CN108673538A - 机械手指和机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手指和机械手，机械手指包括：固定基座，设置于固定基座的手指本体，驱动手指本体伸展和弯曲的驱动器，用于检测手指本体对驱动器的作用力或作用力矩的力传感器；其中，驱动器设置于固定基座。本发明公开的机械手指，实现了间接检测手指本体受到的外力；减少了力传感器的数目以及相应的信号线，有效简化了结构，降低了成本；也降低了布置难度，降低了对力传感器可靠性的要求；还增大了检测区域。

Description

机械手指和机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，更具体地说，涉及一种机械手指和机械手。

背景技术

机械手在抓握时，抓握力不足会造成物体脱落，抓握力过大较易损坏被抓握物体和机械手指。因此，有效准确地确定抓握力十分重要，而抓握力通常通过指尖受力情况进行确定。

目前，通常在机械手指的指尖布置力传感器，该力传感器通常为多个，以覆盖指尖外表面。例如，在指尖设置多个应变片进行检测，以保证每个受力部位都设有力传感器，从而避免出现漏检。

上述检测方式，需要多个力传感器配合，导致结构较复杂、成本较高。

另外，力传感器的布置受指尖的空间限制，导致布置较困难，特别是针对于结构复杂的联动手指信号线可靠布线有较大难度。

另外，由于操作需要，机械手指的指尖需接触各种硬度和温度的物体，甚至是液体环境。机械手指于指尖处的压力、温度、湿度的变化较为剧烈，对传感器的可靠性要求较高，同时还需要做温度补偿，导致成本较高。

综上所述，如何检测机械手指的指尖受力情况，以简化结构，降低成本，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械手指，以简化结构，降低成本。本发明的另一目的是提供一种具有上述机械手指的机械手。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机械手指，包括：固定基座，设置于所述固定基座的手指本体，设置于所述固定基座且驱动所述手指本体伸展和弯曲的驱动器，用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力或作用力矩的力传感器。

优选地，所述力传感器设置于所述驱动器的输出轴。

优选地，所述驱动器包括输出轴和驱动所述输出轴运动的驱动器本体，所述力传感器设置于所述驱动器本体。

优选地，所述驱动器为直线驱动器，所述力传感器用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力，所述直线驱动器的驱动器本体驱动所述输出轴伸缩。

优选地，所述手指本体包括近掌端指节，远掌端指节和连杆；所述近掌端指节铰接于所述固定基座，所述远掌端指节与所述近掌端指节铰接，且所述连杆的两端分别与所述固定基座和所述远掌端指节铰接；

当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述力传感器的一端与所述输出轴固定连接，所述力传感器的另一端铰接于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述驱动器本体；或者，当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述力传感器的一端与所述输出轴固定，所述力传感器的另一端铰接于所述的近掌端指节，所述驱动器本体与所述固定基座铰接；

当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述力传感器的一端与所述驱动器本体固定连接，所述力传感器的另一端铰接于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述输出轴；或者，当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述力传感器的一端与所述驱动器本体连接，所述力传感器的另一端铰接于所述近掌端指节，所述输出轴与所述固定基座铰接。

优选地，所述驱动器为旋转驱动器，所述力传感器用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力矩，所述旋转驱动器的驱动器本体驱动所述输出轴往复旋转。

优选地，所述手指本体包括近掌端指节，远掌端指节和连杆；所述远掌端指节与所述近掌端指节铰接，且所述连杆的两端分别与所述固定基座和所述远掌端指节铰接；

当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述驱动器本体固定于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述输出轴；所述力传感器的内圈和外圈中，一者与所述输出轴固定连接，另一者与所述近掌端指节固定连接；

当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述驱动器本体可转动地设置于所述固定基座，所述近掌端指节固定于所述输出轴；所述力传感器的内圈和外圈中，一者与所述驱动器本体固定连接，另一者与所述固定基座固定连接。

优选地，所述手指本体包括至少两个指节。

优选地，所述力传感器为应变传感器、压电式传感器或压阻式传感器；

当所述力传感器为应变传感器时，所述力传感器为金属应变传感器或石墨烯薄膜应变传感器。

本发明提供的机械手指中，检测手指本体受力的原理为：当手指本体受到外力时，手指本体会对驱动器产生作用力或作用力矩，上述力传感器即可检测到该作用力或作用力矩，从而能够间接获得手指本体受到的外力，即实现了检测手指本体的受力情况。

本发明提供的机械手指，利用该力传感器检测手指本体对驱动器的作用力或作用力矩，实现了间接检测手指本体受到的外力；同时，由上述检测原理可知，只需设置一个力传感器即可间接检测到手指本体任意位置受到的外力，较现有技术相比，有效减少了力传感器的数目以及相应的信号线，从而有效简化了结构，降低了成本。

同时，本发明提供的机械手指，由于驱动器设置在固定基座上，力传感器检测手指本体对驱动器的作用力或作用力矩，则力传感器必然与驱动器连接，较现有技术力传感器设置在指尖相比，能够增大该力传感器的布置空间，降低了布置难度，相应的，也降低了信号线的布线难度；而且，力传感器设置在驱动器上，优化了力传感器的使用环境，降低了对力传感器可靠性的要求，从而降低了成本。

同时，本发明提供的机械手指中，当手指本体的任意位置受到外力时，力传感器即可检测手指本体对驱动器的作用力或作用力矩，则能够间接检测到手指本体任意位置受到的外力，较现有技术仅能检测指尖受力相比，增大了检测区域。

基于上述提供的机械手指，本发明还提供了一种机械手，该机械手包括机械手指，所述机械手指为上述任一项所述的机械手指。

优选地，所述机械手还包括：

计算模块，用于根据所述力传感器的检测量计算所述手指本体所受到的外力。

优选地，所述机械手还包括：

视觉辅助模块，用于确定所述手指本体受到外力的位置；

处理模块，用于根据所述视觉辅助模块的确定结果以及所述手指本体的结构确定计算所述手指本体受到的外力的计算方法；

其中，所述计算模块具体为：用于根据所述力传感器的检测量以及所述处理模块所确定的计算方法计算所述手指本体所受到的外力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的机械手指的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机械手指的另一结构示意图；

图3为图2中机械手指的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明实施例提供的机械手指包括：固定基座1，设置于固定基座1的手指本体，驱动手指本体伸展和弯曲的驱动器2，用于检测手指本体对驱动器2的作用力或作用力矩的力传感器6；其中，驱动器2设置于固定基座1。

可以理解的是，力传感器6用于检测手指本体对驱动器2的作用力或作用力矩，则力传感器6必然与驱动器2连接。由于驱动器2驱动手指本体伸展和弯曲，则当手指本体受到外力后，手指本体必然会对驱动器2产生作用力或作用力矩。本文中所指的外力，是指除驱动器2以外对手指本体的力。

本发明实施例提供的机械手指中，检测手指本体受力的原理为：当手指本体受到外力时，手指本体会对驱动器2产生作用力或作用力矩，上述力传感器6即可检测到该作用力或作用力矩，从而能够间接获得手指本体受到的外力，即实现了检测手指本体的受力情况。

本发明实施例提供的机械手指，利用该力传感器6检测手指本体对驱动器2的作用力或作用力矩，实现了间接检测手指本体受到的外力；同时，由上述检测原理可知，只需设置一个力传感器6即可间接检测到手指本体受到的外力，较现有技术相比，有效减少了力传感器6的数目以及相应的信号线，从而有效简化了结构，降低了成本。

同时，本发明实施例提供的机械手指，由于驱动器2设置在固定基座1上，力传感器6检测手指本体对驱动器2的作用力或作用力矩，则力传感器6必然与驱动器2连接，较现有技术力传感器设置在指尖相比，能够增大该力传感器6的布置空间，降低了布置难度，相应的，也降低了信号线的布线难度；而且，力传感器6设置在驱动器2上，优化了力传感器6的使用环境，降低了对力传感器6可靠性的要求，从而降低了成本，也消除了因指尖接触物体而具有温差变化、液体侵入等风险，工作更为可靠；在驱动器2上布置力传感器6，使得结构更为简洁和紧凑，能够使力传感器6位于固定基座1上，节省了指尖空间。

同时，本发明实施例提供的机械手指中，当手指本体的任意位置受到外力时，力传感器6即可检测手指本体对驱动器2的作用力或作用力矩，则能够间接检测到手指本体任意位置受到的外力，较现有技术仅能检测指尖受力相比，增大了检测区域；由于能够间接检测到手指本体任意位置受到的外力，则在抓握不规则物体时能够避免出现因指尖被架空而检测不到压力的问题。

上述机械手指中，力传感器6可与驱动器2构成模块化组件，便于安装和维修。

上述驱动器2包括输出轴2-1和驱动输出轴2-1运动的驱动器本体2-2。上述力传感器6可设置于输出轴2-1，也可设置于驱动器本体2-2上。在实际应用过程中，根据需要选择力传感器6的位置。

上述驱动器2可为直线驱动器，也可为旋转驱动器，对于驱动器2的类型，根据实际需要进行选择，本文对此不做限定。

如图1所示，驱动器2为直线驱动器。此时，力传感器6用于检测手指本体对驱动器2的作用力。直线驱动器的驱动器本体2-2驱动输出轴2-1伸缩，即输出轴2-1可相对于驱动器本体2-2伸缩。

下面以手指本体具有两个指节为例，如图1所示，该手指本体包括近掌端指节3，远掌端指节4和连杆5。上述近掌端指节3铰接于固定基座1，远掌端指节4与近掌端指节3铰接，且连杆5的两端分别与固定基座1和远掌端指节4铰接。

上述力传感器6设置于输出轴2-1。具体地，上述力传感器6的一端与输出轴2-1固定连接，且力传感器6的另一端铰接于固定基座1，上述近掌端指节3铰接于驱动器本体2-2。或者，上述力传感器6设置于输出轴2-1时，上述力传感器6的一端与输出轴2-1固定连接，力传感器6的另一端铰接于近掌端指节3，上述驱动器本体2-2与固定基座1铰接。

当然，也可选择力传感器6设置于驱动器本体2-2，此时，力传感器6的一端与驱动器本体2-2固定连接，力传感器6的另一端铰接于固定基座1；近掌端指节3铰接于输出轴2-1。或者，力传感器6设置于驱动器本体2-2时，力传感器6的一端与驱动器本体2-2连接，力传感器6的另一端与近掌端指节3铰接，输出轴2-1铰接于固定基座1。

为了更为具体的描述上述结构，以上述力传感器6设置于输出轴2-1为例：

上述结构中，实现铰接存在多种结构，为了简化结构，优先采用枢轴铰接。具体地，力传感器6的一端通过第一枢轴A与固定基座1铰接，力传感器6的另一端与输出轴2-1连接；近掌端指节3通过第二枢轴B与固定基座1铰接，远掌端指节4通过第三枢轴C与近掌端指节3铰接，近掌端指节3通过第四枢轴D与驱动器本体2-2铰接，连杆5的一端通过第五枢轴E与固定基座1铰接，连杆5的另一端通过第六枢轴F与远掌端指节4铰接。

上述第一枢轴A、第二枢轴B、第三枢轴C、第四枢轴D、第五枢轴E和第六枢轴F相互平行设置，第二枢轴B位于第五枢轴E的外侧，第六枢轴F位于第三枢轴C的外侧，第二枢轴B位于第五枢轴E靠近远掌端指节4的一侧。本文中所指的外侧，是指机械手指远离机械手的手掌的一侧。

对于第一枢轴A、第二枢轴B、第三枢轴C、第四枢轴D、第五枢轴E和第六枢轴F的相对位置关系，亦可实际需要进行设计，只要能够实现远掌端指节4与近掌端指节3的伸展和弯曲即可，本文对此不做限定。

当远掌端指节4受到向上的外力时，远掌端指节4有以第六枢轴F为轴逆时针旋转的趋势，远掌端指节4通过第三枢轴C对近掌端指节3产生逆时针转动的扭矩，该扭矩传递到驱动器2上使驱动器2受压，驱动器2压缩力传感器6，使力传感器6发生形变。通过力传感器6的变形量可计算出力传感器6所受到的力的方向和数值，根据手指的结构关系可以回推出远掌端指节4所受到的外力值。反之，当远掌端指节4受到向下的外力时，也可通过力传感器6的应变方向和数值推算出远掌端指节4所受到的外力值。

相应的，当近掌端指节3受到外力时，该作用力也将传递到力传感器6，可计算出此时的受力状态。

如图2和图3所示，驱动器2为旋转驱动器，此时，力传感器6用于检测手指本体对驱动器2的作用力矩，旋转驱动器的驱动器本体驱动输出轴2-1往复旋转。

下面以手指本体具有两个指节为例，如图2和图3所示，该手指本体包括近掌端指节3，远掌端指节4和连杆5。远掌端指节4与近掌端指节3铰接，且连杆5的两端分别与固定基座1和远掌端指节4铰接。

上述力传感器6设置于输出轴2-1，上述驱动器本体固定于固定基座1，近掌端指节3铰接于输出轴2-1；力传感器6的内圈和外圈中，一者与输出轴2-1固定连接，另一者与近掌端指节3固定连接。

可以理解的是，近掌端指节3铰接于输出轴2-1，即近掌端指节3通过输出轴2-1铰接于固定基座1，此时该输出轴2-1为枢轴。

当然，上述力传感器6也可设置于旋转驱动器的驱动器本体，具体地，驱动器本体可转动地设置于固定基座1，近掌端指节3固定于输出轴2-1；力传感器6的内圈和外圈中，一者与驱动器本体固定连接，另一者与固定基座1固定连接。此时，力传感器6通过检测驱动器本体对固定基座1的作用力矩来间接检测手指本体对驱动器2的作用力矩。

为了更为具体的描述上述结构，以上述力传感器6设置于输出轴2-1为例：

上述结构中，实现铰接存在多种结构，为了简化结构，优先采用枢轴铰接。具体地，远掌端指节4通过第三枢轴C与近掌端指节3铰接，连杆5的一端通过第五枢轴E与固定基座1铰接，连杆5的另一端通过第六枢轴F与远掌端指节4铰接。

上述第三枢轴C、第五枢轴E和第六枢轴F相互平行设置，且上述输出轴2-1垂直于第五枢轴E。输出轴2-1位于第五枢轴E的外侧，第六枢轴F位于第三枢轴C的外侧，输出轴2-1位于第五枢轴E靠近远掌端指节4的一侧。本文中所指的外侧，是指机械手指远离机械手的手掌的一侧。

对于输出轴2-1、第三枢轴C、第五枢轴E和第六枢轴F的相对位置关系，亦可实际需要进行设计，只要能够实现远掌端指节4与近掌端指节3的伸展和弯曲即可，本文对此不做限定。

当远掌端指节4受到向上的外力时，将带动近掌端指节3逆时针旋转，扭矩通过力传感器6传递到输出轴2-1上，力传感器6将发生变形，通过力传感器6的变形量可以计算出力传感器6所承受的扭矩值，进而推算出远掌端指节4所受到的外力值。当远掌端指节4受到向下的外力时，亦是如此。

相应的，当近掌端指节3受到外力时，给外力也将传递到力传感器6，可计算出此时的受力状态。

在实际应用过程中，可通过视觉辅助的方式确定近掌端指节3受力还是远掌端指节4受力，进而选择相应的计算方法。

上述机械手指中，对于手指本体的具体结构，根据实际需要进行选择，该手指本体可仅有一个指节，也可包括至少两个指节，本发明实施例对此不做限定。

上述机械手指中，对于力传感器6的类型，根据实际需要进行选择。优选地，上述力传感器6可为应变传感器，该应变传感器结构简单可靠，成本低，精度可以满足常规手指受力检测的需要。进一步地，上述力传感器为金属应变传感器或石墨烯薄膜应变传感器。

当然，也可选择上述力传感器6为其他类型，例如压电式传感器或压阻式传感器等，并不仅局限于此。

由于机构传递可能导致上述机械手指的检测方式在精度上不占优势，但足以满足物体抓握，按键等常规力控的精度需求，可应用于康复外骨骼手套，在运动过程中设定阀值进行力保护，有效避免康复训练过程中的二次损伤。

基于上述实施例提供的机械手指，本发明实施例还提供了一种机械手，该机械手包括机械手指，该机械手指为上述实施例所述的机械手指。

优选地，上述机械手还包括计算模块，该计算模块用于根据力传感器6的检测量计算手指本体所受到的外力。

对于具体的计算方案，本领域技术人员可根据力学知识获得，本文对此不做限定。

具体地，根据力传感器6的检测值，并结合接触时驱动器2的行程信号及手指本体的模型，通过逆运动学可获得手指本体所受外力的点相对机械手的位置坐标。该坐标位置可用于探测物体位置，或辅助视觉定位。如果非指尖接触，如近掌端指节3接触时，可通过视觉方式确定相对接触点，修正运动学模型。同时力传感器6的检测值还可以对机械结构和接触物体进行保护，当力传感器6的检测值超过设定值，驱动器2可停机或进行行程调整，保护机械手指。

为了进一步优化，上述机械手还包括：视觉辅助模块和处理模块，上述视觉辅助模块用于确定手指本体受到外力的位置，上述处理模块用于根据视觉辅助模块的确定结果以及手指本体的结构确定计算手指本体受到的外力的计算方法。

上述计算模块具体为：用于根据力传感器6的检测量以及处理模块所确定的计算方法计算手指本体所受到的外力。

上述机械手可为工业机械手，也可为仿人机械手，本发明实施例对机械手的类型和应用不做限定。

上述力传感器6能够测量拉力和/或压力，具体地，力传感器6测得拉力时，对应手指弯曲时所受到的外力；力传感器6测得压力时，对应手指伸展时所受到的外力。为了提高通用性，优先选择上述力传感器6能够测量压力和拉力，则能够用于控制手指弯曲和伸展时所受到的外力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种机械手指，其特征在于，包括：固定基座，设置于所述固定基座的手指本体，设置于所述固定基座且驱动所述手指本体伸展和弯曲的驱动器，用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力或作用力矩的力传感器。

2.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述力传感器设置于所述驱动器的输出轴。

3.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述驱动器包括输出轴和驱动所述输出轴运动的驱动器本体，所述力传感器设置于所述驱动器本体。

4.根据权利要求2或3所述的机械手指，其特征在于，所述驱动器为直线驱动器，所述力传感器用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力，所述直线驱动器的驱动器本体驱动所述输出轴伸缩。

5.根据权利要求4所述的机械手指，其特征在于，

所述手指本体包括近掌端指节，远掌端指节和连杆；所述近掌端指节铰接于所述固定基座，所述远掌端指节与所述近掌端指节铰接，且所述连杆的两端分别与所述固定基座和所述远掌端指节铰接；

当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述力传感器的一端与所述输出轴固定连接，所述力传感器的另一端铰接于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述驱动器本体；或者，当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述力传感器的一端与所述输出轴固定，所述力传感器的另一端铰接于所述的近掌端指节，所述驱动器本体与所述固定基座铰接；

当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述力传感器的一端与所述驱动器本体固定连接，所述力传感器的另一端铰接于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述输出轴；或者，当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述力传感器的一端与所述驱动器本体连接，所述力传感器的另一端铰接于所述近掌端指节，所述输出轴与所述固定基座铰接。

6.根据权利要求2或3所述的机械手指，其特征在于，所述驱动器为旋转驱动器，所述力传感器用于检测所述手指本体对所述驱动器的作用力矩，所述旋转驱动器的驱动器本体驱动所述输出轴往复旋转。

7.根据权利要求6所述的机械手指，其特征在于，

所述手指本体包括近掌端指节，远掌端指节和连杆；所述远掌端指节与所述近掌端指节铰接，且所述连杆的两端分别与所述固定基座和所述远掌端指节铰接；

当所述力传感器设置于所述输出轴时，所述驱动器本体固定于所述固定基座，所述近掌端指节铰接于所述输出轴；所述力传感器的内圈和外圈中，一者与所述输出轴固定连接，另一者与所述近掌端指节固定连接；

当所述力传感器设置于所述驱动器本体时，所述驱动器本体可转动地设置于所述固定基座，所述近掌端指节固定于所述输出轴；所述力传感器的内圈和外圈中，一者与所述驱动器本体固定连接，另一者与所述固定基座固定连接。

8.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述手指本体包括至少两个指节。

9.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述力传感器为应变传感器、压电式传感器或压阻式传感器；

当所述力传感器为应变传感器时，所述力传感器为金属应变传感器或石墨烯薄膜应变传感器。

10.一种机械手，包括机械手指，其特征在于，所述机械手指为如权利要求1-9中任一项所述的机械手指。

11.根据权利要求10所述的机械手，其特征在于，还包括：

计算模块，用于根据所述力传感器的检测量计算所述手指本体所受到的外力。

12.根据权利要求11所述的机械手，其特征在于，还包括：

视觉辅助模块，用于确定所述手指本体受到外力的位置；

处理模块，用于根据所述视觉辅助模块的确定结果以及所述手指本体的结构确定计算所述手指本体受到的外力的计算方法；

其中，所述计算模块具体为：用于根据所述力传感器的检测量以及所述处理模块所确定的计算方法计算所述手指本体所受到的外力。