CN106003129A - 一种欠驱动的自适应拟人机械手 - Google Patents
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Abstract
一种欠驱动的自适应拟人机械手，包括壳体模块以及设置在壳体模块内的四指模块、大拇指模块、传动模块和自锁模块；其中，所述四指模块包括食指、中指、无名指和小拇指共4个手指，每个手指的末端通过平键与传动模块相连，大拇指模块与手掌直接相连，所述传动模块和自锁模块同时设置于手掌中，所述传动模块包括滑块组、齿轮齿条机构和连杆机构，其中滑块组在牵引绳拉力的作用下向后滑动，带动两边的齿轮齿条机构啮合运动，齿条带动连杆机构旋转，进而将驱动力传递到手指模块，完成抓取动作，所述自锁模块中的棘爪机构在抓取后与棘板上的棘齿相互啮合，从而保持抓取状态。本发明能够实现对一定物体大小的自适应包络和抓取，应用范围较广。
Description
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种欠驱动的自适应拟人机械手。
背景技术：
随着机器人技术的发展，机械手逐渐被应用于生产生活的各个领域。在汽车制造领域，焊接、喷涂等工艺过程中已经大量使用机械手；在军事领域，机械手被用于代替人类从事诸如拆弹、扫雷等危险性工作。另一方面，当今社会每年因为交通事故、自然灾害等原因而导致的肢体残疾人数逐年攀升，机械手也已经开始涉足助残领域。在助残领域中，机械手的研究重点之一是如何使其外形更加拟人化，使用更加方便、高效。随着肢体残疾人对助残设备需求量的不断增加，拟人化机械手在未来也将有非常广阔的前景。
中国发明专利CN201510454504公开了一种形状自适应的欠驱动机械手，它包括安装壳、动力机构、传动机构和两个手指。但其存在以下不足：(1)该机械手指通过绕着一根中心轴转动来实现抓取功能，在抓取不规则物体的时候，容易出现抓取不稳的情况；(2)该机械手外形设计较为粗糙，拟人化程度不高，限制了其应用。
中国发明专利CN20151064198公布了一种欠驱动拟人三指机械手，它具体由手掌、两根手指和一根拇指组成。但其也存在以下不足：(1)该机械手使用力传感器和角度传感器组成的闭环反馈系统完成抓取动作，客观上增加了系统的控制难度；(2)该机械手只有三个手指，且没有完全模拟真人手指的外形。
中国发明专利CN20071004724公布了一种具有欠驱动自适应机构的拟人机械手，它是对加拿大多伦多大学TBM手的改进，包括手指结构的弹性杆机构和指间的差动机构。但其不足之处在于整个机械手没有机械自锁功能，抓取物体后只能依靠加大电机功率来维持原状态。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有欠驱动拟人机械手的不足，提供了一种欠驱动的自适应拟人机械手。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种欠驱动的自适应拟人机械手，该机械手包括壳体模块以及设置在壳体模块内的四指模块、大拇指模块、传动模块和自锁模块；其中，
所述四指模块包括食指、中指、无名指和小拇指共4个手指，每个手指的末端通过平键与传动模块相连，大拇指模块与手掌直接相连，所述传动模块和自锁模块同时设置于手掌中，所述传动模块包括滑块组、齿轮齿条机构和连杆机构，其中滑块组在牵引绳拉力的作用下向后滑动，带动两边的齿轮齿条机构啮合运动，齿条带动连杆机构旋转，进而将驱动力传递到手指模块，完成抓取动作，所述自锁模块中的棘爪机构在抓取后与棘板上的棘齿相互啮合，从而保持抓取状态。
本发明进一步的改进在于，所述四指模块中各个手指的结构相似，其中，主轴连杆与第一指节第一连杆、第一扭簧相连，第一扭簧与第一指节第三连杆相连，第一指节第一连杆与第二小圆盘铰接，第一指节第二连杆与大圆盘铰接，第一指节第三连杆与第一小圆盘铰接，第一指节第三连杆与大圆盘铰接，大圆盘与第二小圆盘通过孔轴配合相连，第二小圆盘和第一小圆盘相连，第二扭簧与第二小圆盘连接，第二指节第一连杆与大圆盘连接，第二指节第三连杆与第一小圆盘相连，第二指节第二连杆与第一小圆盘连接，连接轴与第二指节第一连杆、第二指节第二连杆以及第二扭簧相连，第三指节连杆与第二指节第一连杆、第二连杆和第三连杆分别铰接。
本发明进一步的改进在于，所述大拇指模块中，套杆与弹性杆配合，弹性杆和大拇指牵引绳相连，第一压缩弹簧位于套杆与弹性杆之间，第一主轴与大拇指第一连杆和大拇指第二连杆相连，固定连杆和第一圆盘及大拇指第一连杆相连，大拇指第三连杆与大拇指第二连杆相连，大拇指第四连杆和大拇指第五连杆、大拇指第三连杆铰接，拇指第五连杆中部与大拇指第二连杆相连，下部与第二圆盘铰接。
本发明进一步的改进在于，所述传动模块中，第一传动轴和第二传动轴与手指模块的食指、中指、无名指、小拇指连接，传动第一连杆和传动第二连杆铰接，齿轮组分别和第一齿条和第二齿条啮合，第二压缩弹簧套在第三主轴上，滑块和第二齿条连接，第一牵引绳绕过滑轮组，并系在滑块侧面。
本发明进一步的改进在于，所述自锁模块包括第三扭簧、棘爪、棘齿、棘板和第二牵引绳，第三扭簧的一端连接棘爪，另一端连接传动模块中的滑块、棘爪和第二牵引绳系在一起，同时棘爪和棘齿通过第三扭簧施加的预紧力而紧密接触。
本发明进一步的改进在于，壳体模块包括四指第一壳体、四指第二壳体、四指第三壳体、大拇指第一壳体、大拇指第二壳体、大拇指第三壳体、手掌壳体、蒙皮和手掌，其中，四指第一壳体、四指第二壳体、四指第三壳体分别与四指的各个指节连接，大拇指第一壳体、大拇指第二壳体分别与大拇指的两个指节连接，大拇指第三壳体连接手掌和大拇指下端，手掌壳体外形与普通正常人手外形相似，并与手掌连接，蒙皮和手掌之间连接。
本发明进一步的改进在于，四指第一壳体、四指第二壳体、四指第三壳体分别与四指的各个指节通过销钉连接，大拇指第一壳体、大拇指第二壳体分别与大拇指的两个指节通过销钉连接，手掌壳体与手掌通过销钉连接，蒙皮和手掌之间通过螺钉连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明针对现有欠驱动机械手的不足，提供了一种欠驱动的自适应拟人机械手。它的优点体现在以下几个方面：
首先，该机械手中手指模块巧妙地采用了扭簧和连杆机构相结合的方式，成功实现了欠驱动功能，机械手总体自由度数少，控制简单，能实现对一定物体大小的自适应包络和抓取，应用范围较广。
其次，该机械手中自锁模块运用了棘爪棘齿机构，能较好地实现物体抓取后的自锁功能，防止因瞬时驱动力改变而使物体脱落的现象，并且解锁方式简单快捷、稳定可靠。
最后，该机械手包括大拇指、食指、中指、无名指、小拇指，每个手指与普通正常人手指大小类似，拟人化程度高，外形美观。
附图说明：
图1为本发明所述欠驱动自适应拟人机械手隐去壳体的整体示意图；
图2为本发明所述欠驱动自适应拟人机械手的四指模块隐去壳体的示意图；
图3为本发明所述欠驱动自适应拟人机械手的大拇指模块隐去壳体的示意图；
图4为本发明所述欠驱动自适应拟人机械手的传动模块与自锁模块隐去壳体示意图；
图5为本发明所述欠驱动自适应拟人机械手的壳体模块示意图。
图中：1为四指模块，101为主轴连杆，102为第一扭簧，103为第一指节第一连杆，104为第一指节第二连杆，105为第一指节第三连杆，106为第一指节第四连杆，107为第一小圆盘，108为第二小圆盘，109为大圆盘，110为第二扭簧，111为连接轴，112为第二指节第一连杆,113为第二指节第二连杆，114为第二指节第三连杆，115为第三指节连杆；
2为大拇指模块，201为套筒，202为第一压缩弹簧，203为弹性杆，204为第一主轴，205为固定连杆，206为大拇指第一连杆，207为第一圆盘，208为大拇指第二连杆，209为大拇指第三连杆，210为大拇指第四连杆，211为大拇指第五连杆，212为第二圆盘，213为大拇指牵引绳；
3为传动模块，301为第一传动轴，302为传动第一连杆，303为第二传动轴，304为传动第二连杆，305为滑块，306为齿轮组，307为第一齿条，308为第二齿条，309为第二压缩弹簧，310为第三传动轴，311为滑轮组，312为第一牵引绳；
4为自锁模块，401为第三扭簧，402为棘爪，403为棘齿，404为棘板，405为第二牵引绳；
5为壳体模块，501为四指第一壳体，502为四指第二壳体，503为四指第三壳体，504为大拇指第一壳体，505为大拇指第二壳体，506大拇指第三壳体，507为手掌壳体，508为蒙皮，509为手掌。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做详细说明。
参见图1，本发明所述的欠驱动自适应拟人机械手，包括四指模块1、大拇指模块2、传动模块3、自锁模块4、壳体模块5共5个部分。
参见图2，四指模块1由食指、中指、无名指和小拇指四个部分组成，结构相同，以食指为例说明。第一扭簧102一条扭臂插入主轴连杆101侧面，同时另一条扭臂插入第一指节第四连杆106，第一指节第一连杆103与主轴连杆101通过铰链连接，第一指节第一连杆103通过铰链和第二小圆盘108连接，第一指节第三连杆105与第一小圆盘107铰链相连，与第一指节第三连杆105完全相同对称布置的第一指节第二连杆104与大圆盘109铰链连接。大圆盘109与第一小圆盘107通过异型孔轴配合(方孔)相连，第二小圆盘108和第一小圆盘107孔轴间隙配合相连，第二扭簧110的两臂一端与第二小圆盘108连接，另一端与连接轴111相连，连接轴111的两端分别与第二指节第一连杆112和第二连杆113相连，第二指节第二连杆113通过铰链与第一小圆盘107连接，第二指节第一连杆112与大圆盘109铰链连接。第三指节连杆115通过铰链与第二指节第一连杆112和第二指节第二连杆113连接，再通过铰链与第二指节第三连杆114连接。
手指的具体运动方式如下：主轴连杆101与传动轴通过径向螺钉紧固在一起，第一指节第二连杆104和第三连杆105与手掌之间孔轴间隙配合相连，其中主轴连杆101受到逆时针的力矩作用而发生转动，力矩通过第一扭簧102传递到第一指节第四连杆106上，使其逆时针转动，此时扭簧基本不压缩，同时力矩还通过铰链传到与主轴连杆101相连的第一指节第一连杆103上使其也逆时针转动，随之带动第二小圆盘108、第一小圆盘107和大圆盘109逆时针转动。大圆盘109的转动带动与之相连的第一指节第二连杆104逆时针转动，第一小圆盘107的转动带动第一指节第三连杆105逆时针转动。至此，第一指节的所有零件将做同样的逆时针转动。当第一指节碰到物体，即第一指节第二连杆104、第一指节第三连杆105和第一指节第四连杆106停止运动。主轴连杆101继续逆时针转动(第一扭簧102产生压缩)，带动第一指节第一连杆103继续逆时针转动，进而带动第二小圆盘108、第一小圆盘107和大圆盘109绕第一指节第三连杆105和第一小圆盘107的铰接轴逆时针转动。当第二指节碰到物体，即第二指节第三连杆114停止转动。第二小圆盘108继续逆时针转动(第二扭簧110压缩)，带动第二指节第一连杆112和第二指节第二连杆113逆时针转动，最终带动第三指节连杆115逆时针转动，直至接触到物体，这就是手指的整个抓取的运动过程。释放时弹簧压缩积累的能量释放，使手指恢复原状。
参见图3，图4，大拇指模块2中，套筒201固定在壳体模块的手掌部分，第一压缩弹簧202环绕在套筒201上，弹性杆203与套筒201孔轴配合，弹性杆203与大拇指牵引绳213相连，第一主轴204一端与弹性杆203相连，一端与大拇指第一连杆206和大拇指第二连杆208配合，第一圆盘207和第二圆盘212对称布置，圆盘中心和圆盘下部都通过长销连接。第一圆盘207通过边缘孔与固定连杆205的上突出轴部分孔轴配合，大拇指第五连杆211的下端和连接两个圆盘的长销配合，上端与大拇指第四连杆210相连，大拇指第四连杆210与大拇指第三连杆209相连，大拇指第三连杆209与大拇指第二连杆208通过铰链连接。
大拇指的运动方式：大拇指牵引绳213拉动弹性杆203带动第一压缩弹簧202竖直往下运动，与弹性杆201相连的第一主轴204也竖直往下运动，第一主轴204的运动导致大拇指第一连杆206和大拇指第二连杆208逆时针转动。大拇指第五连杆211将绕配合的长销逆时针转动。大拇指第二连杆208的上半部分的拐角形状使得大拇指第三连杆209受到逆时针力矩作用，带动大拇指第四连杆210逆时针运动，至此，大拇指的两个指节全部完成逆时针的运动，完成抓取动作。
如图4，传动模块3中，第一传动轴301与四指模块1的第一指节第三连杆104和第四连杆105相连，第二传动轴303与四指模块的主轴连杆101孔轴配合并在主轴连杆101径向用螺钉紧固。传动第一连杆302和传动第二连杆304铰链连接。传动第二连杆304端面紧贴壳体模块5上，齿轮组306分别和第一齿条307和第二齿条308啮合，第三传动轴310与滑块305孔轴配合，滑块305的左端面与第二齿条308的上拐角端面紧密贴合，与其下拐角端面紧密贴合，确保第二齿条随着滑块运动。第二压缩弹簧309套在第三传动轴310上，随着滑块的运动而伸缩，第一牵引绳312绕过滑轮组311与滑块305和大拇指模块2相连作为动力源。
传动模块3的具体运动方式：第一牵引绳312提供动力，带动滑块305向右运动，滑块向右运动导致第二压缩弹簧309压缩(弹簧积累能量)，同时引起第二齿条308向右运动，与第二齿条啮合的滑轮组306全部顺时针转动，带动啮合的第一齿条307向左运动，推动传动第二连杆304向左运动，带动传动第一连杆302逆时针摆动，将动力传递至第二传动轴303，使其逆时针转动。
如图4，自锁模块4中，第三扭簧401的一端连接滑块305，一端连接棘爪402，初始情况下提供预紧力，防止滑脱。棘爪402与棘齿403啮合，棘爪402两端与滑块305孔轴配合相连，顶端同时和第二牵引绳405相连。当滑块305向右运动时，带动棘爪402向右运动，此时棘齿不妨碍棘爪的运动，当滑块305运动停止后，由于第二压缩弹簧309处于压缩状态，一旦滑块出现反弹情况，棘爪402和棘齿403的啮合使得棘爪卡在棘板上，运动终止，这就实现了自锁功能，防止抓取过程松动。解锁的时候只需要拉动连接在棘爪402上的第二牵引绳405使得棘爪向上抬高，在弹簧恢复力的作用下，就可以使滑块305返回原位。
如图5，壳体模块(5)包括四指第一壳体501，第二壳体502，第三壳体503，大拇指第一壳体504，第二壳体505，第三壳体506，手掌壳体507，蒙皮508，手掌509。手指壳体的设计均依照原手指的指节结构大小设计，并且预留了适当的空隙防止干涉，配合方式为销连接。手掌壳体设计是基于手掌的俯视图和左视图设计，保证互相匹配，蒙皮508与手掌采用螺钉连接，确保整体稳固。
本发明所提供的欠驱动自适应拟人机械手所占的空间体积为200(总长)×150(总宽)×40(总高)，总重量1kg，工作参数：可抓取的物体最大重力6kg。
本发明所提供的欠驱动自适应拟人机械手拥有抓取功能和抓取后状态保持功能两大功能。抓取功能由四指模块1，大拇指模块2，传动模块3，抓取后的状态保持由自锁模块4实现。该机械手可以解决肢体残疾人生活中抓取和放置日常用品不便等问题，使残疾人生活能最大程度地自理。
Claims (7)
1.一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，该机械手包括壳体模块(5)以及设置在壳体模块(5)内的四指模块(1)、大拇指模块(2)、传动模块(3)和自锁模块(4)；其中，
所述四指模块(1)包括食指、中指、无名指和小拇指共4个手指，每个手指的末端通过平键与传动模块(3)相连，大拇指模块(2)与手掌直接相连，所述传动模块(3)和自锁模块(4)同时设置于手掌中，所述传动模块(3)包括滑块组、齿轮齿条机构和连杆机构，其中滑块组在牵引绳拉力的作用下向后滑动，带动两边的齿轮齿条机构啮合运动，齿条带动连杆机构旋转，进而将驱动力传递到手指模块(1)，完成抓取动作，所述自锁模块(4)中的棘爪机构在抓取后与棘板上的棘齿相互啮合，从而保持抓取状态。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，所述四指模块(1)中各个手指的结构相似，其中，主轴连杆(101)与第一指节第一连杆(103)、第一扭簧(102)相连，第一扭簧(102)与第一指节第三连杆(106)相连，第一指节第一连杆(103)与第二小圆盘(108)铰接，第一指节第二连杆(104)与大圆盘(109)铰接，第一指节第三连杆(105)与第一小圆盘(107)铰接，第一指节第三连杆(106)与大圆盘(109)铰接，大圆盘(109)与第二小圆盘(108)通过孔轴配合相连，第二小圆盘(108)和第一小圆盘(107)相连，第二扭簧(110)与第二小圆盘(108)连接，第二指节第一连杆(112)与大圆盘(109)连接，第二指节第三连杆(114)与第一小圆盘(107)相连，第二指节第二连杆(113)与第一小圆盘(107)连接，连接轴(111)与第二指节第一连杆(112)、第二指节第二连杆(113)以及第二扭簧(110)相连，第三指节连杆(115)与第二指节第一连杆(112)、第二连杆(113)和第三连杆(114)分别铰接。
3.根据权利要求2所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，所述大拇指模块(2)中，套杆(201)与弹性杆(203)配合，弹性杆(203)和大拇指牵引绳(213)相连，第一压缩弹簧(202)位于套杆(201)与弹性杆(203)之间，第一主轴(204)与大拇指第一连杆(206)和大拇指第二连杆(208)相连，固定连杆(205)和第一圆盘(207)及大拇指第一连杆(206)相连，大拇指第三连杆(209)与大拇指第二连杆(208)相连，大拇指第四连杆(210)和大拇指第五连杆(211)、大拇指第三连杆(209)铰接，拇指第五连杆(211)中部与大拇指第二连杆(208)相连，下部与第二圆盘(212)铰接。
4.根据权利要求1所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，所述传动模块(3)中，第一传动轴(301)和第二传动轴(303)与手指模块的食指、中指、无名指、小拇指连接，传动第一连杆(302)和传动第二连杆(304)铰接，齿轮组(306)分别和第一齿条(307)和第二齿条(308)啮合，第二压缩弹簧(309)套在第三主轴(310)上，滑块(305)和第二齿条(308)连接，第一牵引绳(312)绕过滑轮组(311)，并系在滑块(305)侧面。
5.根据权利要求4所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，所述自锁模块(4)包括第三扭簧(401)、棘爪(402)、棘齿(403)、棘板(404)和第二牵引绳(405)，第三扭簧(401)的一端连接棘爪(402)，另一端连接传动模块(3)中的滑块(305)、棘爪(402)和第二牵引绳(405)系在一起，同时棘爪(402)和棘齿(403)通过第三扭簧(401)施加的预紧力而紧密接触。
6.根据权利要求1所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，壳体模块(5)包括四指第一壳体(501)、四指第二壳体(502)、四指第三壳体(503)、大拇指第一壳体(504)、大拇指第二壳体(505)、大拇指第三壳体(506)、手掌壳体(507)、蒙皮(508)和手掌(509)，其中，四指第一壳体(501)、四指第二壳体(502)、四指第三壳体(503)分别与四指的各个指节连接，大拇指第一壳体(504)、大拇指第二壳体(505)分别与大拇指的两个指节连接，大拇指第三壳体(506)连接手掌和大拇指下端，手掌壳体外形与普通正常人手外形相似，并与手掌连接，蒙皮(508)和手掌(509)之间连接。
7.根据权利要求6所述的一种欠驱动的自适应拟人机械手，其特征在于，四指第一壳体(501)、四指第二壳体(502)、四指第三壳体(503)分别与四指的各个指节通过销钉连接，大拇指第一壳体(504)、大拇指第二壳体(505)分别与大拇指的两个指节通过销钉连接，手掌壳体与手掌通过销钉连接，蒙皮(508)和手掌(509)之间通过螺钉连接。
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