CN107471243A - 一种多感知仿人五指灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种多感知仿人五指灵巧手，属于机器人技术领域，由手掌、大拇指、结构相同的食指和中指、结构相同的无名指和小拇指、以及多个传感器组成，共计20个自由度，其中有13个主动自由度，7个被动自由度，各手指均通过基端关节、基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、远端关节、远端指节以及指尖依次连接构成，各手指基端均通过多个腱与置于手掌外的驱动模块连接，驱动模块通过绳络传动方式为各手指传输动力，控制系统采集传感器信号并闭环控制灵巧手，多个传感器包括位于各指尖、指节和手掌处的阵列式触觉传感器以及角度传感器，共计31个传感器。本发明具有感知能力强，拟人化程度高，可更好地完成各项抓取任务的优点。

Description

一种多感知仿人五指灵巧手

技术领域

本发明涉及一种多感知仿人五指灵巧手，属于机器人技术领域。

背景技术

近十几年来灵巧手技术快速发展，灵巧手可以像人手一样完成抓取、操作等任务。灵巧手可以用于太空、毒废物处理等危险环境以及工业、假肢、外科手术等领域。国内外许多科研机构都在进行灵巧手的研究，研制出一些有代表性的灵巧手。DLR/HIT II灵巧手是哈尔滨工业大学与德国宇航中心共同研制的一款灵巧手。DLR/HIT II灵巧手有5个相同结构的手指，每个手指有3个关节、3自由度。DLR/HIT II灵巧手模块化的每个手指均由具有2自由度的基关节和具有1自由度、中间关节以及末端关节共计2个关节的手指单元组成。各手指的基关节单元均由4个相同结构的伞齿轮组成的差动机构和两套相同的传动系统组成，两套传动系统共同驱动差动机构的两个主动齿轮；所述各传动系统包括基关节谐波减速器和盘式电动机，其中，基关节谐波减速器位于基指节内部，通过齿形同步方式与盘式电动机的输出轴相连，基关节谐波减速器的刚轮固定、柔轮输出，该柔轮通过齿形同步方式带动差动机构的主动齿轮转动。通过改变两套驱动系统的运动方式来实现基关节俯仰运动和侧摆运动。各手指单元均由集成于第一个指节内的盘式电动机驱动，通过齿形同步方式与中间关节谐波减速器相连，中间关节谐波减速器位于中间指节内部，中间关节谐波减速器的柔轮固定、刚轮带动中间关节转动；中间关节和末端关节之间采用钢丝机构实现耦合运动。DLR/HIT Ⅱ灵巧手的传感器配置有电动机位置、关节位置、关节力矩、温度传感器，每个手指使用2个电位计来测量基关节的绝对角度位置，使用1个基于霍尔效应的非接触式角度传感器用于检测末端关节位置。DLR/HIT II灵巧手的结构复杂，成本高，维护困难，同时存在散热等问题，另外，DLR/HIT II灵巧手没有触觉传感器，无法测量接触力，大大影响了灵巧手的抓取、操作能力。

发明内容

本发明的目的是解决现有的灵巧手自由度不足和感知能力较差的问题。提出一种多感知仿人五指灵巧手，以实时捕获灵巧手手掌和手指的运动和感官信息，通过采集这些信息更好地完成灵巧手对物体的各种操作。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种多感知仿人五指灵巧手，包括手掌、大拇指、结构相同的食指和中指、结构相同的无名指和小拇指、多组传感器单元、以及位于手掌外的驱动模块和控制系统，其特征在于，

所述五指灵巧手共有20个自由度，每个手指各有4个自由度，大拇指、食指和中指均分别有3个主动自由度和1个被动自由度，无名指和小指各有2个主动自由度和2个被动自由度；

各手指均设有4个关节，共计20个关节，每个手指均设有一组传感器单元；各手指基端均通过多个腱与所述驱动模块连接，该驱动模块通过绳络传动方式为各手指传输动力；所述控制系统通过信号线分别与传感器单元和驱动模块相连，用于采集传感器单元信号并通过驱动模块对灵巧手进行闭环控制。

各手指均由基端关节、基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、远端关节、远端指节以及指尖依次连接构成，基端关节包括共轴且固定连接的基端关节轴和侧摆盘，其余各关节均包括关节轴以及通过轴承与该关节轴共轴且固定连接的滑轮；其中，大拇指、食指和中指的近端关节轴上设有2个相邻放置的滑轮，大拇指、食指和中指的中端关节轴和远端关节轴上各设置有一个滑轮，且大拇指、食指和中指近端关节轴上位于下方的一个滑轮、中端关节轴和远端关节轴上滑轮的径向位于同一平面内；无名指和小拇指的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上各设置有1个滑轮并且相应手指上滑轮的径向位于同一平面内；单个手指内的近端、中端和远端关节的关节轴均相互平行，且基端关节轴均与其余关节轴垂直，各手指的中端关节轴和远端关节轴上还分别固定有用于实现关节复位的扭转弹簧；各手指的中端关节和远端关节分别通过各自的中远端关节屈曲腱实现中端关节和远端关节的屈曲运动，该中远端关节屈曲腱一端依次绕过相应手指中近端关节轴上位于下方、中端关节轴和远端关节轴上的滑轮固定于远端指节，该中远端关节屈曲腱另一端与驱动模块固定；大拇指、食指和中指中的基端关节分别通过各自的基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱实现各手指基端关节的屈曲和伸展运动，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱一端分别绕过相应手指近端关节轴上位于上方的滑轮两侧固定于近端指节，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱另一端均与驱动模块固定；大拇指的基端关节还分别通过左侧、右侧摆腱实现该基端关节的侧摆运动，所述左侧、右侧摆腱一端分别绕过大拇指基端关节轴上的侧摆盘两侧固定于基端指节，所述左侧、右侧摆腱另一端均与驱动模块固定；食指、中指、无名指和小拇指的基端关节还均分别通过各自侧摆腱实现基端关节的侧摆运动，该侧摆腱穿过相应手指的固定于基端关节的侧摆盘中预留的孔，该侧摆腱两端均与驱动模块固定。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的多感知仿人五指灵巧手，结构简单，成本低，有多种传感器，可以像人手一样感知外界的压力、温度等物理量，感知能力强，拟人化程度高，可以更好地完成各项抓取任务。本发明的五指灵巧手可用于工业生产、遥操作、康复等多个领域。

附图说明

图1是本发明提出的多感知仿人五指灵巧手的整体结构图；

图2是食指4的主视剖视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是大拇指3的主视剖视图；

图6是图5的C-C剖视图；

图7是图5的D-D剖视图；

图8是无名指6的主视剖视图，图9是图8的E-E剖视图。

具体实施方式

本发明提出的一种多感知仿人五指灵巧手结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种多感知仿人五指灵巧手的整体结构如图1所示，包括手掌2、大拇指3、结构相同的食指4和中指5、结构相同的无名指6和小拇指7、以及多组传感器单元，共计20个自由度，其中有13个主动自由度，7个被动自由度，每个手指都有4个自由度，大拇指3、食指4和中指5都有3个主动自由度和1个被动自由度，无名指6和小指7各有2个主动自由度和2个被动自由度，每个手指均设有4个关节，共计20个关节；位于手掌2外还设有驱动模块14和控制系统15，各手指基端(即靠近手掌一端)均通过多个腱13与驱动模块14连接，驱动模块14通过绳络传动方式为各手指传输动力，控制系统15通过信号线或无线连接的方式分别与传感器单元和驱动模块相连，用于采集传感器单元信号并通过驱动模块对灵巧手进行闭环控制。各手指均由基端关节、基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、远端关节、远端指节以及指尖依次连接构成，基端关节包括共轴且固定连接的基端关节轴和侧摆盘，其余各关节均包括关节轴以及通过轴承与该关节轴共轴且固定连接的滑轮25，其中，大拇指3、食指4和中指5的近端关节轴上均分别安装有2个相邻放置的滑轮25，大拇指3、食指4和中指5的中端关节轴和远端关节轴上均各设置有一个滑轮25，且大拇指3、食指4和中指5近端关节轴上位于下方的一个滑轮25、中端关节轴和远端关节轴上滑轮25的径向位于同一平面内；无名指6和小拇指7的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上各设置有1个滑轮25并且相应手指上滑轮25的径向位于同一平面内；单个手指内的近端、中端和远端关节的关节轴均相互平行，基端关节轴均与相应手指中的其余关节轴垂直，各手指的中端关节轴和远端关节轴上还均固定有用于实现关节复位的扭转弹簧；各手指的中端关节和远端关节分别通过各自的中远端关节屈曲腱实现中端关节和远端关节的屈曲运动，该中远端关节屈曲腱一端依次绕过相应手指中近端关节轴上位于上方、中端关节轴和远端关节轴上的滑轮固定于远端指节，该中远端关节屈曲腱另一端与驱动模块14固定；大拇指、食指和中指中的基端关节分别通过各自的基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱实现各手指基端关节的屈曲和伸展运动，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱一端分别绕过相应手指近端关节轴上位于上方的滑轮两侧固定于近端指节，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱另一端均与驱动模块14固定；大拇指3的基端关节还分别通过左侧、右侧摆腱实现该基端关节的侧摆运动，该左侧、右侧摆腱一端分别绕过大拇指基端关节轴上的侧摆盘两侧固定于大拇指基端指节，该左侧、右侧摆腱另一端均与驱动模块14固定；食指4、中指5、无名指6和小拇指7的基端关节还分别通过各自侧摆腱实现相应手指基端关节的侧摆运动，该侧摆腱穿过相应手指的固定于基端关节的侧摆盘中预留的孔，该侧摆腱两端均与驱动模块14固定。每个手指均设有一组传感器单元，每组传感器单元均包括3个角度传感器和3个阵列式触觉传感器，各手指的近端指节、中端指节和指尖表面均贴有1个阵列式触觉传感器，各手指的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上均安装有1个角度传感器，手掌上设置有1个阵列式触觉传感器。

以下结合附图及实施例对每个手指的具体结构进行详细说明：

所述食指4和中指5的结构相同，现以食指4为例进行说明，食指4的主视剖视图参见图2，食指4包括由基端关节轴20、近端关节轴21、中端关节轴23、远端关节轴27、基端指节19、近端指节22、中端指节18、远端指节28、指尖8、多个扭转弹簧17、多个轴承26、多个滑轮25、侧摆盘29、中远端关节屈曲腱13-1、基端关节屈曲腱13-2、基端关节伸展腱13-3和侧摆腱13-4；滑轮25通过配套的轴承26固定在相应关节轴上，其中，近端关节轴21上有2个相邻且共轴放置的滑轮25，中端关节轴23和远端关节轴27上各设置有一个滑轮25，且近端关节轴21上位于下方的一个滑轮25、中端关节轴23和远端关节轴27上滑轮25的径向在同一平面内，中端指节18和远端指节28一侧均设置有一个扭转弹簧17；中远端关节屈曲腱13-1的一端依次绕过近端关节轴21、中端关节轴23和远端关节轴27各轴上径向位于同一平面内的滑轮25固定于远端指节28(参见图3)，中远端关节屈曲腱13-1实现中端关节和远端关节的屈曲运动，中端关节轴23和远端关节轴27采用欠驱动，中端关节轴23和远端关节轴27的运动是耦合的，中端关节轴23和远端关节轴27的复位是靠相应指节上的扭转弹簧17实现的，如此设置，可以减少驱动器的数量；基端关节屈曲腱13-2的一端绕过近端关节轴21上位于上方的滑轮25一侧固定于近端指节22(参见图4)，基端关节屈曲腱13-2实现基端关节的屈曲运动，基端关节伸展腱13-3的一端绕过近端关节轴21上位于上方的滑轮25另一侧固定于近端指节22，基端关节伸展腱13-3实现基端关节的伸展运动，侧摆盘29固定于基端指节19，侧摆腱13-4的穿过侧摆盘29上的孔29-1，侧摆腱13-4实现基关节的侧摆运动。

所述大拇指3的主视剖视图参见图5，大拇指3包括基端关节轴32、近端关节轴34、中端关节轴36、远端关节轴37、基端指节31、近端指节35、中端指节30、远端指节38、指尖8、多个扭转弹簧17、多个轴承26、多个滑轮25、侧摆盘33、中远端关节屈曲腱13-5、基端关节屈曲腱13-6、基端关节伸展腱13-7、左侧摆腱13-8和右侧摆腱13-9；滑轮25通过配套的轴承26固定在相应关节轴上，其中，近端关节轴34上有2个相邻且共轴放置的滑轮25，中端关节轴36和远端关节轴37上各设置有一个滑轮25，且近端关节轴34上位于下方的一个滑轮25、中端关节轴36和远端关节轴37上滑轮25的径向在同一平面内，中端指节30和远端指节38一侧均设置有一个扭转弹簧17；中远端关节屈曲腱13-5的一端依次绕过近端关节轴34、中端关节轴36和远端关节轴37上径向位于同一平面内的滑轮25固定于远端指节38(参见图6)，中远端关节屈曲腱13-5实现中端关节和远端关节的屈曲运动，中端关节轴36和远端关节轴37采用欠驱动，中端关节轴36和远端关节轴37的运动是耦合的，中端关节轴36和远端关节轴37的复位是靠相应指节上的扭转弹簧17实现的，如此设置，可以减少驱动器的数量；基端关节屈曲腱13-6的一端绕过近端关节轴34上位于上方的滑轮25一侧固定于近端指节35(参见图7)，基端关节屈曲腱13-6实现基端关节的屈曲运动，基端关节伸展腱13-7的一端绕过近端关节轴34上位于上方的滑轮25另一侧固定于近端指节35，基端关节伸展腱13-7实现基端关节的伸展运动，侧摆盘33固定于基端指节31，左侧摆腱13-8的一端绕过侧摆盘33一侧固定于基端指节31，右侧摆腱13-9的一端绕过侧摆盘33另一侧固定于基端指节31(参见图5)，左侧摆腱13-8和右侧摆腱13-9实现基关节的侧摆运动。

所述无名指6和小指7的结构相同，现以无名指6为例进行说明，无名指6的主视剖视图参见图8，无名指6包括基端关节轴42、近端关节轴43、中端关节轴45、远端关节轴46、基端指节40、近端指节44、中端指节39、远端指节47、指尖8、多个扭转弹簧17、多个轴承26、多个滑轮25、侧摆盘41、侧摆腱13-10和屈曲腱13-11；滑轮25通过配套的轴承26固定在相应关节轴上，其中，近端关节轴43、中端关节轴45和远端关节轴46上各设置有1个滑轮并且径向在同一平面内，近端指节44、中端指节39和远端指节47一侧均设置有一个扭转弹簧17；屈曲腱13-11的一端依次绕过近端关节轴43、中端关节轴45和远端关节轴46上的滑轮25固定于远端指节47(参见图9)，屈曲腱13-11实现中端关节和远端关节的屈曲运动，近端关节轴43、中端关节轴45和远端关节轴46采用欠驱动，近端关节轴43、中端关节轴45和远端关节轴46的运动是耦合的，其复位是相应指节上的靠扭转弹簧17实现的，如此设置，可以减少驱动器的数量；侧摆盘41固定于基端指节40，侧摆腱13-10穿过侧摆盘41上的孔41-1，侧摆腱13-10实现基关节的侧摆运动。

每个所述角度传感器均由环形汝铁硼磁铁24和霍尔传感器10(参见图2)组成，霍尔传感器10采用霍尼韦尔SS495A型霍尔传感器，在环形汝铁硼磁铁24磁场的作用下，霍尔传感器10可以测量关节转角，各手指的基端指节、近端指节和中端指节一侧均设有1块霍尔传感器10，各手指的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上各设置有1个环形汝铁硼磁铁24；各手指指尖贴有阵列式触觉传感器16，中端指节设有中端指节阵列式触觉传感器9(参见图1)，近端指节设有近端指节阵列式触觉传感器11，手掌上设有1个阵列式触觉传感器12，位于手指和手掌上的阵列式触觉传感器均采用Pressure Profile Systems公司生产的FingerTPS传感器，阵列式触觉传感器可以测量接触力，本实施例的灵巧手上共设有31个传感器，多个传感器可以获取灵巧手的接触力和关节转动角度信息，实现灵巧手的闭环控制，更好地完成抓取、操作任务。

所述驱动模块14与所有腱13的末端相连，可以使腱13产生直线运动，从而驱动灵巧手，是灵巧手的动力装置，本实施例采用直线驱动器。

所述控制系统15用于接收多组传感器单元采集的灵巧手的接触力、关节转动角度信息，根据接触力、关节转动角度信息采用常规的力控制策略，得出驱动模块14的输入量，实现灵巧手的闭环控制，本实施例的采用stm32f103型微控制器。

Claims (4)

1.一种多感知仿人五指灵巧手，包括手掌、大拇指、结构相同的食指和中指、结构相同的无名指和小拇指、多组传感器单元、以及位于手掌外的驱动模块和控制系统，其特征在于，

所述五指灵巧手共有20个自由度，每个手指各有4个自由度，大拇指、食指和中指均分别有3个主动自由度和1个被动自由度，无名指和小指各有2个主动自由度和2个被动自由度；

各手指均设有4个关节，共计20个关节，每个手指均设有一组传感器单元；各手指基端均通过多个腱与所述驱动模块连接，该驱动模块通过绳络传动方式为各手指传输动力；所述控制系统通过信号线分别与传感器单元和驱动模块相连，用于采集传感器单元信号并通过驱动模块对灵巧手进行闭环控制。

2.如权利要求1所述多感知仿人五指灵巧手，其特征在于，各手指均由基端关节、基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、远端关节、远端指节以及指尖依次连接构成，基端关节包括共轴且固定连接的基端关节轴和侧摆盘，其余各关节均包括关节轴以及通过轴承与该关节轴共轴且固定连接的滑轮；其中，大拇指、食指和中指的近端关节轴上设有2个相邻放置的滑轮，大拇指、食指和中指的中端关节轴和远端关节轴上各设置有一个滑轮，且大拇指、食指和中指近端关节轴上位于下方的一个滑轮、中端关节轴和远端关节轴上滑轮的径向位于同一平面内；无名指和小拇指的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上各设置有1个滑轮并且相应手指上滑轮的径向位于同一平面内；单个手指内的近端、中端和远端关节的关节轴均相互平行，且基端关节轴均与其余关节轴垂直，各手指的中端关节轴和远端关节轴上还分别固定有用于实现关节复位的扭转弹簧；各手指的中端关节和远端关节分别通过各自的中远端关节屈曲腱实现中端关节和远端关节的屈曲运动，该中远端关节屈曲腱一端依次绕过相应手指中近端关节轴上位于下方、中端关节轴和远端关节轴上的滑轮固定于远端指节，该中远端关节屈曲腱另一端与驱动模块固定；大拇指、食指和中指中的基端关节分别通过各自的基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱实现各手指基端关节的屈曲和伸展运动，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱一端分别绕过相应手指近端关节轴上位于上方的滑轮两侧固定于近端指节，所述基端关节屈曲腱、基端关节伸展腱另一端均与驱动模块固定；大拇指的基端关节还分别通过左侧、右侧摆腱实现该基端关节的侧摆运动，所述左侧、右侧摆腱一端分别绕过大拇指基端关节轴上的侧摆盘两侧固定于基端指节，所述左侧、右侧摆腱另一端均与驱动模块固定；食指、中指、无名指和小拇指的基端关节还均分别通过各自侧摆腱实现基端关节的侧摆运动，该侧摆腱穿过相应手指的固定于基端关节的侧摆盘中预留的孔，该侧摆腱两端均与驱动模块固定。

3.如权利要求1所述多感知仿人五指灵巧手，其特征在于，每组传感器单元均包括3个角度传感器和3个阵列式触觉传感器，各手指的近端指节、中端指节和指尖表面均贴有1个阵列式触觉传感器，各手指的近端关节轴、中端关节轴和远端关节轴上均设有1个角度传感器；手掌上设置有1个阵列式触觉传感器。

4.根据权利要求3所述的多感知仿人五指灵巧手，其特征在于：所述角度传感器由环形汝铁硼磁铁和霍尔传感器组成，在环形汝铁硼磁铁24磁场的作用下，通过霍尔传感器测量各关节转角。