CN111872962A - 一种具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置 - Google Patents

Abstract

本发明为具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置，包括控制中心、掌心及多个手指；掌心包括掌心本体及设置在掌心本体内的多个固定卡位，掌心本体通过多个固定卡位分别与多个手指连接；每个手指均包括多个指节，均设有驱动器和齿轮传动装置，驱动器通过齿轮传动装置驱动指节旋转，为每个手指的各个指节提供动力；掌心及多个手指上均设有多点阵列压力传感器，控制中心分别与驱动器、多点阵列压力传感器连接，控制中心用于控制驱动器顺时针或逆时针旋转。本发明使用全驱动方案，每个指节均可自由运动，手指可正反弯曲，实现机械手的正握或反握，不必区分左手和右手，简化了仿人手装置的结构和体积，提高了机械手的工作效率。

Description

一种具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体为一种具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置。

背景技术

现有的机械手驱动方式主要有电机驱动、气动驱动和人工肌肉驱动。电机驱动的优点是体积小、扭矩大以及获取电能较为方便，适合放置于指节内部或者手掌内部；而气动驱动和人工肌肉驱动重量较重、体积较大，驱动器较为复杂，需要安置在前臂部分且占用较多的体积，便携性也不如电机驱动。一般使用的感知压力的传感器为薄膜压力传感器。

现有的机械手电机多采用欠驱动方案，其将驱动电机放置在机械手的掌心处，由于掌心处可用空间较小，无法放置下较多的电机，所以欠驱动电机方案无法为机械手提供较多的自由度，因为每根机械手指一般只使用1个驱动器，所以一般只有5到6个自由度，而较少的自由度导致机械手无法做出较为精密的动作。其压力传感多为指尖单点压力传感设计，一般用于测量指尖单点的压力数据，然而单点压力传感器测量到的数据较少，一般只有指尖的5个数据。

此外，现有机械手只能实现正握，如人手那样，因而很多应用场合都需要有机械手的左手和右手，以完成抓取等动作。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置，手掌的自由度较高，手指可正反弯曲，实现机械手的正握或反握，不必区分左手和右手，简化了仿人手装置的结构和体积，减小了机械手工作时所需活动空间，提高了机械手的工作效率。

本发明采用以下技术方案来实现：具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置，包括控制中心、掌心及多个手指；掌心包括掌心本体，以及设置在掌心本体内的多个固定卡位，掌心本体通过多个固定卡位分别与多个手指连接；

每个手指均包括多个指节，每个手指上均设有驱动器和齿轮传动装置，驱动器通过齿轮传动装置驱动指节旋转，为每个手指的各个指节提供动力；

掌心及多个手指上均设有多点阵列压力传感器，控制中心分别与驱动器、多点阵列压力传感器连接，控制中心用于控制驱动器的电机顺时针或逆时针旋转，用于接收并处理多点阵列压力传感器所采集的压力信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、指节纵向大范围的旋转角度使得本仿人手装置可实现正握和反握，因而不必区分左手和右手，也不必移动后再通过正握来抓取东西，简化了仿人手装置的结构和体积，减小了机械手工作时所需活动空间，提高了机械手的工作效率。

2、采用全驱动设计，每个指节均可自由运动，指节弯曲角度范围大，因而手指较为灵活，可适应抓取不同的物品，提高了机械手指所做动作的精密性；此外，指节横向旋转运动使得仿人手可做双指夹取细小、细长或薄片状物品(例如卡片)的动作，从而可模拟人手完成较为复杂灵敏的动作。

3、使用多点阵列压力传感器包围指节，多位置的压力感知能力强，与全驱动设计相结合，提高了机械手指的自由度。

4、本发明采用模块化设计，由5根机械手指、掌心和控制中心组成，每个模块均可独立拆卸和更换，其中每根手指的每个指节也可单独拆卸更换，各模块之间耦合度低，使得升级模块或故障维修变得十分方便。

5、本发明仿人手装置重量较轻，指节和掌心部分均采用3D打印制作，使用PLA材料制作，强度较高，并且环保可降解，单个指节重量为6克；单个驱动器重量为5克，长度为25mm，直径为6mm，齿轮传动装置采用轻质高强度塑料齿轮，指节间的连接采用钢制轴杆，整体重量为500克。因此，本发明仿人手装置通过3D打印来制作指节和手掌，整体质量较轻且大小适中。

6、本发明使用的原材料简单，采用市面上较易获得的3D打印PLA材料、微型驱动电机和多点阵列压力传感器材料，实现制造、升级或者维修成本的可控性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明的掌心结构示意图；

图4是本发明的手指结构示意图；

图5是本发明的指节结构示意图；

图中，1是掌心，2是机械手指的固定卡位，3是控制中心，4是远指节，5是中指节，6是近指节，7是近指节驱动节，8是横向驱动节，9是主锥齿轮，10是传动轴，11是驱动器，12是传动锥齿轮，13是内走线，14是传动轴孔，15是传动臂，16是指节外壳，17是驱动器保护内壳，18是驱动器轴承，19是食指，20是中指，21是无名指，22是小指，23是多点阵列压力传感器，24是大拇指，25是齿轮传动装置，26是传动杆，27是横向驱动节的齿轮传动装置，28是整个手指的侧面图，29是大拇指固定卡位，30是支撑柱，31是食指固定卡位，32是中指固定卡位，33是无名指固定卡位，34是小拇指固定卡位，35是掌心端面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明的全驱动仿人手装置，包括控制中心、掌心及多个手指。掌心包括掌心本体，以及设置在掌心本体内的多个固定卡位，掌心本体通过多个固定卡位分别与多个手指连接；掌心本体包括两个掌心端面，两个掌心端面之间通过两根支撑柱连接，支撑柱位于掌心端面的边缘位置，多个固定卡位则位于两个掌心端面、两根支撑柱所共同架设形成的空间内。

每个手指均包括多个指节，每个手指上均设有驱动器和齿轮传动装置，驱动器通过齿轮传动装置驱动指节旋转，为每个手指的各个指节提供动力。此外，掌心及多个手指上均设有多点阵列压力传感器，多点阵列压力传感器环状包围整个指节，掌心本体的两个掌心端面均安装与掌心相贴合的多点阵列压力传感器。控制中心分别与驱动器、多点阵列压力传感器连接。

具体来说，如图1、2所示，本实施例全驱动仿人手装置，主要包括：掌心1、大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22、机械手指的固定卡位2、驱动器11、齿轮传动装置25、多点阵列压力传感器23、控制中心3，掌心1通过机械手指的固定卡位2与大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22连接，驱动器11和齿轮传动装置25设置在大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22中，多点阵列压力传感器23安装在掌心1、大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22中，控制中心3用于控制驱动器11逆时针或顺时针的旋转，从而使手指正向或反向弯曲，实现仿人手装置的正握或反握。

如图3所示，本实施例中，两个掌心端面35之间设有5个机械手指的固定卡位2，机械手指的固定卡位2包括：大拇指固定卡位29、食指固定卡位31、中指固定卡位32、无名指固定卡位33、小拇指固定卡位34，分别与大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22连接。其中，大拇指固定卡位在一根支撑柱30的下方，而其余4个机械手指的固定卡位设置在两根支撑柱之间。由于大拇指固定卡位与其余4个机械手指的固定卡位均设置在两个掌心端面之间，因而当各手指在驱动器的驱动下正向或反向弯曲时，5个机械手指的固定卡位均不会影响各手指的弯曲自由度。

如图4所示，本实施例中，大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22每个手指中均设置有5个指节、齿轮传动装置25、驱动器11、内走线13、传动杆26、传动臂15、多点阵列传感器23，其中，5个指节包括：远指节4、中指节5、近指节6、近指节驱动节7、横向驱动节8；驱动器11共计20个，分别安装在中指节5、近指节6、近指节驱动节7及横向驱动节8中，用于为各个指节提供动力；齿轮传动装置25共计20套，分别安装在中指节5、近指节6、近指节驱动节7、横向驱动节8中，并与驱动器11连接，驱动器11通过齿轮传动装置25驱动指节旋转，形成全驱动；多点阵列压力传感器23分别安装在掌心1、大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22中，用于感知抓取物品的压力。

本实施例中，将每个手指的横向驱动节8固定于掌心1内部的机械手指的固定卡位2上，从而完成掌心1与大拇指24、食指19、中指20、无名指21、小指22的固定连接。位于横向驱动节8内部的驱动器11和横向驱动节的齿轮传动装置27带动连接在其前部的近指节驱动节7左右横向运动，从而带动整根手指做横向运动；近指节驱动节7内部的驱动器11和齿轮传动装置25带动近指节6运动，近指节6内部的驱动器11和齿轮传动装置25带动中指节5运动，中指节5内部的驱动器11和齿轮传动装置25带动远指节4运动，远指节4内部无需设置驱动器11和齿轮传动装置25；横向驱动节8隐藏在掌心1内部，近指节驱动节7部分隐藏在掌心1内部。远指节4、中指节5、近指节6上各安装1个多点阵列压力传感器23；掌心1正反两面各安装1个贴合掌心1的多点阵列压力传感器23。

如图5所示，本实施例中，每个指节中主要设有：传动轴孔14、传动臂15、驱动器11、内走线13、指节外壳16、驱动器保护内壳17、驱动器轴承18以及齿轮传动装置25。其中，齿轮传动装置25主要包括：主锥齿轮9、传动轴10和传动锥齿轮12，传动轴10插入传动锥齿轮12的轴心，主锥齿轮9和传动锥齿轮12咬合，主锥齿轮9的旋转带动传动锥齿轮12的旋转，带动传动轴10旋转，从而带动前置指节的运动，齿轮传动装置25的作用是传递两个垂直相交轴的动力。

本实施例中，驱动器11采用微型电机，包括但不限于减速电机或步进电机；在驱动器上安装主锥齿轮9，主锥齿轮9带动传动锥齿轮12与传动轴10实现指节的运动。

本实施例中，全驱动仿人手装置不区分左右手，不区分掌心掌背，远指节4、中指节5和近指节6均可实现纵向的大幅度弯曲，横向驱动节8可带动每根手指左右移动，移动的角度范围与人的手指相近。

本实施例中，内走线13均排列在空心的指节内部，最终汇总到控制中心3。控制中心3设置在掌心和前臂部分，使用基于I2C的PCA9685作为电机驱动板，使用树莓派或者同等设备作为控制程序的运行设备，控制中心3用于控制驱动器11的电机顺时针或逆时针旋转，用于接收并处理多点阵列压力传感器23所采集的压力信息，实现本发明仿人手装置的驱动。

本实施例中，各指节、手指、掌心、控制中心模块均可单独拆卸和更换，指节与掌心使用PLA材料进行3D打印制作，单个指节重量为6克，单个驱动器重量为5克，长度为25mm，直径为6mm，齿轮传动装置采轻质高强度塑料齿轮，指节间的连接采用钢制轴杆，整体重量为500克。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有多点阵列压力传感器的全驱动仿人手装置，其特征在于，包括控制中心、掌心及多个手指；掌心包括掌心本体，以及设置在掌心本体内的多个固定卡位，掌心本体通过多个固定卡位分别与多个手指连接；

每个手指均包括多个指节，每个手指上均设有驱动器和齿轮传动装置，驱动器通过齿轮传动装置驱动指节旋转，为每个手指的各个指节提供动力；

掌心及多个手指上均设有多点阵列压力传感器，控制中心分别与驱动器、多点阵列压力传感器连接，控制中心用于控制驱动器的电机顺时针或逆时针旋转，用于接收并处理多点阵列压力传感器所采集的压力信息。

2.根据权利要求1所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，掌心本体包括两个掌心端面，两个掌心端面之间通过两根支撑柱连接，支撑柱位于掌心端面的边缘位置，多个固定卡位则位于两个掌心端面、两根支撑柱所共同架设形成的空间内。

3.根据权利要求2所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，所述多个手指包括大拇指，多个固定卡位包括一个大拇指固定卡位，大拇指固定卡位在一根支撑柱的下方，其余固定卡位设置在两根支撑柱之间。

4.根据权利要求1所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，每个手指的多个指节包括远指节、中指节、近指节、近指节驱动节及横向驱动节，每个指节上均设有驱动器和齿轮传动装置，每个手指的横向驱动节固定于掌心内部的固定卡位上；位于横向驱动节内部的驱动器和齿轮传动装置带动连接在其前部的近指节驱动节左右横向运动，从而带动整根手指做横向运动。

5.根据权利要求4所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，多点阵列压力传感器环状包围整个指节，掌心本体的两个掌心端面均安装与掌心相贴合的多点阵列压力传感器。

6.根据权利要求1所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，齿轮传动装置包括主锥齿轮、传动轴和传动锥齿轮，传动轴插入传动锥齿轮的轴心，主锥齿轮安装在驱动器上并和传动锥齿轮咬合，主锥齿轮的旋转带动传动锥齿轮的旋转，带动传动轴旋转。

7.根据权利要求3所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，每个指节中设有传动轴孔、传动臂、内走线、指节外壳及驱动器保护内壳；内走线排列在空心的指节内部，最终汇总到控制中心；控制中心设置在前臂部分。

8.根据权利要求1所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，多个指节与掌心使用PLA材料进行3D打印制作。

9.根据权利要求4所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，近指节驱动节内部的驱动器和齿轮传动装置带动近指节运动，近指节内部的驱动器和齿轮传动装置带动中指节运动，中指节内部的驱动器和齿轮传动装置带动远指节运动。

10.根据权利要求9所述的全驱动仿人手装置，其特征在于，横向驱动节隐藏在掌心内部，近指节驱动节部分隐藏在掌心内部。

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