CN114176852A - 一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节。机械手的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机械手，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现机械手腕关节的控制。本发明实现腕关节位置、速度和加速度的精确控制，具有结构紧凑、控制性能优良、工程易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械手腕关节，尤其是涉及了一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节。
背景技术
目前市面上为肢体残疾人提供的高性价比假肢数量很少，大部分是装饰性的，且目前的假肢多采用单自由度电机结合机械机构实现手腕的多自由度转动，较多的机械传动机构使得手腕关键整体尺寸偏大，重量较大，活动不便，限制了假肢的使用和推广，虽然从20世纪70年代以来机械带腕假肢技术向着多自由度，高精度的方向发展，但是整体而言，目前成熟的商业带腕假手较少，从设计重点来看，多数对假肢的研究设计倾向于装饰性，较少考虑功能性。
发明内容
本发明以机械手腕关节为背景，针对传统机械手腕关节存在的尺寸偏大，重量较大，活动不便的缺点，提供了一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，该机械手腕关节使用了多自由度的压电球电机，同时，使用了多条柔性系绳模拟人体肌腱发送运动指令，采集系绳拉力信号，通过信号转换器转换成电机驱动信号实现电机的精确控制，进而使得机械手腕关节的位置速度和加速度都可以实现精确控制，最终得到机械手腕关节良好的柔顺控制效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明包括机械手、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；
机械手的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机械手的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现机械手腕关节的控制。
所述的多自由度压电球电机模块包括限制圈、定子支架、预紧板簧、行波定子、陶瓷球、下连接杆和弯条；
下连接杆的下端面与球电机驱动模块固定连接，下连接杆的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架，每个定子支架靠近圆心的侧面与行波定子固定连接，每个定子支架与行波定子之间还设置有预紧板簧，在多个行波定子之间的空隙中嵌装有陶瓷球，多个行波定子与陶瓷球的外圆周面相切，陶瓷球的顶部设置有凸起，凸起作为电机输出轴并与与机械手的手腕关节同轴连接，下连接杆的上端面上还与有多根弯条的一端固定连接，每根弯条设置在相邻两个定子支架之间，每根弯条的另一端向上延伸后与限制圈固定连接，限制圈套装在陶瓷球的顶部，用于限制陶瓷球的轴向运动，球电机驱动模块与行波定子的控制端电连接。
所述陶瓷球位于限制圈和下连接杆之间并且陶瓷球在轴向设置有预设移动距离，陶瓷球的最大直径大于限制圈的直径。
所述的球电机驱动模块包括连接轴和电机驱动器；
连接轴的两端分别与信号转换模块、球电机驱动模块固定连接，连接轴中固定安装有电机驱动器，电机驱动器分别与信号转换模块、球电机驱动模块电连接。
所述的信号转换模块包括信号转换器，信号转换器的两端分别与系绳收放模块和球电机驱动模块均固定连接，信号转换器的输出端还与电机驱动模块电连接，信号转换器的输入端还与系绳收放模块电连接。
所述的系绳收放模块包括固定桁架、系绳、张紧轮、轮毂电机、底座和电机支架；
固定桁架的两端分别与信号转换模块和底座固定连接，底座上间隔地固定安装有多个电机支架，每个电机支架上安装有轮毂电机，每个电机支架上还通过连接杆固定安装有张紧轮，张紧轮上设置有压力传感器，用于测量系绳压力，张紧轮上的压力传感器和轮毂电机均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座之间设置有多根系绳，每根系绳的一端固定安装在信号转换模块，每根系绳的另一端绕过张紧轮后固定在对应的轮毂电机上，每根系绳卷绕在对应的轮毂电机上，轮毂电机的转动实现系绳的收放。
本发明的有益效果是：
1、本发明相比于传统机械手腕关节，由于使用了高可靠性多自由度球铰式压电球电机，使得该机械手腕关节重量轻，结构尺寸小，安装方便。
2、相比于传统的机械手腕关节，本发明的后端的采用系绳模拟人体肌腱信号，耦合度高，可实现机械手腕关节良好的柔性控制。
3、相比于传统的行波型压电球电机，本发明提出一种球铰式灵巧压电球电机新结构，解决了以往电机存在的抗压/拉能力差，球转子难于精确控制的问题。
4、本发明结构设计巧妙，制造方便，易于工程实现。
5、本发明的多自由度压电球电机的质心稳定，转子受力均匀，驱动较为容易
附图说明
图1是本发明的机械手腕关节三维图之一；
图2是本发明的机械手腕关节三维图之二；
图3是本发明的多自由度压电球电机模块示意图；
图4是本发明的电机驱动模块示意图；
图5是本发明的系绳收放模块示意图；
图中：1、限制圈，2、定子支架，3、预紧板簧，4、行波定子，5、陶瓷球，6、电机输出轴，7、下连接杆，8、弯条，9、机械手，10、连接轴，11、电机驱动器，12、信号转换器，13、固定桁架，14、系绳套筒，15、轮毂电机外壳，16、系绳，17、张紧轮，18、轮毂电机，19、底座，20、电机支架，21、系绳收放模块外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括机械手9、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；
机械手9的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机械手9的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现机械手腕关节的控制。
如图3所示，多自由度压电球电机模块包括限制圈1、定子支架2、预紧板簧3、行波定子4、陶瓷球5、下连接杆7和弯条8；
下连接杆7的下端面与球电机驱动模块固定连接，下连接杆7的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架2，具体实施中，定子支架2为3个，即相邻两个定子支架2之间的夹角为120°。每个定子支架2靠近圆心的侧面与行波定子4固定连接，每个定子支架2与行波定子4之间还设置有预紧板簧3，预紧板簧3用于提供弹簧预紧力，使得行波定子与陶瓷球转子紧密接触，在多个行波定子4之间的空隙中嵌装有陶瓷球5，多个行波定子4与陶瓷球5的外圆周面相切，陶瓷球5的顶部设置有凸起，凸起作为电机输出轴6并与机械手9的手腕关节同轴连接，下连接杆7的上端面上还与有多根弯条8的一端固定连接，每根弯条8设置在相邻两个定子支架2之间，每根弯条8的另一端向上延伸后与限制圈1固定连接，限制圈1套装在陶瓷球5的顶部，用于限制陶瓷球5的轴向运动，球电机驱动模块的电机驱动器11与行波定子4的控制端电连接，球电机驱动模块通过行波定子4带动陶瓷球5，使得电机输出轴6转动。具体地电机驱动原理：电机正常工作时，行波定子4通过预紧板簧3提供的弹簧预紧力与陶瓷球转子5充分接触，行波定子在通电的情况下，产生高频振动，三个行波定子相互配合产生驱动力矩，陶瓷球在力矩的作用下做转动。
陶瓷球5位于限制圈1和下连接杆7之间并且陶瓷球5在轴向设置有预设移动距离，即陶瓷球5沿电机输出轴方向可移动一端距离；陶瓷球5的最大直径大于限制圈1的直径。
如图4所示，球电机驱动模块包括连接轴10和电机驱动器11；
连接轴10的两端分别与信号转换模块、球电机驱动模块固定连接，连接轴10中固定安装有电机驱动器11，电机驱动器11的输出端、输入端分别与信号转换模块的行波定子4控制端、球电机驱动模块的信号转换器12输出端电连接。
信号转换模块包括信号转换器12，信号转换器12的两端分别与系绳收放模块的系绳16、套筒14和球电机驱动模块的连接轴10均固定连接，信号转换器12的输出端还与电机驱动模块的电机驱动器11的输入端电连接，信号转换器12的输入端还与系绳收放模块的系绳16、张紧轮17和轮毂电机18电连接。信号转换器的输入端和输出端分别设置有四个输入口和四个输出口，可将来自四个压力传感器的信号转换为球电机驱动模块中的电机驱动器的电信号输出。电机驱动器可将信号转换器的输出信号综合处理后传递给多自由度压电球电机。
如图5所示，系绳收放模块包括固定桁架13、系绳16、套筒14、张紧轮17、轮毂电机18、轮毂电机外壳15、系绳收放模块外壳21、底座19和电机支架20；
固定桁架13、系绳16、套筒14、张紧轮17、轮毂电机18、轮毂电机外壳15、系绳收放模块外壳21、底座19和电机支架20均设置在系绳收放模块外壳21内；固定桁架13的两端分别与信号转换模块的输入端和底座19固定连接，底座分为两个半圆，通过销钉连接，每个半圆至少与一根固定桁架13固定连接，底座19上间隔地固定安装有多个电机支架20，每个电机支架20上安装有轮毂电机18，每个轮毂电机18外均安装有轮毂电机外壳15，每个电机支架20上还通过连接杆固定安装有张紧轮17，张紧轮17上设置有压力传感器，用于测量系绳16压力，张紧轮17上的压力传感器和轮毂电机18均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座19之间设置有多根系绳16，系绳16与轮毂电机18个数相同，具体实施中，系绳16与轮毂电机18均为4个。每根系绳16的一端固定安装在信号转换模块的输入端，每根系绳16的一端外设置有套筒14，套筒14的一端固定安装在信号转换模块的输入端，套筒14与系绳16之间设置有间隙；每根系绳16的另一端绕过张紧轮17后固定在对应的轮毂电机18上，每根系绳16卷绕在对应的轮毂电机18上，轮毂电机18的转动实现系绳16的收放，系绳16的收放过程和人体的肌腱收缩和舒张过程类似，安装在张紧轮17上的压力传感器有信号输出，信号转换器12接收并将收集到的压力信号转换为电机驱动器11的输入电信号输出，电机驱动器11处理接收来自信号转换器12的电信号，控制多自由度压电球电机转动，实现球铰式压电球电机的电机输出轴6的多位姿。
具体实施中，每根系绳16的拉力作为系绳收放模块的关节驱动信号，每根系绳16的拉力是对测量所得的系绳16施加在对应压力传感器上的压力和张紧轮17与电机支架17之间的夹角进行计算后获得，其中张紧轮17与电机支架17的夹角具体是电机支架20的连接杆与电机支架20的中轴线之间的夹角。
本发明的工作过程如下：
首先，系绳模块中系绳通过张紧测量模块中的张紧轮，缠绕在系绳收放模块中的轮毂电机上，系绳一直保持张紧状态，张紧轮上的压力传感器测量压力并输出信号，四个轮毂电机可分别独立转动不受影响，通过轮毂电机的转动，实现系绳的收缩和舒张，模拟人体肌腱的收缩和舒张过程，同时，四个轮毂电机各自相互独立运动不受影响，安装在张紧轮上的压力传感器分被测量来自系绳的不同压力值，将得到的压力信号输入至信号转换器中，压力传感器与轮毂电机形成闭环回路控制，压力传感器的数值可以反馈到轮毂电机，通过轮毂电机的转动改变系绳的拉力。
然后，信号转换器接收来自四个压力传感器的信号，并将压力传感器的信号进行处理转换后变为电机驱动器的电信号输出给电机驱动器，电机驱动器接收来自信号转换器的电信号后，带动多自由度压电球电机进行转动，多自由度球铰式压电球电机的电机输出轴可以输出多个不同的位姿，位姿具体指多自由度球铰式压电球电机的周向转动和轴向位移，进而达到灵活驱动机械手腕关节的目的，同时，多自由度压电球电机的电信号通过闭环回路可以反馈至电机驱动器，电机驱动器可将信号传输回信号转换器，信号转换器可将电机驱动器反馈回的信号转换为压力传感器的信号输出，通过压力传感器与轮毂电机的闭环回路控制实现系绳的收缩和舒张。
最后，不断重复上述步骤，即可实现机械手腕关节柔性控制，达到高精度位姿控制，性能可靠，灵巧，轻量化的要求。
Claims (6)
1.一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，包括机械手(9)、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；
机械手(9)的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机械手(9)的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现手腕关节的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，所述的多自由度压电球电机模块包括限制圈(1)、定子支架(2)、预紧板簧(3)、行波定子(4)、陶瓷球(5)、下连接杆(7)和弯条(8)；
下连接杆(7)的下端面与球电机驱动模块固定连接，下连接杆(7)的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架(2)，每个定子支架(2)靠近圆心的侧面与行波定子(4)固定连接，每个定子支架(2)与行波定子(4)之间还设置有预紧板簧(3)，在多个行波定子(4)之间的空隙中嵌装有陶瓷球(5)，多个行波定子(4)与陶瓷球(5)的外圆周面相切，陶瓷球(5)的顶部设置有凸起，凸起作为电机输出轴(6)并与与机械手(9)的手腕关节同轴连接，下连接杆(7)的上端面上还与有多根弯条(8)的一端固定连接，每根弯条(8)设置在相邻两个定子支架(2)之间，每根弯条(8)的另一端向上延伸后与限制圈(1)固定连接，限制圈(1)套装在陶瓷球(5)的顶部，用于限制陶瓷球(5)的轴向运动，球电机驱动模块与行波定子(4)的控制端电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，所述陶瓷球(5)位于限制圈(1)和下连接杆(7)之间并且陶瓷球(5)在轴向设置有预设移动距离，陶瓷球(5)的最大直径大于限制圈(1)的直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，所述的球电机驱动模块包括连接轴(10)和电机驱动器(11)；
连接轴(10)的两端分别与信号转换模块、球电机驱动模块固定连接，连接轴(10)中固定安装有电机驱动器(11)，电机驱动器(11)分别与信号转换模块、球电机驱动模块电连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，所述的信号转换模块包括信号转换器(12)，信号转换器(12)的两端分别与系绳收放模块和球电机驱动模块均固定连接，信号转换器(12)的输出端还与电机驱动模块电连接，信号转换器(12)的输入端还与系绳收放模块电连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节，其特征在于，所述的系绳收放模块包括固定桁架(13)、系绳(16)、张紧轮(17)、轮毂电机(18)、底座(19)和电机支架(20)；
固定桁架(13)的两端分别与信号转换模块和底座(19)固定连接，底座(19)上间隔地固定安装有多个电机支架(20)，每个电机支架(20)上安装有轮毂电机(18)，每个电机支架(20)上还通过连接杆固定安装有张紧轮(17)，张紧轮(17)上设置有压力传感器，用于测量系绳(16)压力，张紧轮(17)上的压力传感器和轮毂电机(18)均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座(19)之间设置有多根系绳(16)，每根系绳(16)的一端固定安装在信号转换模块，每根系绳(16)的另一端绕过张紧轮(17)后固定在对应的轮毂电机(18)上，每根系绳(16)卷绕在对应的轮毂电机(18)上，轮毂电机(18)的转动实现系绳(16)的收放。
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