CN111152244B - 一种机器蛙人及手掌组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器蛙人及手掌组件，属于机器人技术领域。手掌组件包括掌部座及多根手指；手指包括依序连接布置的关节、指节及关节转角驱动机构；关节转角驱动机构包括用于驱使相邻两指节正向与反向转动的形状记忆合金丝；形状记忆合金丝包括两段以上的形状记忆合金丝段，两段形状记忆合金丝段的相邻接端部由滑块固连；形状记忆合金丝上的滑块可滑动地安装在掌部座和/或指节内。基于该结构改进的手掌组件，能在提高指节动作响应速度的同时，有效地缩短其合金丝的有效长度，可广泛应用于机器人、深海探测等技术领域。

Description

一种机器蛙人及手掌组件

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种机器蛙人及可用于构建该机器蛙人的手掌组件。

背景技术

随着海洋核电、海上风电、海洋石油等重大海洋资源的不断开发利用，水下装备的精准施工安装以及安全运行维护的需求急剧增长；尽管水下自主航行机器人AUV、水下遥控机器人ROV、无人潜航器UUV等海洋机器人等可以完成海洋水下探测、目标搜寻、水下故障定位、样品采集等任务，对于一些复杂且精细的作业任务，仍主要依赖于经验丰富的潜水员来完成。潜水员工作存在着风险大难度高的致命缺点，并且只能在较好海况下工作，而且超过350米水深后，潜水员无法下潜工作。

为了提高作业安全，不断地研发出机器蛙人，主要是具有仿人机械臂，例如专利号为ES2544007的专利文献所公开的人形潜艇机器人，及专利号为JPH08240689的专利文献所公开的类人机器人，即机器蛙人，虽然他们由于仿人结构，而能使用他们完成部分精细工作，但由于其手掌组件为采用手指气缸等夹持机构进行构建，容易对操作物造成损伤，且需要在抓握过程中进行精准的位置控制。

为了解决上述技术问题，人们研发出的类人手的手掌组件，该手掌组件包括掌部座及铰接在该掌部座的边缘基座上的五根手指，每根手指包括通过掌指关节铰接在边缘基座上的近端指节，通过中间关节铰接在近端指节的远侧端部上的中间指节，及通过末端关节铰接在中间指节的远侧端部上的末端指节，及用于驱动相邻接的两个指节绕关节铰轴转动的关节转角驱动机构。其中，转角驱动机构包括可转动地套装在关节铰轴外的多个滑轮，及跨绕于滑轮上且电控的六组形状记忆合金丝；每组形状记忆合金丝包括一根以上的形状记忆合金丝；两组形状记忆合金丝的驱动端固接在近端指节上，两组形状记忆合金丝的驱动端固接在中间指节上，两组形状记忆合金丝的驱动端固接在末端指节上，从而利用一组驱动指节绕关节铰轴正向转动，另一组用于驱动指节绕关节铰轴反向转动。

为了实现能够对指节足够的驱动位移，其需要长距离的形状记忆合金丝，但是存在随着合金丝的长度增加而导致其响应速度降低的问题，且通常合金丝的长度超出掌部座的范围，而不便于安装使用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构改进的手掌组件，以提高指节动作响应速度的同时，有效地缩短其合金丝的有效长度；

本发明的另一目的是提供一种以上述手掌组件构建的机器蛙人。

为了实现上述主要目的，本发明提供的手掌组件包括掌部座及铰接在掌部座的边缘基座上的多根手指；手指包括依序连接布置的掌指关节、近端指节、中间关节、中间指节、末端关节与末端指节，及关节转角驱动机构；关节转角驱动机构包括用于驱使相邻铰接的两指节正向转动的形状记忆合金丝，与反向转动的形状记忆合金丝；形状记忆合金丝包括两段以上相互间电绝缘隔离的形状记忆合金丝段，两段形状记忆合金丝段的相邻接端部由滑块固连；用于驱动近端指节转动的形状记忆合金丝上的滑块可滑动地安装在掌部座内；用于驱动其他指节转动的形状记忆合金丝上的滑块至少有一个可滑动地安装在其所铰接的内端侧指节上。

通过将形状记忆合金丝分成若干段，且相邻两段之间固连，从而能够同时控制多段形状记忆合金丝，在达到足够长的总变形量的情况下，使得每段丝长度变短而能提高整体的响应速度；此外，在两段记忆合金丝段之间通过滑块固连，且该滑块可滑动地安装在对应直接和/或掌部座上，而能对其形状记忆合金丝的移动位移进行限位，不仅确保其能正常工作，且能通过滑块构建不同路径而延长其有效长度。

具体的方案为末端关节与中间关节间布设有转动耦合机构，用于迫使末端关节所连接的两个指节间的转角随中间关节所连接的两个指节间的转角变化，且转角变化比例为1:1.9至1:2.1。将末端关节的转动耦合至中间关节上，而可减少合金丝的使用，同时基于大致为1:2的转角速度，而能更好地提高其抓取动作的有效性与便于控制。

更具体的方案为转动耦合机构为齿轮传动机构，结构简单，便于组装及结构布局；转角变化比例为1:2。

进一步的方案为齿轮传动机构包括与近端指节的外侧端固连且与中间关节同转轴的输入齿轮，与末端指节的近侧端固连且与末端关节同转轴的输出齿轮，及可转动地布设在中间关节的两侧旁上的传递齿轮组。

优选的方案为每段形状记忆合金丝段外套装有热缩管，在热缩管的管腔与形状记忆合金丝段之间始终存有用于填充空气的间隙。从而利用热缩管与合金丝之间的孔隙间隙，降低其散热速率，而有效地确保其响应速度，提高其能量利用率，尤其是在温度较低的水环境中，从而实现水下的低能耗驱动；而在水中，部分热隔离不会降低其散热效率，从而不会对其还原响应速度造成太大的影响。

进一步的方案为在热缩管的两端部与形状记忆合金丝段之间填充有密封用硅脂团。结构简单，便于实施。

进一步的方案为硅脂团与热缩管的外端口之间的间距大于预设值。硅脂团在热缩管中的活动由于活塞，从而有效地避免其出现硅脂团跑出热缩管的问题。

优选的方案为在关节铰轴上可转动地套装有用于跨绕形状记忆合金丝的滑轮。避免与指节相抵靠而损坏，有效地提高其使用寿命。

优选的方案为其上安装有滑块的指节包括筒状本体及限位板，在筒状本体的掌心侧与掌背侧各设有沿指节长度方向布置的卡槽，卡槽沿深度方向贯穿筒状本体的筒壁；限位板上设有与卡槽相平行布置的限位槽；滑块为工字型结构及由工字型结构的一端部外凸形成的限位滑块部，工字型结构的另一端部在套装入卡槽内并旋转90度后，再在筒状本体外安装限位板，且使位于外侧的限位滑块部可滑动地套装在限位槽内。便于滑块结构的组装。

为了实现上述另一目的，本发明提供的机器蛙人包括机身及安装在机身上的仿人机械臂，仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与小臂的末端连接的手掌组件；手掌组件为上述任一技术方案所描述的手掌组件。

附图说明

图1为本发明实施例中机器蛙人的立体图；

图2为本发明实施例中手掌组件的主视图；

图3为本发明实施例中手掌组件在拇指侧视角下的侧视图；

图4为本发明实施例中手指的立体图；

图5为本发明实施例中手指的结构图；

图6为本发明实施例中手指的在区别于图5所示视角下的结构图；

图7为本发明实施例中手指的结构分解图，在该图中略去了关节铰轴；

图8为图7中的A局部放大图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明的主要构思是通过对仿人机械臂中手掌组件的结构进行改进，以提高其响应速度的同时，可有效地缩短形状记忆合金的长度，及便于在掌部座这一有限空间内布设形状记忆合金，而便于对手掌组件的安装。

实施例

参见图1，本发明机器蛙人1包括机身10及安装在该机身10上的仿人机械臂11，该仿人机械臂11包括肩关节12、大臂13、肘关节14、小臂15及通过腕关节与小臂15的末端连接的手掌组件2。在工作过程中，通过光纤01与位于水面上的中转站02进行通信连接。

参见图2至图8，手掌组件2包括掌部座20及铰接在该掌部座20的边缘基座21上的手指21、手指22、手指23、手指24及手指25。如图2及图3所示，构成拇指的手指25其与边缘基座21铰接的铰轴的轴向相对其他四根手指与边缘基座21铰接的铰轴朝内偏转一定角度，从而能模拟人手在抓握物体时拇指的合拢状态，通常为偏转30度至60度，在本实施例中为朝内偏转45度。

在本实施例中，五根手指的结构除了指节长度不同，其他结构相同；在下述的描述，以为拇指的手指25的结构为例进行示例性说明，该手指25包括通过掌指关节31铰接在边缘基座21上的近端指节32，通过中间关节33铰接在近端指节32的远侧端部上的中间指节34，及通过末端关节35铰接在中间指节34的远侧端部上的末端指节36，及用于驱动相邻接的两个指节绕关节铰轴转动的关节转角驱动机构。在本实施例中，每个指节为筒体结构，在本实施例中为方筒结构，且为两端敞口的筒体结构，而掌部座20的内部为腔室结构，用于布设转角驱动机构的部分驱动合金丝与相关组件及电路、控制芯片。此外，在掌部座20上有四根预留接线口，2根用于外部供电，2根用于CAN通信，除此之外整个手部不需要依赖外界的辅助就可以独立完成抓握及各种手势。

在本实施例中，末端关节35与中间关节33间布设有齿轮传动机构4，其包括与近端指节32的外侧端固连且与中间关节33同中心转轴的输入齿轮40，与末端指节36的近侧端固连且与末端关节35同中心转轴的输出齿轮41，及可转动地布设在中间关节34的两侧旁上的传递齿轮42与传递齿轮43，且该四个齿轮构成减速比为1.9：1至2.1：1的减速齿轮组，从而在工作过程中，在驱使中间指节34相对近端指节32转动的过程中，通过该齿轮传动机构4能使末端关节35以减慢至大致为二分之一的转角速度进行转动；即该齿轮传动机构4构成本实施例中的转动耦合机构，其用于迫使末端关节35所连接的末端指节36与中间指节34间的转角随中间关节33所连接的中间指节34与近端指节32间的转角变化，且转角变化比例为1:1.9至1:2.1，在本实施例中，该转角变化比例选为1:2，以此模拟人的手指运动状态，其它满足传动比例的结构也可以用于实现这一目的，例如四连杆机构，并不局限于本实施例中的齿轮传动机构。在本实施例中，传递齿轮42与传递齿轮43分别通过铆钉固定在指节侧面上；为保证齿轮在旋转前后始终不超过指节的宽度，以防止输出齿轮41戳出来或是输入齿轮40卡住传递齿轮42，将输入齿轮40与输出齿轮41切除成如图中所示的不完全齿轮形状，其中，输出齿轮41的圆心角小于180度，而输入齿轮40的圆心角大于180度。

用于驱使中间指节34相对近端指节32绕中间关节33的铰轴转动的转角驱动机构包括可转动地套装在中间关节33的铰轴外的两个滑轮51，可转动地套装在掌指关节31的铰轴外的两个滑轮52，跨绕于滑轮51上且电控的形状记忆合金丝段611，跨绕于滑轮52上且电控的形状记忆合金丝段612，跨绕于滑轮51的另一侧上且电控的形状记忆合金丝段621，跨绕于滑轮52上且电控的形状记忆合金丝段622；形状记忆合金丝段611与形状记忆合金丝段612之间由滑块63固定连接，且两段之间为绝缘隔离并有独立导线进行施加电压而发热驱动，构成本实施例中用于驱使中间指节34相对近端指节32绕中间关节33正向转动的形状记忆合金丝61，即驱使手指向伸直手指的状态转动；形状记忆合金丝段621与形状记忆合金丝段622之间由滑块64固定连接，且两段之间为绝缘隔离并有独立导线进行施加电压而发热驱动，构成本实施例中用于驱使中间指节34相对近端指节32绕中间关节33反向转动的形状记忆合金丝62，即驱使手指向弯曲手指的状态转动；该形状记忆合金丝61、62的驱动端与设于中间指节34上固定孔340、341通过固定件或粘接剂进行固定连接，固定端与掌部座20的内腔壁通过固定件或粘接剂固连，在本实施例中在指节筒壁上设置通孔340、341，并通过过金属3D打印技术在记忆合金丝周围进行打印，使其与滑块结合在一起，从而在小孔处使用打印技术完成小孔的填埋，实现记忆合金丝的固定。

滑块63与滑块64通过导轨机构而可沿近端指节32的轴向往复滑动地安装在近端指节32的内腔3200内，近端指节32包括筒状本体320、限位板321与限位板322，在筒状本体320的掌心侧与掌背侧各设有沿指节长度方向布置的卡槽323与卡槽324，两卡槽沿深度方向贯穿筒状本体320的筒壁；在限位板321及限位板322上各设有和卡槽323及卡槽324相平行布置的限位槽3210与限位槽3220。两个滑块的结构及安装结构相同，下述将以滑块64及其安装结构为例进行示例性说明；如图4、图7及图8所示，在本实施例中，滑块64的本体为工字型结构及由该工字型结构的一端部外凸形成的限位滑块部640，该工字型结构本体的另一端部在套装入卡槽323内并旋转90度后，再在筒状本体320外安装限位板321，且使位于外侧的限位滑块部640可滑动地套装在限位槽3210内。在安装过程中，形状记忆合金丝61与形状记忆合金丝62的驱动端连接位置在指节轴向上不同或在宽度方向不同，而避免相互干涉接触。

用于驱使近端指节32相对掌部座20绕掌指关节31的铰轴转动的转角驱动机构包括可转动地套装在近端关节31的铰轴外的两个滑轮53，跨绕于滑轮53上且电控的第一形状记忆合金丝段，布设在掌部座20的内腔内的第二形状记忆合金丝段，跨绕于滑轮53的另一侧上且电控的第三形状记忆合金丝段，布设在掌部座20的内腔内的第四形状记忆合金丝段；第一形状记忆合金丝段与第二形状记忆合金丝段之间由第一滑块固定连接，且两段之间为绝缘隔离并有独立导线进行施加电压而发热驱动，构成本实施例中用于驱使近端指节32相对掌部座20绕掌指关节31正向转动的第一形状记忆合金丝，即驱使手指向伸直手指的状态转动；第三形状记忆合金丝段与第四形状记忆合金丝段之间由第二滑块固定连接，且两段之间为绝缘隔离并有独立导线进行施加电压而发热驱动，构成本实施例中用于驱使近端指节32相对掌部座20绕近端关节31反向转动的第二形状记忆合金丝，即驱使手指向弯曲手指的状态转动；第一形状记忆合金丝与第二形状记忆合金丝的驱动端与设于近端指节32上固定孔329通过固定件、打印块或粘接剂进行固定连接，固定端与掌部座20的内腔壁通过固定件或粘接剂固连。在本实施例中，第一滑块与第二滑块通过类似上述滑块63与滑块64在中间指节34上的安装结构相同地安装在掌部座20的内腔壁内，在此不再赘述。

即在本实施例中，形状记忆合金丝61、62包括两段以上相互间电绝缘隔离的形状合金丝段，在本实施例中为两段，两段该形状记忆合金丝段的相邻接端部由滑块63、64固连；用于驱动近端指节32转动的形状合金丝上的滑块通过导轨机构而可滑动地安装在掌部座20内；用于驱动中间指节34转动的形状合金丝上的滑块至少有一个通过导轨机构而可滑动地安装在其所铰接的内端侧指节上，即安装在近端指节32上；若也采用形状记忆合金丝驱使末端指节36转动的话，其形状记忆合金丝上的滑块通过导轨机构而可滑动地安装在中间指节34与近端指节32上。

通过在关节铰轴上布设滑轮，从而构建悬空的合金丝，其仅在滑轮表面有摩擦，且滑轮能有效地确保合金丝两端的张力没有损失。在本实施例中，经过设计，使得弯曲状态下，记忆合金丝段621与中间指节的上表面接近垂直，可以获得最大的抓握力；而张开过程中，由于记忆合金丝段612一直在滑轮上，其相对中间指节34的下表面的角度保持不变，可以获得稳定的张开力。

在本实施例中，每个形状记忆合金丝由两段以上的形状记忆合金丝段拼接而成，为了提高每段形状记忆合金丝段驱动拉力，可以将多根形状记忆合金丝段捻成一股绳段结构。

在本实施例中，使用布置在结构内部的形状记忆合金丝控制手指的弯曲与伸直，即通过对形状记忆合金丝施加电压而发热，并随其温度变化而伸缩；为了提高其加热响应速度，每段形状记忆合金丝段外套装有热缩管，并在该热缩管的管腔与形状记忆合金丝段之间始终存有用于填充空气的间隙；在热缩管的两端部与形状记忆合金丝段之间填充有密封用硅脂团，且该硅脂团与热缩管的外端口之间的间距大于预设值。

在上述实施例中，每根手指的伸直弯曲状态由独立的转角驱动机构进行驱使，而可以做出多种动作。记忆合金丝仅有5％左右的收缩量，需要足够的长度才能够实现手指的大角度弯曲。但过长的合金丝会导致响应速度变慢。经过试验，对于手指关节3而言，在当前的布置的结构下，滑块固定的话会导致收缩量不足，而如果延长丝到手掌再固定则收缩量冗余过大，导致响应速度不佳。因此在关节3中加入了叠加机构。由于金属能够导电，因此滑块两端的记忆合金丝可以作为一根丝控制，但是响应效率与两根短丝一致。工作时，连接到手掌的合金丝拉动滑块后移，同时利用两段记忆合金丝拉动中间指节34转动，实现叠加工作。该结构设计的要点在于滑块的高度应在保证两端合金丝水平，且越水平力传递效果越好；和自身稳定滑动上找到平衡，过高容易导致滑块移动过程中倾斜，增大摩擦。同时，由于该结构使用限位板固定，可以在有限的空间内使用多片限位板与滑块的方式实现多级串联，在必要时增大收缩量。且在安装过程中，首先将根记忆合金丝与滑块连接，然后将滑块穿过手指关节上的卡槽并旋转90度，随后将记忆合金丝的另一头取出，用于连接其他结构。最后盖上限位板完成固定。

对于手指关节上的驱动，一定需要在相邻关节处添加叠加机构以保证驱动效果。为尽量减小记忆合金丝拉动指关节的过程中，对指关节施加扭转方向的不稳定力，驱动端固定点选择在手指中间，或两个对称点。在正常拉动过程中，形状记忆合金丝驱动端固定点和滑轮间的微小夹角不会对手指驱动产生较大的影响。两侧的记忆合金丝连接在滑块上，滑块再引出垂直的记忆合金丝线绕过掌指关节滑轮连接到手掌。当掌指关节转动，合金丝驱动端和固定端的相对位置会减小，此时记忆合金丝会处于松动状态，离开滑轮。在有叠加机构的情况下，滑块、滑轮、手掌固定端保持在一条线上，收缩拉紧后形状记忆合金丝能自动回到滑轮上；在没有叠加机构的情况下，直接将合金丝跨过掌指关节连接到手掌处，合金丝驱动端、滑轮、手掌固定端不再一条直线上，收缩拉紧后形状记忆合金丝会脱离滑轮，对后续驱动产生影响。

Claims (12)

1.一种手掌组件，包括掌部座及铰接在所述掌部座的边缘基座上的多根手指；所述手指包括依序连接布置的掌指关节、近端指节、中间关节、中间指节、末端关节与末端指节，及关节转角驱动机构；所述关节转角驱动机构包括用于驱使相邻铰接的两指节正向转动的形状记忆合金丝，与反向转动的形状记忆合金丝；

其特征在于：

所述形状记忆合金丝包括两段以上的形状记忆合金丝段，两段所述形状记忆合金丝段的相邻接端部由滑块固连；用于驱动所述近端指节转动的形状记忆合金丝上的滑块可滑动地安装在所述掌部座内；用于驱动其他指节转动的形状记忆合金丝上的滑块至少有一个可滑动地安装在其所铰接的内端侧指节上。

2.根据权利要求1所述的手掌组件，其特征在于：

所述末端关节与所述中间关节间布设有转动耦合机构，用于迫使所述末端关节所连接的两个指节间的转角随所述中间关节所连接的两个指节间的转角变化，且转角变化比例为1:1.9至1:2.1。

3.根据权利要求2所述的手掌组件，其特征在于：

所述转动耦合机构为齿轮传动机构；

所述转角变化比例为1:2。

4.根据权利要求3所述的手掌组件，其特征在于：

所述齿轮传动机构包括与所述近端指节的外侧端固连且与所述中间关节同转轴的输入齿轮，与所述末端指节的近侧端固连且与所述末端关节同转轴的输出齿轮，及可转动地布设在所述中间关节的两侧旁上的传递齿轮组。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的手掌组件，其特征在于：

每段所述形状记忆合金丝段外套装有热缩管，在所述热缩管的管腔与所述形状记忆合金丝段之间始终存有用于填充空气的间隙。

6.根据权利要求5所述的手掌组件，其特征在于：

在所述热缩管的两端部与所述形状记忆合金丝段之间填充有密封用硅脂团。

7.根据权利要求6所述的手掌组件，其特征在于：

所述硅脂团与所述热缩管的外端口之间的间距大于预设值。

8.根据权利要求5所述的手掌组件，其特征在于：

在关节铰轴上可转动地套装有用于跨绕所述形状记忆合金丝的滑轮。

9.根据权利要求5所述的手掌组件，其特征在于：

其上可滑动地安装有所述滑块的指节包括筒状本体及限位板，在所述筒状本体的掌心侧与掌背侧各设有沿指节长度方向布置的卡槽，所述卡槽沿深度方向贯穿所述筒状本体的筒壁；所述限位板上设有与所述卡槽相平行布置的限位槽；

所述滑块为工字型结构及由所述工字型结构的一端部外凸形成的限位滑块部，工字型结构的另一端部在套装入所述卡槽内并旋转90度后，再在所述筒状本体外安装所述限位板，且使位于外侧的所述限位滑块部可滑动地套装在所述限位槽内。

10.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的手掌组件，其特征在于：

在关节铰轴上可转动地套装有用于跨绕所述形状记忆合金丝的滑轮。

11.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的手掌组件，其特征在于：

其上可滑动地安装有所述滑块的指节包括筒状本体及限位板，在所述筒状本体的掌心侧与掌背侧各设有沿指节长度方向布置的卡槽，所述卡槽沿深度方向贯穿所述筒状本体的筒壁；所述限位板上设有与所述卡槽相平行布置的限位槽；

所述滑块为工字型结构及由所述工字型结构的一端部外凸形成的限位滑块部，工字型结构的另一端部在套装入所述卡槽内并旋转90度后，再在所述筒状本体外安装所述限位板，且使位于外侧的所述限位滑块部可滑动地套装在所述限位槽内。

12.一种机器蛙人，包括机身及安装在所述机身上的仿人机械臂，所述仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与所述小臂的末端连接的手掌组件；

其特征在于：

所述手掌组件为权利要求1至11任一项权利要求所述的手掌组件。

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