專利名稱：具有分布觸覺的仿人機械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有分布觸覺的仿人機械手技術(shù)領(lǐng)域本申請涉及一種機械手，特別涉及一種具有分布觸覺的仿人機械手。
技術(shù)背景目前，在日本和歐美等發(fā)達國家的工廠和企業(yè)中，工業(yè)機械手己經(jīng)被廣泛地用 來代替工人完成各類簡單和重復(fù)性的工作。這些工業(yè)機械手基本上是限定在特定的 環(huán)境中完成單一的操作。對于一些在繁重、危險、惡劣、極限或一般的環(huán)境下需要 人手才能完成的復(fù)雜作業(yè)而言，例如捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、肖iJ、包u、搓等作業(yè)，普通的工業(yè)機械手則顯得無能為力。由于和人手一樣帶有5個手指和手掌及觸覺機能的仿人機械手具有極強的功能和很高 的通用性，它完全可以代替或者幫助人類在機械制造、化工生產(chǎn)、核電維修、軍事 戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、搶險救災(zāi)、科學(xué)考察、家務(wù)勞動等各種場合下靈巧地完成各類復(fù) 雜的作業(yè)。因此，各發(fā)達國家的工廠正迫切地希望研制出高性能的通用型仿人機械 手來完成上述作業(yè)。自20世紀(jì)80年代末以來，在原有多指形靈巧機械手研究的基礎(chǔ)之上，仿人機 械手的研究逐漸開展起來。比如，1987年前南斯拉夫Venkatamman等研制的貝爾 格萊德/USC靈巧手；1996年臺灣大學(xué)研制的NTU五指仿人手；日本Gifo大學(xué) Haruhisa Kawasaki等己經(jīng)研制和正在研制的Gifo系列手，現(xiàn)已經(jīng)完成了 Gifohandl 和GifoHandII的設(shè)計。USC手是五指形靈巧手研究的早期成果，它設(shè)計簡單、機 構(gòu)精簡，卻很經(jīng)典。現(xiàn)在五指形靈巧手研究追求結(jié)構(gòu)精簡，控制系統(tǒng)復(fù)雜度較低就 和USC手不無關(guān)系。該手的五個手指僅有4個電動機作為動力部件，2個驅(qū)動拇指， 另2個驅(qū)動其它4指。每個手指有3個平行的軸關(guān)節(jié)，卻只有1個自由度。所以它僅僅能完成簡單的靈巧抓取而不能執(zhí)行復(fù)雜的靈巧操作。綜上所述，目前國內(nèi)外的仿人機械手從機構(gòu)形式上來看大多是多指多關(guān)節(jié)手，最普遍的是手指數(shù)目為3 5個，各個手指的關(guān)節(jié)數(shù)目也多為3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，自由 度為3 5個?，F(xiàn)有的仿人機械手研究大多從幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等 不同角度分別進行探討，提出了各種控制方法和抓取規(guī)劃算法來模擬人手的抓取 運動。仿人機械手不論在外形和功能方面越來越逼近人手。但是，上述仿人機械 手研究存在有以下問題(1) 上述仿人機械手大多是采用基于腱的傳動方式和仿效人手的驅(qū)動原理。盡管 腱傳動有許多優(yōu)點，但是1)由于腱的剛度剤艮，所以驅(qū)動系統(tǒng)表現(xiàn)出一定的滯后， 從而影響了位置精度；2)必須對腱進行預(yù)緊，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和裝配的難度， 同時預(yù)緊程度對驅(qū)動系統(tǒng)的性能有很大的影響；3)腱的張力和波動如果很大，可 能會激發(fā)系統(tǒng)的振蕩，從而引起腱的不穩(wěn)定或者造成腱的損壞；4)在腱傳動系統(tǒng) 中，腱的機械特性、數(shù)量以及在手指中的路徑設(shè)計對于手的性能具有較大的影響；(2) 上述仿人機械手的控制方法基本上是對手指尖處裝配有獨立的力/力矩傳感 器的手指進行位置和力反饋控制或柔性控制。這些控制方法僅僅以手指尖處的接 觸力/力矩反饋為基礎(chǔ)對手指進行控制，沒有考慮或控制手指和手掌表面上眾多觸 覺點的接觸力影響；(3) 上述仿人機械手研究沒有或很少涉及到手及其手腕和手臂協(xié)調(diào)控制方法，也 沒有根據(jù)來自作業(yè)對象的接觸力/力矩反饋對手及其手腕和手臂的慣性、粘性、剛 性參數(shù)作有效和合理地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境的需要(比如， 仿人機械手如何抓握和加工柔軟食品，或者抓握金屬工具完成安裝和維修)；總之，現(xiàn)有的仿人機械手存在著機械結(jié)構(gòu)互不相同、控制系統(tǒng)各自為陣、控制 方法互不兼容、作業(yè)描述語言缺乏等一系列的問題。因此，現(xiàn)有的仿人機械手無論 是從其性能和通用性來看，都難于在惡劣和危險的環(huán)境下，或者太空、深海、礦井、 農(nóng)田、家庭等各種場合下完成復(fù)雜的作業(yè)。實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服了現(xiàn)有多指靈巧手技術(shù)的不足，提供了一種通用性能 好，具有分布觸覺的仿人機械手。解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如圖1所示， 一種具有分布觸覺的仿人機械手，包括拇指l、食指2、中指3、無名指4和小指5，其特征在于每個手指的末端都設(shè) 置有小型力/力矩傳感器8，拇指l包括三個關(guān)節(jié)，與手掌6相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸 正交的電機7來控制運動，另外兩個關(guān)節(jié)由兩個電機7來控制運動；其它手指均包 括四個關(guān)節(jié)，與手掌6相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸正交的電機7來控制運動，另外三個 關(guān)節(jié)各由一個電機7來控制運動。進一步地，上述手掌6分成三部分與拇指l相連部分，與食指2和中指3相 連部分，與無名指4和小指5相連部分； 一個電機7置于"與拇指1相連部分"與 "與食指2和中指3相連部分"之間， 一個電機7置于"與食指2和中指3相連部 分"與"與無名指4和小指5相連部分"之間。為了更好地檢測仿人機械手的狀態(tài)，在手腕處設(shè)置一個6自由度力/力矩傳感器9。為了進一步地檢測仿人機械手的狀態(tài)，所述仿人機械手還包括用感壓導(dǎo)電橡膠 制成并且覆蓋于手指和手掌表面區(qū)域的分布觸覺傳感器10。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點是能夠在繁重、危險、惡劣、極限或一般 的環(huán)境中，代替人手完成各種復(fù)雜的作業(yè)。本仿人機械手適用于機械制造、化工生 產(chǎn)、核電維修、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、搶險救災(zāi)、科學(xué)考察、家務(wù)勞動等場合，代 替人手完成抓、握、桓、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、 磨、肖IJ、刨、搓等各種作業(yè)。


圖1是具有分布觸覺的仿人機械手原理示意圖； 圖2是具有分布觸覺的仿人機械手結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是具有分布觸覺的仿人機械手觸覺傳感器示意圖； 圖4是本實用新型第一個實施例的示意圖； 圖5是本實用新型第二個實施例的示意圖。圖中拇指l、食指2、中指3、無名指4、小指5，手掌6，控制關(guān)節(jié)運動的步 進電機7，小型力/力矩傳感器8， 6自由度力/力矩傳感器9，覆蓋于手指和手掌表 面區(qū)域的分布觸覺傳感器10。
具體實施方式實施例l如圖1所示，具有分布觸覺的仿人機械手包括5個手指、l個手掌、21個控制 關(guān)節(jié)運動的步進電機，5個裝配在手指尖處的小型力/力矩傳感器8， 1個裝配在手 腕處的6自由度力/力矩傳感器。具有分布觸覺的仿人機械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它 的分布觸覺傳感器如圖3所示。通過控制21個步進電機的轉(zhuǎn)動，用小型力/力矩傳 感器檢測出指尖與紙張接觸處產(chǎn)生的摩擦力，以及用6自由度力/力矩傳感器檢測出 仿人機械手對桌子的壓力和力矩，就可以驅(qū)動和控制仿人機械手的5個手指和1個 手掌相互協(xié)作來抓取桌面上放置的紙張。具有分布觸覺的仿人機械手抓取放置于桌上的紙張時的動作如圖4所示。仿人 機械手要進行兩個動作。第一，為了防止紙張被撕裂開，仿人機械手的5個手指要 如圖4那樣去抓取紙張。第二，拇指和食指及中指用力使紙成彎曲狀態(tài)，捏住紙的 切斷面，再依次使用無名指和小指，保持紙固定。應(yīng)用于抓住紙張時，仿人機械手 的壓力較大，在硬的桌子上按壓時會產(chǎn)生一定程度的壓力。這個壓力可以確保在指 接觸處產(chǎn)生足夠的摩擦力，而且也可以吸收掉由于壓在紙上的拇指軌跡稍微偏移帶 來的失誤。 實施例2如圖3所示，具有分布觸覺的仿人機械手包括覆蓋于手指和手掌表面區(qū)域的分 布觸覺傳感器10。應(yīng)用拿剪刀完成切斷作業(yè)時，包含有以下幾個要素l)在手握住剪刀部分有許 多約束條件；2)剪刀是可動的，必須把它把持??；3)在仿人機械手指和手掌表面，存在著接觸和在關(guān)節(jié)部的接觸。用剪切作業(yè)時，在手與剪刀開閉時所處平面垂直的平面上，拇指與拇指以外的食指、中指、無名指、小指分別朝圖5中箭頭和所標(biāo)出的數(shù)字所示方向動作。由于仿人機人械手的分布觸覺傳感器可以檢測出手指和手掌與剪刀接觸時產(chǎn)生的接觸 力，因此可以采用觸覺力控制方法和位置控制方法來產(chǎn)生和控制仿人機械手各個和 手掌的運動軌跡。接著各手指分別往中間作園孤狀運動開閉剪刀才能進行剪切作 業(yè)。本實用新型也同樣適合于機械制造、化工生產(chǎn)、核電維修、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手 術(shù)、搶險救災(zāi)、科學(xué)考察、家務(wù)勞動等場合，代替人手完成各種作業(yè)。
權(quán)利要求1、一種具有分布觸覺的仿人機械手，包括拇指(1)、食指(2)、中指(3)、無名指(4)和小指(5)，其特征在于每個手指的末端都設(shè)置有小型力/力矩傳感器(8)，拇指(1)包括三個關(guān)節(jié)，與手掌(6)相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸正交的電機(7)來控制運動，另外兩個關(guān)節(jié)由兩個電機(7)來控制運動；其它手指均包括四個關(guān)節(jié)，與手掌(6)相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸正交的電機(7)來控制運動，另外三個關(guān)節(jié)各由一個電機(7)來控制運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有分布觸覺的仿人機械手，其特征在于所述手掌 (6)分成三部分與拇指(1)相連部分，與食指(2)和中指(3)相連部分，與無名指(4)和小指(5)相連部分； 一個電機(7)置于"與拇指(1)相連部分" 與"與食指(2)和中指(3)相連部分"之間， 一個電機(7)置于"與食指(2) 和中指(3)相連部分"與"與無名指(4)和小指(5)相連部分"之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有分布觸覺的仿人機械手，其特征還包括一個裝 配在手腕處的6自由度力/力矩傳感器(9)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述分布觸覺的仿人機械手，其特征在于還包 括用感壓導(dǎo)電橡膠制成并且覆蓋于手指和手掌表面區(qū)域的分布觸覺傳感器(10)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有分布觸覺的仿人機械手，包括拇指、食指、中指、無名指和小指，每個手指的末端都設(shè)置有小型力/力矩傳感器，拇指包括三個關(guān)節(jié)，與手掌相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸正交的電機來控制運動，另外兩個關(guān)節(jié)由兩個電機來控制運動；其它手指均包括四個關(guān)節(jié)，與手掌相連的關(guān)節(jié)由一個轉(zhuǎn)軸正交的電機來控制運動，另外三個關(guān)節(jié)各由一個電機來控制運動。本實用新型有極強的功能和很高的通用性，適用于機械制造、化工生產(chǎn)、核電維修、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、搶險救災(zāi)、科學(xué)考察、家務(wù)勞動等場合，代替人手完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、搓等各種作業(yè)。
文檔編號B25J3/00GK201109115SQ20072006155
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者肖南峰 申請人:華南理工大學(xué)