CN201109115Y - 具有分布触觉的仿人机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有分布触觉的仿人机械手，包括拇指、食指、中指、无名指和小指，每个手指的末端都设置有小型力/力矩传感器，拇指包括三个关节，与手掌相连的关节由一个转轴正交的电机来控制运动，另外两个关节由两个电机来控制运动；其它手指均包括四个关节，与手掌相连的关节由一个转轴正交的电机来控制运动，另外三个关节各由一个电机来控制运动。本实用新型有极强的功能和很高的通用性，适用于机械制造、化工生产、核电维修、军事战备、医疗手术、抢险救灾、科学考察、家务劳动等场合，代替人手完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等各种作业。

Description

具有分布触觉的仿人机械手

技术领域

本申请涉及一种机械手，特别涉及一种具有分布触觉的仿人机械手。

背景技术

目前，在日本和欧美等发达国家的工厂和企业中，工业机械手已经被广泛地用来代替工人完成各类简单和重复性的工作。这些工业机械手基本上是限定在特定的环境中完成单一的操作。对于一些在繁重、危险、恶劣、极限或一般的环境下需要人手才能完成的复杂作业而言，例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等作业，普通的工业机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有5个手指和手掌及触觉机能的仿人机械手具有极强的功能和很高的通用性，它完全可以代替或者帮助人类在机械制造、化工生产、核电维修、军事战备、医疗手术、抢险救灾、科学考察、家务劳动等各种场合下灵巧地完成各类复杂的作业。因此，各发达国家的工厂正迫切地希望研制出高性能的通用型仿人机械手来完成上述作业。

自20世纪80年代末以来，在原有多指形灵巧机械手研究的基础之上，仿人机械手的研究逐渐开展起来。比如，1987年前南斯拉夫Ven kataraman等研制的贝尔格莱德/USC灵巧手；1996年台湾大学研制的NTU五指仿人手；日本Gifu大学Haruhisa Kawasaki等已经研制和正在研制的Gifu系列手，现已经完成了Gifu hand I和Gifu Hand II的设计。USC手是五指形灵巧手研究的早期成果，它设计简单、机构精简，却很经典。现在五指形灵巧手研究追求结构精简，控制***复杂度较低就和USC手不无关系。该手的五个手指仅有4个电动机作为动力部件，2个驱动拇指，另2个驱动其它4指。每个手指有3个平行的轴关节，却只有1个自由度。所以它仅仅能完成简单的灵巧抓取而不能执行复杂的灵巧操作。

综上所述，目前国内外的仿人机械手从机构形式上来看大多是多指多关节手，最普遍的是手指数目为3～5个，各个手指的关节数目也多为3个转动关节，自由度为3～5个。现有的仿人机械手研究大多从几何学、运动学、动力学、结构学等不同角度分别进行探讨，提出了各种控制方法和抓取规划算法来模拟人手的抓取运动。仿人机械手不论在外形和功能方面越来越逼近人手。但是，上述仿人机械手研究存在有以下问题：

(1)上述仿人机械手大多是采用基于腱的传动方式和仿效人手的驱动原理。尽管腱传动有许多优点，但是1)由于腱的刚度有限，所以驱动***表现出一定的滞后，从而影响了位置精度；2)必须对腱进行预紧，增加了结构的复杂性和装配的难度，同时预紧程度对驱动***的性能有很大的影响；3)腱的张力和波动如果很大，可能会激发***的振荡，从而引起腱的不稳定或者造成腱的损坏；4)在腱传动***中，腱的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于手的性能具有较大的影响；

(2)上述仿人机械手的控制方法基本上是对手指尖处装配有独立的力/力矩传感器的手指进行位置和力反馈控制或柔性控制。这些控制方法仅仅以手指尖处的接触力/力矩反馈为基础对手指进行控制，没有考虑或控制手指和手掌表面上众多触觉点的接触力影响；

(3)上述仿人机械手研究没有或很少涉及到手及其手腕和手臂协调控制方法，也没有根据来自作业对象的接触力/力矩反馈对手及其手腕和手臂的惯性、粘性、刚性参数作有效和合理地调节，以适应不同的作业对象和作业环境的需要(比如，仿人机械手如何抓握和加工柔软食品，或者抓握金属工具完成安装和维修)；

总之，现有的仿人机械手存在着机械结构互不相同、控制***各自为阵、控制方法互不兼容、作业描述语言缺乏等一系列的问题。因此，现有的仿人机械手无论是从其性能和通用性来看，都难于在恶劣和危险的环境下，或者太空、深海、矿井、农田、家庭等各种场合下完成复杂的作业。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了现有多指灵巧手技术的不足，提供了一种通用性能好，具有分布触觉的仿人机械手。

解决上述技术问题的技术方案如图1所示，一种具有分布触觉的仿人机械手，包括拇指1、食指2、中指3、无名指4和小指5，其特征在于每个手指的末端都设置有小型力/力矩传感器8，拇指1包括三个关节，与手掌6相连的关节由一个转轴正交的电机7来控制运动，另外两个关节由两个电机7来控制运动；其它手指均包括四个关节，与手掌6相连的关节由一个转轴正交的电机7来控制运动，另外三个关节各由一个电机7来控制运动。

进一步地，上述手掌6分成三部分：与拇指1相连部分，与食指2和中指3相连部分，与无名指4和小指5相连部分；一个电机7置于“与拇指1相连部分”与“与食指2和中指3相连部分”之间，一个电机7置于“与食指2和中指3相连部分”与“与无名指4和小指5相连部分”之间。

为了更好地检测仿人机械手的状态，在手腕处设置一个6自由度力/力矩传感器9。

为了进一步地检测仿人机械手的状态，所述仿人机械手还包括用感压导电橡胶制成并且覆盖于手指和手掌表面区域的分布触觉传感器10。

与现有技术相比，本实用新型的优点是能够在繁重、危险、恶劣、极限或一般的环境中，代替人手完成各种复杂的作业。本仿人机械手适用于机械制造、化工生产、核电维修、军事战备、医疗手术、抢险救灾、科学考察、家务劳动等场合，代替人手完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等各种作业。

附图说明

图1是具有分布触觉的仿人机械手原理示意图；

图2是具有分布触觉的仿人机械手结构示意图；

图3是具有分布触觉的仿人机械手触觉传感器示意图；

图4是本实用新型第一个实施例的示意图；

图5是本实用新型第二个实施例的示意图。

图中：拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5，手掌6，控制关节运动的步进电机7，小型力/力矩传感器8，6自由度力/力矩传感器9，覆盖于手指和手掌表面区域的分布触觉传感器10。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，具有分布触觉的仿人机械手包括5个手指、1个手掌、21个控制关节运动的步进电机，5个装配在手指尖处的小型力/力矩传感器8，1个装配在手腕处的6自由度力/力矩传感器。具有分布触觉的仿人机械手的结构如图2所示，它的分布触觉传感器如图3所示。通过控制21个步进电机的转动，用小型力/力矩传感器检测出指尖与纸张接触处产生的摩擦力，以及用6自由度力/力矩传感器检测出仿人机械手对桌子的压力和力矩，就可以驱动和控制仿人机械手的5个手指和1个手掌相互协作来抓取桌面上放置的纸张。

具有分布触觉的仿人机械手抓取放置于桌上的纸张时的动作如图4所示。仿人机械手要进行两个动作。第一，为了防止纸张被撕裂开，仿人机械手的5个手指要如图4那样去抓取纸张。第二，拇指和食指及中指用力使纸成弯曲状态，捏住纸的切断面，再依次使用无名指和小指，保持纸固定。应用于抓住纸张时，仿人机械手的压力较大，在硬的桌子上按压时会产生一定程度的压力。这个压力可以确保在指接触处产生足够的摩擦力，而且也可以吸收掉由于压在纸上的拇指轨迹稍微偏移带来的失误。

实施例2

如图3所示，具有分布触觉的仿人机械手包括覆盖于手指和手掌表面区域的分布触觉传感器10。

应用拿剪刀完成切断作业时，包含有以下几个要素：1)在手握住剪刀部分有许多约束条件；2)剪刀是可动的，必须把它把持住；3)在仿人机械手指和手掌表面，存在着接触和在关节部的接触。

用剪切作业时，在手与剪刀开闭时所处平面垂直的平面上，拇指与拇指以外的食指、中指、无名指、小指分别朝图5中箭头和所标出的数字所示方向动作。由于仿人机人械手的分布触觉传感器可以检测出手指和手掌与剪刀接触时产生的接触力，因此可以采用触觉力控制方法和位置控制方法来产生和控制仿人机械手各个和手掌的运动轨迹。接着各手指分别往中间作园孤状运动开闭剪刀才能进行剪切作业。

本实用新型也同样适合于机械制造、化工生产、核电维修、军事战备、医疗手术、抢险救灾、科学考察、家务劳动等场合，代替人手完成各种作业。

Claims (4)

1、一种具有分布触觉的仿人机械手，包括拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)和小指(5)，其特征在于每个手指的末端都设置有小型力/力矩传感器(8)，拇指(1)包括三个关节，与手掌(6)相连的关节由一个转轴正交的电机(7)来控制运动，另外两个关节由两个电机(7)来控制运动；其它手指均包括四个关节，与手掌(6)相连的关节由一个转轴正交的电机(7)来控制运动，另外三个关节各由一个电机(7)来控制运动。

2、根据权利要求1所述的具有分布触觉的仿人机械手，其特征在于所述手掌(6)分成三部分：与拇指(1)相连部分，与食指(2)和中指(3)相连部分，与无名指(4)和小指(5)相连部分；一个电机(7)置于“与拇指(1)相连部分”与“与食指(2)和中指(3)相连部分”之间，一个电机(7)置于“与食指(2)和中指(3)相连部分”与“与无名指(4)和小指(5)相连部分”之间。

3、根据权利要求2所述的具有分布触觉的仿人机械手，其特征还包括一个装配在手腕处的6自由度力/力矩传感器(9)。

4、根据权利要求1至3任一项所述分布触觉的仿人机械手，其特征在于还包括用感压导电橡胶制成并且覆盖于手指和手掌表面区域的分布触觉传感器(10)。

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