CN102528815A

CN102528815A - 一种多自由度欠驱动机械手

Info

Publication number: CN102528815A
Application number: CN2012100016104A
Authority: CN
Inventors: 吕海峰; 何斌; 曹进涛; 何小林; 王延刚; 宋伟; 徐新虎
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种多自由度欠驱动机械手，它包括手掌、拇指、中指、食指、无名指、小指、导绳轮、簧片、驱动腱等。拇指、食指、中指、无名指、小指等都包括3个指节，各个指节通过簧片连接，簧片通过螺钉与垫块一起固定在各个指节的背面。各指节由一个电机驱动，通过腱及导绳轮带动各指节弯曲。该发明具有高度拟人化、自适应性强、重量轻、体积小、结构紧凑、驱动元件少、自由度多、控制容易、加工简单等优点。

Description

一种多自由度欠驱动机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其涉及一种多自由度欠驱动机械手。

背景技术

近几十年来，关于机器人灵巧手的研究很多，也取得了不错的成果，机械手一般具有2到5个手指，每个手指有2到4个指节。机械手的形式主要有全驱动机械手和欠驱动机械手，全驱动机械手的驱动数等于自由度数，欠驱动机械手的驱动数少于自由度数，目前欠驱动机械手的研究已经占据了主流。机械手的驱动元件主要有电机、液压、气动、记忆合金等几种方式，通过一些传动机构来带动机械手各个指节的运动。作为机器人手臂的执行部件，机械手主要用来抓取物体，具有体积小、灵巧性高、自由度多、控制复杂等特点。一方面，希望设计的机械手具有较多的自由度，驱动器数相应增加，另一方面，为了减轻机械手的体积、重量以及控制难度，又需要减少驱动器数，这两者之间存在着一定的矛盾，本发明就是在这种情况下设计的，具有驱动器少、体积小、重量轻、控制简单、加工简单、自适应性强等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种多自由度欠驱动机械手，具有自由度多、驱动元件少、控制简单、加工简单、体积小、重量轻等特点，为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多自由度欠驱动机械手，包括手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、导绳轮、驱动腱，其特征在于：所述食指、中指、无名指、小指通过轴与手掌铰接，可绕轴转动。每个手指由3个指节构成，拇指包括近拇指节、中拇指节、远拇指节，食指包括近食指节、中食指节、远食指节，中指包括近中指节、中中指节、远中指节，无名指包括近无名指节、中无名指节、远无名指节，小指包括近小指节、中小指节、远小指节，每个手指的各个指节之间通过一细长簧片连接，簧片通过螺钉固定。腱A与电机输出轴相连，并穿过第1、第15导绳轮与第2导绳轮固接，腱C一端与第2导绳轮固接，另一端绕过第7导绳轮并穿过大拇指各指节与远拇指节固接，腱B一端套在第2导绳轮上，被分成两段，一段绕过第4、6、5导绳轮与第8导绳轮固接，另一段绕过第3、14导绳轮与第13导绳轮固接，腱D、E 套在第7、13导绳轮上经第9、10、11、12导绳轮穿过各指节并与远指节固接，大拇指基座与手掌立柱固接。所述手掌内部各导绳轮的布局是基于驱动拇指的力要比较大，在不计较摩擦的情况下，腱C上的力等于电机驱动力，腱B上的力为驱动力的一半，腱D、E上的力为腱B上的一半。所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15导绳轮中间外部开有小槽，能够使腱更好地与导绳轮连接。所述手掌形状为一个无盖中空的盒子，手掌底部开有滑槽以便第8、13、2导绳轮，滑槽行程在20-35mm之间，与人手指节长度相仿，在其间滑动改变行程从而带动各个指节运动。所述腱D、E不通过各关节的旋转中心，腱D、E的张力对各关节产生力矩，驱动各指节向安装有腱D、E的一侧弯曲。所述簧片为一细长薄片，所述腱A、B、C、D、E为钢丝或绳索。所述簧片是在每个指节上放置一个垫块，然后通过螺钉将垫块固定至簧片上，垫块能够紧固簧片、增加强度。所述第8、13、2导绳轮能够在各自滑槽内移动，导绳轮通过铆钉与手掌固接，各腱在手掌外部依次穿过近指节、中指节和远指节的端部小孔并最终与远指节固接。所述各个指节和手掌均为铝合金或注塑成品。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明与现有机械手相比不需要在指节关节处加扭簧。该欠驱动机械手具有传动机构简单、驱动数较少、自由度较多、重量轻、体积小、操作简单、加工简单、自适应性较强等优点。

附图说明

图1为欠驱动机械手的轴视图；

图2为欠驱动机械手的主剖图；

图3为欠驱动机械手中指主视图；

图4为欠驱动机械手大拇指主视图；

图5为欠驱动机械手大拇指侧视图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例进一步详细介绍本发明的具体结构及工作原理。

实施例一：参见图1-5，本多自由度欠驱动机械手，包括手掌（37）、拇指（44）、食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48）、导绳轮 (2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)、驱动腱（1,6,8,11,29），其特征在于：所述食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48）通过轴（16）与手掌（37）铰接，可绕轴（16）转动。每个手指由3个指节构成，拇指（44）包括近拇指节（39）、中拇指节（40）、远拇指节（41），食指（45）包括近食指节（15）、中食指节（18）、远食指节（21），中指（46）包括近中指节（19）、中中指节（20）、远中指节（22），无名指（47）包括近无名指节（26）、中无名指节（25）、远无名指节（23），小指（48）包括近小指节（28）、中小指节（27）、远小指节（24），每个手指的各个指节之间通过一细长簧片连接，簧片通过螺钉固定。腱A（1）与电机输出轴相连，并穿过第1、第15导绳轮（2,36）与第2导绳轮（3）固接，腱C（8）一端与第2导绳轮（3）固接，另一端绕过第7导绳轮（10）并穿过大拇指各指节与远拇指节（41）固接，腱B（6）一端套在第2导绳轮（3）上，被分成两段，一段绕过第4、6、5导绳轮（5,9,7）与第8导绳轮（11）固接，另一段绕过第3、14导绳轮（4,34）与第13导绳轮（32）固接，腱D、E（11，29）套在第7、13导绳轮（11,32）上经第9、10、11、12导绳轮（12,14,30,31）穿过各指节并与远指节固接，大拇指基座与手掌立柱（38）固接。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述手掌内部各导绳轮的布局是基于驱动拇指的力要比较大，在不计较摩擦的情况下，腱C（8）上的力等于电机驱动力，腱B（6）上的力为驱动力的一半，腱D、E（11,29）上的力为腱B（6）上的一半。所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15导绳轮 (2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)中间外部开有小槽，能够使腱更好地与导绳轮连接。所述手掌（37）形状为一个无盖中空的盒子，手掌底部开有滑槽（13，33,36）以便第8、13、2导绳轮（11,32,3），滑槽行程在20-35mm之间，与人手指节长度相仿，在其间滑动改变行程从而带动各个指节运动。所述腱D、E（11、29）不通过各关节的旋转中心，腱D、E（11、29）的张力对各关节产生力矩，驱动各指节向安装有腱D、E（11、29）的一侧弯曲。所述簧片（43,44）为一细长薄片，所述腱A、B、C、D、E（1，6，8，17，29）为钢丝或绳索。所述簧片是在每个指节上放置一个垫块，然后通过螺钉将垫块固定至簧片上，垫块能够紧固簧片、增加强度。所述第8、13、2导绳轮（11,32,3）能够在各自滑槽内移动，其他导绳轮通过铆钉与手掌固接，各腱在手掌外部依次穿过近指节、中指节和远指节的端部小孔并最终与远指节固接。所述各个指节（15,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,39,40,41）和手掌（37）均为铝合金或注塑成品。

本实施例的工作原理，如图2所示，叙述如下：

初始位置如图（1）所示，此时食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48）的各个指节呈一直线，相当于人的手指的伸直状态。当使用该实施例的机械手抓取物体时，电机（未画出）转动带动驱动腱A（1），驱动腱A（1）带动第2导绳轮（3）在滑槽（35）移动，第2导绳轮（3）带动腱C、B（8，6），腱C（8）由于一端固定在第2导绳轮（3）上，另一端固定在远指节（41）上，将驱动大拇指的各个指节（39、40、41）弯曲，腱B（6）带动第8、13导绳轮（12,32）在滑槽（13,33）移动并将力差分给食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48），由于驱动腱D、E（11,29）的一端与第8、13导绳轮（12,32）直接相连，另一端与各手指远指节固接，当驱动腱D、E（11,29）在拉力作用下，将克服簧片的作用力，带动各个指节绕着相应的关节运动，当手指近指节与被抓物体接触时，近指节将不再转动，中指节和远指节将在驱动腱的拉力作用下继续转动，当中指节与物体接触时，中指节不再转动，远指节将继续转动，直到所有指节都与物体接触时，对物体形成一个包络，实现对物体的自适应抓取。当电机反转时，各驱动腱松弛，各个指节在簧片的作用力下回到伸直状态。

Claims

1.一种多自由度欠驱动机械手，包括手掌（37）、拇指（44）、食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48）、导绳轮 (2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)、驱动腱（1,6,8,11,29），其特征在于：所述食指（45）、中指（46）、无名指（47）、小指（48）通过轴（16）与手掌（37）铰接，可绕轴（16）转动；

每个手指由3个指节构成，拇指（44）包括近拇指节（39）、中拇指节（40）、远拇指节（41），食指（45）包括近食指节（15）、中食指节（18）、远食指节（21），中指（46）包括近中指节（19）、中中指节（20）、远中指节（22），无名指（47）包括近无名指节（26）、中无名指节（25）、远无名指节（23），小指（48）包括近小指节（28）、中小指节（27）、远小指节（24），每个手指的各个指节之间通过一细长簧片连接，簧片通过螺钉固定；

腱A（1）与电机输出轴相连，并穿过第1、第15导绳轮（2,36）与第2导绳轮（3）固接，腱C（8）一端与第2导绳轮（3）固接，另一端绕过第7导绳轮（10）并穿过大拇指各指节与远拇指节（41）固接，腱B（6）一端套在第2导绳轮（3）上，被分成两段，一段绕过第4、6、5导绳轮（5,9,7）与第8导绳轮（11）固接，另一段绕过第3、14导绳轮（4,34）与第13导绳轮（32）固接，腱D、E（11，29）套在第7、13导绳轮（11,32）上经第9、10、11、12导绳轮（12,14,30,31）穿过各指节并与远指节固接，大拇指基座与手掌立柱（38）固接。

2.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述手掌内部各导绳轮的布局是基于驱动拇指的力要比较大，在不计较摩擦的情况下，腱C（8）上的力等于电机驱动力，腱B（6）上的力为驱动力的一半，腱D、E（11,29）上的力为腱B（6）上的一半。

3.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15导绳轮 (2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)中间外部开有小槽，能够使腱更好地与导绳轮连接。

4.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述手掌（37）形状为一个无盖中空的盒子，手掌底部开有滑槽（13，33,36）以便第8、13、2导绳轮（11,32,3），滑槽行程在20-35mm之间，与人手指节长度相仿，在其间滑动改变行程从而带动各个指节运动。

5.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述腱D、E（11、29）不通过各关节的旋转中心，腱D、E（11、29）的张力对各关节产生力矩，驱动各指节向安装有腱D、E（11、29）的一侧弯曲。

6.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述簧片（43,44）为一细长薄片，所述腱A、B、C、D、E（1，6，8，17，29）为钢丝或绳索。

7.据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：各个簧片是在每个指节上放置一个垫块，然后通过螺钉将垫块固定至簧片上，垫块能够紧固簧片、增加强度。

8.据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：除第8、13、2导绳轮（11,32,3）能够在各自滑槽内移动，导绳轮通过铆钉与手掌固接，各腱在手掌外部依次穿过近指节、中指节和远指节的端部小孔并最终与远指节固接。

9.根据权利要求1所述的多自由度欠驱动机械手，其特征在于：所述各个指节（15,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,39,40,41）和手掌（37）均为铝合金或注塑成品。