CN114224679A - 基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，包括机械手本体和驱动装置，驱动装置包括手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构，手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构中的动力元件均为超声电机；超声电机包括定子端和转子端，定子端包括换能器、设置在换能器表面的若干陶瓷片、连接在换能器前端的变幅杆以及连接在变幅杆前端的驱动足，驱动足作为定子端的输出端，为转子端提供动力输出。本发明提供的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手能够实现手指弯曲的灵活驱动，本发明中采用了弯弯模态的超声电机作为动力源，能够提高驱动控制的精度，且结构简单、小型轻量、响应速度快。

Description

基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，特别涉及一种基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手。

背景技术

手功能障碍的临床症状主要表现为肌力下降、肌张力降低或增高、感觉异常、关节活动度下降、肌肉萎缩、手部肿胀及疼痛等方面，进而在日常生活中表现为无法实现简单的抓握功能，这主要是由于大脑高级中枢对低级中枢失去控制，低级中枢原始的反射失去抑制所致。目前国内外对于手功能障碍的改善和康复治疗主要采用的方法是通过修复或重塑受损神经，加强肌肉肌腱的强度锻炼，完成运动学习来重建或改善患手的运动功能。

使用外骨骼进行康复训练已逐渐成为康复训练的主流。然而，外骨骼设计需要低复杂性、紧凑性、双向驱动、低成本、便携性等等。专利CN104706502A公开了一种康复机器手，其能较好地实现各个手指的弯曲驱动，但其采用常规的驱动马达作为动力源，驱动精度、响应速度、小型化等方面存在不足。

所以，现在有必要提供一种更为可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，包括机械手本体和驱动装置，所述驱动装置包括手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构，所述手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构中的动力元件均为超声电机；

所述超声电机包括定子端和转子端，所述定子端包括换能器、设置在所述换能器表面的若干陶瓷片、连接在所述换能器前端的变幅杆以及连接在所述变幅杆前端的驱动足，所述驱动足作为所述定子端的输出端，为所述转子端提供动力输出。

优选的是，所述变幅杆上开设有斜槽。

优选的是，所述变幅杆由后端向前端，其横截面的尺寸逐渐减小，所述变幅杆的后端面与所述换能器的前端面的形状和尺寸相同，所述变幅杆的前端面与所述驱动足的后端面的形状和尺寸相同。

优选的是，所述换能器为矩形体，其四个面上均设置有陶瓷片。

优选的是，所述变幅杆具有4个光滑的曲面。

优选的是，所述换能器的后端还连接有后座。

优选的是，所述驱动足的长度为3mm，所述变幅杆的长度为10mm，所述换能器和后座的长度之和为21mm。

优选的是，所述超声电机还包括用于调节所述驱动足与所述转子端之间的距离的调节机构。

优选的是，所述超声电机还包括壳体，所述后座上连接有安装底板，所述安装底板通过安装螺丝连接在所述壳体上，所述调节机构为螺纹连接在所述壳体上的调节螺丝，所述调节螺丝的前端顶压所述后座的后端。

优选的是，所述机械手本体包括手腕架、与所述手腕架可转动连接的手背架、与所述手背架连接的大拇指架以及与所述手背架连接的四指架；

所述手腕驱动机构连接在所述手腕架和手背架之间，用于驱动所述手背架绕所述手腕架转动；

所述拇指驱动机构设置在所述大拇指架上，用于驱动大拇指弯曲；

所述四指驱动机构设置在所述四指架上，用于驱动四指架弯曲。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手能够实现手指弯曲的灵活驱动，可很好的用于手指康复训练；本发明中采用了弯弯模态的超声电机作为动力源，能够提高驱动控制的精度，且结构简单、小型轻量、响应速度快、噪声低，利于实现机器手的小型化、精准化、低噪音。

附图说明

图1为本发明的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手的结构示意图；

图2为本发明的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手的另一个视角的结构示意图；

图3为本发明的四指驱动机构中的单指的结构示意图；

图4为本发明的超声电机的定子端的结构示意图；

图5为本发明的实施例2中对电机定子进行谐响应分析后得到的驱动足表面质点的运动轨迹图；

图6为本发明的实施例2中的驱动足的水平位移时域图；

图7为本发明的实施例3中的超声电机的结构示意图。

附图标记说明：

1—机械手本体；10—手腕架；11—手背架；12—大拇指架；13—四指架；

2—驱动装置；20—手腕驱动机构；21—四指驱动机构；22—拇指驱动机构；

200—背腕连杆；

210—固定手指架；211—第一手指导向槽；212—手指连杆；213—活动手指架；214—第二手指导向槽；215—四连杆机构；2150—第一驱动杆；2151—第二驱动杆；2152—第三驱动杆；2153—第四驱动杆；2154—第一转轴；2155—销轴；2156—第二转轴；

220—拇指传动件；221—拇指导向轴；222—拇指导向槽；

3—超声电机；30—定子端；31—转子端；32—后座；33—换能器；34—陶瓷片；35—变幅杆；36—驱动足；37—壳体；38—调节螺丝；39—安装底板；350—斜槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

参照图1-4，本实施例的一种基于弯弯模态超声电机3驱动的联动式手功能外骨骼机器人，包括机械手本体1和驱动装置2，驱动装置2包括手腕驱动机构20、四指驱动机构21以及拇指驱动机构22，手腕驱动机构20、四指驱动机构21以及拇指驱动机构22中的动力元件均为超声电机3；

超声电机3包括定子端30和转子端31，定子端30包括换能器33、设置在换能器33表面的若干陶瓷片34、连接在换能器33前端的变幅杆35以及连接在变幅杆35前端的驱动足36，驱动足36作为定子端30的输出端，为转子端31提供动力输出，转子端31再将定子端30提供的动力转换为直线动力输出，相应的驱动手腕、手指弯曲。

其中，机械手本体1包括手腕架10、与手腕架10通过背腕连杆200可转动连接的手背架11、与手背架11连接的大拇指架12以及与手背架11连接的四指架13；

手腕驱动机构20连接在手腕架10和手背架11之间，通过手腕驱动机构20中的超声电机3(图中未示出)的输出端的伸缩运动驱动手背架11绕手腕架10转动。

拇指驱动机构22设置在大拇指架12上，用于驱动大拇指弯曲。参照图2，拇指驱动机构22包括一超声电机3(图中未示出)、拇指传动件220以及连接在拇指传动件上的拇指导向轴221，大拇指架12上开设有弧形状的拇指导向槽222，拇指导向轴221配合设置在拇指导向槽222内。工作时，大拇指固定在拇指传动件底部，拇指驱动机构22的超声电机3驱动拇指传动件向前按照弧形轨迹运动，带动大拇指弯曲。

四指驱动机构21设置在四指架13上，用于驱动四指架13弯曲。参照图3，为四指中的单指架和单指驱动机构的结构示意图(图中未示出超声电机3)，四指驱动机构21包括一超声电机3、固定手指架210、开设在固定手指架上的弧形状的第一手指导向槽211、与固定手指架210连接的手指连杆212、与手指连杆212末端固接的活动手指架213、开设在活动手指架213上的第二手指导向槽214以及连接在固定手指架210和活动手指架213之间的四连杆机构245，该四连杆机构215包括与固定手指架210可转动连接的第一驱动杆2150、与第一驱动杆2150可转动连接的第二驱动杆2151、与第二驱动杆2151可转动连接的第三驱动杆2152以及与第三驱动杆2152可转动连接的第四驱动杆2153；

手指连杆212前端设置有第一转轴2154，第一转轴2154配合设置在第一手指导向槽211内；第二驱动杆2151通过销轴2155与活动手指架213可转动连接，第三驱动杆2152通过第二转轴2156与第四驱动杆2153可转动连接，且第二转轴2156配合设置在第二手指导向槽214内。

工作时，四指的第一关节绑在活动手指架213上、第二关节绑在第四驱动杆2153上，四指驱动机构21的超声电机3推动手指连杆212按照弧形轨迹向前移动，手指连杆212带动活动手指架213转动，同时通过第一驱动杆2150、第二驱动杆2151、第三驱动杆2152带动第四驱动杆2153转动，从而可带动四指进行弯曲。

实施例2

继续参照图4，作为实施例1的基础上的进一步改进，本实施例中，变幅杆35上开设有斜槽350。由于倾斜曹的作用，在传振杆中部分纵向振动将转换为扭转振动。因而在其输出端，就会产生纵向和扭转两种振动的分量，很显然斜槽350的几何尺寸、形状以及倾斜程度将会对系统的振动性能产生一定的影响。对应斜槽350不同的倾斜角，系统的共振频率不同。随着斜槽350倾斜角的增大，系统的共振频率下降。固使用时可根据使用需求，通过改变斜槽350的形状、倾斜角度获得不同的共振频率，从而满足不同使用情况的需求。

变幅杆35由后端向前端，其横截面的尺寸逐渐减小，变幅杆35的后端面与换能器33的前端面的形状和尺寸相同，变幅杆35的前端面与驱动足36的后端面的形状和尺寸相同。

进一步的，换能器33为矩形体，其四个面上均设置有陶瓷片34。

进一步的，变幅杆35具有4个光滑的曲面。

进一步的，换能器33的后端还连接有后座32。

进一步的，驱动足36的长度A2＝3mm，变幅杆35的长度A1＝10mm，换能器33和后座32的长度之和L＝21mm，斜槽350的长度为6.7mm，宽度为1.1mm、倾斜角度为45゜(与变幅杆35的长度方向的中线之间的夹角)。参照图5，为本实施例中是对电机定子进行谐响应分析后得到的驱动足36表面质点的运动轨迹图，由图观察，振子在频率40.623kHz处发生共振，纵向振动幅值达到1.07mm左右。驱动足36的水平位移时域图如图7所示。瞬态分析振子的振动达到稳定状态。图6显示了振子驱动足36在一个周期内的运动轨迹，可以清晰的看到运动轨迹几乎是圆形，振子驱动足36的最大位移为6.91um，其可很好的用于手功能外骨骼机器人的驱动。

实施例3

参照图7，作为实施例2的基础上的进一步改进，本实施例中，超声电机3还包括用于调节驱动足36与转子端31之间的距离的调节机构。超声电机3还包括壳体37，后座32上连接有安装底板39，安装底板39通过安装螺丝连接在壳体37上，调节机构为螺纹连接在壳体37上的调节螺丝38，调节螺丝38的前端顶压后座32的后端。

由于该结构是通过振动和预紧力摩擦产生的运动效果，所以在长时间的摩擦过程中不可避免出现机械磨损，从而导致定子固有频率的改变。本实施例中，通过设置调节机构可以改变预紧力，通过调节螺丝38调整驱动足36与转子端31之间的距离来改变预紧力，进而能补偿因机械磨损所变化的定子固有频率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，包括机械手本体和驱动装置，所述驱动装置包括手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构，其特征在于，所述手腕驱动机构、四指驱动机构以及拇指驱动机构中的动力元件均为超声电机；

所述超声电机包括定子端和转子端，所述定子端包括换能器、设置在所述换能器表面的若干陶瓷片、连接在所述换能器前端的变幅杆以及连接在所述变幅杆前端的驱动足，所述驱动足作为所述定子端的输出端，为所述转子端提供动力输出。

2.根据权利要求1所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述变幅杆上开设有斜槽。

3.根据权利要求2所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述变幅杆由后端向前端，其横截面的尺寸逐渐减小，所述变幅杆的后端面与所述换能器的前端面的形状和尺寸相同，所述变幅杆的前端面与所述驱动足的后端面的形状和尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述换能器为矩形体，其四个面上均设置有陶瓷片。

5.根据权利要求4所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述变幅杆具有4个光滑的曲面。

6.根据权利要求5所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述换能器的后端还连接有后座。

7.根据权利要求6所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述驱动足的长度为3mm，所述变幅杆的长度为10mm，所述换能器和后座的长度之和为21mm。

8.根据权利要求7所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述超声电机还包括用于调节所述驱动足与所述转子端之间的距离的调节机构。

9.根据权利要求8所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述超声电机还包括壳体，所述后座上连接有安装底板，所述安装底板通过安装螺丝连接在所述壳体上，所述调节机构为螺纹连接在所述壳体上的调节螺丝，所述调节螺丝的前端顶压所述后座的后端。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的基于弯弯模态超声电机驱动的联动式机器手，其特征在于，所述机械手本体包括手腕架、与所述手腕架可转动连接的手背架、与所述手背架连接的大拇指架以及与所述手背架连接的四指架；

所述手腕驱动机构连接在所述手腕架和手背架之间，用于驱动所述手背架绕所述手腕架转动；

所述拇指驱动机构设置在所述大拇指架上，用于驱动大拇指弯曲；

所述四指驱动机构设置在所述四指架上，用于驱动四指架弯曲。

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