CN110253555A - 仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生机械手，具体包括手指舵机；手指，由第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节；其中，所述手指舵机通过拉线与所述第一指节连接，所述手指开合关节、第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节通过由拉杆和齿轮组合而成的连接件依次连接。该仿生机械手能够拥有更多的自由度，动作更加灵活拟人化，而且抓取物体时由于指尖运动轨迹固定，抓取效果更加稳定，通过力反馈机构使得机械手即使通过舵机提供动力，也可以通过力反馈机构计算出手指部分的受力，从而使得手指抓握物体时更加柔性，减少对抓握目标物体的损伤。

Description

仿生机械手

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别涉及一种仿生机械手。

背景技术

随着社会的进步，各行各业都得到了前所未有的发展，同时对生产工具也有了更大的需求，机器人顺应时代的需求应运而生。因为它们能做一些繁琐或者危险等人类不愿意去做的工作，这使得机器人技术得到了飞速发展，其中仿生机器人由于拥有与人类相似的外形在服务领域有更大的优势。仿生机械手的设计成为了非常重要的一个环节，目前市场上一些仿人机器人的机械手包括拉线式、齿轮传动式和连杆式。

现有技术中，拉线式机械手的手指末端运动轨迹难以确定，抓取物体不稳定；连杆式的机械手一般会把执行器放在手掌内，受到尺寸限制执行器不能太大所以抓握力并不大，且自由度较少。

发明内容

本发明提供一种仿生机械手，用以提供多自由度且抓握力足够大、有力反馈机制的仿生机械手。

根据本公开的一方面，提供了一种用仿生机械手，具体包括：手指舵机；

手指，由第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节；

其中，所述手指舵机驱动第一指节，所述第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节、第三指节与所述第一指节联动；

所述手指舵机通过拉线与所述第一指节连接，所述手指开合关节、第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节通过由拉杆和齿轮组合而成的连接件依次连接。

在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括:

拇指舵机；

拇指，包括第四指节、第四指节连杆和第五指节；

其中，所述拇指舵机驱动第四指节，第四指节连杆、第五指节与所述第四指节联动。

在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括：

绞线盘力反馈模块，所述绞线盘力反馈模块包括绞线盘，用于放置所述拉线。

在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括：

所述绞线盘安装有扭簧和电位器，用于测量仿生机械手进行抓握动作时受到的阻力。

在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括：手臂；其中，手指舵机安装于手臂。

在一种可能的实现方式中，所述手指包括中指和无名指，中指和无名指通过不完全齿轮啮合连接。

在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括：

机械手控制模块，由算法模块、驱动模块、动力执行模块和力反馈模块组成；

其中，算法模块用于控制计算、力矩计算、轨迹规划计算；

驱动模块用于驱动总线伺服舵机、脉冲伺服舵机、通信模块和外设模块；

动力执行模块用于接收来自驱动模块的指令，以驱动动力传动机构运动；

力反馈模块用于采集电路信号、数据滤波、计算手指所输出的力矩，以规划计算模块提供控制依据。

根据本公开实施例的仿生机械手，能够拥有更多的自由度，动作更加灵活拟人化，而且抓取物体时由于指尖运动轨迹固定，抓取效果更加稳定，通过力反馈机构使得机械手即使通过舵机提供动力，也可以通过力反馈机构计算出手指部分的受力，从而使得手指抓握物体时更加柔性，减少对抓握目标物体的损伤。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

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示出根据本公开实施例的仿生机械手的立体图。

图2示出根据本公开实施例的仿生机械手中手指的立体图。

图3示出根据本公开实施例的仿生机械手中手指在不同状态的对比图。

图4示出根据本公开实施例的仿生机械手中四指联动结构的立体图。

图5示出根据本公开实施例的仿生机械手中拇指的立体图。

图6示出根据本公开实施例的仿生机械手中拇指在不同状态的对比图。

图7示出根据本公开实施例的仿生机械手中绞线盘力反馈模块的立体图。

图8示出根据本公开实施例的仿生机械手中绞线盘力反馈模块的爆炸图。

图9示出根据本公开实施例的仿生机械手中机械手控制模块的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开实施例的仿生机械手的立体图。如图1所示，所述仿生机械手包括：手指舵机；手指，由第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节。

其中，手指舵机用于为手指的弯曲和伸展提供动力。

图2示出根据本公开实施例的仿生机械手中手指的立体图。如图2所示，所述手指主要由6个主要零件组成：手指开合关节1、第一指节2、第一指节连杆3、第二指节连杆4、第二指节5、第三指节6。

其中，所述手指舵机驱动第一指节2，所述第一指节连杆3、第二指节连杆4、第二指节5、第三指节6与所述第一指节2联动；所述手指舵机通过拉线与所述第一指节2连接，所述手指开合关节1、第一指节2、第一指节连杆3、第二指节连杆4、第二指节5和第三指节6通过由拉杆和齿轮组合而成的连接件依次连接。通过在第二第三关节处增加连杆的方式使三个关节同时旋转以固定指尖运动轨迹。

具体的，手指开合关节1的第一端与第一指节连杆3的第一端铰接连接，第一指节连杆3的第二端与第二指节5的第一端铰接连接，第二指节5的第二端与第三指节6的第一端铰接连接，手指开合关节1与第二指节5还可以通过第一指节2铰接连接，第一指节2与第三指节6通过第二指节连杆4铰接连接。

其中，拉线可以通过铁氟龙管或其他耐磨润滑管材来传递动力。

本实现方式中，通过手指的三个关节联动的连杆结构，通过在第二第三关节处增加连杆的方式使三个关节同时旋转以固定指尖运动轨迹。

图3示出根据本公开实施例的仿生机械手中手指在不同状态的对比图。如图3所示，左侧表示手指处于舒展状态，右侧表示手指处于抓握状态。

图4示出根据本公开实施例的仿生机械手中四指联动结构的立体图。如图4所示，所述四指联动结构包括连杆11、12、15、16、17、18、手指舵机13、不完全齿轮组14和舵盘19。其中，舵机13为四个手指开合的动力，通过舵盘19连杆18和17传递动力到手指部分，四个手指通过连杆11、12、15、16实现同时联动，通过不完全齿轮组14保证左边两个手指和右边两个手指的运动对称。

在一种可能的实现方式中，所述手指的数量为4，其中包括中指和无名指，中指和无名指通过不完全齿轮啮合连接。

本实现方式中，通过四指联动的连杆结构和在中指和无名指之间的不完全齿轮，仅使用一个舵机驱动四个手指进行状态切换。

图5示出根据本公开实施例的仿生机械手中拇指的立体图。在一种可能的实现方式中，如图5所示，仿生机械手还包括拇指舵机；

拇指，包括第四指节25、第四指节连杆22和第五指节24；

其中，所述拇指舵机驱动第四指节25，第四指节连杆22、第五指节24与所述第四指节联动25。

具体的，拇指有两个自由度可以进行抓握和调整角度的运动。通过将拇指方向调节的旋转轴斜置于手掌达到拇指可以在并拢状态与抓握状态自由切换的效果。拇指由底座23、舵机22和26、第四指节25、第四指节连杆22和第五指节24等零件组成。

图6示出根据本公开实施例的仿生机械手中拇指在不同状态的对比图。如提6所示，拇指可以从并拢状态运动到抓握状态。其中，左侧表示拇指处于舒展状态，右侧表示拇指处于抓握状态。

图7示出根据本公开实施例的仿生机械手中绞线盘力反馈模块的立体图。图8示出根据本公开实施例的仿生机械手中绞线盘力反馈模块的爆炸图。如图7和图8所示，所述绞线盘力反馈模块包括绞线盘36，用于放置所述拉线。

在一种可能的实现方式中，所述绞线盘36安装有扭簧37和电位器34，用于测量仿生机械手进行抓握动作时受到的阻力。

具体工作过程中，手指舵机通过绞线盘拉线带动手指，在绞线盘内安装扭簧和电位器用来测量抓握动作受到的阻力。

进一步的，绞线盘力反馈模块由D型轴31、盖板32、轴承33、电位器34、电位器固定盘35、绞线盘36、扭簧37、扭簧固定盘38、舵盘39组成。其中，盖板32、轴承33、电位器34、电位器固定盘35、绞线盘36、扭簧37、扭簧固定盘38、舵盘39通过D型轴31串接。

当扭簧以上的部分受到阻力时会引起扭簧形变，电位器随之旋转，通过读取ADC(嵌入式芯片的一种硬件接口)即可得到手指端的受力。其中，ADC可以将模拟信号转变成数字信号，电位器的电压是模拟信号，需要通过这个模拟转数字信号的接口，将其采集到嵌入式系统中进行处理。

在一种可能的实现方式中，仿生机械手包括手臂；其中，手指舵机安装于手臂。安装于手臂的手指舵机的数量可以根据具体的使用场景任意设定，例如，所述手臂上安装有4个手指舵机，分别驱动仿生机械手中的4个手指。

图9示出根据本公开实施例的仿生机械手中机械手控制模块的示意图。如图9所示，在一种可能的实现方式中，所述仿生机械手还包括机械手控制模块，其由算法模块、驱动模块、动力执行模块和力反馈模块组成；其中，算法模块用于控制计算、力矩计算、轨迹规划计算；驱动模块用于驱动总线伺服舵机、脉冲伺服舵机、通信模块和外设模块；动力执行模块用于接收来自驱动模块的指令，以驱动动力传动机构运动；力反馈模块用于采集电路信号、数据滤波、计算手指所输出的力矩，以规划计算模块提供控制依据。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种仿生机械手，其特征在于，包括：

手指舵机；

手指，由第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节；

其中，所述手指舵机驱动第一指节，所述第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节、第三指节与所述第一指节联动；

所述手指舵机通过拉线与所述第一指节连接，所述手指开合关节、第一指节、第一指节连杆、第二指节连杆、第二指节和第三指节通过由拉杆和齿轮组合而成的连接件依次连接。

2.根据权利1所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

拇指舵机；

拇指，包括第四指节、第四指节连杆和第五指节；

其中，所述拇指舵机驱动第四指节，第四指节连杆、第五指节与所述第四指节联动。

3.根据权利1所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

绞线盘力反馈模块，所述绞线盘力反馈模块包括绞线盘，用于放置所述拉线。

4.根据权利3所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

所述绞线盘安装有扭簧和电位器，用于测量仿生机械手进行抓握动作时受到的阻力。

5.根据权利1所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

手臂；

其中，手指舵机安装于手臂。

6.根据权利1所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

所述手指包括中指和无名指，中指和无名指通过不完全齿轮啮合连接。

7.根据权利1所述的仿生机械手，其特征在于，还包括：

机械手控制模块，由算法模块、驱动模块、动力执行模块和力反馈模块组成；

其中，算法模块用于控制计算、力矩计算、轨迹规划计算；

驱动模块用于驱动总线伺服舵机、脉冲伺服舵机、通信模块和外设模块；

动力执行模块用于接收来自驱动模块的指令，以驱动动力传动机构运动；

力反馈模块用于采集电路信号、数据滤波、计算手指所输出的力矩，以规划计算模块提供控制依据。