CN106903710B - 一种仿人灵巧手基关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿人灵巧手基关节机构，属于机器人技术领域。所述仿人灵巧手包括手掌、指中、指尖、基关节、支撑杆、扣件、铝套、滑轮、滑轮支座、绳索、绳轮、电机、绳轮、齿轮和法兰盘。该机构能够实现拇指从手掌侧面到正面的摆动运动以及拇指贴合手掌和远离手掌的张合运动或者其余四指在平行于手掌与垂直于手掌平面内的运动。该机构具有仿人手指基部的球铰连接方式，并且采用绳索传动能实现电机布置于手掌内或手掌外，节省手部空间。

Description

一种仿人灵巧手基关节机构

技术领域

本发明涉及一种仿人灵巧手，特别是具有两自由度的仿人灵巧手基关节机构，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人需要一双灵巧的双手来完成各种各样的任务，赋予其通用性。机器人也需要通过双手，手眼配合，提升其智能程度，走进人类的生活，渗入到各个领域。随着机器人科学技术的快速发展与进步，仿人灵巧手的设计面临着小型化、轻型与控制更灵活的要求。

除大拇指以外，人类手指基关节均由两个自由度组成，分别是实现手指在平行于手掌与垂直于手掌平面内摆动。大拇指基关节的运动最为复杂和灵活，可将其看成球铰的连接方式。拇指基关节的运动可以分解为两个正交自由度方向上的运动，即从手掌侧面到正面的摆动运动以及拇指贴合手掌和远离手掌的张合运动。

在实现手指基关节运动的机构中，主要使用齿轮或连杆传动，如中国发明专利CN200810136803.4提供一种预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构；中国发明专利CN201110263577.8提供了一种球铰连杆双自由度拇指根部关节装置，采用双电机与螺纹连接和人字连杆机构等，综合实现拇指根部的独立摆动和贴合动作，但其只是实现了球铰运动的特点而没有在结构上模仿球铰连接。中国发明专利CN201610371609.9提供一种基于丝杠连杆机构的五指灵巧手手指侧摆与对掌机构，利用丝杠螺母与连杆系统实现手指基关节两自由度的运动，但是运动空间有限。上述专利文献所提出的基关节传动方式，电机放置位置受被驱动对象限制大量占用手掌空间，增加手的重量降低灵活性，而且配合安装复杂精度要求高，没有驱动方式的通用性。

专利文献1(US6379393B1)提供了一种基于绳传动两自由度球铰机构，使用三根绳索牵引，其中的球状部为运动部件，可绕其中心点实现两自由度转动，从而实现类似于肩关节的运动。然而其在控制时，需要三根绳索相互配合才能实现基关节运动，即控制复杂，并且导致驱动装置增多。

非专利文献1(“高仿真灵巧仿人手设计与验证”，冀承骏，北京理工大学学位论文，2016年)公开了一种采用绳驱动的欠驱动机械灵巧手，驱动器使用电机推杆并将其放置于机械臂前臂中，通过绳传动传递至手指，但其还是使用锥齿轮传动。

现有技术中以差动齿轮系传动机构实现基关节两自由度运动为主，而齿轮系不能远距离传动，驱动装置需要就近摆放，但是手掌尺寸空间小，不利于电机的摆放，从而导致整个手部体积增加，重量加大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿人灵巧手基关节机构，使用绳索传动方式及球铰机械结构来实现手指基关节运动，且该结构具有通用性即适用于所有手指基关节传动。

本发明的技术方案是如下。

一种仿人灵巧手基关节机构，包括支撑杆、基关节，以及绳驱动装置，其中：

所述支撑杆与基关节通过球铰连接，所述基关节上有多个绳索固定装置；

所述绳驱动装置包括至少两组驱动绳索，其中的每组驱动绳索包括两段，分别通过所述绳索固定装置基本对称地固定在所述基关节(26)，从而使所述基关节实现至少两个自由度的运动。

优选地，所述基关节通过中间球窝与支撑杆上小球接触，第一扣件与第二扣件通过螺钉将支撑杆与基关节连接在一起形成球铰连接

优选地，所述绳索固定装置包括第二铝套、第三铝套、第四铝套及第五铝套，其中第五铝套与第二铝套相对，第三铝套与第四铝套相对，这些铝套放置于基关节绳孔之上，每条绳索一端穿过基关节绳孔后再套上铝套并捏扁用于固定绳索。

优选地，所述绳驱动装置的第一电机固定于第一法兰盘处，其上固定连接第一绳轮，第二电机固连于第二法兰盘处，其上固定连接第二锥齿轮；传动轴通过轴承与第二法兰盘连接，并能相对于第二法兰盘转动，其上固定连接第二绳轮与第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮相互啮合传动，当第二电机转动时，其上第二锥齿轮带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动传动轴转动，进而带动第二绳轮转动；

第一滑轮支座、第二滑轮支座、第三滑轮支座、第四滑轮支座分别固定于所述仿人灵巧手的手掌上，其上分别装有第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮，并且各个绳轮能够绕着固定轴线转动，这些滑轮用于绳索空间变向。

优选地，所述绳驱动装置的第一段绳索其一端固定于第二铝套上，经第一滑轮底部穿出，固定第一绳轮上，第二段绳索一端固连在与第二铝套相对的第五铝套上，经过第三滑轮底部，从支撑杆上的第二绳孔穿过连接于第一绳轮上；所述第一电机转动时，能带动基关节以第三铝套和第四铝套所在的直线为轴线执行贴合或张开手掌方向上的运动。

优选地，所述绳驱动装置的第三段绳索其一端固定于第四铝套上，经第四滑轮底部穿出，固定于第二绳轮上，第四段绳索一端固定在第三铝套上，经过第二滑轮底部，从支撑杆上的第一绳孔穿过连接于第二绳轮上，这样在第二电机转动时，能带动基关节以第一铝套和第二铝套所在的直线为轴线执行从手掌侧面到正面或从正面到侧面的运动。

优选地，所述第一绳轮上设置有第一铝套，绳索穿过第一铝套的内孔后压扁所述第一铝套使绳索与铝套粘结在一起，把粘结头内嵌到第一绳轮的凹槽中，当绳索受拉力时因有铝套固定，从而阻止其从绳轮中脱落。

优选地，所述的第一段绳索、第二段绳索、第三段绳索和第四段绳索可采用钢丝绳、尼龙绳。

优选地，所述的第一电机和第二电机可安装于手掌内部或手掌19。

本发明还提供一种仿人灵巧手，包括手掌、指中、指尖，以及根据以上技术方案任一项所述的基关节机构。

所述指中通过旋转副与所述基关节机构的基关节连接，所述指尖通过旋转副与指中连接。

根据以上技术方案的仿人灵巧手基关节机构，应用绳索传动方式实现人类手指基关节两自由度运动且此基关节机构实现仿人手指在运动形式及机械结构上的球铰连接。该机构利用球转动时球心在空间中位置不变，以十字交叉轴为旋转轴的传动结构，从而实现两自由度的运动方式。同时，该机构采用的传动方式能够灵活布置电机于手掌之内或者手掌之外，节省手部空间。

附图说明

图1是本发明提供的基于绳传动的大拇指基关节机构的结构示意图。

图2是图1中的手掌上拇指基关节固定方式与传动装置示意图。

图3是图2的右视图。

图4是基关节与固定装置配合方式示意图。

图5是绳轮上绳索固定端示意图。

图中各附图标记的具体含义如下：

1-第一电机，2-第一法兰盘，3-第一绳轮，4-第一滑轮，5-第一滑轮支座，6-支撑杆，7-第二滑轮，8-第二滑轮支座，9-第三滑轮，10-第三滑轮支座，11-第四滑轮支座，12-第四滑轮，13-第二绳轮，14-传动轴，15-第一锥齿轮，16-第二锥齿轮，17-第二法兰盘，18-第二电机，19-手掌，20-第一铝套，21-第一绳孔，22-第二铝套，23-第一扣件，24-第二扣件，25-第三铝套，26-基关节，27-第四铝套，28-指中，29-指尖，30-第二绳孔，31-第一段绳索，32-第四段绳索。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的仿人灵巧手基关节机构的基本结构主要由基关节、支撑杆、两个扣件、四个铝套、四个滑轮及支座、四段绳索、两个绳轮及两个电机驱动系统组成。

如图2-4所示，基关节通过中间球窝与支撑杆上小球接触，第一扣件与第二扣件通过螺钉将支撑杆与基关节连接在一起形成球铰连接；基关节上有第五铝套、第二铝套、第三铝套及第四个铝套，其中第五铝套与第二铝套相对，第三铝套与第四铝套相对，这些铝套放置于基关节固定点之上，绳端穿过铝套后捏扁用于固定绳索两端使绳索无法脱离。第一电机固定于第一法兰盘处，其上固定连接绳轮，第二电机固连于第二法兰盘处，其上固定连接第二锥齿轮。传动轴通过轴承与第二法兰盘连接，并能相对于法兰盘转动，其上固定连接第二绳轮与第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮相互啮合传动，当第二电机转动时，其上第二锥齿轮带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动传动轴转动，进而带动第二带轮转动，以上形成第一、二电机驱动系统。第一滑轮支座、第二滑轮支座、第三滑轮支座、第四滑轮支座分别固定于手掌上，其上分别装有第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮，并且各个绳轮能够绕着固定轴线转动，这些滑轮用于绳索空间变向。

基关节26通过中间球窝与支撑杆6上小球接触，第一扣件23与第二扣件24通过螺钉将支撑杆6与基关节26连接在一起形成球铰连接，基关节26上有第二铝套22、第三铝套25、第四铝套27及未标出的第五铝套，其中第五铝套与第二铝套22相对，第三铝套25与第四铝套27相对，这些铝套放置于基关节26绳孔之上，钢丝绳一端穿过基关节26绳孔后再套上铝套并捏扁用于固定绳索。指中28通过旋转副与基关节26连接，指尖29通过旋转副与指中28连接。第一电机1固定于第一法兰盘2处，其上固定连接第一绳轮3，第二电机18固连于第二法兰盘17处，其上固定连接第二锥齿轮16。传动轴14通过轴承与第二法兰盘17连接，并能相对于第二法兰盘17转动，其上固定连接第二绳轮13与第一锥齿轮15，第一锥齿轮15与第二锥齿轮16相互啮合传动，当第二电机18转动时，其上第二锥齿轮16带动第一锥齿轮15转动，第一锥齿轮15带动传动轴14转动，进而带动第二带轮13转动。第一滑轮支座5、第二滑轮支座8、第三滑轮支座10、第四滑轮支座11分别固定于手掌19上，其上分别装有第一滑轮4、第二滑轮7、第三滑轮9、第四滑轮12，并且各个绳轮能够绕着固定轴线转动，这些滑轮用于绳索空间变向。

本领域技术人员能够理解，虽然以上实施例中的四个铝套被基本均匀地设置在基关节的球窝的边缘，但是可选地，所述四个铝套在保持两两相对的条件下，可以根据运动自由度的需要非均匀地设置；以及可选地，所述四个铝套还可以以同样的方式被设置在基关节的其它位置。

第一段绳索31其一端固定于第二铝套22上，经第一滑轮4底部穿出，固定第一绳轮3上，第二段绳索一端固连在第五铝套(与第二铝套22相对)上，经过第三滑轮9底部，从支撑杆6上的第二绳孔30穿过连接于第一绳轮3上。这样在第一电机1转动时，能带动基关节26以第三铝套25和第四铝套27所在的直线为轴线执行贴合或张开手掌方向上的运动。

第三段绳索其一端固定于第四铝套27上，经第四滑轮12底部穿出，固定于第二绳轮13上，第四段绳索32一端固定在第三铝套25上，经过第二滑轮7底部，从支撑杆6上的第一绳孔21穿过连接于第二绳轮13上，这样在第二电机18转动时，能带动基关节26以第一铝套和第二铝套22所在的直线为轴线执行从手掌侧面到正面或从正面到侧面的运动。

上述四段绳索中第二、三段绳索在图中并未标出，所有绳索起始位置及运动过程中均处于拉紧状态。

如图5所示，第一绳轮3的一个端面上设置有一基本平行于其轴线方向的凹槽。所述凹槽在所述端面上的开口包括一较大的第一部分，以及一较狭长的第二部分。所述第二部分的一端与所述第一部分连通，另一端延伸到所述端面的边缘，从而在所述绳轮的侧面形成一狭长的开口。由此，本发明采用一种绳索与绳轮连接的方法。绳索穿过铝套的内孔后压扁铝套使绳索与铝套粘结在一起，把粘结头内嵌到第一绳轮的凹槽中，当绳索受拉力时因有铝套固定，从而阻止其从绳轮中脱落。

当基关节26做垂直于手掌面的贴合运动时，规定此时第一电机1旋转方向为正转。第一绳轮3将带动固定于第一铝套上的绳索段拉紧，而固定于第二铝套22上的绳索段相对松弛，此时由于基关节26在第二铝套22上所受拉力比在第一铝套上所受拉力小，导致基关节26第二铝套22上升、第一铝套下降，以第三铝套25和第四铝套27所在直线为旋转轴旋转，从而表现为基关节26向手掌方向贴合运动。当第一电机1反转时，第一绳轮3将带动固定于第二铝套22上的绳索段拉紧，同理以第三铝套25和第四铝套27所在直线为旋转轴旋转，表现为基关节26张开运动。

当基关节26做从手掌侧面到正面的摆动运动时，规定此时第二电机18旋转方向为正转。第二绳轮13将带动固定于第四铝套27的绳索段拉紧，此时由于基关节26在第三铝套25所受的拉力比在第四铝套27所受的拉力小，导致基关节26第三铝套25上升、第四铝套27下降，以第二铝套22和第一铝套所在直线为旋转轴旋转，从而表现为基关节26从手掌侧面到正面的摆动运动。当第二电机18反转时，第二绳轮13将带动固定于第三铝套25的绳索段拉紧，同理第二铝套22和第一铝套所在直线为旋转轴旋转，表现为从手掌正面到侧面的摆动运动。

当上述两种运动同时作用时将实现大拇指基关节在以支撑杆6上端球心为顶点，以拇指基关节26为母线的锥体空间内转动，从而实现人类大拇指基关节的球铰连接方式及其运动特性。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种仿人灵巧手基关节机构，包括支撑杆(6)、基关节(26)，以及绳驱动装置，其特征在于，

所述基关节(26)上有绳索固定装置；

所述绳驱动装置包括至少两组驱动绳索，其中的每组驱动绳索包括两段绳索，两段绳索分别通过所述绳索固定装置基本对称地固定在所述基关节(26)上，从而使所述基关节相对于所述支撑杆实现两个自由度的运动；

所述基关节(26)通过中间球窝与支撑杆(6)上小球接触，第一扣件(23)与第二扣件(24)通过螺钉将支撑杆(6)与基关节(27)连接在一起形成球铰连接；

所述绳驱动装置的第一电机(1)固定于第一法兰盘(2)处，第一电机(1)上固定连接第一绳轮(3)，所述绳驱动装置的第二电机(18)固连于第二法兰盘(17)处，第二电机(18)上固定连接第二锥齿轮(16)；传动轴(14)通过轴承与第二法兰盘(17)连接，并能相对于第二法兰盘(17)转动，传动轴(14)上固定连接第二绳轮(13)与第一锥齿轮(15)，第一锥齿轮(15)与第二锥齿轮(16)相互啮合传动，当第二电机(18)转动时，第二锥齿轮(16)带动第一锥齿轮(15)转动，第一锥齿轮(15)带动传动轴(14)转动，进而带动第二绳轮(13)转动；所述第一绳轮(3)上设置有第一铝套(20)；

所述绳索固定装置包括第二铝套(22)、第三铝套(25)、第四铝套(27)及第五铝套，第二铝套(22)、第三铝套(25)、第四铝套(27)及第五铝套均设置在中间球窝的边缘上，其中，第五铝套与第二铝套(22)相对，第三铝套(25)与第四铝套(27)相对，第二铝套(22)、第三铝套(25)、第四铝套(27)及第五铝套均放置于基关节(26)的相应的绳孔上，每条绳索一端穿过基关节(26)的绳孔后再套上放置于该绳孔上对应的铝套并捏扁用于固定绳索；

第一滑轮支座(5)、第二滑轮支座(8)、第三滑轮支座(10)、第四滑轮支座(11)均固定于所述仿人灵巧手的手掌(19)上，第一滑轮支座(5)上装有第一滑轮(4)，第二滑轮支座(8)上装有第二滑轮(7)，第三滑轮支座(10)上装有第三滑轮(9)，第四滑轮支座(11)上装有第四滑轮(12)，并且第一滑轮(4)、第二滑轮(7)、第三滑轮(9)、第四滑轮(12)均能够绕着固定轴线转动，第一滑轮(4)、第二滑轮(7)、第三滑轮(9)、第四滑轮(12)用于绳索空间变向；

一组驱动绳索的第一段绳索(31)一端固定于第二铝套(22)上，另一端经第一滑轮(4)的底部穿出后固定在第一绳轮(3)上，所述一组驱动绳索的第二段绳索一端固连在与第二铝套(22)相对的第五铝套上，另一端经过第三滑轮(9)的底部，从支撑杆(6)上的第二绳孔(30)穿过连接于第一绳轮(3)上；所述第一电机(1)转动时，能带动基关节(26)以第三铝套(25)和第四铝套(27)所在的直线为轴线执行贴合或张开手掌方向上的运动；

另一组驱动绳索的第三段绳索一端固定于第四铝套(27)上，另一端经第四滑轮(12)的底部穿出后固定于第二绳轮(13)上，所述另一组驱动绳索的第四段绳索(32)一端固定在第三铝套(25)上，另一端经过第二滑轮(7)的底部，从支撑杆(6)上的第一绳孔(21)穿过连接于第二绳轮(13)上，当第二电机(18)转动时，能带动基关节(26)以第五铝套和第二铝套(22)所在的直线为轴线执行从手掌侧面到正面或从正面到侧面的运动。

2.如权利要求1所述的一种仿人灵巧手基关节机构，其特征在于，第一段绳索和第二段绳索均穿过第一铝套(20)的内孔后压扁使第一段绳索和第二段绳索与第一铝套粘结在一起，把粘结头内嵌到第一绳轮(3)的凹槽中，当第一段绳索和第二段绳索受拉力时因有第一铝套固定，从而阻止第一段绳索和第二段绳索从第一绳轮中脱落。

3.如权利要求1所述的一种仿人灵巧手基关节机构，其特征在于，所述的第一段绳索(31)、第二段绳索、第三段绳索和第四段绳索(32)采用钢丝绳或尼龙绳。

4.如权利要求1所述的一种仿人灵巧手基关节机构，其特征在于所述的第一电机(1)和第二电机(18)安装于手掌(19)内部或手掌(19)外部。

5.一种仿人灵巧手，包括手掌、指中(28)、指尖(29)，以及根据权利要求1-4任一项所述的仿人灵巧手基关节机构。

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