CN111376289A - 手指自适应驱动机构及灵巧手 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手指自适应驱动机构及灵巧手，该手指自适应驱动件包括驱动件；固定部；转动指节，其数量至少为两个，固定部、转动指节依次通过转动副转动连接；扭簧，设于转动副上；弹性件，其一端与驱动件连接；第一牵引绳，一端与弹性件固定连接，另一端固定连接于转动副，使第一牵引绳驱动与固定部相邻转动指节转动；第二牵引绳，两端分别固定于相邻两个转动副；自适应牵引绳，其一端与驱动件固定连接，自适应牵引绳另一端固定于与固定部相间隔的转动指节。本发明提供的手指自适应驱动机构及灵巧手，通过一个驱动件即能控制所有转动指节的转动，而且在自适应牵引绳的作用下，能够根据物体的形状自适应的转动抓取物体。

Description

手指自适应驱动机构及灵巧手
技术领域
本发明属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种手指自适应驱动机构及灵巧手。
背景技术
仿人灵巧手是当前机器人领域的热门题目。在人机交互中，由于其仿人的外观和抓握方式会给人更加亲切的印象。五指灵巧手可以很好的适应各种抓握，拾取等应用场景。
仿人灵巧手的每个手指需要通过至少两个手指关节的转动才能实现仿人的抓握和张开方式。如果对每个手指关节都进行驱动，驱动器的体积和重量的叠加会使灵巧手的整体大小和重量增加很多。而如果对每个手指进行欠驱动，即用一个电机驱动多个关节的转动，则可能导致每个关节的转动不可控，只能实现对握紧和张开两个极限位置的控制，同时欠驱动的手指很难做到各个手指运动的一致，也很难实现同一手指不同次握紧的重复性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手指自适应驱动机构，以解决现有技术中存在的对每个手指关节进行驱动导致驱动器数量多、体积大，对每个手指进行欠驱动导致的指节运动难以控制的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种手指自适应驱动机构，包括：
驱动件；
固定部；
弹性件，其一端与所述驱动件连接；
转动指节，其数量至少为两个，所述固定部、所述转动指节依次通过转动副转动连接，所述固定部与其相邻的所述转动指节之间的转动副为第一转动副，每相邻两个所述转动指节之间的转动副为第二转动副；
扭簧，设于所述转动副上，且所述扭簧的回弹方向与所述转动指节的弯曲方向相反；
第一牵引绳，一端与所述弹性件固定连接，另一端固定连接于所述第一转动副，使所述第一牵引绳驱动与所述固定部相邻的转动指节转动；
第二牵引绳，两端分别固定于相邻的两个所述转动副，使两个所述转动副之间的转动指节驱动下一个转动指节转动；以及
自适应牵引绳，所述转动指节的数量与所述自适应牵引绳的数量差值为1，所述自适应牵引绳的一端与所述驱动件固定连接，所述自适应牵引绳的另一端固定于与所述固定部相间隔的所述转动指节。
进一步地，所述转动指节包括第一指节和第二指节，所述第一指节与所述固定部转动连接，所述第二指节与所述第一指节转动连接；所述固定部的一端具有第一转轴，所述第一指节的一端具有供所述第一转轴穿过的第一轴套，所述第一指节的另一端具有第二转轴，所述第二指节的一端具有供所述第二转轴穿过的第二轴套；所述第一转轴和所述第一轴套组合形成所述第一转动副；所述第二转轴和所述第二轴套组合形成所述第二转动副。
进一步地，所述第一牵引绳的一端固定连接于所述第一轴套，所述第二牵引绳的两端分别固定连接于所述第一转轴和所述第二轴套。
进一步地，所述第一转轴的外周设有与其转动连接的第一滑轮，所述自适应牵引绳绕设于所述第一滑轮，且所述自适应牵引绳的两端分别向所述固定部和所述第二指节延伸。
进一步地，所述第二指节内设有第一螺母、以及与所述第一螺母螺纹连接的第一螺柱，所述自适应牵引绳与所述第一螺柱固定连接。
进一步地，所述第一螺柱为空心，所述自适应牵引绳穿过所述第一螺柱且其端部固定有线卡，所述线卡抵接于所述第一螺柱的端部。
进一步地，所述第二指节内设有第二螺母、以及与所述第二螺母螺纹连接的第二螺柱，所述第二牵引绳与所述第二螺柱固定连接。
进一步地，所述固定部上设有与其转动连接的第二滑轮，所述第一牵引绳及所述自适应牵引绳均抵接于所述第二滑轮上。
进一步地，所述驱动件包括电机、与所述电机的输出轴固定连接的丝杠、以及与丝杠螺纹连接的丝杠螺母，所述弹性件的一端、所述自适应驱动件的一端均固定于所述丝杠螺母。
本发明的另一目的在于提供一种灵巧手，包括上述的手指自适应驱动机构。
本发明提供的手指自适应驱动机构及手指的有益效果在于：与现有技术相比，本发明手指自适应驱动机构包括驱动件、一个固定部、至少两个转动指节、以及设于转动副上的扭簧，驱动件拉动第一牵引绳从而使与固定部相邻的转动指节转动，第二牵引绳两端分别固定于相邻的两个转动副，使这两个转动副相互耦合，通过单个驱动件可带动所有的转动指节转动，且扭簧的设置使各个转动指节平稳转动；而且驱动件和第一牵引绳之间设有弹性件，与固定部相间隔的转动指节和驱动件之间均设有自适应牵引绳，当中间的转动指节触碰物体时，中间转动指节的运动受阻，第一牵引绳受到的拉力大于弹性件的变形阈值时，弹性件拉伸变长，尾端转动指节受自适应牵引绳的拉动继续转动，直至尾端抓握包覆物体。该手指自适应驱动机构通过一个驱动件即能控制所有转动指节的转动，而且在自适应牵引绳的作用下，能够根据物体的形状自适应的转动抓取物体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构的部分立体结构图一；
图3为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构的部分立体结构图二；
图4为本发明实施例提供的固定部和第一指节连接处的立体结构图；
图5为本发明实施例提供的第一指节和第二指节连接处的立体结构图；
图6为本发明实施例提供的驱动件的立体结构图；
图7为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构的爆炸图；
图8(a)为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构伸直状态的结构图；
图8(b)为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构触碰到物体时的结构图；
图8(c)为本发明实施例提供的手指自适应驱动机构抓握物体时的结构图。
其中，图中各附图标记：
011-第一转动副；012-第二转动副；1-驱动件；11-电机；12-丝杠；13-丝杠螺母；2-固定部；21-第一转轴；22-第二滑轮；3-第一指节；31-第一轴套；32-第一滑轮；33-第二转轴；4-第二指节；41-第二轴套；42-第一螺母；43-第一螺柱；44-第二螺母；45-第二螺柱；46-线卡；5-弹性件；6-第一牵引绳；7-第二牵引绳；8-自适应牵引绳；9-扭簧。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图8，现对本发明提供的手指自适应驱动机构进行说明。该手指自适应驱动机构，包括驱动件1、固定部2、转动指节、扭簧9、弹性件5、第一牵引绳6、第二牵引绳7和自适应牵引绳8。其中第一牵引绳6、第二牵引绳7、自适应牵引绳8包括但不限于钢丝、大力马线、钢带、同步带。驱动件1可输出直线运动，从而带动第一牵引绳6运动。固定部2与手掌固定连接，可作为手指的一部分。转动指节的数量至少为两个，固定部2、各个转动指节依次通过转动副转动连接，固定部2和相邻的转动指节之间的转动副为第一转动副011，每相邻两个转动指节之间的转动副为第二转动副012，两个转动指节之间通过第二转动副012转动连接。弹性件5可选为弹簧、拉簧等可拉伸的部件，弹性件5的一端与驱动件1连接，弹性件5的另一端与第一牵引绳6连接，可以理解的是，弹性件5与驱动件1之间也可设置牵引绳，使弹性件5与驱动件1间接连接。第一牵引绳6的一端与弹性件5固定连接，第一牵引绳6的另一端与第一转动副011固定连接，驱动件1通过第一牵引绳6使与其相邻的转动指节转动。第二牵引绳7，两端分别固定连接于相邻的两个转动副，使两个第二转动副012之间的转动指节驱动下一个转动指节转动。具体地，驱动件1通过第一牵引绳6驱动相邻的转动指节转动，该转动指节通过第二牵引绳7驱动下一转动指节转动。第一转动副011和第二转动副012上均设有扭簧9，扭簧9的两端分别抵接或者固定于相邻的转动指节或者固定部2上，扭簧9的回弹方向与转动指节的弯曲方向相反，使转动指节弯曲时运动更平稳。例如，第一转动副011上的扭簧9两端分别抵接或者固定于固定部2和转动指节，第二转动副012上的扭簧9两端分别抵接或者固定于相邻的两个转动指节。转动指节的数量与自适应牵引绳8的数量差值为1，自适应牵引绳8和第二牵引绳7的数量相同，转动指节的数量可为2个、3个、4个等，相应地，自适应牵引绳8的数量可为1根、2根、3根等。每一根自适应牵引绳8的一端与驱动件1固定连接，另一端与转动指节固定连接，该转动指节是与固定部2相间隔的指节。如图8(a)至图8(c)所示，在转动指节自由转动时，各个转动指节按一定的角度比例转动，当中间的转动指节触碰到待抓取物体时，该转动指节的转动受阻，第一牵引绳6受到的拉力大于弹性件5的变形阈值时，弹性件5拉伸变长，尾端转动指节受自适应牵引绳8的拉动继续转动，直至尾端抓握包覆物体，实现自适应的抓握。
本发明提供的手指自适应驱动机构，与现有技术相比，本发明手指自适应驱动机构包括驱动件1、一个固定部2、至少两个转动指节、以及设于转动副上的扭簧9，驱动件1拉动第一牵引绳6从而使与固定部2相邻的转动指节转动，第二牵引绳7两端分别固定于相邻的两个转动副，使这两个转动副相互耦合，通过单个驱动件1可带动所有的转动指节转动，且扭簧9的设置使各个转动指节平稳转动；而且驱动件1和第一牵引绳6之间设有弹性件5，与固定部2相间隔的转动指节和驱动件1之间均设有自适应牵引绳8，当中间的转动指节触碰物体时，中间转动指节的运动受阻，第一牵引绳6受到的拉力大于弹性件5的变形阈值时，弹性件5拉伸变长，尾端转动指节受自适应牵引绳8的拉动继续转动，直至尾端抓握包覆物体。该手指自适应驱动机构通过一个驱动件1即能控制所有转动指节的转动，而且在自适应牵引绳8的作用下，能够根据物体的形状自适应的转动抓取物体。
实施例一：
请参阅图2至图5，转动指节包括第一指节3和第二指节4，第一指节3与固定部2转动连接，第二指节4与第一指节3转动连接；固定部2的一端具有第一转轴21，第一指节3的一端具有供所述第一转轴21穿过的第一轴套31，第一指节3的另一端具有第二转轴33，第二指节4的一端具有供第二转轴33穿过的第二轴套41；第一转轴21和第一轴套31组合形成第一转动副011；第二转轴33和第二轴套41组合形成第二转动副012。第一转轴21固定不动，第一轴套31可绕第一转轴21转动，第二转轴33和第二轴套41可相互相对转动。在该实施例中，转动指节的数量为两个，分别为第一指节3和第二指节4，固定部2、第一指节3、第二指节4依次转动连接，第一牵引绳6直接驱动第一指节3转动，第一指节3带动第二指节4转动。更具体地，第一牵引绳6的一端固定于弹性件5，依次穿过固定部2、第一指节3后，第一牵引绳6的另一端固定于第一轴套31，使第一牵引绳6能够拉动第一指节3转动；第二牵引绳7的数量为一根，设于第一指节3内部，第二牵引绳7的一端固定于第一转轴21，第二牵引绳7的另一端固定于第二轴套41，使第二牵引绳7在第一指节3弯曲时，拉动第二指节4弯曲。
可选地，第一轴套31上具有穿线孔，第一牵引绳6穿过穿线孔，且穿过穿线孔的该端具有线卡，线卡与第一轴套31相抵接，使第一牵引绳6固定于第一轴套31上。在其他实施例中，第一牵引绳6绕设于第一轴套31并通过线卡固定于第一指节3中。第二牵引绳7靠近第二轴套41一端与第一牵引绳6靠近第一轴套31一端类似，此处不再赘述。
可选地，第一转轴21的外周固定有套筒，套筒上也开设有穿线孔，第二牵引绳7穿过穿线孔后，通过线卡固定于第一转轴21上。
可选地，第一轴套31和第二轴套41的外径相同，使第一指节3和第二指节4按1：1的角速度比例弯曲旋转。
可选地，固定部2及第一指节3的连接处分别设有第一容置槽和第二容置槽，扭簧9的两端分别设于第一容置槽和第二容置槽中，使该扭簧9的两端分别与固定部2和第一指节3连接，扭簧9套设于第一转轴21上。
可选地，第一转轴21的外周设有与其转动连接的第一滑轮32，自适应牵引绳8绕设于第一滑轮32，且自适应牵引绳8的两端分别向固定部2和第二指节4延伸。在该实施例中，自适应牵引绳8的数量为一根，该自适应牵引绳8一端与驱动件1连接，自驱动件1穿过固定部2，并绕设于第一滑轮32上后，穿过第一指节3与第二指节4固定连接。其中，第一滑轮32与第一转轴21转动连接，使第一滑轮32对自适应牵引绳8仅有支撑作用，不会对自适应牵引绳8有拉力作用。更具体地，第一滑轮32上开设有环形凹槽，便于对自适应牵引绳8进行定位。
可选地，第二指节4内设有第一螺母42、以及与第一螺母42螺纹连接的第一螺柱43，自适应牵引绳8与第一螺柱43固定连接。第一螺母42与第二指节4固定连接，而第一螺柱43可相对第一螺母42旋转运动，以调节自适应牵引绳8的松紧度。第一螺柱43和第一螺母42的设置既为自适应牵引绳8提供了固定位置，又可以调节自适应牵引绳8的松紧度。
可选地，第二指节4内还设有第二螺母44、以及与第二螺母44螺纹连接的第二螺柱45，第二牵引绳7与第二螺柱45固定连接。第二螺母44与第二指节4固定连接，而第二螺柱45可相对第二螺母44旋转运动，以调节第二牵引绳7的松紧度。第二螺柱45和第二螺母44的设置既为第二牵引绳7提供了固定位置，又可以调节第二牵引绳7的松紧度。
可选地，第一螺柱43、第二螺柱45为空心，自适应牵引绳8穿过第一螺柱43且其端部固定有线卡46，线卡46抵接于第一螺柱43的端部，第二牵引绳7穿过第二螺柱45且其端部也固定有线卡46，使该线卡46抵接于第二螺柱45的端部。线卡46的固定方式，使第二牵引绳7和自适应牵引绳8的端部固定更可靠，不会在不断拉扯中脱落。第一螺母42和第二螺母44可一体成型。
实施例二：
与实施例一的不同之处在于：转动指节包括第一指节3和第二指节4，但固定部2的一端具有转轴，第一指节3靠近固定部2的一端具有轴套，固定部2的转轴和第一指节3的轴套形成第一转动副011，第一指节3的另一端具有转轴，第二指节4靠近第一指节3一端具有轴套，第一指节3的转轴和第二指节4的轴套形成第二转动副012。相应地，第一牵引绳6的一端与第一指节3的轴套固定连接，第二牵引绳7的两端分别与固定部2的转轴和第二指节4的轴套固定连接。
实施例三：
与实施例一的不同之处在于：转动指节的数量为三个，包括第一指节3、第二指节4和第三指节，第二牵引绳7的数量为两根，自适应牵引绳8的数量为两根。第二指节4靠近第三指节一端具有第三转轴，第三指节的一端具有第三轴套，第三转轴和第三轴套组合形成另一个第二转动副012。其中一根第二牵引绳7的一端固定于第一转轴21，另一端固定于第二轴套41；另一根第二牵引绳7的一端固定于第二转轴33，另一端固定于第三轴套。其中一根自适应牵引绳8的一端固定于驱动件1，另一端固定于第二指节4；另一根自适应牵引绳8的一端固定于驱动件1，另一端固定于第三指节。在其他实施例中，转动指节的数量也可为四个、五个等，第二牵引绳7、自适应牵引绳8的设置方式与实施例三类似，此处不再赘述。
进一步地，第一转轴21的外周设有与其转动连接的第一滑轮32，第二转轴33的外周设有与其转动连接的第三滑轮。其中一根自适应牵引绳8一端与驱动件1连接，穿过固定部2，并绕设于第一滑轮32上后，穿过第一指节3与第二指节4固定连接；另一根自适应牵引绳8一端与驱动件1连接，穿过固定部2，绕设于第一滑轮32上后，穿过第一指节3，绕设于第三滑轮后与第三指节固定连接。
请参阅图2及图3，作为本发明提供的手指自适应驱动机构的一种具体实施方式，固定部2上设有与其转动连接的第二滑轮22，第一牵引绳6及自适应牵引绳8均抵接于第二滑轮22上。固定部2可为手指的一部分，第二滑轮22的设置，可改变第一牵引绳6及自适应牵引绳8的出线方向，使第一牵引绳6及自适应牵引绳8能够伸入固定部2。第二滑轮22上相应设有用于定位第一牵引绳6和自适应牵引绳8的环形凹槽。
请参阅图6，作为本发明提供的手指自适应驱动机构的一种具体实施方式，驱动件1包括电机11、与电机11的输出轴固定连接的丝杠12、以及与丝杠12螺纹连接的丝杠螺母13，弹性件5的一端、自适应牵引绳8的一端均固定于丝杠螺母13。电机11的输出轴转动时，可带动丝杠12旋转，丝杠12旋转时，使丝杠螺母13在丝杠12上前后移动，从而带动与弹性件5相连的第一牵引绳6、自适应牵引绳8移动。该驱动件1仅通过丝杠螺母13输出一个自由度，机壳带动各个转动指节转动。驱动件1的结构简单，数量较少，占用的空间较小，重量较轻。在电机11和丝杠12之间可以设置齿轮组件等减速机构以满足转速要求。
本发明还提供一种灵巧手，该灵巧手包括上述任一实施例中的手指自适应驱动机构。
本发明提供的灵巧手，其手指自适应驱动机构包括驱动件1、一个固定部2、至少两个转动指节、以及设于转动副上的扭簧9，驱动件1拉动第一牵引绳6从而使与固定部2相邻的转动指节转动，第二牵引绳7两端分别固定于相邻的两个转动副，使这两个转动副相互耦合，通过单个驱动件1可带动所有的转动指节转动，且扭簧9的设置使各个转动指节平稳转动；而且驱动件1和第一牵引绳6之间设有弹性件5，与固定部2相间隔的转动指节和驱动件1之间均设有自适应牵引绳8，当中间的转动指节触碰物体时，中间转动指节的运动受阻，第一牵引绳6受到的拉力大于弹性件5的变形阈值时，弹性件5拉伸变长，尾端转动指节受自适应牵引绳8的拉动继续转动，直至尾端抓握包覆物体。该手指自适应驱动机构通过一个驱动件1即能控制所有转动指节的转动，而且在自适应牵引绳8的作用下，能够根据物体的形状自适应的转动抓取物体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.手指自适应驱动机构，其特征在于，包括：
驱动件；
固定部；
弹性件，其一端与所述驱动件连接；
转动指节，其数量至少为两个，所述固定部、所述转动指节依次通过转动副转动连接，所述固定部与其相邻的所述转动指节之间的转动副为第一转动副，每相邻两个所述转动指节之间的转动副为第二转动副；
扭簧，设于所述转动副上，且所述扭簧的回弹方向与所述转动指节的弯曲方向相反；
第一牵引绳，一端与所述弹性件固定连接，另一端固定连接于所述第一转动副，使所述第一牵引绳驱动与所述固定部相邻的转动指节转动；
第二牵引绳，两端分别固定于相邻的两个所述转动副，使两个所述转动副之间的转动指节驱动下一个转动指节转动；以及
自适应牵引绳，所述自适应牵引绳的一端与所述驱动件固定连接，所述自适应牵引绳的另一端固定于与所述固定部相间隔的所述转动指节。
2.如权利要求1所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述转动指节包括第一指节和第二指节，所述第一指节与所述固定部转动连接，所述第二指节与所述第一指节转动连接；所述固定部的一端具有第一转轴，所述第一指节的一端具有供所述第一转轴穿过的第一轴套，所述第一指节的另一端具有第二转轴，所述第二指节的一端具有供所述第二转轴穿过的第二轴套；所述第一转轴和所述第一轴套组合形成所述第一转动副；所述第二转轴和所述第二轴套组合形成所述第二转动副。
3.如权利要求2所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述第一牵引绳的一端固定连接于所述第一轴套，所述第二牵引绳的两端分别固定连接于所述第一转轴和所述第二轴套。
4.如权利要求2所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述第一转轴的外周设有与其转动连接的第一滑轮，所述自适应牵引绳绕设于所述第一滑轮，且所述自适应牵引绳的两端分别向所述固定部和所述第二指节延伸。
5.如权利要求2所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述第二指节内设有第一螺母、以及与所述第一螺母螺纹连接的第一螺柱，所述自适应牵引绳与所述第一螺柱固定连接。
6.如权利要求5所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述第一螺柱为空心，所述自适应牵引绳穿过所述第一螺柱且其端部固定有线卡，所述线卡抵接于所述第一螺柱的端部。
7.如权利要求2所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述第二指节内设有第二螺母、以及与所述第二螺母螺纹连接的第二螺柱，所述第二牵引绳与所述第二螺柱固定连接。
8.如权利要求1所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述固定部上设有与其转动连接的第二滑轮，所述第一牵引绳及所述自适应牵引绳均抵接于所述第二滑轮上。
9.如权利要求1所述的手指自适应驱动机构，其特征在于：所述驱动件包括电机、与所述电机的输出轴固定连接的丝杠、以及与丝杠螺纹连接的丝杠螺母，所述弹性件的一端、所述自适应驱动件的一端均固定于所述丝杠螺母。
10.灵巧手，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的手指自适应驱动机构。
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