CN108312174B

CN108312174B - 一种机器人灵巧手

Info

Publication number: CN108312174B
Application number: CN201810319044.9A
Authority: CN
Inventors: 刘今越; 赵睿; 魏悦涵; 郭士杰
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: CN108312174A

Abstract

本发明公开一种机器人灵巧手，包括手掌、手指、腱绳、弹性绳，所述手掌包括基座、拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节；所述拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节均有圆形安装孔，通过转轴和基座连接，可绕转轴做有限角度的旋转运动。所述手指包括拇指、食指、中指、无名指、小指，耦合紧固部件、无耦合紧固部件、张紧装置；每根手指的根指节通过转动副和手掌连接；拇指的拇指根指节和拇指远指节以及拇指根指节与手掌上的拇指连接关节之间均安装有无耦合紧固部件，其余四根手指的根指节与手掌连接处安装有无耦合紧固部件，每根手指的三节指节之间通过两个耦合紧固部件连接。

Description

一种机器人灵巧手

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种机器人灵巧手。

背景技术

随着现代科技的不断发展和机器人热潮的来临，机器人会越来越多的参与到人类的生产生活中，在未来许多工作都将由机器人完成，尤其是在养老护理领域，这就对机器人的末端执行器有了更高要求。传统的机器人末端执行器操作方式单一，自由度少，灵活性差，故一种灵巧的末端执行器—灵巧手应运而生。灵巧手是一种多自由度，可对不同形状不同材质的物体进行抓取并进行精细操作的机器人末端执行器。现有的灵巧手按驱动方式可分为两大类，一种是全驱动，一种是欠驱动。全驱动的优点是每个自由度均可控即手指每个关节均可独立转动，能实现复杂的抓握动作，控制算法设计简便，但由于灵巧手自由度过多而造成驱动电机数量过多，造成灵巧手成本过高，且容易发生故障；欠驱动灵巧手优点是驱动电机数量少，成本低节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度，但其不能实现每个关节的独立转动，只能靠关节间的耦合关系来实现抓取动作，抓取稳定性不高。

发明内容

针对现有技术的不足，将全驱动和欠驱动两种驱动方式的优点结合起来，本发明提出一种全新的灵巧手驱动形式，以欠驱动的方式实现全驱动的效果，实现在电机数量少于自由度数的情况下每个关节均可独立转动。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种机器人灵巧手，包括手掌、手指、腱绳、弹性绳，所述手掌包括基座、拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节；所述拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节均有圆形安装孔，通过转轴和基座连接，可绕转轴做有限角度的旋转运动；

所述手指包括拇指、食指、中指、无名指、小指，耦合紧固部件、无耦合紧固部件、张紧装置；每根手指的根指节通过转动副和手掌连接，其指尖端面为类似于人手的弧形曲面；拇指设置有两节指节，分别为拇指根指节和拇指远指节，其余四根手指均设置三节指节；拇指的拇指根指节和拇指远指节以及拇指根指节与手掌上的拇指连接关节之间均安装有无耦合紧固部件，其余四根手指的根指节与手掌连接处安装有无耦合紧固部件，每根手指的三节指节之间通过两个耦合紧固部件连接，每个指节为左右两片式结构，通过螺钉紧固在一起；拇指通过拇指连接关节安装在手掌上，食指、中指通过基座中部的两个凸起分别安装在手掌上，无名指通过无名指连接关节安装在手掌上，小指通过小指连接关节安装在手掌上；每根手指指节端部的左右两侧以及手掌与手指的连接处均设置有带孔安装架，耦合紧固部件与无耦合紧固部件分别作轴安装在指节之间以及指节与手掌之间；

所述耦合紧固部件包括一号橡胶摩擦轮、左侧弹簧、耦合摩擦轮、一号阶梯轴、一号铁芯、右侧弹簧、一号线圈；所述一号橡胶摩擦轮通过螺钉将相邻指节左侧的两个安装架固定在一号阶梯轴的左侧，左侧弹簧、右侧弹簧分别设置在一号阶梯轴的左、右两端，耦合摩擦轮设置在中段上，腱绳套装在耦合摩擦轮上；所述一号铁芯镶嵌在一号阶梯轴右侧的槽内，与一号阶梯轴成为一个整体，组成相当于通常意义上的电磁铁的动铁部分；

所述一号线圈为“T”型铁棒，在“T”型的竖直部分缠绕铜线圈，当线圈通电时铁棒产生磁性，与镶嵌在一号阶梯轴内的一号铁芯产生吸引，“T”型的水平部分位于指节的外侧，通过螺钉固定在相邻指节右侧的两个安装架的右侧；一号线圈部分相当于电磁铁的定铁；

耦合紧固部件是两个配合使用的，这样才能使除拇指外其他手指的远指节和中指节在线圈不通电时有1:1的耦合运动关系；右侧弹簧的作用是产生复位力，在断电后使一号阶梯轴回到初始位置；左侧弹簧的作用是在一号线圈不通电即一号阶梯轴不被吸引时压迫耦合摩擦轮与一号阶梯轴通过齿槽啮合形成一个整体随一号阶梯轴一起转动，当一号线圈通电时，由于一号阶梯轴的移动左侧弹簧放松，此时耦合摩擦轮与一号阶梯轴脱开，两者不会一起转动，所以手指指节间的耦合运动消失；耦合紧固部件在其线圈不通电时，左侧弹簧与右侧弹簧均处于压缩状态；

所述无耦合紧固部件包括二号橡胶摩擦轮、二号阶梯轴、二号铁芯、弹簧、二号线圈；所述二号橡胶摩擦轮通过螺钉将相邻指节左侧的两个安装架固定在二号阶梯轴的左端，弹簧套在二号阶梯轴上；所述二号铁芯镶嵌在二号阶梯轴右侧的槽内，与二号阶梯轴成为一个整体，组成相当于通常意义上的电磁铁的动铁部分；所述二号线圈为“T”型铁棒，在“T”型的竖直部分缠绕铜线圈，当二号线圈通电时铁棒产生磁性，与镶嵌在二号阶梯轴内的二号铁芯产生吸引，“T”型的水平部分位于指节的外侧，通过螺钉固定在相邻指节右侧的两个安装架的右侧；线圈部分相当于电磁铁的定铁；

所述张紧装置由张紧弹簧、张紧装置滑块、张紧装置定块组成，张紧装置定块安装在各手指指节内部，张紧装置滑块套在定块内部，由张紧弹簧支撑着向外顶出，滑块伸出的一端有穿腱绳的孔；

所述腱绳是不会产生拉伸变形的线绳，所述腱绳包括手指腱绳和耦合摩擦轮腱绳；手指腱绳的一端与各手指远指节固连，然后依次穿过耦合紧固部件和无耦合紧固部件，另一端连接到驱动装置上，通过驱动装置牵拉手指腱绳使所述各手指向手掌掌心方向弯曲，实现手指的弯曲动作；耦合摩擦轮腱绳呈“8”字形分别套在上、下两个耦合紧固部件中的两个耦合摩擦轮上，使两个耦合摩擦轮可以按1：1的传动比同步转动；

所述弹性绳将各手指指节串联起来，各手指指节均在靠近手背部设有贯穿孔，用于穿过弹性绳；弹性绳的一端与各手指远指节内部固连，另一端与手掌相连，以便使所述手指在所述腱绳的作用下弯曲后提供回复力而回复伸直状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种手指关节锁紧结构，通过所述线圈在通电状态下使所述“T”型铁棒产生磁性吸引镶嵌在所述阶梯轴内部的铁芯带动阶梯轴通过所述橡胶摩擦轮产生摩擦力使手指关节锁紧，指节之间不可相对旋转；同时因为人手在弯曲过程中远指节和中指节有近似1：1的耦合转动关系，于是在各手指(拇指除外)指节连接处布置耦合紧固部件，在线圈不通电时远指节和中指节在所述耦合摩擦轮的作用下进行耦合运动；综上所述，本发明既保留了传统欠驱动灵巧手的手指远指节和中指节的耦合运动关系，还可以对每个关节的旋转运动做独立的控制达到全驱动灵巧手优点，将两者的优点相结合。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例的拇指结构示意图(分解图)；

图3为本发明一种实施例的食指结构示意图(分解图)；

图4为本发明一种实施例的耦合紧固部件结构示意图(分解图)；

图5为本发明一种实施例的无耦合紧固部件结构示意图(分解图)；

图6为本发明一种实施例的张紧装置与腱绳安装示意图(其中手指指节为分解后部分结构视图)；

图7为本发明一种实施例的张紧装置结构示意图；

图中，1—手掌；11—基座；12—拇指连接关节；13—无名指连接关节；14—小指连接关节；2—手指；21—拇指；211—拇指根指节；212—拇指远指节；22—食指；221—食指根指节；222—食指中指节；223—食指远指节；23—中指；24—无名指；25—小指；26—耦合紧固部件；261—一号橡胶摩擦轮；262—左侧弹簧；263—耦合摩擦轮；264—一号阶梯轴；265—一号铁芯；266—右侧弹簧；267—一号线圈；27—无耦合紧固部件；271—二号橡胶摩擦轮；272—二号阶梯轴；273—二号铁芯；274—弹簧；275—二号线圈；28—张紧装置；281—张紧弹簧；282—张紧装置滑块；283—张紧装置定块；3—腱绳；31—手指腱绳；32—耦合摩擦轮腱绳；4—弹性绳。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供一种机器人灵巧手，包括手掌1、手指2、腱绳3、弹性绳4，所述手掌1包括基座11、拇指连接关节12、无名指连接关节13、小指连接关节14；所述拇指连接关节12、无名指连接关节13、小指连接关节14均有圆形安装孔，通过转轴和基座11连接，可绕转轴做有限角度的旋转运动(形状结构限制)；

所述手指2包括拇指21、食指22、中指23、无名指24、小指25，耦合紧固部件26、无耦合紧固部件27、张紧装置28；每根手指的根指节通过转动副和手掌1连接，其指尖端面为类似于人手的弧形曲面；拇指21设置有两节指节，分别为拇指根指节211和拇指远指节212，其余四根手指均设置三节指节。拇指21的拇指根指节211和拇指远指节212以及拇指根指节211与手掌1上的拇指连接关节12之间均安装有无耦合紧固部件27，其余四根手指的根指节与手掌1连接处安装有无耦合紧固部件27，每根手指的三节指节之间通过两个耦合紧固部件26连接，每个指节为左右两片式结构，通过螺钉紧固在一起。拇指21通过拇指连接关节12安装在手掌1上，食指22、中指23通过基座11中部的两个凸起分别安装在手掌1上，无名指24通过无名指连接关节13安装在手掌1上，小指25通过小指连接关节14安装在手掌1上。每根手指指节端部的左右两侧以及手掌1与手指的连接处均设置有带孔安装架，耦合紧固部件26与无耦合紧固部件27分别作轴安装在指节之间以及指节与手掌1之间。

所述耦合紧固部件26包括一号橡胶摩擦轮261、左侧弹簧262、耦合摩擦轮263、一号阶梯轴264、一号铁芯265、右侧弹簧266、一号线圈267；所述一号橡胶摩擦轮261通过螺钉将相邻指节左侧的两个安装架固定在一号阶梯轴264的左侧，左侧弹簧262、右侧弹簧266分别设置在一号阶梯轴264的左、右两端，耦合摩擦轮263设置在中段上，耦合摩擦轮腱绳32套装在耦合摩擦轮263上；所述一号铁芯265镶嵌在一号阶梯轴264右侧的槽内，与一号阶梯轴264成为一个整体，组成相当于通常意义上的电磁铁的动铁部分；

所述一号线圈267为“T”型铁棒，在“T”型的竖直部分缠绕铜线圈，当线圈通电时铁棒产生磁性，与镶嵌在一号阶梯轴264内的一号铁芯265产生吸引，“T”型的水平部分位于指节的外侧，通过螺钉固定在相邻指节右侧的两个安装架的右侧。一号线圈267部分相当于电磁铁的定铁。

耦合紧固部件26是两个配合使用的，这样才能使除拇指外其他手指的远指节和中指节在线圈不通电时有1:1的耦合运动关系；右侧弹簧266的作用是产生复位力，在断电后使一号阶梯轴264回到初始位置；左侧弹簧262的作用是在一号线圈267不通电即一号阶梯轴264不被吸引时压迫耦合摩擦轮261与一号阶梯轴264通过齿槽啮合形成一个整体随一号阶梯轴264一起转动，当一号线圈267通电时，由于一号阶梯轴264的移动左侧弹簧262放松，此时耦合摩擦轮263与一号阶梯轴264脱开，两者不会一起转动，所以手指指节间的耦合运动消失；耦合紧固部件26在其线圈不通电时，左侧弹簧262与右侧弹簧266均处于压缩状态。

所述无耦合紧固部件27包括二号橡胶摩擦轮271、二号阶梯轴272、二号铁芯273、弹簧274、二号线圈275；所述二号橡胶摩擦轮271通过螺钉将相邻指节左侧的两个安装架固定在二号阶梯轴272的左端，弹簧274套在二号阶梯轴272上；所述二号铁芯273镶嵌在二号阶梯轴272右侧的槽内，与二号阶梯轴272成为一个整体，组成相当于通常意义上的电磁铁的动铁部分；所述二号线圈275为“T”型铁棒，在“T”型的竖直部分缠绕铜线圈，当二号线圈275通电时铁棒产生磁性，与镶嵌在二号阶梯轴272内的二号铁芯273产生吸引，“T”型的水平部分位于指节的外侧，通过螺钉固定在相邻指节右侧的两个安装架的右侧。线圈部分相当于电磁铁的定铁；

所述张紧装置28由张紧弹簧281、张紧装置滑块282、张紧装置定块283组成，张紧装置定块283安装在各手指指节内部，张紧装置滑块282套在定块283内部，由张紧弹簧281支撑着向外顶出，滑块282伸出的一端有穿腱绳3的孔；

所述腱绳3是不会产生拉伸变形的线绳，所述腱绳3包括手指腱绳31和耦合摩擦轮腱绳32；手指腱绳31的一端与各手指远指节固连，然后依次穿过耦合紧固部件26和无耦合紧固部件27，另一端连接到驱动装置上，通过驱动装置牵拉手指腱绳31使所述各手指向手掌掌心方向弯曲，实现手指的弯曲动作；耦合摩擦轮腱绳32呈“8”字形分别套在上、下两个耦合紧固部件26中的两个耦合摩擦轮263上，使两个耦合摩擦轮可以按1：1的传动比同步转动。

所述弹性绳4将各手指指节串联起来，各手指指节均在靠近手背部设有贯穿孔，用于穿过弹性绳4；弹性绳4的一端与各手指远指节内部固连，另一端与手掌相连，以便使所述手指在所述腱绳3的作用下弯曲后提供回复力而回复伸直状态；每根手指均设有两根弹性绳4提供回复力。

本发明一种机器人灵巧手的具体工作状态流程是：本灵巧手为一种全驱动灵巧手，但其驱动装置数量少于自由度数，只通过五根牵引腱绳辅以耦合紧固部件26和无耦合紧固部件27的动作来实现对灵巧手的全驱动控制，具体的通过耦合紧固部件26和无耦合紧固部件27控制其各自线圈的通电来吸引铁芯使阶梯轴水平方向移动通过橡胶摩擦轮锁死阶梯轴与手指指节使其不能发生相对转动；有两种模式：远指节和中指节有耦合运动模式及远指节和中指节无耦合运动模式，分别对应耦合紧固部件26断电和通电两种情形；有耦合运动模式是在相邻的两个耦合紧固部件26都断电的情况下实现的，无耦合运动模式在相邻两个耦合紧固部件26有任意一个通电情况下实现的；

当所有靠近手掌端的无耦合紧固部件27通电时，在二号线圈275的吸引下，二号阶梯轴272带着二号橡胶摩擦轮271水平移动，二号橡胶摩擦轮271与手指指节外侧的锥槽接触产生较大的摩擦力，使手掌1和与其相连的指节不能转动，弹簧274进一步被压缩，此时牵引五根手指腱绳31使手指弯曲，拇指21的拇指根指节211向掌心弯曲，对其余四指的远指节和中指节在两个耦合摩擦轮的作用下做传动比为1：1的耦合运动，向掌心弯曲；这是一种有耦合运动模式；

当手指中指节和根指节的耦合紧固部件26通电时，在一号线圈267的吸引下，一号阶梯轴264带着一号橡胶摩擦轮261水平运动，由于一号橡胶摩擦轮261的作用下，中指节和根指节之间无法相对转动，此时左侧弹簧262放松，右侧弹簧266压缩量变大，耦合摩擦轮263和一号阶梯轴264之间没有压力，两者脱开，这时远指节和中指节的耦合运动消失；此时为无耦合运动模式；当一号线圈267断电，一号阶梯轴264在右侧弹簧266的作用下复位，此时左侧弹簧262压缩，耦合摩擦轮263和一号阶梯轴264又结合在一起，恢复耦合运动状态；

以上对本发明的说明为具体实施例，该实施例只为更具体的说明本发明所用，而并非对本发明的限定。凡以本发明申请权利要求范围所做的均等变化与改进，均应归属于本申请权利要求的保护范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种机器人灵巧手，其特征在于，包括手掌、手指、腱绳、弹性绳，所述手掌包括基座、拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节；所述拇指连接关节、无名指连接关节、小指连接关节均有圆形安装孔，通过转轴和基座连接，可绕转轴做有限角度的旋转运动；

所述耦合紧固部件包括一号橡胶摩擦轮、左侧弹簧、耦合摩擦轮、一号阶梯轴、一号铁芯、右侧弹簧、一号线圈；所述一号橡胶摩擦轮通过螺钉将相邻指节左侧的两个安装架固定在一号阶梯轴的左侧，左侧弹簧、右侧弹簧分别设置在一号阶梯轴的左、右两端，耦合摩擦轮设置在中段上，耦合摩擦轮腱绳套装在耦合摩擦轮上；所述一号铁芯镶嵌在一号阶梯轴右侧的槽内，与一号阶梯轴成为一个整体，组成相当于通常意义上的电磁铁的动铁部分；

所述腱绳是不会产生拉伸变形的线绳，所述腱绳包括手指腱绳和耦合摩擦轮腱绳；手指腱绳的一端与各手指远指节固连，然后依次穿过耦合紧固部件和无耦合紧固部件，另一端连接到驱动装置上，通过驱动装置牵拉手指腱绳使所述各手指向手掌掌心方向弯曲，实现手指的弯曲动作；耦合摩擦轮腱绳呈“8”字形分别套在上、下两个耦合紧固部件中的两个耦合摩擦轮上，使两个耦合摩擦轮按1：1的传动比同步转动；

所述弹性绳将各手指指节串联起来，各手指指节均在靠近手背部设有贯穿孔，用于穿过弹性绳；弹性绳的一端与各手指远指节内部固连，另一端与手掌相连，以便使所述手指在所述腱绳的作用下弯曲后提供回复力而回复伸直状态；

通过耦合紧固部件和无耦合紧固部件控制其各自线圈的通电来吸引铁芯使阶梯轴水平方向移动，通过橡胶摩擦轮锁死阶梯轴与手指指节使其不能发生相对转动；有两种模式：远指节和中指节有耦合运动模式及远指节和中指节无耦合运动模式，分别对应耦合紧固部件断电和通电两种情形；有耦合运动模式是在相邻的两个耦合紧固部件都断电的情况下实现的，无耦合运动模式是在相邻两个耦合紧固部件中任意一个通电的情况下实现的。

2.根据权利要求1所述的一种机器人灵巧手，其特征在于，每根手指均设有两根弹性绳。