CN107932541A - 一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，包括：一个手掌与五个手指，五个手指分别为拇指、食指、中指、无名指、小指，其外形尺寸比例参照中国女性的手。五个手指相互独立，共有6个驱动自由度，分别为大拇指基关节滚转与中关节俯仰2个自由度，其他四指的4个基关节俯仰自由度。根据人手抓取常用物体时中指节与远指节之间的相对角度（约10‑30°），将灵巧手的这两个指节之间的相对角度固定，简化远关节从动机构的设计。本发明所述的灵巧手外观小巧，结构紧凑简单，具有十几种不同的抓取手势，能够实现有效而精确的抓取任务。

Description

一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手

技术领域

本发明涉及一种灵巧手，具体是一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手。

背景技术

随着机器人技术的突飞猛进发展，其应用领域日益扩大。其中机器人的执行部件与工作环境有非常密切的作用，灵巧手作为一种末端执行器，其影响着机器人智能化和作业水平的提高，因此，具有多个关节的仿人灵巧手己成为机器人领域的研究热点之一。传统的机械手主要是的机构简单的夹持装置，如果机器人的末端夹持器能像人手一样灵活，就可以应用在不同场合，完成不同工作任务，便于解决疑难问题，从而有利于降低成本和提高工作效率。

灵巧手技术经过长时间发展，产生了一些代表性产品，如I-limb仿生医疗手，具有5根手指，通过肌电控制，可用于残障人士义肢， 还有HIT/DLR 手和SHADOW手，这3种手均采用多电机驱动，驱动关节布置在手指关节和手掌上。

现有技术中的仿生灵巧手设计机构复杂，所需驱动单元多，控制困难，成本高，不利于灵巧手的普及和实用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，包括掌壳、电机、拇指、食指、中指、无名指、小指；所述拇指分为拇指指节、拇指中指节、拇指远指节、拇指基关节、拇指中关节与拇指远关节，拇指中指节与拇指近指节通过拇指中关节铰接，拇指中指节与拇指远指节通过拇指远关节铰接，拇指基关节为蜗轮蜗杆传动机构，将固定在手掌中电机的旋转运动转化为拇指基关节的蜗轮旋转运动，电机固定在拇指中指节，电机输出端通过齿轮组将旋转运动传递给螺杆，螺母杆一会随着螺杆的旋转沿着螺杆轴向移动，螺母杆一一端通过轴销一铰接小连杆一，小连杆一与拇指远指节指壳通过轴销二铰接；螺母杆一的另一端通过轴销三铰接连杆一，连杆一在拇指近指节中部轴销四铰接，大拇指在伸直到弯曲的过程中，电机转动，通过两个相互啮合的齿轮组带动螺杆顺时针轴向转动，使得螺母向上运动，螺母带动小连杆一也向上运动，从而推动拇指远指节绕着拇指远关节顺时针旋转，实现拇指远指节弯曲，同时螺母杆一拉动连杆一，使得连杆一的绕着轴销四的孔顺时针旋转，实现拇指中指节绕着拇指中关节的弯曲运动，食指包括食指近指节、食指中远指节、食指基关节和食指中关节，食指近指节一端与手掌基座通过食指基关节铰接，另一端与食指中远指节通过食指中关节铰接，且该关节处安装了具有预紧力的扭簧，食指连杆二一端与手掌基座上的孔铰接，另一端与食指中远指节上的孔铰接，食指近指节、中远指节、手掌基座座和连杆二组成了交叉四连杆机构，实现了食指基关节与食指中远关节的联动，食指近指节上设有滑槽，滑槽与小连杆二通过轴销五连接，轴销五可沿着滑槽自由滑动，小连杆二、小连杆三、螺母杆二各通过轴销六与轴销七铰接，螺母杆二通过丝杠的轴向转动可实现上下移动，电机输出端通过两个啮合的齿轮组将旋转运动传递给丝杠，使得丝杠沿轴向旋转（方向），螺母杆二会随着丝杠的旋转沿轴向向下运动，螺母杆二向下运动拉动小连杆三和小连杆二向下运动。

作为本发明进一步的方案：所述食指、中指、无名指、小指的比例为1:1.1:1:0.8。

作为本发明进一步的方案：所述小连杆二相对于小连杆三可绕轴销六顺时针转动，逆时针转动的相对角度超过度时存在机械限位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的欠驱动仿生灵巧手由6个电机驱动，尺寸形状与成年女性手相当。拇指基关节处设有电机控制其开合自由度，除拇指外的其他四指结构完全相同，中指节与远指节设定成固定角度，减少远关节从动机构设计，简化了手指结构。另外设计了可防止手指或人意外碰撞时受到伤害的滑槽机构。该仿生灵巧手的驱动电机集成在手掌中，通过1-2个驱动卡即可实现控制。该仿生手体积小、重量轻、结构简单、成本低，适用于残疾人假手以及类人机器人领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的拇指结构图右视图。

图3是由a到b为本发明的拇指从伸直到弯曲的结构右视图。

图4是本发明的食指结构右视图。

图5是本发明的食指从伸直到弯曲结构右视图。

图6是本发明的食指滑槽原理结构右视图。

图7是本发明的扭簧结构左后视图。

图中：1-掌壳；2-电机固定基座；3-拇指；301-拇指基关节；302-拇指近指节；303-拇指中关节；304-拇指中指节；305-拇指远关节；；306-拇指远指节；307-电机2的齿轮组；308-螺杆；309-螺母杆一；310-轴销一；311-小连杆一；312-轴销二；313-轴销三；314-连杆一；315-轴销四；4-食指；401-手掌基座；402-食指基关节；403-食指近指节；404-食指中关节；405-食指中远指节；406-扭簧；407-连杆与手掌基座的铰接孔；408-连杆与中远指节的铰接孔；409-连杆二；410-滑槽；411a-滑槽的位置一；411b-滑槽的位置二；411-轴销五；412-小连杆二；413-轴销六；414-小连杆三；415-轴销七；416-螺母杆二；417-丝杠；418-食指电机齿轮组；5-中指；6-无名指；7-小指。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、2，本发明实施例中，一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，包括掌壳1、电机2、拇指3、食指4、中指5、无名指6、小指7；其特征在于，所述拇指分为拇指指节302、拇指中指节304、拇指远指节306、拇指基关节301、拇指中关节303与拇指远关节305，拇指中指节304与拇指近指节302通过拇指中关节303铰接，拇指中指节304与拇指远指节306通过拇指远关节305铰接，拇指基关节301为蜗轮蜗杆传动机构，将固定在手掌中电机的旋转运动转化为拇指基关节301的蜗轮旋转运动，电机2固定在拇指中指节304，电机2输出端通过齿轮组307将旋转运动传递给螺杆308，螺母杆一309会随着螺杆308的旋转沿着螺杆轴向移动，螺母杆一309一端通过轴销一310铰接小连杆一311，小连杆一311与拇指远指节306指壳通过轴销二312铰接；螺母杆一309的另一端通过轴销三313铰接连杆一314，连杆一314在拇指近指节302中部轴销四315铰接，大拇指在伸直到弯曲的过程中，电机2转动，通过两个相互啮合的齿轮组307带动螺杆308顺时针轴向转动，使得螺母309向上运动，螺母309带动小连杆一311也向上运动，从而推动拇指远指节306绕着拇指远关节305顺时针旋转，实现拇指远指节306弯曲，同时螺母杆一309拉动连杆一314，使得连杆一314的绕着轴销四315的孔顺时针旋转，实现拇指中指节304绕着拇指中关节303的弯曲运动，食指包括食指近指节403、食指中远指节405、食指基关节402和食指中关节403，食指近指节403一端与手掌基座401通过食指基关节402铰接，另一端与食指中远指节405通过食指中关节404铰接，且该关节处安装了具有预紧力的扭簧406，食指连杆二409一端与手掌基座上的孔407铰接，另一端与食指中远指节405上的孔408铰接，食指近指节403、中远指节405、手掌基座座401和连杆二409组成了交叉四连杆机构，实现了食指基关节402与食指中远关节405的联动，食指近指节403上设有滑槽410，滑槽410与小连杆二412通过轴销五411连接，轴销五411可沿着滑槽410自由滑动，小连杆二412、小连杆三414、螺母杆二416各通过轴销六413与轴销七415铰接，螺母杆二416通过丝杠417的轴向转动可实现上下移动，电机输出端通过两个啮合的齿轮组418将旋转运动传递给丝杠417，使得丝杠417沿轴向旋转（方向），螺母杆二416会随着丝杠417的旋转沿轴向向下运动，螺母杆二416向下运动拉动小连杆三414和小连杆二412向下运动。

本发明的工作原理是：如图2所示，大拇指从伸直到弯曲的过程如图3由a到b，电机2转动，通过齿轮组307带动螺杆308沿轴向转动，螺杆的转动使得螺母杆一309向上运动(螺母杆在螺杆位置为图示黑色部分)，螺母杆一309带动小连杆一311也向上运动，从而推动远指节306绕着远关节305顺时针旋转，实现远指节306弯曲。同时螺母杆一309拉动连杆一314，使得连杆一314的绕着轴销315的孔顺时针旋转，实现中指节304绕着中关节303的弯曲运动。最终实现大拇指从伸直到弯曲的动作。大拇指从弯曲到伸直的过程与上述相反。

本发明所述的欠驱动仿人灵巧手其他四指结构如图4所示，食指由伸展到弯曲过程如图a到b所示，电机输出端通过齿轮组418将旋转运动传递给丝杠417，使得丝杠417沿轴向旋转，螺母杆二416会随着丝杠417的旋转沿轴向向下运动。螺母杆二416向下运动拉动小连杆414，小连杆二412向下运动。小连杆二412通过滑槽410内的轴销411向下拉动近指节403绕着基关节402顺时针旋转。由于交叉四连杆的结构，近指节403上端通过中关节404推动中远指节405绕着连杆上端孔408顺时针旋转，从而实现手指弯曲。

本发明所述的欠驱动仿人灵巧手食指运转过程如图6所示，在手指弯曲过程中，若电机停止运转，用朝着手指弯曲方向的外力拨动中远指节405，由于螺纹丝杠417机构处于锁死状态，小连杆414只能绕着轴销转动，而不能沿着丝杠轴向上下移动，致使滑槽410内的轴销411可由411a滑向411b，同时小连杆二412相对于小连杆414可绕轴销413顺时针转过一定角度。在轴销411由411a滑向411b的过程中，中远指节405、近指节403在外力作用下顺时针朝手指弯曲方向运动。这种手指的柔顺性设计，可以保证灵巧手在意外碰撞时，不会因为灵巧手机械结构的刚性而造成结构破坏，也不会对碰撞的人或物体造成伤害。

本发明所述的欠驱动仿人灵巧手扭簧结构如图7所示，当食指由弯曲到伸直过程中，扭簧406始终存在的扭转角为手指提供逆时针的回复力矩，使得手指有伸直的趋势，迫使滑槽内的轴销411保持在411a端。近指节403通过滑槽410拉动小连杆二412，小连杆414，使得螺母杆二416始终受到一个向上拉力。当电机不转时，螺纹丝杠417是锁死的，手指不能运动。电机反转时，电机输出端通过齿轮组418将旋转运动传递给丝杠417，使得丝杠417沿轴向转动，螺母杆二416会随着丝杠417的转动沿轴向向上运动，与扭簧406配合，可使中远指节405绕着中关节404逆时针转动，从而实现手指伸直。

Claims (3)

1.一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，包括掌壳（1）、电机（2）、拇指（3）、食指（4）、中指（5）、无名指（6）、小指（7）；其特征在于，所述拇指分为拇指指节（302）、拇指中指节（304）、拇指远指节（306）、拇指基关节（301）、拇指中关节（303）与拇指远关节（305），拇指中指节（304）与拇指近指节（302）通过拇指中关节（303）铰接，拇指中指节（304）与拇指远指节（306）通过拇指远关节（305）铰接，拇指基关节（301）为蜗轮蜗杆传动机构，将固定在手掌中电机的旋转运动转化为拇指基关节（301）的蜗轮旋转运动，电机（2）固定在拇指中指节（304），电机（2）输出端通过齿轮组（307）将旋转运动传递给螺杆（308），螺母杆一（309）会随着螺杆（308）的旋转沿着螺杆轴向移动，螺母杆一（309）一端通过轴销一（310）铰接小连杆一（311），小连杆一（311）与拇指远指节（306）指壳通过轴销二（312）铰接；螺母杆一（309）的另一端通过轴销三（313）铰接连杆一（314），连杆一（314）在拇指近指节（302）中部轴销四（315）铰接，大拇指在伸直到弯曲的过程中，电机（2）转动，通过两个相互啮合的齿轮组（307）带动螺杆（308）顺时针轴向转动，使得螺母（309）向上运动，螺母（309）带动小连杆一（311）也向上运动，从而推动拇指远指节（306）绕着拇指远关节（305）顺时针旋转，实现拇指远指节（306）弯曲，同时螺母杆一（309）拉动连杆一（314），使得连杆一（314）的绕着轴销四（315）的孔顺时针旋转，实现拇指中指节（304）绕着拇指中关节（303）的弯曲运动，食指包括食指近指节（403）、食指中远指节（405）、食指基关节（402）和食指中关节（403），食指近指节（403）一端与手掌基座（401）通过食指基关节（402）铰接，另一端与食指中远指节（405）通过食指中关节（404）铰接，且该关节处安装了具有预紧力的扭簧（406），食指连杆二（409）一端与手掌基座上的孔（407）铰接，另一端与食指中远指节（405）上的孔（408）铰接，食指近指节（403）、中远指节（405）、手掌基座座（401）和连杆二（409）组成了交叉四连杆机构，实现了食指基关节（402）与食指中远关节（405）的联动，食指近指节（403）上设有滑槽（410），滑槽（410）与小连杆二（412）通过轴销五（411）连接，轴销五（411）可沿着滑槽（410）自由滑动，小连杆二（412）、小连杆三（414）、螺母杆二（416）各通过轴销六（413）与轴销七（415）铰接，螺母杆二（416）通过丝杠（417）的轴向转动可实现上下移动，电机输出端通过两个啮合的齿轮组（418）将旋转运动传递给丝杠（417），使得丝杠（417）沿轴向旋转（方向），螺母杆二（416）会随着丝杠（417）的旋转沿轴向向下运动，螺母杆二（416）向下运动拉动小连杆三（414）和小连杆二（412）向下运动。

2.根据权利要求1所述的一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，其特征在于，所述食指（4）、中指（5）、无名指（6）、小指（7）的比例为1:1.1:1:0.8。

3.根据权利要求1所述的一种由微型电机驱动控制的欠驱动仿人灵巧手，其特征在于，所述小连杆二（412）相对于小连杆三（414）可绕轴销六（413）顺时针转动，逆时针转动的相对角度超过（180）度时存在机械限位。