一种弹钢琴拟人机器手的制作方法

所属技术领域

本发明涉及一种弹钢琴拟人机器手，适用于机械领域。

背景技术：

随着社会经济不断发展和现代人工智能、计算机科学等的长足进步，服务机器人的研究与应用进入快速发展阶段。演奏机器人是服务机器人的一种，具有)、一阔的应用前景。口本早稻田大学曾经研制过钢琴演奏机器人，在国际上影响比较大。它共有88台击键器和两台踏板驱动装置，每台都有一套伺服系统，但不具备拟人化特征。由明新科大与上银科技产学合作研发制作的钢琴机器人是利用线性马达及气压缸控制，以拟人化的方式来弹奏钢琴，在控制方面使用了曲目预编程内置的方式。

技术实现要素：

本发明提出了一种弹钢琴拟人机器手，机械手每根手指的控制都是独立的，通过气动闸线的方式驱动，满足了演奏时对机械手手指的速度要求。同时使用数据手套与方位跟踪器在虚拟现实环境下采集手部的控制数据，实现了更自然的控制方式。

本发明所采用的技术方案是。

所述机械手的手指是设计的重点，分为上关节，关节与下关节三个指关节，采用圆柱型的手指外形，在具有拟人化特征的同时增加了手指的强度。

所述机械手的每个指关节在连接处均以小于20度的角度进行设计，使手指在弯曲时有足够的运动空间，手指的连接处采用平滑的边缘设计，使得手指节在复位时限位在手指伸直的中心轴线上。

所述机械手的每个机械手指之间用连接销、滚动轴承嵌套配合，利用扭簧实现弯曲后的复位。五个机械手的上指节上都有闸线的固定孔，闸线分别穿过机械手中指节和下指节的闸线的限位孔，从而进行动力链的连接。

所述机械手指节的圆周侧壁开有孔，是各指节连接销的轴孔，外侧有非圆型台阶，用于台阶外侧安装非圆型挡圈。闸线在机械手上指节的的固定孔进行固定，再在机械手掌后连接驱动装置。

所述机械手采用气动闸线的方式驱动，整个气动回路连接气缸固定在固定板上，闸线一端为钢丝触头，另一端为限位圆柱，钢丝触头一端连接机械手，另一端与驱动气缸相配合。

本发明的有益效果是：该机械手硬件结构及驱动满足了钢琴演奏对机械手的速度要求，设计的控制软件界面简单易用，同时建立的虚拟现实环境可以使用户在不具备专业知识的条件下无需培训即可以自然操作的方式完成运动数据的采集，降低了系统的仲用要求限制。

附图说明

图1是本发明的机械手手指结构图。

图2是本发明的驱动回路图。

图中：1.连接销；2.滚珠轴承；3.3.气缸；4.二位五通电磁换向阀；5.调压阀；6.空气压缩机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，机械手的结构中，手指是设计的重点，分为上关节，中关节与下关节三个指关节，采用圆柱型的手指外形，在具有拟人化特征的同时增加了手指的强度。机械手的每个指关节在连接处均以小于20度的角度进行设计，使手指在弯曲时有足够的运动空间。手指的连接处采用平滑的边缘设计，使得手指节在复位时限位在手指伸直的中心轴线上。

每个机械手指之间用连接销、滚动轴承嵌套配合，利用扭簧实现弯曲后的复位。五个机械手的上指节上都有闸线的固定孔，闸线分别穿过机械手中指节和下指节的闸线的限位孔，从而进行动力链的连接。机械手指节的圆周侧孽开有孔，是各指节连接销的轴孔，外侧有非圆型台阶，用于台阶外侧安装非圆型挡圈。闸线在机械手上指节的的固定孔进行固定，再在机械手掌后连接驱动装置。

闸线在机械手的上指节处固定，受力点在上指节并以连接销为轴进行运动，使得机械手拥有人手骨骼与肌肉一样的工作方式。机械手指下关节约束五个自由度只释放一个绕连接销旋转的自由度，手指上关节和中关节均释放三个自由度，使其与人手按键演奏时自由度相同。

钢琴弹奏对手指的运动速度有很高的要求，因此采用气动闸线的方式驱动机械手。整个气动回路连接气缸固定在固定板上，闸线一端为钢丝触头，另一端为限位圆柱，钢丝触头一端连接机械手，另一端与驱动气缸相配合。固定板一端开有五条沟槽，用于安装浮动限位块，固定板与定位块上的闸线穿孔进行对心固定，可以使气缸运动时有效减少力的损耗。固定板另一端安装固定角铁，用于固定气缸，气缸水平整齐排列，使作用力的作用点与机械手受力点在同一个作用平面上，减少力的损耗。五个浮动限位块分别与固定板上的五条沟槽相配合，形状为台阶型，其底面开有沉头孔，用于调节浮动限位块在沟槽的位置，闸线穿过竖直面的小孔，这样可根据不同闸线的长度来调节浮动限位块在固定板沟槽上的位置。固定限位块安装在气缸与浮动限位块之间，可以将闸线一端的限位圆柱卡死，实现一端固定，在外圆表面开有孔，用于螺纹顶丝压紧。在固定限位块端面开有螺纹孔，直接与气缸的活塞杆实现螺纹连接。

如图2，通过空气压缩机向外输出高压气体，通过调压阀来调节气体压力。输出的压力气体通过五个二位五通电磁换向阀送给双作用气缸。二位五通电磁换向阀在初始位置时，一端进气，一端排气，可以实现气缸活塞杆的伸出，此时，闸线状态自由，机械手处于伸开状态。当二位五通电磁换向阀换向时，之前进气的一端变为排气，排气的一端变为进气，可以实现气缸活塞杆的收缩，此时，闸线状态绷紧，拉动机械手指节，机械手指处于弯曲状态。五个二位五通电磁换向阀可以独立工作，分别驱动五个气缸独立工作，从而可以使五根手指独立工作，互不影响。这样就可以实现机械手的按键、点动等功能。

传统机械手运动控制数据一般采用编程的方式输入，对非专业人士来说应用不便，本文创建了虚拟现实环境，提供了钢琴弹奏的仿真界面，通过数据手套与方位跟踪器完成人机交互，使用户在不具备专业知识的条件下，无需培训即可以自然操作的方式完成运动数据的采集。

eonstudio是美国eonreafity公司开发的专业提供虚拟现实解决方案的软件。eon采用了一种对非专业用户来说非常简便开发的方式，将很多常见的功能或系统底层操作(例如硬件驱动连接)封装为节点，只需通过拖拽组合这些节点即可完成用户的大部分需求，同时也可以使用其内置的vbscript或jscript语言通过编程创建自定制的特殊功能节点。

技术特征：

技术总结
一种弹钢琴拟人机器手，机械手每根手指的控制都是独立的，通过气动闸线的方式驱动，满足了演奏时对机械手手指的速度要求。同时使用数据手套与方位跟踪器在虚拟现实环境下采集手部的控制数据，实现了更自然的控制方式。该机械手硬件结构及驱动满足了钢琴演奏对机械手的速度要求，设计的控制软件界面简单易用，同时建立的虚拟现实环境可以使用户在不具备专业知识的条件下无需培训即可以自然操作的方式完成运动数据的采集，降低了系统的仲用要求限制。

技术研发人员：李征
受保护的技术使用者：李征
技术研发日：2016.08.28
技术公布日：2018.03.13