CN108551277A - 一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法，涉及压电驱动及机械人领域，体积小，不需要安装额外的驱动器，具有高拟人度。本发明包括：末端指节、中间指节、基指节、第一夹持组件、第二夹持组件。末端指节、中间指节、基指节均为长方形，在左右两侧通过第一夹持组件和第二夹持组件依次连接，连接后末端指节、中间指节、基指节在水平方向上固定，在竖直方向上能够转动。末端指节上下两侧分别安装第一压电陶瓷片，中间指节上下两侧分别安装第二压电陶瓷片，基指节上下两侧分别安装第三压电陶瓷片。本发明结构简单紧凑、易于微型化，能够满足仿人机械手拟人度高的需求。

Description

一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法

技术领域

本发明涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法。

背景技术

现有的仿人机械手驱动架构分为两类：远程驱动和关节内置驱动器驱动。远程驱动将驱动器置于手掌或者前臂内，利用弹性元件如弹簧、绳索等将动力传输至驱动关节，由于关节结构不需要设计额外的用于安装驱动器的空间，该类型的仿人机械手的关节结构拟人程度较高，但是该类机械手必须设置前臂机构以放置驱动器，难以实现整体的小型化设计，拟人程度较低。关节内置驱动器框架将驱动器置于关节内部，该类型的仿人机械手拟人程度完全取决于驱动器的微型化程度，现有的电磁电机难以解决微型化和输出功率之间的矛盾。

综上,现有技术中缺乏具有高拟人程度的小型仿人机械手。

发明内容

本发明提供一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法，体积小，不需要安装额外的驱动器，具有高拟人度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种压电驱动仿人机械手指，包括：末端指节、中间指节、基指节、第一夹持组件、第二夹持组件。

末端指节、中间指节、基指节均为长方形，在左右两侧通过第一夹持组件和第二夹持组件依次连接，连接后末端指节、中间指节、基指节在水平方向上固定，在竖直方向上能够转动。

末端指节上下两侧分别安装第一压电陶瓷片，中间指节上下两侧分别安装第二压电陶瓷片，基指节上下两侧分别安装第三压电陶瓷片。

进一步的，末端指节一端设置圆弧结构，一端设置第一圆柱结构，第一圆柱结构上设置第一阶梯通孔，第一夹持组件的第一圆柱销穿过第一阶梯通孔，第一圆柱销通过第一轴承连接分别安装在末端指节左右两侧的第一夹具板，第一夹具板另一端安装第一螺栓，第一螺栓穿过中间指节的第一通孔，将第一夹具板和中间指节固定。

中间指节一端和末端指节连接，另一端设置第二圆柱结构，和基指节连接，第二圆柱结构上设置第二阶梯通孔，第二夹持组件的第二圆柱销穿过第二阶梯通孔，第二圆柱销通过第二轴承连接分别安装在中间指节左右两侧的第二夹具板，第二夹具板另一端安装第二螺栓，第二螺栓穿过基指节的第一通孔，将第二夹具板和基指节固定。

进一步的，末端指节和中间指节的连接处，中间指节设置三角形凹槽，和第一圆柱结构配合；中间指节和基指节的连接处，基指节设置三角形凹槽，和第一圆柱结构配合。

本发明还提供了一种压电驱动仿人机械手指的驱动方法，包括：

对第一压电陶瓷和第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，将激励出所述的末端关节和所述的中间关节的一阶纵振模态，两关节的接触界面的质点的相对运动轨迹为椭圆，利用摩擦作用实现末端关节转动；对第一压电陶瓷和第二压电陶瓷片施加具有-π/2相位差的驱动信号，末端指节和中间指节产生反向协同的转动。

对第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片依次施加所述具有π/2相位差的驱动信号，中间指节和末端指节产生同向协同的转动，对第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片依次施加所述具有-π/2相位差的驱动信号，中间指节和末端指节产生反向协同的转动。

本发明的有益效果是：

本发明采用了的压电陶瓷片来驱动指节，通过对相邻指节的压电陶瓷片施加激励振动驱动指节活动，激励振动的相位和幅值决定了指节的弯曲程度，因此不需要内置驱动器，从而实现了小型化设计；相连的三个指节模拟了人手指的三个关节，通过控制指节的弯曲程度，能够实现人手的背屈和背伸，拟人度高；综上，本发明体积小，不需要安装额外的驱动器，具有高拟人度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是压电驱动仿人机械手指的整体结构示意图；

图2是中间指节的结构示意图；

图3是基指节的结构示意图；

图4是末端指节的结构示意图；

图5是第一夹持组件的结构示意图；

图6是第二夹持组件的结构示意图；

图7是压电陶瓷片的极化方向和安装示意图；

图8是工作模态示意图；

图9是施加在末端关节和中间关节压电陶瓷片电压信号示意图；

图10是施加三个关节上压电陶瓷片电压信号示意图。

其中，1-末端指节、11-圆弧结构、12-第一圆柱结构、13-第一阶梯通孔、14-第一压电陶瓷片、2-中间指节、21-第一金属基体、22-第二圆柱结构、23-第一通孔、24-第一三角凹槽、25-第二压电陶瓷片、26-第二阶梯通孔、3-基指节、31-第二金属基体、32-第三圆柱结构、33-第二通孔、34-第二三角凹槽、35-第三压电陶瓷片、36-第三阶梯通孔、4-第一夹持组件、41-第一夹具板、42-第一螺栓、43-第一轴承、44-第一圆柱销、5-第二夹持组件、51-第二夹具板、52-第二螺栓、53-第二轴承、55-第二圆柱销。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种压电驱动仿人机械手指，如图1所示，包括：

一种压电驱动仿人机械手指及其驱动方法，由指节组件和夹持组件组成，如图1所示。指节组件包括基指节3、中间指节2和末端指节1组成。

末端指节1包括圆弧结构11、第一圆柱结构12、第一阶梯通孔13、第一压电陶瓷片14，如图3所示，末端指节1顶端设置圆弧结构11，底端设置第一圆柱结构12，第一圆柱结构12设置阶梯通孔13，末端指节1的上下两侧还设置第一压电陶瓷片。阶梯通孔13和第一夹持组件的第一圆柱销44配合连接。

第一夹持组件4如图4所示，包括第一夹具板41、第一螺栓42、第一轴承43、第一圆柱销44，第一夹具板41一端通过第一圆柱销44和第一轴承43和末端指节1相连，另一端通过第一螺栓42和中间指节2上的第一通孔23连接。

中间指节2包括第一金属基体21、第二圆柱结构22、第一通孔23、第一三阶凹槽24、第二压电陶瓷片25、第二阶梯通孔26，如图2所示。中间指节2和末端指节1连接处设置第一三角凹槽24，和第一圆柱结构12配合相配合。第一金属基体21的上下两侧面案子第二压电陶瓷片25，中间指节2的底端还设置第二圆柱结构22，第二圆柱结构22上设置第二阶梯通孔26。

第二夹持组件5中的第二圆柱销54穿过第二圆柱结构22。第二夹持组件5包括第二夹具板51、第二螺栓52、第二轴承53、第二圆柱销54。第二夹具板51一端通过第二圆柱销54和第二轴承53和中间指节2相连，另一端通过第二螺栓52和基指节3上的第二通孔33连接。

本实施例还提供了一种压电驱动仿人机械手指的驱动方法，包括：

如图9所示，对第一压电陶瓷14和第二压电陶瓷片25施加具有π/2相位差的驱动信号，将激励出所述的末端关节和所述的中间关节的一阶纵振模态，两关节的接触界面的质点的相对运动轨迹为椭圆，利用摩擦作用实现末端指节1和中间指节2产生转动；对第一压电陶瓷14和第二压电陶瓷片25施加具有-π/2相位差的驱动信号，末端指节1和中间指节2产生反向转动。

如图10所示，对第一压电陶瓷片14、第二压电陶瓷片25和第三压电陶瓷片35依次施加所述具有π/2相位差的驱动信号，中间指节2和基指节3产生同向协同的转动，对第一压电陶瓷片14、第二压电陶瓷片25和第三压电陶瓷片35依次施加所述具有-π/2相位差的驱动信号，中间指节2和基指节3产生反向协同的转动。

本发明的有益效果是：

本发明采用了的压电陶瓷片来驱动指节，通过对相邻指节的压电陶瓷片施加激励振动驱动指节活动，激励振动的相位和幅值决定了指节的弯曲程度，没有远程驱动框架的手臂结构，且关节自身的压电陶瓷片激励振动，依靠摩擦力驱动不需要内置驱动器，从而实现了小型化设计；

相连的三个指节模拟了人手指的三个关节，通过控制指节的弯曲程度，能够实现人手的背屈和背伸，拟人度高；综上，本发明体积小，不需要安装额外的驱动器，具有高拟人度；

压电驱动的快速响应、断电自锁等优点，满足了仿人机械手拟人度高的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种压电驱动仿人机械手指，其特征在于，包括：末端指节（1）、中间指节（2）、基指节（3）、第一夹持组件（4）、第二夹持组件（5），

末端指节（1）、中间指节（2）、基指节（3）均为长方形，在左右两侧通过第一夹持组件（4）和第二夹持组件（5）依次连接，连接后末端指节（1）、中间指节（2）、基指节（3）在水平方向上固定，在竖直方向上能够转动；

末端指节（1）上下两侧分别安装第一压电陶瓷片（14），中间指节（2）上下两侧分别安装第二压电陶瓷片，基指节（3）上下两侧分别安装第三压电陶瓷片。

2.根据权利要求1所述的压电驱动仿人机械手指，其特征在于，末端指节（1）一端设置圆弧结构（11），一端设置第一圆柱结构（12），第一圆柱结构（12）上设置第一阶梯通孔（13），第一夹持组件（4）的第一圆柱销（44）穿过第一阶梯通孔（13），第一圆柱销（44）通过第一轴承（43）连接分别安装在末端指节（1）左右两侧的第一夹具板（41），第一夹具板（41）另一端安装第一螺栓（42），第一螺栓（42）穿过中间指节（2）的第一通孔（23），将第一夹具板（41）和中间指节（2）固定；

中间指节（2）一端和末端指节（1）连接，另一端设置第二圆柱结构（22），和基指节（3）连接，第二圆柱结构（22）上设置第二阶梯通孔（26），第二夹持组件（5）的第二圆柱销（54）穿过第二阶梯通孔（26），第二圆柱销（54）通过第二轴承（53）连接分别安装在中间指节（2）左右两侧的第二夹具板（51），第二夹具板（51）另一端安装第二螺栓（52），第二螺栓（52）穿过基指节（3）的第一通孔（23），将第二夹具板（51）和基指节（3）固定。

3.根据权利要求1所述的压电驱动仿人机械手指，其特征在于，末端指节（1）和中间指节（2）的连接处，中间指节（2）设置三角形凹槽；

中间指节（2）和基指节（3）的连接处，基指节（3）设置三角形凹槽。

4.一种压电驱动仿人机械手指的驱动方法，其特征在于，包括：

对第一压电陶瓷（14）和第二压电陶瓷片（25）施加具有π/2相位差的驱动信号，末端指节（1）将产生转动，对第一压电陶瓷（14）和第二压电陶瓷片（25）施加具有-π/2相位差的驱动信号，末端指节（1）产生反向的转动；

对第一压电陶瓷片（14）、第二压电陶瓷片（25）和第三压电陶瓷片（35）依次施加所述具有π/2相位差的驱动信号，中间指节（2）和末端指节（1）产生同向协同的转动，对第一压电陶瓷片（14）、第二压电陶瓷片（25）和第三压电陶瓷片（35）依次施加所述具有-π/2相位差的驱动信号，中间指节（2）和末端指节（3）产生反向协同的转动。