CN109773815A - 基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及19自由度解耦灵巧手，具体的说是一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，包括手掌、大拇指、食指、中指、无名指和小拇指等。本灵巧手采用仿生设计，共有19个自由度，其中大拇指3个自由度，其余手指4个自由度，各自由度间解耦。通过改进的柔索传动可以克服腱传动的缺点，实现关节解耦，使灵巧手更灵活、更便于控制，驱动电机后置也可以使灵巧手更加轻质。改进的柔索传动能够实现远距离和大转角的传动，可以使灵巧手具有结构简单、低成本、高精度、高刚度的优点。

Description

基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手

技术领域

本发明涉及灵巧手，具体的说是一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手。

背景技术

灵巧手是机器人技术中重要的末端执行器，是实现机器人局部精细操作的重要部件。相对于功能单一的末端执行器，灵巧手具有通用性强、感知能力丰富、能够实现满足几何封闭和力封闭的精确、稳固抓取等优点。由于工程应用的迫切需求，灵巧手已发展成为专门的研究领域。

传统的仿人灵巧手大多采用电机直驱，即将电机直接安装于手指内部。一方面，这使系统变得复杂，增加了灵巧手的重量，无法达到灵巧、轻质的要求。另一方面，由于体积的限制，相应电机和减速器的成本较高，且后期维护困难。基于腱传动的灵巧手因其结构相对简单、便于集成，且柔顺性较好， 因而得到了众多青睐。但现在基于腱传动的灵巧手多为欠驱动设计，即一个驱动带动多个自由度，各自由度间无法解耦，这增加了控制的难度，也大大降低了灵巧手的灵巧度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，通过改进的柔索传动可以克服腱传动的缺点，实现关节解耦，使灵巧手更灵活、更便于控制，驱动电机后置也可以使灵巧手更加轻质。改进的柔索传动能够实现远距离和大转角的传动，使灵巧手具有结构简单、低成本、高精度、高刚度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：包括手掌、大拇指下、大拇指中、大拇指上、食指摆轮、食指下、食指中、食指上、中指摆轮、中指下、中指中、中指上、无名指摆轮、无名指下、无名指中、无名指上、小拇指摆轮，小拇指下、小拇指中和小拇指上，其中大拇指下、食指摆轮、中指摆轮、无名指摆轮和小拇指摆轮安装于手掌上；大拇指中安装于大拇指下上，大拇指上安装于大拇指中上；食指下安装于食指摆轮上，食指中安装于食指下上，食指上安装于食指中上；中指下安装于中指摆轮上，中指中安装于中指下上，中指上安装于中指中上；无名指下安装于无名指摆轮上，无名指中安装于无名指下上，无名指上安装于无名指中上；小拇指下安装于小拇指摆轮上，小拇指中安装于小拇指下上，小拇指上安装于小拇指中上。

优选地，本灵巧手采用仿生设计，共有19个自由度，其中大拇指3个自由度，其余手指4个自由度，各自由度间解耦。

优选地，所述手掌分为手掌前和手掌后两半，大拇指下、食指摆轮、中指摆轮、无名指摆轮和小拇指摆轮安装于手掌前和手掌后之间。

优选地，主动轮Ⅰ上按顺时针与逆时针方向分别缠绕有钢丝绳Ⅰ和钢丝绳Ⅱ两根钢丝绳经过承力软管挡板Ⅰ后分别经过承力软管Ⅰ和承力软管Ⅱ，然后经过承力软管挡板Ⅱ后固定于从动轮Ⅰ上。当主动轮转动时，从动轮会跟随运动，这种传动方式被应用于本发明本灵巧手中使大拇指下、食指摆轮、中指摆轮、无名指摆轮和小拇指摆轮转动。

优选地，钢丝绳Ⅲ一端固定于主动轮Ⅱ上，绕主动轮Ⅱ缠绕后经承力软管挡板Ⅱ进入承力软管Ⅲ，经过承力软管挡板Ⅲ后缠绕并固定于从动轮Ⅱ上，从动轮Ⅱ上安装有扭簧Ⅰ。当主动轮Ⅱ顺时针转动时，从动轮Ⅱ在钢丝绳Ⅲ的牵引下跟随转动，同时扭簧Ⅰ被拉紧。当主动轮Ⅱ逆时针转动时，从动轮Ⅱ在扭簧Ⅰ弹性的作用下转动。这种传动方式被应用于本发明灵巧手中使大拇指中、大拇指上、食指下、食指中、食指上、中指下、中指中、中指上、无名指下、无名指中、无名指上、小拇指下、小拇指中和小拇指上转动。

优选地，食指摆轮上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳，钢丝绳经过手掌上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指下与食指摆轮间安装有扭簧，食指下加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅳ，钢丝绳Ⅳ经过食指摆轮上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指中与食指下间安装有扭簧Ⅱ，食指中上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅴ，钢丝绳Ⅴ经过食指下上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指上与食指中间安装有扭簧Ⅲ，食指上上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅵ，钢丝绳Ⅵ经过食指中上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；中指、无名指和小拇指的安装与食指类似。

优选地，大拇指下加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳，钢丝绳经过手掌上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指中与大拇指下间安装有扭簧Ⅳ，大拇指中上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅶ，钢丝绳Ⅶ经过大拇指下上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指上与大拇指中间安装有扭簧Ⅴ，大拇指上上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅷ，钢丝绳Ⅷ经过大拇指中上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管。

优选地，带有轮槽的轮可以和手指结构加工为一体，也可以单独加工后安装于手指结构上。

优选地，舵机安装于承力软管挡板Ⅴ上，主动轮Ⅲ安装于舵机输出轴上，主动轮Ⅲ中固定并缠绕有单根或两根钢丝绳，钢丝绳Ⅸ与钢丝绳Ⅹ经承力软管挡板Ⅴ后进入承力软管。

优选地，采用的钢丝绳不限于钢丝绳，也可以是尼龙绳或其它材料的绳。

本发明的优点与积极效果为：通过改进的柔索传动实现了各关节的解耦，使灵巧手更加灵活，电机与减速器的后置使灵巧手更加轻量化，同时，采用普通的电机与减速器即可实现手指关节的驱动，这大大降低了灵巧手的成本。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明中手掌的结构示意图；

图3为本发明中双绳传动回路结构示意图；

图4为本发明中单绳传动回路结构示意图；

图5为本发明中食指的结构示意图；

图6为本发明中拇指的结构示意图

图7为主动轮安装示意图。

其中：1为手掌，2为大拇指下，3为大拇指中，4为大拇指上，5为食指摆轮，6为食指下，7为食指中、8为食指上、9为中指摆轮、10为中指下，11为中指中，12为中指上，13为无名指摆轮，14为无名指下，15为无名指中，16为无名指上，17为小拇指摆轮，18为小拇指下，19为小拇指中，20为小拇指上，21为手掌前，22为手掌后，23为主动轮Ⅰ，24为钢丝绳Ⅰ，25为承力软管挡板Ⅰ，26为承力软管Ⅰ，27为从动轮Ⅰ，28为钢丝绳Ⅱ，29为承力软管挡板Ⅱ，30为承力软管Ⅱ，31为承力软管Ⅲ，32为承力软管挡板Ⅲ，33为钢丝绳Ⅲ，34为主动轮Ⅱ，35为从动轮Ⅱ，36为扭簧Ⅰ，37为承力软管挡板Ⅵ，38为钢丝绳Ⅳ，39为钢丝绳Ⅴ，40为扭簧Ⅱ，41为钢丝绳Ⅵ，42为扭簧Ⅲ，43为钢丝绳Ⅶ，44为扭簧Ⅳ，45为钢丝绳Ⅷ，46为扭簧Ⅴ,47为舵机，48为主动轮Ⅲ，49为钢丝绳Ⅸ，50为钢丝绳Ⅹ，51为承力软管挡板Ⅴ。

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所示，本发明提供的一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，包括手掌1、大拇指下2、大拇指中3、大拇指上4、食指摆轮5、食指下6、食指中7、食指上8、中指摆轮9、中指下10、中指中11、中指上12、无名指摆轮13、无名指下14、无名指中15、无名指上16、小拇指摆轮17，小拇指下18、小拇指中19和小拇指上20，其中大拇指下2、食指摆轮5、中指摆轮9、无名指摆轮13和小拇指摆轮17安装于手掌1上；大拇指中3安装于大拇指下2上，大拇指上4安装于大拇指中3上；食指下6安装于食指摆轮5上，食指中7安装于食指下6上，食指上8安装于食指中7上；中指下10安装于中指摆轮9上，中指中11安装于中指下10上，中指上12安装于中指中11上；无名指下14安装于无名指摆轮13上，无名指中15安装于无名指下14上，无名指上16安装于无名指中1上；小拇指下18安装于小拇指摆轮17上，小拇指中19安装于小拇指下18上，小拇指上20安装于小拇指中19上。

如图1所示，本灵巧手采用仿生设计，共有19个自由度，其中大拇指3个自由度，其余手指4个自由度，各自由度间解耦。

如图2所示，手掌1分为手掌前21和手掌后22两半，大拇指下2、食指摆轮5、中指摆轮9、无名指摆轮13和小拇指摆轮17安装于手掌前21和手掌后22之间。

如图3所示，主动轮Ⅰ23上按顺时针与逆时针方向分别缠绕有钢丝绳Ⅰ24和钢丝绳Ⅱ28，两根钢丝绳经过承力软管挡板Ⅰ25后分别经过承力软管Ⅰ26和承力软管Ⅱ30，然后经过承力软管挡板Ⅱ29后固定于从动轮Ⅰ27上。当主动轮转动时，从动轮会跟随运动，这种传动方式被应用于本发明灵巧手中使大拇指下2、食指摆轮5、中指摆轮9、无名指摆轮13和小拇指摆轮17转动。

如图4所示，钢丝绳Ⅲ33一端固定于主动轮Ⅱ34上，绕主动轮Ⅱ34缠绕后经承力软管挡板Ⅱ32进入承力软管Ⅲ31，经过承力软管挡板Ⅲ37后缠绕并固定于从动轮Ⅱ35上，从动轮Ⅱ35上安装有扭簧Ⅰ36。当主动轮Ⅱ34顺时针转动时，从动轮Ⅱ35在钢丝绳Ⅲ33的牵引下跟随转动，同时扭簧Ⅰ36被拉紧。当主动轮Ⅱ34逆时针转动时，从动轮Ⅱ35在扭簧Ⅰ36弹性的作用下转动。这种传动方式被应用于本发明灵巧手中使大拇指中3、大拇指上4、食指下6、食指中7、食指上8、中指下10、中指中11、中指上12、无名指下14、无名指中15、无名指上16、小拇指下18、小拇指中19和小拇指上20转动。

如图5所示，食指摆轮5上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有两根钢丝绳，钢丝绳经过手掌1上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指下6与食指摆轮5间安装有扭簧，食指下6加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅳ38，钢丝绳Ⅳ38经过食指摆轮5上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指中7与食指下6间安装有扭簧Ⅱ40，食指中7上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅴ39，钢丝绳Ⅴ39经过食指下6上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指上8与食指中7间安装有扭簧Ⅲ42，食指上8上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅵ41，钢丝绳Ⅵ41经过食指中7上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；中指、无名指和小拇指的安装与食指类似。

如图6所示，大拇指下2加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有两根钢丝绳，钢丝绳经过手掌1上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指中3与大拇指下2间安装有扭簧Ⅳ44，大拇指中3上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅶ43，钢丝绳Ⅶ43经过大拇指下2上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指上4与大拇指中3间安装有扭簧Ⅴ46，大拇指上4上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅷ45，钢丝绳Ⅷ45经过大拇指中3上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管。

如图5、图6所示，带有轮槽的轮可以和手指结构加工为一体，也可以单独加工后安装于手指结构上。

如图7所示，舵机47安装于承力软管挡板Ⅴ50上，主动轮Ⅲ48安装于舵机47输出轴上，主动轮Ⅲ48上可以固定并缠绕单根或两根钢丝绳，钢丝绳Ⅸ49与钢丝绳Ⅹ50经承力软管挡板Ⅴ50后进入承力软管。

如图3、图4、图5、图6和图7所示，采用的钢丝绳不限于钢丝绳，也可以是尼龙绳或其它材料的绳。

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 (10)

1.一种基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：包括手掌（1）、大拇指下（2）、大拇指中（3）、大拇指上（4）、食指摆轮（5）、食指下（6）、食指中（7）、食指上（8）、中指摆轮（9）、中指下（10）、中指中（11）、中指上（12）、无名指摆轮（13）、无名指下（14）、无名指中（15）、无名指上（16）、小拇指摆轮（17），小拇指下（18）、小拇指中（19）和小拇指上（20），其中大拇指下（2）、食指摆轮（5）、中指摆轮（9）、无名指摆轮（13）和小拇指摆轮（17）安装于手掌（1）上；大拇指中（3）安装于大拇指下（2）上，大拇指上（4）安装于大拇指中（3）上；食指下（6）安装于食指摆轮（5）上，食指中（7）安装于食指下（6）上，食指上（8）安装于食指中（7）上；中指下（10）安装于中指摆轮（9）上，中指中（11）安装于中指下（10）上，中指上（12）安装于中指中（11）上；无名指下（14）安装于无名指摆轮（13）上，无名指中（15）安装于无名指下（14）上，无名指上（16）安装于无名指中（1）上；小拇指下（18）安装于小拇指摆轮（17）上，小拇指中（19）安装于小拇指下（18）上，小拇指上（20）安装于小拇指中（19）上。

2.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：本灵巧手采用仿生设计，共有19个自由度，其中大拇指3个自由度，其余手指4个自由度，各自由度间解耦。

3.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：所述手掌（1）分为手掌前（21）和手掌后（22）两半，大拇指下（2）、食指摆轮（5）、中指摆轮（9）、无名指摆轮（13）和小拇指摆轮（17）安装于手掌前（21）和手掌后（22）之间。

4.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：主动轮Ⅰ（23）上按顺时针与逆时针方向分别缠绕有钢丝绳Ⅰ（24）和钢丝绳Ⅱ（28），两根钢丝绳经过承力软管挡板Ⅰ（25）后分别经过承力软管Ⅰ（26）和承力软管Ⅱ（30），然后经过承力软管挡板Ⅱ（29）后固定于从动轮Ⅰ（27）上，当主动轮转动时，从动轮会跟随运动，这种传动方式被应用于本发明灵巧手中使大拇指下（2）、食指摆轮（5）、中指摆轮（9）、无名指摆轮（13）和小拇指摆轮（17）转动。

5.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：钢丝绳Ⅲ（33）一端固定于主动轮Ⅱ（34）上，绕主动轮Ⅱ（34）缠绕后经承力软管挡板Ⅱ（32）进入承力软管Ⅲ（31），经过承力软管挡板Ⅲ（37）后缠绕并固定于从动轮Ⅱ（35）上，从动轮Ⅱ（35）上安装有扭簧Ⅰ（36），当主动轮Ⅱ（34）顺时针转动时，从动轮Ⅱ（35）在钢丝绳Ⅲ（33）的牵引下跟随转动，同时扭簧Ⅰ（36）被拉紧，当主动轮Ⅱ（34）逆时针转动时，从动轮Ⅱ（35）在扭簧Ⅰ（36）弹性的作用下转动，这种传动方式被应用于本发明灵巧手中使大拇指中（3）、大拇指上（4）、食指下（6）、食指中（7）、食指上（8）、中指下（10）、中指中（11）、中指上（12）、无名指下（14）、无名指中（15）、无名指上（16）、小拇指下（18）、小拇指中（19）和小拇指上（20）转动。

6.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：食指摆轮（5）上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳，钢丝绳经过手掌（1）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指下（6）与食指摆轮（5）间安装有扭簧，食指下（6）加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅳ（38），钢丝绳Ⅳ（38）经过食指摆轮（5）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指中（7）与食指下（6）间安装有扭簧Ⅱ（40），食指中（7）上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅴ（39），钢丝绳Ⅴ（39）经过食指下（6）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；食指上（8）与食指中（7）间安装有扭簧Ⅲ（42），食指上（8）上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅵ（41），钢丝绳Ⅵ（41）经过食指中（7）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；中指、无名指和小拇指的安装与食指类似。

7.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：大拇指下（2）加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳，钢丝绳经过手掌（1）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指中（3）与大拇指下（2）间安装有扭簧Ⅳ（44），大拇指中（3）上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅶ（43），钢丝绳Ⅶ（43）经过大拇指下（2）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管；大拇指上（4）与大拇指中（3）间安装有扭簧Ⅴ（46），大拇指上（4）上加工有轮槽，轮槽中固定并缠绕有钢丝绳Ⅷ（45），钢丝绳Ⅷ（45）经过大拇指中（3）上设计的具有承力软管挡板作用的结构后进入承力软管。

8.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：带有轮槽的轮可以和手指结构加工为一体，也可以单独加工后安装于手指结构上。

9.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：舵机（47）安装于承力软管挡板Ⅴ（50）上，主动轮Ⅲ（48）安装于舵机（47）输出轴上，主动轮Ⅲ（48）中固定并缠绕有单根或两根钢丝绳，钢丝绳Ⅸ（49）与钢丝绳Ⅹ（50）经承力软管挡板Ⅴ（51）后进入承力软管。

10.按权利要求1所述的基于改进柔索传动的19自由度解耦灵巧手，其特征在于：采用的钢丝绳不限于钢丝绳，也可以是尼龙绳或其它材料的绳。