[发明专利]一种基于柔性系绳控制的机械手腕关节

说明书

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。

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。