CN101804633A - 腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置 - Google Patents

腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置 Download PDF

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CN101804633A CN 201010138826 CN201010138826A CN101804633A CN 101804633 A CN101804633 A CN 101804633A CN 201010138826 CN201010138826 CN 201010138826 CN 201010138826 A CN201010138826 A CN 201010138826A CN 101804633 A CN101804633 A CN 101804633A
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Abstract

腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,属于拟人机器人技术领域。该装置具有5个独立控制的手指和14个关节自由度,由10个电机驱动,其中指、无名指、小指与食指结构相同,为双电机驱动三关节转动;拇指固接在手掌中,采用双电机驱动两关节转动。各手指结构相似,均利用电机、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果。该装置在抓取前可以灵活弯曲手指中间关节以达到稳定拟人的预弯曲姿态,在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体。该装置结构紧凑、集成度高,外观、尺寸和形态动作接近人手,可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体,也可以进行简单的操作,适合作为拟人机器人的输出终端使用。

Description

腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置
技术领域
本发明属于拟人机器人技术领域,特别涉及一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生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。
近30年来,灵巧手研究取得了丰硕的成果。灵巧手具有3~5个手指,每个手指2~4个关节自由度,绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能做出人手的各种动作,包括抓取和操作两种动作。例如国外研发出来的Hitachi手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手,国内哈工大研发的HIT灵巧手和北航研发的BH灵巧手。灵巧手的主要优点是手指自由度多,可以较为灵活主动的抓取物体,并有很好的抓取稳定性,其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取),造成对传感及控制系统要求高,系统复杂、成本高、可靠性低。
欠驱动机器人手指可以克服上述灵巧手纯主动驱动多关节手指的一些不足,以此为主设计实现高欠驱动的机器人手已经受到越来越多的重视。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸,达到自适应抓取的目的,降低了对传感及控制系统的要求。
但是欠驱动机械手指的不足为:其手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度),这与人手抓取方式有较大不同,不够拟人化,不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手抓持不同尺寸物体时,手指在还未碰触物体前就需要事先弯曲到某个角度,只有这样才能更好的抓取。例如,在人手在捏持小尺寸物体之前,四指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节要事先弯曲较大角度,直到四指末端与拇指末端相接近,之后再进行抓取。而且手指所弯曲的角度对于不同尺寸的物体是需要调节的。而传统的欠驱动手指没法实现在碰触物体之前的这种中间关节的转动,因而难以实现更加拟人化抓取动作和更加稳定地抓持物体效果。另外,当没有所抓物体而执行单纯的握拳动作时,整个手指只能呈伸直状态绕近关节轴转动,这与人手的可以绕中间关节弯曲的握拳动作相去甚远,影响了机器人手的拟人化动作效果。
已有的一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置,如中国发明专利CN101214653A,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;各欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构,电机、传动机构藏入手内。该装置的每个手指均为带轮欠驱动手指。以拇指为例,由于弹簧的约束作用使中部指段和末端指段在没有碰触物体前保持固定的伸直状态(中部指段和末端指段之间的夹角为平角),只有当中部指段接触物体被阻挡时,末端指段才随远关节轴转动,实现手指弯曲包络所抓取物体。该装置的不足之处在于在接触物体前,各手指的中部指段和末端指段只能呈伸直状态,以一个整体绕近关节轴转动,影响了抓取效果。
也有传统的具有刚性手指的机械手装置,具有固定弯曲的手指构型,它们模仿了人类抓取物体时的最常见手指姿态,但是这类装置的手指弯曲状态是固定不可以改变弯曲角度的,而且关节自由度数过少,不能适应不同尺寸物体的抓取需求。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处,提供一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,它可以自由调节各手指中间关节的初始状态,同时保证抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的抓取效果。该装置利用电机对欠驱动手初始位置进行调节,提高了机械手抓取不同尺寸、形状物体的稳定性和拟人化动作效果,实现机器人多指手在较低控制系统要求下的灵活自适应抓取和简单操作,装置外形与人的手相似,适合作为拟人机器人的输出终端使用。
本发明的技术方案如下:
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌;
所述的拇指包括拇指第一电机、拇指第二电机、拇指基座、拇指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节轴、拇指末端指段、拇指第一传动机构、拇指第二传动机构和拇指复位簧件;所述的拇指第一电机与拇指基座固接,拇指第一电机的输出轴与拇指第一传动机构相连;所述的拇指第二电机与拇指基座固接,拇指第二电机的输出轴与拇指第二传动机构相连;所述的拇指近关节轴套设在拇指基座中,拇指远关节轴套设在拇指中部指段中,拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行;所述的拇指中部指段套设在拇指近关节轴上,所述的拇指末端指段套设在拇指远关节轴上;所述的拇指复位簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段;
所述的食指包括食指第一电机、食指第二电机、食指基座、食指第一中部指段、食指第二中部指段、食指末端指段、食指第一传动机构、食指第二传动机构、食指近关节轴、食指第一中部指段关节轴、食指远关节轴、食指第一复位簧件和食指第二复位弹簧;所述的食指第一电机与食指基座固接,食指第一电机的输出轴与食指第一传动机构相连;所述的食指第二电机与食指基座固接,食指第二电机的输出轴与食指第二传动机构相连;所述的食指近关节轴套设在食指基座中,食指第一中部指段关节轴套设在食指第一中部指段中,食指远关节轴套设在食指第二中部指段中,食指近关节轴、食指第一中部指段关节轴和食指远关节轴相互平行;所述的食指第一中部指段套设在食指近关节轴上,所述的食指第二中部指段套设在食指第一中部指段关节轴上,所述的食指末端指段套设在食指远关节轴上;所述的食指第一复位簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段,所述的食指第二复位簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段;
所述的中指、无名指、小指与食指结构相同,仅尺寸大小不同;所述的手掌包括手掌骨架,所述的拇指基座与手掌骨架固接;
所述的食指通过食指基座与手掌骨架固接,所述的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接,连接方式同食指一致;所述的食指、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:
所述的拇指还包括拇指第一绳轮、拇指第二绳轮、拇指第三绳轮、拇指第一限位件(241)、拇指第二限位件、拇指第三限位件、拇指第一腱绳、拇指第二腱绳和拇指第三腱绳;拇指第一腱绳、拇指第二腱绳和拇指第三腱绳;所述的拇指第一绳轮和拇指第二绳轮固结或套接在拇指近关节轴上,所述的拇指第三绳轮固结或套接在拇指远关节轴上;所述的拇指第一限位件固结在拇指末端指段上,所述的拇指第二限位件和拇指第三限位件固结在拇指中部指段上;所述的拇指第一腱绳的两端分别连接拇指第一传动机构输出端和拇指末端指段,拇指第一腱绳从拇指末端指段向拇指基座方向穿过拇指第一限位件和拇指第三绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮,穿过拇指第二限位件和拇指第一绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第一绳轮;所述的拇指第二腱绳的两端分别连接拇指第二传动机构输出端和拇指末端指段,拇指第二腱绳从拇指末端指段向拇指基座方向穿过拇指第一限位件和拇指第三绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮,穿过拇指第三限位件和拇指第二绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第二绳轮;所述的拇指第三腱绳的两端分别连接拇指第一传动机构输出端和拇指中部指段,拇指第三腱绳从拇指中部指段向拇指基座方向穿过拇指第二限位件和拇指第一绳轮间隙,与拇指弯曲方向反方向绕过拇指第一绳轮后,从基座内部穿出后再穿入基座内,与拇指第一传动机构输出端相连;
所述的食指还包括食指第一绳轮、食指第二绳轮、食指第三绳轮、食指第四绳轮、食指第一限位件、食指第二限位件、食指第三限位件、食指第四限位件、食指第一腱绳、食指第二腱绳和食指第三腱绳;所述的食指第一绳轮和食指第二绳轮固结或套接在食指近关节轴上,所述的食指第三绳轮固结或套接在食指第一中部指段关节轴上,所述的食指第四绳轮固结或套接在食指远关节轴上;所述的食指第一限位件固结在食指末端指段上,所述的食指第二限位件和食指第三限位件固结在食指第一中部指段上,所述的食指第四限位件固结在食指第二中部指段上;所述的食指第一腱绳的两端分别连接食指第一传动机构输出端和食指末端指段,依次绕过各食指第四绳轮、食指第三绳轮和食指第一绳轮,食指第一腱绳绕过各绳轮的方式与拇指第一腱绳绕绳方式相同;所述的食指第二腱绳的一端连接第二传动机构输出端,另一端连接食指第二中部指段,依次绕过食指第四绳轮、食指第三绳轮和食指第二绳轮,食指第二腱绳绕过各绳轮的方式与拇指第二腱绳绕绳方式相同;所述的食指第三腱绳的两端分别连接食指第一传动机构输出端和食指第一中部指段,食指第三腱绳绕过食指第三绳轮的方式与拇指第三腱绳绕过拇指第三绳轮的方式相同。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一传动机构包括拇指第一传动螺杆和拇指第一传动螺母,所述的拇指第一传动螺杆与拇指第一电机的输出轴相连,拇指第一传动螺母分别与拇指第一腱绳和拇指第三腱绳的一端相连,拇指第一传动螺母镶嵌在基拇指座中。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第二传动机构包括拇指第二传动螺杆和拇指第二传动螺母,所述的拇指第二传动螺杆与拇指第二电机的输出轴相连,拇指第二传动螺母与拇指第二腱绳的一端相连,拇指第二传动螺母镶嵌在拇指基座中。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的食指第一传动机构包括食指第一传动螺杆和食指第一传动螺母,所述的食指第一传动螺杆与食指第一电机的输出轴相连,食指第一传动螺母分别与食指第一腱绳和食指第三腱绳的一端相连,食指第一传动螺母镶嵌在食指基座中。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的食指第二传动机构包括食指第二传动螺杆和食指第二传动螺母,所述的食指第二传动螺杆与食指第二电机的输出轴相连,食指第二传动螺母与食指第二腱绳的一端相连,食指第二传动螺母镶嵌在拇指基座中。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指复位簧件、食指第一复位簧件和食指第二复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一腱绳、拇指第二腱绳、拇指第三腱绳、食指第一腱绳、食指第二腱绳和食指第三腱绳采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。
本发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一限位件、拇指第二限位件、拇指第三限位件、食指第一限位件、食指第二限位件、食指第三限位件和食指第四限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
本发明装置具有5个独立控制的手指和14个关节自由度,由10个电机驱动;各手指结构相似,均利用电机、腱绳和复位簧件综合实现了手指可变初始构型的自适应抓取效果:手指在抓取前弯曲中间关节以达到良好的准备抓取姿态,在抓取时按照自适应欠驱动方式抓取物体。通过调节不同的手指初始构型,可以更好地提高抓取拟人性、灵活性和稳定性,降低了对传感及控制系统的要求。该装置结构紧凑、集成度高,外观、尺寸和形态动作接近人手,可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体,也可以进行简单的操作(如按压琴键等),适合作为拟人机器人的输出终端使用。
附图说明
图1是本发明提供的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置的一种实施例的正面剖视图,此时拇指剖视未画出。
图2是图1所示实施例的侧面外观图。
图3是图1所示实施例的俯视外观图。
图4是图1所示实施例的正面外观图。
图5是图1所示实施例的拇指安装示意图(从A方向看)。
图6是图1所示实施例的拇指的正面剖视图,未完整画出拇指基座。
图7是图6所示实施例的拇指的在B-B处的剖视图,只画出拇指第一腱绳。
图8是图1所示实施例的拇指的正面外观图,未完整画出拇指基座。
图9是图1所示实施例的拇指的左侧外观图,未完整画出拇指基座。
图10是图1在B-B处的剖视图,只画出拇指第二腱绳。
图11是图1在B-B处的剖视图,只画出拇指第三腱绳。
图12是图1所示实施例的食指的正面剖视图。
图13是图12所示实施例的食指的在C-C处的剖视图。
图14是图1所示实施例的食指的正面外观图。
图15是图1所示实施例的食指的左侧外观图。
图16是图1所示实施例的食指的右侧外观图。
图17是图1所示实施例的食指的背面外观图。
图18、图19、图20、图21是本实施例的食指在末端指段与中部指段以伸直姿态为初始姿态下抓取大物体的过程示意图,此时全过程中第一电机工作。
图22、图23、图24、图25、图26、图27是食指在第二中部指段和末端指段呈平角,以及第一中部指段以弯曲某个角度的预备姿态下抓取小物体的过程示意图,在此全过程中第二电机先工作,随后第一电机工作。
图28、图29、图30、图31、图32是食指仅让第二电机工作时抓取水平面上滑动物体的过程示意图。
图33、图34、图35、图36是食指仅让第二电机工作时进行简单操作:按压琴键的过程示意图。
在图1至图36中:
1-手掌,              2-拇指,           3-食指,
4-中指,              5-无名指,         6-小指,
101-手掌骨架,
201-拇指第一电机,    202-拇指第二电机, 203-拇指复位弹簧,
204-拇指末端指段,    205-拇指基座,
206-拇指第一传动螺杆,207-拇指第一传动螺母,
208-拇指第二传动螺杆,209-拇指第二传动螺母,
210-拇指第二绳轮,    211-拇指第一绳轮, 212-拇指近关节轴,
215-拇指中部指段,      216-拇指第三腱绳,     217-拇指远关节轴,
218-拇指第三绳轮,      219-拇指第一腱绳,     220-拇指第二腱绳,
221-拇指腱绳方向限位件,
241-拇指第一限位件,    242-拇指第二限位件,   243-拇指第三限位件,
261-拇指第一传动机构,  262-拇指第二传动机构,
301-食指第一电机,      302-食指第二电机,
303-食指第二复位弹簧,  304-食指末端指端,     305-食指基座,
306-食指第一传动螺杆,  307-食指第一传动螺母,
308-食指第二传动螺杆,  309-食指第二传动螺母, 310-食指第二绳轮,
311-食指第一绳轮,      312-食指近关节轴,     313-食指第四限位件,
314-食指第二复位簧件,  315-食指第一中部指段, 316-食指第三腱绳,
317-食指第一中部指段关节轴,
318-食指第三绳轮,      319-食指第一腱绳,     320-食指第二腱绳,
321-食指腱绳方向限位件,334-食指第二中部指段, 335-食指远关节轴,
336-食指第四绳轮,      337-食指第一复位簧件,
341-食指第一限位件,    342-食指第二限位件,   343-食指第三限位件,
361-食指第一传动机构,  362-食指第二传动机构,
701、702、703-食指要抓取的物体,
704-食指所要按压的琴键。
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。
本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置的一种实施例,如图1、图2、图3、图4、图5所示,包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。本实施例的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相同,所不同的只是大小尺寸,工作原理也一致。本实施例的拇指2的工作原理与食指3的工作原理也部分相同。拇指2结构如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示。食指3结构如图12、图13、图14、图15、图16和图17所示。
所述的拇指2包括拇指第一电机201、拇指第二电机202、拇指基座205、拇指近关节轴212、拇指中部指段215、拇指远关节轴217、拇指末端指段204、拇指第一传动机构261、拇指第二传动机构262和拇指复位簧件203;所述的拇指第一电机201与拇指基座205固接,拇指第一电机201的输出轴与拇指第一传动机构261相连;所述的拇指第二电机202与拇指基座205固接,拇指第二电机202的输出轴与拇指第二传动机构262相连;所述的拇指近关节轴212套设在拇指基座205中,拇指远关节轴217套设在拇指中部指段215中,拇指近关节轴212和拇指远关节轴217相互平行;所述的拇指中部指段215套设在拇指近关节轴212上,所述的拇指末端指段204套设在拇指远关节轴217上;所述的拇指复位簧件203的两端分别连接拇指中部指段215和拇指末端指段204。
所述的食指3包括食指第一电机301、食指第二电机302、食指基座305、食指第一中部指段315、食指第二中部指段334、食指末端指段304、食指第一传动机构361、食指第二传动机构362、食指近关节轴312、食指第一中部指段关节轴317、食指远关节轴335、食指第一复位簧件337和食指第二复位弹簧314;所述的食指第一电机301与食指基座305固接,食指第一电机301的输出轴与食指第一传动机构361相连;所述的食指第二电机302与食指基座305固接,食指第二电机302的输出轴与食指第二传动机构362相连;所述的食指近关节轴312套设在食指基座305中,食指第一中部指段关节轴317套设在食指第一中部指段315中,食指远关节轴335套设在食指第二中部指段334中,食指近关节轴312、食指第一中部指段关节轴317和食指远关节轴335相互平行;所述的食指第一中部指段315套设在食指近关节轴312上,所述的食指第二中部指段334套设在食指第一中部指段关节轴317上,所述的食指末端指段304套设在食指远关节轴335上;所述的食指第一复位簧件337的两端分别连接食指第一中部指段315和食指第二中部指段334,所述的食指第二复位簧件314的两端分别连接食指第二中部指段334和食指末端指段304。
所述的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相同,仅尺寸大小不同;所述的手掌1包括手掌骨架101,所述的拇指基座205与手掌骨架101固接。
所述的食指2通过食指基座205与手掌骨架101固接,所述的中指4、无名指5、小指6分别与手掌骨架101固接,连接方式同食指3一致;所述的食指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。
所述的拇指还包括拇指第一绳轮211、拇指第二绳轮210、拇指第三绳轮218、拇指第一限位件241、拇指第二限位件242、拇指第三限位件243、拇指第一腱绳219、拇指第二腱绳220和拇指第三腱绳216;拇指第一腱绳219、拇指第二腱绳220和拇指第三腱绳216;所述的拇指第一绳轮211和拇指第二绳轮210固结或套接在拇指近关节轴212上,所述的拇指第三绳轮218固结或套接在拇指远关节轴217上;所述的拇指第一限位件241固结在拇指末端指段204上,所述的拇指第二限位件242和拇指第三限位件243固结在拇指中部指段215上;所述的拇指第一腱绳219的两端分别连接拇指第一传动机构261输出端和拇指末端指段204,拇指第一腱绳219从拇指末端指段204向拇指基座205方向穿过拇指第一限位件241和拇指第三绳轮218间隙,与拇指2弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮218,穿过拇指第二限位件242和拇指第一绳轮211间隙,与拇指2弯曲方向同方向绕过拇指第一绳轮211;所述的拇指第二腱绳220的两端分别连接拇指第二传动机构262输出端和拇指末端指段204,拇指第二腱绳220从拇指末端指段204向拇指基座205方向穿过拇指第一限位件241和拇指第三绳轮218间隙,与拇指2弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮218,穿过拇指第三限位件243和拇指第二绳轮210间隙,与拇指2弯曲方向同方向绕过拇指第二绳轮210;所述的拇指第三腱绳216的两端分别连接拇指第一传动机构261输出端和拇指中部指段215,拇指第三腱绳216从拇指中部指段215向拇指基座205方向穿过拇指第二限位件242和拇指第一绳轮211间隙,与拇指2弯曲方向反方向绕过拇指第一绳轮211后,从基座205内部穿出后再穿入基座205内,与拇指第一传动机构261输出端相连。
所述的食指还包括食指第一绳轮311、食指第二绳轮310、食指第三绳轮318、食指第四绳轮336、食指第一限位件341、食指第二限位件342、食指第三限位件343、食指第四限位件313、食指第一腱绳319、食指第二腱绳320和食指第三腱绳316;所述的食指第一绳轮311和食指第二绳轮310固结或套接在食指近关节轴312上,所述的食指第三绳轮318固结或套接在食指第一中部指段关节轴317上,所述的食指第四绳轮336固结或套接在食指远关节轴335上;所述的食指第一限位件341固结在食指末端指段304上,所述的食指第二限位件342和食指第三限位件343固结在食指第一中部指段315上,所述的食指第四限位件313固结在食指第二中部指段334上;所述的食指第一腱绳319的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指末端指段304,依次绕过各食指第四绳轮336、食指第三绳轮318和食指第一绳轮311,食指第一腱绳319绕过各绳轮的方式与拇指第一腱绳219绕绳方式相同;所述的食指第二腱绳320的一端连接第二传动机构362输出端,另一端连接食指第二中部指段334,依次绕过食指第四绳轮336、食指第三绳轮318和食指第二绳轮310,食指第二腱绳320绕过各绳轮的方式与拇指第二腱绳220绕绳方式相同;所述的食指第三腱绳316的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指第一中部指段315,食指第三腱绳316绕过食指第三绳轮318的方式与拇指第三腱绳216绕过拇指第三绳轮218的方式相同。
所述的食指第一腱绳319的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指末端指段304,依次穿过各中部指段,食指第一腱绳319绕过各绳轮的方式与拇指第一腱绳219绕过各绳轮的方式相同;所述的食指第二腱绳320的一端连接第二传动机构362输出端,另一端连接食指第二中部指段334,依次穿过各中部指段,食指第二腱绳320绕过各绳轮的方式与拇指第二腱绳220绕过各绳轮的方式相同;所述的食指第三腱绳316的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指第一中部指段315,食指第三腱绳316绕过各绳轮的方式与拇指第三腱绳216绕过各绳轮的方式相同。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,所述的拇指第一传动机构261包括拇指第一传动螺杆206和拇指第一传动螺母207,所述的拇指第一传动螺杆206与拇指第一电机201的输出轴相连,拇指第一传动螺母207分别与拇指第一腱绳219和拇指第三腱绳216的一端相连,拇指第一传动螺母207镶嵌在基拇指座205中。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,所述的拇指第二传动机构262包括拇指第二传动螺杆208和拇指第二传动螺母209,所述的拇指第二传动螺杆208与拇指第二电机202的输出轴相连,拇指第二传动螺母208与拇指第二腱绳214的一端相连,拇指第二传动螺母209镶嵌在拇指基座205中。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,所述的食指第一传动机构361包括食指第一传动螺杆306和食指第一传动螺母307,所述的食指第一传动螺杆306与食指第一电机301的输出轴相连,食指第一传动螺母307分别与食指第一腱绳315和食指第三腱绳323的一端相连,食指第一传动螺母307镶嵌在食指基座305中。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,所述的食指指第二传动机构362包括食指第二传动螺杆308和食指第二传动螺母309,所述的食指第二传动螺杆308与食指第二电机302的输出轴相连,食指第二传动螺母309与食指第二腱绳304的一端相连,食指第二传动螺母309镶嵌在拇指基座305中。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,所述的拇指复位簧件203、食指第一复位簧件316和食指第二复位簧件303采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。
本实施例中,所述的拇指复位簧件203、食指第一复位簧件316和食指第二复位簧件303采用拉簧。
本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一腱绳219、拇指第二腱绳214、拇指第三腱绳216、食指第一腱绳315、食指第二腱绳304和食指第三腱绳323采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。
本实施例中,所述的拇指第一腱绳219、拇指第二腱绳214、拇指第三腱绳216、食指第一腱绳315、食指第二腱绳304和食指第三腱绳323采用绳。
发明所述的一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一限位件241、拇指第二限位件242、拇指第三限位件243、食指第一限位件341、食指第二限位件342、食指第三限位件343和食指第四限位件313采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。
本实施例中,所述的拇指第一限位件241、拇指第二限位件242、拇指第三限位件243、食指第一限位件341、食指第二限位件342、食指第三限位件343和食指第四限位件313采用圆柱销。
下面结合附图介绍本实施例的工作原理。
食指3的工作原理为:
(a)若仅食指第一电机301工作,此时,食指第一中部指段315关节以伸直作为即将抓取物体时的预备姿态,抓取物体具有一种自动适应物体尺寸形状的效果。
食指第二电机302不用工作,食指第一电机301工作,其抓取物体的过程和原理为:食指第一电机301的输出轴转动,带动食指第一传动机构361工作,此处具体为带动食指第一传动螺杆306转动,带动食指第一传动螺母307向下移动,食指第一传动螺母307向下拉拽食指第一腱绳319和食指第三腱绳316的一端。由于食指第三腱绳316与食指3弯曲方向反向绕过食指第一绳轮311,在初始时对食指第一指段315有约束作用,使食指第一指段315不能食指绕近关节轴312正向转动。当食指第一传动螺母307向下移动时,食指第三腱绳316松弛,使其对食指第一中部指段315的正向约束消失。食指第一腱绳319与手指弯曲方向同向绕过食指第一绳轮311、食指第三绳轮318和食指第四绳轮336,向下拉拽食指末端指段304。由于食指第一复位簧件327与食指第二复位簧件314的正向约束作用,食指第一中部指段315、食指第二中部指段334和食指末端指段304作为一个整体一起绕食指近关节轴312的中心线转动一个角度,此过程直到食指第一中部指段315接触到物体701为止,此时如图19所示。当食指第一中部指段315被物体701阻挡而无法继续转动时,食指第一传动螺母307继续下移,拉动食指第一腱绳319和食指第三腱绳316的一端下移,食指第一腱绳319继续拉拽食指末端指段304克服食指第一复位簧件337的变形弹力而优先使得:食指第二中部指段334与食指末端指段304作为一个整体一起绕着食指第一中部指段关节轴317转动。此过程直到食指第二中部指段334接触到物体701为止,此时如图20所示。当食指第二中部指段334被物体701阻挡而无法继续转动时,食指第一传动螺母307继续下移,拉动食指第一腱绳319和食指第三腱绳316的一端下移,食指第一腱绳319继续拉拽食指末端指段304克服食指第二复位簧件314的变形弹力而使得:食指末端指段304绕着食指远关节轴335转动。此过程直到食指末端指段304接触到物体701为止,此时如图21所示。此时,该装置抓取结束。
当放开物体701时,食指第一电机301反转,带动食指第一传动螺杆306反转,食指第一传动螺母307上移,拉动食指第一腱绳319和食指第三腱绳316向上移动,食指第一腱绳319对食指末端指段304的约束作用消失,食指末端指段304在食指第二复位簧件314的作用下绕食指远关节轴335反转,同时食指第二复位簧件314的变形随之逐渐减小为零,此时食指末端指段304已经反向转动到其相对于食指第二中部指段334的初始伸直位置,如图20所示。食指第一传动螺母307继续下移,食指第二中部指段334和食指末端指段304在食指第一复位簧件337的作用下绕食指第一中部指段关节轴317反转,同时食指第一复位簧件337的变形随之逐渐减小为零,此时食指第二中部指段334和食指末端指段304已经反向转动到其相对于食指第一中部指段315的初始伸直位置,如图19所示。食指第一传动螺母307继续下移,在食指第三腱绳316的约束作用下,食指第一中部指段315、食指第二中部指段334和食指末端指段304绕食指近关节轴312反向转动,直到该装置完全恢复到最开始的伸直位置,如图18所示。
(b)若食指第二电机302先工作,之后食指第一电机301再工作,此时,食指第一中部指段15关节以弯曲作为即将抓取物体时的预备姿态,使得即将抓取时具有较好的手指构型,有利于抓取;同时,抓取中仍然采用与(a)介绍的相同的欠驱动抓取方式,保留了自动适应物体形状尺寸的效果。
食指第二电机302与食指第一电机301将依次先后使用。首先仅让食指第二电机302工作,其输出轴转动,带动食指第二传动螺杆308转动,带动食指第二传动螺母309向下移动,食指第二传动螺母309向下拉拽食指第二腱绳320。食指第二腱绳320的另一端拉拽食指第二中部指段334,由于食指第三腱绳316的约束作用,食指第一中部指段315不能转动,又由于食指第二复位簧件314的约束作用,食指第二中部指段334和食指末端指段304克服食指第一复位簧件337的变形弹力而使得:食指第二中部指段334和食指末端指段304作为整体绕食指第一中部指段关节轴317的中心线转动一个角度(预备抓取前的弯曲角度),如图23所示。至此,食指第二电机302停止工作不在转动。由于食指第二腱绳320不可以被拉回但可以弯曲,因而它对食指第二中部指段334和食指末端指段304具有单方向的约束作用,即食指第二腱绳320限制住了食指第二中部指段334和食指末端指段304不能往回到伸直的初始位置,但是食指第二中部指段334和食指末端指段304可以在其他机构作用下继续向前转动(此时食指第二腱绳320处于松弛状态),因此,此时食指第一中部指段15关节弯曲的状态作为后续欠驱动抓取动作的初始位置被确定下来。之后食指第一电机301工作时实现的如(a)所介绍的多关节欠驱动抓取过程仍可以正常进行。前述过程可以自由调节食指第二中部指段334、食指末端指段304与食指第一中部指段315的初始角度,一旦调节完成食指第二电机302就停止工作,此后转为食指第一电机301开始工作,之后食指第一电机301工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(a)过程相同,只是食指3的初始姿态变为弯曲的状态了,如图24、图25、图26和图27所示。
当放开物体702时,食指第一电机301反向转动,带动食指第一传动螺杆306反转,食指第一传动螺母307上移,拉动食指第一腱绳319和第三腱绳316向上移动,食指第一腱绳319对食指末端指段304的约束作用消失,食指末端指段304在食指第二复位簧件314的作用下绕食指远关节轴335反转,同时食指第二复位簧件314的变形随之逐渐减小为零,直到食指第二中部指段334和食指末端指段304已到达食指第二腱绳320约束的弯曲姿态位置,如图26所示。由于食指第二中部指段334和食指末端指段304被食指第一中部指段315阻挡而不能再继续反转,此时食指第一电机301继续反向转动,带动食指第一中部指段315、食指第二中部指段334和食指末端指段304一起绕着食指近关节轴312的轴线反向转动,食指第一中部指段315离开物体702表面。直到恢复到如图23所示状态,此时食指第一电机301停转,食指第二电机302开始反向转动,通过食指第二传动螺杆308带动食指第二传动螺母309向上运动,食指第二腱绳320不再对食指第二中部指段334和食指末端指段304起约束作用,于是食指第二中部指段334和食指末端指段304在食指第一复位簧件337的作用下恢复伸直到最开始位置,如图22所示。
(c)若仅食指第二电机302工作,此时,食指采用食指第二中部指段334和食指末端指段304主动去抓取物体。
食指第二电机302的输出轴转动,带动食指第二传动螺杆308转动,带动食指第二传动螺母309向下移动,食指第二传动螺母309向下拉拽食指第二腱绳320。食指第二腱绳320的另一端拉拽食指第二中部指段334,由于食指第三腱绳316的约束作用,食指第一中部指段315不能转动,又由于食指第二复位簧件314的约束作用,食指第二中部指段334和食指末端指段304克服食指第一复位簧件337的变形弹力而使得:食指第二中部指段334和食指末端指段304作为整体绕食指第一中部指段关节轴315正向转动,如图29所示。此后,食指第二传动螺母309继续下移,在其他约束条件(手指、手掌或物体所在桌面等)的帮助下,食指第二中部指段334受到物体703的阻碍不能继续转动,食指第二电机302继续工作,带动食指末端指段304转动,直到与物体703接触,食指第二复位簧件303发生变形,此时食指3抓紧了物体703。
放开物体时,食指第二电机302反转,带动食指第二传动螺杆308反转,手指第二传动螺母309上升,手指第二腱绳320不再对手指第二中部指段334和手指末端指段304起反向约束作用,食指第二复位簧件314带动食指末端指段304反转离开物体703。之后,食指第一复位簧件337带动食指第二中部指段334和食指末端指段304绕食指第一中部指段关节轴317反转,同时第一复位簧件337的变形随之逐渐减小为零,此时食指3恢复到初始伸直的位置,如图28所示。
(d)若仅食指第二电机302工作,手指可以进行简单操作,以手指按压琴键作为实施例加以说明。此时,手指采用食指第二中部指段334和食指末端指段304主动去接触物体。
若只是使用食指第二电机302转动让食指末端304按压琴键704。食指第二电机302的输出轴转动,带动食指第二传动螺杆308转动,带动手指第二传动螺母309向下移动,食指第二传动螺母309向下拉拽食指第二腱绳320。食指第二腱绳320的另一端拉拽食指第二中部指段334,由于食指第三腱绳316的约束作用,手指第一中部指段315不能转动,又由于食指第二复位簧件314的约束作用,食指第二中部指段334和食指末端指段304克服食指第一复位簧件337的变形弹力而使得:食指第二中部指段334和食指末端指段304作为整体绕食指第一中部指段关节轴317正向转动,如图34所示。当食指末端指段304接触琴键704后,随着食指第二传动螺母309的继续下移,食指第二中部指段334和食指末端指段304作为整体继续绕手指第一中部指段关节轴317正向转动,直到将琴键704按压至最低点,如图36所示。
放开琴键时,食指第二电机302反转,带动食指第二传动螺杆308反转,食指第二传动螺母309上升,食指第二腱绳320不再对食指第二中部指段334和食指末端指段304起反向约束作用,食指第一复位簧件337带动食指末端指段304反转离开琴键704,同时食指第一复位簧件337的变形随之逐渐减小为零,此时手指恢复到初始伸直的位置,如图33所示。
拇指仅比食指减少了一个欠驱动关节,中指、无名指、小指的抓取原理与食指完全相同,各个手指的工作原理完全相同,不再赘述。
上述各种情况下,本发明所提出的该实施例装置都可以正常工作。
本发明装置具有5个独立控制的手指和14个关节自由度,由10个电机驱动;各手指结构相似,均利用电机、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果:手指在抓取前可以灵活弯曲手指中间关节以达到稳定拟人的预弯曲姿态,在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体。通过调节手指初始构型大为提高抓取灵活性、拟人性和稳定性,并降低了对传感及控制系统的要求。该装置结构紧凑、集成度高,外观、尺寸和形态动作接近人手,可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体,也可以进行简单的操作,适合作为拟人机器人的输出终端使用。

Claims (8)

1.一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和手掌(1);
所述的拇指包括拇指第一电机(201)、拇指第二电机(202)、拇指基座(205)、拇指近关节轴(212)、拇指中部指段(215)、拇指远关节轴(217)、拇指末端指段(204)、拇指第一传动机构(261)、拇指第二传动机构(262)和拇指复位簧件(203);所述的拇指第一电机与拇指基座固接,拇指第一电机的输出轴与拇指第一传动机构相连;所述的拇指第二电机与拇指基座固接,拇指第二电机的输出轴与拇指第二传动机构相连;所述的拇指近关节轴套设在拇指基座中,拇指远关节轴套设在拇指中部指段中,拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行;所述的拇指中部指段套设在拇指近关节轴上,所述的拇指末端指段套设在拇指远关节轴上;所述的拇指复位簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段;
所述的食指包括食指第一电机(301)、食指第二电机(302)、食指基座(305)、食指第一中部指段(315)、食指第二中部指段(334)、食指末端指段(304)、食指第一传动机构(361)、食指第二传动机构(362)、食指近关节轴(312)、食指第一中部指段关节轴(317)、食指远关节轴(335)、食指第一复位簧件(337)和食指第二复位弹簧(314);所述的食指第一电机与食指基座固接,食指第一电机的输出轴与食指第一传动机构相连;所述的食指第二电机与食指基座固接,食指第二电机的输出轴与食指第二传动机构相连;所述的食指近关节轴套设在食指基座中,食指第一中部指段关节轴套设在食指第一中部指段中,食指远关节轴套设在食指第二中部指段中,食指近关节轴、食指第一中部指段关节轴和食指远关节轴相互平行;所述的食指第一中部指段套设在食指近关节轴上,所述的食指第二中部指段套设在食指第一中部指段关节轴上,所述的食指末端指段套设在食指远关节轴上;所述的食指第一复位簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段,所述的食指第二复位簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段;
所述的中指、无名指、小指与食指结构相同,仅尺寸大小不同;所述的手掌包括手掌骨架(101),所述的拇指基座与手掌骨架固接;
所述的食指通过食指基座与手掌骨架固接,所述的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接,连接方式同食指一致;所述的食指、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:
所述的拇指还包括拇指第一绳轮(211)、拇指第二绳轮(210)、拇指第三绳轮(218)、拇指第一限位件(241)、拇指第二限位件(242)、拇指第三限位件(243)、拇指第一腱绳(219)、拇指第二腱绳(220)和拇指第三腱绳(216);拇指第一腱绳(219)、拇指第二腱绳(220)和拇指第三腱绳(216);所述的拇指第一绳轮和拇指第二绳轮固结或套接在拇指近关节轴上,所述的拇指第三绳轮固结或套接在拇指远关节轴上;所述的拇指第一限位件固结在拇指末端指段上,所述的拇指第二限位件和拇指第三限位件固结在拇指中部指段上;所述的拇指第一腱绳的两端分别连接拇指第一传动机构输出端和拇指末端指段,拇指第一腱绳从拇指末端指段向拇指基座方向穿过拇指第一限位件和拇指第三绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮,穿过拇指第二限位件和拇指第一绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第一绳轮;所述的拇指第二腱绳的两端分别连接拇指第二传动机构输出端和拇指末端指段,拇指第二腱绳从拇指末端指段向拇指基座方向穿过拇指第一限位件和拇指第三绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第三绳轮,穿过拇指第三限位件和拇指第二绳轮间隙,与拇指弯曲方向同方向绕过拇指第二绳轮;所述的拇指第三腱绳的两端分别连接拇指第一传动机构输出端和拇指中部指段,拇指第三腱绳从拇指中部指段向拇指基座方向穿过拇指第二限位件和拇指第一绳轮间隙,与拇指弯曲方向反方向绕过拇指第一绳轮后,从基座内部穿出后再穿入基座内,与拇指第一传动机构输出端相连;
所述的食指还包括食指第一绳轮(311)、食指第二绳轮(310)、食指第三绳轮(318)、食指第四绳轮(336)、食指第一限位件(341)、食指第二限位件(342)、食指第三限位件(343)、食指第四限位件(313)、食指第一腱绳(319)、食指第二腱绳(320)和食指第三腱绳(316);所述的食指第一绳轮和食指第二绳轮固结或套接在食指近关节轴上,所述的食指第三绳轮固结或套接在食指第一中部指段关节轴上,所述的食指第四绳轮固结或套接在食指远关节轴上;所述的食指第一限位件固结在食指末端指段上,所述的食指第二限位件和食指第三限位件固结在食指第一中部指段上,所述的食指第四限位件固结在食指第二中部指段上;所述的食指第一腱绳319的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指末端指段304,依次绕过各食指第四绳轮336、食指第三绳轮318和食指第一绳轮311,食指第一腱绳319绕过各绳轮的方式与拇指第一腱绳219绕绳方式相同;所述的食指第二腱绳320的一端连接第二传动机构362输出端,另一端连接食指第二中部指段334,依次绕过食指第四绳轮336、食指第三绳轮318和食指第二绳轮310,食指第二腱绳320绕过各绳轮的方式与拇指第二腱绳220绕绳方式相同;所述的食指第三腱绳316的两端分别连接食指第一传动机构361输出端和食指第一中部指段315,食指第三腱绳316绕过食指第三绳轮318的方式与拇指第三腱绳216绕过拇指第三绳轮218的方式相同。
2.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一传动机构包括拇指第一传动螺杆(206)和拇指第一传动螺母(207),所述的拇指第一传动螺杆与拇指第一电机的输出轴相连,拇指第一传动螺母分别与拇指第一腱绳和拇指第三腱绳的一端相连,拇指第一传动螺母镶嵌在基拇指座中。
3.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第二传动机构包括拇指第二传动螺杆(208)和拇指第二传动螺母(209),所述的拇指第二传动螺杆与拇指第二电机的输出轴相连,拇指第二传动螺母与拇指第二腱绳的一端相连,拇指第二传动螺母镶嵌在拇指基座中。
4.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的食指第一传动机构包括食指第一传动螺杆(306)和食指第一传动螺母(307),所述的食指第一传动螺杆与食指第一电机的输出轴相连,食指第一传动螺母分别与食指第一腱绳和食指第三腱绳的一端相连,食指第一传动螺母镶嵌在食指基座中。
5.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的食指第二传动机构包括食指第二传动螺杆(308)和食指第二传动螺母(309),所述的食指第二传动螺杆与食指第二电机的输出轴相连,食指第二传动螺母与食指第二腱绳的一端相连,食指第二传动螺母镶嵌在拇指基座中。
6.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指复位簧件、食指第一复位簧件和食指第二复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。
7.如权利要求1所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置,其特征在于:所述的拇指第一腱绳、拇指第二腱绳、拇指第三腱绳、食指第一腱绳、食指第二腱绳和食指第三腱绳采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。
8.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置,其特征在于:所述的拇指第一限位件、拇指第二限位件、拇指第三限位件、食指第一限位件、食指第二限位件、食指第三限位件和食指第四限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。
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