CN102873689A - 一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置 - Google Patents

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    • 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

一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,它涉及一种残疾人假肢手上的仿人手指装置。该装置拥有主、次两套运动机构,以及弹性耦合连杆机构和连杆超越机构,能实现拟人化抓取运动。主运动机构由电机配合弹性耦合连杆机构,能够实现耦合欠驱动和自适应欠驱动的多模式抓取动作,极大的提高了仿人假肢手的抓取运动空间。次运动机构由特有的微驱动器机构可以实现仿人手指装置的快速反射抓取。当包络抓取的物体受到外部干扰时,快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力,补偿主运动机构的力与位移的输出,直到主运动机构做出调整。次运动具有毫秒级的响应速度,可以实现拟人化的快速反射运动、防滑稳定抓取功能。特有的连杆超越机构,保证了远指节的抓取空间。该手指装置结构简单、制造成本低,输出力大,在外观与动作上都具有拟人特性,特别适合应用在残疾人假肢手上。

Description

一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置
所属技术领域
本发明属于仿人假肢手技术领域,特别涉及一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的结构设计。
技术背景
目前,为了减少驱动器的数目,目前研制的仿人假肢手指主要有:耦合手指、自适应欠驱动手指(常称欠驱动手指),以及耦合自适应欠驱动手指。
各种机器人手指的优缺点简介如下:
耦合手指的特点是通常只具有一个自由度,手指的各个关节由一个驱动器驱动并按一定的比例同时转动。它的优点是各关节联动弯曲的过程与人手指抓取物体的过程类似,即具有拟人化的特征;不足之处在于,当手指的某一个指节接触到物体后,其余指节不能再进一步地弯曲以实现对物体的包络抓取,即不具备自适应性。
自适应欠驱动手指的特点是当手指未接触物体时,手指的各个指节作为一个直立的整体由一个驱动器驱动,而当靠近根部的指节接触物体后,后续指段能继续被驱动器驱动弯曲……直到末端指节包络物体。如美国发明专利US5762390A,巧妙地采用四连杆机构加弹性元件的方式,实现了机械手指的欠驱动自适应功能特点。其应用的弹性元件既能保证手指在无动作时具有稳定的初始形态,又能暂时地约束四连杆机构的一个自由度,使手指的各个指节在动作过程中接触物体前能够实现整体运动,接触物体后其余指节又能完成对被抓物体的自适应包络抓取。但是,这种欠驱动自适应机械手指装置不具备拟人化的运动特征:手指的各个指节在未接触物体时作为一个“僵硬”的整体被驱动,不具有耦合运动功能,不能完成人手的空手“握拳”等动作。
耦合自适应欠驱动手指融合了耦合手指和自适应欠驱动手指的特点:当手指未接触物体时,各个指节间可耦合运动以实现一个拟人化的运动特征,且能加快靠近物体的速度;当手指的某个指节碰触物体后,后续指节可继续转动,直到包络物体、实现对物体的稳定抓取。已有的一种耦合自适应欠驱动仿人手指装置,如中国发明专利CN101722514B,能较好地实现人手指的耦合自适应特征。但其不足之处在于:耦合的时候难以实现人手一样大(三个指节可相对转动90°)的运动空间,尤其是当近指节和中指节在一开始运动就被物体阻挡时,远指节很难运动到极限位置以完成对物体的包络抓取,会引发抓取不稳定问题。
再者,已有的欠驱动机械手装置,手指都只采用连杆机构/电机或者滑轮绳索/电机等单一的机械传动/驱动系统。这些装置由于机械延迟等问题,具有对外界刺激响应不够灵敏的缺点,工作过程中,当受到瞬间的外界干扰,例如抓握桌子上的杯子,突然拿起时,由于受到重力影响,容易出现抓取失稳的问题,即普通机械手不具备人手手指的防滑快速抓取功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置。该装置拥有主、次两套运动机构,以及弹性耦合连杆机构和连杆超越机构,能实现拟人化抓取运动。主运动机构由电机配合弹性耦合连杆机构,能够实现耦合欠驱动和自适应欠驱动的多模式抓取动作,极大的提高了仿人假肢手的抓取运动空间。次运动机构由该装置特有的微驱动器机构可以实现仿人手指装置的快速反射。当包络抓取的物体受到外部干扰时,快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力,补偿主运动机构的力与位移的输出,直到主运动机构做出调整。次运动具有毫秒级的响应速度,总体可以实现拟人化的快速反射运动、防滑稳定抓取功能。此外,特有连杆超越机构,保证了远指节的抓取空间。
本发明采用如下技术方案:
一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置由基座、近指节、中指节、远指节组成,特有主运动机构、次运动机构、弹性耦合连杆机构和连杆超越机构。
一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其主运动机构包括电机、减速器、小伞齿轮、大伞齿轮、近关节轴、中关节轴、远关节轴以及近指节、中指节、远指节中的连杆、轴和弹性元件;所述的电机与基座固接,电机的输出轴与所述的减速器的输入轴连接,减速器的输出轴与所述的小伞齿轮连接,小伞齿轮与所述大伞齿轮啮合,大伞齿轮与所述的近关节轴采用键连接,所述的近指节与基座通过近关节轴转动连接,中指节与近指节通过中关节轴转动连接,中指节与远指节通过远关节轴转动连接,所述的近关节轴、中关节轴和远关节轴的轴线相互平行。
该具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的主运动机构中近指节、中指节、远指节中的连杆、轴和弹性元件还包括近关节连杆、近关节连杆轴、近指节传动连杆、中关节连杆、中关节连杆轴、中指节传动连杆、远关节连杆轴、近指节弹性耦合连杆、近指节耦合杆轴、刚性耦合杆轴、中指节刚性耦合连杆、远指节耦合杆轴、锁死机构、近关节扭簧、中关节扭簧、远关节扭簧。
所述的近关节连杆一端与近关节轴固接,近关节连杆的另一端通过近关节连杆轴与所述的近指节传动连杆的一端转动连接,近指节传动连杆的另一端通过中关节连杆轴与所述的中关节连杆一端转动连接,中关节连杆的另一端与所述的中关节轴转动连接,所述的近指节弹性耦合连杆一端与基座通过近指节耦合杆轴转动连接,近指节弹性耦合连杆的另一端与中关节连杆通过中关节连杆轴转动连接;所述的中指节传动连杆一端与中关节连杆通过过中关节连杆轴转动连接,中指节传动连杆的另一端与远指节通过远关节连杆轴转动连接,所述的中指节刚性耦合连杆一端与近指节上的刚性耦合杆轴转动连接,中指节刚性耦合连杆的另一端与远指节上的半圆滑槽通过远指节耦合杆轴转动连接;所述的近关节扭簧的两端分别连接近指节和近关节连杆,所述的中关节扭簧的两端分别连接中指节和中关节连杆,所述的远关节扭簧两端分别连接远指节和远指节耦合杆轴。
所述的近关节轴、近关节连杆轴、中关节轴、中关节连杆轴、远关节轴、近指节耦合杆轴、刚性耦合杆轴、远指节耦合杆轴的轴线相互平行,且满足如下的位置关系:设近关节轴轴线与中关节轴轴线所在平面为A,中关节轴轴线与远关节轴轴线所在平面为B,则近关节连杆轴和中关节连杆轴在平面A的同侧,近指节耦合杆轴位于平面A的另一侧;中关节连杆轴和刚性耦合杆轴分别位于平面B的两侧。
本发明所述的近关节扭簧、中关节扭簧,远关节扭簧,也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧;所述的近关节扭簧的刚度较小,用以维持手指动作前各指节的初始形态;所述的耦合连杆拉簧的刚度比近关节扭簧的刚度稍大。所述的远关节扭簧的刚度也较小,仅用于促使远指节耦合杆轴回位。
本发明所述的弹性耦合连杆机构包含了近指节弹性耦合连杆、锁死机构、伸缩滑槽、弹性滑槽和耦合连杆拉簧。当锁死机构不工作时,普通连杆可以在伸缩滑槽中自由滑动,即耦合连杆拉簧失效,此时欠驱动仿人手指装置为自适应欠驱动模式,只有在近指节碰到物体时后,中指节才会相对于近指节旋转;当锁死机构工作时,普通连杆只能在耦合连杆拉簧的作用下在弹性滑槽中滑动,此时欠驱动仿人手指装置为耦合欠驱动模式。
本发明所述的连杆超越机构由远指节、中指节传动连杆、远关节连杆轴、中指节刚性耦合连杆、远指节耦合杆轴以及远关节扭簧组成。所述的中指节传动连杆通过远关节连杆轴在特定状态下可接触到远指节上的挡块,中指节刚性耦合连杆与远指节耦合杆轴转动连接,远指节耦合杆轴的另一端固定在远指节的半圆滑槽中。远关节扭簧安装在远关节轴上,两端分别连接中指节和远指节,远关节扭簧的作用是提供弹力保持远指节形态和复位。所述的耦合杆轴安装在远指节的半圆滑槽中,可以推动远指节往抓握方向旋转。连杆超越机构可以克服普通耦合欠驱动手的不足,当中指节和远指节未碰到物体时,中指节刚性耦合连杆比中指节传动连杆运动速度快,中指节传动连杆接触不到挡块,即形成中指节刚性耦合连杆的超越,带动远指节与中指节耦合运动;当近指节和中指节碰到物体而远指节未碰到物体,此时中指节刚性耦合连杆被卡死,而中指节传动连杆会继续绕中关节连杆轴转动,从而通过远关节连杆轴触碰到远指节上的挡块,继而推动远指节对物体的进一步包络抓取动作,即形成中指节传动连杆16的超越。
该具有一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,特别涉及一种具有快速反应、防滑抓取功能的次运动机构。抓握是否稳定由安装于中指节和远指节上的滑动传感器检测判断,微驱动器安装于近指节传动连杆以及中指节传动连杆中,若手指与物体有相对滑动,则微驱动器工作快速伸长或缩短。由于电机具有自锁功能,近指节传动连杆中的微驱动器输出的力全部作用于中关节连杆轴上使其快速旋转,带动中指节和远指节快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力或者位移,形成对物体的进一步自适应包络抓取,补偿主运动机构的力与位移的输出。同理,当中指节传动连杆推动远指节上的挡块时,中指节传动连杆中的微驱动器也可快速输出一个力作用于远指节上的挡块,带动远指节快速输出一个指向被抓物体内部的力或者位移,补偿远指节端抓取的力或位移输出。微驱动器可以单独安装在近指节传动连杆中,此时中指节和远指节具备快速反射功能;也可安装在近指节传动连杆和近指节传动连杆中,此时反射运动效果最好,同时可以增大手指的力输出,提高假肢手的抓取力。
所述的微驱动器可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造,在通电状态下,可以输出一定的位移与较大的驱动力。当采用的微驱动器是超磁致伸缩等工作时伸长的材料时,可直接嵌入在传动连杆中。当采用的微驱动器是记忆合金丝等工作时缩短长度的材料时,所述的近指节传动连杆以及中指节传动连杆涉及一种微驱动活塞机构。活塞缸与传动连杆的一端固定,另一端传动连杆的伸长滑块在活塞缸中滑动,滑块上绑定微驱动器的一端,而微驱动器另一端固定在活塞缸靠近伸长滑块传动连杆的末端。当微驱动器工作时,微驱动器缩短的长度即为活塞缸移动的距离,亦是传动连杆的伸长位移量。
本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,所述的电机为步进电机或者其他带有自锁装置的电机,并在所述的电机上设有旋转编码器。
本发明所述的近关节连杆和中关节连杆上安装有力矩/转角传感器。所述的滑觉传感器安装在中指节和远指节的前盖板上。
本发明所述的锁死机构,可以由微驱动器与放大机构实现,也可以由电磁铁等其他驱动机构。
本发明具有以下优点及有益效果:
本发明的弹性耦合连杆机构在近指节弹性耦合连杆上安装有锁死机构,通过调节锁死机构,可以实现欠驱动仿人手指装置抓取的多模式化。当锁死机构不工作时,可以实现自适应欠驱动抓取模式,有利于大平面物体的抓握。当锁死机构工作时,可以实现手指接触物体前三个指节间的拟人化耦合运动,同时有利于包络物体,并可以对物体实现捏持抓取;当手指的前级指节接触物体后,由于近指节弹性耦合连杆的可弹性拉伸功能,后续指节可采用欠驱动自适应方式抓取物体,自动适应被抓物体的形状和大小,可对物体进行完全包络握持抓取,实现了手指耦合欠驱动抓取和自适应欠驱动抓取融为一体的功能,这极大的提高了仿人假肢手的抓取运动空间。
本发明在近指节传动连杆和中指节传动连杆中安装有微驱动器,当被主运动机构包络抓取的物体受到外部干扰时,快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力或者位移,对主运动机构的力与运动进行补偿,直到主运动机构做出调整,由于微驱动器拥有毫秒级的快速响应输出,可以实现拟人化的反射运动、防滑稳定抓取功能。
附图说明
图1是本发明具体实施方案的三维外观图。
图2是本发明具体实施方案的侧视图(隐去右侧盖板、前后盖板,局部剖视传动连杆和近指节弹性耦合连杆),也是也是图1弯曲状态的右视图。
图3是本发明具体实施方案的侧视图(隐去左侧盖板、前后盖板和基座),也是图1弯曲状态的左视图。
图4是本发明具体实施方案的侧视图,也是图1的正视图
图5A是本发明具体实施方案的连杆超越机构的三维立体图(中指节刚性耦合连杆超越时)。
图5B是本发明具体实施方案的连杆超越机构的三维立体图(中指节传动连杆超越时)。
图6是本发明具体实施方案的微驱动器活塞结构的工作过程示意图(半剖活塞缸)。
图7是本发明具体实施方案自适应欠驱动模式抓取过程的示意图(未触碰物体时)。
图8是本发明具体实施方案自适应欠驱动模式抓取过程的示意图(碰到物体时)。
图9是本发明具体实施方案耦合欠驱动模式抓取过程的示意图(未触碰物体时)。
图10是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(远指节先碰触物体时)。
图11是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(中指节先碰触物体时)。
图12是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(近指节先碰触物体时)。
图13是本发明具体实施方案切换抓取模式的示意图(从自适应欠驱动抓取模式切换到耦合欠驱动抓取模式)。
图14是本发明具体实施方案捏持抓取示意图(自适应欠驱动模式)
图15是本发明具体实施方案握持抓取示意图(耦合欠驱动模式)
图16是本发明具体实施方案防滑抓取过程示意图(快速反射时)。
图17是本发明具体实施方案放开物体过程示意图。
图18是是本发明具体实施方案控制原理图。
图1至图18中,各数字与构件的对应关系如下:1.基座2.近指节3.中指节4.远指节5.电机6.减速器7.小伞齿轮8.大伞齿轮9.近关节轴10.近关节连杆11.近关节连杆轴12.近指节传动连杆13.中关节轴14.中关节连杆15.中关节连杆轴16.中指节传动连杆17.远关节连杆轴18.远关节轴19.近指节弹性耦合连杆20.近指节耦合杆轴21.刚性耦合杆轴22.中指节刚性耦合连杆23.远指节耦合杆轴24.伸缩滑槽25.弹性滑槽26.锁死机构27.微驱动器28.活塞缸29.近关节扭簧30.中关节扭簧31.远关节扭簧32.耦合连杆拉簧33.旋转编码器34.力矩/转角传感器35.滑觉传感器36.半圆滑槽37.挡块38.主控板39.微驱动器驱动板40.仿人手指装置41.物体。
具体实施方式
本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的实施例,其具体结构的机构三维图、侧视图、正视图如图1至图4所示。本实施例由基座1、近指节2、中指节3、远指节4组成,拥有主运动机构、次运动机构、弹性耦合连杆机构和连杆超越机构。
其中主运动机构包括电机5、减速器6、小伞齿轮7、大伞齿轮8、近关节轴9、中关节轴13、远关节轴18以及近指节2、中指节3、远指节4中的连杆、轴和弹性元件;所述的电机5与基座1固接,电机5的输出轴与所述的减速器6的输入轴连接,减速器6的输出轴与所述的小伞齿轮7连接,小伞齿轮7与所述大伞齿轮8啮合,大伞齿轮8与所述的近关节轴9采用键连接,所述的近指节2与基座1通过近关节轴9转动连接,中指节3与近指节2通过中关节轴13转动连接,中指节3与远指节4通过远关节轴18转动连接,所述的近关节轴9、中关节轴13和远关节轴18的轴线相互平行。近指节2、中指节3、远指节4中的连杆、轴和弹性元件还包括近关节连杆10、近关节连杆轴11、近指节传动连杆12、中关节连杆14、中关节连杆轴15、中指节传动连杆16、远关节连杆轴17、近指节弹性耦合连杆19、近指节耦合杆轴20、刚性耦合杆轴21、中指节刚性耦合连杆22、远指节耦合杆轴23、伸缩滑槽24、弹性滑槽28、近关节扭簧29、中关节扭簧30、远关节扭簧31、耦合连杆拉簧32、旋转编码器33、力矩/转角传感器34、滑觉传感器35。
本实施例中,所述的近关节连杆10一端与近关节轴9固接,近关节连杆10的另一端通过近关节连杆轴11与所述的近指节传动连杆12的一端转动连接,近指节传动连杆12的另一端通过中关节连杆轴15与所述的中关节连杆16一端转动连接,中关节连杆16的另一端与所述的中关节轴13转动连接,所述的近指节弹性耦合连杆19一端与基座1通过近指节耦合杆轴20转动连接,近指节弹性耦合连杆19的另一端与中关节连杆14通过中关节连杆轴15转动连接;所述的中指节传动连杆16一端与中关节连杆14通过过中关节连杆轴15转动连接,中指节传动连杆16的另一端与远指节4通过远关节连杆轴17转动连接,所述的中指节刚性耦合22连杆一端与近指节2上的刚性耦合杆轴21转动连接,中指节刚性耦合连杆22的另一端与远指节4上的半圆滑槽36通过远指节耦合杆轴转动连接;所述的近关节扭簧29的两端分别连接近指节2和近关节连杆10,所述的中关节扭簧30的两端分别连接中指节3和中关节连杆14,所述的远关节扭簧31两端分别连接远指节4和远指节耦合杆轴23。
本实施例中,所述的近关节轴9、近关节连杆轴11、中关节轴13、中关节连杆轴15、远关节轴18、近指节耦合杆轴20、刚性耦合杆轴21、远指节耦合杆轴23的轴线相互平行,且满足如下的位置关系:设近关节轴9轴线与中关节轴13轴线所在平面为A,中关节轴13轴线与远关节轴18轴线所在平面为B,则近关节连杆轴11和中关节连杆轴15在平面A的同侧,近指节耦合杆轴20位于平面A的另一侧;中关节连杆轴15和刚性耦合杆轴21分别位于平面B的两侧。
本实施例中的近关节扭簧29、中关节扭簧30,远关节扭簧31,也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧;所述的近关节扭簧29的刚度较小,用以维持手指动作前各指节的初始形态;所述的耦合连杆拉簧32的刚度比近关节扭簧29的刚度稍大。所述的远关节扭簧31的刚度也较小,仅用于促使远指节耦合杆轴23回位。
本实施例中,所述的弹性耦合连杆机构包含了近指节弹性耦合连杆19、锁死机构26、伸缩滑槽24、弹性滑槽25和耦合连杆拉簧32。当锁死机构26不工作时,普通连杆可以在伸缩滑槽26中自由滑动,即耦合连杆拉簧22失效,此时欠驱动仿人手指装置为自适应欠驱动模式,只有在近指节2碰到物体41时,中指节3才会相对于近指节2旋转;当锁死机构26工作时,普通连杆只能在耦合连杆拉簧32的作用下在弹性滑槽25中滑动,此时欠驱动仿人手指装置为耦合欠驱动模式。
本实施例中,所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,所述的电机为步进电机或者其他带有自锁装置的电机,并在所述的电机上设有旋转编码器。
本实施例中,所述的近关节连杆10和中关节连杆14上安装有力矩/转角传感器34。所述的滑觉传感器35安装在中指节3和远指节4前盖板上。
本实施例中,所述的锁死机构26,可以由微驱动器27与放大机构实现,也可以由电磁铁等其他驱动机构。
如图5A、图5B所示为本发明具体实施方案的连杆超越机构的三维立体图,所述的连杆超越机构由远指节4、中指节传动连杆16、远关节连杆轴17、中指节刚性耦合连杆22、远指节耦合杆轴23以及远关节扭簧31组成。所述的中指节传动连杆16通过远关节连杆轴17在特定状态下可接触到远指节4上的挡块28,中指节刚性耦合连杆22与远指节耦合杆轴23转动连接,远指节耦合杆轴23的另一端固定在远指节4的半圆滑槽27中。远关节扭簧31安装在远关节轴18上,两端分别连接中指节3和远指节4,远关节扭簧31的作用是提供弹力保持远指节4形态和复位。所述的耦合杆轴23安装在远指节4的半圆滑槽27中,可以推动远指节4往抓握方向旋转。当中指节3和远指节4未碰到物体41时,中指节刚性耦合连杆22运动速度比中指节传动连杆16快,此时中指节传动连杆16接触不到挡块28,即形成中指节刚性耦合连杆22的超越,带动远指节4的耦合运动,即图5A所示。当近指节2和中指节3碰到物体41而远指节4未碰到物体41,此时中指节刚性耦合连杆22被卡死,而中指节传动连杆16会继续绕中关节连杆轴15转动,从而通过远关节连杆轴17触碰到远指节4上的挡块28,继而推动远指节4对物体41的进一步包络抓取动作,即形成中指节传动连杆16的超越,如图5B所示。
本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的实施例特有的次运动机构包括近指节传动连杆12、中指节传动连杆15、微驱动器27和活塞缸27。所述的微驱动器27可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造,在通电状态下,可以输出一定的位移与较大的驱动力。当采用的微驱动器27是超磁致伸缩等工作时会伸长的材料时,可直接嵌入在传动连杆中。当采用的微驱动器27是记忆合金丝等工作时会缩短的材料时,所述的近指节传动连杆12以及中指节传动连杆16涉及一种微驱动活塞机构,如图6所示。活塞缸27与传动连杆的一端固定,另一端传动连杆的伸长滑块在活塞缸27中滑动,滑块上绑定微驱动器27的一端,而微驱动器27另一端固定在活塞缸27靠近伸长滑块传动连杆的末端。当微驱动器27工作时,微驱动器缩短长度Δ,活塞缸移动移动了Δ,即为传动连杆的伸长位移量为Δ。
本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的实施例,其工作过程结合图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15阐述如下:
当所述的锁死机构26不工作时,此时耦合连杆拉簧32失效,仿人手装置即为自适应欠驱动模式。此时,若仿人手装置不碰物体41,近指节2、中指节3和远指节4以一个整体转动,如图7所示,此时近关节扭簧29、中关节扭簧30,远关节扭簧31均不发生变形。若碰到物体41,本发明所述的仿人手装置抓取过程如图8所示。当近指节2接触物体41后,电机5继续转动,此时近关节扭簧29被压缩,近关节连杆10通过近指节传动连杆12推动中关节连杆15绕中关节轴13转动,由于中关节扭簧30会保持原有形态,以及中指节刚性耦合连杆22的存在,带动中指节3和远指节4以耦合的方式相对于近指节2旋转。当中指节20也接触到物体41后,中关节扭簧30开始压缩,近指节2和中指节3都被固定,此时中指节刚性耦合连杆22失效,但由于连杆超越机构的作用,远指节4会在中指节传动连杆16的作用下继续旋转,直到远指节碰到物体,完成对被抓物体的包络,这个过程中,近关节扭簧29、中关节扭簧30进一步压缩变形。
当所述的当锁死机构26工作时,仿人手装置为耦合欠驱动模式。此时,若仿人手装置不碰物体41,手指的三个指节以耦合的方式转动,即中指节3相对于近指节2有所转动,远指节3同时相对于中指节2又有转动,使手指既具有拟人化的运动特征,又利于对物体的包络抓取,如图9所示,这个过程中近指节弹性耦合连杆19、相对于近指节耦合杆轴20转动,由于耦合连杆拉簧32的刚度比近关节扭簧29的刚度要大,耦合连杆拉簧32不发生变形,近关节扭簧29产生压缩变形。
如图10所示为为耦合欠驱动模式下远指节4率先接触物体41,此时远指节4会因受限制而无法继续转动,从而通过远关节连杆轴17、中指节传动连杆16、中关节连杆轴15、中关节连杆14、近指节传动连杆12、近指节弹性耦合连杆19限制近关节连杆11的继续转动。该过程中,近关节扭簧29和中关节扭簧30产生变形,近指节弹性耦合连杆19中的耦合连杆拉簧32不发生变形。在这种情况下,手指可通过与拇指的配合,实现对物体41捏持抓取。
如图11所示为耦合欠驱动模式下中指节3先碰到物体41,此时中指节3受限制无法继续转动,从而通过中关节轴13限制近指节2进一步转动,此时中指节刚性耦合连杆22也无法转动,但由于近指节弹性耦合连杆19的可弹性拉伸特点,近关节连杆10会继续转动,并通过近指节传动连杆12、近指节弹性耦合连杆19、中关节连杆14、第二传动连杆13和第中指节传动连杆16带动远指节4继续转动,直到远指节4接触被抓物体41,近关节连杆10停止转动。该过程中,近关节扭簧29、中关节扭簧30、耦合连杆拉簧32都发生变形。在这种情况下,手指可通过与拇指的配合实现对物体41的握持抓取。
如图12所示为耦合欠驱动模式下近指节2先碰到物体41,电机2通过减速机6继续转动,此时近指节2因受限制而无法继续转动,近关节连杆10继续绕近关节轴9转动,近指节弹性耦合连杆19被拉伸,并同时绕近指节耦合杆轴20转动,从而带动中关节连杆14绕中关节轴13转动,中指节3相对于近指节2绕中关节轴13转动;由于中指节刚性耦合连杆22的作用,带动远指节4同样以耦合方式相对于中指节3转动,近关节扭簧29进一步被压缩,中关节扭簧25不变形。直到中指节3也接触到物体41后,中关节扭簧30开始压缩,近指节2和中指节3都被固定,此时中指节刚性耦合连杆22失效,但由于连杆超越机构的作用,远指节4会在中指节传动连杆16的作用下继续旋转,直到远指节碰到物体,完成对被抓物体的包络,这个过程中,近关节扭簧29、中关节扭簧30和耦合连杆拉簧32进一步变形。
如图13是本发明具体实施方案切换抓取模式的示意图,左一和左二中,仿人手指装置是自适应欠驱动抓取模式。当锁死机构26工作时,耦合连杆拉簧32开始起作用,仿人手指装置立马切换到耦合欠驱动抓取模式,如左三至右一。本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置可根据不同的物体41实施不同的抓取模式,甚至允许在抓取工程中切换抓取模式,这极大的提高了仿人假肢手的抓取运动空间。
如图14是在自适应欠驱动模式下,本发明具体实施方案实现的捏持抓取。
如图15是在耦合欠驱动模式下,本发明具体实施方案实现的握持抓取,抓取稳定而迅速,不会出现因为近指节2或者中指节4挤跑物体41的现象。
当手指对物体41完成包络抓取后,如图14左一所示,如果物体41受到某个突然的外界干扰而有从手中滑落的趋势时,由安装于中指节3和远指节4内盖表面的滑动传感器35检测到相对微小滑动,微驱动器27会快速工作,此时安装于近指节传动连杆12和中指节传动连杆16会快速伸长,由于电机5具有自锁功能,近指节传动连杆12中的微驱动器27输出的力全部作用于中关节轴13上使其快速旋转,带动手指的中指节3和远指节4快速地输出一个指向被抓物体41内部的抓取力,形成对物体41的进一步自适应包络抓取,补偿主运动机构的力与位移的输出。同理,当中指节连杆16通过远关节连杆轴17触碰到远指节4上的挡块28时,中指节传动连杆16中的微驱动器27也可快速输出一个力作用于远关节连杆轴17,带动远指节4快速输出一个指向被抓物体41内部的力,补偿远指节4端抓取的力和位移输出。由于输出的位移较小,以及关节扭簧的缓冲效果,该反作用力不会破坏主运动机构原有的抓取形态,与拇指配合,可防止物体41滑落,实现更稳定的抓取,如图14的左二所示。直到主运动机构的电机5作出调整后,微驱动器7才同步回位调整。
本实施例中,当手指需要放开物体,工作过程如图15所示。
如图16所示为一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的实施例的控制原理图。图的上半部分为主运动控制系统包括主控板38、电机5、旋转编码器33、力矩/转角传感器34和锁死机构26。主控板38接受人体的肌电或者脑电信号,并实时反馈仿人手指装置40的信号。主控板38通过旋转编码器33对驱动电机5闭环控制,并通过力矩/转角传感器34实时调整电机5和锁死机构26状态,保证抓取稳定可靠。图的下半部分为次运动控制系统包括主控板38、微驱动器驱动板39、滑觉传感器35和微驱动器27。在抓取过程中。若滑觉传感器35检测到中指节3或远指节4与物体之间有相对滑动,微驱动器驱动器39根据滑动传感器27信号做出迅速响应不必通过主控板38直接驱动微驱动器27,提升了响应时间。此时微驱动器27输出一个指向被抓物体41内部的抓取力,对主运动系统中的电机5提供的抓取力与位移进行补偿,防止物体41滑落,具有毫秒级的响应速度,具有拟人化的反射运动特征,防止物体滑落,直到主控板38协调电机5和微驱动器27协调运动,即主次运动协调抓取,增加了抓取的稳定性。

Claims (9)

1.一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,包括主、次两套运动机构,弹性耦合连杆机构和连杆超越机构。所述的主运动机构包括其中主运动机构包括电机5、减速器6、小伞齿轮7、大伞齿轮8、近关节轴9、中关节轴13、远关节轴18以及近指节2、中指节3、远指节4中的连杆、轴和弹性元件。所述的次运动机构包括近指节传动连杆12和中指节传动连杆14中的微驱动器27。所述的弹性耦合连杆机构包含了近指节弹性耦合连杆19、锁死机构26、伸缩滑槽24、弹性滑槽25和耦合连杆拉簧32。所述的连杆超越机构由远指节4、中指节传动连杆16、远关节连杆轴17、中指节刚性耦合连杆22、远指节耦合杆轴23以及远关节扭簧31组成。
2.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其主运动机构的特征在于:
所述的电机5与基座1固接,电机5的输出轴与所述的减速器6的输入轴连接,减速器6的输出轴与所述的小伞齿轮7连接,小伞齿轮7与所述大伞齿轮8啮合,大伞齿轮8与所述的近关节轴9采用键连接,所述的近指节2与基座1通过近关节轴9转动连接,中指节3与近指节2通过中关节轴13转动连接,中指节3与远指节4通过远关节轴18转动连接,所述的近关节轴9、中关节轴13和远关节轴18的轴线相互平行。近指节2、中指节3、远指节4中的连杆、轴和弹性元件包括近关节连杆10、近关节连杆轴11、近指节传动连杆12、中关节连杆14、中关节连杆轴15、中指节传动连杆16、远关节连杆轴17、近指节弹性耦合连杆19、近指节耦合杆轴20、刚性耦合杆轴21、中指节刚性耦合连杆22、远指节耦合杆轴23、伸缩滑槽24、弹性滑槽28、近关节扭簧29、中关节扭簧30、远关节扭簧31、耦合连杆拉簧32、旋转编码器33、力矩/转角传感器34、滑觉传感器35。
所述的近关节连杆10一端与近关节轴9固接,近关节连杆10的另一端通过近关节连杆轴11与所述的近指节传动连杆12的一端转动连接,近指节传动连杆12的另一端通过中关节连杆轴15与所述的中关节连杆16一端转动连接,中关节连杆16的另一端与所述的中关节轴13转动连接,所述的近指节弹性耦合连杆19一端与基座1通过近指节耦合杆轴20转动连接,近指节弹性耦合连杆19的另一端与中关节连杆14通过中关节连杆轴15转动连接;所述的中指节传动连杆16一端与中关节连杆14通过过中关节连杆轴15转动连接,中指节传动连杆16的另一端与远指节4通过远关节连杆轴17转动连接,所述的中指节刚性耦合22连杆一端与近指节2上的刚性耦合杆轴21转动连接,中指节刚性耦合连杆22的另一端与远指节4上的半圆滑槽36通过远指节耦合杆轴转动连接;所述的近关节扭簧29的两端分别连接近指节2和近关节连杆10,所述的中关节扭簧30的两端分别连接中指节3和中关节连杆14,所述的远关节扭簧31两端分别连接远指节4和远指节耦合杆轴23。
所述的近关节轴9、近关节连杆轴11、中关节轴13、中关节连杆轴15、远关节轴18、近指节耦合杆轴20、刚性耦合杆轴21、远指节耦合杆轴23的轴线相互平行,且满足如下的位置关系:设近关节轴9轴线与中关节轴13轴线所在平面为A,中关节轴13轴线与远关节轴18轴线所在平面为B,则近关节连杆轴11和中关节连杆轴15在平面A的同侧,近指节耦合杆轴20位于平面A的另一侧;中关节连杆轴15和刚性耦合杆轴21分别位于平面B的两侧。
所述的近关节扭簧29、中关节扭簧30,远关节扭簧31,也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧;所述的近关节扭簧29的刚度较小,用以维持手指动作前各指节的初始形态;所述的耦合连杆拉簧32的刚度比近关节扭簧29的刚度稍大。所述的远关节扭簧31的刚度也较小,仅用于促使远指节耦合杆轴23回位。
3.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其次运动机构的特征在于:所述的微驱动器27可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造,当采用的微驱动器27是超磁致伸缩等工作时伸长的材料时,可直接嵌入在传动连杆中。当采用的微驱动器27是记忆合金丝等工作时缩短长度的材料时,所述的近指节传动连杆12以及中指节传动连杆16涉及一种微驱动活塞机构。活塞缸28与传动连杆的一端固定,另一端传动连杆的伸长滑块在活塞缸28中滑动,滑块上绑定微27的一端,而微驱动器27另一端固定在活塞缸28靠近伸长滑块传动连杆的末端。当微驱动器27工作时,微驱动器28缩短的长度即为活塞28移动的距离,亦是传动连杆的伸长位移量。
4.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其弹性耦合连杆机构的特征在于:所述的弹性耦合连杆机构包含了近指节弹性耦合连杆19、锁死机构26、伸缩滑槽24、弹性滑槽25和耦合连杆拉簧32。当锁死机构26不工作时,普通连杆可以在伸缩滑槽26中自由滑动,即耦合连杆拉簧22失效,此时欠驱动仿人手指装置为自适应欠驱动模式,只有在近指节2碰到物体41后,中指节3才会相对于近指节2旋转;当锁死机构26工作时,普通连杆只能在耦合连杆拉簧32的作用下在弹性滑槽25中滑动,此时欠驱动仿人手指装置为耦合欠驱动模式。
5.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其连杆超越机构的特征在于:所述的连杆超越机构由远指节4、中指节传动连杆16、远关节连杆轴17、中指节刚性耦合连杆22、远指节耦合杆轴23以及远关节扭簧31组成。所述的中指节传动连杆16通过远关节连杆轴17在特定状况下可接触到远指节4上的挡块28,中指节刚性耦合连杆22与远指节耦合杆轴23转动连接,远指节耦合杆轴23的另一端固定在远指节4的半圆滑槽27中。远关节扭簧31安装在远关节轴18上,两端分别连接中指节3和远指节4,远关节扭簧31的作用是提供弹力保持远指节4形态和复位。所述的耦合杆轴23安装在远指节4的半圆滑槽27中,可以推动远指节4往抓握方向旋转。当中指节3和远指节4未碰到物体41时,中指节刚性耦合连杆22运动速度比中指节传动连杆16快,此时中指节传动连杆16接触不到挡块28,即形成中指节刚性耦合连杆22的超越,带动远指节4的耦合运动。当近指节2和中指节3碰到物体41而远指节4未碰到物体41,此时中指节刚性耦合连杆22被卡死,而中指节传动连杆16会继续绕中关节连杆轴15转动,从而通过远关节连杆轴17触碰到远指节4上的挡块28,继而推动远指节4对物体41的进一步包络抓取动作,即形成中指节传动连杆16的超越。
6.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其特征在于:所述的微驱动器27可以单独安装在近指节传动连杆12中,此时中指节3和远指节4具备快速反射功能;也可安装在近指节传动连杆12和近指节传动连杆16中,此时反射运动效果最好,同时可以增大手指的力输出,提高假肢手的抓取力。
7.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其特征在于:所述的电机5为步进电机或者其他带有自锁装置的电机,并在所述的电机上设有旋转编码器35。
8.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其特征在于:中指节20底和远指节21接触物体的表面上设有滑动传感器28。
9.如权利要求1所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置,其次运动机构的特征在于:所述的锁死机构26,可以由微驱动器27与放大机构实现,也可以由电磁铁等其他驱动机构。
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