CN106002995A - 一种五指拟人机械手的抓取控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五指拟人机械手的抓取控制系统。该机械手的手掌内部装有舵机来控制大拇指的移动，每个手指上都安装弹簧片，它为电机提供一个柔性负载并配合电机为其提供反方向的作用力实现手指的抓和放，五个直流电机通过牵引手指内的腱绳来控制手指屈伸的运动，五个直流电机转轴处装有AS5040磁编码器用来获得手指弯曲的位置信息,手指的每个指节上贴有FSR408系列力敏传感器用于控制机械手抓取物体的力度。本发明提供的五指仿生手，充分利用欠驱动原理，将腱传动机构的自适应特征发挥在手指对物体的灵活抓取上，能够实现抓取自适应物体形状的动作，并具有丰富的抓取姿势，实现了对物体的柔顺抓取。

Description

一种五指拟人机械手的抓取控制系统
技术领域
本发明涉及一种五指拟人机械手的抓取控制系统，该五指拟人机械手可用于家庭服务、农业生产、空间探测、假肢安装等领域，可为残疾人提供灵活假肢，为家庭服务机器人提供执行装置，帮助人类完成一些危险工作。
背景技术
机械手是一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作，是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，极大地促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现机械化与自动化的有机结合。目前，国内对机械手研究的机构主要有北京航空航天大学与哈尔滨工业大学等，北航研制了BUAA四指机械手，具有4个相同的手指，共16个自由度，且可以通过变化拇指的位置来满足不同的抓取要求，但是由于无手掌结构与表面力传感能力，因此使其抓取姿势与范围受限，本发明的特点是采用三闭环(角度环、接触力环和电流环)原理对机械手进行控制，在一定程度上，弥补了机械手抓取姿势和范围的局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供了一种五指拟人机械手的抓取控制系统，具有丰富的抓取姿势，可以实现对多种物体的抓取，此外，它采用基于欠驱动原理的腱传动机构，能够抓取能够自适应物体形状，并且控制较简单，价格低廉。
为解决上述问题，本发明的构思如下：
利用欠驱动原理，将腱传动机构的自适应特征发挥在手指对物体的灵活抓取上，在每一个仿生手指都安装弹簧片，为电机提供一个柔性负载并配合电机为其提供反方向的作用力实现手指的抓和放，五个直流电机通过牵引手指内的腱绳来控制手指屈伸的运动；五个直流电机转轴处装有AS5040磁编码器用来获得手指弯曲的位置信息；手指的每个指节上贴有FSR408系列力敏传感器用于控制仿生手抓取物体的力度；采用单片机MSP430F5529作为主控芯片控制器，包括CPU模块、电源模块、压力模块、角度检测模块、电机驱动模块以及无线通信模块。通过将仿生手与控制器连接在一起，控制器与上位机连接在一起，合理的机电一体化设计思想，能够抓取自适应物体形状的动作，并具有丰富的抓取姿势，实现了对物体的柔顺抓取。
根据上述发明构思，本发明采用的技术方案如下：
一种五指拟人机械手的抓取控制系统，该机械手包括手掌、五根手指，每根手指包括三个指节，使用弹簧片、手指盖板和螺钉连接，手掌包括底板，盖板和抓取控制系统，该抓取控制系统包括五个直流电机，五个角度传感器，十五个力敏传感器和一个控制器。其特征在于：所述的直流电机位于手掌内部，所述的角度传感器固定于直流电机的转轴端，所述的力敏传感器贴于每个手指的三个指节，五个直流电机分别连接驱动五个手指并连接传动角度传感器，角度传感器和力敏传感器的输出连接到控制器，控制器的输出连接到五个直流电机，五个直流电机分别控制五个手指屈伸的运动，分别位于五个直流电机转轴处的五个角度传感器用来获得五个手指弯曲的位置信息；每个手指的每个指节上贴的力敏传感器用于测取机械手抓取物体的力度，从而构成双闭环——位置环和接触力环的控制系统，实现机械手对物体的准确抓取。
所述的直流电机为无刷直流电机，电机转轴的一端加有一个减速箱，使手指从伸直到弯曲时旋转360°，通过电机转子的旋转牵引手指内的腱绳控制手指的屈伸运动。
所述的角度传感器，选用AS5040磁编码器，用于精确测量360°内的角度，AS5040磁编码器采用绝对式测量，测量结果以10位二进制的形式串行输出，故其分辨率可达到0.35°。电机转动带动AS5040磁编码器转动，使其相对位置发生变化，通过角度反馈，得到手指的精确位置。
所述的控制器采用单片机MSP430F5529。
本发明与现有技术相比较，具有的显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明的机械手的控制系统可以实现机械手对不同种类、不同形状物体的准确抓取，由于机械手配备了力感知与位置感知，可以防止因抓取力过大损坏物体以及手指运动过度对机械手结构的损害。因此可作为家庭服务机器人末端执行装置，替代或协助人类完成部分服务工作。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为五指拟人机械手的实物图。
图3为AS5040磁编码器。
图4为FSR408系列电阻式力传感器。
图5为FSR408系列电阻式力传感器转换电路图。
图6为本发明的机电连接图。
图7是五指机械手抓取卡片图。
图8是五指机械手抓取水笔图。
图9是五指机械手抓取水杯图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以优选的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
实施例一：
参见图1~图4，本五指拟人机械手的抓取控制系统，该机械手包括手掌（10）、五根手指（1、2、3、4、5），每根手指包括三个指节（6、7、8），使用弹簧片（9）、手指盖板和螺钉连接，手掌（10）包括底板，盖板和抓取控制系统，该抓取控制系统包括五个直流电机（Ⅰ），五个角度传感器（Ⅱ），十五个力敏传感器（Ⅲ）和一个控制器（Ⅳ）。其特征在于：所述的直流电机（Ⅰ）位于手掌（10）内部，所述的角度传感器（Ⅱ）固定于直流电机（Ⅰ）的转轴端，所述的力敏传感器（Ⅲ）贴于每个手指（1、2、3、4、5）的三个指节（6、7、8），五个直流电机（Ⅰ）分别连接驱动五个手指（1、2、3、4、5）并连接传动角度传感器（Ⅱ），角度传感器（Ⅱ）和力敏传感器（Ⅲ）的输出连接到控制器（Ⅳ），控制器（Ⅳ）的输出连接到五个直流电机（Ⅰ），五个直流电机（Ⅰ）分别控制五个手指（1、2、3、4、5）屈伸的运动，分别位于五个直流电机（Ⅰ）转轴处的五个角度传感器（Ⅱ）用来获得五个手指弯曲的位置信息；每个手指的每个指节上贴的力敏传感器（Ⅲ）用于测取机械手抓取物体的力度，从而构成双闭环——位置环和接触力环的控制系统，实现机械手对物体的准确抓取。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的五个角度传感器（Ⅱ），均选用AS5040磁编码器，用于精确测量360°内的角度，电机转动带动AS5040磁编码器转动，使其相对位置发生变化，通过角度反馈，得到手指的精确位置。
所述的力敏传感器（Ⅲ）为FSR408系列电阻式力传感器，包括导体层、垫片、FSR，最上面的导体层被施加压力后，通过垫片缓冲，传到下面的FSR 部分转变为FSR 阻值的变化，实现对接触力的准确控制。
所述的控制器（Ⅳ）采用单片机MSP430F5529。
实施例三：
如图1所示，机械手抓取控制系统采用双闭环控制结构，机械手未接触物体时，采用位置环（拇指）控制，即角度传感器AS5040得到手指的位置信息，通过角度反馈，实现对机械手位置的准确控制；当机械手接触到物体时，采用接触力环（食指）控制，即使用FSR408电阻式力传感器将接触力的变化转换为阻值的变化，得到机械手的接触力信息，通过力反馈，实现机械手对物体的准确抓取。
如图2所示，五个手指（1、2、3、4、5）都配有一根腱绳连接到手掌（10）内的直流电机。弹簧片（9）配合直流电机的驱动实现手指的弯曲与伸直。每个手指三个指节（6、7、8）各贴有3个FSR408系列电阻式力传感器，用于感知抓取物体的力度，实现接触力的准确控制。
如图3所示，在电机（Ⅰ）的转轴处（3-1）安装固定AS5040磁编码器（3-2），磁编码器与MSP430F5529控制板进行通信，由此获得5个角度值。
如图4所示，为FSR408系列电阻式力传感器的实物图。在图5所示实施例中，其作用是将非电量（力）转化为电量（电压）输出。该电路由运算放大器U1-A、U1-B和电阻式力传感器FSR组成，U1-A提供一个恒值电压-0.5V，供给FSR；U1-B输出一个与FSR成一定比例关系的电压，其表达式为：
为了使FSR在恒值电压-0.5V的作用下，RF1的取值为5.2KΩ。RF2用于调整输出电压，使其处在1V--2.5V的范围内，手指中15个压力传感器所对应的RF2的取值分别为：
然后将该电压送入A/D转换器，输出数字量给主控芯片进行处理。
如图6所示，机械手（6-1）连接到MSP430F5529控制板（6-2）上，机械手（6-1）中的接触力与角度数据以及电机采样电流值便送到MSP430F5529控制板（6-2）中进行处理，形成双闭环的反馈系统。MSP430F5529控制板（6-2）通过串口线连接到上位机（6-3）实现MSP430F5529控制板（6-2）与上位机（6-3）的数据通信，从而实现机械手的准确抓取操作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种五指拟人机械手的抓取控制系统，该机械手包括手掌（10）、五根手指（1、2、3、4、5），每根手指包括三个指节（6、7、8），使用弹簧片（9）、手指盖板和螺钉连接，手掌（10）包括底板，盖板和抓取控制系统，该抓取控制系统包括五个直流电机（Ⅰ），五个角度传感器（Ⅱ），十五个力敏传感器（Ⅲ）和一个控制器（Ⅳ），其特征在于：所述的直流电机（Ⅰ）位于手掌（10）内部，所述的角度传感器（Ⅱ）固定于直流电机（Ⅰ）的转轴端，所述的力敏传感器（Ⅲ）贴于每个手指（1、2、3、4、5）的三个指节（6、7、8），五个直流电机（Ⅰ）分别连接驱动五个手指（1、2、3、4、5）并连接传动角度传感器（Ⅱ），角度传感器（Ⅱ）和力敏传感器（Ⅲ）的输出连接到控制器（Ⅳ），控制器（Ⅳ）的输出连接到五个直流电机（Ⅰ），五个直流电机（Ⅰ）分别控制五个手指（1、2、3、4、5）屈伸的运动，分别位于五个直流电机（Ⅰ）转轴处的五个角度传感器（Ⅱ）用来获得五个手指弯曲的位置信息；每个手指的每个指节上贴的力敏传感器（Ⅲ）用于测取机械手抓取物体的力度，从而构成双闭环——位置环和接触力环的控制系统，实现机械手对物体的准确抓取。
2.根据权利要求1所述的五指拟人机械手的抓取控制系统，其特征在于：所述的五个直流电机（Ⅰ）为无刷直流电机，电机转轴的一端加有一个减速箱，使手指从伸直到弯曲时旋转360°，通过电机转子的旋转牵引手指内的腱绳控制手指的屈伸运动。
3.根据权利要求1或2所述的五指拟人机械手的抓取控制系统，其特征在于：所述的五个角度传感器（Ⅱ），均选用AS5040磁编码器，用于精确测量360°内的角度，电机转动带动AS5040磁编码器转动，使其相对位置发生变化，通过角度反馈，得到手指的精确位置。
4.根据权利要求1所述的五指拟人机械手的抓取控制系统，其特征在于：所述的力敏传感器（Ⅲ）为FSR408系列电阻式力传感器，包括导体层、垫片、FSR，最上面的导体层被施加压力后，通过垫片缓冲，传到下面的FSR 部分转变为FSR 阻值的变化，实现对接触力的准确控制。
5.根据权利要求1所述的五指拟人机械手的抓取控制系统，其特征在于：所述控制器（Ⅳ）采用单片机MSP430F5529。
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