CN108214520B

CN108214520B - 一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手

Info

Publication number: CN108214520B
Application number: CN201611144551.0A
Authority: CN
Inventors: 韩建达; 赵新刚; 赵小欢; 李自由; 林光模; 赵明
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: CN108214520A

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，具体地说是一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手。包括：手掌；五指，包括通过固定座依次安装在手掌上的拇指、食指、中指、无名指及小指；五个手指屈伸驱动机构，分别安装在五个固定座上，分别用于对个手指的屈伸提供动力；五个绳传动机构，分别安装在五个手指内、且与相对应的手指屈伸驱动机构相连接，手指屈伸驱动机构通过绳传动机构驱动手指屈伸，形成欠驱动；拇指旋转驱动机构，安装在手掌内，用于驱动拇指的旋转运动。本发明结构简单紧凑、质量轻、成本低，模块化设计、易拆卸更换，具有集成度高、自由度多、小巧灵活、大小与人手相仿且稳定性好等特点。

Description

一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体地说是一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手。

背景技术

传统的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动。液压驱动方式适用于高精度、负载较大的场合，缺点是成本高、易漏油；气压驱动方式具有安全性好、不污染环境的特点，缺点是功率质量比小，适用于负载小且精度要求不高的场合；电机驱动方式具有结构简单、较大的功率质量比，适合于中等负载；还有一些新型材料驱动方式，研究技术相对不成熟，控制不稳定，可靠性相对不好。对于要求集成度高、轻质简单的仿人灵巧手来说，选择电机是最合适的。而且经过调研，查到的驱动方式中尺寸较小，可以内嵌在仿人灵巧手内部的驱动系统基本只有电机，很适合做集成。

现有的仿人灵巧手结构较大、外形笨重、控制复杂，在体积、重量、灵巧度以及柔顺性方面有较大的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手，该机构适用于康复系统、假肢研究、控制方法研究等。该发明结构简单、质量轻、成本低，模块化设计、易拆卸更换，具有集成度高、自由度多、小巧灵活、大小与人手相仿且稳定性好等特点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手，包括：

手掌；

五指，包括通过固定座依次安装在手掌上的拇指、食指、

中指、无名指及小指；

五个手指屈伸驱动机构，分别安装在五个固定座上，用于各手指屈伸提供动力；

五个绳传动机构，分别安装在五指内、且与相对应的所述手指屈伸驱动机构相连接，所述手指屈伸驱动机构通过绳传动机构驱动手指屈伸，形成欠驱动；

拇指旋转驱动机构，安装在手掌内，用于驱动拇指的旋转运动。

所述拇指包括拇指近指节基座、拇指近指节、拇指远指节及拇指远指节指尖，其中拇指近指节基座与相对应的拇指固定座可转动地连接，拇指近指节与拇指近指节基座固定连接，拇指近指节与拇指远指节可转动地连接，拇指远指节指尖与拇指远指节固定连接；所述食指、中指、无名指及小指均包括依次转动连接的近指节基座、近指节、中指节Ⅰ、中指节Ⅱ及远指节，其中近指节基座与相对应的所述固定座可转动地连接，所述近指节与所述近指节基座固定连接，所述中指节Ⅰ与近指节可转动地连接，所述中指节Ⅱ与中指节Ⅰ固定，所述远指节与中指节Ⅱ可转动地连接，所述手指屈伸驱动机构设置于所述近指节基座内。

所述手指屈伸驱动机构为蜗轮蜗杆机构，包括蜗轮、蜗轮轴、蜗杆、蜗杆轴及步进电机，其中步进电机和蜗杆轴安装在所述近指节基座上、且步进电机的输出轴与蜗杆轴连接，所述蜗杆与蜗杆轴连接，所述蜗轮轴与所述固定座连接，所述蜗轮与蜗轮轴连接、且与所述蜗杆啮合，所述步进电机驱动蜗杆、蜗轮转动，从而驱动所述近指节基座相对于固定座转动。

所述绳传动机构包括传动绳及安装在各关节处的绳导向轴，所述传动绳通过各关节处的所述绳导向轴穿过整个手指，其一端与所述手指屈伸驱动机构连接，另一端与远指节连接。

各所述手指的关节处均设有弹性复位机构。所述弹性复位包括弹簧固定销和复位弹簧，其中复位弹簧的两端与设置于关节两端的弹簧固定销连接。

所述拇指旋转驱动机构包括拇指旋转步进电机、小齿轮轴、小齿轮、大齿轮及拇指旋转固定板，其中小齿轮轴和拇指旋转固定板可转动地安装在所述手掌内，所述小齿轮和大齿轮分别固定在小齿轮轴和拇指旋转固定板上、且相互啮合，与拇指连接的固定座与所述拇指旋转固定板连接。

所述手掌包括掌心板及安装在掌心板两端的手掌支撑板和手指安装板，所述拇指旋转固定板的一端通过拇指旋转限位座与手指安装板连接，所述拇指旋转限位座限制拇指旋转固定板在0°-90°范围内转动。

每个手指的近指节手心面设有凹槽，该凹槽内安装压力传感器。

所述手掌内设有控制系统，所述控制系统用于控制拇指旋转驱动机构及五个手指屈伸驱动机构。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明结构简单、制造成本低。五指的手指结构类似，关节转动和机械限位一样，都采用绳传动和弹簧复位。手指关节的转动由最小的轴承和质量较好的销支撑转动，不需要很复杂的传动机构。

2、本发明质量轻、手指灵活轻巧。采用3D打印技术，由高韧性、耐酸碱的高精高韧树脂材料打印而成，表面光滑。除了电机、蜗轮蜗杆、齿轮、轴承等零件，其他零件基本由7075铝合金加工，整个仿人手质量较轻。手指关节的转动由最小的轴承支撑，转动摩擦小，由于手指轻巧，复位的弹簧也不需要很大刚度。普通细小的不锈钢弹簧，只要尺寸符合，即可。

3、本发明采用模块化设计，结构集成度高。五指都可单独拆卸更换，且每个手指可单独由步进电机驱动，之间相对独立。灵巧手在抓握物体时，可适应不同形状的物体。

4、本发明大小和成年人手接近，且控制集成度高。电机的直径为8mm，内嵌在近指节里，关节处的转动由2x5x2.3mm的轴承(内径2mm，外径5mm，轴承宽度2.3mm)支撑，采用绳传动和弹簧(外径2mm)复位，所有的零件都尽量选择较小的，这样手指的外形尺寸和成年人手基本一样。手掌靠近拇指一侧固定电机，采用齿轮传动，带动拇指内外旋转动。手掌的另一侧可以放置电机驱动器可控制板。步进电机为两相四线，驱动较为简单，6个电机的驱动和控制集成在一起，放置在手掌里。整个灵巧手集成度很高。

5、本发明手指部分采用欠驱动结构，包络抓握物体，稳定可靠。手指的近指关节由电机通过蜗轮蜗杆驱动，中指关节和远指关节(拇指只有远指关节)通过绳传动，形成欠驱动。中指关节的复位弹簧刚度大于远指关节的弹簧刚度，抓握物体时，中指关节先转动，转动到接触物体或极限角度时，远指关节再转动，形成对物体的包络抓握，抓握稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的去掉手背外壳的灵巧手结构示意图；

图3为本发明中拇指的结构示意图；

图4为本发明中拇指的内部结构示意图；

图5为本发明中食指的结构示意图；

图6为本发明中食指的爆炸图；

图7为本发明中手掌去掉手背外壳的结构示意图；

图8为本发明中手掌掌心板的结构示意图；

图9为本发明中拇指旋转固定板的结构示意图；

图10为本发明中拇指旋转限位座的结构示意图；

图11为本发明中手背外壳的结构示意图。

其中，1为拇指，2为食指，3为中指，4为无名指，5为小指，6为手掌，11为拇指固定座，12为拇指近指节基座，13为拇指近指节，14为拇指远指节,15为拇指远指节指尖，21为食指固定座，22为食指近指节基座，23为食指近指节，24为食指中指节Ⅰ,25为食指中指节Ⅱ，26为食指远指节，31为中指固定座，32为中指近指节基座，41为无名指固定座，42为无名指近指节基座，51为小指固定座，52为小指近指节基座，210为蜗轮，211为轴用E型扣环，212为轴承，213为挡圈，214为蜗轮轴，215为蜗轮套筒，220为孔用C型扣环，221为蜗杆轴承套筒，222为蜗杆轴带端盖轴承，223为蜗杆，224为蜗杆轴，225为绳导向轴Ⅰ，226为蜗杆轴承，227为电机轴向固定套筒，228为手指电机固定板，229为步进电机，230为绳导向轴Ⅱ，231为中指关节轴销，232为中指关节轴承，233为近指节弹簧固定销，234为中指关节复位弹簧，240为中指节连接销，241为中指节弹簧固定销，242为绳导向轴Ⅲ，250为远指关节轴销，251为远指关节轴承，260为远指节绳固定销，261为远指节弹簧固定销，262为远指节复位弹簧，600为手掌支撑板，601为小齿轮，602为小齿轮轴，603为大齿轮轴，604为大齿轮，605为轴承支承座，606为电机固定座，607为拇指旋转步进电机，608为拇指旋转固定板，609为掌心板，610为拇指旋转限位座，611为手指安装板，612为电机驱动板，613为电机驱动芯片A4988，614为接插件2P，615为接插件4P，616为手背外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手，包括：手掌6、五指、五个手指屈伸驱动机构、五个绳传动机构及拇指旋转驱动机构，其中五指分别通过一个固定座安装在手掌6上，五个手指分别为拇指1、食指2、中指3、无名指4及小指5。

如图3-4所示，所述拇指1包括拇指近指节基座12、拇指近指节13、拇指远指节14及拇指远指节指尖15，其中拇指近指节基座12与相对应的拇指固定座11可转动地连接，拇指近指节13与拇指近指节基座12固定连接，拇指近指节13与拇指远指节14可转动地连接，拇指远指节指尖15与拇指远指节14固定连接；

如图5所示，所述食指2、中指3、无名指4及小指5均包括依次转动连接的近指节基座、近指节、中指节Ⅰ、中指节Ⅱ及远指节，其中近指节基座与相对应的所述固定座可转动地连接，所述近指节与所述近指节基座固定连接，所述中指节Ⅰ与近指节可转动地连接，所述中指节Ⅱ与中指节Ⅰ固定，所述远指节与中指节Ⅱ可转动地连接，所述手指屈伸驱动机构设置于所述近指节基座内。

五个手指屈伸驱动机构，分别安装在五个固定座上，分别用于驱动五个手指的近指关节转动；五个绳传动机构，分别安装在五个手指内、且与相对应的所述手指屈伸驱动机构相连接，通过绳传动机构驱动中指关节和远指关节屈伸，形成欠驱动；拇指旋转驱动机构，安装在手掌6内，用于驱动拇指1的旋转运动。

本发明的一实施例中，所述手指屈伸驱动机构为蜗轮蜗杆驱动机构，所述蜗轮蜗杆驱动机构安装在所述近指节基座内、且输出端与所述固定座连接，驱动所述近指节基座相对于固定座转动。

所述绳传动机构包括传动绳及安装在各关节处的绳导向轴，所述传动绳通过各关节处的所述绳导向轴穿过整个手指，其一端与所述手指屈伸驱动机构连接，另一端与远指节连接。各所述手指的关节处均设有弹性复位机构，用于手指的复位。

本发明的一实施例中，所述弹性复位包括弹簧固定销和复位弹簧，其中复位弹簧的两端与设置于关节两端的弹簧固定销连接。

所述手掌6内设有控制系统，所述控制系统用于控制拇指旋转驱动机构及五个手指屈伸驱动机构。每个手指的近指节手心面设有凹槽，该凹槽内安装压力传感器。

拇指1有一个内外旋自由度和两个个屈伸自由度。拇指1转动到掌心的位置(与食指和中指中间位置对应)，外展可转动到与掌心面平行的位置。

如图2所示，本发明的一实施例中，五指的固定座分别为拇指固定座11、食指固定座21、中指固定座31、无名指固定座41及小指固定座51固定在手掌6的手指安装板611上。五指的近指节基座分别为拇指近指节基座12、食指近指节基座22、中指近指节基座32、无名指近指节基座42及小指近指节基座52，分别与对应手指的固定座(拇指固定座11、食指固定座21、中指固定座31、无名指固定座41及小指固定座51)通过蜗轮蜗杆传动进行连接。

如图3所示，为所述灵巧手的拇指结构示意图。拇指固定座11与其余四指固定座(食指固定座21、中指固定座31、无名指固定座41及小指固定座51)有点不同，机械限位转动角度为60°，其余四指机械限位转动角度为90°。拇指远指节14和拇指近指节13前端形成的机械限位角度为100°。

如图4所示，为所述灵巧手的拇指内部结构示意图。拇指有一个内外旋自由度和两个屈伸自由度，两个屈伸自由度结构与其余四指结构类似，说明食指结构的时候再详细介绍。另外，如拇指近指节所示，每个手指的近指节手心面有个圆形凹槽，用来粘贴安装FSR400薄膜压力传感器(生产厂家为Interlink Electronics公司，圆头直径为8mm，接线头宽度为6.4mm，厚度为0.3mm)采集近指节的受力情况。用一个八通道模拟电路模块把压力传感器采集到的电阻信息转换为电压信息进行控制。

如图5所示，为所述灵巧手食指结构示意图。食指2、中指3、无名指4、小指5的各指节除了长度稍微有点变化外，结构都一样。下面以食指2进行说明。食指固定座21所形成的近指关节机械转动限位角度为90°。食指近指节23前端和食指中指节Ⅰ24所形成的中指关节机械转动限位角度为100°。食指中指节Ⅱ25和食指远指节26所形成的远指关节机械转动限位角度为85°。

如图6所示，所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮210、蜗轮轴214、蜗杆223、蜗杆轴224及步进电机229，其中步进电机229和蜗杆轴224安装在所述近指节基座上、且步进电机229的输出轴与蜗杆轴224连接，所述蜗杆223与蜗杆轴224连接，所述蜗轮轴214与所述固定座连接，所述蜗轮210与蜗轮轴214连接、且与所述蜗杆223啮合，所述步进电机229驱动蜗杆223转动，从而带动蜗轮210转动，使所述近指节基座与所述固定座可相对转动。

进一步地，步进电机229由手指电机固定板228径向固定，由电机轴向固定套筒227轴向固定。电机轴是D型的，蜗杆轴224一端打出D型孔，电机轴带动蜗杆轴224转动，由蜗杆轴承226支撑蜗杆轴。蜗杆轴224另一端由蜗杆轴带端盖轴承222支撑，外圈连接蜗杆轴承套筒221，轴向定位用孔用C型扣环220。蜗杆轴224上固定蜗杆223，蜗杆223带动蜗轮210，蜗轮210孔径与蜗轮轴214的轴径不相等，中间加了蜗轮套筒215用来支撑。蜗轮轴214两端用轴承212支撑，轴用E型扣环211固定。食指固定座21和食指近指节基座22之间的间隙用挡圈213定位。食指近指节Ⅱ23和食指中指节Ⅰ24之间用中指关节轴销231连接，并用中指关节轴承232支撑。中指关节复位弹簧234连接在近指节弹簧固定销233和中指节弹簧固定销241上。中指节连接销240用来连接食指中指节Ⅰ24和食指中指节Ⅱ25。食指中指节Ⅱ25和食指远指节Ⅱ26用远指关节轴销250连接，并用远指关节轴承251支撑。远指关节复位弹簧262连接在中指节弹簧固定销241和远指节弹簧固定销261上。传动绳在远指节绳固定销260上固定，并从这里开，绕过弹簧固定销241、各绳导向轴(绳导向轴242Ⅲ、绳导向轴Ⅱ230、绳导向轴Ⅰ225)固定在蜗杆轴224上。步进电机229通过蜗轮蜗杆传动带动食指近指关节转动，并通过固定在蜗杆轴上的传动绳，带动中指关节和远指关节转动，形成欠驱动。步进电机229为德国FAULHABER步进电机AM0820，蜗杆223购置于米思米精密机械贸易有限公司，型号为SW0.5-R2；蜗轮210购置于米思米精密机械贸易有限公司BG0，型号为5-30R2。

中指关节复位弹簧234的刚度大于远指关节复位弹簧262的刚度，灵巧手在抓握物体时，近指关节和中指关节先转动，当中指节转动到节处物体或极限角度时，远指关节再转动，形成对物体的包络抓握，抓握稳定可靠。

如图7所示，所述拇指旋转驱动机构包括拇指旋转步进电机607、小齿轮轴602、小齿轮601、大齿轮604及拇指旋转固定板608，其中小齿轮轴602和拇指旋转固定板608可转动地安装在所述手掌6内，所述小齿轮601和大齿轮604分别固定在齿轮轴601和拇指旋转固定板608上且相互啮合，与拇指连接的固定座与所述拇指旋转固定板608连接。

如图7-8所示，所述手掌6包括掌心板609及安装在掌心板609两端的手掌支撑板600和手指安装板611，所述拇指旋转固定板608的一端通过拇指旋转限位座610与手指安装板611连接，所述拇指旋转限位座610限制拇指旋转固定板608在0°-90°范围内转动。四个手指固定座在手指安装板611上。

掌心板609的掌心面四周都有圆角，防止划伤，结构美观。

如图9所示，拇指旋转限位座610的限位孔的角度是180°。如图10所示，拇指旋转固定板608的凸出一端的角度是90°，与拇指旋转限位座610的限位孔配合，限定拇指的内外旋转动角度为90°。

如图11所示，所述手掌的拇指旋转限位座。该手背外壳采用3D打印技术，形状与人手相似。

四指固定在手指安装板611上，手指安装板611和手掌支撑板600用平头螺钉连接掌心板609和手背外壳616，如图11所示。步进电机607带动小齿轮602转动，轴承支承座605里有轴承，支撑小齿轮轴602。轴承支承座605和电机固定座606用平头螺钉固定在掌心板609上。大齿轮604固定在大齿轮轴603上，并带动拇指旋转固定板608转动，进而带动拇指实现内外旋转动。步进电机为两相四线制，把六个电机的驱动电路集成，放在手掌右侧。电机驱动板612中的驱动芯片613是专门用来驱动步进电机的芯片，尺寸大概只有5x5mm，可直接用Simulink模块进行驱动，实现六个步进电机的控制。

本发明的工作原理为：

本发明需要一款单片机或者采集卡对集成好的电机驱动板进行控制，驱动六个步进电机转动，实现手指抓握、三指抓握、OK手势等。当电机转动的时候，近指关节和中指关节同时转动，中指节接触到物体或转动到极限角度时，远指关节再转动，形成对物体的包络抓握，抓握稳定可靠。同时在抓握物体时，薄膜压力传感器可以采集到近指节抓握力的大小，更有利于抓握控制。

所述的灵巧手各指节的长度按成年人手的大小进行设计，五指指节和手背采用3D打印技术，由高韧性、耐酸碱的高精高韧树脂材料打印而成；除了电机、蜗轮蜗杆、齿轮、轴承等零件，其他零件基本由7075铝合金加工，整个手的质量较轻，整个仿人手轻巧灵活。所述灵巧手共十五个关节自由度，六个驱动步进电机。所述拇指1有一个内外旋自由度和两个屈伸自由度，拇指1的2个屈伸自由度由一个步进电机驱动，拇指1的内外旋自由度由另一个步进电机驱动。食指2、中指3、无名指4和小指5各有三个屈伸自由度，每个手指的三个屈伸自由度由一个电机驱动。屈伸自由度结构设计类似，只是各指节长度不一样，而且六个步进电机的电机驱动板612集成在一起，放在手掌6里，集成度很高。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，包括：

手掌(6)；

五指，包括通过固定座依次安装在手掌(6)上的拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)及小指(5)；

拇指旋转驱动机构，安装在手掌(6)内，用于驱动拇指(1)的旋转运动；

所述拇指(1)包括拇指近指节基座(12)、拇指近指节(13)、拇指远指节(14)及拇指远指节指尖(15)，其中拇指近指节基座(12)与相对应的拇指固定座(11)可转动地连接，拇指近指节(13)与拇指近指节基座(12)固定连接，拇指近指节(13)与拇指远指节(14)可转动地连接，拇指远指节指尖(15)与拇指远指节(14)固定连接；

所述食指(2)、中指(3)、无名指(4)及小指(5)均包括依次转动连接的近指节基座、近指节、中指节Ⅰ、中指节Ⅱ及远指节，其中近指节基座与相对应的所述固定座可转动地连接，所述近指节与所述近指节基座固定连接，所述中指节Ⅰ与近指节可转动地连接，所述中指节Ⅱ与中指节Ⅰ固定，所述远指节与中指节Ⅱ可转动地连接，所述手指屈伸驱动机构设置于所述近指节基座内；

所述手指屈伸驱动机构为蜗轮蜗杆机构，包括蜗轮(210)、蜗轮轴(214)、蜗杆(223)、蜗杆轴(224)及步进电机(229)，其中步进电机(229)和蜗杆轴(224)安装在所述近指节基座上、且步进电机(229)的输出轴与蜗杆轴(224)连接，所述蜗杆(223)与蜗杆轴(224)连接，所述蜗轮轴(214)与所述固定座连接，所述蜗轮(210)与蜗轮轴(214)连接、且与所述蜗杆(223)啮合，所述步进电机(229)驱动蜗杆(223)、蜗轮(210)转动，从而驱动所述近指节基座相对于固定座转动；

2.根据权利要求1所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，各所述手指的关节处均设有弹性复位机构。

3.根据权利要求2所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，所述弹性复位包括弹簧固定销和复位弹簧，其中复位弹簧的两端与设置于关节两端的弹簧固定销连接。

4.根据权利要求1所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，所述拇指旋转驱动机构包括拇指旋转步进电机(607)、小齿轮轴(602)、小齿轮(601)、大齿轮(604)及拇指旋转固定板(608)，其中小齿轮轴(602)和拇指旋转固定板(608)可转动地安装在所述手掌(6)内，所述小齿轮(601)和大齿轮(604)分别固定在小齿轮轴(602)和拇指旋转固定板(608)上、且相互啮合，与拇指连接的固定座与所述拇指旋转固定板(608)连接。

5.根据权利要求4所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，所述手掌(6)包括掌心板(609)及安装在掌心板(609)两端的手掌支撑板(600)和手指安装板(611)，所述拇指旋转固定板(608)的一端通过拇指旋转限位座(610)与手指安装板(611)连接，所述拇指旋转限位座(610)限制拇指旋转固定板(608)在0°-90°范围内转动。

6.根据权利要求1所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，每个手指的近指节手心面设有凹槽，该凹槽内安装压力传感器。

7.根据权利要求1所述的欠驱动轻质仿人五指灵巧手，其特征在于，所述手掌(6)内设有控制系统，所述控制系统用于控制拇指旋转驱动机构及五个手指屈伸驱动机构。