专利名称：仿人类同步无线操控机械手系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人及仿生技术领域，涉及一种能同步复制人手部动作，并实现无线远距离控制的机械手系统。
背景技术：
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成，达芬奇机器人手术系统，美国Intuitive Surgical公司产品，获美国FDA批准。②ZEUS宙斯外科机器人手术系统，美国Computer Motion公司产品，获美国FDA批准。远程机器人手术系统主要由控制台和操作臂两部分组成。控制台是机器人手术系统的核心，由计算机系统、手术操作监视器、机器人控制监视器、操作手柄和输入输出设备等组成，引起医学界乃至全世界的关注。但是此机械手的运动是由操纵杆控制，医生使用前要经过很长时间的培训，有经验的医生无法发挥自己的技术水平。人类研究机械手近二三十年时间，但制造出的机械手很少能够完成灵巧的动作。目前大多数厂家生产的全是工业机械手，只能完成抓取释放等基本功能。操作精确度如果不通过编程很难实现精确控制。最近德国的FESTO公司研制了一种气动灵巧机械手，主要也是通过牵线控制，但是气动肌肉控制的机械手非常昂贵，而且所需外设条件很高，更无法应用到宇宙中的真空条件下。
发明内容
本发明旨在通过牵线的方法将驱动部分与控制部分加装在手臂位置，使手部重量大大减轻，增加手部运动的灵活性。本发明的控制方式为严格复制操控手的运动形式，让人类更直接的控制。采用无线远距离控制，接口通用，应用广泛。为解决上述技术问题所采用的技术方案如下:本发明的仿人类同步无线操控机械手系统，包括有机械部分和控制部分，其中机械部分包括有机械手部分和手部动作信息采集部分；所述的控制部分包括有采集端MCU，无线传输模块和主MCU ;所述的采集端MCU采集手部动作信息采集部分的信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度。所述的机械手部分包括手掌部分和手臂部分，手掌部分包括有第一欠驱动双关节牵线手指1、第二欠驱动双关节牵线手指2、第三欠驱动双关节牵线手指3、第四欠驱动双关节牵线手指4、第一传动线5、第二传动线6、第三传动线7、第四传动线8、双关节拇指11和金属手掌骨架14 ；所述的四根欠驱动双关节牵线手指1、2、3、4和双关节拇指11分别连接在金属手掌骨架14前部，双关节拇指11由两个小型舵机控制，每个小型舵机控制拇指的一个自由度；每根传动线前端分别与欠驱动双关节牵线手指连接，后端由微型舵机12拉动，使得欠驱动双关节牵线手指内部的传动线长度减小，使欠驱动双关节牵线手指弯曲，当微型舵机12回转时，欠驱动双关节牵线手指的关节处放置的回力扭簧带动欠驱动双关节牵线手指复位。这样机械手就实现了仿照人类手的运动。所述的手臂部分包括有第五传动线9、第六传动线10、手臂支架17、手腕支架18以及手腕左右运动轴承19 ；手臂支架17的两侧固定有两个舵机13，两个舵机13通过第五传动线9和第六传动线10驱动手腕左右运动轴承19左右摆动；手掌部分中的金属手掌骨架14通过手腕前后运动轴承15与手臂部分的手腕支架18旋转连接，驱动舵机24通过夹板25固定在手腕支架18上，驱动舵机24的舵机盘26与金属手掌骨架14连接，进而带动手掌前后摆动；手臂支架17的后端通过手臂轴承16与支座28旋转连接。所述的手部动作信息采集部分包括基础手套27、电位器20、电位器旋杆21、手指扳手22以及手指指套23，所述的电位器20通过手指指套23固定在基础手套27上，人手手指扳动手指扳手22，进而旋转电位器旋杆21来改变电位器20的阻值。手部动作主要包括手指动作和手掌动作。其中手指有弯曲度、角速度两个参数需要采集。手掌有旋转角度和角速度两个参数需要采集。其他则是具体手指弯曲次序问题，所以还有手指编号信息的采集。手部角度信息通过电位器20的阻值算出，手部运动速度通过对角度变化对时间求导得出，手指编号问题通过建立一一对应的多条独立的信息传输路径便可解决。所述的控制部分包括有采集端MCU、无线传输模块和主MCU ；采集端MCU采集手部动作信息采集部分中每个电位器20的阻值信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU根据该数据生成多路特定占空比的PWM信号，控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度，实现机械手部分与人类手的同步运动。整个系统的工作过程:一、操作人员需要带上手部动作信息采集部分中的基础手套，然后接通电源；二、操作人员手部关节有位置变化，就会带动手部动作信息采集部分中的相应电位器20转动，引起电路中的电压变化，这时采集端MCU采集到角度信息；三、采集端MCU通过无线传输模块将变化的角度信息传送给主MCU ；四、主MCU根据角度信息产生多路特定占空比的PWM信号，信号通过控制线路传送给机械手部分中的相应舵机，舵机旋转带动传动线，实现机械手部分与人类手的同步运动。本发明的有益效果在于:随着网络技术的发展，机械手的联网操作问题将是今后技术发展的方向，本发明可以很容易的通过网络远程操控，应用性有了很大的提高。本发明比以往的机械手更加灵活，更易操控，在市场上具有取代原有机械手的大趋势。另外，由于该系统完全按照人类手外形与自由度设计，可以应用到医疗领域，帮助残疾人恢复手部功能，还可以作为助力手应用到军工航天等领域。
图1为本发明的工作流程2为机械手部分中的手掌部分机械3为机械手部分中的手臂部分机械4为机械手部分中的腕部前后运动关节的机械5为手部动作信息采集部分的整体装配6为手部动作信息采集部分中一个角度传感器的示意中:1:欠驱动双关节牵线手指A，2:欠驱动双关节牵线手指B，3:欠驱动双关节牵线手指C，4:欠驱动双关节牵线手指D, 5:传动线，6:传动线么，7:传动线B, 8:传动线C，9:传动线D，10:传动线E，11:双关节拇指F，12:微型舵机，13:舵机，14:金属手掌骨架，15:手腕轴承前后运动关节，16:手臂轴承，17:手臂支架，18:手腕支架，19:手腕左右运动轴承，20:电位器，21:电位器旋杆，22:手指扳手，23:手指指套，24:驱动舵机，25:夹板，26:舵机盘，27:基础手套，28:支座
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步进行介绍。本发明的仿人类同步无线操控机械手系统，包括有机械部分和控制部分，其中机械部分包括有机械手部分和手部动作信息采集部分；所述的机械手部分包括手掌部分和手臂部分，所述的控制部分包括有采集端MCU，无线传输模块和主MCU ;采集端MCU采集手部动作信息采集部分的信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度。所述的机械手部分包括手掌部分和手臂部分；图2为机械手部分中的手掌部分机械图，包括有第一欠驱动双关节牵线手指1、第二欠驱动双关节牵线手指2、第三欠驱动双关节牵线手指3、第四欠驱动双关节牵线手指4，第一传动线5、第二传动线6、第三传动线7、第四传动线8、双关节拇指11和金属手掌骨架14 ；四根欠驱动双关节牵线手指1、2、3、4和双关节拇指11分别连接在金属手掌骨架14前部，双关节拇指11由两个小型舵机控制，每个小型舵机控制拇指的一个自由度；每根传动线前端分别与欠驱动双关节牵线手指连接，后端由微型舵机12拉动，使得欠驱动双关节牵线手指内部的传动线长度减小，使欠驱动双关节牵线手指弯曲，当微型舵机12回转时，欠驱动双关节牵线手指的关节处放置的回力扭簧带动欠驱动双关节牵线手指复位。这样机械手就实现了仿照人类手的运动。图3为机械手部分中的手臂部分机械图，包括有第五传动线9、第六传动线10、手臂支架17、手腕支架18以及手腕左右运动轴承19 ；
手臂支架17的两侧固定有两个舵机13，两个舵机13通过第五传动线9和第六传动线10驱动手腕左右运动轴承19左右摆动；图4为机械手部分中的腕部前后运动关节的机械图，可见手掌部分中的金属手掌骨架14通过手腕前后运动轴承15与手臂部分的手腕支架18旋转连接，驱动舵机24通过夹板25固定在手腕支架18上，驱动舵机24的舵机盘26与金属手掌骨架14连接，进而带动手掌前后摆动；手臂支架17的后端通过手臂轴承16与支座28旋转连接。图5为手部动作信息采集部分的整体装配图，可见所述的手部动作信息采集部分包括基础手套27、电位器20、电位器旋杆21、手指板手22以及手指指套23 ；图6为手部动作信息采集部分中一个角度传感器的示意图，可见所述的电位器20通过手指指套23固定在基础手套27上，人手手指扳动手指扳手22，进而旋转电位器旋杆21来改变电位器20的阻值。手部动作主要包括手指动作和手掌动作。其中手指有弯曲度、角速度两个参数需要采集。手掌有旋转角度和角速度两个参数需要采集。其他则是具体手指弯曲次序问题，所以还有手指编号信息的采集。手部角度信息通过电位器20的阻值算出，手部运动速度通过对角度变化对时间求导得出，手指编号问题通过建立一一对应的多条独立的信息传输路径便可解决。所述的控制部分包括有采集端MCU，无线传输模块和主MCU ；采集端MCU采集手部动作信息采集部分中每个电位器20的阻值信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU根据该数据生成多路特定占空比的PWM信号，控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度，实现机械手部分与人类手的同步运动。图1为本发明的工作流程图，可见整个系统的工作过程为:一、操作人员需要带上手部动作信息采集部分中的基础手套，然后接通电源；二、操作人员手部关节有位置变化，就会带动手部动作信息采集部分中的相应电位器20转动，引起电路中的电压变化，这时采集端MCU采集到角度信息；三、采集端MCU通过无线传输模块将变化的角度信息传送给主MCU ；四、主MCU根据角度信息产生多路特定占空比的PWM信号，信号通过控制线路传送给机械手部分中的相应舵机，舵机旋转带动传动线，实现机械手部分与人类手的同步运动。
权利要求
1.一种仿人类同步无线操控机械手系统，包括有机械部分和控制部分，其特征在于: 所述的机械部分包括有机械手部分和手部动作信息采集部分；所述的控制部分包括有采集端MCU，无线传输模块和主MCU ； 所述的采集端MCU采集手部动作信息采集部分的信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度。
2.如权利要求1所述的一种仿人类同步无线操控机械手系统，其特征在于: 所述的机械手部分包括手掌部分和手臂部分，手掌部分包括有第一欠驱动双关节牵线手指(I)、第二欠驱动双关节牵线手指(2)、第三欠驱动双关节牵线手指(3)、第四欠驱动双关节牵线手指(4)、第一传动线(5)、第二传动线(6)、第三传动线(7)、第四传动线(8)、双关节拇指(11)以及金属手掌骨架(14)； 所述的四根欠驱动双关节牵线手指(1、2、3、4)和双关节拇指(11)分别连接在金属手掌骨架(14)前部，双关节拇指(11)由两个小型舵机控制，每个小型舵机控制拇指的一个自由度; 每根传动线前端分别与欠驱动双关节牵线手指连接，后端由微型舵机(12)拉动，使得欠驱动双关节牵线手指内部的传动线长度减小，使欠驱动双关节牵线手指弯曲，当微型舵机(12)回转时，欠驱动双关节牵线手指的关节处放置的回力扭簧带动欠驱动双关节牵线手指复位。
3.如权利要求2所述的一种仿人类同步无线操控机械手系统，其特征在于: 所述的手臂部分包括有第五传动线(9)、第六传动线(10)、手臂支架(17)、手腕支架(18)以及手腕左右运动轴承(19)； 手臂支架(17)的两侧固定有两个舵机(13)，两个舵机(13)通过第五传动线(9)和第六传动线(10)驱动手腕左右运动轴承(19)左右摆动；手臂支架(17)的后端通过手臂轴承(16)与支座(28)旋转连接。
4.如权利要求3所述的一种仿人类同步无线操控机械手系统，其特征在于: 手掌部分中的金属手掌骨架(14)通过手腕前后运动轴承(15)与手臂部分的手腕支架(18)旋转连接，驱动舵机(24)通过夹板(25)固定在手腕支架(18)上，驱动舵机(24)的舵机盘(26)与金属手掌骨架(14)连接，进而带动手掌前后摆动。
5.如权利要求1所述的一种仿人类同步无线操控机械手系统，其特征在于:所述的手部动作信息采集部分包括基础手套(27)、电位器(20)、电位器旋杆(21)、手指扳手(22)以及手指指套(23)，所述的电位器(20)通过手指指套(23)固定在基础手套(27)上，人手手指扳动手指扳手(22)，进而旋转电位器旋杆(21)来改变电位器(20)的阻值。
6.如权利要求5所述的一种仿人类同步无线操控机械手系统，其特征在于: 所述的采集端MCU采集手部动作信息采集部分中每个电位器(20)的阻值信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU根据该数据生成多路特定占空比的PWM信号，控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度，实现机械手部分与人类手的同步运动。
全文摘要
本发明公开了一种仿人类同步无线操控机械手系统，包括有机械部分和控制部分，其中机械部分包括有机械手部分和手部动作信息采集部分;所述的机械手部分包括手掌部分和手臂部分，所述的控制部分包括有采集端MCU，无线传输模块和主MCU；采集端MCU采集手部动作信息采集部分中每个电位器的阻值信息，并通过无线传输模块将人类手各关节角度数据传给主MCU，主MCU控制机械手部分中的相应舵机旋转对应角度，实现机械手部分与人类手的同步运动。本发明比以往的机械手更加灵活，更易操控，由于该系统完全按照人类手外形与自由度设计，可以应用到医疗领域，帮助残疾人恢复手部功能，还可以作为助力手应用到军工航天等领域。
文档编号B25J15/10GK103170960SQ20131007988
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者杨乐, 张海龙, 张先彪, 周威, 张永成, 高源 , 赵志超, 肖文旭 申请人:吉林大学