CN111070232B - 一种气动驱动的二指机械手 - Google Patents

Abstract

本发明一种气动驱动的二指机械手，包括手掌和两个对称安装在手掌上的手指；每个手指包括远指节、中指节、近指节、中指节压力传感器、近指节压力传感器、一号腱绳、二号腱绳、一号气动人工肌肉、二号气动人工肌肉、三号气动人工肌肉、中指关节同步带轮、同步带和远指关节同步带轮，远指关节同步带轮固定在远指节的关节轴上，中指关节同步带轮固定在中指节的关节轴上，同步带套装在中指关节同步带轮和远指关节同步带轮上，使远指节和中指节一起转动；一号腱绳套装在近指节的关节轴上，一号腱绳的两端分别连接二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉，二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉构成拮抗关节。该机械手可以抓取较小尺寸的物体，灵活性高。

Description

一种气动驱动的二指机械手

技术领域

本发明属于自动抓取设备技术领域，尤其涉及一种气动驱动的二指机械手。

背景技术

作为机器人的末端执行器，机械手建立了机器人与外界环境之间的联系，机械手的发展时刻影响着机器人在各行各业中的应用。在机械手的发展过程中，研究人员致力于设计出具有通用性、灵活性等特点的机械手，以便能够在不同场景中抓取各种类型的物体。但是，大部分机械手的运动和功能较单一，灵活性不足，尤其是无法通过指尖实现像人手一样对较小物体的抓取。

文献《弹性欠驱动四指灵巧手设计与试验》公开了一种机械手，其驱动单元较少并且控制相对简单，单根手指通过一个驱动单元实现三个关节的转动，这样只能完成包络抓取较大的物体，难以通过指尖实现对较小物体的抓取。文献《Multisensory Five-FingerDexterous Hand》中公开的机械手属于全驱动，手指的每个关节处均设有驱动器，虽然能实现复杂的抓取动作，但是结构复杂，难以控制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种气动驱动的二指机械手；该机械手不仅可以实现包络抓取动作，也可以实现指尖抓取，增加了灵活性。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种气动驱动的二指机械手，包括手掌和两个左右对称安装在手掌上的手指；每个手指包括远指节、中指节、近指节、中指节压力传感器、近指节压力传感器、一号腱绳、二号腱绳、一号气动人工肌肉、二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉；其特征在于，所述手指还包括中指关节同步带轮、同步带和远指关节同步带轮，远指关节同步带轮固定在远指节的关节轴上，中指关节同步带轮固定在中指节的关节轴上，同步带套装在中指关节同步带轮和远指关节同步带轮上，使远指节和中指节一起转动；一号腱绳套装在近指节的关节轴上，一号腱绳的两端分别连接二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉，二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉构成拮抗关节，实现近指节的转动。

所述远指节包括指尖、远指关节轴、远指导向轮、远指节左侧连接板和远指节右侧连接板；中指节包括中指关节轴、扭簧、中指导向轮、中指节左侧连接板、中指节右侧连接板、中指节前侧连接板和中指节后侧连接板；近指节包括近指关节轴、近指导向轮、近指节左侧连接板、近指节右侧连接板、近指节前侧连接板和近指节后侧连接板；

所述远指节左侧连接板和远指节右侧连接板分别固定在指尖底部的左、右两侧，远指关节轴的两端分别与远指节左侧连接板和远指节右侧连接板固连；远指导向轮固定在远指关节轴上；

所述中指节左侧连接板的上部和中指节右侧连接板的上部分别通过转动副与远指关节轴的两端相连，中指关节轴的两端同时与中指节左侧连接板的下部和中指节右侧连接板的下部固连，中指导向轮固定在中指关节轴上；中指节前侧连接板和中指节后侧连接板分别位于手指的前、后侧，均与中指节左侧连接板的上部和中指节右侧连接板固连，中指节压力传感器固定在中指节前侧连接板上；扭簧套装在中指关节轴上，扭簧的两端分别与中指节左侧连接板以及近指节左侧连接板固连；

所述近指节左侧连接板的上部和近指节右侧连接板的上部分别通过转动副与中指关节轴的两端相连近指关节轴的两端同时与近指节左侧连接板的下部和近指节右侧连接板的下部固连；近指关节轴与手掌转动连接；近指导向轮固定在近指关节轴；近指节前侧连接板和近指节后侧连接板分别位于手指的前、后侧，均与近指节左侧连接板和近指节右侧连接板固连；近指节压力传感器固定在近指节前侧连接板上；

所述远指关节同步带轮固定在远指关节轴上，中指关节同步带轮固定在中指关节轴上，同步带套装在远指关节同步带轮和中指关节同步带轮上；

所述二号腱绳的一端固结在指尖上，二号腱绳穿过近指节后侧连接板的通孔，另一端与一号气动人工肌肉的上端固定；一号腱绳套装在近指关节轴上，与近指关节轴固连；一号腱绳的一端与二号气动人工肌肉的上端固连，另一端与三号气动人工肌肉的上端固连。

所述远指导向轮、中指导向轮以及近指导向轮的外表面均设有周向线槽，二号腱绳依次放置在远指导向轮的周向线槽内以及中指导向轮的周向线槽内、穿过近指节后侧连接板的通孔、放置于近指导向轮的周向线槽内，另一端与一号气动人工肌肉的上端固连。

所述近指关节轴靠近中部的位置设有凸台，凸台的外表面设有周向线槽，一号腱绳位于周向线槽内，与近指关节轴固连。

所述中指节后侧连接板的底部设有凸起，近指节后侧连接板的顶部设有凸起，手指伸直状态时，中指节后侧连接板的凸起的下表面与近指节后侧连接板的凸起的上表面接触。

当二号气动人工肌肉伸长或缩短时，三号气动人工肌肉缩短或伸长。

所述手掌包括二号支撑板、一号支撑板和连接杆，二号支撑板和一号支撑板通过多个连接杆连接；一号气动人工肌肉、二号气动人工肌肉以及三号气动人工肌肉均固定在一号支撑板上，一号支撑板固定在机械臂的末端；手指通过轴承座固定在二号支撑板上，且手指能相对该轴承座转动。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明将近指节和远指节的转动分开控制，当近指节和远指节的驱动同步时，可以实现包络抓取动作；当近指节和远指节的驱动不同步时，可以实现指尖抓取，使该机械手可以抓取较小尺寸的物体，灵活性高；通过同步带实现远指节和中指节一起转动，简化了结构，节省了成本。

(2)近指关节为机械手抓握物体时的主要受力关节，采用两个气动人工肌肉构成一对变刚度的拮抗仿生关节，实现近指节相对于手掌的转动，避免了传统刚性机械手抓取刚度过大或者软体机械手刚度太小的缺点，增加了机械手抓取时的柔顺性和安全性。

(3)本发明仿照人体肌腱的传动原理，手指通过腱绳实现运动的传递，使得手指结构紧凑；采用两根手指，减少冗余的手指数量和驱动器数量，降低了控制难度，进一步降低了成本。

(4)手指采用气动人工肌肉作为驱动器，其不仅具有功率/重量比高、功率/体积比大、柔顺性好等特点，还可将气动人工肌肉固有的柔性融入到手指关节的柔性中，吸收运动冲击，增加了机械手的鲁棒性，即机械手抵抗意外破坏的能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的手指从指腹向手背方向看的正视图；

图3为本发明的手指的侧视图；

图4为本发明的手指的爆炸图；

图中：1、手掌；2、手指；

101、二号支撑板；102、一号支撑板；103、连接杆；104、轴承座；

21、远指节；22、中指节；23、近指节；24、中指节压力传感器；25、近指节压力传感器；26、中指关节同步带轮；27、同步带；28、远指关节同步带轮；29、一号腱绳；201、二号腱绳；202、一号气动人工肌肉；203、二号气动人工肌肉；204、连接头；205、三号气动人工肌肉；

211、指尖；212、远指关节轴；213、远指导向轮；214、远指节左侧连接板；215、远指节右侧连接板；216、远指限位螺栓；

221、中指关节轴；222、扭簧；223、中指导向轮；224、中指节左侧连接板；225、中指节右侧连接板；226、中指节前侧连接板；227、中指节后侧连接板；228、中指限位螺栓；

231、近指关节轴；232、近指导向轮；233、近指节左侧连接板；234、近指节右侧连接板；235、近指节前侧连接板；236、近指节后侧连接板；2271、一号凸起；2361、二号凸起。

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，不限制本申请的保护范围。

本发明提供了一种气动驱动的二指机械手(参见图1-4)，包括手掌1和两个安装在手掌1上的手指2；

所述手指2包括远指节21、中指节22、近指节23、中指节压力传感器24、近指节压力传感器25、中指关节同步带轮26、同步带27、远指关节同步带轮28、一号腱绳29、二号腱绳201、一号气动人工肌肉202、二号气动人工肌肉203和三号气动人工肌肉205；

所述远指节21包括指尖211、远指关节轴212、远指导向轮213、远指节左侧连接板214和远指节右侧连接板215；中指节22包括中指关节轴221、扭簧222、中指导向轮223、中指节左侧连接板224、中指节右侧连接板225、中指节前侧连接板226和中指节后侧连接板227；近指节23包括近指关节轴231、近指导向轮232、近指节左侧连接板233、近指节右侧连接板234、近指节前侧连接板235和近指节后侧连接板236；

所述远指节左侧连接板214和远指节右侧连接板215分别固定在指尖211底部的左、右两侧，远指关节轴212的两端分别与远指节左侧连接板214和远指节右侧连接板215固连；远指导向轮213套装在远指关节轴212上，与远指关节轴212过盈配合；远指导向轮213的外表面设有周向线槽，用于二号腱绳201的走线；

所述中指节左侧连接板224的上部和中指节右侧连接板225的上部分别通过轴承与远指关节轴212的两端相连，与远指关节轴212形成转动副；中指关节轴221的两端分别与中指节左侧连接板224的下部和中指节右侧连接板225的下部固连，中指导向轮223套装在中指关节轴221上，与中指关节轴221过盈配合；中指导向轮223的外表面设有周向线槽，用于二号腱绳201的走线；中指节前侧连接板226和中指节后侧连接板227分别位于手指的前、后侧，均与中指节左侧连接板224的上部和中指节右侧连接板225固连，中指节压力传感器24固定在中指节前侧连接板226上；扭簧222套装在中指关节轴221靠近中指节左侧连接板224的一端，扭簧222的两端分别与中指节左侧连接板224以及近指节左侧连接板233固连，用于中指节22弯曲后的复位；

所述近指节左侧连接板233的上部和近指节右侧连接板234的上部分别通过轴承与中指关节轴221的两端相连，与中指关节轴221形成转动副；近指关节轴231的两端分别与近指节左侧连接板233的下部和近指节右侧连接板234的下部固连；近指关节轴231通过轴承座104与手掌1转动连接；近指关节轴231靠近中部的位置设有凸台，凸台的外表面设有周向线槽，用于一号腱绳29的走线；近指导向轮232套装在近指关节轴231未设凸台的位置上，与近指关节轴231过盈配合；近指导向轮232的外表面设有周向线槽，用于二号腱绳201的走线；近指节前侧连接板235和近指节后侧连接板236分别位于手指的前、后侧，均与近指节左侧连接板233和近指节右侧连接板234固连；近指节压力传感器25固定在近指节前侧连接板235上；近指节后侧连接板236上设有竖直的通孔，用于二号腱绳201通过；

远指关节同步带轮28过盈配合在远指关节轴212上，中指关节同步带轮26过盈配合在中指关节轴221上，同步带27套装在远指关节同步带轮28和中指关节同步带轮26上；二号腱绳201带动远指关节轴212转动，通过远指关节同步带轮28和同步带27带动中指关节同步带轮26，进而使远指关节轴212和中指关节轴221同步转动，实现中指节22与远指节21的耦合运动，使中指节22和远指节21一起转动；

所述二号腱绳201的一端固结在指尖211上，二号腱绳201依次放置在远指导向轮213的周向线槽内以及中指导向轮223的周向线槽内、穿过近指节后侧连接板236的通孔、放置于近指导向轮232的周向线槽内，另一端通过连接头204与一号气动人工肌肉202的上端固定，一号气动人工肌肉202的下端固定在手掌1的下部，一号气动人工肌肉202的进气端通过气动比例阀以及气管连接外部气泵；分别通过远指限位螺栓216和中指限位螺栓228对二号腱绳201进行限位，使二号腱绳201始终位于远指导向轮213的周向线槽内以及中指导向轮223的周向线槽内，远指限位螺栓216与远指节左侧连接板214固连，中指限位螺栓228与近指节左侧连接板233固连；

所述一号腱绳29套装在近指关节轴231的凸台的周向线槽内，与近指关节轴231固连；一号腱绳29的一端也通过相应连接头204与二号气动人工肌肉203的上端固连，另一端通过相应连接头204与三号气动人工肌肉205的上端固连；二号气动人工肌肉203的下端和三号气动人工肌肉205的下端均固定在手掌1的下部，二号气动人工肌肉203的进气端和三号气动人工肌肉205的进气端分别通过相应的气动比例阀和气管与外部气泵连接；气动人工肌肉相当于等效变刚度的弹簧，二号气动人工肌肉203和三号气动人工肌肉205构成一对变刚度的拮抗仿生关节，当二号气动人工肌肉203伸长或缩短时，三号气动人工肌肉205缩短或伸长，实现近指节23的转动。

所述手掌1包括二号支撑板101、一号支撑板102和连接杆103，二号支撑板101和一号支撑板102之间通过多个连接杆103连接；一号气动人工肌肉202、二号气动人工肌肉203以及三号气动人工肌肉205均固定在一号支撑板102上，一号支撑板102固定在机械臂的末端；手指2转动安装在二号支撑板101上。

所述中指节后侧连接板227的底部设有一号凸起2271，近指节后侧连接板236的顶部设有二号凸起2361，手指伸直状态时，一号凸起2271的下表面与二号凸起2361的上表面恰好形成面接触，对中指节22进行限位，使中指节22在0°～90°的范围内转动。

所述指尖211采用光敏树脂3D打印成型，指尖211的指腹面呈弧形；每个指节的所有连接板均采用铝合金制成。

本发明的工作原理和工作流程是：

通过控制每根手指的气动人工肌肉的收缩带动腱绳的拉伸来实现手指的运动。

当机械手抓取物体时，每根手指的一号气动人工肌肉202充气收缩变短，拉动二号腱绳201，使远指关节轴212转动，通过远指关节同步带轮28和同步带27带动中指关节同步带轮26，进而使远指关节轴212和中指关节轴221同步转动，使中指节22和远指节21一起转动；与此同时三号气动人工肌肉205充气收缩，二号气动人工肌肉203放气伸长，使近指节转动，实现两个手指的闭合，完成抓取动作；

当完成抓取后，一号气动人工肌肉202放气伸长，在扭簧222的作用下，远指节和中指节复位；三号气动人工肌肉205放气伸长，二号气动人工肌肉203充气收缩，使近指节复位，实现两个手指的张开，释放被抓物体。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种气动驱动的二指机械手，包括手掌和两个左右对称安装在手掌上的手指；每个手指包括远指节、中指节、近指节、中指节压力传感器、近指节压力传感器、一号腱绳、二号腱绳、一号气动人工肌肉、二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉；其特征在于，所述手指还包括中指关节同步带轮、同步带和远指关节同步带轮，远指关节同步带轮固定在远指节的关节轴上，中指关节同步带轮固定在中指节的关节轴上，同步带套装在中指关节同步带轮和远指关节同步带轮上；所述二号腱绳的一端固结在指尖上，另一端与一号气动人工肌肉的上端固定，一号气动人工肌肉的下端固定在手掌的下部；通过一号气动人工肌肉拉动二号腱绳，使远指节和中指节一起转动；一号腱绳套装在近指节的关节轴上，一号腱绳的两端分别连接二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉，二号气动人工肌肉和三号气动人工肌肉构成拮抗关节，实现近指节的转动。

2.根据权利要求1所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，所述远指节包括指尖、远指关节轴、远指导向轮、远指节左侧连接板和远指节右侧连接板；中指节包括中指关节轴、扭簧、中指导向轮、中指节左侧连接板、中指节右侧连接板、中指节前侧连接板和中指节后侧连接板；近指节包括近指关节轴、近指导向轮、近指节左侧连接板、近指节右侧连接板、近指节前侧连接板和近指节后侧连接板；

所述远指节左侧连接板和远指节右侧连接板分别固定在指尖底部的左、右两侧，远指关节轴的两端分别与远指节左侧连接板和远指节右侧连接板固连；远指导向轮固定在远指关节轴上；

所述中指节左侧连接板的上部和中指节右侧连接板的上部分别通过转动副与远指关节轴的两端相连，中指关节轴的两端同时与中指节左侧连接板的下部和中指节右侧连接板的下部固连，中指导向轮固定在中指关节轴上；中指节前侧连接板和中指节后侧连接板分别位于手指的前、后侧，均与中指节左侧连接板的上部和中指节右侧连接板固连，中指节压力传感器固定在中指节前侧连接板上；扭簧套装在中指关节轴上，扭簧的两端分别与中指节左侧连接板以及近指节左侧连接板固连；

所述近指节左侧连接板的上部和近指节右侧连接板的上部分别通过转动副与中指关节轴的两端相连近指关节轴的两端同时与近指节左侧连接板的下部和近指节右侧连接板的下部固连；近指关节轴与手掌转动连接；近指导向轮固定在近指关节轴；近指节前侧连接板和近指节后侧连接板分别位于手指的前、后侧，均与近指节左侧连接板和近指节右侧连接板固连；近指节压力传感器固定在近指节前侧连接板上；

所述远指关节同步带轮固定在远指关节轴上，中指关节同步带轮固定在中指关节轴上，同步带套装在远指关节同步带轮和中指关节同步带轮上；

所述二号腱绳的一端固结在指尖上，二号腱绳穿过近指节后侧连接板的通孔，另一端与一号气动人工肌肉的上端固定；一号腱绳套装在近指关节轴上，与近指关节轴固连；一号腱绳的一端与二号气动人工肌肉的上端固连，另一端与三号气动人工肌肉的上端固连。

3.根据权利要求2所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，所述远指导向轮、中指导向轮以及近指导向轮的外表面均设有周向线槽，二号腱绳依次放置在远指导向轮的周向线槽内以及中指导向轮的周向线槽内、穿过近指节后侧连接板的通孔、放置于近指导向轮的周向线槽内，另一端与一号气动人工肌肉的上端固连。

4.根据权利要求2所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，所述近指关节轴靠近中部的位置设有凸台，凸台的外表面设有周向线槽，一号腱绳位于周向线槽内，与近指关节轴固连。

5.根据权利要求2所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，所述中指节后侧连接板的底部设有凸起，近指节后侧连接板的顶部设有凸起，手指伸直状态时，中指节后侧连接板的凸起的下表面与近指节后侧连接板的凸起的上表面接触。

6.根据权利要求2所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，当二号气动人工肌肉伸长或缩短时，三号气动人工肌肉缩短或伸长。

7.根据权利要求1所述的气动驱动的二指机械手，其特征在于，所述手掌包括二号支撑板、一号支撑板和连接杆，二号支撑板和一号支撑板通过多个连接杆连接；一号气动人工肌肉、二号气动人工肌肉以及三号气动人工肌肉均固定在一号支撑板上，一号支撑板固定在机械臂的末端；手指通过轴承座固定在二号支撑板上，且手指能相对该轴承座转动。

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