CN207104932U - 由减速电机驱动的机械手 - Google Patents
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Abstract
一种由减速电机驱动的机械手，其包括手掌、手指及其驱动机构、以及运动控制装置，每个手指由若干指节通过轴承连接构成，驱动机构包括减速电机和两条拉绳，减速电机安装于手掌，两条拉绳对应可滑动地设置于手指内靠近指背一侧和靠近指腹一侧，两条拉绳一端固定于指尖处另一端固定于减速电机的转轴且能够随着转轴的转动收紧或放松拉绳，手指的驱动机构还包括缓冲装置，缓冲装置设置于减速电机处，缓冲装置包括摆杆和弹性元件，所述两条拉绳经过所述摆杆的自由端对摆杆产生第一拉力，所述弹性元件对摆杆产生第二弹力，第二弹力的方向与第一拉力的方向相反。该机械手通过设置缓冲装置使得手指运动时动作柔和，可以防止握持物被损坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及人造肢体，尤其涉及机械手。
背景技术
义肢是供截肢者使用来代替缺损肢体部分功能的人造肢体，能够取代损伤肢体的功能障碍或者掩饰肢体残缺。现有的假手通常分类两种控制方式，一种是使用肩带控制，另一种是用表面肌电信号(Electromyography，EMG)控制。如公开号为CN104546235A的中国专利申请公开了一种混合型假手，该混合型假手借助来自表面肌电信号(Electromyography，EMG)的输入以及来自被截肢者的肩膀和手肘的机械控制来控制，该假手由电机驱动拉绳并借助微控制器控制手指的运动，这种采用表面肌肉电信号控制手指运动的假手具有抗干扰能力强和反应滞后时间短的优点。但包括公开号CN104546235A的专利申请在内的现有技术存在以下一些缺陷：1、由电机驱动手指运动，手指的动作僵硬。2、手指的每个指节由多个元件组合构成，由于指节是经常活动的部件，由多个元件构成的组合式指节随着使用时间的增长，组合部分会发生磨损而出现松动，从而影响产品的使用寿命，同时组合式指节需分别加工各个部件后再组合安装，生产成本高。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种由减速电机驱动的机械手，以解决现有假手存在的上述缺陷中的至少一种。
为达上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种由减速电机驱动的机械手包括手掌、五个手指及其驱动机构、以及用于控制所述驱动机构的运动控制装置，每个手指由若干指节通过轴承连接构成，每个手指的驱动机构包括减速电机和两条拉绳，减速电机安装于手掌，两条拉绳对应可滑动地设置于手指内靠近指背一侧和靠近指腹一侧，两条拉绳一端固定于指尖处另一端固定于减速电机的转轴且能够随着转轴的转动收紧或放松拉绳，所述手指的驱动机构还包括缓冲装置，缓冲装置设置于减速电机处，缓冲装置包括摆杆和弹性元件，所述两条拉绳经过所述摆杆的自由端对摆杆产生第一拉力，所述弹性元件对摆杆产生第二弹力，第二弹力的方向与第一拉力的方向相反。
优选地，构成手指的指节是采用3D打印工艺制成的整体件，指节内靠近指背处和靠近指腹处对应成型有第一过绳孔和第二过绳孔。
优选地，所述手指驱动机构还包括转动连接件，机械手的大拇指通过所述转动连接件与手掌连接使大拇指可在手掌所在平面转动。
优选地，所述转动连接件采用舵机。
优选地，所述两条拉绳的另一端以相反的方向缠绕固定于同一个减速电机的转轴。
优选地，所述运动控制装置包括：
用于采集表面肌电信号的传感器；
与所述传感器连接对表面肌电信号进行处理和生成控制信号的信号处理器；
与所述信号处理器连接根据所述控制信号控制手指驱动机构进而驱动手指运动的驱动控制器；以及
与所述信号处理器连接反馈手指动作量的运动量检测器。
工作时，传感器采集表面肌电信号，经过处理后传输至信号处理器，信号处理器对信号分析后向驱动控制器输出相应的动作指令，控制手指驱动机构驱动对应手指完成相应的动作。运动量检测器检测手指动作量并反馈至信号处理器。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：由于设置有缓冲装置，电机启动时拉动拉绳首先使缓冲装置变形然后带动手指运动，从而使得手指的动作较为柔和。由于构成手指的指节是整体件，大大提高了机械手的稳定性和使用寿命，降低了生产成本。由于采用表面肌肉电信号控制手指运动，具有抗干扰能力强和反应滞后时间短的优点，且通过运动量检测器向信号处理器反馈动作量，使得手指运动更加精确。
附图说明
图1为一些实施例由减速电机驱动的机械手的结构示意图；
图2为一些实施例中手指的内部结构及手指驱动机构的结构示意图；
图3为一些实施例由减速电机驱动的机械手中运动控制装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
本实用新型中所述的减速电机可以是自带减速装置的电机，也可以是加装了减速装置的电机。
图1中示出了一些实施例由减速电机驱动的机械手的结构。参照图1，一些实施例由减速电机驱动的机械手包括手掌1、手指2、手指驱动机构、用于控制手指驱动机构的运动控制装置。手掌1由手心和手背组成，还可以在其表面固定掌纹结构。手指2由第一指节21、第二指节22、第三指节23可转动地连接构成。
手指的弯曲和伸直动作由手指驱动机构驱动实现。以下以小拇指为例进行说明。如图2所示，手指由第一指节21、第二指节22、第三指节23通过轴承24连接构成，手指2的驱动机构包括减速电机31、第一拉绳32和第二拉绳33，减速电机31通过减速电机安装槽安装于手掌，第一拉绳32可滑动地设置于手指内靠近指背一侧，第二拉绳33可滑动地设置于手指内靠近指腹一侧，第一拉绳32和第二拉绳33一端(图2中左端)固定于指尖处、另一端(图2中右端)固定于减速电机31的转轴，更具体地说，第一拉绳32的另一端按顺时针方向缠绕固定在减速电机31的转轴，第二拉绳33的另一端按逆时针方向缠绕固定在减速电机31的转轴(即，两条拉绳的另一端以相反的方向缠绕固定于同一个减速电机的转轴)。这样当减速电机31转轴转动时，收紧第二拉绳33，放松第一拉绳32，这样指节被拉动绕轴承转动实现了手指的弯曲动作；相反，当减速电机31转轴反向转动时，放松了第二拉绳33，收紧了第一拉绳32，这样指节被拉动绕轴承转动实现了手指的张开动作。
上图2所示实施例中，两条拉绳(第一拉绳32和第二拉绳33)的右端(即另一端)以相反的方向缠绕固定于同一个减速电机31的转轴。可以理解地，也可以采用两个减速电机分别对两条拉绳实现拉紧/放松。
参照图2，为了有效解决电机驱动手指运动时手指的动作僵硬的技术问题。手指的驱动机构包括缓冲装置，该缓冲装置设置于减速电机31处，缓冲装置包括摆杆34和弹性元件35，上述两条拉绳(第一拉绳和第二拉绳)经过摆杆34的自由端(图2中左端)对摆杆34产生第一拉力，弹性元件35对摆杆34产生第二弹力，第二弹力的方向(图2中向下)与第一拉力的方向(图2中向上)相反。增加上述缓冲装置后，当电机启动时拉动拉绳，会带动摆杆34向图2中上方摆动压缩弹性元件35，当压缩到一定程度后才会拉动拉绳使手指进行弯曲或张开动作，另一方面当手指弯曲或张开过程中受到较大阻力时，缓冲装置的弹性元件也会进一步变形从而可以防止握持物被损坏。由此可见上述缓冲装置的设置能够使机械手手指的动作较为柔和，有效解决了现有机械手手指的动作僵硬的技术问题。图2中弹性元件35为压簧，可以理解地，弹性元件也可以采用扭簧将该扭簧设置于摆杆的安装轴位置，或者采用弹性片等等结构。
为了有效解决现有假手使用寿命及生产成本高的问题，一些实施例中，构成手指的指节采用3D打印工艺制成，最好一个指节为一个整体件，指节内靠近指背处和靠近指腹处对应成型有第一过绳孔和第二过绳孔。由于构成手指的指节是整体件，大大提高了机械手的稳定性和使用寿命，降低了生产成本。
在图2所示实施例中，每个指节由上下两部分通过螺钉组合而成，其中的上下两部分均是采用3D打印工艺制成，这种结构相较于现有的多部件组成的指节也可以在一定程度提高使用寿命和降低生产成本。
在一些实施例中，手指驱动机构还可以包括转动连接件，机械手的大拇指通过所述转动连接件与手掌连接使大拇指可在手掌所在平面转动。一些具体实施例中转动连接件采用了舵机，还可以采用电机等。
图3示出了一些实施例由减速电机驱动的机械手中运动控制装置的组成。参照图3，一些实施例由减速电机驱动的机械手中，运动控制装置包括：
用于采集表面肌电信号的传感器41；
与所述传感器41连接对表面肌电信号进行处理和生成控制信号的信号处理器42；
与所述信号处理器42连接根据所述控制信号控制手指驱动机构进而驱动手指运动的驱动控制器43；以及
与所述信号处理器42连接反馈手指动作量的运动量检测器44。
在一些实施例中，驱动控制器43包括转动连接件(如舵机)控制器和电机控制器。
工作时，传感器41采集表面肌电信号，经过处理后传输至信号处理器42，信号处理器42对信号分析后向驱动控制器43输出相应的动作指令，控制手指驱动机构驱动对应手指完成相应的动作。运动量检测器44检测手指动作量并反馈至信号处理器42,该动作量可以是拉绳的长度变化，也可以是指节的转动角度等，处理器对这些动作量分析可以分析握持物的形状等信息，也可以更加精准地控制手指的运动。对于采集表面肌电信号的传感器、信号处理器对表面肌电信号处理分析和生成控制信号的方法、以及运动量检测器本身而言，均不属于本实用新型的发明创造，并且在包括CN104546235A专利申请在内的许多现有技术均有披露，属于现有技术，这里不再具体说明。
上述通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本实用新型的内容，并不能理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的保护范围以权利要求书的内容为准。
Claims (6)
1.一种由减速电机驱动的机械手，包括手掌、五个手指及其驱动机构、以及用于控制所述驱动机构的运动控制装置，每个手指由若干指节通过轴承连接构成，每个手指的驱动机构包括减速电机和两条拉绳，减速电机安装于手掌，两条拉绳对应可滑动地设置于手指内靠近指背一侧和靠近指腹一侧，两条拉绳一端固定于指尖处另一端固定于减速电机的转轴且能够随着转轴的转动收紧或放松拉绳，其特征在于：所述手指的驱动机构还包括缓冲装置，缓冲装置设置于减速电机处，缓冲装置包括摆杆和弹性元件，所述两条拉绳经过所述摆杆的自由端对摆杆产生第一拉力，所述弹性元件对摆杆产生第二弹力，第二弹力的方向与第一拉力的方向相反。
2.根据权利要求1所述的由减速电机驱动的机械手，其特征在于：构成手指的指节是采用3D打印工艺制成的整体件，指节内靠近指背处和靠近指腹处对应成型有第一过绳孔和第二过绳孔。
3.根据权利要求1所述的由减速电机驱动的机械手，其特征在于：所述手指驱动机构还包括转动连接件，机械手的大拇指通过所述转动连接件与手掌连接使大拇指可在手掌所在平面转动。
4.根据权利要求3所述的由减速电机驱动的机械手，其特征在于：所述转动连接件为舵机。
5.根据权利要求1所述的由减速电机驱动的机械手，其特征在于：所述两条拉绳的另一端以相反的方向缠绕固定于同一个减速电机的转轴。
6.根据权利要求1所述的由减速电机驱动的机械手，其特征在于：所述运动控制装置包括
用于采集表面肌电信号的传感器；
与所述传感器连接对表面肌电信号进行处理和生成控制信号的信号处理器；
与所述信号处理器连接根据所述控制信号控制手指驱动机构进而驱动手指运动的驱动控制器；以及
与所述信号处理器连接反馈手指动作量的运动量检测器。
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