CN109822602B - 一种手指间协同驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手指间主被动解耦的协同驱动机构。该机构主要由电机、滚珠丝杠、齿轮、滑块、滑轮、钢丝绳等构成。其中钢丝绳从手指指尖出发分别从手指关节滑轮上方、下方绕过充当弯曲驱动绳、伸直驱动绳，绕过滑块上的滑轮最终固定到另一根手指指尖。电机通过啮合齿轮带动滚珠丝杠使滑块上下移动从而控制手指弯曲、伸直，其中一个电机控制两指近关节，另一电机控制两指其余四关节。通过本发明，手指近关节相对于其余两关节运动独立，使手指具有更好的自适应性，提高了手指对物体的操作能力，同时更方便调整抓取时关节的抓取力矩。

Description

一种手指间协同驱动机构

技术领域

本发明涉及机器人抓取领域，特别是涉及一种欠驱动二指灵巧手。

背景技术

在机器人抓取领域，国内外专家学者经过多年研究，已成功研制一批著名的多指多关节灵巧手，如麻省理工学院等研制的Utah/MIT,德国宇航中心研制的DLR等。这些高智能手虽然能灵巧地实现精确的抓取和操作，但是普遍结构复杂，质量偏重，体积偏大。因此国内外专家学者提出欠驱动机构，并研制出一批欠驱动机器人手，如加拿大MD ROBOTICS公司与Laval大学合作研制的SARAH，华中科技大学研制的复现人手抓取功能的欠驱动假肢手等。这些手虽然能实现手指的自适应抓握，但是灵巧性不足，对物体的操作能力不强。而且这些灵巧手在设计和功能上都与人手有较大差别。

通过对人手的相关性分析，我们发现：在人手抓取操作物体时，大拇指与其余四指之间的相关度较低，而其余四指间的相关度比较高；大拇指外的其余四指中，中关节与远关节之间的相关度比较高，而近关节与其余两关节间的相关度比较低。人手在抓取操作物体时，起主要作用的是大拇指、食指、中指，无名指和小指主要起辅助作用。根据人手的这种特性，本发明所设计的灵巧手具有高度仿人手的特点。

发明内容

针对现有技术的以上缺，本发明提供了一种手指间主被动解耦的协同驱动机构，本发明采用两个电机控制两根手指的弯曲动作，实现两个输入控制两指的六个弯曲自由度，简化灵巧手结构，降低灵巧手体积和重量；其中一个电机控制两指近关节，另一电机控制两指其余四关节，从而使手指近关节相对于其余两关节运动独立，使手指具有更好的自适应性，提高了手指对物体的操作能力，同时更方便调整抓取时关节的抓取力矩。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种手指间主被动解耦的协同驱动机构，包括第一手指a和第二手指b；第一手指a和第二手指b分别轴接在第一基座4和第二基座5上，且均包括两个或两个以上指段，相邻指段相互轴接，且第一手指a和第二手指b的末端均连接有第一钢丝绳24和第二钢丝绳29，第一钢丝绳24和第二钢丝绳29分别以同向绕入和绕出的方式绕过相邻指段的轴接处，且第一钢丝绳24和第二钢丝绳29在每个相邻指段的轴接处绕向相反；第一基座4的上部轴接有第六滑轮20，下部轴接有第七滑轮31；第六滑轮20和第七滑轮31之间安装有第一升降机构，第一升降机构上轴接有第四滑轮21和第九滑轮30；第二基座5上部轴接有第五滑轮22，下部轴接有第八滑轮32；第一钢丝绳24中部两侧分别绕过第四滑轮21和第五滑轮22后绕在第六滑轮20上；第二钢丝绳29中部两侧分别绕过第七滑轮31和第八滑轮32后绕在第九滑轮30上。

进一步的改进，所述第一手指a和第二手指b分别与第一基座4和第二基座5的轴接处分别安装有第十滑轮36；第一手指a和第二手指b分别与第一基座4和第二基座5轴接的近指段3分别连接有第三钢丝绳35和第四钢丝绳44；第一基座4上部轴接有第十一滑轮37，下部轴接有第十二滑轮47；第二基座5上部轴接有第十三滑轮38，下部轴接有第十四滑轮45；第十三滑轮38和第十四滑轮45之间安装有第二升降机构，第二升降机构上轴接有第十五滑轮39和第十六滑轮46；第三钢丝绳35依次绕过第一基座4上的第十滑轮36、第十二滑轮47、第十三滑轮38、第十五滑轮39和第二基座5上的第十滑轮36；第四钢丝绳44依次绕过第一基座4上的第十滑轮36、第十二滑轮47、第十四滑轮45、第十六滑轮46，然后再依次绕过第十四滑轮45和第二基座5上的第十滑轮36。

进一步的改进，所述第一升降机构包括第一滑块8，第一滑块8螺纹连接有第一滚珠丝杠6并且滑动连接有第一光轴11，第一滚珠丝杠6连接有第一电机40；所述第二升降机构包括第二滑块9，第二滑块9螺纹连接有第二滚珠丝杠7并且滑动连接第二光轴10，第二滚珠丝杠7连接有第二电机41。明显的第一升降机构和第二升降机构也可采用气缸或油缸等进行替换。

进一步的改进，所述第一手指a和第二手指b结构相同，均包括轴接在掌座c上的近指段3且轴接处轴接第一滑轮19，近指段3轴接中指段2的轴接处轴接有第二滑轮18，中指段2轴接远指段1且轴接处轴接有第三滑轮，第一手指a和第二手指b的近指段3分别轴接在第一基座4和第二基座5上；第一手指a和第二手指b的远指段1分别固定有第一钢丝绳24的端部；第一钢丝绳24的固定点处于远指段1，第一钢丝绳24自第一滑轮19上方绕入，然后缠绕第二滑轮18,并且自第二滑轮18上方绕出后经过第三滑轮，然后分别经过第四滑轮21和第五滑轮22缠绕在第六滑轮20上；所述第一手指a和第二手指b的远指段1还分别固定有第二钢丝绳29的端部，第二钢丝绳29分别缠绕第一滑轮19、第二滑轮18和第三滑轮，自第一滑轮19、第二滑轮18和第三滑轮的下方绕入和绕出；然后分别经过第七滑轮31和第八滑轮32后缠绕第九滑轮30。

进一步的改进，所述第四滑轮21和第九滑轮30同轴轴接在第一滑块8上；第十五滑轮39和第十六滑轮46同轴安装在第二滑块9上。

进一步的改进，所述第四滑轮21、第九滑轮30、第十五滑轮39、第十六滑轮46的两侧均分别安装有扭力相反的扭力弹簧48。

本发明的有益效果是：

1、实现两个输入控制两指的六个弯曲自由度，简化灵巧手结构，降低灵巧手体积和重量；

2、手指的近关节与其余两关节分开驱动，使灵巧手抓取物体时具有更好的自适应性，增强手指对物体的操作能力；

3、相比于传统滑轮绳索机构，本发明手指近关节与其余关节的抓取力矩比不再固定。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明左右指远关节、中关节弯曲驱动绳布置图；

图3是本发明左右指远关节、中关节伸直驱动绳布置图；

图4是本发明左右指近关节弯曲驱动绳布置图；

图5是本发明左右指近关节伸直驱动绳布置图；

图6为第一滑块上扭力弹簧的安装结构示意图。

其中，第一手指a，第二手指b，远指段1，中指段2，近指段3，第一基座4，第二基座5，第一滚珠丝杠6，第二滚珠丝杠7，第一滑块8，第二滑块9，第二光轴10，第一光轴11，齿轮(12、13、14、16)，下板15，第三滑轮17，第二滑轮18，第一滑轮19，第六滑轮20，第四滑轮21，第五滑轮22，孔(23、33、34、42、43)，第一钢丝绳24，金属球(25、26、27、28)，第二钢丝绳29，第九滑轮30，第七滑轮31，第八滑轮32，第三钢丝绳35，第十滑轮36，第十一滑轮37，第十三滑轮38，第十五滑轮39，第一电机40，第二电机42，第四钢丝绳44，第十四滑轮45，第十六滑轮46，第十二滑轮47，扭力弹簧48。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

手指部分由两根外形、结构完全相同的手指组成。每根手指有三个指段，距离基座由远及近依次为远指段1、中指段2、近指段3。每根手指有三个关节，距离基座由远及近依次命名为远关节、中关节、近关节。手指关节处设置滑轮，其中第一滑轮19、第十滑轮36位于手指近关节处，第二滑轮18位于手指中关节处，第三滑轮位于手指远关节处。中指段2、远指段1之间设置交叉分布的弹簧、钢丝绳以实现指间的弹性耦合(具体结构参见专利201410557059.0，一种关节间柔性耦合的欠驱动手指)。滑轮与指段间、指段与指段间通过销连接。左右手指分别通过销连接在第一基座4、第二基座5上。

丝杆滑块部分由第一电机40、第二电机41、第一滚珠丝杠6、第二滚珠丝杠7、第一滑块8、第二滑块9、第二光轴10、第一光轴11以及钢丝绳、若干齿轮、若干滑轮组成。其中第一电机40、第二电机41固定于下板15上，分别通过键与齿轮13、齿轮16连接。第一滚珠丝杠6、第二滚珠丝杠7一端穿过下板15，分别通过键与齿轮12、齿轮14连接，另一端悬空。齿轮12、齿轮13相互啮合，齿轮14、齿轮16相互啮合。第一光轴11、第二光轴10固定于两板之间。第一滑块8套在第一光轴11与第一滚珠丝杠6上，第二滑块9套在第二光轴10与第二滚珠丝杠7上。第六滑轮20、第十一滑轮37位于第一基座4下方，滑轮内表面与第一基座4内孔中心线相切。第五滑轮22、第十三滑轮38位于第二基座5下方，滑轮内表面与第二基座5内孔中心线相切。第四滑轮21、第九滑轮30位于第一滑块8上，滑轮内表面与第一基座4内孔中心线相切。第十五滑轮39、第十六滑轮46位于第二滑块9上，滑轮内表面与第二基座5内孔中心线相切。第七滑轮31、第十二滑轮47位于下板15上，滑轮内表面与第一基座4内孔中心线相切。第八滑轮32、第十四滑轮45位于下板15上，滑轮内表面与第二基座5内孔中心线相切。

第一钢丝绳24、第二钢丝绳29一端固定于左指远指段1上，另一端固定于右指远指段1上，构成封闭环；第三钢丝绳35、第四钢丝绳44一端固定于左指近指段3上，另一端固定于右指近指段3上，构成封闭环；两封闭环呈并联状态。其中，第一钢丝绳24一端由金属球25固定于远指段1上的孔23，依次从第三滑轮、第二滑轮18、第一滑轮19上方绕过一周，穿过第一基座4，经第四滑轮21掉头，绕过第六滑轮20一周后经第五滑轮22转向，穿过第二基座5后，依次从第一滑轮19、第二滑轮18、第三滑轮上方绕过一周，穿过远指段1上的孔23，由金属球26固定；第二钢丝绳29一端由金属球25固定于远指段1上的孔23，依次从第三滑轮、第二滑轮18、第一滑轮19下方绕过一周，穿过第一基座4，经第七滑轮31掉头，经第九滑轮30掉头，回到第七滑轮31转向，经第八滑轮32转向，穿过第二基座5后，依次从第一滑轮19、第二滑轮18、第三滑轮下方绕过一周，穿过远指段1上的孔23，由金属球28固定；第三钢丝绳35一端由金属球固定于近指段3上的孔33，从第十滑轮36上方绕过，穿过第一基座4，经第十一滑轮37转向，绕过第十三滑轮38一周，经第十五滑轮39掉头，穿过第二基座5后，从第十滑轮36上方绕过，穿过近指段3上的孔33，由金属球固定；第四钢丝绳44一端由金属球固定于近指段3上的孔42，从第十滑轮36下方绕过一周，穿过第一基座4，经第十二滑轮47转向，经第十四滑轮45转向，经第十六滑轮46掉头，回到第十四滑轮45掉头，穿过第二基座5后，从第十滑轮36下方绕过一周，穿过近指段3上的孔43，由金属球固定。

此外，进一步改进为，第一手指a，第二手指b轴接旋转装置(如电机等)，旋转装置固定在机座(4、5)上，这样第一手指a，第二手指b不仅可以向图1所示的相对设置，也可以如人手一样平行设置，抓取物品。

使用方式如下：

如图2中所示，第一电机40正向转动时，齿轮13带动齿轮12转动，齿轮12带动第一滚珠丝杠6转动，第一滑块8在第一滚珠丝杠6和第一光轴11的作用下向下运动，第一钢丝绳24被拉紧。此时如图4、图5中所示，第二电机41不转，则齿轮16、齿轮14不转，第二滚珠丝杠7不转，第二滑块9不运动，左右手指近关节处于堵转状态。两电机作用叠加，第三滑轮、第二滑轮18、第一滑轮19绕中心轴旋转，左右指内的中关节、远关节向内发生弯曲，由于两关节间存在耦合弹簧，两者的转角比是一定的；而近关节不发生弯曲。此时手指处于自由运动状态，第四滑轮21不发生旋转。当第一电机40转动过程中某一根手指先触碰到物体时(假定为左指)，则左指中关节、远关节不再继续弯曲，滑块继续下移，第四滑轮21顺时针旋转，右指中关节、远关节继续弯曲，直至右指触碰到物体，电机停转。

如图3中所示，第一电机40反向转动时，齿轮13带动齿轮12转动，齿轮12带动第一滚珠丝杠6转动，第一滑块8在第一滚珠丝杠6和第一光轴11的作用下向上运动，第二钢丝绳29被拉紧。此时如图4、图5中所示，第二电机41不转，则齿轮16、齿轮14不转，第二滚珠丝杠7不转，第二滑块9不运动，左右手指近关节处于堵转状态。两电机作用叠加，第三滑轮、第二滑轮18、第一滑轮19绕中心轴旋转，左右指内的中关节、远关节向外发生弯曲，而近关节不发生弯曲，最终远指段、中指段在机械限位的作用下被拉直。

如图4中所示，第二电机41正向转动时，齿轮16带动齿轮14转动，齿轮14带动第二滚珠丝杠7转动，第二滑块9在第二滚珠丝杠7和第二光轴10的作用下向下运动，第三钢丝绳35被拉紧。此时如图2、图3中所示，第一电机40正向旋转，齿轮13带动齿轮12转动，齿轮12带动第一滚珠丝杠6转动，第一滑块8在第一滚珠丝杠6和第一光轴11的作用下向下运动，第一钢丝绳24被拉紧，第二钢丝绳29被放松，且第一电机40产生的钢丝绳的拉紧量、放松量刚好与近关节向内弯曲产生的钢丝绳放松量、拉紧量相等，最终左右手指近关节向内弯曲，而其余两关节维持原状。此时手指处于自由运动状态，第十五滑轮39不发生旋转。当第二电机41转动过程中某一根手指先触碰到物体时(假定为左指)，则左指近关节不再继续弯曲，而滑块继续下移，第十五滑轮39顺时针旋转，右指近关节继续弯曲，直至右指触碰到物体，电机停转。

如图5中所示，第二电机41反向转动时，齿轮16带动齿轮14转动，齿轮14带动第二滚珠丝杠7转动，第二滑块9在第二滚珠丝杠7和第二光轴10的作用下向上运动，第四钢丝绳44被拉紧。此时如图2、图3中所示，第一电机40反向旋转，齿轮13带动齿轮12转动，齿轮12带动第一滚珠丝杠6转动，第一滑块8在第一滚珠丝杠6和第一光轴11的作用下向上运动，第二钢丝绳29被拉紧，第一钢丝绳24被放松，且第一电机40产生的钢丝绳的拉紧量、放松量刚好与近关节向外弯曲产生的钢丝绳放松量、拉紧量相等，最终左右手指近关节向外弯曲，并最终在机械限位的作用下使近指段与手掌面平行，而其余两关节维持原状。

上述四种手指抓取状态可以线性叠加，从而使手指具有更好的抓取特性以及对物体有一定操作能力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种手指间主被动解耦的协同驱动机构，其特征在于，包括第一手指(a)和第二手指(b)；第一手指(a)和第二手指(b)分别轴接在第一基座(4)和第二基座(5)上，且均包括两个以上指段，相邻指段相互轴接，且第一手指(a)的末端均连接有第一钢丝绳(24)和第二钢丝绳(29)，第二手指(b)的末端均连接有第一钢丝绳(24)和第二钢丝绳(29)；第一钢丝绳(24)和第二钢丝绳(29)分别以同向绕入和绕出的方式绕过相邻指段的轴接处，且第一钢丝绳(24)和第二钢丝绳(29)在每个相邻指段的轴接处绕向相反；第一基座(4)的上部轴接有第六滑轮(20)，下部轴接有第七滑轮(31)；第六滑轮(20)和第七滑轮(31)之间安装有第一升降机构，第一升降机构上轴接有第四滑轮(21)和第九滑轮(30)；第二基座(5)上部轴接有第五滑轮(22)，下部轴接有第八滑轮(32)；第一钢丝绳(24)中部两侧分别绕过第四滑轮(21)和第五滑轮(22)后绕在第六滑轮(20)上；第二钢丝绳(29)中部依次经第七滑轮(31)、第九滑轮(30)，然后再依次经过第七滑轮(31)、第八滑轮(32)进行转向；所述第一手指(a)和第二手指(b)分别与第一基座(4)和第二基座(5)的轴接处安装有第十滑轮(36)；

第一手指(a)与第一基座(4)轴接的近指段(3)的一端连接第三钢丝绳(35)和第四钢丝绳(44)的一端，第二手指(b)与第二基座(5)轴接的近指段(3)之间连接第三钢丝绳(35)和第四钢丝绳(44)的另一端；第一基座(4)上部轴接有第十一滑轮(37)，下部轴接有第十二滑轮(47)；第二基座(5)上部轴接有第十三滑轮(38)，下部轴接有第十四滑轮(45)；第十三滑轮(38)和第十四滑轮(45)之间安装有第二升降机构，第二升降机构上轴接有第十五滑轮(39)和第十六滑轮(46)；第三钢丝绳(35)依次绕过第一基座(4)上的第十滑轮(36)、第十一滑轮(37)、第十三滑轮(38)、第十五滑轮(39)和第二基座(5)上的第十滑轮(36)；第四钢丝绳(44)依次绕过第一基座(4)上的第十滑轮(36)、第十二滑轮(47)、第十四滑轮(45)、第十六滑轮(46)，然后再依次绕过第十四滑轮(45)和第二基座(5)上的第十滑轮(36)。

2.如权利要求1所述的手指间主被动解耦的协同驱动机构，其特征在于，所述第一升降机构包括第一滑块(8)，第一滑块(8)螺纹连接有第一滚珠丝杠(6)并且滑动连接有第一光轴(11)，第一滚珠丝杠(6)连接有第一电机(40)；所述第二升降机构包括第二滑块(9)，第二滑块(9)螺纹连接有第二滚珠丝杠(7)并且滑动连接第二光轴(10)，第二滚珠丝杠(7)连接有第二电机(41)。

3.如权利要求2所述的手指间主被动解耦的协同驱动机构，其特征在于，所述第一手指(a)和第二手指(b)结构相同，均包括轴接在掌座(c)上的近指段(3)且轴接处轴接第一滑轮(19)，近指段(3)轴接中指段(2)的轴接处轴接有第二滑轮(18)，中指段(2)轴接远指段(1)且轴接处轴接有第三滑轮(17)，第一手指(a)和第二手指(b)的近指段(3)分别轴接在掌座(c)的第一基座(4)和第二基座(5)上；第一手指(a)和第二手指(b)的远指段(1)分别固定有第一钢丝绳(24)的端部；第一钢丝绳(24)的固定点处于远指段(1)，第一钢丝绳(24)自第三滑轮(17)上方绕入，然后缠绕第二滑轮(18),并且自第二滑轮(18)上方绕出后经过第一滑轮(19)，然后分别经过第四滑轮(21)和第五滑轮(22)缠绕在第六滑轮(20)上；所述第一手指(a)和第二手指(b)的远指段(1)还分别固定有第二钢丝绳(29)的端部，第二钢丝绳(29)分别缠绕第三滑轮(17)、第二滑轮(18)和第一滑轮(19)，自第三滑轮(17)、第二滑轮(18)和第一滑轮(19)的下方绕入和绕出；第二钢丝绳(29)中部依次经第七滑轮(31)、第九滑轮(30)，然后再依次经过第七滑轮(31)、第八滑轮(32)进行转向后绕在第三滑轮(17)上。

4.如权利要求3所述的手指间主被动解耦的协同驱动机构，其特征在于，所述第四滑轮(21)和第九滑轮(30)同轴轴接在第一滑块(8)上；第十五滑轮(39)和第十六滑轮(46)同轴安装在第二滑块(9)上。

5.如权利要求4所述的手指间主被动解耦的协同驱动机构，其特征在于，所述第四滑轮(21)、第九滑轮(30)、第十五滑轮(39)、第十六滑轮(46)的两侧均分别安装有扭力相反的扭力弹簧(48)。

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