电磁关节机械手及其喂食病人和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种柔性机械手，特别是涉及一种用于抓取纸杯、喂食病人的机械手及其抓取、喂食、控制方法。
【背景技术】
[0002]在自动化机械代替逐步代替人的过程中，自动化机械以其环境适应能力强、不知疲倦、使用成本低等诸多优点，成为了未来科技的标志。然而，复杂的机械机构容易产生诸多故障，笨重的大型机械无法完成像人类一般细腻的操作。
[0003]自动化机械代替人的过程中，一直以来都在创造类似真人一样的柔性臂关节，来完成诸如抓鸡蛋、抓纸杯甚至抓取一次性发泡塑料餐盒并喂传染病人等细腻工作。传统柔性臂大多采用三组齿轮齿条驱动两个板子之间的平行或使其具有夹角，再将其进行串列组合，从而完成一个柔性臂的构建。
[0004]然而，齿轮齿条方式驱动过于死板。真人在抓东西时不光是抓紧力能满足抓起东西的要求，真人的的皮下脂肪也会针对被抓物进行握状的微调。所以在抓起纸杯过程中只能根据纸杯的固定形状设计出固定的握姿来抓起纸杯，固定握姿前后精度要求极高。齿轮齿条方式的柔性臂对于纸杯握姿无法进行微调。喂食病人时，病人吃饭的姿态并不固定，时常会发生细微的变化，如若喂食的机械手无法适应患者口中姿态的微小变化，很可能伤及患者，甚至危害患者生病。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便、适应能力强、能够根据被抓物的大小进行微调、适应患者姿态的微小变化的电磁关节机械手及其抓取、喂食、控制方法。
[0006]本发明电磁关节机械手，包括机械手掌、机械手指、机械手臂和电磁柔性关节。所述手臂的一端与机架固定，手臂的另一端通过电磁柔性关节与手掌连接，手掌通过电磁柔性关节与手指连接，手指的每个关节都为电磁柔性关节。所述电磁柔性关节包括下板、伸缩柱和上板，下板通过三跟伸缩柱与上板连接，三根伸缩柱的轴线均与上板、下板周向的0°、120°、240°位置固定。所述伸缩柱包括电磁铁、永磁铁、限位环、柔性筒和顶杆。所述柔性筒底部与下板固定，柔性筒内腔自下到上依次设有电磁铁、永磁铁和顶杆。所述电磁铁固定在柔性筒底部。所述永磁铁以柔性筒内腔为导轨，永磁铁顶部与顶杆底部固定，顶杆顶部与上板连接。所述柔性筒内腔呈圆台状，柔性筒内腔的上内径小于下内径，永磁铁为圆柱状，永磁铁的外径小于柔性筒内腔的下内径，永磁铁的外径大于柔性筒内腔中部的内径。
[0007]本发明电磁关节机械手，其中所述顶杆顶部与上板通过弹簧连接。
[0008]本发明电磁关节机械手，其中所述顶杆为柔性杆，柔性筒内腔中部设有限位环。所述限位环内径与顶杆外径相同，限位环用于限位永磁铁并且对顶杆起导向作用。
[0009]本发明电磁关节机械手，其中所述柔性筒内竹节状嵌入多个磁屏蔽环，所述磁屏蔽环由80%的镲合金Mumetal材料制成，磁屏蔽环的厚度为0.0508毫米，磁屏蔽环的轴线与柔性筒的轴线重合，每个磁屏蔽环之间有间隔，磁屏蔽环之间的间隔小于磁屏蔽环高度的1/5，在磁屏蔽环37的上端口和下端口均设有若干匝导线线圈，还包括接触器充电供电控制装置、发电机和稳流装置，所述接触器充电供电控制装置包括第一触点、第二触点、第三触点、第四触点、第五触点、第六触点、第七触点、第八触点、第九触点、第十触点和第一蓄电池、第二蓄电池共同组成的蓄电池，所述稳流装置用于接收蓄电池忽高忽低的电压，并将其转化为稳定电压，从而对电磁柔性关节的控制器供应稳定电压，电磁柔性关节的控制器根据控制信号对每个伸缩柱上的电磁铁供电，磁屏蔽环其上、下端的导线线圈均与发电机并联；所述第一触点与第一蓄电池的正极连接，第二触点与第一蓄电池的负极连接，第三触点与发电机的正极连接，第四触点与发电机的负极连接，第五触点与第二蓄电池的正极连接，第六触点与第二蓄电池的负极连接，第七触点与稳流装置的正极连接，第八触点与稳流装置的负极连接，第九触点与第一触点串联，第十触点与第二触点串联。
[0010]本发明电磁关节机械手，其中所述柔性筒由虾壳状排列的套筒构成。所述套筒包括底套和点限套。所述柔性筒底部为底套。所述底套为圆台状，底套外径较大的圆周面用与固定下板，底套内固定电磁铁，底套上叠加套装多个点限套，底套的侧面与其上侧的点限套通过拉绳连接。所述点限套由自上到下包括第一圆台套和第二圆台套。所述第一圆台套上侧外径小于下侧外径，第二圆台套上侧外径大于下侧外径，第一圆台套下侧的外径与第二圆台套上侧的外径相同，第一圆台套底部与第二圆台套顶部固定，点限套设有轴向通孔。所述点限套底部开设有第一圆台孔。所述第一圆台孔与点限套的轴向通孔相贯通，第一圆台孔上侧的内径与点限套的轴向通孔的内径相同，点限套轴向截面中第一圆台孔的侧面线条与第一圆台套的侧面线条平行。所述点限套上沿轴线方向依次套装有多个点限套，下侧点限套的第一圆台套的侧面与上侧点限套的第二圆台套的下沿之间通过拉绳连接。所述拉绳沿点限套的轴线周向均匀分布多个。当两个点限套相互向相反方向拉伸时，上侧的点限套与下侧的点限套通过拉绳连接。当两个点限套相互向相反方向拉绳并受径向力时，上侧的点限套底部第一圆台孔下沿上的一点与下侧的点限套或底套上部侧面上的一点相互支撑。所述相互支撑的一点的周向另一侧通过拉绳限位。
[0011]本发明电磁关节机械手，其中所述柔性筒由虾壳状排列的套筒构成。所述套筒包括底套和面限套。所述柔性筒底部为底套。所述底套为圆台状，底套外径较大的圆周面用与固定下板，底套内固定电磁铁，底套上叠加套装多个面限套，底套的侧面与其上侧的面限套通过拉绳连接。所述面限套为圆台状套筒。所述面限套上侧外径小于下侧外径，面限套设有轴向通孔。所述面限套底部开设有第三圆台孔。所述第三圆台孔与面限套的轴向通孔相贯通，第三圆台孔上侧的内径与面限套的轴向通孔的内径相同，面限套轴向截面中第一圆台孔的侧面线条与第一圆台套的侧面线条之间有夹角。所述夹角为Z a。所述面限套上沿轴线方向依次套装有多个面限套，下侧的面限套的圆台侧面与上侧的面限套的第三圆台孔的下沿通过拉绳连接。所述拉绳沿面限套的轴线周向均匀分布多个。
[0012]当两个面限套相互向相反方向拉伸时，上侧的面限套与下侧的面限套通过拉绳连接。当两个面限套相互向相反方向拉绳并受径向力时，上侧的面限套底部第一圆台孔下沿上的一点与下侧的面限套或底套上部侧面上的一点相互支撑。所述相互支撑的一点的周向另一侧通过拉绳限位。
[0013]本发明电磁关节机械手的抓取方法，包括如下步骤:
[0014]A、记录人体手部每个关节的弯曲幅度、力度和抓取姿态。
[0015]B、将多个电磁柔性关节串联起来构成仿真关节，下侧电磁柔性关节的上板与上侧电磁柔性关节的下板固定连接，并且参考人手相同位置处关节的幅度，调整电磁柔性关节的个数。
[0016]C、将机械手掌、机械手指、机械手臂用仿真关节连接。
[0017]本发明电磁关节机械手与现有技术不同之处在于本发明电磁关节机械手通过电磁柔性关节代替齿轮齿条驱动的机械关节对物体(诸如纸杯)进行抓取或对传染病人进行喂食，能够发挥电磁柔性关节与到细小误差时的可调性。在机械手抓取纸杯时，电磁柔性关节会模仿人手上的脂肪从而均摊掉纸杯向外的外扩力，成功抓取纸杯并且不破坏纸杯。在机械手喂食传染病人时，减少了医护人员被传染的可能性，并且在病人含住勺子闭嘴往下吞咽的时候，电磁柔性关节也会针对患者吞咽时的低头动作随病人向下运动，大大减少误伤病人的可能性。电磁柔性关节的三根伸缩柱按照下板周向的0°、120°、240°周向均匀分布，则可在伸缩柱伸缩时，改变上板与下板的夹角，从而使电磁柔性关节任意角度弯曲。其中伸缩柱利用电磁铁和永磁铁控制伸缩，则可利用磁铁在同极的排斥力驱动顶杆上下运动，实现伸缩杆的伸缩。并且圆台状内腔的柔性筒作为导轨可在永磁铁上升时，限制其最大位移。
[0018]本发明电磁关节机械手中若顶杆为硬质杆则可利用弹簧消除顶杆顶部与上板之间的弯曲力。
[0019]本发明电磁关节机械手中柔性顶杆则可自行消除顶杆顶部与上板之间的弯曲力。但是柔性杆在柔性筒内容易相互摩擦，或者产生偏移，则设置限位环对永磁铁进行限位，顺便对柔性顶杆起导向作用。
[0020]本发明电磁关节机械手中若需要伸缩杆有足够的伸长力，则势必要加强电磁铁的磁性。但是三个伸缩杆毕竟距离过近，相互干扰容易引起驱动混乱，则在柔性筒的筒壁上同轴间隔嵌入磁屏蔽环即可减少三个伸缩杆的相互干扰，并且Mumetal材料可以制作的只有0.0508毫米厚的磁屏蔽薄片环，则其轻薄的性能不影响伸缩杆的弯曲程度，并为电磁柔性关节减重。磁屏蔽环之间的间隔大于磁屏蔽环高度1/5，则达不到良好的磁屏蔽效果。使用时，第一蓄电池、第二蓄电池的其中一个因磁屏蔽环之间的未被屏蔽的磁感线切割导线线圈，从而对其供电，另一个对伸缩柱的电磁铁放电，交替供电、放电即可一边工作一边充电，保护蓄电池寿命。
[0021]本发明电磁关节机械手中点限套相互接触为一个点与面的接触，其优势为转向灵活。
[0022]本发明电磁关节机械手中面限套相互接触为一条细长的弧面。其优势为保持姿态较为稳定。
[0023]本发明电磁关节机械手的抓取方法中模拟人类手的弯曲程度调节不同个数的电磁柔性关节串连，可最大限度仿照人手制造机械手，使其用途更为广泛。
[0024]下面结合附图对本发明的电磁关节机械手及其喂食和控制方法作进一步说明。<