專利名稱：壓電直接驅動的手指關節(jié)及其手指及其手的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓電直接驅動的手指關節(jié)及其手指及其手，屬機器人領域。
背景技術：
多指靈巧手依照傳動方式可分為齒輪傳動和腱傳動。采用齒輪傳動就必須增 加調節(jié)齒輪間隙的裝置，這樣既會增加手的附加重量，也會使手的機構變得復雜； 當齒輪間隙調小了之后，新的問題又會接踵而至，如齒輪傳動的摩擦增大，于是， 又需要添加新的裝置來減少齒輪傳動的摩擦。腱傳動類似皮帶輪傳動，腱的材料 一般采用鋼絲繩或彈性線。在腱傳動方式中，腱需要預緊，通常預緊力比較大， 但又不能過大，張力過大可能會使腱拉斷，不利于大負載條件下的抓取工作；腱 有張力，容易變形，會引起傳動的滯后現(xiàn)象，使用時間長了，腱會變松弛，將會 帶來較大的運動傳遞誤差；腱只能受拉而不能受壓，所以實現(xiàn)回程將會很困難， 控制力一旦超調，消除起來將是一件非常麻煩的事，但超調在實際中不可避免。 要想實現(xiàn)回程，只有在每個關節(jié)處再加置一個電機，使兩個電機配合工作實現(xiàn)一 個關節(jié)的正反轉，這樣給手指的安裝和控制都會帶來不便。由于這些輔助裝置的 存在，使得現(xiàn)有的靈巧手體積很難控制在普通人手的1.5倍以下。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于研制一種無需減速裝置和預緊裝置，具有體積小、重量輕、 響應快，操作靈活、易于微小型化的壓電直接驅動手指關節(jié)，從而減少手指和手 的體積和重量。一種壓電執(zhí)行器驅動的手指關節(jié)，其特征在于包括左側板、右側板、關節(jié) 軸、驅動輪、矩形彈性體、電位計、支撐架、第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片 第三壓電陶瓷片；其中關節(jié)軸垂直安裝于左側板和右側板上，電位計的外殼安裝于左側板或右 側板上，電位計的內孔與關節(jié)軸固連，用于測量關節(jié)軸轉動角度，驅動輪固定安裝于關節(jié)軸上，驅動輪的外輪廓分成圓弧段和直線段，圓弧段的角度范圍是120°-270°，直線段上有一個凸臺；矩形彈性體通過支撐架固定安裝于左側板或右側板上，且矩形彈性體的正面 有上下兩個凸臺，矩形彈性體的反面沿上下粘有第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷 片，矩形彈性體的一個側面粘有第三壓電陶瓷片，矩形彈性體正面的兩個凸臺始 終與驅動輪的圓弧段接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸 臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間 摩擦力作用，推動驅動輪轉動；驅動輪直線段上的凸臺和前一指節(jié)固聯(lián)，左側板和右側板與后一指節(jié)固聯(lián)。所述壓電執(zhí)行器驅動的手指關節(jié)的手指，其特征在于當手指為食指或中指或無名指或小指時，依次包括手指遠端指節(jié)、手指遠端 指間關節(jié)、手指近端指節(jié)、手指近端指間關節(jié)、手指彎曲掌骨指節(jié)、手指掌指關 節(jié)I、手指擺動掌骨指節(jié)、手指掌指關節(jié)II、手指掌骨體；其中手指遠端指間關節(jié)、 手指近端指間關節(jié)和手指掌指關節(jié)I實現(xiàn)關節(jié)的彎曲運動，上述三個關節(jié)的關節(jié) 軸之間相互平行，手指掌指關節(jié)II實現(xiàn)整個手指的內收-外展運動；該關節(jié)的關節(jié) 軸與上述三個關節(jié)的關節(jié)軸垂直；當手指為拇指時，依次包括拇指遠端指節(jié)、拇指遠端指間關節(jié)、拇指近端指 節(jié)、拇指近端指間關節(jié)、拇指擺動掌骨指節(jié)、拇指掌指關節(jié)、拇指掌根指節(jié)、拇 指掌根關節(jié)、拇指掌骨體；其中拇指遠端指間關節(jié)和拇指近端指間關節(jié)實現(xiàn)關節(jié) 的彎曲運動，這兩個關節(jié)的關節(jié)軸平行；拇指掌指關節(jié)實現(xiàn)拇指相對于其它手指 的內收-外展運動，該關節(jié)的關節(jié)軸與上述兩個關節(jié)的關節(jié)軸垂直；拇指掌根關 節(jié)實現(xiàn)整個拇指相對于手掌的內收-外展運動，該關節(jié)的關節(jié)軸與上述三個關節(jié) 軸垂直。所述手指的手，其特征在于包括拇指、食指、中指、無名指、小指五個手 指，及用于固定五個手指的底座。所述的手，其特征在于底座直接作為拇指的拇指掌根關節(jié)中的左側板或右 側板。本發(fā)明的優(yōu)點是手指關節(jié)不需要以往靈巧手中所需要電機減速裝置和鋼絲 繩的預緊裝置，實現(xiàn)了直接驅動，不僅具有響應快，操作靈活、易于控制的特點，而且又兼具了壓電驅動體積小、重量輕的特點；本壓電驅動手指關節(jié)結構簡單， 易于微小型化，從而減小了手指和手的體積和重量，同時由于壓電驅動方式不受 電磁場、真空和輻射的干擾，更適用于空間探索和核能開發(fā)的場合。


-圖1 (a、 b)是靈巧手關節(jié)驅動單元結構示意圖。圖9(a)為主視圖，圖9 (b) 為去除側板和電位計的俯視圖。 圖2是彈性體結構簡圖。 圖3是彈性體的運動機理簡圖。 圖4是壓電直接驅動五指靈巧手的整體結構示意圖。圖5 (a、 b)是靈巧手食指、中指、無名指、小指結構示意圖。圖2(a)為主視圖，圖2 (b)為俯視圖。圖6是靈巧手食指、中指、無名指、小指的手指遠端指間關節(jié)結構示意圖。圖7是靈巧手食指、中指、無名指、小指的手指近端指間關節(jié)結構示意圖。圖8是靈巧手食指、中指、無名指、小指的手指掌指關節(jié)I結構示意圖。圖9是靈巧手食指、中指、無名指、小指的手指掌指關節(jié)II結構示意圖。圖10 (a、 b)是靈巧手拇指結構示意圖。圖2(a)為主視圖，圖2 (b)為俯視圖。圖11是靈巧手拇指的掌根關節(jié)結構示意圖。 圖12靈巧手控制系統(tǒng)硬件結構框圖 圖13.靈巧手控制軟件流程圖，圖中1.食指 2.中指3.無名指4.小指5.拇指6.底座7手指遠端指節(jié) 8手指近端指節(jié) 9手指彎曲掌骨指節(jié) 10手指擺動掌 骨指節(jié) 11手指掌骨體 12手指遠端指間關節(jié) 13手指近端指間關節(jié) 14手指掌指關節(jié)I 15手指掌指關節(jié)II 16指尖帽 17遠端關節(jié)軸 18遠端左側板 19遠端驅動輪20遠端電位計21遠端支撐架 22遠端右側板 23遠端彈性體24近端關節(jié)軸25近端支撐架26近端左側板 27近端指間連接件 28近端電位計 29近端驅動輪30近端彈性體31近端右側板 32第一掌指關節(jié)軸 33第一掌指左側板 34第一掌指連接件 35第一掌指電位計 36第一掌指驅動輪 37第一 掌指彈性體38第一掌指支撐架 39第一掌指右側板 40第二掌指連接件 41第二掌指電位計 42第二掌指支撐架 43第二掌指左側板 44第二掌指 驅動輪45第二掌指關節(jié)軸46第二掌指彈性體 47第二掌指右側板51拇指遠端指節(jié) 52拇指近端指節(jié) 53拇指擺動掌骨指節(jié)54拇指掌根指 節(jié)55拇指掌骨體 56拇指遠端指間關節(jié) 57拇指近端指間關節(jié) 58拇 指掌指關節(jié) 59拇指掌根關節(jié) 61掌根連接件 62掌根驅動輪 63掌 根電位計 64掌根彈性體 65掌根支撐架 67掌根關節(jié)軸 68掌根右 側板71矩形彈性體 72驅動輪 73第一壓電陶瓷片 74第二壓電陶瓷 片 75關節(jié)軸 76第三壓電陶瓷片77左側板78電位計79右側 板80支撐架。
具體實施方式
-下面將結合附圖對壓電直接驅動的五指靈巧手作進一步的說明。 靈巧手的每個關節(jié)的驅動單元相同，如圖l (a、 b)所示，包括左側板77、 右側板79、關節(jié)軸75、驅動輪72、矩形彈性體71、電位計78、支撐架80、第 一壓電陶瓷片73、第二壓電陶瓷片74第三壓電陶瓷片76;其中關節(jié)軸75垂直 安裝于左側板77和右側板79上，電位計78的外殼安裝于左側板77或右側板 79上，電位計78的內孔與關節(jié)軸75固連，用于測量關節(jié)軸75轉動角度，驅動 輪72固定安裝于關節(jié)軸75上，驅動輪72的外輪廓分成圓弧段和直線段，圓弧 段的角度范圍是120°- 270°，直線段上有一個凸臺；矩形彈性體71通過支撐架 80固定安裝于左側板77或右側板79上，且矩形彈性體71的正面有上下兩個凸 臺，矩形彈性體71的反面沿上下粘有第一壓電陶瓷片73和第二壓電陶瓷片74， 矩形彈性體71的一個側面粘有第三壓電陶瓷片76，矩形彈性體71正面的兩個 凸臺始終與驅動輪72的圓弧段接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性 體的兩個凸臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和 驅動輪之間摩擦力作用，推動驅動輪轉動；靈巧手的手指關節(jié)與人的手指關節(jié)運 動角度一樣，均不會超過120。，因此，驅動輪在實際工作中不會出現(xiàn)轉動角度大 于120°的情況。驅動單元的工作原理，如圖2和圖3所示。為了描述方便，將彈性體上的兩 個凸臺，稱為驅動足。在圖2中，彈性體底部的壓電陶瓷片均施加cos(戰(zhàn))電壓信號，彈性體側面的壓電陶瓷片施加sin(的電壓信號，三塊壓電陶瓷片的反面電極接地。忽略其他模態(tài)對工作模態(tài)的干擾和阻尼作用，當在圖2所示的彈性體上 加上兩相電壓激勵信號后，彈性體將被激發(fā)出同頻一階縱振模態(tài)響應和二階彎振模態(tài)響應式中，()^(X)代表一階縱振的幅值，"2("代表二階彎振的幅值。由(1 )式可以看出二階彎振位移響應和一階縱振位移響應在時間上存在;r/2 的相位差。此外，在二階彎振的波幅處，二階彎振位移和一階縱振位移方向始終 相互垂直，即對應于二階彎振波幅處的驅動足上的2個位移響應在空間上亦存在 的相位差，所以位于二階彎振波幅處的驅動足上可形成橢圓運動軌跡。下面按照圖3來詳細分析彈性體在一個周期內的運動過程。(1) 當6^-0 ;r/2時，v(x,0 = l~0， "(^) = 0 1,此時彈性體的運動狀態(tài)由圖3 (a)所示的彎曲振動的最大位置逐漸變化到圖3 (b)所示的縱向振動 的最大伸張位置。在變化過程中，左驅動足由彎曲振動的波峰位置隨著縱向振動 的伸長順時針向上旋轉到彎曲振動的平衡位置，此階段，左驅動足驅動導軌向右 移動了一步；右驅動足由彎曲振動的波谷位置隨著縱向振動的伸長順時針向下旋 轉到彎曲振動的平衡位置，此階段，右驅動足與導軌脫離。(2) 當M-7T/2 ;r時，w(x,r) = l~0， v(:c,f) = 0~—1，此時彈性體的運動狀態(tài)由圖3 (b)所示的縱向振動的最大伸張位置逐漸變化到圖3 (c)所示的彎 曲振動的最大位置。在變化過程中，左驅動足由彎曲振動的平衡位置隨著縱向振 動由伸長到收縮的變化繼續(xù)順時針向上旋轉到彎曲振動的波谷位置，此階段，左 驅動足與導軌脫離；右驅動足由彎曲振動的平衡位置隨著縱向振動的伸長到收縮 的變化繼續(xù)順時針向下旋轉到彎曲振動的波峰位置，此階段，右驅動足驅動導軌 向右移動了一步。(3) 當紐-;r 3;r/2時，v(x,,) = + 0， "0,0 = 0 一1，此時彈性體的運動狀態(tài)由圖3 (c)所示的彎曲振動的最大位置逐漸變化到圖3 (d)所示的縱向振動的最大收縮位置。在變化過程中，左驅動足由彎曲振動的波谷位置隨著縱向振 動的收縮繼續(xù)順時針向下旋轉到彎曲振動的平衡位置，此階段，左驅動足與導軌脫離；右驅動足由彎曲振動的波峰位置隨著縱向振動的收縮繼續(xù)順時針向上旋轉 到彎曲振動的平衡位置，此階段，右驅動足驅動導軌向右移動了一步。(4)當0^3;r/2 2;r時，"(x,f) = —1~0， v(U)-0 1，此時彈性體的運動狀態(tài)由圖3 (d)所示的縱向振動的最大收縮位置又逐漸回到了如圖3 (a)所示 的彎曲振動的最大位置。在變化過程中，左驅動足由彎曲振動的平衡位置隨著縱 向振動由收縮到伸長的變化繼續(xù)順時針向下旋轉到彎曲振動的波峰位置，此階 段，左驅動足驅動動子向右移動了一步；右驅動足由彎曲振動的平tf位置隨著縱 向振動由收縮到伸長的變化繼續(xù)順時針向上旋轉到彎曲振動的波谷位置，此階 段，右驅動足與導軌脫離。上述四個步驟的分析表明，彈性體的左右兩個驅動足在一個周期內均交替完 成了一次橢圓軌跡的運動。在彈性體驅動足橢圓軌跡運動的作用下，通過彈性體 和導軌之間摩擦力的作用，推動導軌向前運動。如果改變電壓信號正、負號，會 使彈性體驅動足上的橢圓運動軌跡反向，從而可改變導軌的運動方向。如果將導軌置換成有一個固定轉軸的圓盤，則該圓盤可以實現(xiàn)繞固定轉軸的旋轉運動。一種壓電直接驅動的五指靈巧手，如圖4所示，包括拇指5、食指l、中指 2、無名指3、小指4五個手指和底座6。食指l、中指2、無名指3、小指4和 拇指5分別固定在底座6上。食指l、中指2、無名指3、小指4的結構相同，如圖5 (a、 b)所示，分別 具有手指遠端指節(jié)7、手指近端指節(jié)8、手指彎曲掌骨指節(jié)9和手指擺動掌骨指 節(jié)IO和手指掌骨體11及四個關節(jié)和四個自由度。四個關節(jié)從指根向外分別是手 指掌指關節(jié)II 15、手指掌指關節(jié)I 14,手指近端指間關節(jié)13及手指遠端指間 關節(jié)12,每個關節(jié)具有一個相對應的自由度。手指掌指關節(jié)I 14、手指近端指 間關節(jié)13及手指遠端指間關節(jié)12實現(xiàn)關節(jié)的彎曲運動，手指掌指關節(jié)II 15實 現(xiàn)整個手指的內收-外展運動。手指遠端指節(jié)7通過手指遠端指間關節(jié)12連于手 指近端指節(jié)8，手指近端指節(jié)8再通過手指近端指間關節(jié)13連于手指彎曲掌骨 指節(jié)9，手指彎曲掌骨指節(jié)9再通過手指掌指關節(jié)114連于手指擺動掌骨指節(jié)10，手指擺動掌骨指節(jié)10再通過手指掌指關節(jié)II 15連于手指掌骨體U 。所述的手指遠端指間關節(jié)12，如圖6所示，包括指尖帽16、遠端關節(jié)軸17、 遠端左側板18、遠端驅動輪19、測量手指遠端指間關節(jié)轉角的遠端電位計20、 遠端支撐架21、遠端右側板22和粘有壓電陶瓷片的遠端彈性體23。遠端驅動輪 19通過其前端的凸臺與指尖帽16固連。遠端關節(jié)軸17穿過遠端驅動輪19的圓 心，并與遠端驅動輪19固連，遠端關節(jié)軸17的兩端分別支撐在遠端左側板18 和遠端右側板22上，關節(jié)軸17相對于左側板和右側板轉動的角度可以通過遠端 電位計20獲得，粘有壓電陶瓷片的遠端彈性體23通過遠端支撐架21與遠端右 側板22或遠端左側板18固連，遠端彈性體23上的兩個凸臺與遠端驅動輪19 的圓弧段相接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形 成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作 用，推動驅動輪轉動。所述的手指近端指間關節(jié)13，如圖7所示，包括近端指間連接件27、近端 關節(jié)軸24、近端左側板26、近端驅動輪29、測量手指近端指間關節(jié)轉角的近端 電位計28,近端支撐架25、近端右側板31和粘有壓電陶瓷片的近端彈性體30。 近端指間連接件27 —端分別與遠端左側板18和遠端右側板22固連，另一端與 近端驅動輪29固連，近端驅動輪29通過其前端的凸臺與近端指間連接件27固 連。近端關節(jié)軸24穿過近端驅動輪29的圓心，并與近端驅動輪29固連，近端 關節(jié)軸24的兩端分別支撐在近端左側板26和近端右側板31上，近端關節(jié)軸24 相對于左側板和右側板轉動的角度可以通過近端電位計28獲得，粘有壓電陶瓷 片的近端彈性體30通過近端支撐架25與近端右側板31或近端左側板26固連， 彈性體30上的兩個凸臺與近端驅動輪29的圓弧段相接觸，壓電陶瓷在兩相交流 電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同 作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作用，推動驅動輪轉動。所述的手指掌指關節(jié)I14,如圖8所示，包括第一掌指連接件34、第一掌指 關節(jié)軸32、第一掌指左側板33、第一掌指驅動輪36、測量手指掌指關節(jié)I轉角 的第一掌指電位計35、第一掌指支撐架38、第一掌指右側板39和粘有壓電陶瓷 片的第一掌指彈性體37。第一掌指連接件34 —端分別與近端左側板26和近端 右側板31固連，另一端與第一掌指驅動輪36固連，第一掌指驅動輪36通過其前端的凸臺與第一掌指連接件34固連。第一掌指關節(jié)軸32穿過第一掌指驅動輪 36的圓心，并與第一掌指驅動輪36固連，第一掌指關節(jié)軸32的兩端分別支撐 在第一掌指左側板33和第一掌指右側板39上，第一掌指關節(jié)軸32相對于左側 板和右側板轉動的角度可以通過第一掌指電位計35獲得，粘有壓電陶瓷片的第 一掌指彈性體37通過第一掌指支撐架38與第一掌指左側板33或第一掌指右側 板39固連，第一掌指彈性體37上的兩個凸臺與第一掌指驅動輪36的圓弧段相 接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形成橢圓運動 軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作用，推動驅 動輪轉動。所述的手指掌指關節(jié)1115，如圖9所示，包括第二掌指連接件40、第二掌 指關節(jié)軸45、第二掌指左側板43、第二掌指驅動輪44、測量手指掌指關節(jié)II 轉角的第二掌指電位計41、第二掌指支撐架42、第二掌指右側板47和粘有壓電 陶瓷片的第二掌指彈性體46。第二掌指連接件40 —端分別與第一掌指左側板33 和第一掌指右側板39固連，另一端與第二掌指驅動輪44固連，第二掌指驅動輪 44通過其前端的凸臺與第二掌指連接件40固連。第二掌指關節(jié)軸45穿過第二 掌指驅動輪44的圓心，并與第二掌指驅動輪44固連，第二掌指關節(jié)軸45的兩 端分別支撐在第二掌指左側板43和第二掌指右側板47上，第二掌指關節(jié)軸45 相對于左側板和右側板轉動的角度可以通過第二掌指電位計41獲得，粘有壓電 陶瓷片的第二掌指彈性體46通過第二掌指支撐架42與第二掌指右側板47或第 二掌指左側板43固連，第二掌指彈性體46上的兩個凸臺與第二掌指驅動輪44 的圓弧段相接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形 成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作 用，推動驅動輪轉動。所述的拇指5，如圖10 (a、 b)所示，具有拇指遠端指節(jié)51、拇指近端指 節(jié)52、拇指擺動掌骨指節(jié)53和掌根指節(jié)54和拇指掌骨體55及四個關節(jié)和四個 自由度。四個關節(jié)從指根向外分別是拇指掌根關節(jié)59、拇指掌指關節(jié)58，拇指 近端指間關節(jié)57及拇指遠端指間關節(jié)56，每個關節(jié)具有一個相對應的自由度。 拇指近端指間關節(jié)57及拇指遠端指間關節(jié)56實現(xiàn)關節(jié)的彎曲運動，拇指掌指關 節(jié)58實現(xiàn)拇指相對于其它手指的內收-外展運動，拇指掌根關節(jié)59實現(xiàn)整個拇指相對于手掌的內收-外展運動。拇指遠端指節(jié)51通過拇指遠端指間關節(jié)56連 于拇指近端指節(jié)52，拇指近端指節(jié)52再通過拇指近端指間關節(jié)57連于拇指擺 動掌骨指節(jié)53，拇指擺動掌骨指節(jié)53再通過拇指掌指關節(jié)58連于拇指掌根指 節(jié)54，拇指掌根指節(jié)54再通過拇指掌根關節(jié)59連于拇指掌骨體55。所述拇指遠端指間關節(jié)56與其它四指的手指遠端指間關節(jié)12結構相同。 所述拇指近端指間關節(jié)57與其它四指的手指掌指關節(jié)114結構相同。 所述拇指掌指關節(jié)158與其它四指的手指掌指關節(jié)ni5結構相同。 所述的拇指掌根關節(jié)59，如圖11所示，包括掌根連接件61、掌根關節(jié)軸 67、掌根左側板68、掌根驅動輪62、測量拇指掌根關節(jié)轉角的掌根電位計63、 掌根支撐架65、底座6和粘有壓電陶瓷片的掌根彈性體64。掌根連接件61 —端 分別與拇指掌指關節(jié)的左側板和右側板固連，另一端與掌根驅動輪62固連，掌 根驅動輪62通過其前端的凸臺與掌根連接件61固連。掌根關節(jié)軸67穿過掌根 驅動輪62的圓心，并與掌根驅動輪62固連，掌根關節(jié)軸67的兩端分別支撐在 掌根左側板68和底座6上，掌根左側板68和底座6固連，掌根關節(jié)軸67相對 于掌根左側板68和底座6轉動的角度可以通過掌根電位計63獲得，粘有壓電陶 瓷片的掌根彈性體64通過掌根支撐架65與底座6或掌根左側板68固連，掌根 彈性體64上的兩個凸臺與掌根驅動輪62的圓弧段相接觸，壓電陶瓷在兩相交流 電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同 作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作用，推動驅動輪轉動。驅動和控制系統(tǒng)如圖12所示，由驅動單元、驅動器、DSP、 CPLD和計算 機及控制軟件組成，測量系統(tǒng)由力傳感器、電位計構成。計算機用于靈巧手軌跡 規(guī)劃及向下位機DSP發(fā)送控制數(shù)據(jù)，計算機和DSP之間采用RS232進行通訊； DSP選用的是TI公司的TMS320F2812， DSP完成全部關節(jié)運動控制算法和控制 量的給定，實現(xiàn)靈巧手各關節(jié)協(xié)調運動；CPLD選用Atral公司的MAX7000S系 列的EPM7192S， CPLD實現(xiàn)驅動單元的正反轉控制及電路邏輯控制；通過調節(jié) DAC7724施加在驅動器壓頻轉換器上電壓來改變驅動單元的工作頻率實現(xiàn)對其 運行速度的調節(jié)；使用AD公司AD7874和DSP2812片內A/D檢測傳感器信息； 電位計選用的是村田制作所SV01A型，用于檢測各關節(jié)轉角；力傳感器由南京 航空航天大學根據(jù)要求研制；采用PID控制實現(xiàn)了靈巧手位置反饋控制。
權利要求
1、一種壓電執(zhí)行器驅動的手指關節(jié)，其特征在于包括左側板(77)、右側板(79)、關節(jié)軸(75)、驅動輪(72)、矩形彈性體(71)、電位計(78)、支撐架(80)、第一壓電陶瓷片(73)、第二壓電陶瓷片(74)第三壓電陶瓷片(76)；其中關節(jié)軸(75)垂直安裝于左側板(77)和右側板(79)上，電位計(78)的外殼安裝于左側板(77)或右側板(79)上，電位計(78)的內孔與關節(jié)軸(75)固連，用于測量關節(jié)軸(75)轉動角度，驅動輪(72)固定安裝于關節(jié)軸(75)上，驅動輪(72)的外輪廓分成圓弧段和直線段，圓弧段的角度范圍是120°-270°，直線段上有一個凸臺；矩形彈性體(71)通過支撐架(80)固定安裝于左側板(77)或右側板(79)上，且矩形彈性體(71)的正面有上下兩個凸臺，矩形彈性體(71)的反面沿上下粘有第一壓電陶瓷片(73)和第二壓電陶瓷片(74)，矩形彈性體(71)的一個側面粘有第三壓電陶瓷片(76)，矩形彈性體(71)正面的兩個凸臺始終與驅動輪(72)的圓弧段接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作用，推動驅動輪轉動；驅動輪(72)直線段上的凸臺和前一指節(jié)固聯(lián)，左側板(77)和右側板(79)與后一指節(jié)固聯(lián)。
2、 一種利用權利要求1所述壓電執(zhí)行器驅動的手指關節(jié)的手指，其特征在于當手指為食指(1)或中指(2)或無名指(3)或小指(4)時，依次包括手 指遠端指節(jié)(7)、手指遠端指間關節(jié)(12)、手指近端指節(jié)(8)、手指近端指間 關節(jié)(13)、手指彎曲掌骨指節(jié)(9)、手指掌指關節(jié)I (14)、手指擺動掌骨指節(jié) (10)、手指掌指關節(jié)II (15)、手指掌骨體(11);其中手指遠端指間關節(jié)(12)、 手指近端指間關節(jié)(13)和手指掌指關節(jié)I (14)實現(xiàn)關節(jié)的彎曲運動，上述三 個關節(jié)的關節(jié)軸之間相互平行，手指掌指關節(jié)II (15)實現(xiàn)整個手指的內收-外展 運動；該關節(jié)的關節(jié)軸與上述三個關節(jié)的關節(jié)軸垂直；當手指為拇指(5)時，依次包括拇指遠端指節(jié)(51)、拇指遠端指間關節(jié)(56)、 拇指近端指節(jié)(52)、拇指近端指間關節(jié)(57)、拇指擺動掌骨指節(jié)(53)、拇指 掌指關節(jié)(58)、拇指掌根指節(jié)(54)、拇指掌根關節(jié)(59)、拇指掌骨體(55); 其中拇指遠端指間關節(jié)(56)和拇指近端指間關節(jié)(57)實現(xiàn)關節(jié)的彎曲運動， 這兩個關節(jié)的關節(jié)軸平行；拇指掌指關節(jié)(58)實現(xiàn)拇指相對于其它手指的內收 -外展運動，該關節(jié)的關節(jié)軸與上述兩個關節(jié)的關節(jié)軸垂直；拇指掌根關節(jié)(59) 實現(xiàn)整個拇指相對于手掌的內收-外展運動，該關節(jié)的關節(jié)軸與上述三個關節(jié)軸 垂直。
3、 一種利用權利要求2所述手指的手，其特征在于包括拇指(5)、食指 (1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)五個手指，及用于固定五個手指的底座(6)。
4、 根據(jù)權利要求3所述的手，其特征在于底座(6)直接作為拇指(5) 的拇指掌根關節(jié)(59)中的左側板或右側板。
全文摘要
本發(fā)明的壓電直接驅動的手指關節(jié)及其手指及其手，屬機器人領域。該關節(jié)包括左側板、右側板、關節(jié)軸、驅動輪、帶三個壓電陶瓷片的矩形彈性體、電位計；其中驅動輪的外輪廓分成圓弧段和直線段，圓弧段的角度范圍是120°-270°，直線段上有一個凸臺用于和前一指節(jié)固聯(lián)；矩形彈性體的正面有上下兩個凸臺始終與驅動輪的圓弧段接觸，壓電陶瓷在兩相交流電的激勵下，在彈性體的兩個凸臺上均形成橢圓運動軌跡，在這兩個凸臺的共同作用下，通過凸臺和驅動輪之間摩擦力作用，推動驅動輪轉動。該關節(jié)具有體積小、重量輕、響應快，操作靈活、易于控制的特點，避免了以往靈巧手中所需的電機減速裝置和鋼絲繩預緊裝置，減少了靈巧手的體積和重量。
文檔編號B25J17/00GK101618548SQ20091018167
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者冒娟娟, 孫志峻 申請人:南京航空航天大學