一种基于脑电波控制的仿生3D打印机械手的制作方法

一种基于脑电波控制的仿生3d打印机械手
技术领域
1.本发明涉及一种机械手，具体涉及一种基于脑电波控制的仿生3d打印机械手。


背景技术：

2.机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。其构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点，可以通过编程来完成各种预期的作业。
3.机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
4.对目前国内外的工业机器人的机械臂来说，都是针对用于工业制造和设计领域的应用，为了某种特定需求的功能，而设计的夹钳式或平行移动式机械臂，这种结构控制简单，方便操作，对于一种大范围大负荷的机械臂，具有很高的实用性。
5.但这种也存在以下几个方面的缺点：
6.1、它的定位和拿捏是通过加大压力，提高摩檫力完成，不存在任何几何和力学封闭链，在一些物体的抓取中，很难有较高的精确性、稳定与可靠性。
7.2、它限制了机械手精确定位抓取功能。传统机械臂通过调整末端前置位置，调整机械手位置状态。但通常这种机械手整体尺寸较大，工作位置调整和机械手控制坐标位置调整较为繁琐复杂，因此在工作区域很难达到稳定可靠的控制精度。
8.3、缺少精细小巧灵活可靠的精确抓取控制，只能完成形状规则，力学要求不高的物品。
9.4、不能适应物体外形的变化。对于个体极小或者外观独特的实物，很难抓取，减少了物体的捕获成功率。
10.中国专利cn110604637a公开了仿生手指和机械手，包括：底座；第一指节，与底座通过第一铰接部可转动地连接；第二指节，与第一指节通过第二铰接部可转动地连接；第三指节，与第二指节通过第三铰接部可转动地连接；第一连杆，一端与底座通过第四铰接部可转动地连接，另一端与第二指节通过第五铰接部可转动地连接；以及第二连杆，一端与第一指节通过第六铰接部可转动地连接，另一端与第三指节通过第七铰接部可转动地连接。该专利提出的仿生手指中，指节与指节之间的角度变化通过连杆实现，该种机械手通常造价高、结构复杂，并且在使用时存在运动迟缓的问题。
11.中国专利cn109822605a公开了一种仿生手指及机械手，包括：至少两个指节，相邻两个指节中的一个设置有第一关节部，另一个设置有第二关节部，第二关节部可拆卸地转动设置于第一关节部中，第一关节部设置有第一卡接面；牵引绳，依次连接每个指节，驱动相邻两个指节沿牵引方向转动；扭簧，可拆卸地设置于第二关节部中，驱动相邻两个指节沿复位方向转动，包括第一扭臂和第二扭臂；及转轴，沿轴向开设有固定槽，且一端设置有第二卡接面，转轴能够穿过第一关节部、第二关节部和扭簧，使第二扭臂卡入固定槽，第一扭
臂与第二关节部抵接，第二卡接面与第一卡接面卡接。该专利提出的仿生手指结构复杂，需要采用扭簧的弹性恢复力使手指恢复姿态，会存在较强的反冲，容易损坏部件。


技术实现要素：

12.本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于脑电波控制的仿生3d打印机械手，实现了一种结构简单，自由度高的机械手，并且可通过脑电波自由控制机械手各个自由度的运动。
13.本发明的目的通过以下技术方案实现：
14.一种基于脑电波控制的仿生3d打印机械手，包括转动连接的手部和手腕部、与手腕部固定连接的手臂部，以及设置于机械手内部的舵机组；
15.所述的手部包括手掌件以及铰接于手掌件上的若干个手指件，每个手指件设有若干个指节，相邻指节铰接；
16.所述的舵机组通过连接绳控制单个指节、手指件或手掌件的独立转动；
17.连接绳由舵机组引出，在分别绕过指节、手掌件或手腕部后，返回舵机组。
18.优选地，所述的手指件设有5个，包括依次设置的大拇指件、食指件、中指件、无名指件和小拇指件，其中大拇指件设于手掌件的一侧边，食指件、中指件、无名指件和小拇指件设于手掌件的前端；
19.所述的大拇指件设有两个指节，包括铰接的第一指节和第三指节，其余手指件均设有三个指节，包括依次分别铰接的第一指节、第二指节和第三指节；所述的第三指节下端与手掌件铰接。
20.优选地，所述的第一指节包括固定连接的指尖和凸型件，所述的第二指节包括固定连接的凸型件和凹型件，所述的第三指节包括固定连接的两个凹型件；
21.所述的第三指节一端的凹型件与设于手掌件前端的凸型件铰接，另一端的凹型件与第二指节的凸型件铰接，第二指节的凹型件与第一指节的凸型件铰接；
22.或者，所述的第三指节一端的凹型件与设于手掌件前端的凸型件铰接，另一端的凹型件与第一指节的凸型件铰接。
23.优选地，所述的第一指节的指尖和凸型件、第二指节的凸型件和凹型件以及第三指节的两个凹型件采用打印胶水进行牢牢固定。
24.优选地，所述的打印胶水为三氯甲烷(亚克力胶水)。
25.优选地，所述的手掌件和指节内部设有若干个容连接绳通过的通道，所述的凸型件的铰接处设有v型通道，实现连接绳的转向；
26.所述的指尖前端设有容连接绳通过的开孔，实现连接绳的转向；
27.连接绳由舵机组引出，分别通过设置于手掌件和指节内部的通道，并经v型通道或指尖的开孔转向后，再由设置于手掌件和指节内部的通道返回舵机组。
28.优选地，所述的连接绳由若干股编织线构成。
29.优选地，所述的编织线的材质为丙纶纱。
30.优选地，所述的手掌件包括与大拇指件连接的第一指根块、与食指件和中指件连接的第二指根块、与无名指件连接的第三指根块以及与小拇指件连接的第四指根块，所述的第一指根块、第三指根块和第四指根块分别与第二指根块铰接，所述的第二指根块与手
腕部铰接。
31.优选地，所述的手腕部包括转动连接的旋转腕和手腕；所述的旋转腕呈u型，两侧的耳板与手掌件铰接，通过舵机组控制连接绳实现手掌件沿两耳板连线旋转；
32.所述的手腕内部设置有齿轮组，通过舵机组驱动，实现旋转腕沿手腕部轴线旋转。
33.优选地，所述的齿轮组、手腕和旋转腕底板上设有容连接绳通过的开孔。
34.优选地，所述的舵机组包括设置于手腕部内的第一舵机组和设置于手臂部内的第二舵机组；所述的第一舵机组控制手腕部的转动，所述的第二舵机组控制指节和手掌件的旋转。
35.优选地，所述的第一舵机组设置于手腕部内的中间位置，其一侧有容连接绳通过的空间，另一侧设有为第一舵机组提供支撑的凸块。
36.优选地，所述的舵机组通过舵机座安装于机械手内部；所述的舵机组中舵机的数量与机械手的自由度相等，第二舵机组中的每个舵机各控制一根连接绳，第一舵机组中的舵机控制齿轮组；所述的舵机组中舵机均为360度舵机。
37.优选地，所述的舵机座采用高低层设计，方便输出同一方向动力，同时不会互相干扰；所述的舵机与舵机座采用螺丝固定，舵机之间都有一定的空隙，方便舵机的散热，降低舵机温度。
38.优选地，所述的手臂部内还设有控制器和电源；所述的控制器包括信号传输模块和控制芯片，所述的控制芯片接收信号传输模块接受的信号，控制各部件的动作；所述的电源通过无线的方式进行充电。
39.优选地，所述的信号传输模块为蓝牙模块。
40.优选地，所述的机械手的各个机械部分均采用3d打印制造。
41.优选地，所述的3d打印的材料为pla材质。
42.优选地，所述的机械手采用脑电波进行控制。
43.本发明的工作原理为：
44.首先控制器接收来自外部的动作信号，经处理后，将信号发送至需要动作的舵机或舵机组，舵机或舵机组便通过操纵连接绳或齿轮组控制机械手的运动。
45.当手腕部需要沿手腕部的中心轴转动时，舵机组驱动齿轮组转动，齿轮组传达运动或扭力，进而驱动手腕部的转动。
46.当手指件的指节需要转动时(转为抓取姿势)，舵机组驱动连接绳运动，连接绳受到舵机的作用力而发生拉伸，此时，连接绳对铰接处的转轴具有一个压力，使得转轴两侧的连接绳进、出不在同一水平线上，连接绳一侧对转轴会有一个过轴的拉力，另一侧对转轴具有加重转动压力，使得该铰接处铰接的两个部件有着绕转轴的相对旋转。由于连接绳同时也在进行拉伸运动，促进整个机械手指进行多个旋转运动(三段指节的相对旋转)，机械手的手部整体形成一种抓取运动，手指件弯曲，减轻连接绳自身的拉伸形成的挤压力。
47.当手指件需要恢复常态时，舵机组驱动连接绳反向运动，手指件自身挤压力减小，同时在连接绳的惯性力带动下，进行松弛运动，连接绳自身进行挤压运动，连接绳处于共线状态，连接绳之间的力量相互抵消。连接绳自身对转动轴的挤压力相互抵消，减轻连接绳的损耗。
48.手掌件以及手指件的转动原理与手指件的指节转动的原理相似。
49.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
50.1、本发明通过连接绳控制机械手的转动，并通过360度舵机进行驱动，可以精确、快速地实现机械手的动作，控制手指转动的角度和速度；并且每个关节(铰接处)各通过一根连接绳和舵机进行控制，可以对每个关节进行单独控制，更加灵活；只通过一根连接绳即可实现一个关节的转动，且为每根连接绳均设计有通道，简单方便，并且减少了因连接绳混乱而导致的错误动作的可能。
51.2、采用与人手相似设计的仿生手，并根据人手的实际自由度进行设计，可以高度模仿人手，与人手具有相似的高度灵活性和稳定性。手指件采用的是铰接的方式，并且指节与指节采用凹型件和凸型件的配合实现两者的相互转动，省去关节部件，而能达到相同的转动效果；每个手指件都是独立模块化设计，方便后续的维修、更新和更换。
52.3、连接绳采用的是多股编织绳，材料易得，容易制造，并且编织绳强度高，不容易损坏，可以使机械手的使用寿命延长并减少维修的次数。采用连接绳作为传动组件可以使整个结构更加简单，整体重量轻盈，同时绳驱动还具有低反冲和体积小的特性，使机械手安装在人类大臂上时更舒适，并且行动更加方便。
53.4、采用3d打印进行制作，可以对复杂的内部结构有更加精确的控制，降低制造成本，缩短制造时间，使得工业化生产更加简单方便。
54.5、本发明将所有的驱动组件、电源和控制器均集成于手臂部或手腕部内，极大的节省了空间，并且采用无线充电的方式进行充电，以及脑电波进行控制，使用起来更加方便简单。
附图说明
55.图1为本发明的机械手的结构示意图；
56.图2为本发明的机械手的手指件的结构示意图；
57.图3为本发明的机械手的手腕部和手臂部的结构示意图；
58.图中：1
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手部；11
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手指件；111
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大拇指件；112
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食指件；113
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中指件；114
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无名指件；115
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小拇指件；1101
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第一指节；1102
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第二指节；1103
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第三指节；1104
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指尖；1105
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凸型件；1106
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凹型件；12
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手掌件；121
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第一指根块；122
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第二指根块；123
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第三指根块；124
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第四指根块；2
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手腕部；21
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旋转腕；22
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手腕；3
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手臂部；4
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齿轮组；51
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第一舵机组；52
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第二舵机组；6
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连接绳。
具体实施方式
59.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
60.实施例1
61.一种基于脑电波控制的仿生3d打印机械手，如图1所示，包括转动连接的手部1和手腕部2、与手腕部2固定连接的手臂部3，以及设置于机械手内部的舵机组；
62.手部1包括手掌件12以及铰接于手掌件12上的若干个手指件11，每个手指件11设有若干个指节，相邻指节铰接；
63.舵机组通过连接绳6控制单个指节、手指件11或手掌件12的独立转动；
64.连接绳6由舵机组引出，在分别绕过指节、手掌件12或手腕部2后，返回舵机组。
65.更具体地，本实施例中：
66.如图1和图2所示，手指件11有5个，分别为依次设置的大拇指件111、食指件112、中指件113、无名指件114和小拇指件115，其中大拇指件111设于手掌件12的一侧边，食指件112、中指件113、无名指件114和小拇指件115依次设于手掌件12的前端。其中，大拇指件111有两个指节：第一指节1101和第三指节1103，两个指节铰接连接；其余手指件11均有三个指节：第一指节1101、第二指节1102和第三指节1103；第一指节1101、第二指节1102和第三指节1103依次胶接连接，第三指节1103的下端与手掌件12铰接。这样，各指节均能绕铰接处实现相对旋转。第一指节1101由通过打印胶水固定连接的指尖1104和凸型件1105构成，第二指节1102由通过打印胶水固定连接的凸型件1105和凹型件1106构成，第三指节1103由通过打印胶水固定连接的两个凹型件1106构成。其中，打印胶水为三氯甲烷(亚克力胶水)。第三指节1103一端的凹型件1106与手掌件12前端的凸型件1105铰接；其另一端的凹型件1106与第二指节1102的凸型件1105铰接，采用凹凸配合的方式将两个部件连接配合起来，同时其中一个零件固定，另一个零件进行一定程度的转动，没有其他方面自由度；第二指节1102的凹型件1106与第一指节1101的凸型件1105铰接，采用过盈配合的方式，确保在运动中没有其他自由度。这样，其中第一指节1101、第二指节1102和第三指都为中间铰，可以进行旋转，这种手指具有多重复杂运动的能力。大拇指件111的第一指节1101和第三指节1103的铰接与其他手指件11类似。采用这种多灵巧手指的设计，在抓取或拿捏动作中可以更加稳定与牢靠的抓取实物，具有更强的活动性。在凸型件1105的凸段内部设置了两个顶面抵接的梯形凸台，共同形成v型通道，可以让连接绳6绕过此处，反转其延伸方向；在手指件11的指尖1104前端还设置了可容连接绳6通过的开孔，并通过该开孔实现连接绳6的转向。手指件11的独立模块化设计，有利于后续的维修和更新。
67.手掌件12由四部分组成，分别是与大拇指件111连接的第一指根块121、与食指件112和中指件113连接的第二指根块122、与无名指件114连接的第三指根块123以及与小拇指件115连接的第四指根块124，其中第二指根块122与手腕部2铰接，而第一指根块121、第三指根块123和第四指根块124分别与第二指根块122铰接。这样，手掌件12可以为手指件11的转动提供更多的自由度，使机械手的灵活度和可实现的动作数量大幅上升。在手掌件12和指节的内部设置了多条可以容连接绳6通过的通道。
68.机械手臂与手的连接是通过手腕完成的，人类的胳膊和手的连接是通过手腕的，手腕可以使人手获得两个自由度，人类手腕具有减少手或者躯干相互压力，保护肢体免受伤。相应的，在本实施例中，手臂部3与手部1也是通过手腕部2进行连接，如图3所示。手腕部2可以分为与手掌件12铰接的旋转腕21和与旋转腕21转动连接的手腕22，旋转腕21为u型结构，其两侧的耳板与手掌件12进行铰接连接，实现手掌件12沿两耳板的连线进行旋转，两侧的耳板同时与手掌件12进行铰接连接，可以使旋转时保持在同一条基准线(铰接的旋转轴)上，更加稳定可靠。当手掌件12进行运动时，旋转轴具有固定自我旋转的作用，同时手指也可进行旋转，能够更好、更真实的模拟人类手向手臂弯曲的动作。在手腕22的内部有齿轮组4，通过同样是设置在手腕22内部的第一舵机组51驱动，控制旋转腕21沿手腕部2轴线的旋转。其中，第一舵机组51采用的舵机为360度舵机，可以精准、快速的控制旋转腕21的旋转。第一舵机组51固定在手腕部2的中间位置，在其一侧有容驱动手指件11的指节以及手掌件12转动的连接绳6通过的空间，另一侧设置了为第一舵机组51提供支撑的凸块。在旋转腕21
的底部开设了能通过齿轮组4的开孔，可以直接将动力传动，使得齿轮组4可以直接与手部1进行快速连接，提供转动扭力。在齿轮组4上开设了多个能容连接绳6通过的通孔；在手腕部2内也设置了能容连接绳6通过的通道。
69.在手臂部3内还设置了第二舵机组52、控制器和电源。其中控制器又包括了信号传输模块和控制芯片，信号传输模块选用蓝牙模块，蓝牙模块为深圳市信泰微科技有限公司的hc
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06蓝牙模块，控制芯片为atmel公司的atmega328p，控制芯片在接收到蓝牙模块接受的信号后，控制各部件进行动作；电源采用无线充电的方式进行充电，便于机械手的使用；第二舵机组52控制连接绳6的运动，并以此控制指节和手掌件12上各个部件的转动，第二舵机组52中的舵机也采用360度舵机，通过螺丝固定在舵机座上，更加稳定可靠，舵机座采用高低层设计(高低错开)，方便输出同一方向的动力，同时不会产生互相干扰的问题，在每个舵机之间都留有一定的空隙，方便舵机的散热，并可以安装冷却系统，进一步降低舵机的使用温度。在手臂部3的内部也设置了可以通过连接绳6的通道，防止多根连接绳6在使用过程中缠绕，使得出现错误操作。
70.连接绳6由多股编织线构成，其材质选用高强度丙纶纱编制而成。本实施例中，采用三股编织线编织形成连接绳6。连接绳6由第二舵机组52的各个舵机上引出，分别通过手臂部3、手腕部2、齿轮、手掌件12和指节到达各个需要连接绳6控制的关节处(各部件铰接处)，并绕过关节后再依次沿通道和开孔返回至第二舵机组52的各个舵机。每个舵机对应一根连接绳6，每根连接绳6通过各自的通道和开孔到达对应的关节处，并最终回到对应的舵机。舵机的总数量与机械手的所有自由度的数量相对应，因此，机械手的每个指节、手掌件12和旋转腕21均能单独运动，使整个机械手具有更优的灵活性和通用性。
71.在本实施例中，机械手的各机械部分，如：手部1、手腕部2和手臂部3等采用3d打印制造，可以根据实际需求进行设计，更容易满足特殊人群的需求，此外，3d打印得到的机械手具有更精确的内部结构，还具有更高的制造效率。本实施例中所用的3d打印材料为pla材质。特别地，机械手的手臂部3末端可以采用省力结构，更加便于用户的使用。
72.本实施例中的机械手是通过脑电波进行控制，通过检测脑电波并进行处理后，将处理后的数字信号发送至机械手手臂部3内的蓝牙装置，蓝牙装置再将该信号传送至控制芯片，控制芯片控制舵机运作，驱动机械手动作。
73.本发明的工作原理为：
74.首先控制器接收来自外部的动作信号，经处理后，将信号发送至需要动作的舵机或舵机组，舵机或舵机组便通过操纵连接绳6或齿轮组4控制机械手的运动。
75.当手腕部2需要沿手腕部2的中心轴转动时，舵机组驱动齿轮组4转动，齿轮组4传达运动或扭力，进而驱动手腕部2的转动。
76.当手指件11的指节需要转动时(转为抓取姿势)，舵机组驱动连接绳6运动，连接绳6受到舵机的作用力而发生拉伸，此时，连接绳6对铰接处的转轴具有一个压力，使得转轴两侧的连接绳6进、出不在同一水平线上，连接绳6一侧对转轴会有一个过轴的拉力，另一侧对转轴具有加重转动压力，使得该铰接处铰接的两个部件有着绕转轴的相对旋转。由于连接绳6同时也在进行拉伸运动，促进整个机械手指进行多个旋转运动(三段指节的相对旋转)，机械手的手部1整体形成一种抓取运动，手指件11弯曲，减轻连接绳6自身的拉伸形成的挤压力。
77.当手指件11需要恢复常态时，舵机组驱动连接绳6反向运动，手指件11自身挤压力减小，同时在连接绳6的惯性力带动下，进行松弛运动，连接绳6自身进行挤压运动，连接绳6处于共线状态，连接绳6之间的力量相互抵消。连接绳6自身对转动轴的挤压力相互抵消，减轻连接绳6的损耗。
78.手掌件12以及手指件11的转动原理与手指件11的指节转动的原理相似。
79.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。