CN111168698B - 一种绳驱动仿生机械手爪及康复护理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绳驱动仿生机械手爪及康复护理装置，包括直线导轨和驱动机构，直线导轨上设有两个滑块，每个滑块处安装有一个多关节组件，所述多关节组件包括多个首尾依次铰接的指节，最靠近滑块的一个指节与滑块固定连接，两个滑块之间的距离能够调节，以改变两个多关节组件之间的距离，同一多关节组件中的指节能够相互转动，以实现夹持空间中物品的夹持与放松；所述驱动机构能够驱动两个滑块沿直线导轨相对运动，以及相邻指节之间的相互转动；所述驱动机构与滑块、指节之间的连接关系被设置为：所述驱动机构能够在滑块处的指节触碰物体后，驱动多关节组件中的多个指节相互转动，以使得多关节组件弯曲并完成物体的夹持。

Description

一种绳驱动仿生机械手爪及康复护理装置

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种绳驱动仿生机械手爪及康复护理装置。

背景技术

我国已进入老龄化社会，目前对于失去自理能力的长期卧床失能人员的康复护理主要靠病人家属或护工完成，工作量极大，且护工短缺、护理费用高，已成为家庭和社会的严重负担。因此，研究一种模仿人手的仿生机械手爪，能直接抓握住人上肢或者下肢完成康复或护理动作，对构建高柔性、高通用性、人-机友好的康复护理机器人系统具有重要作用。

与工业领域或其他应用场合不同，以人体上肢或下肢为被抓取对象对机械手爪的结构设计提出了更高的要求，如：

(1)机械手爪对人肢体的包络性要好，以减小手爪抓握人肢体时产生应力集中，增加人体安全性和舒适性；

(2)抓取物体的直径尺寸适用范围要大，因为不同人的上肢、下肢直径尺寸范围差别很大，大的尺寸范围有利于增加机械手爪的通用性；

(3)结构、控制简单，重量轻。结构、控制简单有利于提高康复护理操作的可靠性，而机械手爪作为机械臂的负载，其重量越轻越有利于提高机器人系统的负载能力及可靠性。除此之外，因为人肢体较重，所以机械手爪要有较大的负载能力。

发明人了解到，目前相关的研究，如CN108748254，CN103231385，CN101474795，CN105150235中分别公开了相应的机械手爪，但是这些专利都普遍存在以下问题：指根与指根之间的距离无法改变，抓取圆柱状物体时的尺寸范围较小且系统刚度较低。另外，大多需要较多电机和传感器，控制复杂且手指间的内力无法自动平衡和协调。

CN101474795和CN108748254在调整指的位姿时依赖于绳的摩擦力，存在打滑的问题。CN101474795和CN103231385中，两个或多个指关节之间由于齿轮或驱动绳的作用存在确定的运动关系，柔性较差。CN108748254和CN105150235中机械手爪的整体体积较大，不利于安装和灵活应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳驱动仿生机械手爪及康复护理装置，能解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种绳驱动仿生机械手爪，包括直线导轨和驱动机构。直线导轨上设有两个滑块，每个滑块处安装有一个多关节组件，两个多关节组件之间形成夹持空间；

所述多关节组件包括多个首尾依次铰接的指节，最靠近滑块的一个指节与滑块固定连接，两个滑块之间的距离能够调节，以改变两个多关节组件之间的距离，同一多关节组件中的指节能够相互转动，以实现夹持空间中物品的夹持与放松；

所述驱动机构能够驱动两个滑块沿直线导轨相对运动，以及相邻指节之间的相互转动；所述驱动机构与滑块、指节之间的连接关系被设置为：所述驱动机构能够在滑块处的指节触碰物体后，驱动多关节组件中的多个指节相互转动，以使得多关节组件弯曲并完成物体的夹持。

作为本发明第一方面的进一步限定，所述驱动机构包括驱动绳，所述驱动绳设置在每个多关节组件中靠近夹持空间的一侧，所述驱动绳能够驱动同一多关节组件中相邻指节之间的转动。

作为本发明第一方面的进一步限定，所述驱动机构还包括呈闭环设置的同步带组件，同步带组件的输送方向与滑块的运动方向平行；

所述同步带组件中的皮带形成腰圆形，皮带包括第一直边部和第二直边部，第一直边部和第二直边部分别固定设有工作台，两个工作台能够在皮带运动的过程中相互靠近或远离；

所述工作台上设有第一导轮；指节靠近夹持空间的一侧设置第二导轮，所述直线导轨固定在壳体上，所述壳体在直线导轨两端处分别设有一个第三导轮。

所述多关节组件包括第一多关节组件和第二多关节组件；所述驱动绳的一端固定在第一多关节组件中离滑块最远的指节的指尖处，另一端依次缠绕第一多关节组件中的第二导轮、靠近第二关节组件的第三导轮、两个第一导轮、靠近第一关节组件的第三导轮、第二多关节组件中的第二导轮后，与第二多关节组件中远离滑块的指节的指尖固定。

作为本发明第一方面的进一步限定，在多关节组件不受驱动绳拉力的情况下，两个工作台沿同步带的输送方向错落布置，两个工作台之间具有设定距离。

本发明的第二方面提供一种康复护理装置，利用了所述的绳驱动仿生机械手爪。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

(1)两个多关节组件的多个运动副(转动副)采用了同一根驱动绳驱动，手指抓握物体过程中两个多关节组件的内力可以自行平衡和协调，可实现物体的自适应柔顺包络抓取，可均化被抓物体的内力，减小应力集中，增加被抓物体的安全性和舒适性；

(2)采用两个多关节组件绳驱动结构，可以满足人肢体等圆柱形被抓握对象的使用要求，且结构简单，重量轻；只用一个电机就可以实现手爪的抓握控制，控制简单、柔顺性好；

(3)采用两指平移副(直线导轨与滑块之间的滑动)和多关节转动副(多个指节之间的转动连接)相结合的设计方案，手爪能够抓取的直径范围大，提高了手爪的通用性。同时平移副的存在提高了抓取小直径对象时的刚度，使机械手爪有较高的承载能力。

(4)本发明解决了全驱动机械手控制逻辑复杂，需要配合较多传感器的问题，在抓取过程中只需控制一根驱动绳，一个同步带组件(一个电机)即可实现自适应包络和柔顺抓取。相对于在每个指节处设置关节电机的方式来说，减少了电机的使用数量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1的内部结构主视图；

图2为本发明实施例1的内部结构轴测图；

图3为本发明实施例1的去壳后的轴测图；

图4为本发明实施例1的整体结构轴测图；

图5为本发明实施例1的复位弹绳等部分结构的示意图；

图6为本发明实施例1的传动原理简图。

图中：1、物体；2、前指节结构轴；3、右前指节；4、中指节导轮轴；5、指节转动轴承；6、右中指节；7、右后指节；8、驱动绳；9、第三导轮轴；10、直线导轨压板；11、第一导轮；12、第一导轮轴；13、同步带压板；14、壳体维护开口；15、壳体；16、工作台；17、滑块；18、减速电机；19、同步带；20、同步带轮；21、收紧机构导轨；22、第三导轮；23、直线导轨；24、后指节导轮轴；25、左后指节；26、后指节结构轴；27、左中指节；28、左前指节；29、复位扭簧；30、第二导轮。2-1、复位弹绳；2-2、第一固定节点；2-3、第二固定节点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-6所示，本实施例提供一种绳驱动仿生机械手爪，包括直线导轨23和驱动机构，直线导轨23上设有两个滑块17，每个滑块17处安装有一个多关节组件，两个多关节组件之间形成夹持空间。

所述多关节组件包括多个首尾依次铰接的指节，最靠近滑块17的一个指节与滑块17固定连接，两个滑块17之间的距离能够调节，以改变两个多关节组件之间的距离，同一多关节组件中的指节能够相互转动，以实现夹持空间中物品的夹持与放松。

所述驱动机构能够驱动两个滑块17沿直线导轨23相对运动，以及相邻指节之间的相互转动；所述驱动机构与滑块17、指节之间的连接关系被设置为：所述驱动机构能够在滑块17处的指节触碰物体1后，驱动多关节组件中的多个指节相互转动，以使得多关节组件弯曲并完成物体1的夹持。

多关节组件：所述多关节组件包括第一多关节组件和第二多关节组件。在本实施例中每个多关节组件中指节的数量为三个，包括依次铰接的前指节、中指节和后指节，所述后指节为固定指节，固定指节与滑块17固定，前指节、中指节、后指节远离夹持空间的一侧相互铰接。

在另外一些实施方式中，指节的数量可以为4个及以上的自然数。

在本实施例中，两个多关节组件分为左指(第一多关节组件)和右指(第二多关节组件)，左指、右指呈轴对称结构，右指由右前指节3，右中指节6，右后指节7共3个指节构成，左指由左前指节28，左中指节27，左后指节25组成。

以右指为例，右前指节3和右后指节7分别通过指节转动轴承5与右中指节6相连，并可沿所述轴转动。左指和右指能对直径在一定范围内的，形状近似圆柱形的物体1实现自适应包围和柔顺抓取。

如图3所示，每个指节的骨架结构实际由2片指节片构成。由于三点确定一个平面，为前指节和后指节额外增加一个结构轴，即前指节结构轴2和后指节结构轴26。

驱动机构：所述驱动机构包括驱动绳8，所述驱动绳8设置在每个多关节组件中靠近夹持空间的一侧，所述驱动绳8能够驱动同一多关节组件中相邻指节之间的转动。

所述驱动机构还包括呈闭环设置的同步带19组件，同步带19组件的输送方向与滑块17的运动方向平行；所述同步带19组件包括主动带轮和从动带轮，所述主动带轮通过旋转驱动机构驱动以实现转动。所述的旋转驱动机构可以采用减速电机18。

所述同步带19组件中的皮带形成腰圆形，皮带包括第一直边部和第二直边部，第一直边部和第二直边部分别固定设有工作台16，两个工作台16能够在皮带运动的过程中相互靠近或远离。

在多关节组件不受驱动绳8拉力的情况下，两个工作台16沿同步带19的输送方向错落布置，两个之间工作台16之间具有设定距离。

所述工作台16上设有第一导轮11；指节靠近夹持空间的一侧设置第二导轮30，所述直线导轨23固定在壳体15上，所述壳体15在直线导轨23两端处分别设有一个第三导轮22。

所述驱动绳8的一端固定在第一多关节组件中离滑块17最远的指节的指尖处，另一端依次缠绕第一多关节组件中的第二导轮30、靠近第二关节组件的第三导轮22、两个第一导轮11、靠近第一关节组件的第三导轮22、第二多关节组件中的第二导轮30后，与第二多关节组件中远离滑块17的指节的指尖固定。

在多关节组件不受驱动绳8拉力的情况下，两个工作台16沿同步带19的输送方向错落布置，两个工作台16之间具有设定距离。所述第一导轮11与工作台16转动连接，第二导轮30与指节转动连接，第三导轮22与滑块17转动连接。

具体的，驱动绳8的一端固定在前指节结构轴2上，经过固定在中指节导轮轴4和后指节导轮轴24上的第二导轮30后进入壳体15。驱动绳8能在导轮上自由滑动，驱动绳8的拉力作用在各指节上，由于驱动绳8拉力延长线不经过指节转动轴承5的轴心，故产生作用在指节之间的弯曲力矩。当驱动绳8的拉力较小时，各指节在复位扭簧29的作用下回到打开位置。

滑块17和直线导轨23构成直线导轨副，左指、右指的后指节部分(即上文的固定指节)由紧固件和直线导轨压板10固定在滑块17上，使得左指、右指能沿直线导轨23在图1的水平方向滑动。驱动绳8的拉力作用在后指节导轮轴24上，在直线导轨23的导向作用下产生两指的合拢力。当驱动绳8的拉力较小时，二指在复位弹绳2-1的作用下回到打开位置。

具体的，驱动机构由壳体15、减速电机18、同步带19组件组成。减速电机18安装在壳体15上，带动同步带轮20旋转。固定在同步带19上的同步带压板13及工作台16随同步带19移动。减速输出的旋转运动转化为同步带压板13和工作台16的直线运动。第一导轮11通过第一导轮轴12固定在工作台16上，它们在收紧机构导轨21的导向作用下为驱动绳8提供收紧力。

工作台16与收紧机构导轨21滑动连接，所述收紧机构导轨21与直线导轨23的导向相互平行。壳体在15整体呈箱形结构，壳体上设置有壳体维护开口14，壳体维护开口14处设置有可以拆装的板件。

复位机构：复位机构包括用于实现滑块17复位的复位弹绳2-1(上述驱动机构中已提及)、用于实现相邻指节转动角度复位的复位扭簧29。

复位弹绳2-1的数量为两个，所述复位弹绳2-1的一端与壳体15固定连接，所述复位弹绳2-1的另一端经第三导轮22变向后与相邻侧的滑块17固定；复位弹绳2-1与驱动绳8缠绕在第三导轮22外圆面的不同轮槽中。

具体的，如图5所示，复位弹绳2-1，第一固定节点2-2，23，第三导轮22组成滑块17复位系统。复位弹绳2-1在安装时经过预拉伸获得预紧力后将两头分别固定在第一固定节点2-2和23上，从而达到给左指或右指一个复位力的效果。为了减小左指或右指在完整行程内复位弹绳2-1的长度改变率，将复位弹绳2-1预拉伸后绕过第三导轮22固定到较远的第一固定节点2-2上，相比就近固定方案增加了复位弹绳2-1的原长，减小了在获得同样预紧力的情况下完整工作行程内复位弹绳2-1弹力的变化率。

复位扭簧29：复位扭簧29设置在相邻指节之间，在相邻指节之间不受驱动绳8外力的情况下，复位扭簧29的的弹力驱动相邻指节之间复位。

工作原理：首先，第一多关节组件和第二多关节组件组成的机械手爪处于完全打开状态，机械手爪靠近被夹持物。当被夹持物就位后减速电机18启动，带动同步带轮20、同步带19和同步带压板13，使得两个工作台16相互远离。设两个工作台16之间的距离为x，两个壳体15上的第三导轮轴9之间的距离为a，则易得两个壳体15上的第三导轮轴9之间的驱动绳8长度L＝a+2x。由于机械手爪中安装的驱动绳8总长不变，收紧时两个工作台16之间的距离x增加，使得L增加，导致驱动机构外的驱动绳8长度减少，达到了收缩驱动绳8的目的。同时由于驱动绳8能在第一导轮11上自由滑动，达到两出绳上的拉力相等的目的。

由于驱动机构的作用，使得驱动绳8上的拉力增加。当拉力增加到超过复位弹绳2-1的预紧力时左后指节25和右后指节7开始相互靠近。当所述的一对后指节接触到被夹持物时，由于被夹持物的作用，一对后指节停止相互靠近，而驱动绳8上的拉力继续增加。由于驱动绳8拉力的延长线不经过指节转动轴承5的轴心，故产生作用在指节之间的弯曲力矩。当驱动绳8上的拉力产生的弯曲力矩大于复位扭簧29产生的复位力矩时所述右中指节6相对右后指节7开始弯曲，当所述的右中指节6接触到被夹持物时，由于被夹持物的作用停止弯曲。此时如前述一样驱动绳8上的拉力继续增加，所述右前指节3也相对右中指节6开始弯曲。左指的工作过程与右指相同，在此不再赘述。当右前指节3和左前指节28均接触到被夹持物体1时，合拢过程完成。

此时由于驱动机构的作用，使得驱动绳8上的拉力继续增加。由于被夹持物体1的刚度远大于机械手爪上的弹簧刚度，控制系统能够通过伺服系统检测驱动绳8拉力的上升率的变化率检测到合拢过程的完成。再通过切换减速电机18的工作模式，锁紧驱动绳8，达到抓紧的目的。至此，完成一次抓取过程。

实施例2

本实施例提供一种康复护理装置，利用了实施例1中所述的绳驱动仿生机械手爪，还包括机械臂，所述机械臂能够带动壳体在空间中设定范围运动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，包括，

直线导轨，直线导轨上设有两个滑块，每个滑块处安装有一个多关节组件，两个多关节组件之间形成夹持空间；

所述多关节组件包括多个首尾依次铰接的指节，最靠近滑块的一个指节与滑块固定连接，两个滑块之间的距离能够调节，以改变两个多关节组件之间的距离，同一多关节组件中的指节能够相互转动，以实现夹持空间中物品的夹持与放松；

驱动机构，所述驱动机构能够驱动两个滑块沿直线导轨相对运动，以及相邻指节之间的相互转动；所述驱动机构与滑块、指节之间的连接关系被设置为：

所述驱动机构能够在滑块处的指节触碰物体后，驱动多关节组件中的多个指节相互转动，以使得多关节组件弯曲并完成物体的夹持；

所述驱动机构包括驱动绳，所述驱动机构包括呈闭环设置的同步带组件，同步带组件的输送方向与滑块的运动方向平行；

所述同步带组件中的皮带形成腰圆形，皮带包括第一直边部和第二直边部，第一直边部和第二直边部分别固定设有工作台，两个工作台能够在皮带运动的过程中相互靠近或远离；

所述工作台上设有第一导轮；指节靠近夹持空间的一侧设置第二导轮，所述直线导轨固定在壳体上，所述壳体在直线导轨两端处分别设有一个第三导轮；

所述多关节组件包括第一多关节组件和第二多关节组件；

所述驱动绳的一端固定在第一多关节组件中离滑块最远的指节的指尖处，另一端依次缠绕第一多关节组件中的第二导轮、靠近第二关节组件的第三导轮、两个第一导轮、靠近第一关节组件的第三导轮、第二多关节组件中的第二导轮后，与第二多关节组件中远离滑块的指节的指尖固定。

2.根据权利要求1所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，所述驱动绳设置在每个多关节组件中靠近夹持空间的一侧，所述驱动绳能够驱动同一多关节组件中相邻指节之间的转动。

3.根据权利要求1所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，两个滑块处设置有复位弹性件，所述复位弹性件用于实现驱动绳放松后，两个滑块之间的复位。

4.根据权利要求1所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，多关节组件中指节的数量为三个，包括依次铰接的前指节、中指节和后指节，所述后指节为固定指节，固定指节与滑块固定，前指节、中指节、后指节远离夹持空间的一侧相互铰接。

5.根据权利要求1所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，在多关节组件不受驱动绳拉力的情况下，两个工作台沿同步带的输送方向错落布置，两个工作台之间具有设定距离。

6.根据权利要求5所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，所述同步带组件包括主动带轮和从动带轮，所述主动带轮通过旋转驱动机构驱动以实现转动。

7.根据权利要求6所述的绳驱动仿生机械手爪，其特征在于，所述第一导轮与工作台转动连接，第二导轮与指节转动连接，第三导轮与滑块转动连接。

8.一种康复护理装置，其特征在于，利用了权利要求1-7中任意一项所述的绳驱动仿生机械手爪。

9.根据权利要求8所述的康复护理装置，其特征在于，还包括机械臂，所述机械臂能够带动壳体在空间中设定范围运动。

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