CN101024287A - 一种腱络欠驱动机械手指装置 - Google Patents
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Abstract
一种腱络欠驱动机械手指装置，含有第一指段、第二指段和套设在两个指段之间的欠驱动关节。欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、腱绳和簧件，关节轴安装在第一指段上，第二指段套设在关节轴上；腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接；主动滑块镶嵌在第一指段中，且与腱绳相接触；簧件设置在第一指节和第二指节之间。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高欠驱动的手指，用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、大小物体的自适应性，该装置结构简单、可靠，体积小、重量轻，仅需较低的控制系统要求。
Description
技术领域
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种腱络欠驱动机械手指装置的结构设计。
背景技术
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。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。设计腱络欠驱动机械手指装置能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1365875A，包括第一指段、主动板、第二指段、欠驱动关节。外力使主动板绕欠驱动关节轴转动，由多级齿轮增速机构实现第二指段大幅度转动后扣紧物体。
该装置的不足之处为：该装置采用多级齿轮传动，在关节处为一个齿轮箱，体积较大；其主动板作转动运动，致使其远离关节的一端距离第一指段表面过远，造成手指一端比另一端粗许多，与人手差别较大；该装置虽然模仿拇指是基本可行的，但不适合模仿除拇指外的其他手指，而且，若将多个该装置连接起来构成食指、中指、无名指和小指，外观将与人手差别过大。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1410223A，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，同时固接在主动滑块上的齿条向底板运动，带动与齿条啮合的齿轮绕关节轴转动，实现第二指段转动并扣紧物体。
该装置的不足之处为：该装置采用齿轮齿条传动，装置比较复杂，手掌的质量较大，所消耗能耗较高。为了实现良好的欠驱动效果，即实现第二指段较大角度的转动，所采用的齿轮半径必须很小，加工难度大，成本高。且齿轮齿条机构需要良好的润滑和密封，使用成本较高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种腱络欠驱动机械手指装置。该装置自身不带驱动器，外形与人手的手指相似，结构简单、可靠，体积小、重量轻，成本低，易于加工，易于维护，仅需要较低的控制系统要求。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。
本发明采用如下技术方案：一种腱络欠驱动机械手指装置，含有第一指段、第二指段和套设在两个指段之间的欠驱动关节，其特征在于：所述的欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、腱绳和扭簧，关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的腱绳相接触，抓取物体时沿垂直于腱绳方向滑动；所述的扭簧缠绕在关节轴上，一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接。
本发明的优选技术方案是：在所述的主动滑块上设有与腱绳平行的槽或通孔，腱绳穿过主动滑块上的通孔或槽与主动滑块相接触。
本发明另一技术特征是：所述主动滑块的表面上设有滑块表面罩以及固接在滑块表面罩上的滑块表面板；所述的滑块表面板采用工业橡皮材料。
本发明所述的第一指段由第一指段骨架、右轴承板和背面板组成。在主动滑块上设有压簧。
本发明提供的另一技术方案：一种腱络欠驱动机械手指装置，含有第一指段、第二指段和套设在两个指段之间的欠驱动关节，其特征在于：所述的欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、腱绳和拉簧，关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的腱绳相接触，抓取物体时沿垂直于腱绳方向滑动；所述拉簧一端与第二指段固接，另一端与第一指段固接，使第二指段在放开物体时能够回复到自然位置。
本发明还提供了一种高欠驱动机械手指装置，具特征在于：该装置包括两个以上的指段，在每相邻两指段之间设有欠驱动关节。
本发明具有以下优点及突出性效果：该装置自身不带驱动器，间接利用手部其他手指、其他关节的主动驱动力(力矩)作为驱动源，并利用腱络传动实现第二指段转动，主动滑块运动距离短，更接近人手，且对所抓物体形状、大小具有很强的自适应，降低了抓取物体时需要的控制精度，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与人手的手指相似，结构简单、可靠，体积小、重量轻，便于维护，可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高欠驱动的手指，还可以用多个这样的高欠驱动手指组合构成高欠驱动的机器人拟人手，用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、大小物体的很强的自适应性。
附图说明
图1是本发明的一种腱络欠驱动机械手指实施例的侧面外观图。
图2是本发明的正面外观图。
图3是本发明实施例的正面剖视图。
图4是本发明实施例的侧面示意图(图3的D-D剖视)。
图5是本发明实施例的正面剖视图(为图4中的A-A剖视图)。
图6是本发明另一实施例的侧面剖视图。
图7、8、9、10是第一指段固定后本发明实施例手指抓握物体的原理示意图。
图11是第一指段固定后本发明实施例第二指段接触小尺寸物体的原理示意图。
图12、13、14、15是第一指段与主动关节连接后的本发明实施例手指抓握物体示意图。
图16是第一指段与主动关节连接后的本发明实施例手指用第二指段接触小尺寸物体示意图。
图17是应用了本发明实施例的欠驱动双关节手指的侧面示意图。
图18是应用了本发明实施例的欠驱动双关节手指的正面示意图。
图19是应用了本发明实施例的欠驱动双关节手指在两个欠驱动关节转动下抓握大尺寸物体的示意图，其根部指段与主动关节连接。
图20是应用了本发明实施例的欠驱动双关节手指在只转动一个欠驱动关节下抓握中等尺寸物体的示意图，其根部指段与主动关节连接。
图21是应用了本发明实施例的欠驱动双关节手指用末端指段接触小尺寸物体的示意图，其根部指段与主动关节连接。
图22是应用了本发明实施例的机器人拟人多指手的正面外观图，此时拇指已转动到手掌的侧面。
在图1至图22中：
1第一指段， 2第二指段， 3欠驱动关节，
4主动滑块， 5第一指段骨架， 5-1骨架上板，
5-2骨架下板， 5-3骨架侧板， 6右轴承板，
7背面板， 8辅助性压簧， 9主动滑块上的滑槽，
10滑块表面罩， 11滑块表面板
12a第一指段骨架上板上的小孔， 12b第一指段骨架下板上的小孔，
13关节轴， 14腱绳， 15-扭簧
16根部指段， 17中部指段， 18末端指段，
19根部主动滑块， 20中部主动滑块， 21中部欠驱动关节，
22末端欠驱动关节， 23手掌， 24拇指，
25食指， 26中指， 27无名指，
28小指， 29拇指根部关节， 30拇指末端欠驱动关节，
31食指根部关节， 32食指中部欠驱动关节，
33食指末端欠驱动关节， 34中指根部关节，
35中指中部欠驱动关节， 36中指末端欠驱动关节，
37无名指根部关节， 38无名指中部欠驱动关节，
39无名指末端欠驱动关节， 40小指根部关节，
41小指中部欠驱动关节， 42小指末端欠驱动关节，
43拉簧。
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。
本发明设计的一种腱络欠驱动机械手指装置实施例，外形如图1、2所示。原理如图3、4、5所示，该装置含有第一指段1、第二指段2和套设在两个指段之间的欠驱动关节3，所述的欠驱动关节包括关节轴13、主动滑块4、腱绳14和扭簧15，关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的腱绳相接触，抓取物体时沿垂直于腱绳方向滑动；所述的扭簧缠绕在关节轴上，一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接。
所述的主动滑块4上加工有与腱绳平行的滑槽9，滑块表面罩10固结在主动滑块上，滑块表面板11固接在滑块表面罩上。滑块表面板采用有适当弹性的工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。
所述的第一指段1由第一指段骨架5、右轴承板6和背面板7组成，其中第一指段骨架包括骨架上板5-1，骨架下板5-2，骨架侧板5-3。
所述的腱绳14一端与第二指段2固接，另一端依次穿过第一指段骨架上板5-1上的小孔12a、主动滑块4上的滑槽9、第一指段骨架下板5-2上的小孔12b，与第一指段骨架5下部固接。
所述的扭簧15设置在第二指段2与第一指段骨架5之间，缠绕在关节轴13上，其功能是：自然状态下保持第二指段2正直；放开物体时，将第二指段2带回自然位置；放开物体时，带动第二指段2拉动腱绳14复位，从而将第一指段主动滑块4也带回自然位置。
所述的辅助性压簧8设置在第一指段1与主动滑块4之间，在没有外力的情况下，主动滑块在压簧作用下始终靠外，放开物体时，辅助性压簧可作为扭簧15的补充，协助扭簧将主动滑块复位。
所述的扭簧15可用拉簧43代替，实现相同功能，其实施例原理如图6所示。
(1)如果将本发明实施例的第一指段1固定后本发明实施例的工作原理，如图7、8、9、10所示，叙述如下：
当机器人拟人手抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压主动滑块4，主动滑块4沿垂直手指表面向第一指段1里平移d，同时把腱绳压向第一指段底板，腱绳拉动与之固接的第二指段2也相应大角度转动α，直到第二指段接触物体为止，因而该机器人拟人手将具有对物体大小、形状的自动适应性。值得一提的是，主动滑块平移d所带来的腱绳拉动位移是2d(如图4)。由于套设在关节轴上的第二指段末端为分度圆直径较小的圆柱，使得主动滑块4较小的位移也能带来较大的第二指段2的转动角度，使得第二指段转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的；当机器人拟人手放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块4，第一指段1和主动滑块4之间的弹簧将主动滑块弹回到最初的远离第一指段的位置，同时，扭簧15带动与之相固接的第二指段2也恢复到最初手指伸直的位置。拉簧43可代替扭簧15实现相同的功能。
如果抓取的物体直径较小，不适合接触到主动滑块4，则可以采用其他手指的末端指段与本发明实施例的的第二指段2接触的方式抓取，此时，关节轴13不会转动，也同样能够很好的抓取物体。如图11所示。
(2)如果将本发明实施例的第一指段1根部套接在一个由驱动器驱动的主动关节上，本发明实施例的工作原理，如图12、13、14、15所示，叙述如下：
当机器人拟人手抓取物体时，第一指段1所套在的主动关节在驱动力矩m作用下转动，使得整个欠驱动手指绕根部的这个主动关节转动，直到主动滑块4接触物体，由于物体在其他手指的作用下不能离开，所以，当主动关节继续转动时，主动滑块4在物体的阻挡下沿垂直手指表面向第一指段1里平移，其后抓取过程与(1)类似。
如果抓取的物体直径较小，不适合接触到主动滑块4，则可以采用其他手指的末端指段与本发明实施例的的第二指段2接触的方式抓取，此时，关节轴13不会转动，也同样能够很好的抓取物体。如图16所示。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指如图17、18所示。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指包括根部指段16，中部指段17，末端指段18，根部主动滑块19，中部主动滑块20，中部欠驱动关节21，末端欠驱动关节22。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指用两个欠驱动关节转动抓取物体的原理如图19所示。当机器人拟人手抓取物体时，物体在其他手指的作用下压迫根部主动滑块19，(如果此欠驱动双关节手指的根部指段套设在一个主动关节上，则此欠驱动双关节手指在根部主动关节的主动转动下，压迫物体，物体受到其他手指的阻碍不能离开，于是反作用于根部主动滑块19，)此时根部主动滑块19沿垂直手指表面的向根部指段16里直线运动，使得中部指段17、中部主动滑块20、末端欠驱动关节22、末端指段18绕中部欠驱动关节21快速转动，仿佛在中部欠驱动关节有电机等驱动器主动驱动一般，直到中部主动滑块20接触物体，中部主动滑块20受到物体阻碍不再运动，此时物体继续压迫根部主动滑块19，于是造成中部指段17、末端欠驱动关节22、末端指段18继续绕欠驱动关节21快速转动，由于此时中部指段17(在转动)相对于中部主动滑块20(不动)运动，带动末端指段18绕末端欠驱动关节22快速转动，仿佛在末端欠驱动关节有电机等驱动器主动驱动一般，直到末端指段18接触物体，具有对不同形状、尺寸的物体的自动适应性。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指，用1个欠驱动关节转动抓取物体的情况如图20所示
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指用，欠驱动关节不转动抓取物体的情况如图21所示
应用本发明实施例的机器人拟人多指手如图22所示。
应用本发明实施例的机器人拟人多指手包括手掌23、拇指24、食指25、中指26、无名指27、小指28、拇指根部关节29、拇指末端关节30、食指根部关节31、食指中部关节32、食指末端关节33、中指根部关节34、中指中部关节35、中指末端关节36、无名指根部关节37、无名指中部关节38、无名指末端关节39、小指根部关节40、小指中部关节41、小指末端关节42。
其中，拇指24应用了单个本发明实施例结构、食指25、中指26、无名指27、小指28均分别应用了两个本发明实施例结构。各手指的根部关节均为由电机驱动的主动关节。各手指的中部关节和末端关节均为不带驱动器的欠驱动关节，即应用了本发明实施例的结构。
Claims (7)
1.一种腱络欠驱动机械手指装置，含有第一指段(1)、第二指段(2)和套设在两个指段之间 的欠驱动关节(3)，其特征在于：所述的欠驱动关节包括关节轴(13)、主动滑块(4)、腱绳(14)和扭簧(15)，关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上；所述的腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的腱绳相接触，抓取物体时沿垂直于腱绳方向滑动；所述的扭簧缠绕在关节轴上，一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接。
2.如权利要求1所述的腱络欠驱动机械手指装置，其特征在于：在所述的主动滑块(4)上设有与腱绳(14)平行的槽(9)或通孔；所述的腱绳穿过主动滑块上的通孔或槽与主动滑块相接触。
3.如权利要求1所述的腱络欠驱动机械手指装置，其特征在于：所述主动滑块的表面上设有滑块表面罩(10)以及固接在滑块表面罩上的滑块表面板(11)；所述的滑块表面板采用工业橡皮材料。
4.如权利要求1、2或3所述的腱络欠驱动机械手指装置，其特征在于：所述的第一指段由第一指段骨架(5)、右轴承板(6)和背面板(7)组成，第一指段骨架包括骨架上板(5-1)、骨架下板(5-2)和骨架侧板(5-3)。
5.按照权利要求5所述的腱络欠驱动机械手指装置，其特征在于：在主动滑块上设有辅助性压簧(8)。
6.一种腱络欠驱动机械手指装置，含有第一指段(1)、第二指段(2)和套设在两个指段之间的欠驱动关节(3)，其特征在于：所述的欠驱动关节包括关节轴(13)、主动滑块(4)、腱绳(14)和拉簧(43)，关节轴安装在第 指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的腱绳一端与第二指段的末端固接，另一端穿过第一指段上部与第一指段的下部固接，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的腱绳相接触，抓取物体时沿垂直于腱绳方向滑动；所述拉簧一端与第二指段固接，另一端与第一指段固接，使第二指段在放开物体时能够回复到自然位置。
7.一种采用如权利要求1或6所述装置的高欠驱动机械手指装置，其特征在于：该装置包括两个以上的指段，在每相邻两指段之间设有欠驱动关节。
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