驱动食指中指步进电动机的食指中指步进电机驱动器；驱动无名指小指步进电动机的无名指小指步进电机驱动器；驱动手掌旋转步进电动机的手掌旋转步进电机驱动器。

所述的步进电动机单元包括有驱动机械手的机械手拇指的拇指步进电动机；驱动机械手的机械手食指和机械手中指的食指中指步进电动机；驱动机械手的机械手无名指和机械手小指的无名指小指步进电动机；驱动机械手的机械手手掌的手掌旋转步进电动机。

所述的机械手包括有机械手手掌用于支撑五个机械手指，并且可以在手掌旋转步进电动机的带动下旋转；安置在机械手手掌上的机械手拇指、机械手食指、机械手中指、机械手无名指和机械手小指五个机械手指，用于抓取物体和显示示意性的手势。

所述的五个机械手指具有相同的机械结构，包括有机械手手指第二关节和机械手手指第一关节可以依托机械手手指旋转关节活动；机械手手指伸直弹性牵引绳一端固定在第二指关节弹性牵引绳固定杆上，另一端固定在第一指关节弹性牵引绳固定杆上，用于产生使机械手指伸直的拉力；机械手手指收缩牵引绳一端固定在第二指关节牵引绳固定杆上，另一端穿过机械手手指收缩牵引绳引导孔并连接到步进电动机的旋转轴上，由步进电动机的旋转轴旋转收紧机械手手指收缩牵引绳产生拉力，使机械手手指第二关节弯曲；由步进电动机的旋转轴反向旋转放松机械手手指收缩牵引绳释放拉力，在机械手手指伸直弹性牵引绳的作用下使机械手手指第二关节伸直。

本发明的一种机械手控制系统，是采用视觉辨识的方法从摄像头获取的视频图像中获得有用的控制信息并发送给控制器，通过步进电机驱动器、步进电动机，驱动机械手的动作；满足实际使用需要。该发明实现了基于视觉辨识的机械手控制方法，能够实现人机互动、进行交互游戏、显示手语，并且还能够实现物体抓取和旋转，为进一步对机械手控制系统的研究和利用提供了有益的探索和设备基础。

附图说明

图1是机械手控制系统结构框图

图2是机械手结构示意图

图3机械手指侧视示意图

图4机械手指正视示意图

其中：

1上位机        3步进电机驱动器单元

2控制器        4步进电动机单元

5机械手                     54机械手中指

11摄像头                    55机械手无名指

31拇指步进电机驱动器        56机械手小指

32食指中指步进电机驱动器    61机械手手指第二关节

33无名指小指步进电机驱动器  62机械手手指旋转关节

34手掌旋转步进电机驱动器    63机械手手指第一关节

41拇指步进电动机            64机械手手指伸直弹性牵引绳

42食指中指步进电动机        65机械手手指收缩牵引绳

43无名指小指步进电动机      66机械手手指收缩牵引绳引导孔

44手掌旋转步进电动机        67第二指关节弹性牵引绳固定杆

51机械手手掌                68第二指关节牵引绳固定杆

52机械手拇指                69第一指关节弹性牵引绳固定杆

53机械手食指

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种机械手控制系统做出详细的说明。

如图1所示，本发明的一种机械手控制系统，包括有上位机1，还设置有：控制器2，用于接收上位机1的信号，并根据所接收的信号发出对步进电机驱动器单元3的控制信号；步进电机驱动器单元3，用于接收控制器2所发出的控制信号，并驱动步进电动机单元4按照控制要求进行动作；步进电动机单元4，用于在步进电机驱动器单元3的驱动下，控制机械手5的伸缩和旋转。

所述的上位机1包括有获取外部视觉信号的摄像头11。

所述的步进电机驱动单元3包括有驱动拇指步进电动机41的拇指步进电机驱动器31；驱动食指中指步进电动机42的食指中指步进电机驱动器32；驱动无名指小指步进电动机43的无名指小指步进电机驱动器33；驱动手掌旋转步进电动机44的手掌旋转步进电机驱动器34。

所述的步进电动机单元4包括有驱动机械手5的机械手拇指52的拇指步进电动机41；驱动机械手5的机械手食指53和机械手中指54的食指中指步进电动机42；驱动机械手5的机械手无名指54和机械手小指55的无名指小指步进电动机43；驱动机械手5的机械手手掌51的手掌旋转步进电动机44。

如图2所示，所述的机械手5包括有机械手手掌51用于支撑五个机械手指，并且可以在手掌旋转步进电动机44的带动下旋转；安置在机械手手掌51上的机械手拇指52、机械手食指53、机械手中指54、机械手无名指55和机械手小指56五个机械手指，用于抓取物体和显示示意性的手势。

如图3或图4所示，所述的机械手手掌51上的五个机械手指具有相同的机械结构，包括有机械手手指第二关节61和机械手手指第一关节63可以依托机械手手指旋转关节62活动；机械手手指伸直弹性牵引绳64一端固定在第二指关节弹性牵引绳固定杆67上，另一端固定在第一指关节弹性牵引绳固定杆69上，用于产生使机械手指伸直的拉力；机械手手指收缩牵引绳65一端固定在第二指关节牵引绳固定杆68上，另一端穿过机械手手指收缩牵引绳引导孔66并连接到步进电动机的旋转轴上，由步进电动机的旋转轴旋转收紧机械手手指收缩牵引绳65产生拉力，使机械手手指第二关节61弯曲；由步进电动机的旋转轴反向旋转放松机械手手指收缩牵引绳65释放拉力，在机械手手指伸直弹性牵引绳64的作用下使机械手手指第二关节61伸直。

本发明的一种机械手控制系统，可以从摄像头获取的视频图中通过辨识的方法，获得有用的控制信息并发送给控制器，通过步进电机驱动器、步进电动机，驱动机械手的动作；满足实际使用需要，该发明实现了基于视觉辨识的机械手控制方法，能够实现人机互动、进行交互游戏、显示手语，并且还能够实现物体抓取和旋转等简单的动作，该系统成本低，功能强，效果明显，使用简单，为进一步对机械手控制系统的研究和利用提供了有益的探索和设备基础。

Claims (6)

1.一种机械手控制系统，包括有上位机(1)，其特征在于，还设置有：控制器(2)，用于接收上位机(1)的信号，并根据所接收的信号发出对步进电机驱动器单元(3)的控制信号；步进电机驱动器单元(3)，用于接收控制器(2)所发出的控制信号，并驱动步进电动机单元(4)按照控制要求进行动作；步进电动机单元(4)，用于在步进电机驱动器单元(3)的驱动下，控制机械手(5)的伸缩和旋转。

2.根据权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于，所述的上位机(1)包括有获取外部视觉信号的摄像头(11)。

3.根据权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于，所述的步进电机驱动单元(3)包括有驱动拇指步进电动机(41)的拇指步进电机驱动器(31)；驱动食指中指步进电动机(42)的食指中指步进电机驱动器(32)；驱动无名指小指步进电动机(43)的无名指小指步进电机驱动器(33)；驱动手掌旋转步进电动机(44)的手掌旋转步进电机驱动器(34)。

4.根据权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于，所述的步进电动机单元(4)包括有驱动机械手(5)的机械手拇指(52)的拇指步进电动机(41)；驱动机械手(5)的机械手食指(53)和机械手中指(54)的食指中指步进电动机(42)；驱动机械手(5)的机械手无名指(54)和机械手小指(55)的无名指小指步进电动机(43)；驱动机械手(5)的机械手手掌(51)的手掌旋转步进电动机(44)。

5.根据权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于，所述的机械手(5)包括有机械手手掌(51)用于支撑五个机械手指，并且可以在手掌旋转步进电动机(44)的带动下旋转；安置在机械手手掌(51)上的机械手拇指(52)、机械手食指(53)、机械手中指(54)、机械手无名指(55)和机械手小指(56)五个机械手指，用于抓取物体和显示示意性的手势。

6.根据权利要求1或权利要求5所述的机械手控制系统，其特征在于，所述的五个机械手指具有相同的机械结构，包括有机械手手指第二关节(61)和机械手手指第一关节(63)可以依托机械手手指旋转关节(62)活动；机械手手指伸直弹性牵引绳(64)一端固定在第二指关节弹性牵引绳固定杆(67)上，另一端固定在第一指关节弹性牵引绳固定杆(69)上，用于产生使机械手指伸直的拉力；机械手手指收缩牵引绳(65)一端固定在第二指关节牵引绳固定杆(68)上，另一端穿过机械手手指收缩牵引绳引导孔(66)并连接到步进电动机的旋转轴上，由步进电动机的旋转轴旋转收紧机械手手指收缩牵引绳(65)产生拉力，使机械手手指第二关节(61)弯曲；由步进电动机的旋转轴反向旋转放松机械手手指收缩牵引绳(65)释放拉力，在机械手手指伸直弹性牵引绳(64)的作用下使机械手手指第二关节(61)伸直。

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