CN111633669A - 模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指及控制方法，机械手指包括指间关节、基关节、测试模块、驱动模块和由驱动模块带动的驱动腱绳，驱动腱绳用于驱动指间关节的弯曲展开和基关节的弯曲展开与侧摆运动，测试模块用于测试指间关节的俯仰力矩和基关节的俯仰力矩和侧摆力矩。本发明在指尖负载足够的情况下，即保证手指的灵活性与人手手指相近，又能将电机集中布置在手指的掌骨部分中，实现远距离腱绳传动，同时将手指的结构设计为模块化，简化装配和维护。

Description

模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指及控制方法

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指及控制方法。

背景技术

灵巧手作为机器人的多功能末端操作器具有灵活性强、适用任务范围广等优点。手指作为机器人手爪的执行单元，其灵巧性、可靠性和体积等对手爪有重要的影响。

目前国内外虽然有许多人仿人灵巧手的研究，然而普遍针对一般环境下的操作活动。对于一些如高低温、高辐射等极端特殊环境，灵巧手的设计需要特殊考虑，例如将电子系统集中布置，这有利于进行温控、电磁屏蔽等保护措施的实现。

现有的多自由度灵巧手普遍将手和前臂做成一体，将驱动器布置在前臂中，这样导致灵巧手体积较大，使用范围受到限制；同时传动链路较为复杂，装配和维修较为繁琐。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指及控制方法，在指尖负载足够的情况下，即保证手指的灵活性与人手手指相近，又能将电机集中布置在手指的掌骨部分中，实现远距离腱绳传动，同时将手指的结构设计为模块化，简化装配和维护。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，包括指间关节、基关节、测试模块、驱动模块和由驱动模块带动的驱动腱绳；

所述的指间关节包括指尖结构件、远端指间关节、近端指间关节和指间关节连接件，所述的远端指间关节与近端指间关节采用耦合腱绳连接，以产生远端指间关节和近端指间关节之间的耦合运动，所述的指尖结构件通过远端指间关节与指间关节连接件的一端连接，所述的指间关节连接件的另一端通过近端指间关节与关节连接件的一端连接，所述的关节连接件的另一端与基关节连接，所述的基关节包括俯仰关节和侧摆关节；

所述的驱动腱绳包括PIP腱绳、MP1腱绳和MP2腱绳，PIP腱绳的两端均固定在指间关节连接件上，PIP腱绳用于驱动近端指间关节的弯曲和展开运动，所述MP1腱绳和MP2腱绳的两端均固定在基关节上，MP1腱绳联合MP2腱绳用于驱动基关节中俯仰关节的弯曲展开与侧摆关节的侧摆运动；

所述的测试模块固定在基关节上，所述的测试模块用于测试远端指间关节的俯仰力矩和基关节的俯仰力矩和侧摆力矩。

进一步的，远端指间关节包括DIP耦合轮和DIP关节转轴，所述指间关节连接件包括对称设置的左连接侧板和右连接侧板，在左连接侧板外侧设有腱绳预紧机构，所述指尖结构件包括对称设置的指尖件左侧板和指尖件右侧板，所述的DIP耦合轮设置在指尖件左侧板和指尖件右侧板之间，所述的左连接侧板设置在指尖件左侧板外侧，所述的右连接侧板设置在指尖件右侧板内侧，所述DIP关节转轴依次穿过左连接侧板、指尖左侧板、DIP耦合轮、右连接侧板和指尖右侧板上的通孔设置，且DIP关节转轴的两端分别通过一组DIP轴螺钉和DIP垫圈固定压紧，在左连接侧板、指尖左侧板、DIP耦合轮、右连接侧板和指尖右侧板的通孔处设有两个轴承，所述DIP关节转轴穿过两个轴承设置；

所述近端指间关节包括PIP耦合轮和PIP关节转轴，所述关节连接件包括对称设置的PIP左侧板和PIP右侧板，所述的PIP耦合轮设置在左连接侧板和右连接侧板之间，所述PIP左侧板设置在左连接侧板的外侧，所述PIP右侧板设置在右连接侧板的外侧，在左连接侧板和右连接侧板上与PIP关节转轴连接处均设有一绕线轮，所述PIP关节转轴依次穿过PIP左侧板、左连接侧板、PIP耦合轮、右连接侧板和PIP右侧板，PIP关节转轴与左连接侧板、PIP耦合轮、右连接侧板连接处设有PIP滑动轴承，且PIP关节转轴的两端分别通过一组PIP轴螺钉和PIP垫圈固定压紧；

PIP腱绳的伸展端缠绕在所述左连接侧板的近指间关节的绕线轮后连接到腱绳预紧机构上；PIP腱绳的屈曲端缠绕在所述右连接侧板的近指间关节的绕线轮上后固定在右连接侧板上；

所述俯仰关节包括水平轴、基关节左侧板和基关节右侧板，所述基关节左侧板和基关节右侧板对称设置，所述水平轴依次穿过基关节左侧板和基关节右侧板，所述水平轴两端分别通过一组基关节螺钉和基关节垫圈固定压紧，所述水平轴与基关节左侧板和基关节右侧板连接处各设有一滚动轴承，在基关节左侧板和基关节右侧板的内侧均设置一腱绳预紧机构；

所述侧摆关节包括竖直轴、顶部滑轮和底部滑轮，所述的竖直轴穿过水平轴的中部且上下两端分别与顶部滑轮和底部滑轮连接，所述竖直轴的两端均通过一中心螺钉定位；所述水平轴可绕竖直轴转动，所述顶部滑轮和底部滑轮均与驱动模块固定连接；

MP1腱绳的伸展端从基关节左侧板的上方缠绕后固定；MP1腱绳的屈曲端从基关节右侧板的下方缠绕后固定到基关节右侧板上的腱绳预紧机构上；

MP2腱绳的伸展端从基关节右侧板的上方缠绕后固定；MP2腱绳的屈曲端从基关节左侧板的下方缠绕后固定到基关节左侧板上的腱绳预紧机构上。

进一步的，测试模块包括力矩传感器基体、十字梁、伸出梁和贴在十字梁上的测量基关节俯仰力矩和侧摆力矩的第一应变片以及贴在伸出梁上的测量远端指间关节俯仰力矩的第二应变片，所述力矩传感器基体设置在基关节左侧板和基关节右侧板之间，所述力矩传感器基体通过连接轴与基关节左侧板的上部和基关节右侧板的上部连接；所述PIP左侧板的未与PIP关节转轴连接的一端与力矩传感器基体的左侧固定连接，所述PIP右侧板的未与PIP关节转轴连接的一端与力矩传感器基体的右侧固定连接，所述的十字梁固定在传感器基体上，所述的伸出梁穿出传感器基体设置，所述的伸出梁通过杠杆机构与PIP耦合轮连接；

杠杆机构包括两端均设有连接孔的杠杆件，所述的杠杆件中部通过支撑轴连接到PIP左侧板和PIP右侧板上，通过向所述的杠杆件一端的连接孔和PIP耦合轮上的通孔内穿入一杠杆短轴实现杠杆件与PIP耦合轮的连接，通过向杠杆件的另一端的连接孔和伸出轴上的圆孔内穿入另一杠杆短轴实现杠杆件与伸出轴的连接，每个所述杠杆短轴的两端均通过一组杠杆垫圈和杠杆螺钉压紧固定。

进一步的，驱动模块包括PIP电机模块、MP1电机模块和MP2电机模块，三个电机模块顺次排列且顶部固定在顶板上，底部固定在底板上，三个电机模块分别带动三根腱绳，所述底板的靠近基关节的一端伸出驱动模块设置，所述顶部滑轮通过连接板与顶板固定连接，所述底部滑轮与底板的伸出驱动模块部分固定连接，且在连接板和底板之间设有引导三根腱绳从驱动模块到手指关节上的滑轮导向机构。

进一步的，滑轮导向机构包括轴承基座和三组导向轴承，所述轴承基座通过螺钉固定在连接板和底板上，每组导向轴承缠绕一根腱绳，三组所述导向轴承按腱绳缠绕角度不低于基关节的侧摆关节转角要求布置，每组导向轴承均包括两个滚动轴承，且两个滚动轴承分别设置在轴承基座的顶部和底部，每个滚动轴承均通过一组轴承垫片和轴承螺钉压紧定位，在所述轴承基座上设有第一霍尔传感器。

进一步的，腱绳预紧机构包括螺钉、预紧件和弹簧，所述的弹簧套在螺钉上，所述螺钉穿过相应侧板上的前连接孔后固定在后连接孔上，所述的预紧件套设在前连接孔和后连接孔之间的螺钉上，所述弹簧套设在前连接孔与螺钉端部之间的螺钉本体上。

进一步的，耦合腱绳包括屈曲耦合腱绳和伸展耦合腱绳，所述屈曲耦合腱绳在远端指间关节缠绕在DIP耦合轮的右侧滑槽上；所述屈曲耦合腱绳在近端指间关节缠绕在PIP耦合轮上；伸展耦合腱绳在远端指间关节缠绕在DIP耦合轮的左侧滑槽上；所述伸展耦合腱绳在近端指间关节缠绕在PIP耦合轮上，所述屈曲耦合腱绳和伸展耦合腱绳之间交叉布置。

进一步的，PIP腱绳的伸展端缠绕在水平轴下面；所述PIP腱绳的屈曲端缠绕在水平轴的上面。

进一步的，左连接侧板在近指间关节的绕线轮上布置有第一磁铁；在所述PIP耦合轮上固定有第二霍尔传感器，在基关节左侧板上设有第二磁铁。

一种机械手指的控制方法，包括：

PIP电机模块带动PIP腱绳的屈曲端收缩，带动右连接侧板绕着近端指间关节向下转动，即指间关节弯曲；PIP电机模块带动腱绳的伸展端收缩，带动左连接侧板绕着近端指间关节向上转动，即指间关节展开；

MP1电机模块和MP2电机模块中的两个电机同时逆时针转动，MP1腱绳的屈曲端和MP2腱绳的屈曲端同时收缩时，手指向下转动，即手指弯曲；两个电机同时顺时针转动，MP1腱绳的伸展端和MP2腱绳的伸展端同时收缩时，手指向上转动，即手指展开；

MP1电机模块和MP2电机模块中的两个电机相反方向转动，MP1腱绳的伸展端和MP2腱绳的屈曲端同时收缩或MP1腱绳的屈曲端和MP2腱绳的伸展端同时收缩，水平轴绕着竖直轴转动，实现手指侧摆运动。

相对于现有技术，本发明所述的一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指具有以下优势：

本发明所述的一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，

1、手指具有4个关节和3个独立自由度，能够获得接近于人手手指的运动范围。

2、手指采用模块化设计，手指可分为指间关节、基关节、腱绳引导机构和驱动模块，简化了手指的装配和维护。

3、手指的近端指间关节和远端指间关节通过腱绳机构耦合，共用一个自由度，在保证操作灵活性的同时减少了所需驱动器数量。

4、手指基关节由两对垂直相交的滑轮组成，可以实现在屈曲-伸展和外倾-内敛两个方向上的运动，基关节由两个电机耦合驱动，增加了输出转矩。

5、通过对三个电机的合理配置和腱绳布置路径的优化设计，可以将电机集中布置在掌骨部分中，而不必布置在前臂中，并能够产生24N的最大主动指尖力。

6、本发明加入了力矩传感器，可以同时测量出基关节在两个方向上的力矩和远端指间关节的力矩；加入了关节位置传感器，可以测量基关节和近端指间关节在俯仰运动方向上的角度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述的一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指的整体结构的外形图；

图2是图1的模块化说明图；

图3是指间关节及杠杆机构的零件分解图；

图4是基关节及测试模块的零件分解图；

图5是滑动导向机构的结构示意图；

图6是驱动模块的结构示意图；

图7是远端指间关节的断面图；

图8是近端指间关节的断面图；

图9是指间关节的结构示意图；

图10是腱绳走线方案示意图。

附图标记说明：

1-指间关节，1(a)-远端指间关节，1(b)-近端指间关节，1(c)-指间关节连接件，1(d)-关节连接件，

1-1-指尖结构件，1-1(a)-指尖件右侧板，1-1(b)-指尖件左侧板，1-2-DIP耦合轮，1-2(a)-右侧滑槽，1-2(b)-左侧滑槽，1-3-滑动轴承，1-4-关节转轴，1-5-左连接侧板，1-6-右连接侧板，1-5(a)、1-6(a)-绕线轮，1-5(b)-第一前连接孔，1-5(c)-第一后连接孔，1-7-DIP垫圈，1-8-DIP轴螺钉，1-9-伸展耦合腱绳，1-10-屈曲耦合腱绳，1-11-第一螺钉，1-12-第一弹簧，1-13-第一预紧件，1-14-第一磁铁，1-15-第二霍尔传感器，1-16-PIP轴螺钉，1-17-PIP垫圈，1-18-PIP左侧板，1-19-滑动轴承，1-20-PIP耦合轮，1-21-关节转轴，1-22-PIP右侧板，

2-基关节，2-1-中心螺钉，2-2-竖直轴，2-3-基关节左侧板，2-4-基关节右侧板，2-5-滚动轴承，2-6-水平轴，2-7-基关节垫圈，2-8-基关节螺钉，2-9-第二磁铁，2-10-顶部滑轮，2-11-底部滑轮，

3-滑轮导向机构，3-1-轴承基座，3-2-导向轴承，3-3-轴承垫片，3-4-轴承螺钉，3-5-第一霍尔传感器，

4-驱动模块，4-1-PIP电机模块，4-2-MP1电机模块，4-3-MP2电机模块，4-4-顶板，4-5-底板，

5-测试模块，5-1-力矩传感器基体，5-2-十字梁，5-3-伸出梁，5-4-第一应变片，5-5-第二应变片，5-6-连接轴，

6-驱动腱绳，6-1-PIP腱绳，6-2-MP1腱绳，6-3-MP2腱绳，6-1(a)、6-2(a)、6-3(a)-伸展端，6-1(b)、6-2(b)、6-3(b)-屈曲端，

7-杠杆机构，7-1-杠杆件，7-2-杠杆短轴，7-3-杠杆垫圈，7-4-杠杆螺钉，

8-连接板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图9所示，一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，包括指间关节1、基关节2、测试模块5、驱动模块4和由驱动模块4带动的驱动腱绳6；

所述的指间关节1包括指尖结构件1-1、远端指间关节1(a)、近端指间关节1(b)和指间关节连接件1(c)，所述的远端指间关节1(a)与近端指间关节1(b)采用耦合腱绳连接，以产生远端指间关节1(a)和近端指间关节1(b)之间的耦合运动，所述的指尖结构件1-1通过远端指间关节1(a)与指间关节连接件1(c)的一端连接，所述的指间关节连接件1(c)的另一端通过近端指间关节1(b)与关节连接件1(d)的一端连接，所述的关节连接件1(d)的另一端与基关节2连接，所述的基关节2包括俯仰关节和侧摆关节；

所述的驱动腱绳6包括PIP腱绳6-1、MP1腱绳6-2和MP2腱绳6-3，每根腱绳均由驱动模块4中相应的电机模块带动，PIP腱绳6-1的两端均固定在指间关节连接件1(c)上，PIP腱绳6-1用于驱动近端指间关节1(b)的弯曲和展开运动，所述MP1腱绳6-2和MP2腱绳6-3的两端均固定在基关节2上，MP1腱绳6-2联合MP2腱绳6-3用于驱动基关节2中俯仰关节的弯曲展开与侧摆关节的侧摆运动；PIP腱绳6-1、MP1腱绳6-2和MP2腱绳6-3分别缠绕在驱动模块4中相应的电机的输出轮上，并在输出轮上的定位销上打结固定，输出轮转动带动腱绳转动；

所述的测试模块5固定在基关节2上，所述的测试模块5用于测试远端指间关节1(a)的俯仰力矩和基关节2的俯仰力矩和侧摆力矩。

远端指间关节1(a)包括DIP耦合轮1-2和DIP关节转轴1-4，所述指间关节连接件1(c)包括对称设置的左连接侧板1-5和右连接侧板1-6，在左连接侧板1-5外侧设有腱绳预紧机构，所述指尖结构件1-1包括对称设置的指尖件左侧板1-1(b)和指尖件右侧板1-1(a)，所述的DIP耦合轮1-2设置在指尖件左侧板1-1(b)和指尖件右侧板1-1(a)之间，所述的左连接侧板1-5设置在指尖件左侧板1-1(b)外侧，所述的右连接侧板1-6设置在指尖件右侧板1-1(a)内侧，所述DIP关节转轴1-4依次穿过左连接侧板1-5、指尖左侧板1-1(b)、DIP耦合轮1-2、右连接侧板1-6和指尖右侧板1-1(a)上的通孔设置，且DIP关节转轴1-4的两端分别通过一组DIP轴螺钉1-8和DIP垫圈1-7固定压紧，在左连接侧板1-5、指尖左侧板1-1(b)、DIP耦合轮1-2、右连接侧板1-6和指尖右侧板1-1(a)的通孔处设有两个轴承，所述DIP关节转轴1-4穿过两个滑动轴承1-3设置；

所述近端指间关节1(b)包括PIP耦合轮1-20和PIP关节转轴1-21，所述关节连接件1(d)包括对称设置的PIP左侧板1-18和PIP右侧板1-22，所述的PIP耦合轮1-20设置在左连接侧板1-5和右连接侧板1-6之间，所述PIP左侧板1-18设置在左连接侧板1-5的外侧，所述PIP右侧板1-22设置在右连接侧板1-6的外侧，在左连接侧板1-5和右连接侧板1-6上与PIP关节转轴1-21连接处均设有一绕线轮，分别为绕线轮1-5(a)和绕线轮1-6(a)，所述PIP关节转轴1-21依次穿过PIP左侧板1-18、左连接侧板1-5、PIP耦合轮1-20、右连接侧板1-6和PIP右侧板1-22，PIP关节转轴1-21与左连接侧板1-5、PIP耦合轮1-20、右连接侧板1-6连接处设有PIP滑动轴承1-19，且PIP关节转轴1-21的两端分别通过一组PIP轴螺钉1-16和PIP垫圈1-17固定压紧；

PIP腱绳6-1的伸展端6-1(a)缠绕在所述左连接侧板1-5的近指间关节的绕线轮1-5(a)后连接到腱绳预紧机构上；PIP腱绳6-1的屈曲端6-1(b)缠绕在所述右连接侧板1-6的近指间关节的绕线轮1-6(a)上后固定在右连接侧板1-6上；

所述俯仰关节包括水平轴2-6、基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4，所述基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4对称设置，所述水平轴2-6依次穿过基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4，所述水平轴2-6两端分别通过一组基关节螺钉2-8和基关节垫圈2-7固定压紧，所述水平轴2-6与基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4连接处各设有一滚动轴承2-5，在基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4的内侧均设置一腱绳预紧机构；

所述侧摆关节包括竖直轴2-2、顶部滑轮2-10和底部滑轮2-11，所述的竖直轴2-2穿过水平轴2-6的中部且上下两端分别与顶部滑轮2-10和底部滑轮2-11连接，所述竖直轴2-2的两端均通过一中心螺钉2-1定位；所述水平轴2-6可绕竖直轴2-2转动，所述顶部滑轮2-10和底部滑轮2-11均与驱动模块4固定连接；

MP1腱绳6-2的伸展端6-2(a)从基关节左侧板2-3的上方缠绕后固定；MP1腱绳6-2的屈曲端6-2(b)从基关节右侧板2-4的下方缠绕后固定到基关节右侧板2-4上的腱绳预紧机构上；

MP2腱绳6-3的伸展端6-3(a)从基关节右侧板2-4的上方缠绕后固定；MP2腱绳6-3的屈曲端6-3(b)从基关节左侧板2-3的下方缠绕后固定到基关节左侧板2-3上的腱绳预紧机构上。

测试模块5包括力矩传感器基体5-1、十字梁5-2、伸出梁5-3和贴在十字梁5-2上的测量基关节2俯仰力矩和侧摆力矩的第一应变片5-4以及贴在伸出梁5-3上的测量远端指间关节1(a)俯仰力矩的第二应变片5-5，所述力矩传感器基体5-1设置在基关节左侧板2-3和基关节右侧板2-4之间，所述力矩传感器基体5-1通过连接轴5-6与基关节左侧板2-3的上部和基关节右侧板2-4的上部连接；所述PIP左侧板1-18的未与PIP关节转轴1-21连接的一端与力矩传感器基体5-1的左侧固定连接，所述PIP右侧板1-22的未与PIP关节转轴1-21连接的一端与力矩传感器基体5-1的右侧固定连接，所述的十字梁5-2固定在传感器基体5-1上，所述的伸出梁5-3穿出传感器基体5-1设置，所述的伸出梁5-3通过杠杆机构7与PIP耦合轮1-20连接；

杠杆机构7包括两端均设有连接孔的杠杆件7-1，所述的杠杆件7-1中部通过支撑轴连接到PIP左侧板1-18和PIP右侧板1-22上，通过向所述的杠杆件7-1一端的连接孔和PIP耦合轮1-20上的通孔内穿入一杠杆短轴7-2实现杠杆件7-1与PIP耦合轮1-20的连接，通过向杠杆件7-1的另一端的连接孔和伸出轴5-3上的圆孔内穿入另一杠杆短轴7-2实现杠杆件7-1与伸出轴5-3的连接，每个所述杠杆短轴7-2的两端均通过一组杠杆垫圈7-3和杠杆螺钉7-4压紧固定。

测试模块5为三维力矩传感器，当指尖有外负载时，耦合腱绳就会有内力，耦合腱绳内力传递到PIP耦合轮1-20，PIP耦合轮1-20固定到了杠杆机构7上，力通过杠杆机构7传动到伸出梁5-3上，伸出梁5-3为悬臂梁，悬臂梁上的第二应变片5-5测量DIP关节转矩，十字梁5-2上的第一应变片5-4测测基关节转矩(俯仰和侧摆两个方向)。

驱动模块4包括PIP电机模块4-1、MP1电机模块4-2和MP2电机模块4-3，三个电机模块顺次排列且顶部固定在顶板4-4上，底部固定在底板4-5上，三个电机模块分别带动三根腱绳，也就是每个电机模块都有一个输出轮，每个输出轮带动一根腱绳运动，所述底板4-5的靠近基关节2的一端伸出驱动模块4设置，所述顶部滑轮2-10通过连接板8与顶板4-4固定连接，所述底部滑轮2-11与底板的伸出驱动模块4部分固定连接，且在连接板8和底板4-5之间设有引导三根腱绳从驱动模块4到手指关节上的滑轮导向机构3。

滑轮导向机构3包括轴承基座3-1和三组导向轴承3-2，所述轴承基座3-1通过螺钉固定在连接板8和底板4-5上，每组导向轴承3-2缠绕一根腱绳，三组所述导向轴承3-2按腱绳缠绕角度不低于基关节的侧摆关节转角要求布置，每组导向轴承3-2均包括两个滚动轴承，且两个滚动轴承分别设置在轴承基座3-1的顶部和底部，每个滚动轴承均通过一组轴承垫片3-3和轴承螺钉3-4压紧定位，在所述轴承基座3-1上设有第一霍尔传感器3-5。滑轮导向机构3的作用：将电机端引出的腱绳合理的引导到关节上，保证缠绕角度不低于基关节2的侧摆关节转角(如果低于侧摆关节转角，那么关节转动时腱绳会脱离，导致腱绳两端收缩量和伸长量不相等。电机带动一根腱绳，腱绳两端的收缩量必须等于伸长量)。

远端指间关节1(a)处的腱绳预紧机构、基关节左侧板2-3上的腱绳预紧机构与基关节右侧板2-3上的腱绳预紧机构结构均相同，以远端指间关节1(a)处的腱绳预紧机构为例，包括第一螺钉1-11、第一预紧件1-13和第一弹簧1-12，所述的第一弹簧1-12套在第一螺钉1-11上，所述第一螺钉1-11穿过左连接侧板1-5上的第一前连接孔1-5(b)后固定在第一后连接孔1-5(c)上，所述的第一预紧件1-13套设在第一前连接孔1-5(b)和第一后连接孔1-5(c)之间的螺钉上，所述第一弹簧套1-12设在第一前连接孔1-5(b)与螺钉端部之间的螺钉本体上。

耦合腱绳包括屈曲耦合腱绳1-10和伸展耦合腱绳1-9，所述屈曲耦合腱绳1-10在远端指间关节1(a)缠绕在DIP耦合轮1-2的右侧滑槽1-2(a)上；所述屈曲耦合腱绳1-10在近端指间关节1(b)缠绕在PIP耦合轮1-20上；伸展耦合腱绳1-9在远端指间关节1(a)缠绕在DIP耦合轮1-2的左侧滑槽1-2(b)上；所述伸展耦合腱绳1-9在近端指间关节1(b)缠绕在PIP耦合轮1-20上，所述屈曲耦合腱绳1-10和伸展耦合腱绳1-9之间交叉布置。具体工作原理为：PIP关节向下转动时，屈曲耦合腱绳1-10在PIP耦合轮1-20上的缠绕角度会增大，因此在DIP耦合轮1-2上的缠绕角度会减小，就会拉着指尖结构件1-1绕着关节转轴1-4向下转动，这就是屈曲运动时的耦合原理。

PIP腱绳6-1的伸展端6-1(a)缠绕在水平轴2-6下面；所述PIP腱绳6-1的屈曲端6-1(b)缠绕在水平轴2-6的上面。

左连接侧板1-5在近指间关节的绕线轮1-5(a)上布置有第一磁铁1-14；在所述PIP耦合轮1-20上固定有第二霍尔传感器1-15，在基关节左侧板2-3上设有第二磁铁2-9。

一种机械手指的控制方法，包括：

PIP电机模块4-1带动PIP腱绳6-1的屈曲端6-1(b)收缩，带动右连接侧板1-6绕着近端指间关节1(b)向下转动，即指间关节1弯曲；PIP电机模块4-1带动腱绳6-1的伸展端6-1(a)收缩，带动左连接侧板1-5绕着近端指间关节1(b)向上转动，即指间关节1展开；

MP1电机模块4-2和MP2电机模块4-3中的两个电机同时逆时针转动，MP1腱绳6-2的屈曲端6-2(b)和MP2腱绳6-3的屈曲端6-3(b)同时收缩时，手指向下转动，即手指弯曲；两个电机同时顺时针转动，MP1腱绳6-2的伸展端6-2(a)和MP2腱绳6-3的伸展端6-3(a)同时收缩时，手指向上转动，即手指展开；

MP1电机模块4-2和MP2电机模块4-3中的两个电机相反方向转动，MP1腱绳6-2的伸展端6-2(a)和MP2腱绳6-3的屈曲端6-3(b)同时收缩或MP1腱绳6-2的屈曲端6-2(b)和MP2腱绳6-3的伸展端6-3(a)同时收缩，水平轴2-6绕着竖直轴2-2转动，实现手指侧摆运动。

远端指间关节1(a)同近端指间关节1(b)也可采用连杆或齿轮等方式进行耦合。

基关节2的机构采用十字轴和滑轮组合而成，也可采用两对锥齿轮组成。

所述的近端指间关节1(b)、远端指间关节1(a)和基关节2中的俯仰关节的运动范围均为0°～+90°，接近人手手指真实的运动范围，图1为这三个关节俯仰角为0°时手指的姿态；基关节2中的侧摆关节的运动范围为-10°～+10°，图1中侧摆关节为0°；所有运动关节在运动范围的极限均设计有机械限位机构。

耦合腱绳1-10和耦合腱绳1-11的两端均固定，PIP腱绳6-1、MP1腱绳6-2和MP2腱绳6-3均采用一端固定、另一端固定并拉伸的方式实现预紧；固定方式采用螺钉压紧或打结的方式；拉伸使用通过螺钉的旋拧来实现，螺钉插入光孔中，螺钉上连接有有带内螺纹的预紧件，腱绳通过缠绕或打结的方式与预紧件连接，旋拧螺钉，预紧件在螺钉上移动，拉伸腱绳实现预紧；

PIP腱绳6-1在基关节2的穿越方式从PIP腱绳6-1相对于有水平轴2-6的位置关系可分为三种：屈曲端6-1(b)从基关节水平轴2-6的上方穿越，伸展端6-1(a)从基关节水平轴2-6下方穿越，本发明采用的就是此种方案；也可以屈曲端6-1(b)从基关节水平轴2-6的下方穿越，伸展端6-1(a)从基关节水平轴2-6的上方穿越；还可以屈曲端6-1(b)和伸展端6-1(a)同时从水平轴2-6中间穿越；三种方案分别如图10中(a)(b)(c)所示。PIP腱绳6-1在基关节2的穿越方式从PIP腱绳6-1相对于有竖直轴2-2的位置关系可分为两种：屈曲端6-1(b)和伸展端6-1(a)从竖直轴2-2两侧等距离穿越，本发明采用的就是此种方案；也可以同时从竖直轴2-2内部穿越；两种方案分别如图10中(d)(e)所示。

腱绳由高分子纤维PBO编织而成，也可以采用其他高分子纤维编织成的绳；用磁铁和霍尔传感器测量极限位置；

滑轮导向机构3中使用滚动轴承，引入滚动摩擦，减少了由于摩擦导致的腱绳内力损耗；滑轮导向机构也可以使用普通的滑轮，引入滑动摩擦，提高承载能力；

近端指间关节和远端指间关节采用滑动关节；也可以采用滚动轴承来减小关节摩擦；

驱动模块可以保证腱绳在关节运动范围内的双向运动，各关节的运动均为双向可控。

霍尔传感器和磁铁组成关节位置传感器，第一霍尔传感器3-5用于测量基关节在俯仰运动方向上的角度，第二霍尔传感器1-15用于测量近端指间关节在俯仰运动方向上的角度。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：包括指间关节(1)、基关节(2)、测试模块(5)、驱动模块(4)和由驱动模块(4)带动的驱动腱绳(6)；

所述的指间关节(1)包括指尖结构件(1-1)、远端指间关节(1(a))、近端指间关节(1(b))和指间关节连接件(1(c))，所述的远端指间关节(1(a))与近端指间关节(1(b))采用耦合腱绳连接，以产生远端指间关节(1(a))和近端指间关节(1(b))之间的耦合运动，所述的指尖结构件(1-1)通过远端指间关节(1(a))与指间关节连接件(1(c))的一端连接，所述的指间关节连接件(1(c))的另一端通过近端指间关节(1(b))与关节连接件(1(d))的一端连接，所述的关节连接件(1(d))的另一端与基关节(2)连接，所述的基关节(2)包括俯仰关节和侧摆关节；

所述的驱动腱绳(6)包括PIP腱绳(6-1)、MP1腱绳(6-2)和MP2腱绳(6-3)，PIP腱绳(6-1)的两端均固定在指间关节连接件(1(c))上，PIP腱绳(6-1)用于驱动近端指间关节(1(b))的弯曲和展开运动，所述MP1腱绳(6-2)和MP2腱绳(6-3)的两端均固定在基关节(2)上，MP1腱绳(6-2)联合MP2腱绳(6-3)用于驱动基关节(2)中俯仰关节的弯曲展开与侧摆关节的侧摆运动；

所述的测试模块(5)固定在基关节(2)上，所述的测试模块(5)用于测试远端指间关节(1(a))的俯仰力矩和基关节(2)的俯仰力矩和侧摆力矩。

2.根据权利要求1所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述远端指间关节(1(a))包括DIP耦合轮(1-2)和DIP关节转轴(1-4)，所述指间关节连接件(1(c))包括对称设置的左连接侧板(1-5)和右连接侧板(1-6)，在左连接侧板(1-5)外侧设有腱绳预紧机构，所述指尖结构件(1-1)包括对称设置的指尖件左侧板(1-1(b))和指尖件右侧板(1-1(a))，所述的DIP耦合轮(1-2)设置在指尖件左侧板(1-1(b))和指尖件右侧板(1-1(a))之间，所述的左连接侧板(1-5)设置在指尖件左侧板(1-1(b))外侧，所述的右连接侧板(1-6)设置在指尖件右侧板(1-1(a))内侧，所述DIP关节转轴(1-4)依次穿过左连接侧板(1-5)、指尖左侧板(1-1(b))、DIP耦合轮(1-2)、右连接侧板(1-6)和指尖右侧板(1-1(a))上的通孔设置，且DIP关节转轴(1-4)的两端分别通过一组DIP轴螺钉(1-8)和DIP垫圈(1-7)固定压紧，在左连接侧板(1-5)、指尖左侧板(1-1(b))、DIP耦合轮(1-2)、右连接侧板(1-6)和指尖右侧板(1-1(a))的通孔处设有两个轴承，所述DIP关节转轴(1-4)穿过两个轴承设置；

所述近端指间关节(1(b))包括PIP耦合轮(1-20)和PIP关节转轴(1-21)，所述关节连接件(1(d))包括对称设置的PIP左侧板(1-18)和PIP右侧板(1-22)，所述的PIP耦合轮(1-20)设置在左连接侧板(1-5)和右连接侧板(1-6)之间，所述PIP左侧板(1-18)设置在左连接侧板(1-5)的外侧，所述PIP右侧板(1-22)设置在右连接侧板(1-6)的外侧，在左连接侧板(1-5)和右连接侧板(1-6)上与PIP关节转轴(1-21)连接处均设有一绕线轮，所述PIP关节转轴(1-21)依次穿过PIP左侧板(1-18)、左连接侧板(1-5)、PIP耦合轮(1-20)、右连接侧板(1-6)和PIP右侧板(1-22)，PIP关节转轴(1-21)与左连接侧板(1-5)、PIP耦合轮(1-20)、右连接侧板(1-6)连接处设有PIP滑动轴承(1-19)，且PIP关节转轴(1-21)的两端分别通过一组PIP轴螺钉(1-16)和PIP垫圈(1-17)固定压紧；

PIP腱绳(6-1)的伸展端(6-1(a))缠绕在所述左连接侧板(1-5)的近指间关节的绕线轮后连接到腱绳预紧机构上；PIP腱绳(6-1)的屈曲端(6-1(b))缠绕在所述右连接侧板(1-6)的近指间关节的绕线轮上后固定在右连接侧板(1-6)上；

所述俯仰关节包括水平轴(2-6)、基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)，所述基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)对称设置，所述水平轴(2-6)依次穿过基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)，所述水平轴(2-6)两端分别通过一组基关节螺钉(2-8)和基关节垫圈(2-7)固定压紧，所述水平轴(2-6)与基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)连接处各设有一滚动轴承(2-5)，在基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)的内侧均设置一腱绳预紧机构；

所述侧摆关节包括竖直轴(2-2)、顶部滑轮(2-10)和底部滑轮(2-11)，所述的竖直轴(2-2)穿过水平轴(2-6)的中部且上下两端分别与顶部滑轮(2-10)和底部滑轮(2-11)连接，所述竖直轴(2-2)的两端均通过一中心螺钉(2-1)定位；所述水平轴(2-6)可绕竖直轴(2-2)转动，所述顶部滑轮(2-10)和底部滑轮(2-11)均与驱动模块(4)固定连接；

MP1腱绳(6-2)的伸展端(6-2(a))从基关节左侧板(2-3)的上方缠绕后固定；MP1腱绳(6-2)的屈曲端(6-2(b))从基关节右侧板(2-4)的下方缠绕后固定到基关节右侧板(2-4)上的腱绳预紧机构上；

MP2腱绳(6-3)的伸展端(6-3(a))从基关节右侧板(2-4)的上方缠绕后固定；MP2腱绳(6-3)的屈曲端(6-3(b))从基关节左侧板(2-3)的下方缠绕后固定到基关节左侧板(2-3)上的腱绳预紧机构上。

3.根据权利要求2所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述测试模块(5)包括力矩传感器基体(5-1)、十字梁(5-2)、伸出梁(5-3)和贴在十字梁(5-2)上的测量基关节(2)俯仰力矩和侧摆力矩的第一应变片(5-4)以及贴在伸出梁(5-3)上的测量远端指间关节(1

(a))俯仰力矩的第二应变片(5-5)，所述力矩传感器基体(5-1)设置在基关节左侧板(2-3)和基关节右侧板(2-4)之间，所述力矩传感器基体(5-1)通过连接轴(5-6)与基关节左侧板(2-3)的上部和基关节右侧板(2-4)的上部连接；所述PIP左侧板(1-18)的未与PIP关节转轴(1-21)连接的一端与力矩传感器基体(5-1)的左侧固定连接，所述PIP右侧板(1-22)的未与PIP关节转轴(1-21)连接的一端与力矩传感器基体(5-1)的右侧固定连接，所述的十字梁(5-2)固定在传感器基体(5-1)上，所述的伸出梁(5-3)穿出传感器基体(5-1)设置，所述的伸出梁(5-3)通过杠杆机构(7)与PIP耦合轮(1-20)连接；

所述杠杆机构(7)包括两端均设有连接孔的杠杆件(7-1)，所述的杠杆件(7-1)中部通过支撑轴连接到PIP左侧板(1-18)和PIP右侧板(1-22)上，通过向所述的杠杆件(7-1)一端的连接孔和PIP耦合轮(1-20)上的通孔内穿入一杠杆短轴(7-2)实现杠杆件(7-1)与PIP耦合轮(1-20)的连接，通过向杠杆件(7-1)的另一端的连接孔和伸出轴(5-3)上的圆孔内穿入另一杠杆短轴(7-2)实现杠杆件(7-1)与伸出轴(5-3)的连接，每个所述杠杆短轴(7-2)的两端均通过一组杠杆垫圈(7-3)和杠杆螺钉(7-4)压紧固定。

4.根据权利要求2或3所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述的驱动模块(4)包括PIP电机模块(4-1)、MP1电机模块(4-2)和MP2电机模块(4-3)，三个电机模块顺次排列且顶部固定在顶板(4-4)上，底部固定在底板(4-5)上，三个电机模块分别带动三根腱绳，所述底板(4-5)的靠近基关节(2)的一端伸出驱动模块(4)设置，所述顶部滑轮(2-10)通过连接板(8)与顶板(4-4)固定连接，所述底部滑轮(2-11)与底板的伸出驱动模块(4)部分固定连接，且在连接板(8)和底板(4-5)之间设有引导三根腱绳从驱动模块(4)到手指关节上的滑轮导向机构(3)。

5.根据权利要求4所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述滑轮导向机构(3)包括轴承基座(3-1)和三组导向轴承(3-2)，所述轴承基座(3-1)通过螺钉固定在连接板(8)和底板(4-5)上，每组导向轴承(3-2)缠绕一根腱绳，三组所述导向轴承(3-2)按腱绳缠绕角度不低于基关节的侧摆关节转角要求布置，每组导向轴承(3-2)均包括两个滚动轴承，且两个滚动轴承分别设置在轴承基座(3-1)的顶部和底部，每个滚动轴承均通过一组轴承垫片(3-3)和轴承螺钉(3-4)压紧定位，在所述轴承基座(3-1)上设有第一霍尔传感器(3-5)。

6.根据权利要求2所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述腱绳预紧机构包括螺钉、预紧件和弹簧，所述的弹簧套在螺钉上，所述螺钉穿过相应侧板上的前连接孔后固定在后连接孔上，所述的预紧件套设在前连接孔和后连接孔之间的螺钉上，所述弹簧套设在前连接孔与螺钉端部之间的螺钉本体上。

7.根据权利要求2或3所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述的耦合腱绳包括屈曲耦合腱绳(1-10)和伸展耦合腱绳(1-9)，所述屈曲耦合腱绳(1-10)在远端指间关节(1(a))缠绕在DIP耦合轮(1-2)的右侧滑槽(1-2(a))上；所述屈曲耦合腱绳(1-10)在近端指间关节(1(b))缠绕在PIP耦合轮(1-20)上；伸展耦合腱绳(1-9)在远端指间关节(1(a))缠绕在DIP耦合轮(1-2)的左侧滑槽(1-2(b))上；所述伸展耦合腱绳(1-9)在近端指间关节(1(b))缠绕在PIP耦合轮(1-20)上，所述屈曲耦合腱绳(1-10)和伸展耦合腱绳(1-9)之间交叉布置。

8.根据权利要求7所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述PIP腱绳(6-1)的伸展端(6-1(a))缠绕在水平轴(2-6)下面；所述PIP腱绳(6-1)的屈曲端(6-1(b))缠绕在水平轴(2-6)的上面。

9.根据权利要求8所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指，其特征在于：所述左连接侧板(1-5)在近指间关节的绕线轮上布置有第一磁铁(1-14)；在所述PIP耦合轮(1-20)上固定有第二霍尔传感器(1-15)，在基关节左侧板(2-3)上设有第二磁铁(2-9)。

10.一种根据权利要求4所述的模块化三自由度腱绳传动仿人灵巧机械手指的控制方法，其特征在于：

PIP电机模块(4-1)带动PIP腱绳(6-1)的屈曲端(6-1(b))收缩，带动右连接侧板(1-6)绕着近端指间关节(1(b))向下转动，即指间关节(1)弯曲；PIP电机模块(4-1)带动腱绳(6-1)的伸展端(6-1(a))收缩，带动左连接侧板(1-5)绕着近端指间关节(1(b))向上转动，即指间关节(1)展开；

MP1电机模块(4-2)和MP2电机模块(4-3)中的两个电机同时逆时针转动，MP1腱绳(6-2)的屈曲端(6-2(b))和MP2腱绳(6-3)的屈曲端6-3(b)同时收缩时，手指向下转动，即手指弯曲；两个电机同时顺时针转动，MP1腱绳(6-2)的伸展端(6-2(a))和MP2腱绳(6-3)的伸展端(6-3(a))同时收缩时，手指向上转动，即手指展开；

MP1电机模块(4-2)和MP2电机模块(4-3)中的两个电机相反方向转动，MP1腱绳(6-2)的伸展端(6-2(a))和MP2腱绳(6-3)的屈曲端(6-3(b))同时收缩或MP1腱绳(6-2)的屈曲端(6-2(b))和MP2腱绳(6-3)的伸展端(6-3(a))同时收缩，水平轴(2-6)绕着竖直轴(2-2)转动，实现手指侧摆运动。

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