CN103552086A - 一种具有单向柔性指节的自适应手指机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有单向柔性指节的自适应手指机构，主要包括近指节、中指节、远指节、传动机构与手指基座；其中，近指节与中指节均有多个指节单元通过连接轴串与扭簧串联构成，相邻指节单元间安装有扭簧，且具有机械结构限位；中指节顶端与末端分别通过连接轴与扭簧串联远指节与近指节顶端；近指节末端通过连接轴与扭簧连接基座；整个手指机构通过驱动电机提供动力，由锥齿轮传递给欠驱动连杆机构，进而带动手指进行抓取操作；同时平行捏取连杆机构可使手指实现远指节捏取操作；本发明的优点为：实现了手指机构的高欠驱动和高形状自适应性，抓取空间大，包络抓取物体能力强。

Description

一种具有单向柔性指节的自适应手指机构

技术领域

本发明属于机械设计、机器人技术领域，具体来说，是一种具有单向柔性指节的自适应手指。

背景技术

人类的手灵活精巧，抓握力大，能够胜任各种复杂的任务。如果机械手能够像人手一样实现各种复杂动作，无疑会极大地提升工作效率。

过去几十年中，灵巧手的研究取得了丰富的成果。一般来说，机器人灵巧手有3至5个手指，每个手指有2至4个自由度，且每个自由度均可由驱动器驱动。国内外比较成功的灵巧手有Stanford/JP手，Robonaut手，Shadow手，KAWABUCHI手，UBH3手，BH系列手和HIT/DLR系列手等。然而，由于灵巧手不具有自适应抓取能力，因此常常需要依靠复杂的传感系统和控制系统才能实现稳定抓取；过多的驱动器使得其机械结构相对复杂；高昂的价格也限制了它的应用。

为了克服灵巧手的这些不足，一种自适应欠驱动机器人手的设计近年来得到了越来越多研究人员的重视。这种机器人手的驱动器数目要少于它的自由度数，通过关节被动柔顺的方式实现自适应抓取，提高了抓取的稳定性，扩大了抓取空间。由于不必为每个关节都安装驱动装置，因此机械结构也更为简单。SARAH手、TBM手、Southampton手、SDM手、GCUA系列手等都是这类欠驱动手中的典型。然而，由于这些欠驱动手的被动柔顺关节的数目十分有限，一般不会超过三个，因此其自适应的能力也很有限，抓取稳定性也很难保证。

无论是灵巧手还是欠驱动手，其指节都是刚性的，在抓取物体时与物体一般最多可实现三点接触，各接触点抓取力很容易分布不均，因此常常需要依靠复杂的传感系统和控制系统才能实现稳定抓取；虽然也有一些机械手通过在指面上覆盖具有适当弹性的、摩擦因素高的材料来实现软指面抓取，但由于机械手整体尺寸的限制，覆盖层不可能太厚，其变形量也十分有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具有单向柔性指节的自适应手指机构，包括近指节、中指节、远指节、传动机构与手指基座。

所述近指节与中指节均由至少两个刚性指节单元构成，全部指节单元间通过第一连接轴两两串联，相邻两指节单元间通过第一扭簧相连；通过第一扭簧使相邻两指节单元在无外力作用时相互贴合。

上述近指节与中指节中位于末端的指节单元作为末端连接件；位于前端的指节单元作为前端连接件；由此，中指节中的末端连接件通过第二连接轴与近指节中前端连接件串联；中指节中的末端连接件通过第二连接轴与近指节中前端连接件间安装有第二扭簧；通过第二扭簧可使近指节中末端连接件与中指节中前端连接件间在无外力作用时相互贴合；中指节中前端连接件通过第三连接轴与远指节串联；上述远指节的一侧具有捏取面，另一侧具有限位面，且限位面与捏取面垂直；近指节中前端连接件与基座上固定安装的水平驱动轴套接。

所述传动机构包括一级锥齿轮、二级锥齿轮、驱动电机、欠驱动连杆机构与平行捏取连杆机构；其中，驱动电机固定安装在基座上，驱动电机输出轴上同轴套接有一级锥齿轮；二级锥齿轮套接在驱动轴上，且与一级锥齿轮啮合。

所述欠驱动连杆机构包括第一欠驱动连杆、第二欠驱动连杆、第三连杆、第四欠驱动连杆；其中，第一欠驱动连杆的铰接端与第二欠驱动连杆铰接端A铰接；第三欠驱动连杆为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二欠驱动连杆的铰接端B与第三欠驱动连杆的弯折处铰接；第三欠驱动连杆中杆A的端部与第四欠驱动连杆的铰接端A铰接。

上述结构的欠驱动连杆机构中，第一欠驱动连杆的安装端套接在驱动轴上，与二级锥齿轮固连；第三欠驱动连杆中杆B的端部套接在第二连接轴上；第四欠驱动连杆的铰接端B与远指节铰接。

所述平行捏取连杆机构包括第一捏取连杆、第二捏取连杆、第三捏取连杆、第四捏取连杆与第五捏取连杆；其中，第一捏取连杆的铰接端与第二捏取连杆铰接端A铰接；第三捏取连杆为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二捏取连杆的铰接端B与第三捏取连杆的弯折处铰接；第三捏取连杆中杆A的端部与第四捏取连杆的铰接端A铰接；第四捏取连杆的铰接端B与第五连杆的铰接端铰接。

上述结构的平行捏取连杆机构中，第一捏取连杆的安装端套接在驱动轴上，第一捏取连杆与基座间安装有第三扭簧；第三扭簧套接在驱动轴上，一端与基座底面固连，另一端与第一捏取连杆固连；且基座底面上设计有斜面，通过第三扭簧使第一捏取连杆与斜面贴合；第三捏取连杆的铰接端B套接在第二连接轴上；第五捏取连杆的安装端与远指节铰接；所述第五捏取连杆与远指节间安装有第四扭簧；第四扭簧套接在第三连接轴上，一端与第五捏取连杆固连，另一端与远指节固连；且通过第四扭簧的作用，使远指节上的限位面与第五捏取连杆贴合；此时远指节的捏取面与水平面垂直。

本发明的优点在于：

（1）本发明自适应手指机构采用了一种由多个刚体串联而成的新型指节结构，通过在各刚体之间安装扭簧使指节具有了柔性，实现了手指的高欠驱动和高形状自适应性；

（2）本发明自适应手指机构集成度高，控制系统和驱动系统可完全隐藏在手掌中；

（3）本发明自适应手指机构与其他自适应手指机构相比，抓取空间更大，包络抓取物体的能力更强。

附图说明

图1为本发明自适应手指机构立体示意图；

图2为本发明自适应手指机构正视示意图；

图3为本发明自适应手指机构中指节单元连接方式示意图；

图4为本发明自适应手指机构指节单元的结构示意图；

图5为本发明自适应手指机构中欠驱动连杆结构及安装方式示意图；

图6为本发明自适应手指机构中平行捏取连杆结构及安装方式示意图；

图7a为本发明自适应手指机构中近指节、中指节与远指节整体运动示意图；

图7b为本发明自适应手指机构中近指节根据物体形状发生形变贴合物体表面示意图；

图7c为本发明自适应手指机构中中指节根据物体形状发生形变贴合物体表面示意图；

图7d为本发明自适应手指机构中近指节、中指节以及远指节扣紧物体示意图；

图7e为本发明自适应手指机构捏取物体示意图。

图中：

1-近指节      2-中指节      3-远指节

4-传动机构    5-手指基座    6-指节单元

7-第一连接轴  8-第二连接轴  9-第三连接轴

10-驱动轴     11-第一扭簧   12-第二扭簧

13-第三扭簧   14-第四扭簧   15-斜面

16-限位连杆   301-捏取面    302-限位面

401-一级锥齿轮        402-二级锥齿轮        403-驱动电机

404-欠驱动连杆机构    405-平行捏取连杆机构  404a-第一欠驱动连杆

404b-第二欠驱动连杆   404c-第三欠驱动连杆   404d-第四欠驱动连杆

405a-第一捏取连杆     405b-第二捏取连杆     405c-第三捏取连杆

405d-第四捏取连杆     405e-第五捏取连杆

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明自适应手指机构，如图1、图2所示，包括近指节1、中指节2、远指节3、传动机构4与手指基座5。

所述近指节1与中指节2均由至少两个刚性指节单元6构成，全部指节单元6间通过第一连接轴7两两串联，如图3所示，相邻两指节单元6间通过第一扭簧11相连；第一扭簧11套接在第一连接轴7上，两端分别与两相邻指节单元6固连；通过第一扭簧11使相邻两指节单元6在无外力作用下相互贴合，使各个指节单元6的轴线共面，实现各个指节单元6间的机械结构限位；通过第一连接轴7与第一扭簧11实现相邻指节单元6间的单向柔性转动。本发明中指节单元6为由顶板601与纵板602构成的一体结构，如图4所示；顶板601与纵板602间垂直相连，截面为T型；纵板602两侧面上分别设计有两个凸耳A603与两个凸耳B604；两个凸耳A603间距小于两个凸耳B604间距。令两相邻指节单元6中的一个为指节单元A，另一个为指节单元B，相邻两指节单元6间的连接方式为：指节单元A上的两个凸耳A603与指节单元B上的两个凸耳B604相互配合（指节单元A上的两个凸耳A603插入到指节单元B上的两个凸耳B604间），通过第一连接轴7串联；而第一连接轴7上套接的第一扭簧11，第一扭簧11位于指节单元A与指节单元B的纵板602间；由此，通过第一扭簧11使指节单元A与指节单元B的顶板601侧边贴合。

上述近指节1与中指节2中位于末端的指节单元作为末端连接件；位于前端的指节单元作为前端连接件。由此，中指节2中的末端连接件通过第二连接轴8与近指节1中前端连接件串联；中指节2中的末端连接件通过第二连接轴8与近指节1中前端连接件间安装有第二扭簧12，第二扭簧12套接在第二连接轴8上，两端分别与中指节2中的末端连接件及近指节1中前端连接件固连；通过第二扭簧12可使近指节1中末端连接件与中指节2中前端连接件间在无外力作用下相互贴合，实现近指节1与中指节2间的机械结构限位；且使近指节1与中指节2中各个指节单元6的轴线共面。中指节2中前端连接件通过第三连接轴9与远指节3串联。上述远指节3的一侧具有捏取面301，另一侧具有限位面302，且限位面302与捏取面301垂直。近指节1中前端连接件与基座5上固定安装的水平驱动轴10套接，可自由转动。基于本发明中指节单元6的结构，可将中指节2中末端连接件上的两个凸耳A603与近指节1中前端连接件上的两个凸耳B604间通过第二连接轴8串联；近指节1中的前端连接件上的两个凸耳A603通过第三连接轴9与远指节相连；近指节1中的末端连接件上的两个凸耳B604与驱动轴10套接。

所述传动机构4用来驱动本发明自适应手指的运动，包括一级锥齿轮401、二级锥齿轮402、驱动电机403、欠驱动连杆机构404与平行捏取连杆机构405；其中，驱动电机403固定安装在基座5上，驱动电机403输出轴上同轴套接有一级锥齿轮401。二级锥齿轮402套接在驱动轴10上，且与一级锥齿轮啮合401。

所述欠驱动连杆机构404包括第一欠驱动连杆404a、第二欠驱动连杆404b、第三连杆404c、第四欠驱动连杆404d，如图5所示。其中，第一欠驱动连杆404a的铰接端与第二欠驱动连杆404b铰接端A铰接；第三欠驱动连杆404c为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二欠驱动连杆404b的铰接端B与第三欠驱动连杆404c的弯折处铰接；第三欠驱动连杆404c中杆A的端部与第四欠驱动连杆409的铰接端A铰接；

上述结构的欠驱动连杆机构404中，第一欠驱动连杆404a的安装端套接在驱动轴10上，与二级锥齿轮402固连；第三欠驱动连杆404c中杆B的端部套接在第二连接轴8上；第四欠驱动连杆404d的铰接端B与远指节3铰接。通过上述连接后的欠驱动连杆机构404中第一欠驱动连杆404a、第二欠驱动连杆404b、第三欠驱动连杆404c的杆B与近指节1间形成四杆结构；而第三欠驱动连杆404c、第四连杆404d、远指节3与中指节2间构成四杆结构。通过驱动电机403的转动，可将动力由两级锥齿轮传递给欠驱动连杆机构404，为手指的运动提供动力。

所述平行捏取连杆机构405包括第一捏取连杆405a、第二捏取连杆405b、第三捏取连杆405c、第四捏取连杆405d与第五捏取连杆405e，如图6所示。其中，第一捏取连杆405a的铰接端与第二捏取连杆405b铰接端A铰接；第三捏取连杆405c为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二捏取连杆405b的铰接端B与第三捏取连杆405c的弯折处铰接；第三捏取连杆405c中杆A的端部与第四捏取连杆405d的铰接端A铰接；第四捏取连杆405d的铰接端B与第五连杆的铰接端铰接；

上述结构的平行捏取连杆机构405中，第一捏取连杆405a的安装端套接在驱动轴10上，第一捏取连杆405a与基座5间安装有第三扭簧13；第三扭簧13套接在驱动轴10上，一端与基座5底面固连，另一端与第一捏取连杆405a固连；且基座5底面上设计有斜面15，通过第三扭簧13使第一捏取连杆405a与斜面15贴合。第三捏取连杆405c的铰接端B套接在第二连接轴8上；第五捏取连杆405e的安装端与远指节3铰接；由此，使平行捏取连杆机构405中第一捏取连杆405a、第二捏取连杆405b、第三捏取连杆405c的杆B与近指节1间形成平行四杆结构；而第五捏取连杆405a、第四捏取连杆405d、第三捏取连杆405c与中指节2间构成平行四杆结构。所述第五捏取连杆405e与远指节3间安装有第四扭簧14；第四扭簧14套接在第三连接轴9上，一端与第五捏取连杆405e固连，另一端与远指节3固连；且通过第四扭簧14的作用，使远指节3上的限位面302与第五捏取连杆405e贴合；此时远指节3的捏取面301与水平面垂直。由此，通过第三扭簧13与第四扭簧14，可保证手指机构在进行抓取操作时，近指节1、中指节2与远指节3运动的有序性。

上述欠驱动连杆机构404中的第二欠驱动连杆404b与第四欠驱动连杆404d，以及平行捏取连杆机构405中第二捏取连杆405b与第四捏取连杆405d具有弯曲弧度，给近指节1与中指节2的变形提供足够的空间，防止互相干涉。

本发明自适应手指在抓取物体时，驱动电机403通过两级锥齿轮带动欠驱动连杆404绕驱动轴10转动，由于第三扭簧13的作用，在手指机构未碰到被抓物体前近指节1、中指节2与远指节3将作为一个整体运动，如图7a所示。此后的运动可分为两种情况：

1、包络抓取

在包络抓取模式下，近指节1碰到物体，一方面在物体压力作用下，近指节1将根据物体形状发生形变（即相邻指节单元6间发生相对转动），贴合物体表面，如图7b所示；另一方面，中指节2将相对近指节1转动；同时，由于平行捏取连杆405的作用，远指节3的捏取面301将保持与水平面垂直的状态。

当中指节2碰到物体后，在物体压力作用下，中指节2同样根据物体形状发生形变，贴合物体表面；同时，远指节3中的限位面302与平行捏取连杆405中第五捏取连杆405e分离，使远指节3相对中指节2转动，如图7c所示。

当远指节3碰到物体后，若驱动电机403继续转动，近指节1、中指节2的各个指节单元6，以及远指节3将继续转动，进一步贴合物体表面，直至扣紧物体，如图7d所示。

2、指尖捏取模式

在指尖捏取模式下，远指节3碰到物体后，由于近指节1与中指节2，以及中指节2与远指节3间存在机械限位，当远指节3受到物体施加的力F作用时，近指节1、中指节2与远指节3将不会发生形变，因此远指节3的捏取面301可实现对物体的强力捏取，如图7e所示。远指节3捏取的稳定性依靠远指节3捏取面301与物体间的摩擦来保证，可在远指节3的捏取面301上安装摩擦垫实现。

Claims (5)

1.一种具有单向柔性指节的自适应手指机构，其特征在于：包括近指节、中指节、远指节、传动机构与手指基座；

所述近指节与中指节均由至少两个刚性指节单元构成，全部指节单元间通过第一连接轴两两串联，相邻两指节单元间通过第一扭簧相连；通过第一扭簧使相邻两指节单元在无外力作用时相互贴合；

上述近指节与中指节中位于末端的指节单元作为末端连接件；位于前端的指节单元作为前端连接件；由此，中指节中的末端连接件通过第二连接轴与近指节中前端连接件串联；中指节中的末端连接件通过第二连接轴与近指节中前端连接件间安装有第二扭簧；通过第二扭簧可使近指节中末端连接件与中指节中前端连接件间在无外力作用时相互贴合；中指节中前端连接件通过第三连接轴与远指节串联；上述远指节的一侧具有捏取面，另一侧具有限位平面，且限位面与捏取面垂直；近指节中前端连接件与基座上固定安装的水平驱动轴套接；

所述传动机构包括一级锥齿轮、二级锥齿轮、驱动电机、欠驱动连杆机构与平行捏取连杆机构；其中，驱动电机固定安装在基座上，驱动电机输出轴上同轴套接有一级锥齿轮；二级锥齿轮套接在驱动轴上，且与一级锥齿轮啮合；

所述欠驱动连杆机构包括第一欠驱动连杆、第二欠驱动连杆、第三连杆、第四欠驱动连杆；其中，第一欠驱动连杆的铰接端与第二欠驱动连杆铰接端A铰接；第三欠驱动连杆为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二欠驱动连杆的铰接端B与第三欠驱动连杆的弯折处铰接；第三欠驱动连杆中杆A的端部与第四欠驱动连杆的铰接端A铰接；

上述结构的欠驱动连杆机构中，第一欠驱动连杆的安装端套接在驱动轴上，与二级锥齿轮固连；第三欠驱动连杆中杆B的端部套接在第二连接轴上；第四欠驱动连杆的铰接端B与远指节铰接；

所述平行捏取连杆机构包括第一捏取连杆、第二捏取连杆、第三捏取连杆、第四捏取连杆与第五捏取连杆；其中，第一捏取连杆的铰接端与第二捏取连杆铰接端A铰接；第三捏取连杆为弯折连杆；令弯折处两端分别为杆A与杆B；由此，第二捏取连杆的铰接端B与第三捏取连杆的弯折处铰接；第三捏取连杆中杆A的端部与第四捏取连杆的铰接端A铰接；第四捏取连杆的铰接端B与第五连杆的铰接端铰接；

上述结构的平行捏取连杆机构中，第一捏取连杆的安装端套接在驱动轴上，第一捏取连杆与基座间安装有第三扭簧；第三扭簧套接在驱动轴上，一端与基座底面固连，另一端与第一捏取连杆固连；且基座底面上设计有斜面，通过第三扭簧使第一捏取连杆与斜面贴合；第三捏取连杆的铰接端B套接在第二连接轴上；第五捏取连杆的安装端与远指节铰接；所述第五捏取连杆与远指节间安装有第四扭簧；第四扭簧套接在第三连接轴上，一端与第五捏取连杆固连，另一端与远指节固连；且通过第四扭簧的作用，使远指节上的限位面与第五捏取连杆贴合；此时远指节的捏取面与水平面垂直。

2.如权利要求1所述具有单向柔性指节的自适应手指机构，其特征在于：所述指节单元为由顶板与纵板构成的一体结构；顶板与纵板间垂直相连；纵板两侧面上分别设计有两个凸耳A与两个凸耳B；两个凸耳A间距小于两个凸耳B间距；令两相邻指节单元中的一个为指节单元A，另一个为指节单元B，相邻两指节单元间的连接方式为：指节单元A上的两个凸耳A与指节单元B上的两个凸耳B相互配合，通过第一连接轴串联。

3.如权利要求1所述具有单向柔性指节的自适应手指机构，其特征在于：所述基座底面上设计有斜面，通过第三扭簧使第一捏取连杆与斜面贴合。

4.如权利要求1所述具有单向柔性指节的自适应手指机构，其特征在于：所述欠驱动连杆中第一欠驱动连杆、第二欠驱动连杆、第三欠驱动连杆的杆B与近指节间形成四杆结构；而第三欠驱动连杆、第四欠驱动连杆、远指节与中指节间构成四杆结构；同样，平行捏取连杆中第一捏取连杆、第二捏取连杆、第三捏取连杆的杆B与近指节间形成平行四杆结构；而第五捏取连杆、第四捏取连杆、第三捏取连杆与中指节间构成平行四杆结构。

5.如权利要求1所述具有单向柔性指节的自适应手指机构，其特征在于：所述欠驱动连杆机构中的第二欠驱动连杆与第四欠驱动连杆，以及平行捏取连杆机构中第二捏取连杆与第四捏取连杆具有弯曲弧度。

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