CN107932536A - 一种仿人五指灵巧手装置 - Google Patents

Abstract

一种仿人五指灵巧手装置属于机器人领域，包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌、固定装置、手掌盖，灵巧手的尺寸与成年人手相当，共15个自由度；拇指可与中指运动至同一抓取平面，与其它四指成一固定角度布置；五指的指节表面及手掌表面均安装触觉传感器；驱动系统、控制系统集成于灵巧手内部。本发明在不过多增加手指自由度的情况下，通过合理设计拇指结构、合理布置拇指位置，使灵巧手获得较高的抓取物体的能力；所涉及灵巧手指的欠驱动系统，其传动方式设计为“单电机‑双腱绳”机构，使灵巧手在物体抓取过程中实现良好的自适应性和柔顺性；本发明基于更加严格的模块化设计思想，四个手指结构相同，手指、拇指均与手掌完全独立，加工和装配更加简洁。

Description

一种仿人五指灵巧手装置

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种仿人五指灵巧手装置。

背景技术

传统的机器人末端执行器一般是根据特定的工作任务而设计的，大部分仅有1～2个自由 度，因而不具有通用性，极大限制了其应用范围。人手在物体抓取领域具有无可比拟的优势， 如柔顺性、灵活性、广泛性等，因此多自由度、多关节的仿人多指灵巧手成为机器人末端执 行器的发展方向，具有广泛的应用领域，得到各国政府和研究学者的高度重视，一大批仿人 多指灵巧手被研制出来，如Okada、Utah/MIT、Stanford/JPL、Shadow等全驱动灵巧手，NASA Robonaut、GifuⅢ、DLR/HIT I、Robotiq等基于连杆机构的欠驱动灵巧手，DLRⅠ、DLR/HIT Ⅱ、Barrett、ReFlex等基于腱传动的欠驱动灵巧手。

基于腱传动的欠驱动灵巧手因其结构相对简单、控制方便、便于集成，且柔顺性较好， 因而得到众多研究学者的青睐。灵巧手的设计一般是基于仿人手的思想，尽可能的实现人手 所具有的所有自由度，但相关研究证明，灵巧手的仿人设计与其抓取物体的能力没有直接的 关系，因此以“抓取物体能力”为设计目标的灵巧手在仿人性设计上应该有所取舍。此外， 灵巧手指欠驱动系统的设计，一般是通过合理布置腱绳或增加弹性元件来实现，其设计的关 键是如何在不增加驱动单元的前提下，又能很好的实现手指的欠驱动运动。在仿人多指灵巧 手的设计过程中，模块化思想的应用比较普遍，如Utah/MIT、Stanford/JPL、DLR/HITⅡ等， 每个手指(拇指除外)具有相同的结构，便于与手掌集成安装，同时又可大幅降低研发成本， 但这些灵巧手指和手掌并不完全独立，并未达到真正意义上的模块化，无法实现快速、简洁 的装配或手指更换。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种仿人五指灵巧手装置，本发明可以在不过多 增加手指自由度的情况下，使灵巧手获得较高的抓取物体的能力、较好的自适应性和柔顺性， 可实现快速、简洁的灵巧手装配或手指更换。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种仿人五指灵巧手装置，该灵巧手共有个自由度，包括拇指、食指、中指、无名指、 小指、手掌、手掌盖，灵巧手固定在固定装置上；所述食指、中指、无名指、小指的结构相同，每个手指均具有三个指节及三个“张开闭合”自由度，分别通过手指的第四个指节固定在手掌上，四个手指的布置方式参照人手，手掌盖与手掌固定；所述拇指具有两个“张开闭合”自由度和一个“左右摆动”自由度，可与中指运动至同一抓取平面，拇指与食指、中指、无名指、小指成一固定角度布置，拇指、食指、中指、无名指、小指的指节表面及手掌表面 均安装触觉传感器；驱动系统、控制系统集成于灵巧手内部。

所述中指包括第一指节、第二指节、第三指节、第四指节；第四指节中均布四个螺纹孔， 用于与手掌的固定。第一指节、第二指节组成中指的欠驱动系统，欠驱动系统的驱动电机集 成于第三指节内部，并通过锥齿轮三传动；第三指节的运动由电机通过锥齿轮传动实现，电 机集成于第四指节内部，其实现过程为：电机与主动锥齿轮固定，被动锥齿轮与连接轴固定， 连接轴与第三指节固定，主动锥齿轮和被动锥齿轮属于装配关系，电机运动即可间接带动第 三指节转动。第四指节表面设有走线槽一、限位块一和限位块二，用于限制第三指节“张开” 的运动范围。第三指节的侧面为指节盖五，用于将传感器的走线固定于走线槽二内，另一个 作用是限制第二指节“张开”的运动范围。第一指节、第二指节的两侧表面分别为指节盖一、 指节盖二、指节盖三、指节盖四。

所述中指的欠驱动系统包括张紧机构一和张紧机构二、半圆形定滑轮一和半圆形定滑轮 二、定滑轮一和定滑轮二、定滑轮三和定滑轮四、螺母一和螺母二、螺栓一和螺栓二、锥齿 轮一和锥齿轮二、固定轴、绕线轴、扭簧。半圆形定滑轮一和半圆形定滑轮二固定于第一指 节上，定滑轮一和定滑轮二通过螺母一、螺栓二固定于第一指节和第二指节连接处的两侧， 定滑轮三和定滑轮四通过螺母二和螺栓一固定于第三指节两侧，固定轴与第三指节通过螺纹 实现固定，锥齿轮一和锥齿轮二于固定轴上可自由转动，绕线轴与第三指节通过螺纹实现固 定。中指的欠驱动系统基于腱绳传动来实现，欠驱动系统的传动方式设计为“单电机-双腱绳” 机构，半圆形定滑轮一和半圆形定滑轮二、定滑轮一和定滑轮二、定滑轮三和定滑轮四、绕 线轴及锥齿轮一和锥齿轮二端部均有绕线槽，锥齿轮一和锥齿轮二分别与锥齿轮三啮合，锥 齿轮三的运动使得锥齿轮一和锥齿轮二产生两个恰好相反的运动，腱绳一由张紧机构一引出， 顺次绕过半圆形定滑轮一、定滑轮一、定滑轮三，最终固定于锥齿轮一绕线槽内，腱绳二由 张紧机构二引出，顺次绕过半圆形定滑轮二、定滑轮二、定滑轮四、绕线轴，最终固定于锥 齿轮二绕线槽内；中指的欠驱动系统实现过程为：电机带动锥齿轮三顺时针运动，此时锥齿 轮一运动的结果是收缩腱绳一，锥齿轮二运动的结果是放松腱绳二，且在该机构下，两侧腱 绳的收缩和放松量相同，腱绳一受力后即会带动第二指节运动，通过计算选取合适的扭簧刚 度，以保证在第二指节运动过程中，第一指节相对第二指节静止，当第二指节由于外部环境 因素停止运动，腱绳一如果继续收缩，则会克服扭簧施加于第一指节上的扭矩，从而带动第 一指节运动；当电机带动锥齿轮三逆时针运动，则是第一指节、第二指节的“张开”运动， 锥齿轮二运动的作用是收缩腱绳二，锥齿轮一运动的作用是放松腱绳一。

所述的中指的欠驱动系统中的张紧机构一包括张紧块、张紧螺钉，张紧螺钉固定于第一 指节上，通过螺纹与张紧块连接，腱绳一通过张紧块上的连接孔实现机械式固定，顺时针旋 转张紧螺钉，带动张紧块移动，从而间接实现腱绳一的张紧；张紧机构二与张紧机构相同。

所述的中指的第一指节和第二指节分别具有一个“张开闭合”自由度，第三指节具有一 个“左右摆动”自由度，第四指节与手掌固定。五个手指的结构相同：其它手指的第一指节 和第二指节分别具有一个“张开闭合”自由度，并组成各自手指的欠驱动系统，与中指的欠 驱动系统相同；其它手指的第三指节具有一个“左右摆动”自由度，第三指节的驱动方式及 限位方式与中指中第三指节的驱动方式和限位方式相同；其它手指的第四指节固定在手掌上， 第四指节表面设有走线槽；

所述的手掌表面布置有触觉传感器和防尘套，手掌内部包括连接孔一、连接孔二、空间 一、空间二；所述中指通过连接孔一固定在手掌上，食指、无名指、小指的固定方式与中指 相同；所述拇指通过连接孔二固定在手掌上；所述空间一、空间二用于布置集成电路板及走 线。

所述手掌盖还包括用于固定手掌盖的连接孔三，以及用于布置集成电路板的空间三。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)灵巧手的仿人性设计与其抓取物体的能力没有直接的关系，因此以“抓取物体能力” 为设计目标的灵巧手在仿人性设计上应该有所取舍；本发明在不过多增加手指自由度的情况 下，通过合理设计拇指结构、合理布置拇指位置，使灵巧手获得较高的抓取物体的能力。

(2)灵巧手指欠驱动系统设计的关键是如何在不增加驱动单元的前提下，又能很好的实 现手指的欠驱动运动；本发明所涉及灵巧手指的欠驱动系统，其传动方式设计为“单电机- 双腱绳”机构，可使灵巧手在物体抓取过程中实现良好的自适应性和柔顺性。

(3)在仿人多指灵巧手的设计过程中，模块化思想的应用比较普遍，本发明基于更加严 格的模块化设计思想，四个手指结构相同，手指、拇指均与手掌完全独立，加工和装配更加 简洁。

附图说明

图1是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的整体结构图。

图2是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的中指单元的正侧结构图。

图3是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的中指单元的背侧结构图。

图4是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置中指单元的欠驱动系统不同角度的正侧结 构图。(a)为欠驱动系统的左视角正侧结构图；(b)为欠驱动系统的右视角正侧结构图。

图5是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置中指单元的欠驱动系统正侧和背侧结构正 视图。(a)为欠驱动系统正侧结构正视图；(b)为欠驱动系统背侧结构正视图。

图6是本发明实例中所用中指单元欠驱动系统的扭簧结构布置图。

图7是本发明实例中所用中指单元欠驱动系统的腱绳绕线方式简图。(a)为欠驱动系统左 侧滑轮的腱绳绕线图；(b)为欠驱动系统右侧滑轮的腱绳绕线图。

图8是本发明实例中所用中指单元欠驱动系统的张紧机构结构图。

图9是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的拇指单元结构图。

图10是本发明实例中所用拇指单元第三指节的内部走线图。

图11是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的手掌结构及布置图。(a)为手掌与各手指、 拇指的装配关系图；(b)为手掌的内部结构图；(c)为手掌的外部结构图。

图12是本发明实例中所用仿人五指灵巧手装置的手掌盖结构及布置图。(a)为手掌盖于灵 巧手装置中的位置布置图；(b)为手掌盖的内部结构图。

图中：拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5、手掌6、固定装置7、手掌盖8、拇 指第一指节101、拇指第二指节102、拇指第三指节103、拇指第四指节104、欠驱动系统一 105、限位方式106、指节盖六107、指节盖七108、走线槽五109、走线槽三110、走线槽四 111、第一指节301、第二指节302、第三指节303、第四指节304、指节盖一305、指节盖二 306、指节盖三307、指节盖四308、连接轴309、被动锥齿轮310、主动锥齿轮311、锥齿轮 三312、走线槽一313，限位块一314、限位块二315、指节盖五316、张紧机构一317、半圆 形定滑轮一318、定滑轮一319、螺母一320、定滑轮三321、螺栓一322、固定轴323、半圆 形定滑轮二324、张紧机构二325、定滑轮二326、螺栓二327、定滑轮四328、螺母二329、 锥齿轮一330、锥齿轮二331、绕线轴332、走线槽二333、扭簧334、张紧块335、张紧螺钉 336、腱绳一337、腱绳二338、均布螺纹孔339、触觉传感器601、防尘套602、空间二603、 连接孔二604、空间一605、连接孔一606、连接孔三801、空间三802。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种仿人五指灵巧手装置，包括拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5、手掌6、固定装置7、手掌盖8，食指2、中指3、无名指4、小指5的结构相同，每个手 指具有三个指节及三个“张开闭合”自由度，分别固定在手掌6上，四个手指的布置方式和 尺寸参照成年人手，手掌盖8与手掌6固定，拇指1具有两个“张开闭合”自由度和一个“左 右摆动”自由度，可与中指3运动至同一抓取平面，拇指1与食指2、中指3、无名指4、小 指5成一固定角度布置，拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5的指节表面及手掌6表 面均安装有触觉传感器，驱动系统、控制系统集成于灵巧手内部，该灵巧手的整体尺寸与成 年人手相当，共有15个自由度。

如图2、图3所示，一种仿人五指灵巧手装置，其中指3还包括第一指节301、第二指节 302、第三指节303，第四指节304中四个均布螺纹孔339用于与手掌6的固定，305、306、307、308分别为指节盖一、指节盖二、指节盖三、指节盖四，第一指节301、第二指节302 组成了中指3的欠驱动系统，其驱动电机集成于第三指节303内部，并通过锥齿轮三312传 动，第三指节303的运动是由电机通过锥齿轮传动实现，电机集成于第四指节304内部，其 实现过程为：电机与主动锥齿轮311固定，被动锥齿轮310与连接轴309固定，连接轴309 与第三指节303固定，主动锥齿轮311和被动锥齿轮310属于装配关系，电机运动即可间接 带动第三指节303转动，313为走线槽一，限位块一314和限位块二315的作用是限制第三 指节303“张开”的运动范围，指节盖五316的作用是将传感器的走线固定于走线槽二333 内，另一个作用是限制第二指节302“张开”的运动范围。

如图4、图5、图6所示，一种仿人五指灵巧手装置，其中指3的欠驱动系统包括：张紧机构一317和张紧机构二325、半圆形定滑轮一318和半圆形定滑轮二324、定滑轮一319和定滑轮二326、定滑轮三321和定滑轮四328、螺母一320和螺母二329、螺栓一322和螺栓 二327、锥齿轮一330和锥齿轮二331、固定轴323、绕线轴332、扭簧334；半圆形定滑轮 一318和半圆形定滑轮二324固定于第一指节301上，定滑轮一319和定滑轮二326通过螺 母一320、螺栓二327固定，定滑轮三321和定滑轮四328通过螺母二329和螺栓一322固 定，固定轴323与第三指节303通过螺纹实现固定，锥齿轮一330和锥齿轮二331于固定轴 323上可自由转动，绕线轴332与第三指节303通过螺纹实现固定；中指3的欠驱动系统基 于腱绳传动来实现，半圆形定滑轮一318和半圆形定滑轮二324、定滑轮一319和定滑轮二 326、定滑轮三321和定滑轮四328、绕线轴332及锥齿轮一330和锥齿轮二331端部均有绕 线槽，锥齿轮一330和锥齿轮二331分别与锥齿轮三312啮合，锥齿轮三312的运动使得锥 齿轮一330和锥齿轮二331产生两个恰好相反的运动，腱绳一337由张紧机构一317引出， 顺次绕过半圆形定滑轮一318、定滑轮一319、定滑轮三321，最终固定于锥齿轮一330绕线 槽内，腱绳二338由张紧机构二325引出，顺次绕过半圆形定滑轮二324、定滑轮二326、定 滑轮四328、绕线轴332，最终固定于锥齿轮二331绕线槽内；中指3的欠驱动系统实现过程 为：电机带动锥齿轮三312顺时针运动，此时锥齿轮一330运动的结果是收缩腱绳一337， 锥齿轮二331运动的结果是放松腱绳二338，且在该机构下，两侧腱绳的收缩和放松量相同， 腱绳一337受力后即会带动第二指节302运动，通过计算选取合适的扭簧334刚度，以保证 在第二指节302运动过程中，第一指节301相对第二指节302静止，当第二指节302由于外 部环境因素停止运动，腱绳一337如果继续收缩，则会克服扭簧334施加于第一指节301上 的扭矩，从而带动第一指节301运动；当电机带动锥齿轮三312逆时针运动，则是第一指节 301、第二指节302的“张开”运动，锥齿轮二331运动的作用是收缩腱绳二338，锥齿轮一 330运动的作用是放松腱绳一337。

如图8所示，一种仿人五指灵巧手装置，其中指3欠驱动系统的张紧机构一317包括： 张紧块335、张紧螺钉336，张紧螺钉336固定于第一指节301上，通过螺纹与张紧块335连 接，腱绳一337通过张紧块335上的连接孔实现机械式固定，顺时针旋转张紧螺钉336，带动张紧块335移动，从而间接实现腱绳一337的张紧；张紧机构二325与张紧机构317相同。

如图9、图10所示，一种仿人五指灵巧手装置，其拇指1还包括：拇指第一指节101、拇指第二指节102分别具有一个“张开闭合”自由度，拇指第三指节103具有一个“左右摆动”自由度，拇指第四指节104与手掌6固定，拇指第一指节101、拇指第二指节102组成 了拇指1的欠驱动系统一105，欠驱动系统一105与中指3的欠驱动系统相同，拇指第三指 节103的驱动方式及限位方式106与中指3中第三指节303的驱动方式和限位方式相同，指 节盖六107的作用是将传感器的走线固定于走线槽三110内，另一个作用是限制拇指第二指 节102“张开”的运动范围，指节盖七108的作用是将传感器的走线固定于走线槽四111内， 拇指第四指节表面设有走线槽五109。

如图1、图11所示，一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，手掌6还包括：连接孔一606与螺钉结合实现中指3的固定(食指2、无名指4、小指5的固定方式与中指3相同)， 连接孔二604与螺钉结合实现拇指1的固定，空间一605、空间二603用于布置集成电路板 及走线，手掌6表面还布置有触觉传感器601和防尘套602。

如图12所示，一种仿人五指灵巧手装置，其手掌盖8还包括用于固定手掌盖8的连接孔 三801，以及用于布置集成电路板的空间三802。

虽然上文中已经结合附图和实例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明范围的情况 下，可对其进行各种改进，且可以用等效物替换其中的部件。因此，本发明并不局限于文中 公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述的灵巧手固定在固定装置(7)上，包括拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)、手掌(6)、手掌盖(8)，手掌盖(8)与手掌(6)固定，手指固定在手掌(6)上；五个手指布置方式参照人手，每个手指结构相同，均具有三个指节及三个“张开闭合”自由度，分别固定在手掌(6)上，五个手指均与手掌完全独立；所述拇指(1)具有两个“张开闭合”自由度和一个“左右摆动”自由度，可与中指(3)运动至同一抓取平面，拇指(1)与食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)成一固定角度布置，拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)的指节表面及手掌(6)表面均安装触觉传感器；驱动系统、控制系统集成于灵巧手内部；

所述中指(3)包括第一指节(301)、第二指节(302)、第三指节(303)、第四指节(304)；第一指节(301)、第二指节(302)组成中指(3)的欠驱动系统，欠驱动系统的驱动电机集成于第三指节(303)内部，并通过锥齿轮三(312)传动；第三指节(303)的运动由电机通过锥齿轮传动实现，电机集成于第四指节(304)内部，其结构及实现过程为：第四指节(304)内部的电机与主动锥齿轮(311)固定，被动锥齿轮(310)与连接轴(309)固定，连接轴(309)与第三指节(303)固定，主动锥齿轮(311)和被动锥齿轮(310)属于装配关系，电机运动间接带动第三指节(303)转动；第四指节(304)表面设有走线槽一(313)、两个限位块，用于限制第三指节(303)“张开”的运动范围；第三指节(303)的侧面为指节盖五(316)，用于将传感器的走线固定于走线槽二(333)内，限制第二指节(302)“张开”的运动范围；第一指节(301)、第二指节(302)的两侧表面分别设有四个指节盖；

所述的中指(3)的欠驱动系统中的半圆形定滑轮一(318)和半圆形定滑轮二(324)固定于第一指节(301)上，定滑轮一(319)和定滑轮二(326)固定在第一指节(301)和第二指节(302)连接处的两侧，定滑轮三(321)和定滑轮四(328)固定于第三指节(303)两侧，固定轴(323)与第三指节(303)固定，锥齿轮一(330)和锥齿轮二(331)在固定轴(323)上能够自由转动，绕线轴(332)与第三指节(303)通过螺纹固定；中指(3)的欠驱动系统基于腱绳实现传动，半圆形定滑轮一(318)和半圆形定滑轮二(324)、定滑轮一(319)和定滑轮二(326)、定滑轮三(321)和定滑轮四(328)、绕线轴(332)及锥齿轮一(330)和锥齿轮二(331)端部均设有绕线槽，锥齿轮一(330)和锥齿轮二(331)分别与锥齿轮三(312)啮合，锥齿轮三(312)运动带动锥齿轮一(330)和锥齿轮二(331)产生两个相反的运动；腱绳一(337)由张紧机构一(317)引出，顺次绕过半圆形定滑轮一(318)、定滑轮一(319)、定滑轮三(321)，最终固定于锥齿轮一(330)绕线槽内；腱绳二(338)由张紧机构二(325)引出，顺次绕过半圆形定滑轮二(324)、定滑轮二(326)、定滑轮四(328)、绕线轴(332)，最终固定于锥齿轮二(331)绕线槽内。

2.根据权利要求1所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述的五个手指均具有四个指节，第一指节和第二指节分别具有一个“张开闭合”自由度，第三指节具有一个“左右摆动”自由度，第四指节与手掌(6)固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述的张紧机构一(317)包括张紧块(335)、张紧螺钉(336)，张紧螺钉(336)固定于第一指节(301)上，通过螺纹与张紧块(335)连接，腱绳一(337)通过张紧块(335)上的连接孔实现机械式固定，顺时针旋转张紧螺钉(336)，带动张紧块(335)移动，从而间接实现腱绳一(337)的张紧；张紧机构二(325)与张紧机构(317)相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述的手掌(6)表面布置有触觉传感器(601)和防尘套(602)，手掌(6)内部包括连接孔一(606)、连接孔二(604)、空间一(605)、空间二(603)；所述中指(3)通过连接孔一(606)固定在手掌(6)上，食指(2)、无名指(4)、小指(5)的固定方式与中指(3)相同；所述拇指(1)通过连接孔二(604)固定在手掌(6)上；所述空间一(605)、空间二(603)用于布置集成电路板及走线。

5.根据权利要求3所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述的手掌(6)表面布置有触觉传感器(601)和防尘套(602)，手掌(6)内部包括连接孔一(606)、连接孔二(604)、空间一(605)、空间二(603)；所述中指(3)通过连接孔一(606)固定在手掌(6)上，食指(2)、无名指(4)、小指(5)的固定方式与中指(3)相同；所述拇指(1)通过连接孔二(604)固定在手掌(6)上；所述空间一(605)、空间二(603)用于布置集成电路板及走线。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述手掌盖(8)包括用于固定手掌盖(8)的连接孔三(801)，以及用于布置集成电路板的空间三(802)。

7.根据权利要求3所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述手掌盖(8)包括用于固定手掌盖(8)的连接孔三(801)，以及用于布置集成电路板的空间三(802)。

8.根据权利要求4所述的一种仿人五指灵巧手装置，其特征在于，所述手掌盖(8)包括用于固定手掌盖(8)的连接孔三(801)，以及用于布置集成电路板的空间三(802)。