CN100551641C - 交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置 - Google Patents

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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0009Gripping heads and other end effectors comprising multi-articulated fingers, e.g. resembling a human hand

Abstract

交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,属于拟人机器人技术领域,类似人手,食指、中指、无名指和小指结构完全相同,各采用1个电机驱动3个关节转动;手掌采用1个电机驱动拇指根部的侧摆转动,拇指采用1个电机驱动2个关节转动。该装置具有5个独立控制的手指、15个关节自由度,包括6个主动关节和9个欠驱动关节;各手指的欠驱动关节均采用结构相同或近似的交叉腱绳和齿轮传动机构、套接的中部指段和具有多关节解耦作用的簧件,既降低了成本也便于维修,电机、传动机构藏入手内,结构简单、控制容易、集成度高;整个装置外观、尺寸和动作模仿人手,具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能。

Description

交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置
技术领域
本发明属于拟人机器人技术领域,特别涉及一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置的结构设计。
背景技术
人们在对智能机器人的研究中,把拟人机器人作为机器人研究的最高境界,也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。与人类似,拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现,因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分,其设计是拟人机器人的关键技术之一。拟人机器人的电源系统、驱动系统、信息处理系统和控制系统等完全由自身携带,因而对其手部的设计提出了非常严格的要求,要求手部装置的重量要小、体积要小,并为了减轻控制的难度,要求在满足一定功能和实现较高的拟人化的前提下,适当减少手部的驱动器数目。
一种已有的欠驱动拟人机器人手装置,如中国发明专利CN1231332,包括一个手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、拇指根部关节体、四指根部关节体,具有5个手指,11个关节自由度,其中主动关节仅有2个:拇指根部关节和四指根部关节,其余9个为结构相同的一种由所抓物体和齿轮齿条共同驱动的欠驱动关节。其不足之处为该装置的食指、中指、无名指、小指的四指根部共同由一个电机驱动,与人手差别过大(人手的四个手指的根部关节是可以分别独立转动的),灵巧性不够;该装置的拇指上仅有2个关节:根部侧摆转动和末端欠驱动关节,这与人手拇指的3个关节有差别;另外该装置的四指根部关节上采用食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧占地空间大,影响手指美观。
一种已有的欠驱动拟人机器人多指手装置,如中国发明专利CN1292712C,有5个手指,14个关节自由度,其中主动关节仅有3个:拇指中部转动关节、食指根部转动关节、三指根部转动关节(中指、无名指、小指)其余为模块化(即相同结构)的连杆传动欠驱动关节。另一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手,如中国发明专利CN1283429C,有5个手指,12个关节自由度,其中主动关节仅3个,关节布置与前述专利类似。其欠驱动关节采用了一种模块化的具有自解耦效果的多级齿轮传动机构实现。这两个专利的不足之处为这两个装置的中指、无名指、小指三个手指的根部采用同样一个电机驱动,不能分别独立转动,与人手差别过大,灵巧性不够;拇指固定安装在手掌上的四指正对面,拇指不能在手掌侧方和正对面来回转动,这也与人手差别较大。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,设计出一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置。该装置具有多个可以主动驱动和独立控制的手指、关节自由度多、电机、传动机构全部藏入手内,尽量采用相似的模块化结构,降低成本且便于维修,结构简单、控制容易,外观、尺寸和动作均更加模仿人手,具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能,适合安装在拟人机器人上使用。
本发明采用如下技术方案:
一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌;
所说的拇指包括拇指基座、拇指电机、拇指减速器、拇指第一齿轮、拇指第二齿轮、拇指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节轴、拇指末端指段,所说的拇指电机和拇指减速器与拇指基座固接,拇指电机的输出轴与拇指减速器的输入轴相连,拇指减速器的输出轴与拇指第一齿轮固接,拇指第一齿轮与拇指第二齿轮啮合,拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上,所说的拇指近关节轴套设在拇指基座中,所说的拇指远关节轴套设在拇指中部指段中,所说的拇指末端指段套固在拇指远关节轴上;
所说的中指包括中指基座、中指电机、中指减速器、中指第一齿轮、中指第二齿轮、中指近关节轴、中指第一中部指段、中指第二中部指段、中指中关节轴、中指远关节轴和中指末端指段;所说的中指电机和中指减速器与中指基座固接,中指电机的输出轴与中指减速器的输入轴相连,中指减速器的输出轴与中指第一齿轮固接,中指第一齿轮与中指第二齿轮啮合,中指第二齿轮与中指近关节轴固接,中指近关节轴套设在中指基座中,所说的中指中关节轴套设在中指第一中部指段中,所说的中指远关节轴套设在中指第二中部指段,所说的中指末端指段套固在远关节轴上;
所说的食指、无名指、小指与中指结构相同;所说的手掌包括手掌骨架、手掌电机、手掌减速器、手掌第一齿轮、手掌第二齿轮、手掌关节轴;所说的手掌电机和手掌减速器与手掌骨架固接,手掌电机的输出轴与手掌减速器的输入轴相连,手掌减速器的输出轴与手掌第一齿轮固接,手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合,手掌第二齿轮套固在手掌关节轴上,手掌关节轴套设在手掌骨架中,拇指基座套固在手掌关节轴上;
所说的中指通过中指基座与手掌骨架固接,所说的食指、无名指、小指分别与手掌骨架固接,连接方式分别同中指一致;所说的食指、中指、无名指、小指、拇指和手掌之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置;
其特征在于:
a、拇指包括拇指主动齿轮、拇指过渡齿轮、拇指主动绳轮、拇指过渡轴、拇指第一腱绳、拇指第二腱绳、拇指从动绳轮和拇指簧件;所说的拇指中部指段套接在拇指近关节轴上;所说的拇指主动齿轮套固在拇指近关节轴上,所说的拇指过渡轴套设在拇指中部指段中,所说的拇指过渡齿轮套固在拇指过渡轴上并与拇指主动齿轮啮合,所说的拇指主动绳轮套固在拇指过渡轴上,所说的拇指从动绳轮套固在拇指远关节轴上,所说的拇指第一腱绳缠绕在拇指主动绳轮和拇指从动绳轮上并成“Z”字形,拇指第一腱绳的两端分别与拇指主动绳轮、拇指从动绳轮固接,所说的拇指第二腱绳缠绕在拇指主动绳轮和拇指从动绳轮上并成“S”字形,拇指第二腱绳的两端分别与拇指主动绳轮、拇指从动绳轮固接,拇指第一腱绳和拇指第二腱绳交叉成“8”字形,所说的拇指簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段;
b、中指包括主动绳轮、中关节齿轮、第一过渡齿轮、第二过渡齿轮、第一过渡绳轮、第二过渡绳轮、第一腱绳、第二腱绳、第三腱绳、第四腱绳、从动绳轮、第一簧件、第二簧件、第一过渡轴和第二过渡轴;第一中部指段套接在近关节轴上,第二中部指段套接在中关节轴上;所说的第一过渡轴套设在第一中部指段中,所说的第二过渡轴套设在第二中部指段中;所说的主动绳轮套固在近关节轴上,所说的中关节齿轮套接在中关节轴上;所说的第一过渡齿轮套固在第一过渡轴上并与中关节齿轮啮合,所说的第二过渡齿轮套固在第二过渡轴上并与中关节齿轮啮合;所说的第一过渡绳轮套固在第一过渡轴上,所说的第二过渡绳轮套固在第二过渡轴上,所说的第一腱绳缠绕在主动绳轮和第一过渡绳轮上并成“Z”字形,第一腱绳的两端分别与主动绳轮、第一过渡绳轮固接,所说的第二腱绳缠绕在主动绳轮和第一过渡绳轮上并成“S”字形,第二腱绳的两端分别与主动绳轮、第一过渡绳轮固接,第一腱绳和第二腱绳交叉成“8”字形;所说的第三腱绳缠绕在第二过渡绳轮和从动绳轮上并成“Z”字形,第三腱绳的两端分别与第二过渡绳轮、从动绳轮固接,所说的第四腱绳缠绕在算二过渡绳轮和从动绳轮上并成“S”字形,第四腱绳的两端分别与第二过渡绳轮、从动绳轮固接,第三腱绳和第四腱绳交叉成“8”字形;从动绳轮套固在远关节轴上;第一簧件的两端分别连接第一中部指段和第二中部指段;第二簧件的两端分别连接第二中部指段和末端指段。
本发明所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指第一腱绳两端分别固接有拇指第一端块、拇指第二端块,所说的拇指第二腱绳两端分别固接有拇指第三端块、拇指第四端块;所说的拇指第一端块镶嵌固定在拇指主动绳轮的槽内,所说的拇指第二端块镶嵌固定在拇指从动绳轮的槽内;所说的拇指第三端块镶嵌固定在拇指主动绳轮的槽内,所说的拇指第四端块镶嵌固定在拇指从动绳轮的槽内;
所说的中指第一腱绳两端分别固接有中指第一端块、中指第二端块,所说的中指第二腱绳两端分别固接有中指第三端块、中指第四端块;所说的中指第一端块镶嵌固定在中指主动绳轮的槽内,所说的中指第二端块镶嵌固定在中指第一过渡绳轮的槽内;所说的中指第三端块镶嵌固定在中指主动绳轮的槽内,所说的中指第四端块镶嵌固定在中指第一过渡绳轮的槽内;所说的中指第三腱绳两端分别固接有中指第五端块、中指第六端块,所说的中指第四腱绳两端分别固接有中指第七端块、中指第八端块;所说的中指第五端块镶嵌固定在中指第二过渡绳轮的槽内,所说的中指第六端块镶嵌固定在中指从动绳轮的槽内;所说的中指第七端块镶嵌固定在中指第二过渡绳轮的槽内,所说的中指第八端块镶嵌固定在中指从动绳轮的槽内。
本发明所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指簧件、中指第一簧件、中指第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。
本发明所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的食指、中指、无名指、小指的第二簧件的弹力限制作用分别强于该手指的第一簧件的弹力限制作用。
本发明所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指第一腱绳、拇指第二腱绳、中指第一腱绳、中指第二腱绳、中指第三腱绳和中指第四腱绳均采用钢丝。
本发明具有以下优点及突出性效果:
该装置具有5个可以主动驱动和独立控制的拟人手指,各手指均可以独立运动;具有15个关节自由度,其中包括6个电机驱动的主动关节和9个欠驱动关节;各手指的欠驱动关节均采用结构相同或近似的交叉腱绳和齿轮传动机构、套接的中部指段和具有多关节解耦作用的簧件,既降低了成本也便于维修,电机、传动机构全部藏入手内,结构简单、控制容易、集成度高;整个装置外观、尺寸和动作模仿人手,具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能,适合安装在拟人机器人上使用。
附图说明
图1是本发明的一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置的实施例正面外观图,此时拇指已摆动到手掌侧面。
图2是本实施例交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置的侧面外观图,此时拇指已摆动到手掌的正对面。
图3是本实施例交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置的俯视外观图,此时拇指已摆动到手掌的正对面。(虚线部分表示转到手掌侧面的拇指。)
图4是本实施例交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置的正面局部剖视图,此时拇指已摆动到与手掌侧面。
图5是本实施例的拇指的正面外观图,未完整画出拇指基座。
图6是本实施例的拇指的侧面外观图,未完整画出拇指基座。
图7是本实施例的拇指正面剖视图,未完整画出拇指基座。
图8是本实施例的拇指侧面剖视图,未完整画出拇指基座。
图9是本实施例的拇指簧件、拇指远关节轴、拇指末端指段和拇指中部指段之间的相对位置和连接示意。
图10是本实施例的中指的正面外观图。
图11是本实施例的中指的侧面外观图。
图12是本实施例的中指的正面剖视图。
图13是本实施例的中指的侧面剖视图。
图14是本实施例的中指第一簧件、中指中关节轴、中指第一中部指段和中指第二中部指段之间的相对位置和连接示意。
图15是本实施例的中指第二簧件、中指远关节轴、中指第二中部指段和中指末端指段之间的相对位置和连接示意。
图16是本实施例的中指主动绳轮、中指第一腱绳、中指第二腱绳、中指第一过渡绳轮、中指近关节轴、中指第一过渡轴、中指第一端块、中指第二端块、中指第三端块、中指第四端块的位置示意。
图17是本实施例的中指第二过渡绳轮、中指第三腱绳、中指第四腱绳、中指从动绳轮、中指第二过渡轴、中指远关节轴、中指第五端块、中指第六端块、中指第七端块、中指第八端块的位置示意。
图18、图19、图20、图24是拇指在抓取物体过程中的几个关键位置的示意图。
图21、图22、图23是拇指在抓取物体过程中的几个关键位置的侧面剖视示意图,也分别对应于图18、图19、图20。
图25、图26、图27、图28、图29、图30、图31是中指在抓取物体过程中的几个关键位置的侧面示意图。
在图1至图31中:
1-手掌,          2-拇指,          3-食指
4-中指,          5-无名指,        6-小指
11-手掌电机,     12-手掌关节轴,   13-手掌第一齿轮,
14-手掌扭簧,     15-减速器,       16-手掌第二齿轮,
17-手掌骨架,
21-基座,         22-电机,         23-近关节轴,
24-中部指段,     25-远关节轴,     26-末端指段,
27-主动齿轮,     281-第一腱绳,    282-第二腱绳,
29-从动绳轮,
210-簧件,        211-第一齿轮,    212-第二齿轮,
221-减速器,      231-第一销钉,    232-第二销钉,
233-第三销钉,
241-第一端块,    242-第二端块,    243-第三端块,
244-第四端块,
251-过渡齿轮,    252-主动绳轮,    253-过渡轴。
41-基座,         42-电机,         43-近关节轴,
44-第一中部指段, 45-中关节轴,     46-第二中部指段,
47-远关节轴,     48-末端指段,
49-主动绳轮,     4101-第一腱绳,   4102-第二腱绳,
411-中关节齿轮,  412-第一簧件,
4141-第三腱绳,   4142-第四腱绳,   415-从动绳轮,
416-第二簧件,
417-减速器,      418-第一齿轮,    419-第二齿轮,
421-第一销钉,    422-第二销钉,
423-第三销钉,    424-第四销钉,    425-第五销钉,
432-第一过渡轴,    435-第一过渡齿轮,    436-第一过渡绳轮,
437-第二过渡轴,    439-第二过渡齿轮,    440-第二过渡绳轮,
451-第一端块,      452-第二端块,        453-第三端块,
454-第四端块,
461-第五端块,      462-第六端块,        463-第七端块,
464-第八端块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。
本发明设计的一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置实施例如图1、图2、图3、图4所示,包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6;
所说的拇指2,如图5、图6、图7、图8、图9所示(未完整画出拇指基座),包括拇指基座21、拇指电机22、拇指减速器221、拇指第一齿轮211、拇指第二齿轮212、拇指近关节轴23、拇指中部指段24、拇指远关节轴25和拇指末端指段26;所说的拇指电机22和拇指减速器221与拇指基座21固接,拇指电机22的输出轴与拇指减速器221的输入轴相连,拇指减速器221的输出轴与拇指第一齿轮211固接,拇指第一齿轮211与拇指第二齿轮212啮合,拇指第二齿轮212套固在拇指近关节轴23上,所说的拇指近关节轴23套设在拇指基座21中,所说的拇指远关节轴25套设在拇指中部指段24中,所说的拇指末端指段26套固在拇指远关节轴25上;
所说的中指4,如图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17所示,包括中指基座41、中指电机42、中指减速器417、中指第一齿轮418、中指第二齿轮419、中指近关节轴43、中指第一中部指段44、中指第二中部指段46、中指中关节轴45、中指远关节轴47和中指末端指段48;所说的中指电机42和中指减速器417与中指基座41固接,中指电机42的输出轴与中指减速器417的输入轴相连,中指减速器417的输出轴与中指第一齿轮418固接,中指第一齿轮418与中指第二齿轮419啮合,中指第二齿轮419与中指近关节轴43固接,中指近关节轴43套设在中指基座41中,所说的中指中关节轴45套设在中指第一中部指段44中,所说的中指远关节轴47套设在中指第二中部指段46,所说的中指末端指段48套固在远关节轴47上;
所说的食指3、无名指5、小指6与中指4结构相同,所不同的只是尺寸大小不同;所说的手掌1包括手掌骨架17、手掌电机11、手掌减速器15、手掌第一齿轮13、手掌第二齿轮16、手掌关节轴12;所说的手掌电机11和手掌减速器15与手掌骨架17固接,手掌电机11的输出轴与手掌减速器15的输入轴相连,手掌减速器15的输出轴与手掌第一齿轮13固接,手掌第一齿轮13与手掌第二齿轮16啮合,手掌第二齿轮16套固在手掌关节轴12上,手掌关节轴12套设在手掌骨架17中,拇指基座21套固在手掌关节轴12上;
所说的中指4通过中指基座41与手掌骨架17固接,所说的食指3、无名指5、小指6分别与手掌骨架17固接,连接方式分别同中指4一致;所说的食指3、中指4、无名指5、小指6、拇指2和手掌1之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置;
本实施例中,拇指2包括拇指主动齿轮27、拇指过渡齿轮251、拇指主动绳轮252、拇指过渡轴253、拇指第一腱绳281、拇指第二腱绳282、拇指从动绳轮29和拇指簧件210;所说的拇指中部指段24套接在拇指近关节轴23上;所说的拇指主动齿轮27通过拇指第一销钉231套固在拇指近关节轴23上,所说的拇指过渡轴253套设在拇指中部指段24中,所说的拇指过渡齿轮251通过拇指第二销钉232套固在拇指过渡轴253上并与拇指主动齿轮27啮合,所说的拇指主动绳轮252套固在拇指过渡轴253上,所说的拇指从动绳轮29通过拇指第三销钉233套固在拇指远关节轴25上,所说的拇指第一腱绳281缠绕在拇指主动绳轮252和拇指从动绳轮29上并成“Z”字形,拇指第一腱绳281的两端分别与拇指主动绳轮252、拇指从动绳轮29固接,所说的拇指第二腱绳282缠绕在拇指主动绳轮252和拇指从动绳轮29上并成“S”字形,拇指第二腱绳282的两端分别与拇指主动绳轮252、拇指从动绳轮29固接,拇指第一腱绳281和拇指第二腱绳282交叉成“8”字形,所说的拇指簧件210的两端分别连接拇指中部指段24和拇指末端指段26,拇指簧件210的一端插入拇指中部指段24中,另一端插入拇指末端指段26中,如图9所示;
本实施例中,中指4包括中指主动绳轮49、中指中关节齿轮411、中指第一过渡齿轮435、中指第二过渡齿轮439、中指第一过渡绳轮436、中指第二过渡绳轮440、中指第一腱绳4101、中指第二腱绳4102、中指第三腱绳4141、中指第四腱绳4142、中指从动绳轮415、中指第一簧件412、中指第二簧件416、中指第一过渡轴432和中指第二过渡轴437;中指第一中部指段44套接在中指近关节轴43上,中指第二中部指段46套接在中指中关节轴45上;所说的中指第一过渡轴432套设在中指第一中部指段44中,所说的中指第二过渡轴437套设在中指第二中部指段46中;所说的中指主动绳轮49套固在中指近关节轴43上,所说的中指中关节齿轮411套接在中指中关节轴45上;所说的中指第一过渡齿轮435套固在中指第一过渡轴432上并与中指中关节齿轮411啮合,所说的中指第二过渡齿轮439套固在中指第二过渡轴437上并与中指中关节齿轮411啮合;所说的中指第一过渡绳轮436套固在中指第一过渡轴432上,所说的中指第二过渡绳轮440套固在中指第二过渡轴437上,所说的中指第一腱绳4101缠绕在中指主动绳轮49和中指第一过渡绳轮436上并成“Z”字形,中指第一腱绳4101的两端分别与中指主动绳轮49、中指第一过渡绳轮436固接,所说的中指第二腱绳4102缠绕在中指主动绳轮49和中指第一过渡绳轮436上并成“S”字形,中指第二腱绳4102的两端分别与中指主动绳轮49、中指第一过渡绳轮436固接,中指第一腱绳4101和中指第二腱绳4102交叉成“8”字形,如图16所示;所说的中指第三腱绳4141缠绕在中指第二过渡绳轮440和中指从动绳轮415上并成“Z”字形,中指第三腱绳4141的两端分别与中指第二过渡绳轮440、中指从动绳轮415固接,所说的中指第四腱绳4142缠绕在中指第二过渡绳轮440和中指从动绳轮415上并成“S”字形,中指第四腱绳4142的两端分别与中指第二过渡绳轮440、中指从动绳轮415固接,中指第三腱绳4141和中指第四腱绳4142交叉成“8”字形,如图17所示;中指从动绳轮415套固在中指远关节轴47上;中指第一簧件412的两端分别连接中指第一中部指段44和中指第二中部指段46,中指第一簧件412的一端插入中指第一中部指段44中,另一端插入中指第二中部指段46中,如图14所示;中指第二簧件416的两端分别连接中指第二中部指段46和中指末端指段48,中指第二簧件416的一端插入中指第二中部指段46中,另一端插入中指末端指段48中,如图15所示;
本实施例中,所说的拇指第一腱绳281两端分别固接有拇指第一端块241、拇指第二端块242,所说的拇指第二腱绳282两端分别固接有拇指第三端块243、拇指第四端块244;所说的拇指第一端块241镶嵌固定在拇指主动绳轮252的槽内,所说的拇指第二端块242镶嵌固定在拇指从动绳轮29的槽内;所说的拇指第三端块243镶嵌固定在拇指主动绳轮252的槽内,所说的拇指第四端块244镶嵌固定在拇指从动绳轮29的槽内。
所说的中指第一腱绳4101两端分别固接有中指第一端块451、中指第二端块452,所说的中指第二腱绳4102两端分别固接有中指第三端块453、中指第四端块454;所说的中指第一端块451镶嵌固定在中指主动绳轮49的槽内,所说的中指第二端块452镶嵌固定在中指第一过渡绳轮436的槽内;所说的中指第三端块453镶嵌固定在中指主动绳轮49的槽内,所说的中指第四端块454镶嵌固定在中指第一过渡绳轮436的槽内;所说的中指第三腱绳4141两端分别固接有中指第五端块461、中指第六端块462,所说的中指第四腱绳4142两端分别固接有中指第七端块463、中指第八端块464;所说的中指第五端块461镶嵌固定在中指第二过渡绳轮440的槽内,所说的中指第六端块462镶嵌固定在中指从动绳轮415的槽内;所说的中指第七端块463镶嵌固定在中指第二过渡绳轮440的槽内,所说的中指第八端块464镶嵌固定在中指从动绳轮415的槽内。
本发明所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,所说的拇指簧件210、中指第一簧件412、中指第二簧件416采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。
本实施例中,所说的拇指簧件210、中指第一簧件412、中指第二簧件416采用扭簧。
本实施例中,所说的食指3、中指4、无名指5、小指6的第二簧件的弹力限制作用分别强于该手指的第一簧件的弹力限制作用。
本实施例中,本实施例中,所说的拇指第一腱绳81、拇指第二腱绳82、中指第一腱绳4101、中指第二腱绳4102、中指第三腱绳4141和中指第四腱绳4142均采用钢丝。
本实施例还包括手掌扭簧14,所说的手掌扭簧14的一端连接手掌关节轴12,另一端连接手掌骨架17。
本实施例的拇指抓取物体过程中几个关键位置的外观示意如图18、图19、图20、图24所示。本实施例的拇指抓取物体过程中几个关键位置的剖视示意如图21、图22、图23所示。本实施例的中指抓取物体过程中几个关键位置的剖视示意如图25、图26、图27、图28、图29、图30、图31所示。下面结合附图,介绍该装置的工作原理。
a、手掌关节轴12转动的工作原理为:
手掌电机11转动,带动手掌减速器15转动,手掌第一齿轮13转动,使手掌第二齿轮16转动,使手掌关节轴12转动,于是带动拇指2整体绕着手掌关节轴12的轴线转动,实现了拇指2在手掌1侧面和正对面的来回侧向摆动。当需要抓取物体时,先将拇指2摆动到手掌1正对面,如图1、3、4所示。不需要抓取物体时,将拇指2摆动到手掌1侧面,如图2及图3的虚线所示拇指位置所示。
b、拇指2工作原理为:
拇指2的初始位置如图18、图21所示,此时拇指中部指段24和拇指末端指段26与拇指基座21呈一直线,即相当于人的手指伸直的状态。当本实施例抓取物体时,拇指电机22的输出轴转动,通过拇指第一齿轮211带动固接有拇指第二齿轮212的拇指近关节轴23转动,使拇指主动齿轮27转动。由于拇指簧件210的约束作用,拇指中部指段24与拇指末端指段26仿佛固接在一起,因此拇指主动齿轮27的转动将通过拇指过渡齿轮251、拇指过渡轴253、拇指主动绳轮252、拇指第一腱绳281和拇指从动绳轮29等的传动,优先使得拇指中部指段24和拇指末端指段26一起绕着拇指近关节轴23转动,此过程直到拇指中部指段24碰到物体,如图19、图22所示。
当拇指中部指段24碰到物体被阻挡而无法继续旋转时,此时拇指主动齿轮27的转动,将带动拇指过渡齿轮251的转动,拇指过渡轴253和拇指主动绳轮252转动,通过拇指第一腱绳281的拉动,使拇指从动绳轮29转动,拇指从动绳轮29的转动方向与拇指主动齿轮27的转动方向相同,使得拇指远关节轴25转动,从而使拇指末端指段26克服拇指簧件210的弹力而转动,同时拇指簧件210变形量增大。此过程直到拇指末端指段26也碰到物体,如图20、图23所示。至此,拇指2抓紧了物体。
即使物体形状大小不同,拇指2也能顺利包络物体。如果拇指中部指段24和拇指末端指段26同时旋转时,拇指末端指段26优先于拇指中部指段24接触到物体表面,由于拇指末端指段26受到拇指中部指段24的阻挡而难以反转,因此拇指2将不再运动而牢牢用拇指末端指段26抓紧物体,如图24所示。
当放开物体时,拇指电机22反向转动,带动拇指近关节轴23反转,带动拇指主动齿轮27反转,使拇指过渡齿轮251反转,使拇指过渡轴253和拇指主动绳轮252反转,从而通过拇指第二腱绳282拉动拇指从动绳轮29反向转动,此时拇指簧件210的变形量逐渐减小,拇指末端指段26绕拇指远关节轴25的轴线反转而离开物体表面,直到拇指末端指段26已到达相对于拇指中部指段24的伸直状态,如图19、图22所示。由于拇指末端指段26被拇指中部指段24阻挡而不能再继续反转,此时拇指电机22继续反向转动,将带动整个拇指中部指段24、拇指远关节轴25、拇指从动绳轮29和拇指末端指段26一起绕着拇指近关节轴23的轴线反向转动,拇指中部指段24离开物体表面,直到恢复到初始拇指22伸直的位置,如图18、图21所示。
拇指2利用齿轮和交叉腱绳传动机构、套接活动的中部指段及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。
c、食指3、中指4、无名指5和小指6的结构和工作原理相同,所不同的仅是尺寸大小的不同,结合图25、图26、图27、图28、图29、图30、图31,以中指4为例介绍其工作原理如下:
中指4的初始状态如图25所示,类似人的手指伸直状态。
当中指4抓取物体时,中指电机42转动,带动中指减速器417转动,通过中指第一齿轮418带动与之啮合的中指第二齿轮419转动,与中指第二齿轮固接的中指近关节轴43转动,带动与其固接的中指主动绳轮49转动。由于中指第一簧件412、中指第二簧件416的共同限制作用,中指第一中部指段44、中指第二中部指段46和中指末端指段48仿佛一个“刚体”,因此中指主动绳轮49的转动将通过中指第二腱绳4102拉动中指第一中部指段44、中指第二中部指段46和中指末端指段48作为一个整体绕中指近关节轴43的轴线转动。此时会遇到三种情况:
(a)中指末端指段48碰到物体,如图31所示,中指4抓取结束。
(b)中指第二中部指段46碰到物体被阻挡不能在转动,见图29,此时中指主动绳轮49继续转动,依次通过中指第二腱绳4102、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432、中指第一过渡齿轮435、中指中关节齿轮411、中指第二过渡齿轮439、中指第二过渡轴437、中指第二过渡绳轮440、中指第三腱绳4141、中指从动绳轮415、中指远关节轴47的传动,将拉动中指末端指段48克服中指第二簧件416的变形弹力绕中指远关节轴47轴线转动,此时中指第二簧件416发生变形,直到中指末端指段48接触到物体,见图30,中指44抓取结束。
(c)中指第一中部指段44碰到物体,如图26所示,由于中指第二簧件416的弹力限制作用强于中指第一簧件412的弹力限制作用,此时中指主动绳轮49继续转动,依次通过中指第二腱绳4102、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432、中指第一过渡齿轮435、中指中关节齿轮411、中指第二过渡齿轮439、中指第二过渡轴437的传动,拉动中指第二中部指段46、中指末端指段48作为一个整体克服中指第一簧件412的变形弹力绕中指中关节轴45的轴线转动。若中指末端指段48碰到物体,则抓取结束;否则若中指第二中部指段46碰到物体,如图27所示。此时中指主动绳轮49继续转动,依次通过中指第二腱绳4102、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432、中指第一过渡齿轮435、中指中关节齿轮411、中指第二过渡齿轮439、中指第二过渡轴437、中指第二过渡绳轮440、中指第三腱绳4141、中指从动绳轮415、中指远关节轴47的传动,将拉动中指末端指段48克服中指第二簧件416的变形弹力绕中指远关节轴47的轴线转动,此时中指第二簧件416发生变形,直到中指末端指段48接触到物体,如图28所示,中指4抓取结束。
当放开物体时,中指电机42反转,带动中指减速器417反转,中指第一齿轮418反转,带动中指第二齿轮419、中指近关节轴43和中指主动绳轮49反转。依次通过中指第一腱绳4101、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432、中指第一过渡齿轮435、中指中关节齿轮411、中指第二过渡齿轮439、中指第二过渡轴437、中指第二过渡绳轮440、中指第四腱绳4142、中指从动绳轮415、中指远关节轴47的传动,拉动中指末端指段48反转,同时中指第二簧件416的变形随之逐渐减小,此时中指末端指段48已经反转到其相对于中指第二中部指段46的初始伸直位置,如图27所示。由于在中指第二中部指段46的后背上方有凸台,此凸台将限制中指末端指段48反转时超过手指伸直的位置,起到一个限位作用,因此中指末端指段48受到中指第二中部指段46的阻挡不能再反向转动。此时中指主动绳轮49继续反转,依次通过中指第一腱绳4101、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432、中指第一过渡齿轮435、中指中关节齿轮411、中指第二过渡齿轮439、中指第二过渡轴437的传动,将拉动已经伸直的中指第二中部指段46和中指末端指段48作为一个整体一起绕中指中关节轴45的轴线反转,同时中指第一簧件412的变形随之逐渐减小,此时中指第二中部指段46已经反向转动到其相对于中指第一中部指段44的初始伸直位置,如图26所示。由于在中指第一中部指段44的后背上方有凸台,此凸台将限制中指第二中部指段46反转时超过中指4伸直的位置,起到一个限位作用,因此中指第二中部指段46受到中指第一中部指段44的阻挡不能再反向转动。此时中指主动绳轮49继续反转,依次通过中指第一腱绳4101、中指第一过渡绳轮436、中指第一过渡轴432的传动,将拉动已经伸直的中指第一中部指段44、中指第二中部指段46、中指末端指段48作为一个整体一起绕中指近关节轴43的轴线反向转动,直到装置完全恢复到最开始的伸直位置,如图25所示。
本发明利用所设计的交叉腱绳和齿轮传动机构、套接活动的两个中部指段及两个簧件所具有的解耦作用综合实现了三关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。
食指3、无名指5和小指6的抓取原理与中指4完全相同,不再赘述。

Claims (4)

1、一种交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌;所说的拇指(2)包括拇指基座(21)、拇指电机(22)、拇指减速器(221)、拇指第一齿轮(211)、拇指第二齿轮(212)、拇指近关节轴(23)、拇指中部指段(24)、拇指远关节轴(25)和拇指末端指段(26);所说的拇指电机(22)和拇指减速器(221)与拇指基座(21)固接,拇指电机(22)的输出轴与拇指减速器(221)的输入轴相连,拇指减速器(221)的输出轴与拇指第一齿轮(211)固接,拇指第一齿轮(211)与拇指第二齿轮(212)啮合,拇指第二齿轮(212)套固在拇指近关节轴(23)上,所说的拇指近关节轴(23)套设在拇指基座(21)中,所说的拇指远关节轴(25)套设在拇指中部指段(24)中,所说的拇指末端指段(26)套固在拇指远关节轴(25)上;
所说的中指(4)包括中指基座(41)、中指电机(42)、中指减速器(417)、中指第一齿轮(418)、中指第二齿轮(419)、中指近关节轴(43)、中指第一中部指段(44)、中指第二中部指段(46)、中指中关节轴(45)、中指远关节轴(47)和中指末端指段(48);所说的中指电机(42)和中指减速器(417)与中指基座(41)固接,中指电机(42)的输出轴与中指减速器(417)的输入轴相连,中指减速器(417)的输出轴与中指第一齿轮(418)固接,中指第一齿轮(418)与中指第二齿轮(419)啮合,中指第二齿轮(419)与中指近关节轴(43)固接,中指近关节轴(43)套设在中指基座(41)中,所说的中指中关节轴(45)套设在中指第一中部指段(44)中,所说的中指远关节轴(47)套设在中指第二中部指段(46),所说的中指末端指段(48)套固在远关节轴(47)上;
所说的食指(3)、无名指(5)、小指(6)与中指(4)结构相同;所说的手掌(1)包括手掌骨架(17)、手掌电机(11)、手掌减速器(15)、手掌第一齿轮(13)、手掌第二齿轮(16)、手掌关节轴(12);所说的手掌电机(11)和手掌减速器(15)与手掌骨架(17)固接,手掌电机(11)的输出轴与手掌减速器(15)的输入轴相连,手掌减速器(15)的输出轴与手掌第一齿轮(13)固接,手掌第一齿轮(13)与手掌第二齿轮(16)啮合,手掌第二齿轮(16)套固在手掌关节轴(12)上,手掌关节轴(12)套设在手掌骨架(17)中,拇指基座(21)套固在手掌关节轴(12)上;
所说的中指(4)通过中指基座(41)与手掌骨架(17)固接,所说的食指(3)、无名指(5)、小指(6)分别与手掌骨架(17)固接,连接方式分别同中指(4)一致;所说的食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)、拇指(2)和手掌(1)之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置;
其特征在于:
a、拇指(2)包括拇指主动齿轮(27)、拇指过渡齿轮(251)、拇指主动绳轮(252)、拇指过渡轴(253)、拇指第一腱绳(281)、拇指第二腱绳(282)、拇指从动绳轮(29)和拇指簧件(210);所说的拇指中部指段(24)套接在拇指近关节轴(23)上;所说的拇指主动齿轮(27)通过拇指第一销钉(231)套固在拇指近关节轴(23)上,所说的拇指过渡轴(253)套设在拇指中部指段(24)中,所说的拇指过渡齿轮(251)通过拇指第二销钉(232)套固在拇指过渡轴(253)上并与拇指主动齿轮(27)啮合,所说的拇指主动绳轮(252)套固在拇指过渡轴(253)上,所说的拇指从动绳轮(29)通过拇指第三销钉(233)套固在拇指远关节轴(25)上,所说的拇指第一腱绳(281)缠绕在拇指主动绳轮(252)和拇指从动绳轮(29)上并成“Z”字形,拇指第一腱绳(281)的两端分别与拇指主动绳轮(252)、拇指从动绳轮(29)固接,所说的拇指第二腱绳(282)缠绕在拇指主动绳轮(252)和拇指从动绳轮(29)上并成“S”字形,拇指第二腱绳(282)的两端分别与拇指主动绳轮(252)、拇指从动绳轮(29)固接,拇指第一腱绳(281)和拇指第二腱绳(282)交叉成“8”字形,所说的拇指簧件(210)的两端分别连接拇指中部指段(24)和拇指末端指段(26);
b、中指(4)包括主动绳轮(49)、中关节齿轮(411)、第一过渡齿轮(435)、第二过渡齿轮(439)、第一过渡绳轮(436)、第二过渡绳轮(440)、第一腱绳(4101)、第二腱绳(4102)、第三腱绳(4141)、第四腱绳(4142)、从动绳轮(415)、第一簧件(412)、第二簧件(416)、第一过渡轴(432)和第二过渡轴(437);中指第一中部指段(44)套接在中指近关节轴(43)上,中指第二中部指段(46)套接在中指中关节轴(45)上;中指第一过渡轴(432)套设在中指第一中部指段(44)中,中指第二过渡轴(437)套设在中指第二中部指段(46)中;中指主动绳轮(49)套固在中指近关节轴(43)上,中指中关节齿轮(411)套接在中指中关节轴(45)上;中指第一过渡齿轮(435)套固在中指第一过渡轴(432)上并与中指中关节齿轮(411)啮合,中指第二过渡齿轮(439)套固在中指第二过渡轴(437)上并与中指中关节齿轮(411)啮合;中指第一过渡绳轮(436)套固在中指第一过渡轴(432)上,中指第二过渡绳轮(440)套固在中指第二过渡轴(437)上,中指第一腱绳(4101)缠绕在中指主动绳轮(49)和中指第一过渡绳轮(436)上并成“Z”字形,中指第一腱绳(4101)的两端分别与中指主动绳轮(49)、中指第一过渡绳轮(436)固接,中指第二腱绳(4102)缠绕在中指主动绳轮(49)和中指第一过渡绳轮(436)上并成“S”字形,中指第二腱绳(4102)的两端分别与中指主动绳轮(49)、中指第一过渡绳轮(436)固接,中指第一腱绳(4101)和中指第二腱绳(4102)交叉成“8”字形;中指第三腱绳(4141)缠绕在中指第二过渡绳轮(440)和中指从动绳轮(415)上并成“Z”字形,中指第三腱绳(4141)的两端分别与中指第二过渡绳轮(440)、中指从动绳轮(415)固接,中指第四腱绳(4142)缠绕在中指第二过渡绳轮(440)和中指从动绳轮(415)上并成“S”字形,中指第四腱绳(4142)的两端分别与中指第二过渡绳轮(440)、中指从动绳轮(415)固接,中指第三腱绳(4141)和中指第四腱绳(4142)交叉成“8”字形;中指从动绳轮(415)套固在中指远关节轴(47)上;中指第一簧件(412)的两端分别连接中指第一中部指段(44)和中指第二中部指段(46),中指第二簧件(416)的两端分别连接中指第二中部指段(46)和中指末端指段(48)。
2、如权利要求1所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指第一腱绳(281)两端分别固接有拇指第一端块(241)、拇指第二端块(242),所说的拇指第二腱绳(282)两端分别固接有拇指第三端块(243)、拇指第四端块(244);所说的拇指第一端块镶嵌固定在拇指主动绳轮的槽内,所说的拇指第二端块镶嵌固定在拇指从动绳轮的槽内;所说的拇指第三端块镶嵌固定在拇指主动绳轮的槽内,所说的拇指第四端块镶嵌固定在拇指从动绳轮的槽内;
所说的中指第一腱绳(4101)两端分别固接有中指第一端块(451)、中指第二端块(452),所说的中指第二腱绳(4102)两端分别固接有中指第三端块(453)、中指第四端块(454);所说的中指第一端块镶嵌固定在中指主动绳轮的槽内,所说的中指第二端块镶嵌固定在中指第一过渡绳轮的槽内;所说的中指第三端块镶嵌固定在中指主动绳轮的槽内,所说的中指第四端块镶嵌固定在中指第一过渡绳轮的槽内;所说的中指第三腱绳(4141)两端分别固接有中指第五端块(461)、中指第六端块(462),所说的中指第四腱绳(4142)两端分别固接有中指第七端块(463)、中指第八端块(464);所说的中指第五端块镶嵌固定在中指第二过渡绳轮的槽内,所说的中指第六端块镶嵌固定在中指从动绳轮的槽内;所说的中指第七端块镶嵌固定在中指第二过渡绳轮的槽内,所说的中指第八端块镶嵌固定在中指从动绳轮的槽内。
3、如权利要求1所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指簧件(210)、中指第一簧件(412)、中指第二簧件(416)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。
4、如权利要求1所述的交叉腱绳欠驱动模块化拟人机器人手装置,其特征在于:所说的拇指第一腱绳(281)、拇指第二腱绳(282)、中指第一腱绳(4101)、中指第二腱绳(4102)、中指第三腱绳(4141)和中指第四腱绳(4142)均采用钢丝。
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