CN209022085U - 一种智能仿生机械手 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能仿生机械手，包括体感机械手套和仿生机械手，具有体感功能和姿态模拟两种模式。其中，仿生机械手机械结构由手指、手掌和支撑组成，各手指指节之间通过连接杆两两相连，中间指节根部通过连接装置固定于手掌内侧，指根通过牵引杆与舵机相连，舵机转动通过牵引杆带动手指各关节运动。在体感功能模式下，仿生机械手通过温度模块读取实时温度值并通过手指动作展示出来；在姿态模拟模式下，体感机械手套将检测到的人手动作信息转换为动作命令发送至仿生机械手，实现对人手姿态的模拟。作为一款体感、姿态模拟的仿生机器手，可应用于助残领域，也可与机械臂相结合，完成同步抓取、危险区域探索和外界环境温度检测等功能。
Description
技术领域
本实用新型属于智能机器人技术领域，具体涉及一种智能仿生机械手。
背景技术
自20世纪80年代以来，随着机器人技术及相关学科的飞速发展，仿生机械手的应用领域不断扩大，由专为残障人士设计的义肢逐步发展成为具有精准抓取、多传感器数据融合、自适应误差调节等功能的机器人仿生灵巧手，可帮助代替人手实现生产生活的机械化和自动化，其极大程度的减少了危险事故的发生，提高了人们的生活质量。
仿生机械手的设计可以划分为工业机器人用机械手的设计和假肢用机械手的设计。前者的作用在于替代工业生产中的作业人员，着重于机能的设计，而后者的作用在于替代上肢肢残者的残缺部分，除了要考虑机能问题外，还要考虑其仿生性，即其形状和人类肢体形状的相似性。目前市场上的机械手大多以预编程控制为主，虽然准确性有所提高，但现有的仿人机械手的结构，大多数是通过线或者铁丝拉动关节，因此只能做出弯曲或者伸直两个动作，不能精确控制手指各个关节的弯曲程度，使机械手的灵活性显著降低，并且缺乏跟随能力。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种智能仿生机械手，其具有手指动作灵活、准确、丰富等特点。
本实用新型所提供的一种智能仿生机械手，包括体感机械手套和仿生机械手，所述仿生机械手包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括手指、手掌和支撑，所述手指由指根、指节和指尖构成，所述控制部分包括舵机，其特征在于，所述指节之间通过连接杆两两相连，中间指节根部通过连接装置固定于手掌内侧，所述指根根部通过支撑固定于所述手掌外侧；
所述指根通过牵引杆与所述舵机相连，所述舵机转动通过牵引杆带动手指各关节运动；
所述控制部分还包括温度模块，所述仿生机械手将所述温度模块读取到的实时环境温度值通过手指展示出来；
所述体感机械手套将检测到的人手动作信息发送给所述仿生机械手，所述仿生机械手根据接收到的数据做出相应命令，实现对人手姿态的精准模拟。
进一步的，所述支撑为半圆支撑或直立支撑。
进一步的，所述连接杆两端有螺孔，所述连接杆通过螺丝固定于仿生机械手部件上。
进一步的，所述连接杆为S型连接杆或L型连接杆。
进一步的，所述指节之间通过S型连接杆两两相连。
进一步的，所述连接装置包括L型连接杆和直立支撑。
进一步的，所述指节中间关节根部通过L型连接杆与所述直立支撑固定相连，所述直立支撑与所述手掌内侧固定相连。
进一步的，各所述指根根部通过半圆支撑固定于所述手掌外侧。
进一步的，所述仿生机械手控制部分还包括微控制单元、无线接收模块、A/D转换模块和舵机模块。
进一步的，所述体感机械手套机械结构由手指、手掌和支撑组成，由Arduino手套板控制。
本实用新型提供的一款智能仿生机械手，包括体感机械手套和仿生机械手。其中仿生机械手包括机械部分和控制部分，在仿生机械手的机械结构中，手指各关节之间通过S型连接杆两两连接，丰富了手指的弯曲动作；中间指节根部通过L型连接杆和直立支撑与手掌固定相连，手指指根背部末端通过牵引杆与舵机相连，舵机转动将带动牵引杆伸缩以引起手指各个关节活动，使仿生机械手进行精确的模拟，做出更加丰富、准确的动作。仿生机械手控制部分包括温度模块，仿生机械手将所述温度模块读取到的实时环境温度值通过手指展示出来，明确了机器人对外界环境温度的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例提供的一种智能仿生机械手的仿生机械手结构正视图；
图2是本实施例提供的一种智能仿生机械手的仿生机械手结构侧视图；
图3是本实施例提供的一种智能仿生机械手的仿生机械手机械结构图；
图4是本实施例提供的一种智能仿生机械手S型连接杆结构图；
图5是本实施例提供的一种智能仿生机械手指节间S型连接结构示意图；
图6是本实施例提供的一种智能仿生机械手L型连接杆结构图；
图7是本实施例提供的一种智能仿生机械手指根L型连接结构示意图；
附图标记
图3中①指尖；②中间指节；③指根；④S型铝合金；⑤连杆；⑥L型铝合金；⑦直立支撑；⑧掌板；图5中⑨半圆支撑。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
本实施例提供的一款智能仿生机械手，包括体感机械手套和仿生机械手，具有体感功能和姿态模拟两种模式。如图1-2所示为仿生机械手的正视图和侧视图，仿生机械手的机械结构由手指、手掌以及支撑部分构成，如图3所示，仿生机械手手指由指根③、中间指节②和指尖①构成。各手指关节之间通过S型铝合金④(结构如图4所示)及其对应孔的螺丝两两紧密相连，使得手指在一定范围弯曲活动时，能够稳定而不松散，连接方式如图5所示；手指的中间关节根部通过L型铝合金⑥(结构如图6所示)和直立支撑⑦固定在掌板⑧上，其中L型铝合金⑥一端通过螺丝与手指的中间关节②根部固定相连，另一端通过螺丝与直立支撑⑦固定相连，连接方式如图7所示，直立支撑⑦嵌入手掌心侧掌板⑧凹槽上并通过螺丝固定；手指指根根部通过半圆支撑⑨拼装在手掌背侧掌板⑧凹槽上并通过螺丝固定，加固了整根手指的位置。仿生机械手手掌板⑧底部嵌入底座上挡板凹槽上并通过斜拉支撑和螺丝固定，加固了整个仿生机械手的位置。
仿生机械手手指指根背部末端通过牵引杆⑤与舵机相连，从而联动舵机的转动带动整根手指的关节运动。仿生机械手有五个自由度，分别由五个舵机及牵引杆⑤与仿生机械手五根手指连接构成，五个舵机分别控制仿生机械手五根手指的机械运动。
体感机械手套的机械结构与仿生机械手相似由各部分手指指节、手掌和支撑部分构成，其中体感机械手套上指根通过拉杆与电位器相连。体感机械手套的五根手指分别与5个电位器相连，由人手手指的转动改变体感机械手套上电位器的阻值变化，感知人手动作。
具体的，本实施例提到的仿生机械手和体感机械手套机械部分采用树脂材料通过3D打印技术做出拟人机械手，整体结构与人手骨骼，其中仿生机械手的整体高度为30cm，体感机械手套的整体大小约为13cm。
仿生机械手还包括温度模块；在体感功能模式下，仿生机械手将温度模块读取到的实时环境温度值通过手指展示出来；在姿态模拟模式下，体感机械手套将检测到的人手动作信息发送给仿生机械手，仿生机械手根据接收到的数据做出相应命令，实现对人手姿态的精准模拟。
本实施例提到的智能仿生机械手，其中仿生机械手各指节之间采用螺丝和S型铝合金的耦合连接，优化了目前大部分仿生手使用的拉绳结构，使得仿生机械手能够更加准确模拟人手的姿势，不再是只能模拟手的弯曲和伸直两个状态；通过温度模块实现了对外界环境温度的感知，对手姿态的模拟更加丰富、准确。
具体的，仿生机械手端温度模块包括数字温度传感器DS18B20。
作为本实施例的一种可选实现方式，在智能仿生机械手系统结构中，体感机械手套作为控制机构，包括微控制单元(MCU)、角度检测模块和无线发射模块。其中角度检测模块位于手指指节根部，包括五个分别与五根手指相连的电位器，通过手指的转动改变体感机械手套上电位器的阻值变化，进而采集人手动作信息，体感机械手套端MCU将角度检测模块采集到的人手手指动作信息处理后通过无线发送模块发送至仿生机械手执行动作命令。仿生机械手作为执行机构，由微控制单元(MCU)、无线接收模块、温度模块、A/D转换模块和舵机模块组成。仿生机械手端MCU根据接收到的体感机械手套端MCU发送的数据，控制仿生机械手上的相应舵机转动，进而带动牵引杆伸缩引起手指各关节运动，执行体感机械手套端的动作命令，实现对人手姿态的同步模拟。
具体的，体感机械手套端MCU和仿生机械手端MCU采用异步通信方式，体感机械手套端MCU将电压信号转换为一串含有手指编号、位置数值和动作速度等数据信息的动作命令，通过无线发射模块经由体感机械手套端MCU串口发送给仿生机械手端MCU。为提高体感机械手套端MCU串口的通信速度，通过下述一种简明的通信协议来实现动作命令的传达，如表1所示。
表1
在表1中，由第1位“起始标志位”作为无线通信双方的适配标志位，只有在同一频率条件下，且起始标志位为‘#’时，双方MCU才能配对成功；第2～4位为“被控舵机IP标志位”，将与体感机械手套端小指、无名指、中指、食指、大拇指分别对应的五个电位器编号为(001～005)，不同编号的电位器分别控制仿生机械手端五根手指所对应的舵机；第5位为位置值标志位，目的是告诉MCU后面的数据是与前面不同编号电位器相对应的驱动舵机的活动位置；第6～9位是被控舵机位置，其范围是(1000～2000)，分别对应着该位置舵机的转动角度0°和90°；第10位是时间标志位，目的将被控舵机位置与控制时间相隔开；第11～14位是上电保持时间(其值必须为4位整数且单位为ms)，在无线通信模式下默认数值为1000；第15位为结束标志位，代表本控制过程结束。例如，体感机械手套发送的控制指令为：#001P1000T1000！该指令表示为控制小指运动至起始位置并保持1s。
具体的，仿生机械手以及体感机械手套端主控制器芯片MCU选用STM32F103RCT6单片机。
在体感功能模式下，当安装于仿生机械手侧面的数字温度传感器DS18B20触发后，仿生机械手端MCU将数字温度传感器DS18B20实时检测到的环境温度值(模拟信号)通过A/D转换模块转换为数字量，并将该数字量处理为命令串如表2所示，通过命令串控制舵机做出相应的手势，将实时环境温度展示出来，明确了仿生机械手对外界温度的检测及环境因素的感知。
表2
在表2中，由第1位“起始标志位”表示MCU一条命令字符串的开始；第2～4位为“被控舵机IP标志位”，与体感机械手端小指、无名指、中指、食指、大拇指分别对应的五个电位器编号为(001～005)，不同编号的电位器分别控制仿生机械手端五根手指所对应的舵机；第5位为位置值标志位，目的是告诉MCU后面的数据是与前面不同编号电位器相对应的驱动舵机的活动位置；第6～9位是被控舵机位置，其范围是(1000～2000)，分别对应着该位置舵机的转动角度0°～90°，其中位置“1000”代表舵机转动角度为0°或舵机复位(机械手各手指初始位置为伸直状态)，位置“2000”代表舵机旋转角度90°(即机械手各手指由伸直状态弯曲90°)；第10位是时间标志位，目的将被控舵机位置与控制时间相隔开；第11～14位是上电保持时间(其值必须为4位整数且单位为ms)，在无线通信模式下默认数值为1000；第15位为结束标志位，代表本控制过程结束。例如，若温度模块检测到外界环境温度为36.0°(展示温度至小数点后一位)，则体感机械手端MCU发送的控制指令为：#001P2000T1000！#002P2000T1000！#003P1000T1000！#004P1000T1000！#005P1000T1000！
该指令表示为控制拇指和食指弯曲运动90°并保持1s(此时仿生机械手端各手指展示出的数字为3)；之后仿生机械手端MCU发送复位指令，机械手各手指运动至起始位置(伸直状态)，仿生机械手端继续发送下一条控制指令如下所示：#001P1000T1000！#002P2000T1000！#003P2000T1000！#004P2000T1000！#005P1000T1000！
该指令表示为控制食指、中指和无名指弯曲运动90°并保持1s(此时仿生机械手端手指展示出的数字为6)；之后仿生机械手端MCU发送复位指令，机械手各手指运动至起始位置(伸直状态)，仿生机械手端继续发送下一条控制指令如下所示：#001P2000T1000！#002P2000T1000！#003P2000T1000！#004P2000T1000！#005P2000T1000！
该指令表示为控制仿生机械手的五个手指全部弯曲90°并保持1s(此时仿生机械手类似握拳的状态表示“.”)；之后仿生机械手端MCU发送复位指令，机械手各手指运动至起始位置(伸直状态)，仿生机械手端继续发送下一条控制指令如下所示：#001P2000T1000！#002P2000T1000！#003P2000T1000！#004P2000T1000！#005P2000T1000！
该指令表示为控制仿生机械手的五个手指全部弯曲90°并保持1s(此时仿生机械手类似握拳的状态表示数字“0”)；完成温度值展示后，仿生机械手段MCU发送复位指令，仿生机械手端各手指运动至起始位置。
仿生机械手的结构设计可分为传动方式的设计和驱动方式的设计，不同类型的机械手因采用不同的驱动和传动方式其灵活性、可操作性等都会有较大的差距。依据仿生机械手对无线同步动作的需求(如动作幅度不大，准确性好，作用对象为质量较轻的物体等特性)，本实施例提供的一款仿生机械手采用直流数字舵机驱动的连杆传动结构设计。其中，舵机通过牵引杆⑤与仿生机械手指根③相连，指根末梢直立支撑连接于掌板上，并通过牵引杆⑤与舵机相连。仿生机械手大拇指由两个关节连接组成，其余四指由三个关节相连接，当舵机通过牵引杆⑤转动时能够同时带动几个指关节弯曲相应的角度。与传统腱传动手指相比，连杆传动结构具有刚度好、传输力大、负载能力强、精度高等优点，且可根据不同手指长度设计出不同活动范围的连杆传动手指。仿生机械手有五个自由度，分别由五个舵机及传动结构构成，五个舵机分别控制仿生手五根手指的机械运动，除拇指外，控制其余四根手指运动的舵机位于手掌下方的手腕处，控制拇指运动的舵机位于手掌前面，除连接配件外，机械手的其余零部件均采用模块化组件，使机械结构紧凑而且可更换性强，便于维修。每个模块都采用树脂材料通过3D打印技术制成，可根据不同人群而定制不同外形特点及材质特点的手。
具体的，本实施例中舵机采用ks-3620直流数字舵机，其内部由高精度铜铝齿轮啮合传动，具有高精度的轴承做支撑，保证舵机的虚位少，虚位时间短。角度控制范围为0°-90°，脉宽控制范围为1000-2000，控制精度为0.12°/位，并且控制每根手指运动的不同舵机内部均有微型单片机控制，操作独立，可替换性强。舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，当舵机在旋转过程中出现堵转时，通过PID控制算法，以堵转时舵机的位置值为设定值，对出现堵转后仿生机械手端MCU接收到的位置控制信号为输入值进行PID调节，实现仿生机械手的精确模拟功能，做出更加丰富、准确、满足各种需求的动作。
体感机械手套由Arduino手套板控制，Arduino手套板设置于所述体感机械手套背部。其中，无线发射模块设置于体感机械手套的Arduino控制板上。无线发射模块由串行IO口外接HC-12无线串口通信模块构成，其工作频率为433MHZ。
本实用新型实施例中仿生机械手通过3D打印技术打印而得到手指模型，亦可改用亚克力板等轻便的材料，或根据不同的手指指关节尺寸修改仿生机械手的模型，在此不做限定。
本实用新型提供的一种智能仿生机械手，包括仿生机械手和体感机械手套两部分，其功能模式分为体感功能和姿态模拟两种模式。在体感功能模式下，位于仿生机械手侧面的数字温度传感器触发后，仿生机械手通过温度模块读取实时温度值并通过手指动作展示出来。在姿态模拟模式下，通过体感机械手套中五个分别与五根手指连接的电位器采集人类手指的动作信息，并将实时采集的信息通过无线发射模块发送至仿生机械手端；仿生机械手接收到动作信息后通过MCU控制仿生机械手上的五个舵机旋转对应的角度，实现机械手与人手的同步动作。作为一款姿态模拟的仿生机器手，可应用于助残领域，也可与机械臂相结合，通过与体感机械手套的无线连接，可远程实现对手姿态的模拟以及环境温度的感知，完成同步抓取，危险区域探索等功能。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种智能仿生机械手，包括体感机械手套和仿生机械手，所述仿生机械手包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括手指、手掌和支撑，所述手指由指根、指节和指尖构成，所述控制部分包括舵机，其特征在于，所述指节之间通过连接杆两两相连，中间指节根部通过连接装置固定于手掌内侧，所述指根根部通过支撑固定于所述手掌外侧；
所述指根通过牵引杆与所述舵机相连，所述舵机转动通过牵引杆带动手指各关节运动；
所述控制部分还包括温度模块，所述仿生机械手将所述温度模块读取到的实时环境温度值通过手指展示出来；
所述体感机械手套将检测到的人手动作信息发送给所述仿生机械手，所述仿生机械手根据接收到的数据做出相应命令，实现对人手姿态的精准模拟。
2.根据权利要求1所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述支撑为半圆支撑或直立支撑。
3.根据权利要求1所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述连接杆两端有螺孔，所述连接杆通过螺丝固定于所述仿生机械手部件上。
4.根据权利要求3所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述连接杆为S型连接杆或L型连接杆。
5.根据权利要求4所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述指节之间通过S型连接杆两两相连。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述连接装置包括L型连接杆和直立支撑。
7.根据权利要求6所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述指节中间关节根部通过L型连接杆与所述直立支撑固定相连，所述直立支撑与所述手掌内侧固定相连。
8.根据权利要求2所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，各所述指根根部通过半圆支撑固定于所述手掌外侧。
9.根据权利要求1所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述仿生机械手控制部分还包括微控制单元、无线接收模块、A/D转换模块和舵机模块。
10.根据权利要求1所述的一种智能仿生机械手，其特征在于，所述体感机械手套机械结构由手指、手掌和支撑组成，由Arduino手套板控制。
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|---|---|---|---|
| CN201821778737.6U CN209022085U (zh) | 2018-10-30 | 2018-10-30 | 一种智能仿生机械手 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112936317A (zh) * | 2021-03-01 | 2021-06-11 | 龚成 | 一种新型的机械手 |
| WO2021129378A1 (zh) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | 京东数科海益信息科技有限公司 | 仿生手和仿生机器人 |
| CN114161435A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-03-11 | 贵州大学 | 助老机械控制手套设备 |
| CN114227645A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-03-25 | 湖南省农业装备研究所 | 一种高危污染环境下多指空间协同控制的机械手 |
-
2018
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