CN109773816A - 一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，包括固定底座，所述固定底座顶端安装有手掌，手掌一侧安装有掌骨，所述掌骨的数量为五个，本发明结构科学合理，使用安全方便，通过1个侧摆舵机和3个转动舵机的作用，使得单根手指有4个自由度，其中三个可以实现弯曲/伸展的自由度，一个可以实现手指侧摆的自由度，从而使得整个装置具有20个自由度，且每个自由度都能够独立控制，可以稳定抓取不同大小的物体，提高了装置的灵活性，通过压力传感器的作用，检测手指与目标物体之间的接触力，并反馈给主控芯片，主控芯片利用压力传感器反馈的数据控制各个舵机转动角度，进行动态调整，使其更好地抓取物体。

Description

一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统。

背景技术

随着科学水平的不断发展和进步，人类逐渐开始了对未知领域的研究与探索，机器人可以代替人类在太空研究、深海勘探、核能开发等未知的危险领域进行工作和研究，在机器人的应用研究中，机器人的末端执行器是机器人的执行工具，对机器人智能化水平和作业水平的提高具有十分重要的作用，灵巧手作为机器人的末端执行器，可以代替人类在未知的恶劣环境中工作，仿生五指灵巧手通用性强，具有多个自由度，可以对目标物体实施多种仿人操作，能够适应类人工作环境；

普通的灵巧手的自由度数目都少，由于自由度数目过少会导致灵巧手的灵活性不足，降低其仿生性能，且随着自由度数增加控制系统就越复杂，所以急需一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，可以有效解决上述背景技术中提出普通的灵巧手的自由度数目都少，由于自由度数目过少会导致灵巧手的灵活性不足，降低其仿生性能，且随着自由度数增加控制系统就越复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全驱动五指灵巧手结构，包括固定底座，所述固定底座顶端安装有手掌，所述手掌一侧安装有掌骨，所述掌骨的数量为五个，所述掌骨一端安装有近节指骨，所述近节指骨一端安装有中节指骨，所述中节指骨一端安装有远节指骨，所述掌骨与近节指骨之间、近节指骨与中节指骨之间和中节指骨与远节指骨之间均安装有关节组件；

所述关节组件包括凸块、转轴、转动舵机和固定板；

所述近节指骨、中节指骨和远节指骨一侧端部均安装有凸块，所述凸块一侧安装有转轴，所述掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨内部均安装有转动舵机，且转动舵机的输出轴与相邻位置处的转轴相连，所述转动舵机一侧安装有固定板。

根据上述技术方案，所述掌骨与手掌相邻一端连接有摆臂，所述摆臂一端安装有摆轴，所述手掌一侧安装有侧摆舵机，所述摆轴与侧摆舵机的输出轴相连。

根据上述技术方案，所述侧摆舵机和转动舵机的型号均为SG90，其工作扭矩为1.6kg/cm，转速为0.12-0.13s/60°，工作电压为3.5-6V。

根据上述技术方案，所述掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的为指宽25mm，所述掌骨、近节指骨和中节指骨的长度均为58mm，所述远节指骨的长度均为48mm。

根据上述技术方案，所述掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨一侧均安装有压力传感器，所述压力传感器为一种FSR402薄膜压力传感器。

根据上述技术方案，一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，包括数据处理终端、主控芯片、电源模块、控制模块和传感模块，所述数据处理终端和主控芯片均与电源模块相连，所述传感模块和控制模块均与主控芯片相连，所述电源模块包括开关电源和LDO稳压器，所述控制模块包括侧摆舵机和转动舵机，所述传感模块包括压力传感器。

根据上述技术方案，所述主控芯片选择STM32F103ZET6芯片，其中，主控芯片内部集成了ADC模块，共有21个12位ADC通道和多个I/O接口，可以对压力传感器进行并行采集，所述主控芯片内部包括时钟电路和复位电路，其中，时钟电路中使用了8MHz的无源晶振，与10pF电容构成振荡电路，进行九分频之后最高可以达到72MHz的工作频率，所述主控芯片采用其内部的ADC对压力传感器的反馈值进行测量，保证控制系统能够稳定工作，所述电源模块开关电源和LDO稳压器，所述开关电源为一种同力TL-150Q-A开关电源，所述开关电源共有4路输出，并选择5V输出与数据处理终端和主控芯片相连，所述LDO稳压器的型号为AMS1117-3.3，对开关电源的输出电压进行电压转换，将5V的电源转换成3.3V。

根据上述技术方案，所述控制模块包括侧摆舵机和转动舵机，所述侧摆舵机和转动舵机共有二十个，所述控制模块与主控芯片通过串口相连，其中，当主控芯片控制单个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPaTt\r\n，其中#，P和T是固定标识符，\r\n是回车符和换行符，代表命令的结束符，i代表舵机的通道，a是一个500-2500内的数，表示舵机的位置，t是本条指令所用的时间，表示舵机的速度；

其中，当需要同时控制多个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPa#jPb#kPcTt\r\n，其中a，b，c分别代表通道i，通道j，通道k的舵机位置，在控制多个舵机时，指令中的执行时间t只有一个，多个舵机同时执行控制指令，实现多路舵机的同步控制。

根据上述技术方案，所述控制模块控制的抓取模式分为指尖抓取和包络抓取，所述指尖抓取包括单指指尖抓取和多指指尖抓取，其中，单指指尖抓取通过远节指骨和掌骨接触到目标物体，多指指尖抓取通过远节指骨接触到目标物体，并需要两根以上的手指参与抓取，在抓取中，同时控制参与抓取的手指运动，使手指同时接触到目标物体进行抓取，且参与指尖抓取的手指抓取运动过程一样，所述包络抓取是将掌骨近节指骨、中节指骨和远节指骨均与物体接触。

根据上述技术方案，所述传感模块包括压力传感器，所述压力传感器共有二十个，用于检测各个掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨与物体接触的时的压力，通过压力传感器实时测出灵巧手的接触力，并将数据通过传感模块传递给主控芯片，控制舵机正转或反转，其中，为了防止接触力过大对目标物体造成损伤，当时接触力大于目标物体受到的静摩擦力等于目标物体受到的重力是所需的力，控制舵机反转。

固定底座、手掌、掌骨、摆臂、摆轴、侧摆舵机、近节指骨、中节指骨、远节指骨、压力传感器、关节组件、凸块、转轴、转动舵机、固定板。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便：

1、通过1个侧摆舵机和3个转动舵机的作用，使得单根手指有4个自由度，其中三个可以实现弯曲/伸展的自由度，一个可以实现手指侧摆的自由度，从而使得整个装置具有20个自由度，且每个自由度都能够独立控制，可以稳定抓取不同大小的物体，提高了装置的灵活性。

2、通过固定板的作用，将转动舵机安装在各个指骨内部，使得整个装置更加紧密，且缩小了装置整体的尺寸，使其与用户发生碰撞时的影响越小，同时利用固定板的作用，方便使用者拆卸安装舵机，因此维护时也简单方便。

3、通过压力传感器的作用，检测手指与目标物体之间的接触力，并反馈给主控芯片，主控芯片利用压力传感器反馈的数据进行分析，并控制各个舵机转动角度，当舵机转动时，再利用手指上的压力传感器检测接触力，实时为主控芯片提供数据，使其进行动态调整，使其更好地抓取物体。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明手掌主视图的结构示意图；

图2是本发明手掌背视图的结构示意图；

图3是本发明单根手指的结构示意图；

图4是本发明一节手指的结构示意图；

图5是本发明控制系统的结构框图；

图6是本发明单指指尖抓取的结构示意图；

图7是本发明多指指尖抓取的结构示意图；

图8是本发明包络抓取的结构示意图；

图中标号：1、固定底座；2、手掌；3、掌骨；4、摆臂；5、摆轴；6、侧摆舵机；7、近节指骨；8、中节指骨；9、远节指骨；10、压力传感器；

11、关节组件；1101、凸块；1102、转轴；1103、转动舵机；1104、固定板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1-8所示，本发明提供一种技术方案，一种全驱动五指灵巧手结构，包括固定底座1，固定底座1顶端安装有手掌2，手掌2一侧安装有掌骨3，掌骨3的数量为五个，掌骨3一端安装有近节指骨7，近节指骨7一端安装有中节指骨8，中节指骨8一端安装有远节指骨9，掌骨3与近节指骨7之间、近节指骨7与中节指骨8之间和中节指骨8与远节指骨9之间均安装有关节组件11；

关节组件11包括凸块1101、转轴1102、转动舵机1103和固定板1104；

近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9一侧端部均安装有凸块1101，凸块1101一侧安装有转轴1102，掌骨3、近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9内部均安装有转动舵机1103，且转动舵机1103的输出轴与相邻位置处的转轴1102相连，转动舵机1103一侧安装有固定板1104，掌骨3与手掌2相邻一端连接有摆臂4，摆臂4一端安装有摆轴5，手掌2一侧安装有侧摆舵机6，摆轴5与侧摆舵机6的输出轴相连，实现带动手指侧摆，为了减少装置的尺寸，掌骨3、近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9的为指宽25mm，掌骨3、近节指骨7和中节指骨8的长度均为58mm，远节指骨9的长度均为48mm，为了使装置整体尺寸小、质量轻，侧摆舵机6和转动舵机1103的型号均为SG90，其工作扭矩为1.6kg/cm，转速为0.12s/60°，工作电压为3.5V，为了便于检测与目标物接触时的压力，掌骨3、近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9一侧均安装有压力传感器10，压力传感器10为一种FSR402薄膜压力传感器。

一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，包括数据处理终端、主控芯片、电源模块、控制模块和传感模块，数据处理终端和主控芯片均与电源模块相连，传感模块和控制模块均与主控芯片相连，电源模块包括开关电源和LDO稳压器，控制模块包括侧摆舵机6和转动舵机1103，传感模块包括压力传感器10。

根据上述技术方案，主控芯片选择STM32F103ZET6芯片，其中，主控芯片内部集成了ADC模块，共有21个12位ADC通道和多个I/O接口，可以对压力传感器10进行并行采集，主控芯片内部包括时钟电路和复位电路，其中，时钟电路中使用了8MHz的无源晶振，与10pF电容构成振荡电路，进行九分频之后最高可以达到72MHz的工作频率，主控芯片采用其内部的ADC对压力传感器10的反馈值进行测量，保证控制系统能够稳定工作，电源模块开关电源和LDO稳压器，开关电源为一种同力TL-150Q-A开关电源，开关电源共有4路输出，并选择5V输出与数据处理终端和主控芯片相连，LDO稳压器的型号为AMS1117-3.3，对开关电源的输出电压进行电压转换，将5V的电源转换成3.3V。

根据上述技术方案，控制模块包括侧摆舵机6和转动舵机1103，侧摆舵机6和转动舵机1103共有二十个，控制模块与主控芯片通过串口相连，其中，当主控芯片控制单个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPaTt\r\n，其中#，P和T是固定标识符，\r\n是回车符和换行符，代表命令的结束符，i代表舵机的通道，a是一个500-2500内的数，表示舵机的位置，t是本条指令所用的时间，表示舵机的速度；

其中，当需要同时控制多个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPa#jPb#kPcTt\r\n，其中a，b，c分别代表通道i，通道j，通道k的舵机位置，在控制多个舵机时，指令中的执行时间t只有一个，多个舵机同时执行控制指令，实现多路舵机的同步控制。

根据上述技术方案，控制模块控制的抓取模式分为指尖抓取和包络抓取，指尖抓取包括单指指尖抓取和多指指尖抓取，其中，单指指尖抓取通过远节指骨9和掌骨3接触到目标物体，多指指尖抓取通过远节指骨9接触到目标物体，并需要两根以上的手指参与抓取，在抓取中，同时控制参与抓取的手指运动，使手指同时接触到目标物体进行抓取，且参与指尖抓取的手指抓取运动过程一样，包络抓取是将掌骨3近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9均与物体接触。

根据上述技术方案，传感模块包括压力传感器10，压力传感器10共有二十个，用于检测各个掌骨3、近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9与物体接触的时的压力，通过压力传感器10实时测出灵巧手的接触力，并将数据通过传感模块传递给主控芯片，控制舵机正转或反转，其中，为了防止接触力过大对目标物体造成损伤，当时接触力大于目标物体受到的静摩擦力等于目标物体受到的重力是所需的力，控制舵机反转。

本发明的工作原理及使用流程：当装置进行工作时，数据处理终端给主控芯片下达指令，通过主控芯片控制控制模块工作，控制模块根据指令需求控制侧摆舵机6或者转动舵机1103进行工作，当侧摆舵机6工作时，通过侧摆舵机6的输出轴带动摆轴5一端的摆臂4摆动，从而将手指摆动一定角度，至指定位置，当接着通过掌骨3、近节指骨7、中节指骨8和远节指骨9环之间的转动舵机1103工作时，转动舵机1103带动转轴1102转动，转轴1102带动凸块1101发生位移，接着凸块1101一侧的指骨随着凸块1101发生位移进行弯曲或者伸展，通过1个侧摆舵机6和3个转动舵机1103的作用，使得单根手指有4个自由度，其中三个可以实现弯曲/伸展的自由度，一个可以实现手指侧摆的自由度，从而使得整个装置具有20个自由度，且每个自由度都能够独立控制，可以稳定抓取不同大小的物体，提高了装置的灵活性。

如图6所示，当装置抓取体积较小的物体时，进行单指指尖抓取，首先根据物体的位置坐标，通过主控芯片控制侧摆舵机6工作，使得单个手指摆动到指定位置，此时掌骨3一侧的压力传感器10与物体接触，并将接触信息反馈，主控芯片控制侧摆舵机6停止，接着主控芯片控制掌骨3与近节指骨7之间转动舵机1103和近节指骨7和中节指骨8之间转动舵机1103，以及中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103进行工作，且中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103转动的角度大于其他两个转动舵机1103转动的角度，当远节指骨9一侧的压力传感器10与物体接触时，通过压力传感器10将接触信息反馈，主控芯片控制三个转动舵机1103停止，接着主控芯片控制中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103工作，使得远节指骨9与物体之间的接触力增加，从而更加稳定的夹持物体；

如图7所示，当装置抓取体积较小的物体时，进行多指指尖抓取时，首先根据物体的位置坐标通过主控芯片控制侧摆舵机6工作，使得两个或多个手指摆动到指定位置，接着主控芯片控制掌骨3与近节指骨7之间转动舵机1103和近节指骨7和中节指骨8之间转动舵机1103，以及中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103进行工作，远节指骨9一侧的压力传感器10与物体接触时，通过压力传感器10将接触信息反馈，主控芯片控制掌骨3与近节指骨7之间转动舵机1103和近节指骨7和中节指骨8之间转动舵机1103停止，使得两个或多个中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103继续工作，增加远节指骨9与目标物体之间的接触力，从而达到稳定抓起物体的目的；

如图8所示，当装置强力抓取的物体时，进行包络抓取时，首先主控芯片控制掌骨3与近节指骨7之间转动舵机1103工作，使得近节指骨7开始接近目标物体，当近节指骨7一侧的压力传感器10与物体接触，并检测处压力时，将接触信息反馈，主控芯片控制掌骨3与近节指骨7之间转动舵机1103停止转动，接着主控芯片控制近节指骨7和中节指骨8之间转动舵机1103工作，当中节指骨8一侧的压力传感器10与物体接触，并检测处压力时，将接触信息反馈，主控芯片控制近节指骨7和中节指骨8之间转动舵机1103停止转动，接着主控芯片控制中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103进行工作，当远节指骨9一侧的压力传感器10与物体接触，并检测处压力时，将接触信息反馈，主控芯片控制中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103停止转动，包络过程完成，接着继续控制中节指骨8和远节指骨9之间转动舵机1103工作，使得远节指骨9收缩，从而增加装置与物体之间额接触力，并通过各个压力传感器10实时反馈压力数据，当时接触力大于目标物体受到的静摩擦力等于目标物体受到的重力是所需的力时，停止工作，抓取过程完成。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全驱动五指灵巧手结构，包括固定底座(1)，其特征在于：所述固定底座(1)顶端安装有手掌(2)，所述手掌(2)一侧安装有掌骨(3)，所述掌骨(3)的数量为五个，所述掌骨(3)一端安装有近节指骨(7)，所述近节指骨(7)一端安装有中节指骨(8)，所述中节指骨(8)一端安装有远节指骨(9)，所述掌骨(3)与近节指骨(7)之间、近节指骨(7)与中节指骨(8)之间和中节指骨(8)与远节指骨(9)之间均安装有关节组件(11)；

所述关节组件(11)包括凸块(1101)、转轴(1102)、转动舵机(1103)和固定板(1104)；

所述近节指骨(7)、中节指骨(8)和远节指骨(9)一侧端部均安装有凸块(1101)，所述凸块(1101)一侧安装有转轴(1102)，所述掌骨(3)、近节指骨(7)、中节指骨(8)和远节指骨(9)内部均安装有转动舵机(1103)，且转动舵机(1103)的输出轴与相邻位置处的转轴(1102)相连，所述转动舵机(1103)一侧安装有固定板(1104)。

2.根据权利要求1所述的一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，其特征在于：所述掌骨(3)与手掌(2)相邻一端连接有摆臂(4)，所述摆臂(4)一端安装有摆轴(5)，所述手掌(2)一侧安装有侧摆舵机(6)，所述摆轴(5)与侧摆舵机(6)的输出轴相连。

3.根据权利要求2所述的一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，其特征在于：所述侧摆舵机(6)和转动舵机(1103)的型号均为SG90，其工作扭矩为1.6kg/cm，转速为0.12-0.13s/60°，工作电压为3.5-6V。

4.根据权利要求1所述的一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，其特征在于：所述掌骨(3)、近节指骨(7)、中节指骨(8)和远节指骨(9)的为指宽25mm，所述掌骨(3)、近节指骨(7)和中节指骨(8)的长度均为58mm，所述远节指骨(9)的长度均为48mm。

5.根据权利要求1所述的一种全驱动五指灵巧手结构及控制系统，其特征在于：所述掌骨(3)、近节指骨(7)、中节指骨(8)和远节指骨(9)一侧均安装有压力传感器(10)，所述压力传感器(10)为一种FSR402薄膜压力传感器。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，包括数据处理终端、主控芯片、电源模块、控制模块和传感模块，其特征在于：所述数据处理终端和主控芯片均与电源模块相连，所述传感模块和控制模块均与主控芯片相连，所述电源模块包括开关电源和LDO稳压器，所述控制模块包括侧摆舵机和转动舵机，所述传感模块包括压力传感器。

7.根据权利要求6所述的一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，其特征在于：所述主控芯片选择STM32F103ZET6芯片，其中，主控芯片内部集成了ADC模块，共有21个12位ADC通道和多个I/O接口，可以对压力传感器进行并行采集，所述主控芯片内部包括时钟电路和复位电路，其中，时钟电路中使用了8MHz的无源晶振，与10pF电容构成振荡电路，进行九分频之后最高可以达到72MHz的工作频率，所述主控芯片采用其内部的ADC对压力传感器的反馈值进行测量，保证控制系统能够稳定工作，所述电源模块开关电源和LDO稳压器，所述开关电源为一种同力TL-150Q-A开关电源，所述开关电源共有4路输出，并选择5V输出与数据处理终端和主控芯片相连，所述LDO稳压器的型号为AMS1117-3.3，对开关电源的输出电压进行电压转换，将5V的电源转换成3.3V。

8.根据权利要求6所述的一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，其特征在于：所述控制模块包括侧摆舵机和转动舵机，所述侧摆舵机和转动舵机共有二十个，所述控制模块与主控芯片通过串口相连，其中，当主控芯片控制单个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPaTt\r\n，其中#，P和T是固定标识符，\r\n是回车符和换行符，代表命令的结束符，i代表舵机的通道，a是一个500-2500内的数，表示舵机的位置，t是本条指令所用的时间，表示舵机的速度；

其中，当需要同时控制多个舵机时，主控芯片通过串口发出命令，命令格式为#iPa#jPb#kPcTt\r\n，其中a，b，c分别代表通道i，通道j，通道k的舵机位置，在控制多个舵机时，指令中的执行时间t只有一个，多个舵机同时执行控制指令，实现多路舵机的同步控制。

9.根据权利要求8所述的一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，其特征在于：所述控制模块控制的抓取模式分为指尖抓取和包络抓取，所述指尖抓取包括单指指尖抓取和多指指尖抓取，其中，单指指尖抓取通过远节指骨和掌骨接触到目标物体，多指指尖抓取通过远节指骨接触到目标物体，并需要两根以上的手指参与抓取，在抓取中，同时控制参与抓取的手指运动，使手指同时接触到目标物体进行抓取，且参与指尖抓取的手指抓取运动过程一样，所述包络抓取是将掌骨近节指骨、中节指骨和远节指骨均与物体接触。

10.根据权利要求6所述的一种全驱动五指灵巧手结构控制系统，其特征在于：所述传感模块包括压力传感器，所述压力传感器共有二十个，用于检测各个掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨与物体接触的时的压力，通过压力传感器实时测出灵巧手的接触力，并将数据通过传感模块传递给主控芯片，控制舵机正转或反转，其中，为了防止接触力过大对目标物体造成损伤，当时接触力大于目标物体受到的静摩擦力等于目标物体受到的重力是所需的力，控制舵机反转。