CN106956283A - 一种基于3d打印的五指仿人机械手 - Google Patents
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- B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
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Abstract
本发明提供了一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手，包括具有14个弯曲自由度的手部主体及绳牵组件和接触感知组件，手部主体为一体式成型结构，手部主体包括手掌及与手掌连接的五根手指。本发明提供的机械手具有很高的仿生性，其具有结构简单、体积小、柔软度高的特点，同时，机械手为一体式成型结构，无需二次装配，免去了复杂的装配环节，制作方便、生产效率高、节约成本，此外，本发明通过绳牵组件可以实现各关节的运动，使得机械手具有安全性及灵活性；本发明通过接触感知组件使得机械手在运动工作过程中，具有初步的触觉功能，增加了机械手的智能化程度，在工业机器人、农业机器人、服务机器人、教育机器人等领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机械手技术领域，特别涉及一种基于3D打印的五指仿人机械手。
背景技术
随着机器人应用技术的不断发展，机械手作为末端执行器有着广泛的应用，为了适应不同的工作任务，制造出能够像人手一样灵活的柔性机械手来代替人类去完成工作具有广阔市场前景，五指仿生机械手作为一类机器人终端操作装置，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，在具有灵巧及精细要求的各类任务中取得广泛应用。
现有专利号为CN201510071803.0公开的完全自身力源仿生机械手,该机械手为传统机械手，从结构上来说这种机械手大多数采用分关节、分模块设计，然后进行连接装配起来，零件数量多，装配工艺复杂，生产麻烦，从结构表面特性上来说，和人手的肌肉皮肤相比，都非常硬，从而导致抓取物体时属于硬接触，对抓紧力的控制带来很大困难，由于不具有一定的触觉，所以感知能力差，适用范围较小，为此急需开发一种易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点的基于3D打印的五指仿人机械手。
发明内容
为了解决现有技术中的机械手，从结构上大多数采用分关节、分模块设计，然后进行连接装配起来，零件数量多，装配工艺复杂。从结构表面特性上来说，和人手的肌肉皮肤相比，都非常硬，从而导致抓取物体时属于硬接触，对抓紧力的控制带来很大困难等问题，本发明结合3D打印技术的巨大优势，提供了一种可以一体化整体打印制作出了，从而免去了复杂的装配环节，具有易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点的基于3D打印的五指仿人机械手。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供了一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手，包括具有14个弯曲自由度的手部主体及设置在所述手部主体上的绳牵组件和接触感知组件，所述手部主体为一体式成型结构，所述手部主体包括手掌及与所述手掌连接的五根手指；所述绳牵组件用于控制五根所述手指的弯曲和伸展；所述接触感知组件用于实时判断所述手部主体是否与物体接触，及时反馈接触信号。
进一步的，具有14个所述弯曲自由度的所述手部主体为通过3D打印设备采用柔性材料制成的一体式成型结构。
进一步的，所述柔性材料为树脂材料，所述树脂材料的拉伸强度和弯曲模量均为35-45MPa。
进一步的，所述手指内靠近指肚处填充的所述柔性材料的密度小于所述手指内靠近指背处填充的所述柔性材料的密度。
进一步的，所述手指上指肚部位的单位体积受载变形量为0.2-4mm；所述手指上指背部位的单位体积受载变形量小于0.2mm。
进一步的，每根所述手指均由3个指关节连接组成，相邻所述指关节连接处位于指肚的一侧和位于指背的一侧相对设有切槽口，位于所述指关节上指肚一侧的所述切槽口的开口角度大于位于所述指关节上指背一侧的所述切槽口的开口角度。
进一步的，所述手指包括拇指、食指、中指、无名指和小拇指，所述拇指上设有的两对所述切槽口使所述拇指具有两个所述弯曲自由度，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指上均设有的三对所述切槽口使所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指均具有三个所述弯曲自由度。
进一步的，所述绳牵组件由若干穿接在所述手部主体内的细绳组成，每根所述指关节内靠近指肚的一侧沿所述指关节的长度方向均设置第一穿线通道，所述指关节的两端设有与所述第一穿线通道连通的第一穿线孔，所述手掌内对应每根所述手指设置有与所述第一穿线通道对应的所述第二穿线通道，所述手掌两端分别设有与所述第二穿线通道连通的第二穿线孔，所述绳索一端固定在所述手指上远离所述手掌的所述指关节内，其另一端依次通过所述第一穿线孔穿过所述第一穿线通道、所述第二穿线通道，并由所述手掌的所述第二穿线孔穿出；所述细绳用于控制每根所述手指上所述指关节的运动。
进一步的，所述接触感知组件包括若干内嵌在所述手指的指肚内的接触觉传感器，所述接触觉传感器用于实时判断所述手指的指肚部位是否与物体接触，并赋予所述手指触觉，及时反馈接触信号。
优选的，所述接触感知组件还包括内置在每根所述手指内的弯曲传感器，所述弯曲传感器用于检测每根所述手指的弯曲状态，并实时反馈所述手指的弯曲角度。
本发明的有益效果如下：本发明提供的机械手具有很高的仿生性，其具有结构简单、体积小、柔软度高的特点，同时，机械手为一体式成型结构，无需二次装配，免去了复杂的装配环节，制作方便、生产效率高、节约成本，此外，本发明通过绳牵组件可以实现各关节的运动，使得机械手具有安全性及灵活性，同时，本发明通过接触感知组件使得机械手在运动工作过程中，具有初步的触觉功能，增加了机械手的智能化程度，因此，本发明所设计五指仿人机械手，具有易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点，在工业机器人、农业机器人、服务机器人、教育机器人等领域具有重要应用价值。
附图说明
图1为实施例1所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手的结构示意图；
图2为实施例2所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手中手指的剖面图一；
图3为实施例2所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手中手指的剖面图二；
图4为实施例3所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手中手指的结构示意图；
图5为实施例3所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手的结构示意图；
图6为实施例4所述的一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手中手指的结构示意图。
其中：1、手掌；2、手指；3、指关节；4、切槽口；5、第一穿线孔；6、第二穿线孔；7、接触觉传感器；8、弯曲传感器。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手，该机械手不仅具有传统五指仿人机械手的基本功能，还具有易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点。其包括具有14个弯曲自由度的手部主体及设置在所述手部主体上的绳牵组件和接触感知组件，绳牵组件可以实现手指2的运动，使得机械手具有安全性及灵活性，接触感知组件能够实时反馈信号，判断手指2是否与物体接触，保证抓稳物体；所述手部主体为一体式成型结构，无需二次装配，制作方便、生产效率高、节约成本，所述手部主体包括手掌1及与所述手掌1连接的五根手指2，五根手指2均仿人手制作，手指2与手掌1之间通过一体化的柔性带状结构连接，无需通过销轴等连接，即可实现相对弯曲和伸展运动；所述绳牵组件用于控制五根所述手指2的弯曲和伸展；所述接触感知组件用于实时判断所述手部主体是否与物体接触，及时反馈接触信号。
本发明提供的机械手结构简单，使用方便，生产效率低，不仅能够实现人体手部的仿生运动，而且在制作过程中，省去了连接装配的过程，降低制造成本，提高生产效率，降低了制作成本；设计的接触感知组件，使得机械手在运动工作过程中，具有初步的触觉功能，增加了机械手的智能化程度。因此，所设计的基于3D打印的五指仿人机械手，具有易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点，在工业机器人、农业机器人、服务机器人、教育机器人等领域具有重要应用价值。
实施例2
本发明实施例2在实施例1的基础上进一步限定了机械手的结构，具有14个所述弯曲自由度的所述手部主体为通过3D打印设备采用柔性材料制成的一体式成型结构。3D打印设备可以为3D打印机，采用3D打印技术制作的机械手，无需后续的连接装配过程，不但能够实现人体手部的仿生运动，而且通过采用柔性材料，实现人体手部的仿生运动，此外，在制作过程中，省去了连接装配的过程，降低制造成本，提高生产效率，降低了制作成本。
进一步需要说明的是，所述柔性材料为树脂材料，所述树脂材料的拉伸强度和弯曲模量均为35-45MPa。
进一步需要说明的是，所述树脂材料包括以下重量份数的成分：20-35份的ABS、15-40份的PLA、10-30份的橡胶及10-40份的硅胶。优选的，所述树脂材料由以下重量份数的成分组成：30份的ABS、25份的PLA、20份的橡胶及25份的硅胶。
上述成分组成的树脂材料混合后，其拉伸强度和弯曲模量均在35-45MPa的条件下通过3D打印设备打印形成的机械手触感能够模仿人体手部。
如图2或3所示，为了实现手指2内部的指肚及指背具有不同的柔软度，本技术方案中进一步的限定了所述手指2内靠近指肚处填充的所述柔性材料的密度小于所述手指2内靠近指背处填充的所述柔性材料的密度。该结构的限定实现了手指2的指肚与指背的柔软度的差别的仿生结构。手指2内指肚处填充的柔性材料和指被处填充的柔性材料的形状和密度不同，致使其通过3D打印制作后所形成的指肚的实体结构比指背部分的相应结构柔软，因此可以达到模拟人手的仿生效果。
需要进一步解释的是，所述手指2上指肚部位的单位体积受载变形量为0.2-4mm；所述手指2上指背部位的单位体积受载变形量小于0.2mm。通过3D打印制作完成的机械手，可以实现指背相对较硬、指肚相对较软且富有弹性的仿生效果，从而改善手指2和物体接触时的接触特性。经过大量实验证明，单位体积受载变形量为0.2-4mm的指肚部位的柔软性大于单位体积受载变形量小于0.2mm的指被部位，因此，手指2指肚部分与指背部分的柔软度不同，可以达到模拟人手的仿生效果。
实施例3
如图4所示，本发明实施例3在实施例1的基础上进一步限定了每根所述手指2均由3个指关节3连接组成，关节与关节之间通过一体化的柔性带状结构连接，无需通过销轴等连接，即可实现相对弯曲和伸展运动。相邻所述指关节3连接处位于指肚的一侧和位于指背的一侧相对设有切槽口4，位于所述指关节3上指肚一侧的所述切槽口4的开口角度大于位于所述指关节3上指背一侧的所述切槽口4的开口角度。指肚和指被相对设置切槽口4，能够实现关节之间通过切槽口4实现弯曲，有效模仿人体关节。
如图5所示，需要说明的是，所述手指2包括拇指、食指、中指、无名指和小拇指，所述拇指上设有的两对所述切槽口4使所述拇指具有两个所述弯曲自由度，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指上均设有的三对所述切槽口4使所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指均具有三个所述弯曲自由度。
如图4或5所示，进一步的，所述绳牵组件由若干穿接在所述手部主体内的细绳组成，每根所述指关节3内靠近指肚的一侧沿所述指关节3的长度方向均设置第一穿线通道，所述指关节3的两端设有与所述第一穿线通道连通的第一穿线孔5，所述手掌1内对应每根所述手指2设置有与所述第一穿线通道对应的所述第二穿线通道，所述手掌1两端分别设有与所述第二穿线通道连通的第二穿线孔6，所述绳索一端固定在所述手指2上远离所述手掌1的所述指关节3内，其另一端依次通过所述第一穿线孔5穿过所述第一穿线通道、所述第二穿线通道，并由所述手掌1的所述第二穿线孔6穿出；所述细绳用于控制每根所述手指2上所述指关节3的运动。
所述手部主体结构的五根手指2和手掌1部分均设计有用于穿过绳索的通道。将绳索从第一穿线通道、第二穿线通道穿过后，通过拉动绳索，便可实现对手指2的控制，通过控制牵引绳索伸缩，改变绳索张紧程度的配合，便能完成特定形状的抓取动作。
每根手指2内部设置有用于穿绳索的第一穿线孔5，手掌1内部设置有用于穿绳索的第二穿线孔6。将绳索穿过每根手指2的第一穿线孔5后，再经由手掌1内部第二穿线孔6引出。之后通过控制每根手指2的绳索的松紧度，便可控制手指2各关节的运动。
通过拉动绳索，可以实现手指2的弯曲与伸展。通过对五根手指2的控制绳索的张紧程度的组合调节，可以完全模仿人手做出特定抓取动作。结合接触感知组件的实时信号反馈，便可确定是否接触物体、是否抓稳物体等。
实施例4
如图6所示，本发明实施例4在实施例1的基础上进一步限定了，所述接触感知组件包括若干内嵌在所述手指2的指肚内的接触觉传感器7，所述接触觉传感器7用于实时判断所述手指2的指肚部位是否与物体接触，并赋予所述手指2触觉，及时反馈接触信号，从而使手指2具有初步的触觉感知功能，实时判断手指2是否与物体接触，保证抓稳物体。接触觉传感器7用来判断机器人是否接触物体的测量传感器，可以感知机器人与周围障碍物的接近程度。接近觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。
所有手指2的指肚内部均装有接触觉传感器7，能够实时反馈信号，赋予手指2“触觉”，从而能够实时判断手指2是否与物体接触，保证抓稳物体，该接触觉传感器7使得机械手在运动工作过程中，具有初步的触觉功能，增加了机械手的智能化程度。
如图6所示，优选的需要说明的是，所述接触感知组件还包括内置在每根所述手指2内的弯曲传感器8，所述弯曲传感器8用于检测每根所述手指2的弯曲状态，并实时反馈所述手指2的弯曲角度。弯曲传感器8为Flex 4.5寸弯曲传感器8，弯曲传感器8的表面是一层特殊的电阻材料，当弯曲传感器8受到应力发生弯曲变形时，表面的电阻值即发生变化，完全程度越大，电阻值越大。完全传感器应用于机器人、虚拟运动等领域，尤其被广泛应用于机械手测量手指2的运动。使用时，弯曲传感器8通过信号调理电路转化为电压的变化，电压的变化通过模拟输入端进行A/D转换，得到电压数值变化，电压数值变化转化为机械手各关节的角度值，即可通过控制绳牵组件来控制手指2的运动。
本发明充分发挥3D打印技术的优势，设计了一种基于3D打印的五指仿人机械手，可以一体化整体打印制作出来，从而免去了复杂的装配环节，降低制造成本，提高生产效率，降低了制作成本。此外，通过设计不同部分的内部填充结构，可以调整结构的表面刚性，进一步在有弹性感觉的手指2肚内部设计了接触感知组件，从而使手指2具有了初步的触觉感知能力，同时，本发明所设计的基于3D打印的五指仿人机械手，具有易于制作、易于控制、带有初步触觉等优点，在工业机器人、农业机器人、服务机器人、教育机器人等领域具有重要应用价值。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，包括具有14个弯曲自由度的手部主体及设置在所述手部主体上的绳牵组件和接触感知组件，所述手部主体为一体式成型结构，所述手部主体包括手掌(1)及与所述手掌(1)连接的五根手指(2)；所述绳牵组件用于控制五根所述手指(2)的弯曲和伸展；所述接触感知组件用于实时判断所述手部主体是否与物体接触，及时反馈接触信号。
2.如权利要求1所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，具有14个所述弯曲自由度的所述手部主体为通过3D打印设备采用柔性材料制成的一体式成型结构。
3.如权利要求2所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述柔性材料为树脂材料，所述树脂材料的拉伸强度和弯曲模量均为35-45MPa。
4.如权利要求3所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述手指(2)内靠近指肚处填充的所述柔性材料的密度小于所述手指(2)内靠近指背处填充的所述柔性材料的密度。
5.如权利要求4所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述手指(2)上指肚部位的单位体积受载变形量为0.2-4mm；所述手指(2)上指背部位的单位体积受载变形量小于0.2mm。
6.如权利要求1所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，每根所述手指(2)均由3个指关节(3)连接组成，相邻所述指关节(3)连接处位于指肚的一侧和位于指背的一侧相对设有切槽口(4)，位于所述指关节(3)上指肚一侧的所述切槽口(4)的开口角度大于位于所述指关节(3)上指背一侧的所述切槽口(4)的开口角度。
7.如权利要求6所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述手指(2)包括拇指、食指、中指、无名指和小拇指，所述拇指上设有的两对所述切槽口(4)使所述拇指具有两个所述弯曲自由度，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指上均设有的三对所述切槽口(4)使所述食指、所述中指、所述无名指和所述小拇指均具有三个所述弯曲自由度。
8.如权利要求6所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述绳牵组件由若干穿接在所述手部主体内的细绳组成，每根所述指关节(3)内靠近指肚的一侧沿所述指关节(3)的长度方向均设置第一穿线通道，所述指关节(3)的两端设有与所述第一穿线通道连通的第一穿线孔(5)，所述手掌(1)内对应每根所述手指(2)设置有与所述第一穿线通道对应的所述第二穿线通道，所述手掌(1)两端分别设有与所述第二穿线通道连通的第二穿线孔(6)，所述绳索一端固定在所述手指(2)上远离所述手掌(1)的所述指关节(3)内，其另一端依次通过所述第一穿线孔(5)穿过所述第一穿线通道、所述第二穿线通道，并由所述手掌(1)的所述第二穿线孔(6)穿出；所述细绳用于控制每根所述手指(2)上所述指关节(3)的运动。
9.如权利要求1所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述接触感知组件包括若干内嵌在所述手指(2)的指肚内的接触觉传感器(7)，所述接触觉传感器(7)用于实时判断所述手指(2)的指肚部位是否与物体接触，并赋予所述手指(2)触觉，及时反馈接触信号。
10.如权利要求9所述的基于3D打印的一体式五指仿人机械手，其特征在于，所述接触感知组件还包括内置在每根所述手指(2)内的弯曲传感器(8)，所述弯曲传感器(8)用于检测每根所述手指(2)的弯曲状态，并实时反馈所述手指(2)的弯曲角度。
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