CN204997657U - 一种具有模仿功能的仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有模仿功能的仿生机械手，属于机器人技术领域，其包括机械手、控制手套和控制器。本实用新型的具有模仿功能的仿生机械手通过控制手套可使机械手根据不同的需求来确定需要动作的手指及手指弯曲程度，实现对不同尺寸、形状物体的灵巧抓取。

Description

一种具有模仿功能的仿生机械手

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种具有模仿功能的仿生机械手。

背景技术

机械手是能模仿人手的某些动作功能，用以按程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，因其作业的准确性和环境中完成作业的能力成为工业机器人的一个重要分支。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域。

五指仿生机械手作为一类机器人终端操作装置，在构造和性能上兼有人和机器的优点，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，因而在具有灵巧及精细要求的各类任务中取得广泛应用。

但是，通过研究发现，目前仿生机械手臂以电机驱动为主，只能按照预定程序做一些简单的机械式运动灵活性，其使用的机构数目众多，驱动装置结构较为复杂，在使用的灵活性、关节柔性、动态刚度和能量密度等方面都难以满足使用要求，以至于影响了使用效果，进而影响了工业应用，并且存在造价高昂的缺陷。目前绝大多数五指仿生机械手的运动都是通过固定的编程来完成各种预期的作业任务，即操作人员通过计算机或其它控制设备直接向五指仿生机械手发送动作指令，操控五指仿生机械手完成指定动作。这种控制方式简单易行，但无法令五指仿生机械手参照人类真实手势进行相应动作，难以达到随心所欲操作，其智能性和适应性方面也大打折扣。

随着生产的需要，对仿生机械手的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求，并且更多情况下希望机器人代替人类完成具有危险性的实验任务或是劳动，所以提出一种解决上述问题的具体途径就显得特别重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有模仿功能的仿生机械手，通过控制手套可使机械手根据不同的需求来确定需要动作的手指及手指弯曲程度，实现对不同尺寸、形状物体的灵巧抓取。

为实现上述目的，本实用新型提供一种具有模仿功能的仿生机械手，包括机械手、控制手套和控制器；所述机械手包括机械臂、连接机械臂的手掌和连接手掌的五个手指，各手指包括依次连接的近指关节、中指关节及远指关节，所述机械臂、手掌和手指彼此连接处以及手指各关节连接处均设有第一传感器和驱动机构；所述控制手套包括操作手掌和连接操作手掌的五个操作手指，各操作手指包括依次连接的近指关节、中指关节及远指关节，所述操作手掌和操作手指连接处以及操作手指各关节连接处均设有第二传感器；所述控制器包括内控制装置和外控制装置，所述内控制装置内设有第一控制模块、驱动模块以及第一无线传输模块，所述第一传感器、驱动模块与第一无线传输模块均与第一控制模块连接，所述驱动模块与驱动机构连接，所述外控制装置内设有第二控制模块和第二无线传输模块，所述第二传感器和第二无线传输模块均与第二控制模块连接，所述第二无线传输模块与第一无线传输模块无线连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械手还包括底座、立柱和横杆，所述立柱垂直安装在底座上，所述内控制装置安装在立柱的上端，所述横杆垂直立柱并安装在内控制装置的侧面，所述机械臂与横杆的末端连接，所述机械臂与横杆的连接处设有所述驱动机构和第一传感器。

作为本实用新型的更进一步改进，所述机械臂包括依次连接的第一机械臂关节和第二机械臂关节，所述第一机械臂关节连接横杆，所述第二机械臂关节连接手掌，所述第一机械臂关节与横杆的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与手掌的连接处均设有所述驱动机构和第一传感器。

作为本实用新型的更进一步改进，所述驱动机构包括舵机和超声电机；所述舵机分别安装在横杆与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处以及第二机械臂关节与手掌的连接处；所述超声电机分别安装在手掌与各手指的连接处和各手指的各关节连接处。

作为本实用新型的更进一步改进，所述第一传感器包括第一角速度传感器和角加速度传感器，所述第一角速度传感器和角加速度传感器均分别安装于横杆与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与手掌的连接处、手掌与各手指的连接处以及各手指的各关节连接处；所述第二传感器是第二角速度传感器。

作为本实用新型的更进一步改进，所述第一角速度传感器的信号端、角加速度传感器的信号端、第一无线传输模块的控制端均与第一控制模块的IO端口连接；所述第二无线传输模块通过SPI通讯方式与第二控制模块的数据口连接，所述第二控制模块的数据输入端与第二角度传感器的数据输出端连接。

作为本实用新型的更进一步改进，所述外控制装置内还设有数据显示液晶，所述数据显示液晶通过I2C通讯方式与第二控制模块的数据口连接。

作为本实用新型的更进一步改进，所述第一控制模块和第二控制模块均为嵌入式控制模块。

作为本实用新型的进一步改进，还包括视频模块，所述视频模块包括摄像头、图传模块和图像显示液晶；所述摄像头设于内控制装置内；所述图传模块包括图传发射模块和图传接收模块，所述图传发射模块安装于内控制装置内并与摄像头相连，所述图传接收模块设于外控制装置内，并且图传接收模块与图传发射模块和图像显示液晶相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械手在每个手指的末端装有电阻式压力传感器，所述电阻式压力传感器与第一控制模块连接。

与现有技术相比，本实用新型的具有模仿功能的仿生机械手的有益效果如下：

(1)通过控制手套实时捕捉操作者手掌手臂运动的轨迹信号经过外控制器和内控制器处理后驱动机械手对应的关节运动机构运动，从而提高了机械手的可操作性，多适应性以及实时性。

(2)机械手的每个手指的每个关节都可以自由运动，从而可根据不同的需求确定需要动作的手指及其弯曲程度，实现对不同形状、尺寸的物体的灵巧抓取和精细操作。

(3)采用摄像头，可捕捉机械手工作时的图像，通过图传发射模块将图像信息发送出来并在图像显示液晶上显示机械手工作时的实时图像，从而使得控制更加简单易行。

(4)将内控制装置和外控制装置分开设置，通过无线模块传输控制信息和机构实时的位置信息，使之能够在恶劣，危险的环境下完成任务的同时保证操作者的人身安全，因而在医疗、科研、救灾等领域有着广泛的应用前景。

(5)第一控制模块和第二控制模块均采用嵌入式控制模块，从而满足大量数字信号处理的需要。

(6)采用数据显示液晶，从而方便显示控制手套以及机械手工作时各个关节的角度信息，便于精细操作。

(7)在每个手指的末端装有与第一控制模块连接的电阻式压力传感器，从而可获取每个手指工作时的工作压力，以确认是否抓取到位。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1为机械手的示意图。

图2为控制手套的示意图。

图3为控制器部分的结构框图。

图4为视频模块的结构框图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1-4，所述的具有模仿功能的仿生机械手包括机械手、控制手套2、控制器3和视频模块4。

具体而言，所述机械手1由铝合金材料制成，从而质量轻且不易变形。所述机械手1包括底座11、立柱12、横杆13、机械臂14、手掌15和五个手指16，所述立柱12垂直安装在底座11上，用于起固定和支撑其他结构的作用。所述横杆13垂直安装在立柱12上，所述机械臂14与横杆13的末端连接，所述手掌15连接机械臂14，所述的五个手指16连接手掌15。所述机械手1在每个手指16的末端装有电阻式压力传感器，用于测试每个手指16工作时末端所承受的压力。

更具体而言，所述机械臂14包括依次连接的第一机械臂关节141和第二机械臂关节142，所述第一机械臂141关节连接横杆13，所述第二机械臂关节142连接手掌15，所述第一机械臂关节141与横杆13的连接处、第二机械臂关节142与第一机械臂关节141的连接处、第二机械臂关节142与手掌15的连接处均设有驱动机构和第一传感器，从而机械臂14构成了与人手臂相似的具有三个旋转自由度的机械臂。各手指16包括依次连接的第一近指关节161、第一中指关节162及第一远指关节163，各手指16的第一近指关节161与手掌15相连。所述横杆13、机械臂14、手掌15、第一近指关节161、第一中指关节162和第一远指关节163彼此相连接的位置均设有第一传感器和驱动机构1c。

更具体而言，所述驱动机构1c包括舵机和超声电机。所述舵机分别安装在横杆13与第一机械臂关节141的连接处、第二机械臂关节142与第一机械臂关节141的连接处以及第二机械臂关节2与手掌15的连接处，用于控制机械臂14每个关节的运动。所述超声电机分别安装在手掌15与各手指16的第一近指关节161、各手指16的第一近指关节161与第一中指关节162的连接处、各手指16的第一中指关节162和第一远指关节163连接处，用于控制手指16每个关节的运动。所述第一传感器包括第一角速度传感器1a和角加速度传感器1b，所述第一角速度传感器1a和角加速度传感器1b均分别安装于横杆13与第一机械臂关节141的连接处、第二机械臂关节142与第一机械臂关节141的连接处、第二机械臂关节142与手掌15的连接处、手掌15与各手指16的第一近指关节161、各手指16的第一近指关节161与第一中指关节162的连接处、各手指16的第一中指关节162和第一远指关节163连接处。

具体而言，所述控制手套2可穿戴在操作者手上，其包括操作手掌21和连接操作手掌21的五个操作手指22，各操作手指22包括依次连接的第二近指关节221、第二中指关节222及第二远指关节223，各操作手指22的第二近指关节221与操作手掌21连接，所述操作手掌21和第二近指关节221的连接处、第二近指关节221与第二中指关节222的连接处、以及第二中指关节222与第二远指关节223的连接处均设有第二传感器，用于检测操作手指22每个关节旋转的角度。更具体而言，所述第二传感器为第二角速度传感器2a。

具体而言，所述控制器3包括内控制装置31和外控制装置。所述内控制装置31安装在立柱12的上端，所述横杆13垂直立柱12并安装在内控制装置31的侧面。所述内控制装置31内设有内控制板311，用于控制机械手1的工作以及给整个机械手1供电。所述内控制板311包括第一控制模块3a、驱动模块3b以及第一无线传输模块3c，所述第一传感器、驱动模块3b与第一无线传输模块3c均与第一控制模块3a连接。所述第一控制模块3a为嵌入式控制模块。第一无线传输模块3c用于将机械手1的所有工作信号传输出来。所述电阻式压力传感器也与第一控制模块3a连接，从而可用于获取机械手1每个手指工作时的工作压力，以确认是否抓取到位。所述驱动模块3b是电机驱动模块，所述驱动模块3b与驱动机构1c即舵机和超声电机连接。所述外控制装置内设有外控制板32，用于控制机械手1的工作。所述外控制板32包括第二控制模块3d、数据显示液晶3e以及第二无线传输模块3f，所述第二传感器、数据显示液晶3e以及第二无线传输模块3f均与第二控制模块3d连接，所述第二无线传输模块3f与第一无线传输模块3c无线连接。所述第二控制模块3d为嵌入式控制模块。所述数据显示液晶3e用于显示各种工作的信号。更具体而言，所述第一角速度传感器1a的信号端、角加速度传感器1b的信号端、第一无线传输模块3c的控制端均与第一控制模块3a的IO端口连接，通过接收外控制板32发送的信息，经过驱动模块3b驱动对应的超声电机转过对应的角度，并通过第一无线传输模块3c将获取到的机械手1各个关节的角度信息发送出去。所述数据显示液晶3e通过I2C通讯方式与第二控制模块3d的数据口连接，用于显示控制手套2以及机械手1工作时各个关节的角度信息。所述第二无线传输模块3f通过SPI通讯方式与第二控制模块3d的数据口连接，用于接收机械手1工作时的各种位置信息以及向内控制装置31发送各种控制指令。所述第二控制模块3d的数据输入端与第二角度传感器2a的数据输出端连接，用于捕捉控制手套2每个关节旋转的角度，并经过处理过后发送给内控制板311。

具体而言，所述视频模块4包括摄像头41、图传模块42和图像显示液晶43。所述摄像头41安装于内控制装置31内，用于捕捉机械手1工作时的图像。所述图传模块42包括图传发射模块421和图传接收模块422，所述图传发射模块421安装于内控制装置31内并与摄像头41相连，用于发射摄像头41捕捉的图像。所述图传接收模块422安装于外控制装置内，并且图传接收模块422与图传发射模块421相连，用于接收图传发射模块421传输的图像信息。所述图像显示液晶43与图传接收模块422相连，用于显示摄像头41捕捉机械手1工作时的图像。

所述的具有模仿功能的仿生机械手的具体控制方式是：操作人员手上带上控制手套2，控制手套2采集操作人员的手势信息(如捕捉操作者的手掌各关节角度的变化)作为控制输入信号，然后通过外控制板32对操作人员手势判别，然后向机械手1的内控制板311发送对应操控人员手势的控制指令，经内控制板311处理后驱动对应的超声电机转过相应的角度，从而操纵机械手1模拟操作人员的手势动作。从而通过控制手套2，机械手1可根据不同的需求来确定需要动作的手指及手指弯曲程度，实现对不同尺寸、形状物体的灵巧抓取，并且能够在恶劣、危险的环境下完成任务的同时保证操作者的人身安全。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于，包括：机械手、控制手套和控制器；所述机械手包括机械臂、连接机械臂的手掌和连接手掌的五个手指，各手指包括依次连接的近指关节、中指关节及远指关节，所述机械臂、手掌和手指彼此连接处以及手指各关节连接处均设有第一传感器和驱动机构；所述控制手套包括操作手掌和连接操作手掌的五个操作手指，各操作手指包括依次连接的近指关节、中指关节及远指关节，所述操作手掌和操作手指连接处以及操作手指各关节连接处均设有第二传感器；所述控制器包括内控制装置和外控制装置，所述内控制装置内设有第一控制模块、驱动模块以及第一无线传输模块，所述第一传感器、驱动模块与第一无线传输模块均与第一控制模块连接，所述驱动模块与驱动机构连接，所述外控制装置内设有第二控制模块和第二无线传输模块，所述第二传感器和第二无线传输模块均与第二控制模块连接，所述第二无线传输模块与第一无线传输模块无线连接。

2.如权利要求1所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述机械手还包括底座、立柱和横杆，所述立柱垂直安装在底座上，所述内控制装置安装在立柱的上端，所述横杆垂直立柱并安装在内控制装置的侧面，所述机械臂与横杆的末端连接，所述机械臂与横杆的连接处设有所述驱动机构和第一传感器。

3.如权利要求2所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述机械臂包括依次连接的第一机械臂关节和第二机械臂关节，所述第一机械臂关节连接横杆，所述第二机械臂关节连接手掌，所述第一机械臂关节与横杆的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与手掌的连接处均设有所述驱动机构和第一传感器。

4.如权利要求3所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述驱动机构包括舵机和超声电机；所述舵机分别安装在横杆与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处以及第二机械臂关节与手掌的连接处；所述超声电机分别安装在手掌与各手指的连接处和各手指的各关节连接处。

5.如权利要求3所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述第一传感器包括第一角速度传感器和角加速度传感器，所述第一角速度传感器和角加速度传感器均分别安装于横杆与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与第一机械臂关节的连接处、第二机械臂关节与手掌的连接处、手掌与各手指的连接处以及各手指的各关节连接处；所述第二传感器是第二角速度传感器。

6.如权利要求5所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述第一角速度传感器的信号端、角加速度传感器的信号端、第一无线传输模块的控制端均与第一控制模块的IO端口连接；所述第二无线传输模块通过SPI通讯方式与第二控制模块的数据口连接，所述第二控制模块的数据输入端与第二角度传感器的数据输出端连接。

7.如权利要求6所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述外控制装置内还设有数据显示液晶，所述数据显示液晶通过I2C通讯方式与第二控制模块的数据口连接。

8.如权利要求7所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述第一控制模块和第二控制模块均为嵌入式控制模块。

9.如权利要求1所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：还包括视频模块，所述视频模块包括摄像头、图传模块和图像显示液晶；所述摄像头设于内控制装置内；所述图传模块包括图传发射模块和图传接收模块，所述图传发射模块安装于内控制装置内并与摄像头相连，所述图传接收模块设于外控制装置内，并且图传接收模块与图传发射模块和图像显示液晶相连。

10.如权利要求1所述的具有模仿功能的仿生机械手，其特征在于：所述机械手在每个手指的末端装有电阻式压力传感器，所述电阻式压力传感器与第一控制模块连接。