CN104162892B - 一种拟人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拟人机械手，主要包括手、手腕和前臂，手包括手掌和A型手指、B型手指和拇指。A型手指和拇指实现抓握，B型手指为辅助手指。通过四根腱绳对A型中指骨、A型近指骨和A型基指骨分别进行独立控制；B型手指由于起辅助作用，采用了欠驱动控制方式，只通过两根腱绳对中指骨进行主动控制；拇指远指骨、拇指中指骨和拇指近指骨通过五根腱绳进行独立控制。腕关节利用万向节和球铰的配合，通过拉杆伸缩即可实现俯仰和侧摆运动。本装置所涉及的机械手零部件加工简单，成本较低，可以实现多种人手所能实现的功能，包括抓取，捏取，抓握，旋转开关等功能。该机械手尺寸更小，重量更轻，操作更加灵活精确，成本又大大降低，应用前景广阔。

Description

一种拟人机械手

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，特别是一种拟人机械手。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，人们尝试在工业生产等各个领域建造机械设备，以代替人工进行作业。其中最常见的就是机械手设备。拟人机械手可以最大程度上重复人手所能实现的功能，并且相较于普通工业机械设备，更精准，更灵活，可控性更强。主要的机械手驱动方式有液压式、气动式以及机械式。但是普通的气动式操作精准度不高，而液压式操控的机械手中液压回路要占据大量体积。机械式主要为齿轮组结构控制指节转弯。齿轮组结构控制的机械手，由于齿轮的空间需求和齿轮的特点，指节的较粗且指节转角并不精确。

发明内容

本发明为了解决上述机械手驱动方式存在的缺点，提供一种利用腱绳驱动手指运动的拟人机械手，该机械手尺寸更小，重量更轻，操作更加灵活精确。

一种拟人机械手，主要包括手、手腕和前臂，手包括手掌和若干根手指。所述手指至少包含一根A型手指和拇指；A型手指包括依次通过旋转轴连接的A型远指骨、A型中指骨、A型近指骨、A型基指骨以及A型基座，指骨连杆两端分别与A型远指骨和A型近指骨相连，A型远指骨、A型中指骨、A型近指骨以及指骨连杆共同构成四连杆机构；通过腱绳对A型中指骨、A型近指骨和A型基指骨进行独立控制：四根腱绳从前臂引出，两两一组，分别控制A型中指骨和A型近指骨，其中控制A型中指骨的两根腱绳沿A型手指指背和指腹两面经过A型近指骨，而后绕过中关节固定在A型中指骨上，另两根控制A型近指骨的腱绳沿A型手指指背和指腹两面延伸，绕过近关节后固定在A型近指骨上，两对腱绳在指腹的左右两侧对称分布；通过这两对腱绳差动还可实现A型基指骨的侧摆运动；前臂上设置有腱驱动器组，每根腱绳都连接到对应的腱驱动器上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述手还包括至少一根B型手指，B型手指包括依次通过旋转轴连接的B型远指骨、B型中指骨、B型近指骨以及B型基座；B型手指采用了欠驱动控制方式，只对B型中指骨进行主动控制：从腱驱动器上引出的两根腱绳沿B型手指的指背和指腹延伸，交叉缠绕过近关节，通过B型近指骨后绕过中关节固定在B型中指骨上。

作为上述技术方案的另一种改进，所述拇指包括拇指远指骨、拇指中指骨、拇指近指骨和拇指基指骨；拇指远指骨、拇指中指骨和拇指近指骨均进行独立控制：控制拇指远指骨和拇指中指骨的腱绳均由拇指近指骨指腹一面穿入，两两一组，分别固定在拇指远指骨和拇指中指骨上；另有一根腱绳固定在拇指近指骨指背上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腱驱动器组包括锥形腱驱动器和矩形腱驱动器两种腱驱动器，所有驱动器均包括腱驱动器滚珠丝杠副，腱绳末端固定在腱驱动器滚珠丝杠螺母上，从而实现腱绳的差动运动，驱动手指关节。作为上述技术方案的更进一步改进，除了所述A型和B型手指基指骨、拇指的远指骨和近指骨，其余所有指骨均包含传感器定位夹、六维力传感器、指腹接触盖和电器盒；并且在每个转动关节处都布置有角度传感器，反馈转角信息。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述的每个近指骨指背上都布置有走线槽或走线孔，固定有腱绳的骨指均设置有腱绳固定槽。

作为上述技术方案的另一种改进，所述手腕是连接手和前臂的部件，包括俯仰转轴、俯仰转轴支承和腕基座，腕基座与前臂固连，俯仰转轴支承与腕基座弹性连接，俯仰转轴固定在俯仰转轴支承上，俯仰转轴和俯仰转轴支承配合，提供俯仰和侧摆两个方向的自由度；所述手腕由安装在前臂上的腕驱动器驱动，所述腕驱动器包括平移导向部分和内部转子部分，腕驱动器端部安装有万向节；手掌掌基中间位置与俯仰转轴直接连接，万向节通过手腕上的手腕连杆与手掌背部球铰相连。

本发明的有益效果：本装置所涉及的机械手是利用普通标准配件实现了拟人机器手的设计。利用腱绳差动控制手指关节，在腕驱动器以及腱驱动器两个方面减少了非标电器配件和非标滚珠丝杠的加工费用。并且所有的零件在小型的四轴数控铣床上即可加工，生产出的机械手约为人手1.5倍大小，可以多种人手所能实现的功能，包括抓取，捏取，抓握，旋转开关等功能。该机械手尺寸更小，重量更轻，操作更加灵活精确，成本又大大降低，应用前景广阔。

附图说明

图1为拟人机械手正面示意图；

图2为拟人机械手反面示意图；

图3（a）为A型手指立体图1，（b）为A型手指立体图2，（c）为A型手指正视图；

图4为一般指骨结构爆炸图；

图5（a）为B型手指俯视图及局部爆炸图，图5（b）为B型手指正视图；

图6（a）为拇指立体图1，（b）为拇指立体图2，（c）为拇指立体图3；

图7为部件连接说明图；

图8为手指连接放大图；

图9为手腕立体示意图；

图10为腕驱动器结构示意图；

图11（a）为腱驱动器剖视图，图11（b）为腱驱动器结构爆炸图；

图12（a）为腱驱动器组立体图，图12（b）为腱驱动器组剖视图；

其中：1拇指；2A型手指；3B型手指；4手掌；5手腕；6腱驱动器组；7腕驱动器；8前臂基础板；9A型基座；10A型基指骨；11腱绳固定槽；12A型近指骨；13A型中指骨；14角度传感器放置槽；15A型远指骨；16下指腹盖；17上指腹盖；18指骨连杆；19传感器定位夹；20指骨；21六维力传感器；22指腹接触盖；23电器盒；24B型近指骨；25阶梯型滚轮；26B型基座；27拇指远指骨；28拇指中指骨；29拇指近指骨；30拇指基指骨；34手指基座；35垫片；36螺钉；37弹簧；38紧定螺钉；40俯仰转轴；41俯仰转轴支承；42腕基座；43俯仰转轴限位螺钉；44万向节；45腕推杆；46推杆导向块；47轴承；48轴承限位块；49滚针轴承；50腕驱动器滚珠丝杠；51腕驱动器滚珠丝杠螺母；52腕驱动器转子；53调心球轴承；54电机连接盖；55腱驱动器端盖；56腱驱动器分线板；57联轴器；58腱驱动滚珠丝杠螺母；59腱驱动器导向块；60腱驱动滚珠丝杠；61腱驱动器壳体；62导向槽；63定位槽；64腱驱动器组后安装板；65腱驱动器组前安装板；66锥形腱驱动器；67矩形腱驱动器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种拟人机械手进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的拟人机械手包括手、手腕5和前臂。手包括手掌4和五根手指，手指共分三种类型：A型手指2、B型手指3和拇指1。A型手指2和拇指1实现抓握，B型手指3为辅助手指，在一般抓握工作中更好的包络物体。机械手的大体尺寸包括手指长度，手掌4大小，前臂包络等根据工作需求确定。

如图3（a）、图3（b）和图3（c）所示，A型手指2包括依次通过旋转轴连接的A型远指骨15、A型中指骨13、A型近指骨12、A型基指骨10以及A型基座9，指骨连杆18两端分别与A型远指骨15和A型近指骨12相连，A型远指骨15、A型中指骨13、A型近指骨12以及指骨连杆18共同构成四连杆机构。A型中指骨13和A型近指骨12上均设置有腱绳固定槽11。A型近指骨12的指背上设置有腱绳走线槽或者走线孔，指腹处也设置有上、下指腹盖17、16，用于引导腱绳方向。通过腱绳对A型中指骨13、A型近指骨12和A型基指骨10分别进行独立控制：四根腱绳从前臂引出，沿A型手指2四角延伸，其中控制A型中指骨13的两根腱绳从A型手指一侧沿指背和指腹两面经过A型近指骨12，而后绕过中关节固定在A型中指骨13上的腱绳固定槽11中，另两根控制A型近指骨12的腱绳从A型手指另一侧沿指背和指腹两面延伸并固定在A型近指骨12上的腱绳固定槽11中，控制A型基指骨10的侧摆运动不需要另外安排腱绳，通过两侧两对腱绳差动即可实现A型基指骨10的侧摆运动；A型远指骨15随A型中指骨13联动。前臂上设置有腱驱动器组6，每根腱绳都连接到对应的腱驱动器上。在A型远指骨15和A型中指骨13连接处腱绳走线的地方布置有一个滚轮，在A型近指骨12与A型基指骨10相连的地方，两侧分别布置两个滚轮。图3（a）、图3（b）和图3（c）中虚线为腱绳走线路径示意。

如图5（a）和5（b）所示，B型手指3和A型手指2的主体结构一致，主要区别是B型手指3不具备侧摆功能，因而不包含基指骨，其近指骨直接与基座相连。B型手指3由于起辅助作用，采用了欠驱动控制方式，只对中指骨进行主动控制，并且为了实现B型手指3利用力控制对手指的完全控制，在其近关节处加入了阶梯型滚轮25。从腱驱动器上引出的两根腱绳沿B型手指3的指背和指腹延伸，交叉缠绕过近关节处的阶梯型滚轮25，通过B型近指骨24后固定在B型中指骨上的腱绳固定槽11中。普通滚轮在指节转动角度较大时，并不能保证绕近关节的两根腱绳的关节半径不同，引入阶梯型滚轮一方面可以保证转动过程中半径不变，另一方面也可使两腱绳之间不相互影响。图5（a）和5（b）中虚线为腱绳走线路径示意。

如图6（a）、6（b）和6（c）所示，拇指包括拇指远指骨27、拇指中指骨28、拇指近指骨29和拇指基指骨30。拇指远指骨27、拇指中指骨28和拇指近指骨29通过五根腱绳进行独立控制；由于抓握物体时的包络需求，拇指近指骨29两个转轴之间存在夹角，并且控制拇指远指骨27和拇指中指骨28的腱绳均由拇指近指骨29指腹一面穿入，两根固定在拇指远指骨27的腱绳固定槽11中，另两根固定在拇指中指骨28的腱绳固定槽11中；另有一根腱绳直接固定在拇指近指骨29指背上。图6（a）、6（b）和6（c）中的虚线为腱绳走线路径示意。

如图4所示，除了所述A型和B型手指基指骨、拇指的远指骨和近指骨，其余所有指骨20都有相同的结构，均包含角度传感器放置槽14、传感器定位夹19、六维力传感器21、指腹接触盖22和电器盒23。六维力传感器21安装在手指指腹处，并用另一侧的传感器定位夹19进行固定。在六维力传感器21上固定指腹接触盖22。在相互配合的转动关节中的其中一个指骨贴上磁性材料，并在配合的另一个指骨的角度传感器放置槽14中安装角度传感器，该角度传感器优选霍尔传感器，反馈转角信息。

如图7和8所示，五指安装完后均弹性连接在手掌4上，手掌4分为上下两部分，上手掌与四指相连，下手掌与拇指和手腕5相连。拇指基指骨30连接在其配套的定位销上，并在阶梯销的一端安装弹簧。其余四根手指的安装方式相同：手指基座34底部安装杆插在手掌4相应手指安装孔中，安装孔设置为阶梯孔，插入安装杆后在安装杆尾端放入垫片35并以螺钉36紧固，阶梯孔限制了安装杆的位置使其无法脱出但是留有一定活动空间。因为基指骨需要为手指定向，安装杆可以有两种生产方式选择：一是将安装杆做成圆柱状并在侧边配合平键。但由于加工条件限制，可能无法在圆柱体一侧铣出键槽，此时可以作另一种选择：将安装杆制作成方形柱即可。将安装杆固定后，在螺钉36一端放入弹簧37，并拧入紧定螺钉38固定即可。这样当手指受力之后，就存在一定弹性裕度。

如图1和9所示，手腕5是连接手和前臂的部件，包括俯仰转轴40、俯仰转轴支承41和腕基座42，腕基座42和前臂上的前臂基础板8固连，俯仰转轴支承41与腕基座4弹性连接，俯仰转轴40固定在俯仰转轴支承41上，通过俯仰转轴限位螺钉43限位固定。俯仰转轴40和俯仰转轴支承41配合，提供俯仰和侧摆两个方向的自由度。手掌4掌基中间位置与俯仰转轴40连接，手腕上还有手腕连杆与手掌4背部球铰相连。

如图1和2所示，前臂包括前臂基础板8和安装在其两面的腱驱动器组6和腕驱动器7。如图10所示，腕驱动器7是驱动手腕5运动的主要部件，其固定在前臂背部，主要包括平移导向部分和内部转子部分。如果腕驱动器7的空间不够，可用空心电机替代腕驱动器7。在空间允许的情况下，选择腕驱动器7代替空心电机，可省去购买和定制空心电机的高昂费用。腕驱动器7的连接板与推杆导向块46以及驱动器外壳固连。电机齿轮箱固接在电机连接盖54上，输出轴与腕驱动器转子52相连，腕驱动器转子52另一端与腕驱动器滚珠丝杠螺母51固连，并且在腕驱动器转子52两端配置滚针轴承49和调心球轴承53。腕驱动器滚珠丝杠螺母51上还要固接轴承限位块48，在轴承限位块48外侧安装轴承47，以推杆导向块46将轴承47压紧。由于在腕推杆45推动手腕5运动时，腕驱动器转子52要承受一定轴向力，两端需要根据设计要求，使用可以承受轴向力的轴承47，优先推力轴承。腕驱动器转子52与齿轮箱连接端采用调心球轴承53。腕驱动器滚珠丝杠螺母51端因为空间限制，所以使用轴承组，利用轴承47和滚针轴承49进行配合。推杆导向块46内置腕推杆45，还设置有导向槽，并安装直线轴承，保证腕推杆45的运动方向。腕推杆45一端与腕驱动器滚珠丝杠50连接，另一端安装万向节44。此万向节44另一端与手腕连杆相连，通过手腕连杆与手掌4背部球铰相连。两个腕驱动器7协同作用推动连杆，实现腕部关节运动。

如图11和12（a）、12（b）所示，腱驱动器组6包括位于外层的锥形腱驱动器66和位于内层的矩形腱驱动器67，这两种腱驱动器的区别仅在于外壳的形状不同：外层的锥形腱驱动器66外壳为锥形，内层为了尽可能多的放置驱动器，将驱动器外壳设计为多边形。腱驱动器壳体61上均设置导向槽62和定位槽63，定位槽63用于定位驱动器安装位置。在腱驱动器的一端是腱驱动器端盖55，其与腱驱动器壳体61固连，并且两者之间固连有腱驱动器分线板56。腱驱动器滚轴丝杠副包括腱驱动器滚珠丝杠螺母58和腱驱动器滚珠丝杠60，腱驱动器滚珠丝杠60一端通过轴承连接在分线板56上，另一端通过轴承和腱驱动器壳体61配合，通过联轴器57与电机齿轮箱相连。所有腱驱动器安装在腱驱动器组前安装板65上，所有后端盖集成在腱驱动器组后安装板64上，所有腱驱动电机也安装在腱驱动器组后安装板64上。腱驱动器组前后两块安装板64、65垂直固定安装在前臂基础板8上。所有的腱绳末端均固定在相应的腱驱动器滚珠丝杠螺母58上，滚珠丝杠转动驱动螺母平移，实现腱绳的差动运动，驱动手指关节。

在装配腱驱动器前，先要将腱绳绕过分线板56固定在腱驱动器滚珠丝杠螺母58上面，并在腱驱动器端盖55为腱绳设置保护导管，然后将腱驱动器组6安装在前臂上。然后安装手腕5，并将腱绳有序布置穿过手腕5。然后安装手掌4并将腱绳穿过腱绳孔，同时将保护导管另一端固定在手掌4上，然后安装手指以及手腕驱动装置。

最后阐述一下腱绳走线的详细路径：腱绳需要采用弹性较小并承力能力强的材料。所有腱绳固定在腱驱动器滚轴丝杠螺母58螺母上，从腱驱动器端盖55穿出，穿过手腕5和手掌4，手掌4中空需要为腱绳走线留住足够空间，且前臂基础板8在固定腕基座42处需要在与腕基座42相应处挖空，为手掌4运动时腱绳留出足够空间。腱绳在手掌4中需有序排列，然后穿入手掌4与手指连接处相应的腱绳孔中，然后进入指骨上的腱绳走线槽，最后固定在相应指骨的腱绳固定槽11中。四指腱绳孔即布置在手指安装孔四周与手指基座34上腱绳孔对应位置，手掌4腱绳孔则布置在手掌4内壁上，布置时注意不要使腱绳相互干扰。因而需要将同侧四根腱绳错开布置，不要放在同一直线上。所有腱绳在手掌4腱绳孔和腱驱动器端盖55之间均要分别设置独立导管，对腱绳进行保护。

本发明的拟人机械手的工作原理：腕驱动器通过驱动两腕推杆45平移，实现手腕运动。手腕运动包含俯仰运动和侧摆运动。两腕推杆45同时伸缩实现俯仰，差动实现侧摆。手指的运动全部依靠腱绳驱动，同一转动关节在指腹和指背分别固定两根腱绳，通过腱绳差动实现关节转动。A型手指2的中指节、近指节以及基指节可以实现主动控制，其中基指节转动是通过分布在基指节两侧的两组腱绳差动来实现。B型手指3只有中指节进行了主动控制，但是同时在近关节处引入了腱绳的非对称布置，可以通过力矩实现对近关节的控制。拇指的远关节和中关节都由一组腱绳实现控制。而拇指近关节和基关节的控制则是通过五根腱绳的力矩平衡来实现。同时指骨上安装的六维力传感器21和关节转角传感器可以实时反馈当前机构的受力和位置信息。因而工作时，首先要对相应工况进行运动规划，然后根据运动规划方案，协同控制所有的腱驱动和腕驱动器工作，操纵机械手进行相应的工作。

Claims (7)

1.一种拟人机械手，主要包括手、手腕（5）和前臂，手包括手掌（4）和若干根手指，其特征在于：所述手指至少包含一根A型手指（2）和拇指（1）；A型手指（2）包括依次通过旋转轴连接的A型远指骨（15）、A型中指骨（13）、A型近指骨（12）、A型基指骨（10）以及A型基座（9），指骨连杆（18）两端分别与A型远指骨（15）和A型近指骨（12）相连，A型远指骨（15）、A型中指骨（13）、A型近指骨（12）以及指骨连杆（18）共同构成四连杆机构；通过腱绳对A型中指骨（13）、A型近指骨（12）和A型基指骨（10）进行独立控制：四根腱绳从前臂引出，两两一组，分别控制A型中指骨（13）和A型近指骨（12），其中控制A型中指骨（13）的两根腱绳沿A型手指（2）指背和指腹两面经过A型近指骨（12），而后绕过中关节固定在A型中指骨（13）上，另两根控制A型近指骨（12）的腱绳沿A型手指（2）指背和指腹两面延伸，绕过近关节后固定在A型近指骨（12）上，两对腱绳在指腹的左右两侧对称分布；通过这两对腱绳差动还可实现A型基指骨（10）的侧摆运动；前臂上设置有腱驱动器组（6），每根腱绳都连接到对应的腱驱动器上。

2.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于：所述手还包括至少一根B型手指（3），B型手指（3）包括依次通过旋转轴连接的B型远指骨、B型中指骨、B型近指骨（24）以及B型基座（26）；B型手指（3）采用了欠驱动控制方式，只对B型中指骨进行主动控制：从腱驱动器上引出的两根腱绳沿B型手指（3）的指背和指腹延伸，交叉缠绕过近关节，通过B型近指骨（24）后绕过中关节固定在B型中指骨上。

3.根据权利要求1或2所述的拟人机械手，其特征在于：所述拇指（1）包括拇指远指骨（27）、拇指中指骨（28）、拇指近指骨（29）和拇指基指骨（30）；对拇指远指骨（27）、拇指中指骨（28）和拇指近指骨（29）均进行独立控制：控制拇指远指骨（27）和拇指中指骨（28）的腱绳均由拇指近指骨（29）指腹一面穿入，两两一组，分别固定在拇指远指骨（27）和拇指中指骨（28）上；另有一根腱绳固定在拇指近指骨（29）指背上。

4.根据权利要求3所述的拟人机械手，其特征在于：所述腱驱动器组（6）包括锥形腱驱动器（66）和矩形腱驱动器（67）两种腱驱动器，所有驱动器均包括腱驱动器滚珠丝杠副，腱绳末端固定在腱驱动器滚珠丝杠螺母（58）上，从而实现腱绳的差动运动，驱动手指关节。

5.根据权利要求4所述的拟人机械手，其特征在于：除了所述A型和B型手指基指骨、拇指的远指骨和近指骨，其余所有指骨均包含传感器定位夹（19）、六维力传感器(21)、指腹接触盖（22）和电器盒（23）；并且在每个转动关节处都布置有角度传感器，反馈转角信息。

6.根据权利要求5所述的拟人机械手，其特征在于：所述的每个类型的近指骨指背上都布置有走线槽或走线孔，固定有腱绳的骨指均设置有腱绳固定槽（11）。

7.根据权利要求1、2或6所述的拟人机械手，其特征在于：所述手腕（5）是连接手和前臂的部件，包括俯仰转轴（40）、俯仰转轴支承（41）和腕基座（42），腕基座（42）与前臂固连，俯仰转轴支承（41）与腕基座（42）弹性连接，俯仰转轴（40）固定在俯仰转轴支承（41）上，俯仰转轴（40）和俯仰转轴支承（41）配合，提供俯仰和侧摆两个方向的自由度；所述手腕（5）由安装在前臂上的腕驱动器（7）驱动，所述腕驱动器（7）包括平移导向部分和内部转子部分，腕驱动器（7）端部安装有万向节（44）；手掌（4）掌基中间位置与俯仰转轴（40）直接连接，万向节（44）通过手腕上的手腕连杆与手掌（4）背部球铰相连。