基于液压的仿生机械手的制作方法

本实用新型涉及一种机械装置，尤其是一种基于液压的仿生机械手。

背景技术：

手臂是人体必不可少的部件，同时也是人类作为灵长类高等生物的优势展现，为了代替人工作，机械手臂被研发出来进而交付使用。但是，现在的机械手臂大多行为呆板，很难做出与人一样的动作。且目前的机械手臂大多数都是工业用途，仅仅可以重复固定的机械动作，很难实现灵活的动作，而且为了节省成本，设计很多了很多较落后的机械部件，形体复杂臃肿。

现有的仿生机械手多数为多指联动，无法实现单个手指的弯曲和伸直，不能精确的控制手指动作，使仿生机械手的灵活性大大降低。而且现有的仿生机械手主要控制手指执行相关动作，手腕和前臂等无法实现精确控制，功能单一，只能执行较简单的动作，无法成为真正的仿生机械手。

国家知识产权局于2016年08月03日公开了一份申请名称为“仿生三指机械手”的实用新型专利（公布号为：CN 205415678 U），该实用新型专利的仿生三指机械手，包括指根、指中、指尖三个关节组成手指，手指设置有三根，指尖通过第一转轴与指中铰接，指中通过第二转轴与指根铰接，手指驱动装置通过驱动推杆驱动机构使指中和指尖进行联动；还包括，用于安装手指的圆柱形骨架，用于控制手指在水平方向进行旋转的手掌控制装置；安装在指根与圆柱形骨架之间的手掌。该实用新型在一定程度上实现了低成本设计完成高精度的控制需求；但是由于其采用指尖控制由平行四边形推杆驱动机构实现指中、指尖的固定比例摇摆，因此虽然传递效率高，但是在传动精确度以及复杂动作的执行上存在许多不足，误差较大。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构完整，动能利用率高，复杂动作执行精确度高，能实现单指弯曲和伸直的基于液压的真正能被称之为仿生机械的仿生机械手。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于液压的仿生机械手，包括：机械手，机械手腕，机械前臂，机械肘关节，支撑装置，转向架。

为了更好的模仿人类的动作，所述的机械手为仿人手型装置，由五根手指组成，每根手指又由手指头、前指关节、中指关节、支撑骨架、转轮、后指关节、副油缸杆、主油缸杆、连接杆和旋转拉杆组成。其中，所述的副油缸杆为辅助调节装置，可以进行微调节或者对主油缸杆调节的误差进行修正。

所述的前指关节、中指关节和后指关节皆设置驱动电机；所述的手指头与前指关节连接，前指关节与中指关节连接，中指关节通过支撑骨架与后指关节连接；所述的支撑骨架内置转轮，通过内置的转轮后指关节和中指关节可进行联动，进而与前指关节和手指头进行联动，执行动作。所述的主油缸杆一端与后指关节连接，另一端与所述的机械手腕连接；所述的连接杆一端与后指关节连接，另一端与所述的机械手腕连接；所述的旋转拉杆一端与后指关节的手指内侧面连接，另一端与所述的机械手腕连接，旋转拉杆具有伸缩功能，能带动手指横向合并和垂直面的转动。通过以上这些设置，每根手指都可单独执行弯曲和伸直动作。

所述的机械前臂通过机械手腕与机械手连接，机械前臂由万向节、连接座、主副液压缸、油缸臂杆和手臂骨架组成，万向节固定于所述的机械手腕上并与手臂骨架的一端连接，油缸臂杆与固定于所述的机械手腕上的连接座连接，主副液压缸通过油缸臂杆和连接座与所述的副油缸杆和主油缸杆连接。前臂具有伸缩和旋转的功能，控制手爪的抓取和握紧动作。所述的手臂骨架内有一根可伸缩的杆，实现机械前臂的伸缩，手臂骨架前端设有球连接座，与固定于机械手腕上的万向节连接，实现万向转动。

所述的机械前臂通过机械肘关节与支撑装置连接；所述的支撑装置固定于所述的转向架上部，所述的转向架设置有控制装置，控制装置可对所述的机械手、机械手腕、机械前臂、机械肘关节和支撑装置进行控制。

优选的，对支撑装置进一步优化改进，其由前支撑臂、后支撑臂、转轴、支撑固定后支撑臂的支撑柱和支撑平台组成。前支撑臂和后支撑臂通过转轴连接，后支撑臂轴连接于支撑平台上，所述的前支撑臂、后支撑臂和舵机架上分别固定设置有前臂舵机、后臂舵机和平台舵机，所述的后臂舵机和平台舵机被舵机架固定。后支撑臂可以在舵机驱动下实现转动，前支撑臂在后支撑臂转动或者静止时在舵机作用皆可以实现转动；支撑柱对后支撑臂进行加固，防止由于前支撑臂和后支撑臂同时转动对后支撑臂造成永久性机械性结构伤害，进而影响所述的仿生机械手的使用寿命。

优选的，对转向架进一步优化改进，其由固定底盘、控制装置和下底盘组成。固定底盘固定于地面或者物体上，控制装置固定于所述的固定底盘上，下底盘位于所述的控制装置上方，下底盘是可以转动的。所述的控制装置内部设有转向舵机，所述的下底盘与支撑装置中的支撑平台水平面活动连接，所述的支撑平台位于下底盘的上方，支撑平台和下底盘可以在舵机的驱动下进行转动。

优选的，为了更好的使该仿生机械手可以模仿人类的动作，同时为了使其更好的向人工智能化方向靠近，所述的转向架的控制装置采用PLC可编辑逻辑控制器。PLC可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，由电源、中央处理器、存储器、输入单元和输出单元组成。由于其控制指令是可编辑的，因此在人工智能化高速发展的现在，该机械仿生手在更多的运用人工智能化技术以后，理论上除速度外其他方面可达到人类手臂的水平。

优选的，对机械前臂进一步优化改进，设置有液压电磁阀，液压电磁阀通过控制液压缸和油缸杆执行相关动作指令。液压电磁阀与主副油缸和主副油缸杆等元器件一起工作，构成液压传动系统，该液压传动系统能实现无级调速，且调速范围大，工作平稳，重量较轻，体积较小。液压电磁阀相当于机械手臂的中枢大脑，接收来自控制装置（优选PLC可编程逻辑控制器）的发出的指令，根据接收到的相关指令控制机械手执行动作。利用仿生原理，采用蜘蛛腿运动的原理来模拟手指关节的弯曲，运用液压传动系统为手臂提供动力，在机构简单化的前提下即可实现比较灵活的动作。

优选的，对旋转拉杆进一步优化改进，将其设置为两级伸缩。两级伸缩可以使旋转拉杆获得更好的运动空间，进而使的机械手的手指可以更好地弯曲和伸直。

优选的，所述的主油缸杆与机械手腕的连接方式为铰接。目前机械结构的连接方式多采用铰接，结构牢靠，简单实用，耐久性也很好。

优选的，所述的主油缸杆和副油缸杆分别位于手指的两侧。为了更好的控制机械手，进一步改进将主油缸杆和副油缸杆设置在手指的两侧，因为两端伸缩长度的不同，所以可以带动手指的横向转动，该设置以主油缸杆为主，副油缸杆主要进行微调节和修正。通过设置的液压电磁阀控制主油缸杆和副油缸杆，实现手指的弯曲，执行抓取动作。

优选的，因为仿生机械手的仿生智能化要求，所述的PLC可编辑逻辑控制器为可远程控制的模块型PLC。PLC按结构分为整体型和模块型两类，从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活；因为仿生机械手的特殊要求，在不考虑成本的前提下优先选用模块型PLC。

优选的，为了使机械手的抓取物品的效率更高，手指头的表面选用具有磨砂材质的材料。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：机械手、机械手腕、机械前臂、支撑装置和转向架都可以进行活动，且为递进式传动结构系统，可以更好的为仿生机械手执行复杂动作时提供硬件支持；PLC可编程逻辑控制器的运用，更好的为仿生机械手执行复杂动作时提供软件系统支持；液压电磁阀的设置，大大提高了动能的利用效率；主油缸杆和副油缸杆的综合设计使用，提高了仿生机械手的动作执行精确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型的整体结构简图；

图2是本实用新型的机械手简图；

图3是本实用新型的机械前臂和机械肘关节简；

图4是本实用新型的支撑装置简图；

图5是本实用新型的转向架简图；

图6是本实用新型的舵机简图；

图7是本实用新型的机械手腕和机械手相接处细节简图；

图8是本实用新型的连接杆细节简图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文的本实用新型的一种基于液压的仿生机械手，将以较佳实施例，配合所附相关附图，作详细说明。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“竖直”、“水平”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接” 应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实施例的一种基于液压的仿生机械手，如图1和图2所示，机械手1，机械手腕17，机械前臂2，机械肘关节3，支撑装置4，转向架5。如图2所示，机械手1为仿人手型装置，由五根手指组成，每根手指又由手指头6、前指关节7、中指关节9、支撑骨架10、转轮11、后指关节12、副油缸杆13、主油缸杆14、连接杆15和旋转拉杆16组成，副油缸杆13为辅助调节装置，可以进行微调节或者对主油缸杆14调节的误差进行修正。所述的旋转拉杆16具有伸缩功能，该旋转拉杆16为两级伸缩结构；前指关节7、中指关节9和后指关节12皆内置驱动电机8；手指头6与前指关节7连接，前指关节7与中指关节9连接，中指关节9通过支撑骨架10与后指关节12连接；支撑骨架内置转轮11，主油缸杆14一端与后指关节12连接，另一端与机械手腕17铰接；连接杆15一端与后指关节12连接，另一端与机械手腕17连接；旋转拉杆16一端与后指关节12的手指内侧面连接，另一端与机械手腕17连接。

如图1和图3所示，机械前臂2通过机械手腕17与机械手1连接，机械前臂2由万向节18、连接座19、主副液压缸、油缸臂杆20和手臂骨架21组成，万向节18固定于机械手腕17上并与手臂骨架21的一端连接，油缸臂杆20与固定于机械手腕17上的连接座19连接，主副液压缸通过油缸臂杆20和连接座19与副油缸杆13和主油缸杆14连接；机械前臂2通过机械肘关节3与支撑装置4连接。

如图4和图5所示，支撑装置4由前支撑臂25、后支撑臂28、转轴26、支撑固定后支撑臂的支撑柱29和支撑平台36组成。前支撑臂25和后支撑臂28通过转轴26连接，后支撑臂28轴连接于支撑平台36上，前支撑臂25、后支撑臂28和舵机架上分别固定设置有前臂舵机27、后臂舵机30和平台舵机31，所述的后臂舵机30和平台舵机31被舵机架32固定。后支撑臂28可以在舵机驱动下实现转动，前支撑臂25在后支撑臂28转动或者静止时在舵机作用都可以实现转动；支撑柱29对后支撑臂28进行加固，防止由于前支撑臂25和后支撑臂28同时转动对后支撑臂28造成永久性机械性结构伤害。机械前臂2还设置有液压电磁阀，通过液压电磁阀来控制液压缸和油缸杆执行相关动作指令。

如图5所示，转向架5由固定底盘33、控制装置34和下底盘35组成。固定底盘33固定于地面或者物体上，控制装置34固定于固定底盘33上，下底盘35位于控制装置34上方，下底盘35是可以转动的。控制装置34内部设有转向舵机，下底盘35与支撑装置34中的支撑平台36水平面活动连接，支撑平台36位于下底盘35的上方，支撑平台36和下底盘35可以在舵机的驱动下进行转动。转向架5的控制装置34采用PLC可编辑逻辑控制器，图5选用的是可远程控制的模块型PLC可编程逻辑控制器。

概括的说，该仿生机械手主要由执行系统、液压传动系统、控制系统和舵机动力系统组成；液压传动系统是以液体压力为主要动力源，通过主液压缸和副液压来驱动机械手运动；液压传动系统能实现无级调速，调速范围大，工作比较平稳，重量较轻，体积较小；控制系统包括单手指控制和多指多关节协调控制，采用PLC可编程逻辑控制器与液压电磁阀来实现调节控制的目的，相当于大脑中枢，调节该仿生机械手的动作；执行系统由前臂、手腕、手指关节和拉杆组成，前臂通过肘关节能实现任意角度旋转，增加了手指抓取的灵活性，同时由于手腕处设有万向节，因此也可以实现手腕的转动，且相比较人的手腕，该机械手腕的转动范围更大。

手指头是实现抓取的关节装置，手指头采用的磨砂材质的材料，摩擦力大，易于抓取物体。手指共有三个关节组成，每个关节都含有内置驱动电机，接收到指令后，在电机的作用下实现运动。关节的内置驱动电机为小型电机，当电机启动时，关节可以进行相应方向的运动，当电机转向相反方向时，关节也会根据相应的作用力进行调整。

机械前臂设置的主液压缸、副液压缸和旋转拉杆，可以有效实现对手掌的控制；机械手臂伸缩和手指握紧动作由液压电磁阀控制，具体的说，电动机带动油泵从油箱中吸油，并将有压力的油液送入管路推动主油缸和副油缸工作，主油缸和副油缸分别推动主油缸杆和副油缸杆进行工作，进而实现伸缩和握紧的动作；仿生机械手的下部是转向架和支撑装置；支撑装置的前支撑臂和后支撑臂通过各自配套设置的舵机可实现一定角度的转动，利用仿生原理，采用蜘蛛腿的原理来模拟手部关节的弯曲，利用液压为手臂提供动力。

具体工作原理为：该机械手共有五个手指，每个手指有三个关节，每个关节内均内置小型驱动电机，手指两侧有主副油缸杆，下侧有旋转拉杆（该旋转拉杆为可以转动的油缸杆），手腕处的万向节结构设计，能实现任意转动；机械前臂为油缸杆和骨架等结构组成，能实现伸缩动作；机械肘关节下为支撑装置，在舵机驱动下，前支撑臂和后支撑臂通过转轴能实现上下伸展运动；转向架在最底部，能实现水平面的转动，从基础层面扩大机械手的工作范围。

手部动作由液压缸驱动，而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。下降电磁阀通电时，手部下降;下降电磁阀断电时，手部下降停止。只有上升电磁阀通电时，手部才上升;上升电磁阀断电时，手部上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈控制和手指关节处的单片机共同控制。手指的动作由单片机控制，当单片机给予舵机驱动信号，舵机进行相应角度的转动，实现手指关节的转动，从而抓取或放下物品。主副油缸杆在每根手指的两侧，通过液压电磁阀控制，两端伸缩长度的不同，带动手指的横向转动，带动抓取动作。旋转拉杆在每个手指下面，准确位置在后指关节下面，具有伸缩功能，为两级伸缩结构，能带动手指横向合并和垂直面的转动。通过主副油缸杆、旋转拉杆、舵机、伸缩转动的机械前臂以及同样可转动的支撑装置和转向架，可以实现手指在三维空间的任意移动，通过各零件的配合，实现抓取动作。

综上所述，本实用新型将液压电磁阀，油缸，油缸杆，仿人形机械手，PLC可编程逻辑控制器，单指运动，多关节联动等技术综合运用到一种基于液压的仿生机械手上，在现有领域中没有被提及，且相关技术的运用，令该一种基于液压的仿生机械手具备了很多优点，如动作灵活，复杂动作完成精度高，动能利用效率高等。因此，本实用新型具有显著的进步。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。