CN104972478A - 一种可控三指机械手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控三指机械手，包括机械部分和控制架，机械部分包括手部、手腕和手臂，所述手部由手指和传力机构构成，所述手指由两片机械手指组成，所述传力机构由六个支杆、六个齿轮件和四个锥齿轮组成，所述手臂包括小臂连接架和大臂连接架，所述手部与小臂连接架连接处、小臂连接架与大臂连接架连接处、大臂连接架与底座连接处的摆动副各装有舵机；所述控制架装于操作者的手臂上，包括有电位器，所述电位器能获取人手臂和人手指的转动角度。本发明还涉及一种可控三指机械手控制方法。本发明有益效果是提高了手指灵敏度与抓放速度，实现人机同步运动，更加人性化。

Description

一种可控三指机械手及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种可控三指机械手及其控制方法，属于机械设备领域。

背景技术

机械手是机器人的一种，在生产生活中运用极为广泛，可用作一般工业、极限作业等场合。机械手得以广泛应用，在于机械手的拥有巨大功能，即不仅可以进行极限作业，更重要是降低劳动力。机械手也可以用于医疗、福利，并能够与人协调作业。因此，对机械手的设计与改进，具有重要意义与价值。

现有机械手的研究包含了仿生学、自动化、材料学、人因工程和机器人工程的多学科多领域的问题。机械手的设计以机械设计原理为基础，在实现机械手基本功能的同时，更努力实现智能化和拟人化，通过人因工程学分析，是机械手更易操作和使用，更加人性化。

申请号201110426169.5公开的一种机械臂采用普通的电机驱动，机械抓只有两指，灵敏度低，功能性弱。现有机械手多为两指机械手，夹持稳定性较差，夹持范围较小。并主要用圆柱直齿轮进行传动，圆柱直齿轮传动不利于多指式机械手的设计，而且会限制机械手指的灵敏度。由于现有机械手的控制采取预置形式，不能实现同步控制，对机械手的适用范围多有限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种同步控制的可控三指机械手及其控制方法。

技术方案：一种可控三指机械手，包括机械部分和控制架，机械部分包括手部、手腕和手臂，所述手部由手指和传力机构构成，所述手指由两片机械手指组成，所述传力机构由六个支杆、六个齿轮件和四个锥齿轮组成，所述手臂包括小臂连接架和大臂连接架，所述手部与小臂连接架连接处、小臂连接架与大臂连接架连接处、大臂连接架与底座连接处的摆动副各装有舵机；所述控制架装于操作者的手臂上，包括有电位器，所述电位器能获取人手臂和人手指的转动角度。机械手指能够分别进行定位，保证手指在运动过程中的平稳性，手指的定位孔内均安装有轴承，减轻运动过程中的摩擦阻力。传力机构通过传动给予手指夹紧力而完成夹放工件的任务，手腕是连接手部和手臂的构件，起调整或改变工作方向的作用，手臂是支撑手腕和手部的构件，用以适应工件的空间位置。

所述手指的抓取面为锯齿状，传力机构由六个支杆、六个齿轮件和锥齿轮构成一内角120度的平行四边形；所述齿轮件用于固定锥齿轮，由其中一个锥齿轮驱动其他三个锥齿轮来驱动手指开合。

所述小臂连接架和大臂连接架为直角U形件，所述小臂连接架和大臂连接架的上部分装有双头螺柱，使U形件上部不易变形。

所述控制架包括肩杆、大臂杆、小臂杆、手掌杆和手指控制杆，所述大臂杆、小臂杆上各设有一排用于根据操作者的手臂的长度调节臂杆控制架长度的定位孔，所述手掌杆内置滑动变阻器，所述肩杆和大臂杆之间、大臂杆和小臂杆之间、手掌杆和手指控制杆之间均装有弹簧和电位器。

所述手腕由连接支架和舵机构成，所述连接支架成120度装配，所述舵机根据控制架的传输信号调节转动角度。

一种可控三指机械手控制方法，包括上述可控三指机械手、A/D转换器和核心MCU，所述电位器获取的转动角度经过A/D器转换获得数字量，然后经核心MCU分析处理，转为控制可控三指机械手中各舵机实现同步运动的信号。

有益效果：本发明一种可控三指机械手及其控制方法，使用锥齿轮传动以驱动三指机械手的运动，锥齿轮可实现空间多角度传动，利于增加机械手指，使机械手夹持稳定，操作空间增大，并提高手指灵敏度与抓放速度。此外，本发明控制方法利用控制架获取控制信号和分析处理以达到人为同步控制，实现同步运动。控制架的设计符合人因工程学分析与要求，使本发明更易操作和使用，更加人性化。本发明结构简单且为多指机械手，有利于工业用机械手的简化及多指机械手的发展。

附图说明

图1为本发明可控三指机械手的结构示意图；

图2为本发明可控三指机械手控制架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例：本发明一种可控三指机械手，动力源选用常用的电气式动力源舵机，所述舵机由于自带减速器所以具有较大力矩，另外由于舵机只能在一定角度范围转动与手臂运动模型一致，所以选用舵机能够降低设计难度。舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。当位置反馈电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使减速齿轮组输出的位置与期望值相符，从而达到舵机精确控制转向角度的目的。

所需传感器包括角度传感器和压力传感器，利用旋转式电位器阻值与旋转角度成正比做成角度传感器，两端接正极与地，随着角度变化输出电压值与一端电阻成正比，通过AD转换即得到与角度正相关的数字量，单片机根据得到的角度控制舵机。用到的电位器为TOCOS电位器RV24YN20SB202，其基本参数为总阻值100KΩ，阻值偏差±10%，功率0.25W，电气角度280°±10°，机械角度300°±5°。对于压力传感器，利用薄膜式传感器FSR，传感器薄膜区域的压力能够转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。所述压力越大，电阻越低，将传感器与固定阻值电阻串联，传感器相当于可变电阻，电阻变化时分压变化于是中间电位值相应变化，通过AD转换为数字量，压力与AD转换值成一一映射关系，即得到压力值。将压力传感器排列成矩阵装于手指指端，以在手指接触物体时获得所需的信号。

所需电源使用多节电池串联成的电池组，通过降压模块得到5v和6v分别供单片机和外围电路使用，降压模块使用XL2596芯片，调节变阻器调节反馈电压到feedback口调节out口电压，前后电容通交流部分，输出电压高于输入电压时导通二极管，可以有效地保护稳压芯片。

核心MCU 为飞思卡尔MC9S12XS128单片机。使用现成购置的核心板，配备十六路硬件AD转换，12位AD转换时间3us，另外还有8路八位硬件PWM，减少占用MCU资源。

如图1，所述可控三指机械手，底座18为四个U形板件叠加组成，内填充具有一定质量的重物铁块，所述可控三指机械手的其余部分重量相对于底座18的重量基本可以忽略，使得底座18能够平稳的支撑整个机械手臂，能够保证机械手臂在一定小范围内的空间波动不会造成整个机械手系统的翻倾，同时也可以均衡机械手在抓取物件时机械手部分的重量增加，以保证整个系统的稳定均衡性。底座18通过第一舵机架12连接第一舵机6，第一舵机6又与第一U形连接架11相连，通过第一舵机6的转动可以保证机械手臂上部在XY空间内的转动。同理，第一U形连接架11另一端与第二舵机架10相连，进而连接第二U形连接架9，通过第一舵机6的转动可以实现上部机械部分在XZ空间内的转动。第二U形连接架9通过第二舵机16与机械手相连，即可看做是机械手的手腕部分。通过其上部的第二舵机16的转动可以实现机械手在XZ平面内的转动。所述第一U形连接架11和第一U形连接架9上端打有加强杆孔，安装加强杆以保证强度。

机械手通过第二舵机16与机械臂相连。该机械手是三指的，每个手指2又由两片机械手指组成，采用两片机械手指的目的是希望能够在手指2的两侧分别进行定位，保证手指2运动过程中的平稳性。两个手指2的定位孔内均安装有轴承4，轴承4能减轻运动过程中的摩擦阻力。机械手指是通过六个支杆1（每片机械手指各一个）和齿轮件5固定的，支杆1、齿轮件5、手指2构成平行四边形结构保证手指2的平面运动。支杆1下部通过轴承4与手支架相连，三个手支架相互贴合构成空间120度的三个夹角，配合120度锥齿轮14实现三手之后的同步控制和运动。锥齿轮14是与齿轮件5固定在一起，能随着齿轮件5的转动而转动。在两锥齿轮14的齿轮件5之间放置垫圈3，便于调节锥齿轮14的中心间距。使用锥齿轮14的目的是实现三手指的同步运动，三手指的动力源是第二舵机16，第三舵机15带动与其固连的齿轮件5和锥齿轮14转动，四个锥齿轮14相互啮合。将手指2与物体的接触面设计为牙齿形增加手指2与抓持物体的摩擦力，实现更好的工作效果。

如图2，控制架是安装于真人手臂上，用于控制机械手运动的协助装置。控制架主要由钣金件组装而成，肩杆34捆绑在人手臂腋部；第一大臂杆组件30和第二大臂杆组件32共同组成可以调节长度的大臂杆，顾名思义，它是捆绑在操作者大臂上的控制支架部分；第一小臂杆组件24和第二小臂杆26共同组成可以调节长度的小臂杆，是捆绑于小臂上的控制支架部分；手掌杆27是放于与操作者手掌内的控制支架；手指控制握把21用于获取人手指的动作，以便根据操作者动作使机械手作出相应反应；三个电位器29，当手臂转动时电位器29获取手臂运动的角度，并将获取信号传输和处理，用于控制机械手的相对应运动；第一滑动变阻器23和第二滑动变阻器28主要目是获取人手指动作以控制完成机械手的抓合动作；在肩杆34和大臂杆之间、大臂杆和小臂杆之间、手掌杆27和手指控制握把21之间均装有弹簧33，便于操作者控制。机械臂控制架整体捆缚在操作者手臂上，通过获取人手臂动作实时控制机械手臂的对应运动。

Claims (6)

1.一种可控三指机械手，包括机械部分和控制架，机械部分包括手部、手腕和手臂，其特征在于：所述手部由手指和传力机构构成，所述手指由两片机械手指组成，所述传力机构由六个支杆、六个齿轮件和四个锥齿轮组成，所述手臂包括小臂连接架和大臂连接架，所述手部与小臂连接架连接处、小臂连接架与大臂连接架连接处、大臂连接架与底座连接处的摆动副各装有舵机；所述控制架装于操作者的手臂上，包括有电位器，所述电位器能获取人手臂和人手指的转动角度。

2.根据权利要求1所述的可控三指机械手，其特征在于：所述手指的抓取面为锯齿状，传力机构由六个支杆、六个齿轮件和锥齿轮构成一内角120度的平行四边形；所述齿轮件用于固定锥齿轮，由其中一个锥齿轮驱动其他三个锥齿轮来驱动手指开合。

3.根据权利要求1所述的可控三指机械手，其特征在于：所述小臂连接架和大臂连接架为直角U形件，所述小臂连接架和大臂连接架的上部分装有双头螺柱。

4.根据权利要求1所述的可控三指机械手，其特征在于：所述控制架包括肩杆、大臂杆、小臂杆、手掌杆和手指控制杆，所述大臂杆、小臂杆上各设有一排用于根据操作者的手臂的长度调节臂杆控制架长度的定位孔，所述手掌杆内置滑动变阻器，所述肩杆和大臂杆之间、大臂杆和小臂杆之间、手掌杆和手指控制杆之间均装有弹簧和电位器。

5.根据权利要求1所述的可控三指机械手，其特征在于：所述手腕由连接支架和舵机构成，所述连接支架成120度装配，所述舵机根据控制架的传输信号调节转动角度。

6.一种可控三指机械手控制方法，包括上述可控三指机械手、A/D转换器和核心MCU，其特征在于：所述电位器获取的转动角度经过A/D器转换获得数字量，然后经核心MCU分析处理，转为控制可控三指机械手中各舵机实现同步运动的信号。