本發(fā)明屬于機(jī)電一體化，涉及一種應(yīng)用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的四指柔性抓手，采用單肌腱驅(qū)動(dòng)與對(duì)數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
1、近年來(lái)，機(jī)械抓手技術(shù)迭代逐漸加速，在眾多領(lǐng)域已展現(xiàn)出重要的實(shí)用價(jià)值。隨著攜帶機(jī)械抓手的四旋翼無(wú)人機(jī)智能抓取技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械抓手在動(dòng)態(tài)化場(chǎng)景中的操作提出了更高的挑戰(zhàn)，機(jī)械抓手需要具備更加穩(wěn)定和快速的應(yīng)變能力。
2、目前，機(jī)械抓手按照材料的剛性可以分為柔性機(jī)械抓手和剛性機(jī)械抓手。剛性機(jī)械抓手由剛性材料例如金屬、硬塑料等構(gòu)成，關(guān)節(jié)通常采用電機(jī)、齒輪、連桿等驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)方式基于精確的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制依賴(lài)高精度傳感器，適用于高負(fù)載、高精度任務(wù)，但靈活性較低，難以適應(yīng)不規(guī)則物體。柔性機(jī)械抓手由柔性材料例如硅膠、軟質(zhì)塑料等構(gòu)成，無(wú)剛性關(guān)節(jié)，依靠變形實(shí)現(xiàn)抓取，具有自適應(yīng)抓取能力，能適應(yīng)不同形狀、易損物體，控制方式包括氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)，線拉驅(qū)動(dòng)。在攜帶機(jī)械抓手的四旋翼無(wú)人機(jī)抓取任務(wù)中，使用剛性機(jī)械抓手抓取的時(shí)候，在機(jī)械抓手上產(chǎn)生的接觸力較大，容易使無(wú)人機(jī)的姿態(tài)發(fā)生較大的變化，從而引起無(wú)人機(jī)不穩(wěn)定。
3、為了解決剛性機(jī)械抓手應(yīng)用在四旋翼無(wú)人機(jī)上產(chǎn)生的較大接觸力，使用柔性機(jī)械抓手具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是，傳統(tǒng)柔性抓手在控制方式上使用氣動(dòng)或液壓的控制方式，這種控制方式由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和體積較大，四旋翼無(wú)人機(jī)上的承載質(zhì)量和空間有限，并不具有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的采用線拉驅(qū)動(dòng)方式的柔性抓手，由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題使得抓取力較小，很難抓取質(zhì)量較大的物品。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，結(jié)合了大象鼻子結(jié)構(gòu)和線拉驅(qū)動(dòng)，提供一種應(yīng)用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的四指柔性抓手，是一種面向無(wú)人機(jī)抓取的單肌腱驅(qū)動(dòng)與對(duì)數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的四指柔性抓手。
2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
3、一種應(yīng)用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的四指柔性抓手，包含電控部分、抓手底座、肌腱、手指、電機(jī)機(jī)架、絞盤(pán)；電控部分包含兩個(gè)減速直流電機(jī)、鋰電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)、上位機(jī)、通信模塊。
4、抓手底座下方的四個(gè)角落固定四根完全一樣手指，底座每側(cè)平行安裝兩根手指。
5、底座和手指之間使用螺釘連接，底座上方的中間位置使用螺釘連接電機(jī)機(jī)架。為了通過(guò)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)精準(zhǔn)控制手指的縮放，每根手指使用兩個(gè)穿線孔對(duì)肌腱的拉伸進(jìn)行限制。
6、抓手的手指由指節(jié)組成，每根手指使用一根肌腱進(jìn)行控制。
7、指節(jié)采用下述方式實(shí)現(xiàn)：
8、手指完全閉合時(shí)，即指節(jié)之間的間隙最小，手指內(nèi)側(cè)形狀為對(duì)數(shù)螺旋線，其結(jié)構(gòu)形狀如式(1)所示：
9、
10、其中，t是方程的參數(shù)，x(t)、y(t)分別是對(duì)數(shù)螺旋線在相應(yīng)參數(shù)下的坐標(biāo)，a是對(duì)數(shù)螺旋線的初始半徑，b是對(duì)數(shù)螺旋線的增長(zhǎng)速率。
11、當(dāng)手指完全放松時(shí)，即指節(jié)之間的間隙最大，手指外側(cè)形狀為中心對(duì)數(shù)螺旋線，中心對(duì)數(shù)螺旋線定義為相鄰兩圈螺旋線的中點(diǎn)軌跡，其結(jié)構(gòu)形狀如式(2)所示：
12、
13、其中，xc(t)、yc(t)分別是中心對(duì)數(shù)螺旋線在相應(yīng)參數(shù)下的坐標(biāo)。
14、手指伸直時(shí)，即手指外側(cè)處于平直狀態(tài)，b決定了兩側(cè)的夾角φ，如式(3)所示：
15、
16、本發(fā)明采用七個(gè)指節(jié)的結(jié)構(gòu)，手指伸直時(shí)螺旋線和中心螺旋線之間的夾角約為15°，對(duì)數(shù)螺旋線的初始半徑為5mm；根據(jù)這些特征確定參數(shù)a、b的值，從而畫(huà)出對(duì)數(shù)螺旋線和中心對(duì)數(shù)螺旋線。使用十二條以原點(diǎn)為端點(diǎn)、間隔30°的射線，其中一條需經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)螺旋線和中心對(duì)數(shù)螺旋線的起始點(diǎn)，即t＝0時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)。這些射線作為設(shè)計(jì)指節(jié)的分割線，每相鄰兩條分割線與對(duì)數(shù)螺旋線、中心對(duì)數(shù)螺旋線有四個(gè)交點(diǎn)，由這四個(gè)交點(diǎn)組成一個(gè)指節(jié)的平面四邊形輪廓。每個(gè)指節(jié)的平面四邊形輪廓沿著中心對(duì)數(shù)螺旋線組合得到手指的平面輪廓，經(jīng)過(guò)凸臺(tái)拉伸、挖肌腱穿線孔后3d打印得到一根手指。
17、所述的肌腱，使用尼龍魚(yú)線。該線表面光滑，在傳導(dǎo)拉力時(shí)與手指上的穿線孔、底盤(pán)上的穿線孔摩擦力較小，而且強(qiáng)度高，可以承受較高的載荷。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，肌腱會(huì)做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而使指節(jié)之間的間隙變大或者變小，有利于手指展開(kāi)或者合攏。
18、所述的絞盤(pán)，其中心孔可以和直流減速電機(jī)的輸出軸過(guò)盈配合，在絞盤(pán)的兩側(cè)留有10個(gè)開(kāi)孔，以便于肌腱固定在絞盤(pán)上。
19、進(jìn)一步特征，根據(jù)手指的特征選定參數(shù)a、b，畫(huà)出對(duì)數(shù)螺旋線和中心對(duì)數(shù)螺旋線，a＝5，b＝0.22。
20、進(jìn)一步特征，底座、絞盤(pán)使用pla材料3d打印制作而成。
21、進(jìn)一步特征，手指使用tpu?95a材料3d打印制作。
22、進(jìn)一步特征，為了便于抓手在無(wú)人機(jī)上的運(yùn)行，使用ros(機(jī)器人操作系統(tǒng))作為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，負(fù)責(zé)控制電機(jī)。通過(guò)上位機(jī)的鍵盤(pán)按鍵給下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)和下位機(jī)之間使用通信模塊進(jìn)行通信，下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的信號(hào)以后，發(fā)送控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，鋰電池為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。
23、進(jìn)一步特征，單片機(jī)采用stm32f103c8t6；
24、進(jìn)一步特征，通信模塊采用usb轉(zhuǎn)ttl轉(zhuǎn)換器；
25、進(jìn)一步特征，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用tb6612fng；
26、進(jìn)一步特征，電池采用3s鋰電池；
27、本發(fā)明面向無(wú)人機(jī)抓取的四指柔性抓手，每根手指使用一根肌腱控制，肌腱完全放松時(shí)抓手展開(kāi)，肌腱拉緊時(shí)抓手合攏；其手指設(shè)計(jì)采用了對(duì)數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于大象鼻子，具有包覆抓取的效果，在減少肌腱數(shù)量的同時(shí)，顯著提高了抓取能力。
1.一種應(yīng)用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的四指柔性抓手，其特征在于，包含電控部分、抓手底座、肌腱、手指、電機(jī)機(jī)架、絞盤(pán)；電控部分包含兩個(gè)減速直流電機(jī)、鋰電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)、上位機(jī)、通信模塊；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，每根手指在抓手底座用兩個(gè)穿線孔對(duì)肌腱的走線進(jìn)行限制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，所述的肌腱，使用尼龍魚(yú)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，所述的絞盤(pán)，其中心孔可以和直流減速電機(jī)的輸出軸過(guò)盈配合，在絞盤(pán)的兩側(cè)留有10個(gè)開(kāi)孔，以便于肌腱固定在絞盤(pán)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，根據(jù)手指的特征選定的參數(shù)a、b畫(huà)出對(duì)數(shù)螺旋線和中心對(duì)數(shù)螺旋線，a＝5，b＝0.22。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，底座、絞盤(pán)使用pla材料3d打印制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，手指使用tpu?95a材料經(jīng)過(guò)3d打印制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，為了便于抓手在無(wú)人機(jī)上的運(yùn)行，使用ros作為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)。通過(guò)上位機(jī)的鍵盤(pán)按鍵給下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)和下位機(jī)之間使用通信模塊進(jìn)行通信，下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的信號(hào)以后，發(fā)送控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，鋰電池為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，單片機(jī)采用stm32f103c8t6。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四指柔性抓手，其特征在于，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用tb6612fng，所述的鋰電池為3s鋰電池。