机器人的三指灵巧手执行装置.pdf

本发明公开了一种机器人的三指灵巧手执行装置，该三指拟人机械手采用基于欠驱动原理的腱传动结构，控制简单，成本低廉，抓取能够自适应物体形状。采用双闭环的原理实现抓取控制，外环是角度环，内环是压力环。该机械手可用于家庭服务、农业生产、空间探测等领域，替代或协助人类完成工作。其拟人化的外形设计，使其具有了一定的表意功能，可以做出一些手势表示一些简单的手语，从而可以应用于助残领域，为残疾人提供比较人性化的、多功能的义手。

1.  一种机器人的三指灵巧手执行装置，包括手指、手掌和控制系统，在所述手掌内部设置一系列独立驱动不同手指的微型电机，其特征在于：所述手指包括拇指（7）、食指（5）和中指（4）共3根手指，每根手指包括分别依次由上指节（3）、中指节（2）和下指节（1）连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使所述手指形成具有3个自由度的手指关节系统，所述下指节（1）也通过转动轴与所述手掌转动连接，所述手指的屈伸采用基于欠驱动原理的腱传动机构，所述腱传动机构包括设置于手指正面的腱绳（9）和设置于手指背面的弹簧片（8），所述弹簧片（8）同时与所述手指的各指节固定连接，所述腱绳（9）的一端固定于靠近所述上指节（3）自由端的位置处，所述腱绳（9）依次穿过所述上指节（3）、所述中指节（2）和所述下指节（1）中的腱绳孔，所述腱绳的另一端固定于安装在手掌中的主轴绕子上，所述主轴绕子由安装在手掌中的微型电机驱动，当所述微型电机输出正向转动时，所述主轴绕子卷绕收紧腱绳（9），从而使得所述手指进行内弯曲，当所述微型电机输出反向转动时，依靠所述弹簧片（8）的弹力，所述主轴绕子放松腱绳（9），所述手指依靠所述弹簧片（8）的弹力使所述手指伸直，实现手指的欠驱动式屈伸，在所述手指的各指节正表面上分别对应设置薄片式压力传感器（6），将每个指节正面作为独立的压力采集面，各所述压力传感器（6）的信号输出端与所述控制系统的信号接收端连接，所述控制系统的指令输出端分别向所述手掌中的各微型电机传输手指动作指令，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。

2.  根据权利要求1所述机器人的三指灵巧手执行装置，其特征在于：在各所述微型电机上，分别安装角度传感器，所述角度传感器的信号输出端也与所述控制系统的信号接收端连接，所述角度传感器将检测到微型电机的转子的转角信息向所述控制系统输送，通过计算机械手指位置信息，得到机械手的各手指的位置信息，实现对各手指的动作实时控制。

3.  根据权利要求2所述机器人的三指灵巧手执行装置，其特征在于：所述角度传感器采用无接触式磁旋转编码器。

4.  根据权利要求1～3中任意一项所述机器人的三指灵巧手执行装置，其特征在于：在所述拇指（7）的根部设置一个使所述拇指摆动的动作机构，使所述拇指（7）具有4个自由度，所述拇指（7）的根部的动作机构由在所述手掌内部设置的另一台微型电机驱动。

5.  根据权利要求4所述机器人的三指灵巧手执行装置，其特征在于：所述控制系统还通信外联上位机。

机器人的三指灵巧手执行装置
技术领域
本发明涉及一种机器人装置，特别是涉及一种多指机器手，应用于末端夹持器技术领域。
背景技术
目前，国内对机械手研究的机构主要有北京航空航天大学与哈尔滨工业大学。北航研制了BUAA四指机械手，具有4个相同的手指，共16个自由度，且可以通过变化拇指的位置来满足不同的抓取要求，但是由于无手掌结构与表面力传感能力，因此使其抓取姿势与范围受限，不具有拟人化的特点。哈工大机器人研究所与德国宇航中心合作研发的HIT/DLR四指机械手采用微型直线电机和腱传动系统相结合的方式实现手指的驱动，控制复杂，成本高昂。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种欠驱动拟人三指机械手，该机械手不仅能实现多种物体的抓取，具有丰富的抓取姿势，而且采用基于欠驱动原理的腱传动机构，控制简单，成本低廉，抓取能够自适应物体形状。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种欠驱动拟人三指机械手，包括手指、手掌和控制系统，在手掌内部设置一系列独立驱动不同手指的微型电机，手指包括拇指、食指和中指共3根手指，每根手指包括分别依次由上指节、中指节和下指节连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使手指形成具有3个自由度的手指关节系统，下指节也通过转动轴与手掌转动连接，手指的屈伸采用基于欠驱动原理的腱传动机构，腱传动机构包括设置于手指正面的腱绳和设置于手指背面的弹簧片，弹簧片同时与手指的各指节固定连接，腱绳的一端固定于靠近上指节自由端的位置处，腱绳依次穿过上指节、中指节和下指节中的腱绳孔，腱绳的另一端固定于安装在手掌中的主轴绕子上，主轴绕子由安装在手掌中的微型电机驱动，当微型电机输出正向转动时，主轴绕子卷绕收紧腱绳，从而使得手指进行内弯曲，当微型电机输出反向转动时，依靠弹簧片的弹力，主轴绕子放松腱绳，手指依靠弹簧片的弹力使手指伸直，实现手指的欠驱动式屈伸，在手指的各指节正表面上分别对应设置薄片式压力传感器，将每个指节正面作为独立的压力采集面，各压力传感器的信号输出端与控制系统的信号接收端连接，控制系统的指令输出端分别向手掌中的各微型电机传输手指动作指令，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。本发明采用基于欠驱动原理的腱传动机构，通过直流电机来牵引腱绳，在机械手指背面弹簧片的配合下实现抓取，抓取动作能够自适应物体形状，并具有丰富的抓取姿势。
作为本发明优选的技术方案，在各微型电机上，分别安装角度传感器，角度传感器的信号输出端也与控制系统的信号接收端连接，角度传感器将检测到微型电机的转子的转角信息向控制系统输送，通过计算机械手指位置信息，得到机械手的各手指的位置信息，实现对各手指的动作实时控制。
作为本发明进一步优选的技术方案，角度传感器采用无接触式磁旋转编码器。
作为上述方案的进一步优选技术方案，在拇指的根部设置一个使拇指摆动的动作机构，使拇指具有4个自由度，拇指的根部的动作机构由在手掌内部设置的另一台微型电机驱动。
作为上述方案的进一步优选技术方案，控制系统还通信外联上位机。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明机器人的三指灵巧手执行装置可以实现不同种类、不同形状物体的准确抓取，由于机械手配备了力感知与位置感知，可以防止因抓取力过大损坏物体以及手指运动过度对机械手结构的损害。因此可作为家庭服务机器人末端执行装置，替代或协助人类完成部分服务工作；
2. 本发明机器人的三指灵巧手执行装置采用拟人化的外形设计，使其具有了一定的表意功能，可以做出一些手势表示一些简单的手语，从而可以应用于助老助残领域，为残疾人提供比较人性化的、多功能的义手；
3. 本发明机器人的三指灵巧手执行装置作为机器人末端执行装置，可用于家庭服务、农业生产、空间探测等领域，替代或协助人类完成工作，尤其可为家庭服务机器人对于多功能机械手的需求提供一套良好的解决方案。
附图说明
图1是本发明优选实施例机器人的三指灵巧手执行装置结构示意图。
图2是本发明优选实施例的压力传感器转换电路图。
图3是本发明优选实施例的上指节R-F(电阻-压力)关系图。
图4是本发明优选实施例的上指节V-F(电压-压力)关系图。
图5是本发明优选实施例的中指节R-F(电阻-压力)关系图。
图6是本发明优选实施例的中指节V-F(电压-压力)关系图。
图7是本发明优选实施例的下指节R-F(电阻-压力)关系图。
图8是本发明优选实施例的下指节V-F(电压-压力)关系图。
图9是本发明优选实施例机器人的三指灵巧手执行装置抓取动作示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1和图9，一种机器人的三指灵巧手执行装置，包括手指、手掌和控制系统，在手掌内部设置一系列独立驱动不同手指的微型电机，手指包括拇指7、食指5和中指4共3根手指，每根手指包括分别依次由上指节3、中指节2和下指节1连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使手指形成具有3个自由度的手指关节系统，下指节1也通过转动轴与手掌转动连接，手指的屈伸采用基于欠驱动原理的腱传动机构，腱传动机构包括设置于手指正面的腱绳9和设置于手指背面的弹簧片8，弹簧片8同时与手指的各指节固定连接，腱绳9的一端固定于靠近上指节3自由端的位置处，腱绳9依次穿过上指节3、中指节2和下指节1中的腱绳孔，腱绳的另一端固定于安装在手掌中的主轴绕子上，主轴绕子由安装在手掌中的微型电机驱动，当微型电机输出正向转动时，主轴绕子卷绕收紧腱绳9，从而使得手指进行内弯曲，当微型电机输出反向转动时，依靠弹簧片8的弹力，主轴绕子放松腱绳9，手指依靠弹簧片8的弹力使手指伸直，实现手指的欠驱动式屈伸，在手指的各指节正表面上分别对应设置薄片式压力传感器6，将每个指节正面作为独立的压力采集面，各压力传感器6的信号输出端与控制系统的信号接收端连接，控制系统的指令输出端分别向手掌中的各微型电机传输手指动作指令，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。分别通过角度传感器和压力传感器获取机械手指的位置和受力信息，采用双闭环原理控制电机，外环是角度控制，内环是力控制。
在本实施例中，参见图1、图2和图9，在各微型电机上，分别安装角度传感器，角度传感器的信号输出端也与控制系统的信号接收端连接，角度传感器将检测到微型电机的转子的转角信息向控制系统输送，通过计算机械手指位置信息，得到机械手的各手指的位置信息，实现对各手指的动作实时控制。
在本实施例中，参见图1、图2和图9，角度传感器采用无接触式磁旋转编码器。机械手指的每个指节上都装有FSR408系列电阻式压力传感器，用于感知抓取物体的力度，实现抓取的智能控制；每根手指的直流电机上都装有AS5040无接触式磁旋转编码器，用于检测电机的转角以便获得机械手指位置信息，实现机械手指位置的控制。
在本实施例中，参见图1和图9，在拇指7的根部设置一个使拇指摆动的动作机构，使拇指7具有4个自由度，拇指7的根部的动作机构由在手掌内部设置的另一台微型电机驱动。
在本实施例中，在图1中，拇指7、食指5、中指4表面各装有3个FSR408系列电阻式压力传感器6，用于感知抓取物体的力度，实现抓取的智能控制。每个手指都配有一根腱绳9连接到手掌内的直流电机。弹簧片8配合直流电机的驱动实现手指的弯曲与伸直。
在本实施例中，在图2中，其作用是将非电量转化为电量输出。该电路由运算放大器U1-A、U1-B和电阻式压力传感器FSR组成，U1-A提供一个恒值电压-0.5V，供给FSR；U1-B输出一个与FSR成一定比例关系的电压，其表达式为：

为了使FSR在恒值电压-0.5V的作用下，RF1的取值为5.2KΩ。RF2用于调整输出电压，使其处在1V--2.5V的范围内，将该电压送入A/D转换器，输出数字量给主控芯片进行处理。手指中九个压力传感器所对应的RF2的取值分别为：

图3、图5、图7为R-F测试图，即电阻-压力测试图。从图中可以看出，在测试压力在200g-500g范围内，压力传感器阻值与压力呈线性关系。该线性范围为使用电阻式压力传感器FSR的有效范围。根据公式，每个指节最小的有效压力为，一只手所受总的压力至少是。由于在压力传感器的表面贴有橡胶泡沫，一般静摩擦因数为0.6，抓取物体的重量可根据公式计算。
图4、图6、图8为V-F关系图，即电压-压力测试图。定义系数

则每个手指上、中、下的系数分别为、、，因此得到压力与电压的转换公式

在本实施例中，机械手连接到MSP430F5529控制板上，手指中的压力数据与角度数据便送到MSP430F5529控制板中进行处理。MSP430F5529控制板通过串口线连接到上位机实现MSP430F5529控制板与上位机的数据通信。
本实施例机械手拥有3个独立的手指，每个手指3个自由度，加上拇指7基部附加一个自由度共计10个自由度，采用基于欠驱动原理的腱传动机构，使用3个直流电机通过牵引腱绳9和弹簧片8的作用实现机械手指屈伸的运动控制，同时使用一个舵机实现拇指的移动控制。由于要实现物体的准确抓取，力传感器与位置传感器是必不可少的。该机械手在每节机械手指上都贴有FSR408系列电阻式压力传感器，用于感知抓取物体的力度，实现抓取的智能控制；同时在控制每根手指的直流电机处都装有AS5040无接触式磁旋转编码器，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息，实现手指的位置控制。即采用双闭环原理实现机械手对物体准确的抓取控制。该机械手使用基于单片机MSP430F5529主控芯片的控制器，包括CPU模块、电源模块、压力模块、角度模块、电机驱动模块以及通信模块。通过将机械手与控制器连接在一起，控制器与上位机连接在一起，合理的机电一体化设计思想，便能实现三指拟人机械手的准确抓取控制。本实施例采用三指拟人机械手采用基于欠驱动原理的腱传动结构，控制简单，成本低廉，抓取能够自适应物体形状。采用双闭环的原理实现抓取控制，外环是角度环，内环是压力环。该机械手可用于家庭服务、农业生产、空间探测等领域，替代或协助人类完成工作。其拟人化的外形设计，使其具有了一定的表意功能，可以做出一些手势表示一些简单的手语，从而可以应用于助残领域，为残疾人提供比较人性化的、多功能的义手。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明机器人的三指灵巧手执行装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。