CN109366476A - 一种柔索驱动的无耦合仿人手指 - Google Patents

Abstract

一种柔索驱动的无耦合仿人手指，主要包括有远指节、中指节、近指节、掌指固定、微型轴承G、远指轴、远指绕线轮、第一旋转角度传感器、第一限位双滚轮组、中指轴、中指绕线轮、第二旋转角度传感器、第二限位双滚轮组、近指绕线轮、近指轴等。本发明通过结构的优化大大降低来了控制算法的复杂度，降低控制系统的负担，提高了控制精度；能够对每个指节单独控制，同时避免了当今大多采用弹性复位元件来使手指伸直的技术方案，能够自如地作出手指弹伸操作，手指可做出的动作更多，更加灵活；输出力大，控制灵活，柔顺性好；指节弯曲角度上都仿人手指设计，内部结构布局合理，柔索和传感器电线能够轻易无障碍穿过内部，结构设计非常紧凑。

Description

一种柔索驱动的无耦合仿人手指

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种仿人手指。

背景技术

随着自动化水平的提高，机器人的应用领域日益扩大，特别是在高危环境中，希望机器人的末端执行器能够像人手一样灵活，可以在危险、复杂及非结构化的环境中代替人类的双手，完成对任意形状物体的自适应抓取、完成各种复杂的细微操作等任务。但是大多数灵巧手的指尖输出力普遍不大，整手的负载力不强。当今机器人手指驱动力主要有微型电机驱动，连杆驱动，弹簧复位与拉线驱动，柔索驱动等。柔索驱动有使手指输出力大，增大负载力，控制灵活方便的优点。然而现如今的柔索驱动型手指结构或采用如CN 104161608A的欠驱动设计，但是其连环驱动产生大量耦合，且指端不能独立灵活动作；又例如CN103565562A采用的弹性复位结构，纵然控制简单，但缺乏灵活性，不能完成较为灵活的需要默契配合的精细操作，如手术，精密加工组装等，而且只凭借弹性元件的弹力使手指伸直，不能很好地做出手指“伸”、“弹”等操作，应用局限性大。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制灵活方便，输出力大，无耦合的结构紧凑的柔索驱动的无耦合仿人手指。

本发明主要包括有远指节、中指节、近指节、掌指固定、微型轴承G、远指轴、远指绕线轮、第一旋转角度传感器、第一限位双滚轮组、中指轴、中指绕线轮、第二旋转角度传感器、第二限位双滚轮组、近指绕线轮、近指轴、第一限位双滚轮组轴一、第一限位双滚轮组轴二、A-远指关节、B-中指关节、C-近指关节、远指关节柔索套、中指关节柔索套、近指关节柔索套、第三旋转角度传感器、中指轴方形卡块、远指轴方形卡块、微型轴承A、微型轴承B、近指节固定板A、近指节固定板B、近指节固定板C、微型轴承C、微型轴承D、远指连接盘、中指节连接盘、微型轴承H。

其中，在掌指固定中部设有通孔。在掌指固定的两侧分别设有第二限位双滚轮组和近指绕线轮，近指轴下端为方形轴，近指轴依次穿过第二限位双滚轮组中部的通孔、掌指固定平板中部的通孔、近指绕线轮中部的方形通孔，近指绕线中部的方形通孔与近指轴下端的方形轴过盈连接。在近指轴的中部和上端分别设有微型轴承A和微型轴承B，微型轴承A置于掌指固定平板中部通孔的内部，近指轴通过微型轴承A与掌指固定平板活动相连。近指节为两端开口的壳体，近指节的每个侧面的一端均设有通孔。近指轴的一端通过微型轴承B，插接在近指节一侧面的通孔内。近指轴的另一端穿过近指节另一侧面的通孔相连，且延伸至近指节的外部，与第三旋转角度传感器相连。第三旋转角度传感器固定在近指节的侧壁上。

近指节由近指节壳体和近指节固定板组成，在近指节壳体的一端与掌指固定平板相连，近指节壳体的另一端固定连接三个相互平行的近指节固定板，分别为近指节固定板A、近指节固定板B和近指节固定板C，在近指节固定板A、近指节固定板B和近指节固定板C的中部均设有通孔，在近指节固定板B和近指节固定板C中部的通孔内置有微型轴承C和微型轴承D。近指节固定板A和近指节固定板B之间设有第一限位双滚轮组，近指节固定板B和近指节固定板C之间设有中指绕线轮，近指固定板C的外侧设有第二旋转角度传感器。测量中指节和近指节的相对旋转角度，并通过中指轴方形卡块与中指节固定连接。

中指轴依次穿过近指固定板A、第一限位双滚轮组、近指固定板B和中指绕线轮中部的方形通孔，在中指轴的中部为方形轴，方形轴与中指绕线轮中部的方形通孔过盈连接。中指轴的一端延伸至近指固定板A的外部，中指轴的另一端延伸至近指固定板C的外部。中指轴的另一端与第二旋转角度传感器相连，在中指轴的两端的端部分别设有微型轴承E和微型轴承F，中指轴通过微型轴承E和微型轴承F，与中指节的两侧面的一端相连，中指节为两端开口的壳体，中指节的每个侧面的一端均设有通孔，在中指节每个侧面的一端的通孔内，分别设有微型轴承E和微型轴承F。

中指节的一侧面的另一端的通孔内，设有微型轴承G。远指轴中部的横截面为方形，远指轴一端穿过微型轴承G，远指轴中部依次通过远指绕线轮和远指连接盘，远指连接盘固定在远指关节的内部。远指绕线轮和远指连接盘的中部均设有方形通孔，远指轴中部与远指绕线轮中部方形通孔、远指连接盘中部方形通孔过盈连接。中指节连接盘的中部设有通孔，在中指节连接盘中部的通孔内设有微型轴承H，远指轴穿过中指节连接盘内部的微型轴承H，中指节连接盘置于中指节的内部，中指节连接盘与远指连接盘相邻。远指轴的另一端设有第一旋转角度传感器，且远指轴另一端的端部固定连接远指轴方形卡块，远指关节的一侧面上设有方形通孔，远指轴另一端的端部的远指轴方形卡块与远指关节侧面上的方形通孔过盈连接。

远指关节柔索套在远指绕线轮上，其两端都穿过中指节延伸至第一组限位双滚轮组，从其内穿过，再依次穿过近指节、第二限位双滚轮组，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

中指关节柔索套在中指绕线轮上，其两端都穿过近指节延伸至第二限位双滚轮组，从其内穿过，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

近指关节柔索套在近指绕线轮上，其两端伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

远指关节柔索带动远指节自由弯曲0度到90度，中指关节柔索带动中指节和远指节自由弯曲0度到110度，近指关节柔索带动整个手指在近指关节处自由弯曲0度到90度。

第一限位双滚轮组轴一和第一限位双滚轮组轴二穿过第一限位双滚轮组和第二限位双滚轮组，分别在圆轴孔和以圆轴孔为中心点的圆弧槽中运动，当手指节发生弯曲时柔索拉线也会发生弯曲，第一限位双滚轮组轴二在弧形槽中发生相应的滑动使限位双滚轮组自动调节位置，这样最大避免限位双滚轮组对柔索长度细微改变的干扰。

本发明在使用时，每个关节单独控制，当中指节和近指节发生弯曲时，并不会影响控制上一级的两侧拉线的伸长和缩短，能够真正地做到每个关节的单独控制，做到角度控制互不影响，即使有微小的两侧拉线差值需要补偿，也完全可以看成干扰与其他外部干扰统一处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、由于采用了限位双滚轮组的设计，使柔索对指节的牵引实现无耦合控制，通过结构的优化大大降低来了控制算法的复杂度，降低控制系统的负担，提高了控制精度；

2.本发明的柔索式驱动绕线方式的设计，能够对每个指节单独控制，同时避免了当今大多采用弹性复位元件来使手指伸直的技术方案，能够自如地作出手指弹伸操作，手指可做出的动作更多，更加灵活；

3.本发明采用气动人工肌肉为手指柔索式牵引提供驱动力，输出力大，控制灵活，柔顺性好；

4.本发明的手指结构设计在外形，指节弯曲角度上都仿人手指设计，内部结构布局合理，柔索和传感器电线能够轻易无障碍穿过内部，结构设计非常紧凑。

附图说明

图1是本发明一种柔索驱动的仿人手指结构设计的整体俯视立体视图1；

图2是本发明的整体仰视立体视图2；

图3是本发明整体的侧视图；

图4是本发明图3中A-A剖视示意图；

图5是本发明内部柔索驱动的绕线示意图；

图6是本发明隐去中指节的中指关节的内部结构示意图；

图7是本发明连接近指节的中指关节处限位双滚轮的限位弧形槽放大的立体示意图；

图8是本发明做手指弯曲动作的整体立体示意图；

图1-8中，1-远指节、2-中指节、3-近指节、4-掌指固定、5-微型轴承G、6-远指轴、7-远指绕线轮、8-第一旋转角度传感器、9-第一限位双滚轮组、10-中指轴、11-中指绕线轮、12-第二旋转角度传感器、13-第二限位双滚轮组、14-近指绕线轮、15-近指轴、16-第一限位双滚轮组轴一、17-第一限位双滚轮组轴二、A-远指关节、B-中指关节、C-近指关节、18-远指关节柔索套、19-中指关节柔索套、20-近指关节柔索套、21-第三旋转角度传感器、22-中指轴方形卡块、23-远指轴方形卡块、24-微型轴承A、25-微型轴承B、26-近指节固定板A、27-近指节固定板B、28-近指节固定板C、29-微型轴承C、30-微型轴承D、31-远指连接盘、32-中指节连接盘、33-微型轴承H。

具体实施方式

在图1至图8所示的本发明的示意简图中，在掌指固定4中部设有通孔。在掌指固定的两侧分别设有第二限位双滚轮组13和近指绕线轮14，近指轴15下端为方形轴，近指轴依次穿过第二限位双滚轮组中部的通孔、掌指固定平板中部的通孔、近指绕线轮中部的方形通孔，近指绕线中部的方形通孔与近指轴下端的方形轴过盈连接。在近指轴的中部和上端分别设有微型轴承A24和微型轴承B25，微型轴承A置于掌指固定平板中部通孔的内部，近指轴通过微型轴承A与掌指固定平板活动相连。近指节3为两端开口的壳体，近指节的每个侧面的一端均设有通孔。近指轴的一端通过微型轴承B，插接在近指节一侧面的通孔内。近指轴的另一端穿过近指节另一侧面的通孔相连，且延伸至近指节的外部，与第三旋转角度传感器相连。第三旋转角度传感器21固定在近指节的侧壁上。

近指节3由近指节壳体和近指节固定板组成，在近指节壳体的一端与掌指固定平板相连，近指节壳体的另一端固定连接三个相互平行的近指节固定板，分别为近指节固定板A26、近指节固定板B27和近指节固定板C28，在近指节固定板A、近指节固定板B和近指节固定板C的中部均设有通孔，在近指节固定板B和近指节固定板C中部的通孔内置有微型轴承C29和微型轴承D30。近指节固定板A和近指节固定板B之间设有第一限位双滚轮组9，近指节固定板B和近指节固定板C之间设有中指绕线轮11，近指固定板C的外侧设有第二旋转角度传感器12。测量中指节和近指节的相对旋转角度，并通过中指轴方形卡块22与中指节固定连接。

中指轴10依次穿过近指固定板A、第一限位双滚轮组、近指固定板B和中指绕线轮中部的方形通孔，在中指轴的中部为方形轴，方形轴与中指绕线轮中部的方形通孔过盈连接。中指轴的一端延伸至近指固定板A的外部，中指轴的另一端延伸至近指固定板C的外部。中指轴的另一端与第二旋转角度传感器相连，在中指轴的两端的端部分别设有微型轴承E和微型轴承F，中指轴通过微型轴承E和微型轴承F，与中指节2的两侧面的一端相连，中指节为两端开口的壳体，中指节的每个侧面的一端均设有通孔，在中指节每个侧面的一端的通孔内，分别设有微型轴承E和微型轴承F。

中指节的一侧面的另一端的通孔内，设有微型轴承G5。远指轴中部的横截面为方形，远指轴一端穿过微型轴承G，远指轴中部依次通过远指绕线轮7和远指连接盘31，远指连接盘固定在远指关节的内部。远指绕线轮和远指连接盘的中部均设有方形通孔，远指轴中部与远指绕线轮中部方形通孔、远指连接盘中部方形通孔过盈连接。中指节连接盘32的中部设有通孔，在中指节连接盘中部的通孔内设有微型轴承H33，远指轴6穿过中指节连接盘内部的微型轴承H，中指节连接盘置于中指节的内部，中指节连接盘与远指连接盘相邻。远指轴的另一端设有第一旋转角度传感器8，且远指轴另一端的端部固定连接远指轴方形卡块23，远指节1的一侧面上设有方形通孔，远指轴另一端的端部的远指轴方形卡块与远指关节侧面上的方形通孔过盈连接。

远指关节柔索套18在远指绕线轮上，其两端都穿过中指节延伸至第一组限位双滚轮组，从其内穿过，再依次穿过近指节、第二限位双滚轮组，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

中指关节柔索套19在中指绕线轮上，其两端都穿过近指节延伸至第二限位双滚轮组，从其内穿过，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

近指关节柔索套20在近指绕线轮上，其两端伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

第一限位双滚轮组轴一16和第一限位双滚轮组轴二17穿过第一限位双滚轮组和第二限位双滚轮组，分别在圆轴孔和以圆轴孔为中心点的圆弧槽中运动，当手指节发生弯曲时柔索拉线也会发生弯曲，第一限位双滚轮组轴二在弧形槽中发生相应的滑动使限位双滚轮组自动调节位置，这样最大避免限位双滚轮组对柔索长度细微改变的干扰。

Claims (3)

1.一种柔索驱动的无耦合仿人手指，主要包括远指节、中指节、近指节、掌指固定、微型轴承G、远指轴、远指绕线轮、第一旋转角度传感器、第一限位双滚轮组、中指轴、中指绕线轮、第二旋转角度传感器、第二限位双滚轮组、近指绕线轮、近指轴、第一限位双滚轮组轴一、第一限位双滚轮组轴二、A-远指关节、B-中指关节、C-近指关节、远指关节柔索套、中指关节柔索套、近指关节柔索套、第三旋转角度传感器、中指轴方形卡块、远指轴方形卡块、微型轴承A、微型轴承B、近指节固定板A、近指节固定板B、近指节固定板C、微型轴承C、微型轴承D、远指连接盘、中指节连接盘、微型轴承H，其特种在于：在掌指固定中部设有通孔，在掌指固定的两侧分别设有第二限位双滚轮组和近指绕线轮，近指轴下端为方形轴，近指轴依次穿过第二限位双滚轮组中部的通孔、掌指固定平板中部的通孔、近指绕线轮中部的方形通孔，近指绕线中部的方形通孔与近指轴下端的方形轴过盈连接，在近指轴的中部和上端分别设有微型轴承A和微型轴承B，微型轴承A置于掌指固定平板中部通孔的内部，近指轴通过微型轴承A与掌指固定平板活动相连，近指节为两端开口的壳体，近指节的每个侧面的一端均设有通孔，近指轴的一端通过微型轴承B，插接在近指节一侧面的通孔内，近指轴的另一端穿过近指节另一侧面的通孔相连，且延伸至近指节的外部，与第三旋转角度传感器相连，第三旋转角度传感器固定在近指节的侧壁上，近指节由近指节壳体和近指节固定板组成，在近指节壳体的一端与掌指固定平板相连，近指节壳体的另一端固定连接三个相互平行的近指节固定板，分别为近指节固定板A、近指节固定板B和近指节固定板C，在近指节固定板A、近指节固定板B和近指节固定板C的中部均设有通孔，在近指节固定板B和近指节固定板C中部的通孔内置有微型轴承C和微型轴承D，近指节固定板A和近指节固定板B之间设有第一限位双滚轮组，近指节固定板B和近指节固定板C之间设有中指绕线轮，近指固定板C的外侧设有第二旋转角度传感器，测量中指节和近指节的相对旋转角度，并通过中指轴方形卡块与中指节固定连接，中指轴依次穿过近指固定板A、第一限位双滚轮组、近指固定板B和中指绕线轮中部的方形通孔，在中指轴的中部为方形轴，方形轴与中指绕线轮中部的方形通孔过盈连接，中指轴的一端延伸至近指固定板A的外部，中指轴的另一端延伸至近指固定板C的外部，中指轴的另一端与第二旋转角度传感器相连，在中指轴的两端的端部分别设有微型轴承E和微型轴承F，中指轴通过微型轴承E和微型轴承F，与中指节的两侧面的一端相连，中指节为两端开口的壳体，中指节的每个侧面的一端均设有通孔，在中指节每个侧面的一端的通孔内，分别设有微型轴承E和微型轴承F，中指节的一侧面的另一端的通孔内，设有微型轴承G，远指轴中部的横截面为方形，远指轴一端穿过微型轴承G，远指轴中部依次通过远指绕线轮和远指连接盘，远指连接盘固定在远指关节的内部，远指绕线轮和远指连接盘的中部均设有方形通孔，远指轴中部与远指绕线轮中部方形通孔、远指连接盘中部方形通孔过盈连接，中指节连接盘的中部设有通孔，在中指节连接盘中部的通孔内设有微型轴承H，远指轴穿过中指节连接盘内部的微型轴承H，中指节连接盘置于中指节的内部，中指节连接盘与远指连接盘相邻，远指轴的另一端设有第一旋转角度传感器，且远指轴另一端的端部固定连接远指轴方形卡块，远指关节的一侧面上设有方形通孔，远指轴另一端的端部的远指轴方形卡块与远指关节侧面上的方形通孔过盈连接，远指关节柔索套在远指绕线轮上，其两端都穿过中指节延伸至第一组限位双滚轮组，从其内穿过，再依次穿过近指节、第二限位双滚轮组，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制，中指关节柔索套在中指绕线轮上，其两端都穿过近指节延伸至第二限位双滚轮组，从其内穿过，伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制，近指关节柔索套在近指绕线轮上，其两端伸出到手指外分别与对应的柔索拉伸驱动器连接，实现柔索的对拉控制。

2.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的无耦合仿人手指，其特征在于：远指关节柔索带动远指节自由弯曲0度到90度，中指关节柔索带动中指节和远指节自由弯曲0度到110度，近指关节柔索带动整个手指在近指关节处自由弯曲0度到90度。

3.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的无耦合仿人手指，其特征在于：第一限位双滚轮组轴一和第一限位双滚轮组轴二穿过第一限位双滚轮组和第二限位双滚轮组，分别在圆轴孔和以圆轴孔为中心点的圆弧槽中运动，当手指节发生弯曲时柔索拉线也会发生弯曲，第一限位双滚轮组轴二在弧形槽中发生相应的滑动使限位双滚轮组自动调节位置，这样最大避免限位双滚轮组对柔索长度细微改变的干扰。