CN109877868B - 一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，并公开了一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指。该手指由三个指节和一个基座组成，采用电机、圆锥齿轮系传动，只需要一个电机即可实现手指的转动：首先，电机通过减速器驱动第一圆锥齿轮，进而带动与之相啮合的第二圆锥齿轮，实现近指节的转动；然后，在多连杆机构的连接作用下，将传动传递到中指节，实现中指节的转动；远指节与中指节的传动方式与此类似。该手指实现了耦合运动和自适应运动的融合，通过手指间的配合可以实现对物体的捏取和自适应包络。此外，本发明结构紧凑，传递精度高，体积小，且能根据需要调节两个圆锥齿轮之间的传动比实现不同角度的偏转，适合作为仿人灵巧手使用。

Description

一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指的结构设计。

背景技术

随着应用范围的扩大和作业水平的提高，机器人为人类完成各种各样的任务的同时，任务的多样化对机器人的末端执行器的要求也日渐提高。传统的机器人专用夹持器只能对特定的少数物体进行抓取和操作，通用性较差，无法广泛应用于各种各样变化的场合。基于仿人手的设想，灵巧手应运而生，具有适应性好、自由度高和抓取模式丰富等优点，在危险环境探测、外太空探索、物流搬运、工业装配、康复医疗以及智能制造等领域都有较为广泛的应用。灵巧手的发展经历了全驱动型灵巧手、单自由度型灵巧手以及欠驱动型灵巧手几个阶段：

全驱动型灵巧手的抓握性能能够与人手相媲美，甚至在抓握输出力和抓取速度等方面还优于人手，但是全驱动型灵巧手通常具有复杂的结构、过多的驱动器和传感器，增加了控制的难度，且质量重、体积大、制造与维护成本高，这类灵巧手的代表有美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MIT Hand、英国Shadow机器人公司的Shadow Hand、德国宇航中心研发的DLR系列灵巧手、哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR Hand等。

单自由度型灵巧手只有一个自由度，结构简单，易于控制，只能实现简单的闭合动作，具有较大的抓握力，相应速度比较快，但是仿生性能差，拟人化程度低。

欠驱动型灵巧手可分为自适应欠驱动灵巧手和耦合欠驱动灵巧手：自适应欠驱动灵巧手指可以根据抓取对象的形状而将之包络于手指中，具有很好的自适应性，但是存在抓取不稳定的现象；耦合欠驱动灵巧手指能够加快手指对物体的包络，从而使手指机构更加紧凑，使抓握过程更加接近自然手，但是不具有自适应性，对多数物体不能实现较好的抓握效果。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足之处，提供一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，该手指将耦合运动和自适应运动融合为一体，结构紧凑，传递精度高，体积小，适合作为仿人灵巧手使用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

本发明设计的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，包括：远指节、中指节、近指节、基座、减速器、电机、编码器、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、近指节轴、中指节轴、远指节轴，以及近指、中指节、远指节中的连杆和弹性元件；所述减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与所述的第一圆锥齿轮连接，第一圆锥齿轮与所述的第二圆锥齿轮啮合，第二圆锥齿轮与所述的近指节轴采用键连接；所述的近指节与基座通过近指节轴转动连接，中指节与近指节通过中指节轴转动连接，远指节与中指节通过远指节轴转动连接；所述的近指节轴、中指节轴、远指节轴的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节、中指节、远指节中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆、中指节传动连杆、中指节耦合连杆、中指节滑块、中指节压缩弹簧、中指节限位块、近指节连杆、近指节传动连杆、近指节耦合连杆、近指节滑块、近指节压缩弹簧、近指节限位块。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的近指节传动连杆和中指节传动连杆均由三部分构成，以近指节传动连杆为例加以说明，近指节传动连杆包括第一连接头、双头螺纹杆、第二连接头，第一连接头与近指节连杆转动连接，第二连接头与中指节连杆转动连接，双头螺纹杆的两端分别连接第一连接头和第二连接头，其与第二连接头连接的一端的螺纹比与其与第一连接头连接的一端的螺纹要长。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：近指节和中指节各自存在一组具有耦合自适应特性的多连杆机构，以近指节为例，近指节侧壁、近指节连杆、近指节传动连杆、中指节连杆构成自适应连杆机构，近指节连杆和近指节传动连杆绕近指节传动连杆轴转动连接，近指节传动连杆和中指节连杆绕中指节传动连杆轴转动连接；近指节侧壁、近指节连杆、近指节传动连杆、近指节滑块、近指节耦合连杆构成等效耦合连杆机构，近指节传动连杆与近指节滑块同轴连接，近指节滑块和近指节耦合连杆转动连接，近指节耦合连杆与基座绕近指节耦合连杆轴转动连接。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的中指节限位块、近指节限位块，以螺纹连接方式分别与中指节传动连杆、近指节传动连杆的螺纹杆部分连接，以近指节限位块为例，通过正转或者反转可以调节近指节限位块在近指节传动连杆上的相对位置，改变近指节滑块和近指节压缩弹簧的运动范围，进而改变近指节中的等效耦合连杆机构的初始构型，从而改变手指装置运动前近指节、中指节、远指节的初始位姿。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的中指节压缩弹簧、近指节压缩弹簧，也可以采用拉簧、片簧或者板簧；中指节压缩弹簧和近指节压缩弹簧初始处于压缩状态或自然伸长状态，在手指运动过程中，通过改变弹簧的状态，可以实现三个指节之间的耦合运动和自适应运动的切换，实现对物体的捏取和包络抓握。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的电机可以采用步进电机或者其他具有自锁装置的直流电机，且电机配置有所述编码器。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：在近指节、中指节、远指节与物体发生接触的指腹位置安装有压力传感器。

本发明所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：通过调节两个圆锥齿轮之间的传动比可实现不同角度、不同速率的弯曲转动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明在近指节和中指节之间、中指节和远指节之间均设计了自适应连杆机构和等效耦合连杆机构，实现了耦合运动和自适应运动的融合：手指装置接触物体前，三个指节之间呈多指节耦合运动模式，可以加快对物体的包络速度，通过手指间的配合可以实现对物体的捏取操作；当手指的近指节或者中指节接触物体后，由于等效耦合连杆机构中的弹簧的可压缩性，后续指节可采用自适应方式抓握物体，能够实现对物体的自适应包络。此外，本发明结构紧凑，传递精度高，体积小，且能根据需要调节两个圆锥齿轮之间的传动比实现不同角度的偏转，适合作为仿人灵巧手使用。

附图说明

图1是本发明设计的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指的三维立体图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的右视图。

图4是图1所示实施例的局部剖视图，也是图1的左视图。

图5是图1所示实施例的近指节传动连杆的三维立体图。

图中的数字和构件的对应关系为：

1—远指节，2—中指节，3—近指节，4—基座，5—减速器，6—电机，7—编码器，8—物体，9—第一圆锥齿轮，10—第二圆锥齿轮，101—远指节轴，201—中指节轴，202—中指节连杆，203—中指节传动连杆，204—中指节耦合连杆，205—中指节滑块，206—中指节压缩弹簧，207—中指节限位块，208—中指节耦合连杆轴，209—中指节传动连杆轴，301—近指节轴，302—近指节连杆，303—近指节传动连杆，304—近指节耦合连杆，305—近指节滑块，306—近指节压缩弹簧，307—近指节限位块，308—近指节耦合连杆轴，309—近指节传动连杆轴。

具体实施方式

下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的仅仅实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明设计的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指的一种实施例，如图1至图5所示。本实施例由远指节1、中指节2、近指节3、基座4组成，包括减速器5、电机6、编码器7，第一圆锥齿轮9、第二圆锥齿轮10，近指节轴301、中指节轴201、远指节轴101以及近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件；所述减速器5与基座4固接，电机6的输出轴与减速器5的输入轴连接，减速器5的输出轴与所述的第一圆锥齿轮9连接，第一圆锥齿轮9与所述的第二圆锥齿轮10啮合，第二圆锥齿轮10与所述的近指节轴301采用键连接；所述的近指节3与基座4通过近指节轴301转动连接，中指节2与近指节3通过中指节轴201转动连接，远指节1与中指节2通过远指节轴101转动连接；所述的近指节轴301、中指节轴201、远指节轴101的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆202、中指节传动连杆203、中指节耦合连杆204、中指节滑块205、中指节压缩弹簧206、中指节限位块207、近指节连杆302、近指节传动连杆303、近指节耦合连杆304、近指节滑块305、近指节压缩弹簧306、近指节限位块307。

本实施例中所述的近指节传动连杆303和中指节传动连杆203均由三部分构成，以近指节传动连杆303为例加以说明，近指节传动连杆303包括第一连接头3031、双头螺纹杆3032、第二连接头3033，第一连接头3031与近指节连杆302转动连接，第二连接头3033与中指节连杆202转动连接，双头螺纹杆3032的两端分别连接第一连接头3031和第二连接头3033，其与第二连接头3033连接的一端的螺纹柱比与其与第一连接头3031连接的一端的螺纹柱要长。

本实施例中，近指节3和中指节2各自存在一组具有耦合自适应特性的多连杆机构，以近指节3为例，近指节侧壁、近指节连杆302、近指节传动连杆303、中指节连杆202构成自适应连杆机构，近指节连杆302和近指节传动连杆303绕近指节传动连杆轴309转动连接，近指节传动连杆303和中指节连杆202绕中指节传动连杆轴209转动连接；近指节侧壁、近指节连杆302、近指节传动连杆303、近指节滑块305、近指节耦合连杆304构成等效耦合连杆机构，近指节传动连杆303与近指节滑块305同轴连接，近指节滑块305和近指节耦合连杆304转动连接，近指节耦合连杆304与基座4绕近指节耦合连杆轴308转动连接。

本实施例所述的中指节限位块207、近指节限位块307，以螺纹连接方式分别与中指节传动连杆203、近指节传动连杆303的螺纹杆部分连接，以近指节限位块307为例，通过正转或者反转可以调节近指节限位块307在近指节传动连杆303上的相对位置，改变近指节滑块305和近指节压缩弹簧306的运动范围，进而调节近指节3中的等效耦合连杆机构的初始构型，从而改变手指装置运动前近指节3、中指节2、远指节1的初始位姿。

本实施例所述的中指节压缩弹簧206、近指节压缩弹簧306，也可以采用拉簧、片簧或者板簧，中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306初始处于压缩状态或自然伸长状态，可以实现如下效果：手指初始处于自然伸直状态，手指从初始位姿开始转动，在任一指节与物体8接触之前，手指的三个指节以耦合的方式转动，即近指节3相对于基座4有所转动的同时，中指节2相对于近指节3有所转动，远指节1相对于中指节2有所转动，在此过程中，中指节压缩弹簧206、近指节压缩弹簧306的状态不发生改变，中指节耦合连杆204和近指节耦合连杆304各自相对于中指节耦合连杆轴208和近指节耦合连杆轴308顺时针转动；当近指节3接触物体8后，电机6继续正转，此时近指节耦合连杆304相对于近指节耦合连杆轴308逆时针转动，使得近指节压缩弹簧306被压缩，中指节耦合连杆204相对于中指节耦合连杆轴208仍顺时针转动，中指节压缩弹簧206保持初始状态，远指节1相对于中指节2仍以耦合方式转动；当中指节2接触物体8后，电机6继续正转，近指节压缩弹簧306被进一步压缩，中指节耦合连杆204相对于中指节耦合连杆轴208逆时针转动，中指节压缩弹簧206被压缩；电机6继续正转，中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306同时被进一步压缩，直到远指节1接触物体8，完成对物体8的包络抓握。

本实施例中所述的电机6可以采用步进电机或者其他具有自锁装置的直流电机，且电机配置有所述编码器7。

本实施例中，在近指节3、中指节2、远指节1与物体8发生接触的指腹位置安装有压力传感器。

本实施例中，通过调节第一圆锥齿轮9、第二圆锥齿轮10之间的传动比可实现不同角度、不同速率的弯曲转动。

本发明实施例的工作原理，具体阐述如下：

本实施例的初始位姿与人手手指的自然伸直状态类似。

本实施例执行抓握操作时，电机6正向转动，通过减速器5、第一圆锥齿轮9、第二圆锥齿轮10带动近指节轴301转动，近指节轴301带动与其固接的近指节连杆302转动；近指节3绕近指节轴301转动的同时，中指节连杆202与近指节3之间有相对转动，从而带动中指节2相对于近指节3转动；中指节2绕中指节轴201转动的同时，远指节1相对于中指节2有相对转动。在这个过程中，中指节压缩弹簧206、近指节压缩弹簧306不发生变形，此时手指的三个指节均不接触物体8，采用多指节耦合方式转动，即近指节3绕近指节轴301相对基座4转动，同时中指节2绕中指节轴201相对近指节3转动，远指节1绕远指节轴101相对中指节2转动，直到各个指节运动到极限位置。

本实施例在抓握物体并与物体发生接触的过程中，可能会出现以下三种情形：

(1)近指节3首先接触物体8，此时近指节3因受限制而无法继续转动，在电机6驱动下，近指节连杆302继续随近指节轴301转动，近指节耦合连杆304绕近指节耦合连杆轴308逆时针转动，使得近指节压缩弹簧306被压缩，近指节传动连杆303带动中指节连杆202绕中指节轴201转动，中指节2相对于近指节3绕中指节轴201转动，中指节耦合连杆204绕中指节耦合连杆轴208顺时针转动，中指节压缩弹簧206不发生变形，中指节传动连杆203带动远指节1转动，此时，远指节1以耦合方式相对于中指节2转动，中指节2以自适应方式绕中指节轴201转动；当中指节2接触到物体8，近指节连杆302、中指节连杆202仍然分别绕近指节轴301和中指节轴201转动，中指节耦合连杆204绕中指节耦合连杆轴208逆时针转动，使得中指节压缩弹簧306被压缩，远指节1以自适应方式绕远指节轴101相对于中指节2转动，直到远指节1接触物体8，完成对物体8的包络，同时近指节连杆302停止转动。在这个过程中，中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306都发生变形。在这种情形下，通过多根手指的相互配合，可以实现对物体的包络抓取。

(2)中指节2首先接触物体8，此时中指节2因受限制而无法继续转动，从而通过中指节轴201限制了近指节3进一步转动，但由于中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306可被压缩的特点，近指节连杆302会继续转动，并通过近指节传动连杆303、中指节连杆202、中指节传动连杆203、中指节耦合连杆204带动远指节1继续转动，直到远指节1接触物体8，近指节连杆302才停止转动。在这个过程中，中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306都发生变形。在这种情形下，通过多根手指的相互配合，可以实现对物体的包络抓取。

(3)远指节1首先接触物体8，此时远指节1因受限制而无法继续转动，同时中指节2和近指节3也停止转动，中指节压缩弹簧206和近指节压缩弹簧306不发生变形。在这种情形下，通过多根手指的相互配合，可以实现对物体的捏取操作。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：包括远指节(1)，中指节(2)，近指节(3)，基座(4)，包括减速器(5)，电机(6)，编码器(7)，第一圆锥齿轮(9)，第二圆锥齿轮(10)，近指节轴(301)，中指节轴(201)，远指节轴(101)以及近指节(3)、中指节(2)、远指节(1)中的连杆和弹性元件；所述减速器(5)与基座(4)固接，电机(6)的输出轴与减速器(5)的输入轴连接，减速器(5)的输出轴与所述的第一圆锥齿轮(9)连接，第一圆锥齿轮(9)与所述的第二圆锥齿轮(10)啮合，第二圆锥齿轮(10)与所述的近指节轴(301)采用键连接；所述的近指节(3)与基座(4)通过近指节轴(301)转动连接，中指节(2)与近指节(3)通过中指节轴(201)转动连接，远指节(1)与中指节(2)通过远指节轴(101)转动连接；所述的近指节轴(301)、中指节轴(201)、远指节轴(101)的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节(3)、中指节(2)、远指节(1)中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆(202)、中指节传动连杆(203)、中指节耦合连杆(204)、中指节滑块(205)、中指节压缩弹簧(206)、中指节限位块(207)、近指节连杆(302)、近指节传动连杆(303)、近指节耦合连杆(304)、近指节滑块(305)、近指节压缩弹簧(306)、近指节限位块(307)；

所述的近指节传动连杆(303)和中指节传动连杆(203)均由三部分构成，以近指节传动连杆(303)为例加以说明，近指节传动连杆(303)包括第一连接头(3031)、双头螺纹杆(3032)、第二连接头(3033)，第一连接头(3031)与近指节连杆(302)转动连接，第二连接头(3033)与中指节连杆(202)转动连接，双头螺纹杆(3032)的两端分别连接第一连接头(3031)和第二连接头(3033)，其与第二连接头(3033)连接的一端的螺纹柱比与其与第一连接头(3031)连接的一端的螺纹柱要长；

近指节(3)和中指节(2)各自存在一组具有耦合自适应特性的多连杆机构，以近指节(3)为例，近指节侧壁、近指节连杆(302)、近指节传动连杆(303)、中指节连杆(202)构成自适应连杆机构，近指节连杆(302)和近指节传动连杆(303)绕近指节传动连杆轴(309)转动连接，近指节传动连杆(303)和中指节连杆(202)绕中指节传动连杆轴(209)转动连接；近指节侧壁、近指节连杆(302)、近指节传动连杆(303)、近指节滑块(305)、近指节耦合连杆(304)构成等效耦合连杆机构，近指节传动连杆(303)与近指节滑块(305)同轴连接，近指节滑块(305)和近指节耦合连杆(304)转动连接，近指节耦合连杆(304)与基座(4)绕近指节耦合连杆轴(308)转动连接；

所述的中指节限位块(207)、近指节限位块(307)，以螺纹连接方式分别与中指节传动连杆(203)、近指节传动连杆(303)的螺纹杆部分连接。

2.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：以近指节限位块(307)为例，通过正转或者反转可以调节近指节限位块(307)在近指节传动连杆(303)上的相对位置，改变近指节滑块(305)和近指节压缩弹簧(306)的运动范围，进而调节近指节(3)中的等效耦合连杆机构的初始构型，从而改变手指装置运动前近指节(3)、中指节(2)、远指节(1)的初始位姿。

3.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：所述的中指节压缩弹簧(206)、近指节压缩弹簧(306)，也可以采用拉簧、片簧或者板簧，中指节压缩弹簧(206)和近指节压缩弹簧(306)初始处于压缩状态或自然伸长状态，可以实现如下效果：手指初始处于自然伸直状态，手指从初始位姿开始转动，在手指运动过程中，通过改变弹簧的状态，可以实现三个指节之间的耦合运动和自适应运动的切换，实现对物体(8)的捏取和包络抓握。

4.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：所述的电机(6)可以采用步进电机或者其他具有自锁装置的直流电机，且电机配置有所述编码器(7)。

5.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：在近指节(3)、中指节(2)、远指节(1)与物体(8)发生接触的指腹位置安装有压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：通过调节第一圆锥齿轮(9)、第二圆锥齿轮(10)之间的传动比可实现不同角度、不同速率的弯曲转动。

7.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：在近指节(3)和中指节(2)之间、中指节(2)和远指节(1)之间均设计了自适应连杆机构和等效耦合连杆机构，实现了耦合运动和自适应运动的融合：手指装置接触物体(8)前，三个指节之间呈多指节耦合运动模式，可以加快对物体(8)的包络速度，通过手指间的配合可以实现对物体(8)的捏取操作；当手指的近指节或者中指节接触物体(8)后，由于等效耦合连杆机构中的弹簧的可压缩性，后续指节可采用自适应方式抓握物体(8)，能够实现对物体(8)的自适应包络。

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