CN1785609A

CN1785609A - 新型联动机械手结构设计

Info

Publication number: CN1785609A
Application number: CN 200510111830
Authority: CN
Inventors: 张文强; 薛向阳; 翁巨扬
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-06-14

Abstract

本发明属于智能机器人技术领域，具体为一种新型的机械手结构，能够模拟人手抓持物体的功能。本发明采用2套微型伺服电机和驱动器作为驱动单元，采用一个控制器来同时控制2套伺服电机，大拇指和四个手指分别单独控制和运动，四个手指能够在不同的初始位置进行联动。大拇指和四个手指的传动机构均采用两级传动，初级传动采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副，具有稳定的瞬时传动比和较高的传动精度，第二级传动采用圆形同步带传动。系统采用PID反馈控制，能够精确控制伺服电机的速度和位置。本发明其小巧而紧凑的机械结构相对于传统的机器人结构更加灵活、便利。本发明着重人性化设计和智能化设计，具有明显的社会效益和客观的经济效益。

Description

新型联动机械手结构设计

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种模拟人手抓持物体的机械手机构设计。

背景技术

目前，服务型的机器人(如家政护理机器人、场馆服务机器人等)越来越受到人们的专注，并获得了长足的发展。对服务机器人进行拟人化的设计是机器人研制的主要考虑因素。作为机器人重要的末端执行器，机械手是机器人结构中的关键部件之一。一个外形拟人、功能齐全的机械手对于提高机器人的综合性能起非常关键的作用，也是目前机器人研究热点之一。

传统的工业机器人的机械手设计主要是从其特定的应用场合进行考虑，结构形式也多种多样，精确度和刚性结构是设计的关键因素，因而传统工业机器人的机械手结构往往粗大而笨拙。也有人针对人手的功能要求，设计了模仿人手关节运动的机械手结构，每个手指均采用单独的电机进行驱动，加上控制器、驱动器等结构部件，整个系统仍然显得体积庞大、灵活性不够，而且过多的控制模块增加了系统的运行成本，降低了系统的效率。

针对上述所存在的问题，本发明设计了一种新型的服务机器人的机械手结构。经过对现有技术的文献检索，至今尚未发现与本发明内容一致的文献报告。

发明内容

本发明针对传统工业机器人和现有服务机器人的不足和缺陷，提出了一种结构小巧，基本具备人手抓持物体功能的新型的联动机械手结构。

本发明设计的联动机械手结构，包括2套微型伺服电机、驱动器，作为驱动单元；一个控制器，用于同时控制2套伺服电机；一个大拇指和四个手指，分别单独控制和运动，四个手指能够在不同的初始位置进行联动。

在机械手的设计上，本发明遵循如下原则：①结构小巧，具备与成人的手大小相当的拟人化的外形；②基本具备人手抓持物体的功能。按照上述要求，本发明的大母指和4个手指采用同步圆带联动的双关节结构形式，具有结构本体紧凑、运动平滑等特点，同时传动机构采用两级传动，初级传动采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副，具有稳定的瞬时传动比和较高的传动精度，第二级传动采用圆形同步的带轮传动；系统采用PID反馈控制，以精确控制伺服电机的速度和位置。

机械手的驱动方式采用24V的微型直流伺服电动机，内置大减速比的行星齿轮减速器以提高驱动扭矩，外接1000线的编码器实现伺服电机和控制器之间的信息反馈。

机械手的大拇指和四个手指采用单独的动力驱动。大拇指部分的结构主要包括：电机、支撑座、蜗轮、蜗杆、锁紧螺钉、四个滚动轴承和轴承盖、拇指中段、拇指前段、两个同步带轮以及同步皮带等。连接方式为：①蜗杆通过紧钉螺钉固定在伺服电机的输出轴上，然后通过固定螺钉连接在支撑座上；②一根传动轴将蜗轮、一个同步带轮、两个滚动轴承串连起来，并固定在支撑座上；③通过拇指中段结构将初级传动关节与第二级传动关节连接起来，两个关节通过同步带进行传动，采用涨紧轮将同步带涨紧；④在第二级传动关节中，一根传动轴将同步带轮、大拇指的前段串连起来，并通过两个滚动轴承与大拇指中段实现连接。

机械手的四个手指采用与大拇指相同的结构和相同的传动方式，只是每个手指的外形尺寸有所不同而已。四个手指的初级传动是采用一个带行星减速的直流伺服电机驱动一套蜗轮蜗杆传动，并通过一根长的传动轴将四个手指串连起来。然后，每个手指采用各自的第二级传动机构，即同步带轮传动。每个手指具体的连接方式为：①一根传动轴将手指的前段与同步带轮连接起来，并通过两个滚动轴承与手指的中段实现连接；②手指中段和手指前段的联动通过带涨紧机构的同步带轮来实现；③四个手指的中段均通过各自的两套轴承与一根长的传动轴连接起来。

机械手的大拇指和四个手指最后都通过连接件固定在机械手的手掌板上，一个控制板和两个伺服电机的驱动器安装于手掌板的背面；机械手与机械臂的连接通过一个连接件来实现。

本发明具有实质性特点和显著进步，其小巧而紧凑的机械结构相对于传统的机器人结构显得更加灵活、便利，并满足了人手所具有的基本抓持功能，具有明显的社会效益和客观的经济效益。

附图说明

图1本发明结构示意图。其中，(a)为侧面图示，(b)为正面图示。

图2本发明传动原理图。

图3本发明的控制原理图。

图中标号：1为大拇指组件，2为食指组件，3为中指组件，4为无名指组件，5为小指组件，6为长轴，7为直流伺服电机，8为直流伺服电机，9为驱动器，10为控制器，11为连接件，12为手掌，13为支座，14为蜗杆，15为蜗轮，16为拇指或手指中段，17为传动轴，18为同步带轮，19为惰轮，20为同步带，21为传动轴，22为同步带轮，23为小指头，24为CAN接口卡，25为主控板，26为电机闭环控制1，27为电机闭环控制2，28为伺服电机，29为光电编码器。

具体实施方式

如图1所示，大拇指1和食指2、中指3、无名指4以及小指5等各个组件分别通过各自的支撑座固定在手掌12上。大拇指通过带行星齿轮减速机构的直流伺服电机8进行驱动，食指2、中指3、无名指4以及小指5共同采用带行星齿轮减速机构的直流伺服电机7进行驱动。四个手指通过长轴6连接起来，并实现动力的传递。两套直流伺服电机7和8的驱动器9以及一个控制器10连接在手掌12的背面，一个控制器10可以同时控制两套驱动器9。

整个机械手可以通过连接件11实现与机器人机械臂的外接。

图2是大拇指和四个手指的传动原理图，分为两级传动。固定在支座13上的直流伺服减速电机7驱动蜗杆14，经过蜗杆14和蜗轮15的啮合运动，实现第一级传动，带动拇指或手指的中段16运动。第二级传动如下：同步带轮18与蜗轮15通过传动轴17串连，实现动力传递。圆形同步带20将同步带轮18的动力传递给同步带轮22，惰轮19用来涨紧同步带20。传动轴21将同步带轮22和小指头23连接起来，并带动小指头23运动。

图3是伺服电机的控制原理图。控制系统通过KAN接口卡24实现与PC主控板25的通讯连接，并同步控制两个伺服电机的运动。每个伺服电机控制均采用独立的闭环回路控制26和27。以其中闭环控制27为例进行说明，在伺服电机28的前端，装有光电编码器29，它是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。编码器29将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器10，通过脉宽调制(PWM)技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器9，最终驱动伺服电机28以要求的速度运行或达到理想的位置。

Claims

1、一种机械手结构，能够模拟人手抓持物体的功能，其特征在于包括2套微型伺服电机和驱动器，作为驱动单元；一个控制器，用于同时控制2套伺服电机；一个大拇指和四个手指，分别单独控制和运动，四个手指能够在不同的初始位置进行联动。

2、根据权利要求1所述的机械手结构，其特征在于大拇指和4个手指采用同步圆带联动的双关节结构形式；同时，传动机构均采用两级传动，其中初级传动采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副，第二级传动采用圆形同步的带轮传动；控制系统采用PID反馈控制，以精确控制伺服电机的速度和位置。

3、根据权利要求2所述的机械手结构，其特征在于所述大拇指部分的结构主要包括：电机、支撑座、蜗轮、蜗杆、锁紧螺钉、四个滚动轴承和轴承盖、拇指中段、拇指前段、两个同步带轮以及同步皮带，连接方式为：①蜗杆通过紧钉螺钉固定在伺服电机的输出轴上，然后通过固定螺钉连接在支撑座上；②一根传动轴将蜗轮、一个同步带轮、两个滚动轴承串连起来，并固定在支撑座上；③通过拇指中段结构将初级传动关节与第二级传动关节连接起来，两个关节通过同步带进行传动，采用涨紧轮将同步带涨紧；④在第二级传动关节中，一根传动轴将同步带轮、大拇指的前段串连起来，并通过两个滚动轴承与大拇指中段实现连接。

4、根据权利要求2所述的机械手结构，其特征在于所述四个手指采用与大拇指相同的结构和相同的传动方式，其中每个手指具体的连接方式为：①一根传动轴将手指的前段与同步带轮连接起来，并通过两个滚动轴承与手指的中段实现连接；②手指中段和手指前段的联动通过带涨紧机构的同步带轮来实现；③四个手指的中段均通过各自的两套轴承与一根长的传动轴连接起来。

5、根据权利要求2所述的机械手结构，其特征在于机械手的大拇指和四个手指通过连接件固定在机械手的手掌板上，一个控制板和两个伺服电机的驱动器安装于手掌板的背面；机械手通过一个连接件与机械臂连接。