CN105643644B - 耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指 - Google Patents

Abstract

耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，它涉及一种欠驱动高仿真手指。现有的欠驱动假手指的仿人程度不高、自适应能力较差和抓取力不足。本发明包括基关节、近指节、中指节和远指节；减速箱通过减速箱安装座固定安装在基座上，电机的输出轴依次穿过减速箱和伞齿轮联轴器与第一伞齿轮相连，第二伞齿轮固定安装在蜗杆上且其与第一伞齿轮相啮合；所述涡轮套装在MCP轴上，蜗杆与涡轮相啮合，第三指节外壳通过DIP轴与第二指节外壳相连接，远指节用位置传感器套装在DIP轴上，指尖电路板与触觉传感器电路板依次固定安装在第三指节外壳内，触觉传感器橡胶体穿设在第三指节外壳的底部。本发明用于智能机器人中。

Description

耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指

技术领域

本发明涉及一种欠驱动高仿真手指，属于机电一体化技术领域。

背景技术

手是人类赖以生存和劳动的最复杂、最精细的工具，人类可以通过自己的双手与外界环境接触并从环境中取得信息，更好的操作环境。假手作为康复医学工程的重要内容和组成部分，是使残疾人康复、回归社会的重要手段。因此，如何设计外形和功能高度模仿人手、对被操作物体具有高度的自适应性能力，一直是假手研究领域的重点。假手的发展终将面向用户，因此，假手商品化是其发展趋势。目前市场上应用的比较成熟的商业化假手大多只有一个自由度，假手指为耦合运动，因此，灵巧性和拟人性较差。近些年来，欠驱动手指的研究使得假手指在拟人性与自适应性等方面有所改善，但由于欠驱动手指在自适应抓取过程中，需要通过扭簧的压缩提供掌指关节的抓取力矩，因此，欠驱动手指的抓取力受到限制，又由于假手指不具有自锁功能，因此电池续航时间短，这些因素都限制了假手的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，以解决欠驱动假手指的仿人程度不高、自适应能力较差和抓取力不足的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，它包括基关节、近指节、中指节和远指节；

所述基关节包括基座、减速箱安装座、减速箱、电机、伞齿轮联轴器、第一伞齿轮、第二伞齿轮和蜗杆，减速箱通过减速箱安装座固定安装在基座上，电机的输出轴依次穿过减速箱和伞齿轮联轴器与第一伞齿轮相连，第二伞齿轮固定安装在蜗杆上且其与第一伞齿轮相啮合；

所述近指节包括第一指节外壳、MCP轴、涡轮、驱动杆连接座、驱动杆、滑动杆、滑动杆基座和直线轴承，所述第一指节外壳通过MCP轴与基座相铰接，所述滑动杆基座通过第一转轴与基座相铰接，滑动杆通过直线轴承设置在滑动杆基座内且其与滑动杆基座滑动配合，所述滑动杆处于滑动杆基座内的一端通过第二转轴与驱动杆的一端相连接，所述涡轮套装在MCP轴上，蜗杆与涡轮相啮合，驱动杆连接座固定安装在涡轮上，所述驱动杆的另一端通过第三转轴与驱动杆连接座相连接，所述滑动杆远离滑动杆基座的一端通过第四转轴与中指节相连接；

所述中指节包括第二指节外壳、PIP轴和耦合连杆，所述远指节包括第三指节外壳、DIP轴、远指节用位置传感器、指尖电路板、触觉传感器电路板和触觉传感器橡胶体；

所述第二指节外壳通过PIP轴与第一指节外壳相连接，耦合连杆的一端通过第五转轴与第一指节外壳相连接，耦合连杆的另一端通过第六转轴与第三指节外壳相连接，所述第三指节外壳通过DIP轴与第二指节外壳相连接，远指节用位置传感器套装在DIP轴上，所述指尖电路板与触觉传感器电路板依次固定安装在第三指节外壳内，触觉传感器橡胶体穿设在第三指节外壳的底部。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明基于模块化思想，将驱动电机、自锁机构、传动机构、触觉传感器装置以及手指控制系统集成于单只假手指上，本发明结构设计科学合理，根据人手指中掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的结构进行高仿设计。单个假手指即成独立的机器人系统，能够独立的完成位置、力等信息的采集与计算处理，从而完成闭环控制驱动。

二、本发明中通过驱动杆连接座、驱动杆、滑动杆和滑动杆基座相互配合形成滑动连杆机构，以便本发明利用一个电机实现两个自由度的驱动，本发明中滑动连杆机构的应用使得假手在抓取目标物体时具有更强的自适应能力，当基关节、近指节、中指节和远指节之间相互配合做出抓取目标物体的动作时，近指节的接触力、中指节的接触力和远指节的接触力形成固定的比例关系。

三、通过蜗杆与涡轮的设置使本发明具有自锁能力，增加了手指的被动抓握力，增加了电机的使用寿命，减少了电池的能量损耗，降低了使用者的肌肉疲劳程度。

四、本发明具有模拟人手的真实弧度的大弧度指尖，有利于假手指精准地操作目标物体，实现精确操作。

附图说明

图1是本发明的主视结构剖面图；

图2是本发明的侧视结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明中近指节、中指节与远指节之间在旋转状态下的连接关系示意图；

图5是远指节中第三指节外壳27的侧视结构示意图；

图6是远指节中第三指节外壳27的俯视结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式包括基关节、近指节、中指节和远指节；

所述基关节包括基座1、减速箱安装座2、减速箱3、电机4、伞齿轮联轴器5、第一伞齿轮7、第二伞齿轮9和蜗杆10，减速箱3通过减速箱安装座2固定安装在基座1上，电机4的输出轴依次穿过减速箱3和伞齿轮联轴器5与第一伞齿轮7相连，第二伞齿轮9固定安装在蜗杆10上且其与第一伞齿轮7相啮合；

所述近指节包括第一指节外壳13、MCP轴15、涡轮16、驱动杆连接座17、驱动杆18、滑动杆19、滑动杆基座20和直线轴承21，所述第一指节外壳13通过MCP轴15与基座1相铰接，所述滑动杆基座20通过第一转轴34与基座1相铰接，滑动杆19通过直线轴承21设置在滑动杆基座20内且其与滑动杆基座20滑动配合，所述滑动杆19处于滑动杆基座20内的一端通过第二转轴36与驱动杆18的一端相连接，所述涡轮16套装在MCP轴15上，蜗杆10与涡轮16相啮合，驱动杆连接座17固定安装在涡轮16上，所述驱动杆18的另一端通过第三转轴35与驱动杆连接座17相连接，所述滑动杆19远离滑动杆基座20的一端通过第四转轴37与中指节相连接；

所述中指节包括第二指节外壳24、PIP轴25和耦合连杆26，所述远指节包括第三指节外壳27、DIP轴28、远指节用位置传感器29、指尖电路板30、触觉传感器电路板31和触觉传感器橡胶体32；

所述第二指节外壳24通过PIP轴25与第一指节外壳13相连接，耦合连杆26的一端通过第五转轴38与第一指节外壳13相连接，耦合连杆26的另一端通过第六转轴39与第三指节外壳27相连接，所述第三指节外壳27通过DIP轴28与第二指节外壳24相连接，远指节用位置传感器29套装在DIP轴28上，所述指尖电路板30与触觉传感器电路板31依次固定安装在第三指节外壳27内，触觉传感器橡胶体32穿设在第三指节外壳27的底部。

本发明的结构能够实现对人手的高度模仿，其中基关节相当于人手中的掌骨，近指节相当于人手中的近节指骨，中节指相当于人手中的中节指骨，远节指相当于人手中的远节指骨。

本发明中近指节相对于基关节的运动角度α的范围为0°至90°，中指节相对于近指节的运动角度β为0°至102°，远指节相对于中指节的运动角度θ为0°至68°。本发明基关节、近指节、中指节和远指节之间能够实现成固定的运动比例关系，更好地复现人了手的运动学关系，对物体具有更强的操作能力。固定的运动比例关系即，本发明在运行过程中近指节、中指节和远指节的运动角度指尖的关系始终近似为2.7：3：2的关系，近指节、中指节和远指节的相关数值是通过测量人手的真实运动角关系所得。本实施方式中涡轮蜗杆给手指提供了自锁能力，增加了假手指的被动抓握力，增加了电机的使用寿命，减少了电池的能量损耗，降低了使用者的肌肉疲劳程度。

本发明中触觉传感器电路板31即为触觉传感器内的设置的电路板，指尖电路板30与指尖板中央控制器相连接。

本发明中MCP轴15、PIP轴25和DIP轴28均为本领域公开使用的轴体。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述第一指节外壳13与第二指节外壳24相接触的一端加工有第一连接凸起40，所述第一连接凸起40设置在第二指节外壳24内，所述第一指节外壳13通过第一连接凸起40与第二指节外壳24相连接；所述第二指节外壳24与第三指节外壳27相接触的一端加工有第二连接凸起41，所述第二指节外壳24通过第二连接凸起41与第三指节外壳27相连接。

本实施方式中第一连接凸起40和第二连接凸起41的设置是为了确保第一指节外壳13、第二指节外壳24和第三指节外壳27之间的连接关系更加合理且能够有效节省本发明所占用的空间，其结构更加符合人手的结构。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述基关节还包括输入端伞齿轮调整垫片6和输出端伞齿轮调整垫片8，所述输入端伞齿轮调整垫片6套装在伞齿轮联轴器5上，所述输出端伞齿轮调整垫片8套装在蜗杆10上。

本实施方式中输入端伞齿轮调整垫片6和输出端伞齿轮调整垫片8的设置是用来调整第一伞齿轮7和第二伞齿轮9之间的啮合程度，输出端伞齿轮调整垫片8由碟片式弹性元件组成，可调整蜗杆10与涡轮16的啮合点位置以及消除涡轮16与蜗杆10的尺侧间隙。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合附图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述基关节还包括第一蜗杆端盖11、第二蜗杆端盖12，所述蜗杆10的两端分别通过第一蜗杆端盖11、第二蜗杆端盖12与基座1可拆卸连接。

本实施方式中第一蜗杆端盖11、第二蜗杆端盖12能够有效减少基关节安装蜗杆10所需的零件数量，简化了蜗杆安装步骤。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合附图1说明本实施方式，本实施方式中所述近指节还包括近指节用位置传感器14，近指节用位置传感器14套装在MCP轴15上。

本实施方式中近指节位置传感器14能够获取近指节外壳13在任意时刻相对基关节的旋转角度信息，并将获取的角度信息传递给指尖电路板30进行计算，实现更精确和快速的抓取与操作目标物体的效果。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合附图1说明本实施方式，本实施方式中所述近指节还包括压缩弹簧22和弹簧定位销23，压缩弹簧22套装在滑动杆基座20上，压缩弹簧22的一端固定安装在滑动杆基座20的大头端，压缩弹簧22的另一端通过弹簧定位销23与滑动杆19相连接。

本实施方式中第一指节外壳13在接触到目标物体之前，压缩弹簧22、滑动杆19与滑动杆基座20处于相对静止状态，此时本发明处于耦合运动状态；当本发明在自适应运动状态下抓取目标物体结束后，压缩弹簧22的设置能够确保中指节与远指节恢复到初始状态，便于抓取下一目标物体。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式中所述远指节还包括远指节用位置传感器29，所述远指节用位置传感器29套装在DIP轴28上。

本实施方式中远指节位置传感器29能够获取第三指节外壳27在任意时刻相对中指节的角度信息，并将获取的角度信息传递给指尖电路板30进行计算，实现更精确和快速的抓取与操作目标物体。

本实施方式中远指节外壳27设计有大圆弧指尖。在图5中的A处弧线的半径为52mm，B处弧线的半径为32mm，C处弧线的半径为32mm，D处弧线的半径为124.27mm；在图6中E处弧线的半径为52mm，F处弧线的半径为52mm。如此设置能够使本发明的拟人程度更高，抓取连续性更好。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述近指节还包括两个力矩传感器应变片33，两个力矩传感器应变片33分别沿驱动杆18的长度方向设置在驱动杆18的上表面和下表面上。本实施方式的技术效果是：驱动杆18与两个力矩传感器应变片33所组成的力矩测量系统能够有效获得近指节的接触力矩信息，通过与指节位置传感器14和远指节位置传感器29相配合，实现对目标物体的闭环操作控制。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式七相同。

本发明的工作原理如下：

电机4输出轴驱动减速器3，减速器3的输出轴通过伞齿轮联轴器5带动第一伞齿轮7，第一伞齿轮7将运动传递给第二伞齿轮9，第二伞齿轮9带动蜗杆10，蜗杆10将运动传递给涡轮16，所述涡轮16套装在MCP轴15上，蜗杆10与涡轮16相啮合，驱动杆连接座17固定安装在涡轮16上，驱动杆连接座17将运动通过驱动杆18传递给滑动杆19，滑动杆19和滑动杆基座20驱动第一指节外壳13与第二指节外壳24转动，耦合连杆26通过第六转轴39带动第三指节外壳27转动，压缩弹簧22保持滑动杆19与滑动杆基座20相对静止，从而实现三个指节的耦合运动；当第一指节外壳13接触目标物体后，压缩弹簧22进行压缩，滑动杆19与滑动杆基座20产生相对运动，本发明自适应抓取目标物体，完全包络目标物体后运动停止。

本发明电气控制结构的实施过程如下：

指尖板中央控制器接收来自人手臂的肌电信号或电脑的控制信号并进行计算，然后将电机4的运动参数及其他相关输入信息发送给指尖电路板30中的电机控制单元，电机控制单元驱动电机4运转，从而实现电机4驱动基关节、近指节、中指节和远指节抓握物体，手指运动过程中，力矩传感器应变片33、近指节用位置传感器14、远指节用位置传感器29与触觉传感器进行相应参数的测量，并将测得的信息反馈给指尖板中央控制器，指尖板中央控制器进行计算并调整电机4的输入参数，从而完成对目标物体的精确操作。

Claims (8)

1.一种耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：它包括基关节、近指节、中指节和远指节；

所述基关节包括基座(1)、减速箱安装座(2)、减速箱(3)、电机(4)、伞齿轮联轴器(5)、第一伞齿轮(7)、第二伞齿轮(9)和蜗杆(10)，减速箱(3)通过减速箱安装座(2)固定安装在基座(1)上，电机(4)的输出轴依次穿过减速箱(3)和伞齿轮联轴器(5)与第一伞齿轮(7)相连，第二伞齿轮(9)固定安装在蜗杆(10)上且其与第一伞齿轮(7)相啮合；

所述近指节包括第一指节外壳(13)、MCP轴(15)、蜗轮 (16)、驱动杆连接座(17)、驱动杆(18)、滑动杆(19)、滑动杆基座(20)和直线轴承(21)，所述第一指节外壳(13)通过MCP轴(15)与基座(1)相铰接，所述滑动杆基座(20)通过第一转轴(34)与基座(1)相铰接，滑动杆(19)通过直线轴承(21)设置在滑动杆基座(20)内且其与滑动杆基座(20)滑动配合，所述滑动杆(19)处于滑动杆基座(20)内的一端通过第二转轴(36)与驱动杆(18)的一端相连接，所述蜗轮 (16)套装在MCP轴(15)上，蜗杆(10)与蜗轮 (16)相啮合，驱动杆连接座(17)固定安装在蜗轮 (16)上，所述驱动杆(18)的另一端通过第三转轴(35)与驱动杆连接座(17)相连接，所述滑动杆(19)远离滑动杆基座(20)的一端通过第四转轴(37)与中指节相连接；

所述中指节包括第二指节外壳(24)、PIP轴(25)和耦合连杆(26)，所述远指节包括第三指节外壳(27)、DIP轴(28)、远指节用位置传感器(29)、指尖电路板(30)、触觉传感器电路板(31)和触觉传感器橡胶体(32)；

所述第二指节外壳(24)通过PIP轴(25)与第一指节外壳(13)相连接，耦合连杆(26)的一端通过第五转轴(38)与第一指节外壳(13)相连接，耦合连杆(26)的另一端通过第六转轴(39)与第三指节外壳(27)相连接，所述第三指节外壳(27)通过DIP轴(28)与第二指节外壳(24)相连接，远指节用位置传感器(29)套装在DIP轴(28)上，所述指尖电路板(30)与触觉传感器电路板(31)依次固定安装在第三指节外壳(27)内，触觉传感器橡胶体(32)穿设在第三指节外壳(27)的底部。

2.根据权利要求1所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述第一指节外壳(13)与第二指节外壳(24)相接触的一端加工有第一连接凸起(40)，所述第一连接凸起(40)设置在第二指节外壳(24)内，所述第一指节外壳(13)通过第一连接凸起(40)与第二指节外壳(24)相连接；所述第二指节外壳(24)与第三指节外壳(27)相接触的一端加工有第二连接凸起(41)，所述第二指节外壳(24)通过第二连接凸起(41)与第三指节外壳(27)相连接。

3.根据权利要求1或2所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述基关节还包括输入端伞齿轮调整垫片(6)和输出端伞齿轮调整垫片(8)，所述输入端伞齿轮调整垫片(6)套装在伞齿轮联轴器(5)上，所述输出端伞齿轮调整垫片(8)套装在蜗杆(10)上。

4.根据权利要求3所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述基关节还包括第一蜗杆端盖(11)、第二蜗杆端盖(12)，所述蜗杆(10)的两端分别通过第一蜗杆端盖(11)、第二蜗杆端盖(12)与基座(1)可拆卸连接。

5.根据权利要求1或4所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述近指节还包括近指节用位置传感器(14)，近指节用位置传感器(14)套装在MCP轴(15)上。

6.根据权利要求5所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述近指节还包括压缩弹簧(22)和弹簧定位销(23)，压缩弹簧(22)套装在滑动杆基座(20)上，压缩弹簧(22)的一端固定安装在滑动杆基座(20)的大头端，压缩弹簧(22)的另一端通过弹簧定位销(23)与滑动杆(19)相连接。

7.根据权利要求1或6所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述远指节还包括远指节用位置传感器(29)，所述远指节用位置传感器(29)套装在DIP轴(28)上。

8.根据权利要求7所述的耦合与自适应运动模式兼备的欠驱动高仿真手指，其特征在于：所述近指节还包括两个力矩传感器应变片(33)，两个力矩传感器应变片(33)分别沿驱动杆(18)的长度方向设置在驱动杆(18)的上表面和下表面上。