CN112589824A - 一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，包括手掌和安装在手掌上的拇指、食指、中指、无名指以及小拇指，所述中指包括第一指关节、第二指关节、第三指关节、第四指关节和固定在手掌上的舵机，并且舵机连接件的顶部固定连接有自锁装置，本发明涉及机械手技术领域。该带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其每个手指都具有自锁功能，使得握持物体时更加稳定可靠，且具有大力矩的特点，使其具有优秀的握持能力，适用范围更广，机械手内部采用高集成度的设计，将驱动电路与舵机设置在机械手内部，降低了内部布线的难度，且该机械手具有自感压力的功能，从而能够自动控制所持力道，使得机械手更智能化。

Description

一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体为一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手。

背景技术

随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在社会生活各个领域的应用，用工业机器人永不能满足人们的要求，因而如何使机器人能够为人们的日常生活服务，则成为现在机器人研究领域的焦点问题。由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有很强的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多场合下完成复杂和灵活的操作。例如机械制造、军事战备、医疗手术、设备安装、家务劳动等。

目前，国内外正在研究的仿人机械手从机构形式上来看大多是多指机关手，最普遍的手指数目为3~5个，各个手指的关节数目也多为3个转动关节，自由度为3~5个。但是，现有的仿人机械手研究存在着机械125结构互不相同、控制方法互不兼容、作业描述语言缺乏等一系列的问题。因此，现有的仿人机械手无论是从其性能和通用性来看，都难于在恶劣危险的环境下完成各种复杂的作业。

随着机器人应用技术的不断发展，机械手作为末端执行器有着广泛的应用，为了适应不同的工作任务，制造出能够像人手一样灵活的柔性机械手来代替人类去完成工作具有广阔市场前景，五指仿生机械手作为一类机器人终端操作装置，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，在具有灵巧及精细要求的各类任务中取得广泛应用。

随着信息技术与智能化技术的发展，智能装备已经逐渐深入到人类社会的方方面面，在智能装备中，常常包括运动执行系统与反馈系统。在提供给智能装备的反馈信息中，触觉感知信息是实现智能化的重要环节。通过触觉可以获 得接触对象的接触力、硬度、弹性、粗糙度、温度等多种物理信息。仿人型机械手作为智能设备的典型代表之一，对触觉，尤其是温度以及三维力的感知要求更高。

传统的仿人机械手只具有类似的结构以及机械操作能力，而缺乏对外界信息的感知能力，极大的限制了机械手的灵敏程度。要达到对仿人机械手操作的灵巧性、稳定性要求，以在各种复杂环境下完成稳定、精细作业，除了需要更为精确地运动和操作控制之外，还要求其本身在识别和感知层面做的更好。目前常见的感知系统包括温度、湿度传感器、三维力测量传感器以及位置测量传感器，虽然可以一定程度上为机械手提供外界信息，但是都没有和机械手结合紧密，仅在没有感知功能的机械手上简单安装，反馈信息单一，无法全面的提供机械手实现灵巧抓取所需的环境参数。

为满足机电一体化的智能机械手对外界环境灵敏“感知”的需求，将与人手功能类似的人工触觉感知系统引入到机械手系统中，是仿人机械手发展的必 然趋势与要求。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，解决了灵敏度较低，由于力矩较小，导致机械手抓握能力较差，以及自锁能力差，抓握不稳固，可靠性差的问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，包括手掌和安装在手掌上的拇指、食指、中指、无名指以及小拇指，所述中指包括第一指关节、第二指关节、第三指关节、第四指关节和固定在手掌上的舵机，所述舵机的顶部通过螺丝固定连接有舵机连接件，并且舵机连接件的顶部固定连接有自锁装置。

所述自锁装置包括固定在舵机连接件顶部的第一支撑架和第二支撑架，以及通过舵盘连接件固定在舵机输出轴的蜗杆连接支座，所述蜗杆连接支座的顶部固定连接有蜗杆，并且蜗杆的顶端固定连接有蜗杆连接轴，所述第一支撑架的一侧通过双联蜗轮连接轴固定连接有双联蜗轮，所述双联蜗轮中的大蜗轮与蜗杆相啮合，且双联蜗轮的小齿轮插入第一指关节右侧的齿轮槽中。

优选的，所述双联蜗轮连接轴位于双联蜗轮一侧的表面固定连接有第一双联齿轮，所述第一指关节内壁的右侧与第四指关节右侧之间的顶部和底部分别转动连接有第一关节轴和第二关节轴，所述第一指关节内壁的右侧与第四指关节的右侧之间且位于第一双联齿轮的正上方转动连接有径向轴承轴。

优选的，所述径向轴承轴的表面通过固定连接有平面齿轮，并且平面齿轮的底部与第一双联齿轮的顶部相啮合。

优选的，所述第一关节轴的表面固定连接有第二双联齿轮，并且第二双联齿轮的底部与平面齿轮的顶部相啮合。

优选的，所述第一关节轴和第二关节轴的表面均固定连接有同步轮，并且两个同步轮的表面之间通过同步带传动连接，所述第二指关节和第三指关节均与第二关节轴的表面固定连接。

优选的，所述第二指关节的左侧与第三指关节的右侧固定连接，所述第一指关节的左侧与第四指关节的右侧固定连接，所述第二指关节的正面通过橡胶堵头固定连接有压力传感器。

优选的，所述拇指、食指、无名指以及小拇指的结构均与中指的结构相同。

优选的，其采用STM32驱动板作为控制器，且STM32驱动板包括五路PWM，五路ADC，两路串口，以及一路用于识别触摸电平的IO口。

（三）有益效果

本发明提供了一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手。与现有技术相比具备以下有益效果：

（1）、该带有自锁功能的大力矩仿人机械手，通过中指包括第一指关节、第二指关节、第三指关节、第四指关节和固定在手掌上的舵机，所述舵机的顶部通过螺丝固定连接有舵机连接件，并且舵机连接件的顶部固定连接有自锁装置，自锁装置包括固定在舵机连接件顶部的第一支撑架和第二支撑架，以及通过舵盘连接件固定在舵机输出轴的蜗杆连接支座，所述蜗杆连接支座的顶部固定连接有蜗杆，并且蜗杆的顶端固定连接有蜗杆连接轴，所述第一支撑架的一侧通过双联蜗轮连接轴固定连接有双联蜗轮，所述双联蜗轮中的大蜗轮与蜗杆相啮合，且双联蜗轮的小齿轮插入第一指关节右侧的齿轮槽中，使该机械手每个手指都具有自锁功能，使得握持物体时更加稳定可靠，且具有大力矩的特点，使其具有优秀的握持能力，覆盖的使用场景更加广泛，实用性更好，机械手内部采用高集成度的设计，将驱动电路与舵机设置在机械手内部，降低了内部布线的难度。

（2）、该带有自锁功能的大力矩仿人机械手，通过第二指关节的正面通过橡胶堵头固定连接有压力传感器，通过压力传感器使该机械手具有自感压力的功能，从而能够自动控制所持力道，使得机械手更智能化，且机械手主体采用3D 打印制成，节省了制造成本，降低了装配难度，生产效率高。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明中中指结构的立体图；

图3为本发明中自锁装置的立体图；

图4为本发明自锁原理受力示意图；

图5为本发明中压力传感器原理示意图；

图6为本发明握持功能自控原理流程图。

图中，1拇指、2手掌、3食指、4中指、41第一指关节、42第二指关节、43第三指关节、44第四指关节、45 舵机、46舵机连接件、47自锁装置、471第一支撑架、472第二支撑架、473蜗杆连接支座、474蜗杆、475蜗杆连接轴、476双联蜗轮连接轴、477双联蜗轮、478舵盘连接件、48第一双联齿轮、49第一关节轴、410第二关节轴、411径向轴承轴、412压力传感器、413平面齿轮、414第二双联齿轮、415同步轮、416同步带、417橡胶堵头、5无名指、6小拇指。

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。

请参阅图1-4，本发明实施例提供一种技术方案：一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，包括手掌2和安装在手掌2上的拇指1、食指3、中指4、无名指5以及小拇指6，中指4包括第一指关节41、第二指关节42、第三指关节43、第四指关节44和固定在手掌2上的舵机45，手指驱动上采用独立的舵机控制，使得每只手指都能被独立控制，使用PWM精确控制手指活动的角度，舵机参数为 2kg.cm，舵机45的顶部通过螺丝固定连接有舵机连接件46，并且舵机连接件46的顶部固定连接有自锁装置47。

本发明实施例中，自锁装置47包括固定在舵机连接件46顶部的第一支撑架471和第二支撑架472，以及通过舵盘连接件478固定在舵机45输出轴的蜗杆连接支座473，蜗杆连接支座473的顶部固定连接有蜗杆474，并且蜗杆474的顶端固定连接有蜗杆连接轴475，第一支撑架471的一侧通过双联蜗轮连接轴476固定连接有双联蜗轮477，双联蜗轮477中的大蜗轮与蜗杆474相啮合，且双联蜗轮477的小齿轮插入第一指关节41右侧的齿轮槽中，使用蜗轮蜗杆结构使得机械手手指带有自锁功能，增加了使用中的可靠性。

本发明实施例中，双联蜗轮连接轴476位于双联蜗轮477一侧的表面固定连接有第一双联齿轮48，第一指关节41内壁的右侧与第四指关节44右侧之间的顶部和底部分别转动连接有第一关节轴49和第二关节轴410，第一指关节41内壁的右侧与第四指关节44的右侧之间且位于第一双联齿轮48的正上方转动连接有径向轴承轴411。

本发明实施例中，径向轴承轴411的表面通过固定连接有平面齿轮413，并且平面齿轮413的底部与第一双联齿轮48的顶部相啮合，第一关节轴49的表面固定连接有第二双联齿轮414，并且第二双联齿轮414的底部与平面齿轮413的顶部相啮合，第一双联齿轮48的小齿部分插入第二支撑架472的齿轮槽中，实现紧密配合，所以第一指关节41转动时，第一双联齿轮48锁死不旋转。

本发明实施例中，第一关节轴49和第二关节轴410的表面均固定连接有同步轮415，并且两个同步轮415的表面之间通过同步带416传动连接，第二指关节42和第三指关节43均与第二关节轴410的表面固定连接。

本发明实施例中，第二指关节42的左侧与第三指关节43的右侧固定连接，第一指关节41的左侧与第四指关节44的右侧固定连接，第二指关节42的正面通过橡胶堵头417固定连接有压力传感器412，通过实时检测电压，经由低通滤波器，模数转换，运算放大器，来实时计算出压力的值，并在传感器侧加入ESD保护，防止由静电带来的传感器误报，使得反馈更加精准。

本发明实施例中，拇指1、食指3、无名指5以及小拇指6的结构均与中指4的结构相同。

本发明实施例中，该机械手采用STM32驱动板作为控制器，且STM32驱动板包括五路PWM，五路ADC，两路串口，以及一路用于识别触摸电平的IO口，使用STM32成本较低，功能全面，为机械手系统的高集成度提供支持。

蜗轮蜗杆传动时，当蜗杆的螺旋升角γ小于摩擦角ψ时，该机构具有很好的自锁性。如图4所示：摩擦力F达到最大值Fmax时，这时夹角也达到最大值ψ，把ψ定义为摩擦角。

tanψ=F/N=μN/N=μ，摩擦角ψ的正切等于静摩擦系数。

因而根据力的平衡与分解可得：当主动力R在摩擦角之内，其与法线（N方向）夹角小于摩擦角ψ，法向分力必于与N平衡，同时切向分力则必小于最大静摩擦力，摩擦力F未达到最大值，则力系平衡。

如果作用于物体的主动力R的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个反向力R’与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力R的作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力的大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。

因此，对应用于蜗轮蜗杆机构的传递性质分析：蜗杆的螺旋升角γ，蜗轮作用于蜗杆上的力始终为竖直方向，主作用力与法线夹角也为γ，根据自锁原理，若存在自锁则摩擦角必须涵盖于γ，即存在γ<ψ，此为涡轮蜗杆的自锁条件。

工作时，舵机45工作带动蜗杆474转动，进一步带动双联蜗轮477转动，从而带动双联蜗轮连接轴476和第一指关节41转动，进一步带动第一双联齿轮48转动，进一步第一双联齿轮48的大齿轮带动平面齿轮413发生转动，进一步平面齿轮413带动第二双联齿轮414转动，从而带动第二关节轴410转动，此时第二关节轴410表面的同步轮415与同步带416相互配合带动第一关节轴49表面的同步轮415转动，从而使第一关节轴49转动，进一步第一关节轴49带动第二指关节42转动，五根手指相互配合，实现手指的抓握功能。

工作过程中，握持动作命令发出，驱动手指运动，进行握持动作，握持过程中压力传感器412检测到握持力，若握持力处于最适压力，则控制该机械手停止驱动，并使自锁装置47进行握持自锁；若检测到握持力压力过大，则控制该机械手反向驱动，降低握持力；若检测到握持力压力过小，则控制该机械手正向驱动，增大握持力，直至检测到握持力适中后，进行自锁，该机械手通过大量训练集的机器学习，训练而成的机械手驱动模型可以根据握持时手掌获得的反馈实现出色的自动控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，包括手掌（2）和安装在手掌（2）上的拇指（1）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）以及小拇指（6），其特征在于：所述中指（4）包括第一指关节（41）、第二指关节（42）、第三指关节（43）、第四指关节（44）和固定在手掌（2）上的舵机（45），所述舵机（45）的顶部通过螺丝固定连接有舵机连接件（46），并且舵机连接件（46）的顶部固定连接有自锁装置（47）；

所述自锁装置（47）包括固定在舵机连接件（46）顶部的第一支撑架（471）和第二支撑架（472），以及通过舵盘连接件（478）固定在舵机（45）输出轴的蜗杆连接支座（473），所述蜗杆连接支座（473）的顶部固定连接有蜗杆（474），并且蜗杆（474）的顶端固定连接有蜗杆连接轴（475），所述第一支撑架（471）的一侧通过双联蜗轮连接轴（476）固定连接有双联蜗轮（477），所述双联蜗轮（477）中的大蜗轮与蜗杆（474）相啮合，且双联蜗轮（477）的小齿轮插入第一指关节（41）右侧的齿轮槽中。

2.根据权利要求1所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述双联蜗轮连接轴（476）位于双联蜗轮（477）一侧的表面固定连接有第一双联齿轮（48），所述第一指关节（41）内壁的右侧与第四指关节（44）右侧之间的顶部和底部分别转动连接有第一关节轴（49）和第二关节轴（410），所述第一指关节（41）内壁的右侧与第四指关节（44）的右侧之间且位于第一双联齿轮（48）的正上方转动连接有径向轴承轴（411）。

3.根据权利要求2所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述径向轴承轴（411）的表面通过固定连接有平面齿轮（413），并且平面齿轮（413）的底部与第一双联齿轮（48）的顶部相啮合。

4.根据权利要求2所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述第一关节轴（49）的表面固定连接有第二双联齿轮（414），并且第二双联齿轮（414）的底部与平面齿轮（413）的顶部相啮合。

5.根据权利要求2所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述第一关节轴（49）和第二关节轴（410）的表面均固定连接有同步轮（415），并且两个同步轮（415）的表面之间通过同步带（416）传动连接，所述第二指关节（42）和第三指关节（43）均与第二关节轴（410）的表面固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述第二指关节（42）的左侧与第三指关节（43）的右侧固定连接，所述第一指关节（41）的左侧与第四指关节（44）的右侧固定连接，所述第二指关节（42）的正面通过橡胶堵头（417）固定连接有压力传感器（412）。

7.根据权利要求1所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：所述拇指（1）、食指（3）、无名指（5）以及小拇指（6）的结构均与中指的结构相同。

8.根据权利要求1所述的一种带有自锁功能的大力矩仿人机械手，其特征在于：其采用STM32驱动板作为控制器，且STM32驱动板包括五路PWM，五路ADC，两路串口，以及一路用于识别触摸电平的IO口。

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