本實用新型涉及機械手技術領域，特別是涉及一種機械手。

背景技術：

機械手是應用于某些特定場合的夾具。

機械手通常包括手掌、驅動機構和兩個手指；兩個手指均與手掌鉸接并在驅動機構作用下繞鉸接點相向轉動以抓持物體，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，驅動機構既可驅動大指節(jié)繞其與手掌的鉸接點轉動并可驅動小指節(jié)繞其與大指節(jié)的鉸接點相對于大指節(jié)轉動，以滿足對不同尺寸物體的抓取。

具體地，預備狀態(tài)下，各手指的大指節(jié)和小指節(jié)在驅動機構作用下保持伸展狀態(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)無相對轉動并在驅動機構作用下繞與手掌的鉸接點轉動直至兩個手指的小指節(jié)與物體接觸并達到驅動機構負載預設值時，則說明機械手完成對物體表面包裹，抓持過程結束。

抓取較大物體時，物體和手指接觸前驅動機構無負載，各手指的大指節(jié)和小指節(jié)兩者保持伸直姿態(tài)，驅動機構驅動兩個手指相對于手掌相向轉動，轉動過程中各手指兩個指節(jié)作為一個整體同步轉動，轉動至大指節(jié)與物體發(fā)生接觸，繼而運動受阻停止轉動，驅動機構繼續(xù)驅動小指節(jié)繞其與大指節(jié)的鉸接點相對于大指節(jié)繼續(xù)轉動直至小指節(jié)也與物體接觸并達到驅動機構的負載預設值時，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，機械手抓持過程結束。

可見，機械手是否抓取物體是由驅動機構負載來判斷，即當驅動機構負載達到預設值則說明抓取過程結束。然而，在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)，僅通過驅動機構負載無法準確判斷機械手是否抓持物體，例如，當兩個手指的小指節(jié)的直接接觸相抵后驅動機構的負載也會達到預設值，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，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。

技術實現(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設置的驅動機構；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，各所述驅動機構可驅動對應的所述大指節(jié)相對于所述手掌轉動并可驅動所述小指節(jié)相對于所述大指節(jié)轉動，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)關節(jié)角α計算得出小指節(jié)關節(jié)角β并根據(jù)所述大指節(jié)關節(jié)角α和所述小指節(jié)關節(jié)角β確定所述手指的姿態(tài)。

可選地，所述驅動機構包括原動件、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，所述扭簧預緊連接所述第二連桿和所述小指節(jié)，所述原動件用于驅動所述主動桿相對于手掌轉動。

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，并對機械手實施準確的位置控制，提高抓取的精確性和可靠性。當然，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)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術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，對于本領域普通技術人員來講，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構示意圖；

圖2為本實用新型所提供機械手具體實施例的單側手指的機構簡圖；

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構示意圖；

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構示意圖；

圖8為圖1所示機械手的機構簡圖。

其中，圖1和圖2中各組件名稱與相應附圖標記之間的對應關系：

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域普通技術人員在沒有做出創(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構示意圖。

機械手包括包括1手掌、兩個手指及與兩個手指對應設置的驅動機構；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，各驅動機構可驅動對應的大指節(jié)2相對于手掌1轉動并可驅動小指節(jié)3相對于大指節(jié)2轉動，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)關節(jié)角α計算得出小指節(jié)關節(jié)角β并根據(jù)大指節(jié)關節(jié)角α和小指節(jié)關節(jié)角β確定手指的姿態(tài)。

詳細地，各手指通過各自的驅動機構相對于手掌1轉動彎曲或伸展，接下來以單側手指為例來詳細說明這種驅動機構的具體結構。

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手指的機構簡圖，驅動機構包括原動件(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鉸接并由原動件驅動繞鉸接點轉動，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，所述驅動機構成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構示意圖，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在驅動機構作用下保持伸展狀態(tài)并使兩個手指的小指節(jié)3指尖距離保持最大。原動件驅動主動桿轉動，驅動機構的驅動扭矩尚未達到扭簧5的預緊扭矩時，大指節(jié)2和小指節(jié)3在扭簧5的預緊扭矩作用下無相對轉動保持為一個整體，原動件的驅動扭矩推動主動桿繞其與手掌1的鉸接點O沿逆時針轉動，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構示意圖，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在驅動機構作用下保持伸展狀態(tài)并使兩個手指的小指節(jié)3指尖距離保持最大。原動件驅動主動桿轉動，驅動機構的驅動扭矩尚未達到扭簧5的預緊扭矩時，大指節(jié)2和小指節(jié)3在扭簧5的預緊扭矩作用下無相對轉動保持為一個整體，原動件的驅動扭矩推動主動桿繞其與手掌1的鉸接點O沿逆時針轉動，當手指持續(xù)轉動時，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轉動趨勢，與扭簧5維持伸展的扭矩相抗衡，當驅動機構提供的驅動扭矩超過扭簧5的預緊扭矩時，小指節(jié)3形成相對于大指節(jié)2轉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設值后，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設值是指介于空載扭矩和最大輸出扭矩之間的負載扭矩值，通常當手指運動受阻時，其舵機輸出為其設定的最大扭矩，負載預設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為基礎的欠驅動機構，驅動機構結構簡單、質量輕且靈活性好。此外，該驅動機構保證了單指有一個自調節(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計成本。當然，原動件并不僅限于舵機，還可以為可提供轉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，當然，在滿足防滑功能及裝配工藝要求的基礎上，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備。

結合圖8所示，該圖為圖1所示機械手的機構簡圖。

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，判斷驅動機構負載是否達到負載預設值，若驅動機構的負載達到負載預設值，且，x≠0，則表明所述機械手已抓取物體。

優(yōu)選地，小指節(jié)關節(jié)角β根據(jù)所述大指節(jié)關節(jié)角α、驅動扭矩輸入角以及提供所述驅動扭矩的驅動機構的結構尺寸參數(shù)計算得出。

也就是說，為了簡化大指節(jié)關節(jié)角α和小指節(jié)關節(jié)角β的檢測步驟，控制器還可根據(jù)大指節(jié)關節(jié)角α、原動件的驅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相對位置關系及尺寸參數(shù)計算出小指節(jié)關節(jié)角β。

所述小指節(jié)關節(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中應用余弦定理，得：

在三角形BDE和三角形BDC中再次應用余弦定理，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)關節(jié)角β與大指節(jié)關節(jié)角α和原動機的驅動扭矩輸出角θ之間的關系，通過數(shù)學軟件Matlab或Mathematica可以將變量依次消去，僅剩余一系列機構參數(shù)條件下三者的數(shù)學關系表達式，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，直至求得最終結果也即β的數(shù)值，所述β與θ、α之間的關系最終以數(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)關節(jié)角β的數(shù)值。

手指大指節(jié)2的指跟關節(jié)處配置一個角度傳感器以檢測大指節(jié)關節(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)可得到遠端關節(jié)角與原動件動力輸出角和大指節(jié)關節(jié)角α之間的關系，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系術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系或者順序。而且，術語“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。