本實用新型涉及機械手技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種機械手。

背景技術(shù)：

機械手是應(yīng)用于某些特定場合的夾具。

機械手通常包括手掌、驅(qū)動機構(gòu)和兩個手指；兩個手指均與手掌鉸接并在驅(qū)動機構(gòu)作用下繞鉸接點相向轉(zhuǎn)動以抓持物體，且，每個手指均包括相互鉸接的大指節(jié)和小指節(jié)，大指節(jié)與手掌鉸接，驅(qū)動機構(gòu)既可驅(qū)動大指節(jié)繞其與手掌的鉸接點轉(zhuǎn)動并可驅(qū)動小指節(jié)繞其與大指節(jié)的鉸接點相對于大指節(jié)轉(zhuǎn)動，以滿足對不同尺寸物體的抓取。

具體地，預(yù)備狀態(tài)下，各手指的大指節(jié)和小指節(jié)在驅(qū)動機構(gòu)作用下保持伸展?fàn)顟B(tài)并使兩個手指的小指節(jié)指尖距離保持最大。

抓取較小物體時，各手指的大指節(jié)和小指節(jié)無相對轉(zhuǎn)動并在驅(qū)動機構(gòu)作用下繞與手掌的鉸接點轉(zhuǎn)動直至兩個手指的小指節(jié)與物體接觸并達到驅(qū)動機構(gòu)負載預(yù)設(shè)值時，則說明機械手完成對物體表面包裹，抓持過程結(jié)束。

抓取較大物體時，物體和手指接觸前驅(qū)動機構(gòu)無負載，各手指的大指節(jié)和小指節(jié)兩者保持伸直姿態(tài)，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動兩個手指相對于手掌相向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中各手指兩個指節(jié)作為一個整體同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動至大指節(jié)與物體發(fā)生接觸，繼而運動受阻停止轉(zhuǎn)動，驅(qū)動機構(gòu)繼續(xù)驅(qū)動小指節(jié)繞其與大指節(jié)的鉸接點相對于大指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動直至小指節(jié)也與物體接觸并達到驅(qū)動機構(gòu)的負載預(yù)設(shè)值時，則說明兩指節(jié)均與物體表面貼合，此時兩指節(jié)完成對物體表面的包裹，機械手抓持過程結(jié)束。

可見，機械手是否抓取物體是由驅(qū)動機構(gòu)負載來判斷，即當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)負載達到預(yù)設(shè)值則說明抓取過程結(jié)束。然而，在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)，僅通過驅(qū)動機構(gòu)負載無法準(zhǔn)確判斷機械手是否抓持物體，例如，當(dāng)兩個手指的小指節(jié)的直接接觸相抵后驅(qū)動機構(gòu)的負載也會達到預(yù)設(shè)值，此時機械手同樣會判斷抓持成功從而造成誤判問題。

有鑒于此，如何避免這種誤判問題的發(fā)生，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施例的目的在于提供一種可輔助現(xiàn)有的驅(qū)動扭矩負載判斷手指姿態(tài)的機械手，以避免姿態(tài)誤判問題的發(fā)生。具體技術(shù)方案如下：

本實用新型還提供一種機械手，包括手掌、兩個手指及與兩個手指對應(yīng)設(shè)置的驅(qū)動機構(gòu)；各手指包括相互鉸接的大指節(jié)和小指節(jié)，所述大指節(jié)與所述手掌鉸接，各所述驅(qū)動機構(gòu)可驅(qū)動對應(yīng)的所述大指節(jié)相對于所述手掌轉(zhuǎn)動并可驅(qū)動所述小指節(jié)相對于所述大指節(jié)轉(zhuǎn)動，其特征在于，所述機械手還包括角度傳感器和控制器；

所述角度傳感器安裝于所述手指，用于檢測各大指節(jié)關(guān)節(jié)角α；

所述控制器與所述角度傳感器連接，用于根據(jù)所述大指節(jié)關(guān)節(jié)角α計算得出小指節(jié)關(guān)節(jié)角β并根據(jù)所述大指節(jié)關(guān)節(jié)角α和所述小指節(jié)關(guān)節(jié)角β確定所述手指的姿態(tài)。

可選地，所述驅(qū)動機構(gòu)包括原動件、主動桿、第一連桿、第二連桿、滑塊和扭簧；所述主動桿、所述第一連桿、所述滑塊和所述第二連桿順次鉸接，所述主動桿與所述手掌鉸接，所述滑塊與所述大指節(jié)滑動連接，所述第二連桿與所述小指節(jié)鉸接，所述扭簧預(yù)緊連接所述第二連桿和所述小指節(jié)，所述原動件用于驅(qū)動所述主動桿相對于手掌轉(zhuǎn)動。

可選地，所述原動件具體為舵機。

可選地，所述大指節(jié)和所述小指節(jié)的握持部為凹曲面。

可選地，所述大指節(jié)和所述小指節(jié)的握物部均固設(shè)有彈性墊。

可選地，所述彈性墊具體為硅膠墊。

本實用新型實施例提供的機械手可輔助現(xiàn)有的驅(qū)動扭矩負載判斷手指姿態(tài)，以避免姿態(tài)誤判問題的發(fā)生，并對機械手實施準(zhǔn)確的位置控制，提高抓取的精確性和可靠性。當(dāng)然，實施本實用新型的任一產(chǎn)品或方法必不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型所提供機械手具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型所提供機械手具體實施例的單側(cè)手指的機構(gòu)簡圖；

圖3和4分別為圖1中所示機械手抓取小型物體時第一階段和第二階段時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5至7分為為圖1中所示機械手抓取大型物體時第一階段、第二階段和第三階段的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為圖1所示機械手的機構(gòu)簡圖。

其中，圖1和圖2中各組件名稱與相應(yīng)附圖標(biāo)記之間的對應(yīng)關(guān)系：

1手掌、2大指節(jié)、3小指節(jié)、4滑塊、5扭簧。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

接下來，結(jié)合圖1所示的機械手具體接頭，圖1為本實用新型所提供機械手具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

機械手包括包括1手掌、兩個手指及與兩個手指對應(yīng)設(shè)置的驅(qū)動機構(gòu)；各手指包括相互鉸接的大指節(jié)2和小指節(jié)3，大指節(jié)2與手掌1鉸接，各驅(qū)動機構(gòu)可驅(qū)動對應(yīng)的大指節(jié)2相對于手掌1轉(zhuǎn)動并可驅(qū)動小指節(jié)3相對于大指節(jié)2轉(zhuǎn)動，機械手還包括角度傳感器和控制器；

角度傳感器安裝于手指，用于檢測大指節(jié)關(guān)節(jié)角α；

控制器與角度傳感器電連接，用于根據(jù)大指節(jié)關(guān)節(jié)角α計算得出小指節(jié)關(guān)節(jié)角β并根據(jù)大指節(jié)關(guān)節(jié)角α和小指節(jié)關(guān)節(jié)角β確定手指的姿態(tài)。

詳細地，各手指通過各自的驅(qū)動機構(gòu)相對于手掌1轉(zhuǎn)動彎曲或伸展，接下來以單側(cè)手指為例來詳細說明這種驅(qū)動機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)。

參照圖2所示，該圖為本實用新型所提供機械手具體實施例的單側(cè)手指的機構(gòu)簡圖，驅(qū)動機構(gòu)包括原動件(圖中未示出)、主動桿、第一連桿、第二連桿、滑塊4和扭簧5；其中，主動桿、第一連桿、滑塊4和第二連桿順次鉸接，主動桿與手掌1鉸接并由原動件驅(qū)動繞鉸接點轉(zhuǎn)動，滑塊4與大指節(jié)2滑動連接，第二連桿與小指節(jié)3鉸接，扭簧5預(yù)緊連接第二連桿和小指節(jié)3。

所述主動桿與所述手掌的鉸接點為O，所述主動桿與所述第一連桿的鉸接點為A，所述第一連桿、所述滑塊和所述第二連桿三者的鉸接點為B，所述第二連桿和小指節(jié)的鉸接點C，所述手指的大指節(jié)和小指節(jié)的鉸接點為D，所述大指節(jié)和所述手掌的鉸接點為E，且，所述驅(qū)動機構(gòu)成ABEO和BCDE兩個四邊形，過鉸接點E且垂直于線段DE的直線與過鉸接點B且沿所述滑塊滑動方向延伸直線的交點為G。

l₁代表線段OA的長度，l₂代表線段AB的長度，l₄代表線段BC的長度，l₅代表線段CD的長度，l₆代表線段DE的長度，l₇代表線段OE的長度，l₈代表線段BE的長度，a代表線段AG的長度，d代表線段EG的長度，x代表線段BG的長度。

參照圖3和4所示，圖3和4分別為圖1中所示機械手抓取小型物體時第一階段和第二階段時的結(jié)構(gòu)示意圖，機械手抓取小尺寸物體的運動過程為：

如圖3所示，抓取第一階段時，大指節(jié)2和小指節(jié)3在驅(qū)動機構(gòu)作用下保持伸展?fàn)顟B(tài)并使兩個手指的小指節(jié)3指尖距離保持最大。原動件驅(qū)動主動桿轉(zhuǎn)動，驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動扭矩尚未達到扭簧5的預(yù)緊扭矩時，大指節(jié)2和小指節(jié)3在扭簧5的預(yù)緊扭矩作用下無相對轉(zhuǎn)動保持為一個整體，原動件的驅(qū)動扭矩推動主動桿繞其與手掌1的鉸接點O沿逆時針轉(zhuǎn)動，與此同時大指節(jié)2和小指節(jié)3整體繞大指節(jié)2與手掌1的鉸接點E轉(zhuǎn)動至如圖4所示的小指節(jié)3與物體接觸，靜態(tài)抓取時，物體對小指節(jié)3的反作用力通過第二連桿l₄、滑塊4、第一連桿l₂和主動桿l₁傳遞至原動件，與原動件的輸出力矩相抗衡保持平衡，繼而完成了抓取工作。

同樣，參照圖5至7所示，圖5至7分為為圖1中所示機械手抓取大型物體時第一階段、第二階段和第三階段的結(jié)構(gòu)示意圖，機械手抓取大尺寸物體的動過程為：

如圖5所示，第一階段，大指節(jié)2和小指節(jié)3在驅(qū)動機構(gòu)作用下保持伸展?fàn)顟B(tài)并使兩個手指的小指節(jié)3指尖距離保持最大。原動件驅(qū)動主動桿轉(zhuǎn)動，驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動扭矩尚未達到扭簧5的預(yù)緊扭矩時，大指節(jié)2和小指節(jié)3在扭簧5的預(yù)緊扭矩作用下無相對轉(zhuǎn)動保持為一個整體，原動件的驅(qū)動扭矩推動主動桿繞其與手掌1的鉸接點O沿逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)手指持續(xù)轉(zhuǎn)動時，大指節(jié)2首先與物體發(fā)生接觸，繼而運動受阻停止轉(zhuǎn)動，此時小指節(jié)3尚未接觸物體表面，其繼續(xù)運動的趨勢并不受剛性的約束，此時滑塊4及連桿的推動作用迫使小指節(jié)3形成相對于大指節(jié)2轉(zhuǎn)動趨勢，與扭簧5維持伸展的扭矩相抗衡，當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)提供的驅(qū)動扭矩超過扭簧5的預(yù)緊扭矩時，小指節(jié)3形成相對于大指節(jié)2轉(zhuǎn)動至如圖所示的小指節(jié)3與物體發(fā)生接觸為止，物體對大指節(jié)2和小指節(jié)3的反作用力通過第二連桿、滑塊4、第一連桿和主動桿傳遞至原動件并達到原動件的負載預(yù)設(shè)值后，原動件停機等到下次抓取。

需要說明的是，本文所述及的原動件的負載預(yù)設(shè)值是指介于空載扭矩和最大輸出扭矩之間的負載扭矩值，通常當(dāng)手指運動受阻時，其舵機輸出為其設(shè)定的最大扭矩，負載預(yù)設(shè)值可取略低于最大輸出扭矩的數(shù)值。

這種機械手采用以主動桿和滑塊4為基礎(chǔ)的欠驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕且靈活性好。此外，該驅(qū)動機構(gòu)保證了單指有一個自調(diào)節(jié)的自由度，該自由度受扭簧5控制，實現(xiàn)了機械手對被抓持物體表面形狀的自適應(yīng)性，同時有利于實現(xiàn)物體表面受力的均衡。

優(yōu)選地，原動件具體為舵機，舵機固定安裝于手掌1且其動力輸出軸和主動桿固定連接。由于舵機具有負載力矩檢測功能，故可簡化機械手整體設(shè)計成本。當(dāng)然，原動件并不僅限于舵機，還可以為可提供轉(zhuǎn)動力矩的電機等其他裝置。

另外，為了提高機械手抓持穩(wěn)定性，大指節(jié)2和/或小指節(jié)3的握持部均為凹曲面，且，在握持部還固設(shè)了防滑墊，以提高較大的摩擦力，保證物體被抓取而不會輕易滑落。該防滑墊優(yōu)選采用硅膠墊，當(dāng)然，在滿足防滑功能及裝配工藝要求的基礎(chǔ)上，該防滑墊亦可為除硅膠墊外其他任何現(xiàn)有的防滑墊。

需要說明的是，控制器可以為電腦或工控機等控制設(shè)備。

結(jié)合圖8所示，該圖為圖1所示機械手的機構(gòu)簡圖。

控制器根據(jù)以下公式計算兩個手指的小指節(jié)3的指尖距離x。

x＝l-2l₆cosα-2l₃cos(β+α-π)

其中，大指節(jié)關(guān)節(jié)角α是指兩個大指節(jié)2與手掌1鉸接點連接線與各手指的大指節(jié)2與手掌1的鉸接點與小指節(jié)3與大指節(jié)2鉸接點連線所夾的角，小指節(jié)關(guān)節(jié)角β是指各大指節(jié)2與手掌1和小指節(jié)3三者鉸接點的連線與小指節(jié)3和大指節(jié)2鉸接點至小指節(jié)3指尖連線所夾的角；l代表兩個大指節(jié)2與手掌1三者鉸接點的連線，l₃代表小指節(jié)3與大指節(jié)2鉸接點至指尖的連線，即圖2中線段DF的長度，l₆代表大指節(jié)2與手掌1和小指節(jié)3鉸接點連線，即圖2中線段DE的長度。然后，判斷驅(qū)動機構(gòu)負載是否達到負載預(yù)設(shè)值，若驅(qū)動機構(gòu)的負載達到負載預(yù)設(shè)值，且，x≠0，則表明所述機械手已抓取物體。

優(yōu)選地，小指節(jié)關(guān)節(jié)角β根據(jù)所述大指節(jié)關(guān)節(jié)角α、驅(qū)動扭矩輸入角以及提供所述驅(qū)動扭矩的驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)計算得出。

也就是說，為了簡化大指節(jié)關(guān)節(jié)角α和小指節(jié)關(guān)節(jié)角β的檢測步驟，控制器還可根據(jù)大指節(jié)關(guān)節(jié)角α、原動件的驅(qū)動扭矩輸出角及主動桿、第一連桿、第二連桿、滑塊4、大指節(jié)2和小指節(jié)3相對位置關(guān)系及尺寸參數(shù)計算出小指節(jié)關(guān)節(jié)角β。

所述小指節(jié)關(guān)節(jié)角β的計算方法如下：

在O點處，有：

θ代表線段OA與水平軸(X軸)的夾角，θ₁代表線段OA與線段OE的夾角，φ代表線段OE與豎直軸(Y軸)的夾角；

在三角形OAE中使用余弦定理，可得：

σ₀代表線段AG與水平軸負方向的夾角；

故有：

σ代表線段AG與線段BG的夾角；

線段AG的長度a可根據(jù)勾股定理得出：

在三角形ABG中根據(jù)余弦定理，解二次方程得其正數(shù)解(根據(jù)通常情況下l₂>a的條件舍去負解)：

在三角形BEG中應(yīng)用余弦定理得出線段BE長度l₈：

γ代表線段EG與線段BG的夾角；

在三角形BEG中應(yīng)用正弦定理，得到線段BE的傾斜角度為：

在E點處，線段DE和線段EB的夾角為：

在三角形BDE中應(yīng)用余弦定理，得：

在三角形BDE和三角形BDC中再次應(yīng)用余弦定理，可得：

代表線段OC和線段DE的夾角；

故所述小指節(jié)關(guān)節(jié)角β為：

λ代表線段CD和線段DF的夾角，F(xiàn)代表所述小指節(jié)的指尖。

將以上公式依次代入，即可得小指節(jié)關(guān)節(jié)角β與大指節(jié)關(guān)節(jié)角α和原動機的驅(qū)動扭矩輸出角θ之間的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)軟件Matlab或Mathematica可以將變量依次消去，僅剩余一系列機構(gòu)參數(shù)條件下三者的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式，中間變量的多次代入使得該表達式較為冗長。然而在實際應(yīng)用中，無需使用統(tǒng)一的綜合表達式進行三者之間的數(shù)值運算，僅需依照上述表達式依次求得中間變量，再代入后續(xù)表達式，直至求得最終結(jié)果也即β的數(shù)值，所述β與θ、α之間的關(guān)系最終以數(shù)據(jù)表格的形式寫入控制器中，在系統(tǒng)工作的任一時刻，根據(jù)實時測得的θ與α的數(shù)值，可通過表格查詢以及線性插值的方法獲取小指節(jié)關(guān)節(jié)角β的數(shù)值。

手指大指節(jié)2的指跟關(guān)節(jié)處配置一個角度傳感器以檢測大指節(jié)關(guān)節(jié)角α，然后根據(jù)以上兩個角度即可確定此時刻下機械手的位姿。根據(jù)連桿長度及滑道角度等參數(shù)可得到遠端關(guān)節(jié)角與原動件動力輸出角和大指節(jié)關(guān)節(jié)角α之間的關(guān)系，由此可計算出手指各指節(jié)的空間位置參數(shù)，用以對機械手實施準(zhǔn)確的位置控制，提高抓取的精確性和可靠性。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本說明書中的各個實施例均采用相關(guān)的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。