本發(fā)明涉及機(jī)械手，特別是涉及一種仿生肌肉伸張收縮的柔性機(jī)械手及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著ai技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生機(jī)器人成為ai領(lǐng)域內(nèi)的熱門研究方向。

2、目前，現(xiàn)有技術(shù)中的仿生機(jī)械手方案，均采用復(fù)雜的聯(lián)軸結(jié)構(gòu)或連桿結(jié)構(gòu)完成機(jī)械手各個(gè)指節(jié)和關(guān)節(jié)之間的聯(lián)動(dòng)作用；如中國(guó)專利cn110253555a公開的一種仿生機(jī)械手，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中此種結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的機(jī)械手模擬動(dòng)作會(huì)存在較大的局限性和單一性，無(wú)法做到真實(shí)“仿生”。

3、另外，現(xiàn)有技術(shù)中也存在較多的類似方案，其手指指節(jié)和關(guān)節(jié)配合較為僵硬，機(jī)械手整體的運(yùn)作過程也過于“機(jī)械化”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)具有柔性、仿生真實(shí)性、美觀性、多功能性以及較為靈活的手部功能動(dòng)作模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種仿生肌肉伸張收縮的柔性機(jī)械手及其控制方法，進(jìn)而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述所有問題或問題之一。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供一種仿生肌肉伸張收縮的柔性機(jī)械手，包括：

4、手指部、拇指部、手掌部、指腹驅(qū)動(dòng)器和指背驅(qū)動(dòng)器；

5、所述手指部和所述拇指部，分別按照仿生手掌的形態(tài)鉸接在手掌部上；

6、所述手指部和所述拇指部，分別由若干依次鉸接的指節(jié)構(gòu)成；

7、所述指腹驅(qū)動(dòng)器和所述指背驅(qū)動(dòng)器，分別對(duì)應(yīng)若干所述指節(jié)的指腹處或指背處設(shè)置；所述指腹驅(qū)動(dòng)器和所述指背驅(qū)動(dòng)器，分別通過雙向伸縮作用模擬相鄰指節(jié)間，或所述手指部和所述手掌部間的肌肉伸張或收縮狀態(tài)。

8、在其中一種實(shí)施方式中，所述手指部，由依次鉸接的第一指節(jié)，第二指節(jié)和第三指節(jié)構(gòu)成，所述第三指節(jié)下端鉸接于所述手掌部上端；

9、所述拇指部，由依次鉸接的第四指節(jié)，第五指節(jié)和第六指節(jié)構(gòu)成，所述第六指節(jié)一側(cè)鉸接于所述手掌部的下端。

10、在其中一種實(shí)施方式中，所述指腹驅(qū)動(dòng)器，有若干個(gè)；每個(gè)第二指節(jié)、每個(gè)第三指節(jié)和每個(gè)第五指節(jié)的指腹處均設(shè)有所述指腹驅(qū)動(dòng)器；所述指腹驅(qū)動(dòng)器的兩端分別與其所在指節(jié)的上下兩端相鄰的兩個(gè)指節(jié)鉸接；

11、所述指背驅(qū)動(dòng)器，有若干個(gè)；所述第六指節(jié)的指背處，以及所述手掌部的指背處均設(shè)有所述指背驅(qū)動(dòng)器；設(shè)置在所述第六指節(jié)指背處的指背驅(qū)動(dòng)器的下端與所述第六指節(jié)內(nèi)部連接，設(shè)置在所述第六指節(jié)指背處的指背驅(qū)動(dòng)器的上端與所述第五指節(jié)下端鉸接；設(shè)置在所述手掌部指背處的指背驅(qū)動(dòng)器的下端與所述手掌部?jī)?nèi)部連接，設(shè)置在所述手掌部指背處的指背驅(qū)動(dòng)器的上端與所述第三指節(jié)下端鉸接；

12、所述指腹驅(qū)動(dòng)器和所述指背驅(qū)動(dòng)器，均采用支持雙向同步伸縮的電機(jī)，所述電機(jī)的兩端分別為上伸縮端和下伸縮端，每個(gè)所述電機(jī)的所述上伸縮端和所述下伸縮端支持同步伸縮；所述指腹驅(qū)動(dòng)器和所述指背驅(qū)動(dòng)器通過所述電機(jī)的雙向伸縮作用模擬肌肉伸張或收縮狀態(tài)；

13、每個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器和每個(gè)所述指背驅(qū)動(dòng)器分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

14、在其中一種實(shí)施方式中，所述手指部有四個(gè)，分別對(duì)應(yīng)食指、中指、無(wú)名指和小拇指；每個(gè)所述手指部的結(jié)構(gòu)相同，均采用所述第一指節(jié)、所述第二指節(jié)和所述第三指節(jié)組成；

15、所述第三指節(jié)下端的指背處延伸出第三連桿與所述第三指節(jié)下方對(duì)應(yīng)位置的所述指背驅(qū)動(dòng)器的上伸縮端鉸接；所述第三指節(jié)內(nèi)部鏤空設(shè)置，鏤空空間為驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域；所述第二指節(jié)下端與所述第三指節(jié)兩側(cè)鉸接，所述第二指節(jié)下端嵌設(shè)在所述第三指節(jié)內(nèi)部；所述第二指節(jié)內(nèi)部鏤空設(shè)置，鏤空空間為驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域；所述第一指節(jié)下端與所述第二指節(jié)兩側(cè)鉸接，所述第一指節(jié)下端嵌設(shè)在所述第二指節(jié)內(nèi)部。

16、在其中一種實(shí)施方式中，每個(gè)所述手指部?jī)?nèi)，設(shè)有兩個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器；其中，一個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器沿所述第三指節(jié)的指節(jié)方向設(shè)置在所述第三指節(jié)內(nèi)部的所述驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域中，另一個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器沿所述第二指節(jié)的指節(jié)方向設(shè)置在所述第二指節(jié)內(nèi)部的所述驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域中；

17、所述第三指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的下伸縮端鉸接于所述手掌部掌心處的上端，所述第三指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的上伸縮端鉸接于所述第二指節(jié)下端；所述第二指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的下伸縮端鉸接于所述第三指節(jié)指腹處上端，所述第二指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的上伸縮端鉸接于所述第一指節(jié)指背處下端。

18、在其中一種實(shí)施方式中，所述拇指部有一個(gè)，且設(shè)置在所述手掌部一側(cè)靠近食指的位置；所述手掌部底部對(duì)應(yīng)中指處的位置連接有轉(zhuǎn)軸座，所述轉(zhuǎn)軸座中豎直設(shè)有拇指連接軸；所述第六指節(jié)一側(cè)連接有弧形連接件，所述弧形連接件端部可轉(zhuǎn)動(dòng)的套設(shè)在所述拇指連接軸上；

19、所述第六指節(jié)內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動(dòng)器容納槽；所述第五指節(jié)的下端鉸接在所述第六指節(jié)指腹上端，所述第五指節(jié)內(nèi)部鏤空設(shè)置，鏤空空間為驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域；所述第六指節(jié)上端與所述第五指節(jié)的連接處嵌設(shè)在所述第五指節(jié)內(nèi)；所述第四指節(jié)下端與所述第五指節(jié)的上端鉸接，所述第四指節(jié)下端嵌設(shè)在所述第五指節(jié)內(nèi)。

20、在其中一種實(shí)施方式中，所述拇指部?jī)?nèi)，設(shè)有一個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)所述指背驅(qū)動(dòng)器；其中，一個(gè)所述指背驅(qū)動(dòng)器沿所述第六指節(jié)的指節(jié)方向設(shè)置在所述第六指節(jié)的驅(qū)動(dòng)器容納槽內(nèi)，另一個(gè)所述指腹驅(qū)動(dòng)器沿所述第五指節(jié)的指節(jié)方向設(shè)置在所述第五指節(jié)的驅(qū)動(dòng)器容納區(qū)域內(nèi)；

21、所述第六指節(jié)內(nèi)的指背驅(qū)動(dòng)器的下伸縮端與對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器容納槽的槽底連接，所述第六指節(jié)內(nèi)的指背驅(qū)動(dòng)器的上伸縮端與所述第五指節(jié)指背處向下延伸的第五連接桿鉸接；所述第五指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的下伸縮端與所述第六指節(jié)指腹上端鉸接，所述第五指節(jié)內(nèi)的指腹驅(qū)動(dòng)器的上端與所述第四指節(jié)的下端鉸接。

22、在其中一種實(shí)施方式中，所述手掌部的掌背處對(duì)應(yīng)四個(gè)所述手指部的位置分別開設(shè)有豎直的驅(qū)動(dòng)槽，四個(gè)所述指背驅(qū)動(dòng)器分別豎直設(shè)置在四個(gè)所述驅(qū)動(dòng)槽內(nèi)；四個(gè)所述指背驅(qū)動(dòng)器的下伸縮端分別與四個(gè)所述驅(qū)動(dòng)槽的槽底鉸接。

23、在其中一種實(shí)施方式中，所述第一指節(jié)上端和所述第四指節(jié)上端分別設(shè)置有仿生指甲部。

24、另一方面，本發(fā)明還提供一種柔性機(jī)械手的控制方法，包括以下步驟：

25、步驟一：構(gòu)建基于cfdl-mfac算法的控制方案；

26、步驟二：基于所述控制方案對(duì)所述柔性機(jī)械手進(jìn)行手部動(dòng)作自適應(yīng)控制；

27、所述步驟一中，所述控制方案的構(gòu)建步驟，包括：

28、將所述柔性機(jī)械手中手指部以及拇指部的指腹驅(qū)動(dòng)器作為若干工作點(diǎn)，以若干所述工作點(diǎn)位為基礎(chǔ)，設(shè)置若干所述工作點(diǎn)為非線性被控系統(tǒng)；基于假設(shè)分析策略定義基于cfdl-mfac的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型；

29、采用所述非線性被控系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線估計(jì)所述非線性被控系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)和偽梯度；根據(jù)所述偽偏導(dǎo)數(shù)、所述偽梯度、所述非線性被控系統(tǒng)的自適應(yīng)參數(shù)和相關(guān)線性函數(shù)，對(duì)所述基于cfdl-mfac的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行精準(zhǔn)性優(yōu)化和通用性優(yōu)化，得到所述控制方案；

30、所述步驟一中，所述控制方案，包括：

31、

32、其中：

33、u(k)∈r，指k時(shí)刻非線性系統(tǒng)的輸入；

34、y(k)∈r，指k時(shí)刻非線性系統(tǒng)的輸出；

35、是的初值；

36、ε，為無(wú)窮小正數(shù)；

37、λ，為對(duì)輸入量的變化進(jìn)行控制的權(quán)重因子，λ>0；

38、μ，為權(quán)重因子，μ>0；

39、ρ∈(0,1]，η∈(0,1]；

40、y*(k+1)，為系統(tǒng)輸出的期望值；

41、若或|δu(k-1)|≤ε或則

42、所述步驟二中，所述手部動(dòng)作自適應(yīng)控制，包括：

43、控制手掌部以及拇指部的指背驅(qū)動(dòng)器的雙端伸展或收縮，進(jìn)行手指部和拇指部的伸展或收縮；

44、控制手指部以及拇指部的指腹驅(qū)動(dòng)器的雙端伸展或收縮，進(jìn)行手指部和拇指部多個(gè)指關(guān)節(jié)之間的伸展或收縮；

45、當(dāng)需要抓取物品，或執(zhí)行特殊指節(jié)動(dòng)作時(shí)，分別獨(dú)立控制手掌部以及拇指部的指背驅(qū)動(dòng)器、手指部以及拇指部的指腹驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)多自由度下的若干手部動(dòng)作。

46、本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

47、本發(fā)明所述的仿生肌肉伸張收縮的柔性機(jī)械手，可以通過指節(jié)和指背處的雙向伸縮驅(qū)動(dòng)器，對(duì)人手運(yùn)動(dòng)過程中肌肉的伸張收縮功能進(jìn)行仿生模擬，通過其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及連接設(shè)計(jì)，能夠調(diào)度機(jī)械手上不同指節(jié)間進(jìn)行靈活配合，達(dá)到手部不同功能動(dòng)作的模擬；且由于部件的分散性以及分別支持獨(dú)立控制，進(jìn)而能夠滿足多元化的控制需求和動(dòng)作需求，使機(jī)械手具有較強(qiáng)的動(dòng)作靈活性，具有柔性、仿生真實(shí)性以及美觀性，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。