CN111923068B - 一种腱传动仿人灵巧手的手指关节 - Google Patents

Abstract

本发明为了克服现有技术中仿人灵巧手结构复杂，在手指关节上需要大量空间的技术问题，提供一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，包括摆动关节和弯折关节组，弯折关节组包括若干根铰接相连的弯折关节，摆动关节的一端与所述仿人灵巧手的手掌相连，摆动关节的另一端与弯折关节相连，相邻两个弯折关节的连接处设有轮滑，弯折关节上设有第一槽孔，限位绳结位于第一槽孔远离摆动关节的一侧，弯折关节上设有第二槽孔，弯折腱绳沿位于弯折关节靠近摆动关节一端的轮滑周向绕设后，经第二槽孔穿出，所述手指关节内设有回复腱绳，摆动关节内设有摆动腱绳，摆动关节上设有第三槽孔，弯折腱绳、回复腱绳和摆动腱绳沿第三槽孔穿出后与所述手掌相连。

Description

一种腱传动仿人灵巧手的手指关节

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，特别是涉及一种腱传动仿人灵巧手的手指关节。

背景技术

随着机器人智能化水平和操作能力的不断提升，仿人灵巧手以其类人手的特性，在航天航空、紧密机械、军事、工业和医疗器械等领域都有着广泛的应用前景，这就要求灵巧手具备较多的自由度和较为准确的抓取操作能力。因此，仿人灵巧手的研究重点在于结构上尽量模拟人手的基础上让结构合理简化，并具有一定的灵活性。

目前的灵巧手为了达到一定的灵活性和抓取准确性等要求，设计出来的灵巧手就会占大量的手指内部空间，所以，灵巧手的尺寸都会比人手大出1.5~2倍。在当下以人手尺寸进行设计操作的大环境下，一款结构简单、与人手尺寸大小相似并且能够实现灵巧操作的灵巧手更加符合目前的需求。

目前使用腱绳进行驱动的灵巧手很多，如CN107225588、CN103231385A、CN108312174A、CN106903710A等专利均采用绳类驱动，但其存在结构和布线较为复杂的问题，这样后期维护的成本高、不利于普及，其中还有一些采用以较多绳的数量达到手指旋转效果，稳定性较差，所占手指空间大。部分专利采用内置的机电系统来实现灵巧手的关节弯曲，如CN109927061A、CN106335074A等专利，但是电机的布置会占用大量手掌空间，会使被驱动对象受到限制，降低手的负载自重比。 CN106346500A、CN110076812A、CN106826885A等专利中的手指关节具有有一定的自适应性，但它们的一根手指使用多个弹性材料回复，而弹性材料易受疲劳损伤，易变形，其耐用性较差。目前大多数灵巧手的尺寸都会比人手大，但也有尺寸与成年人相当、有较好适应性和柔顺性的灵巧手，如CN107932536A、CN106346500A、CN209954679U等专利，但是它们手指内部结构较为复杂，对于轮滑、齿轮和连杆等元件的采用比较多且运动空间有限，装配比较麻烦、一体化程度不高。

发明内容

本发明为了克服现有技术中仿人灵巧手结构复杂，在手指关节上需要大量空间的技术问题，提供一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，使用较少的腱绳实现较多的自由度，在与人手尺寸相仿的基础上使结构紧凑合理，利用结构上的特点达到腱绳传动效果，在高度一体化的同时具备一定的灵活性，可以实现较为精确的位置控制。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，包括摆动关节和弯折关节组，弯折关节组包括若干根铰接相连的弯折关节，摆动关节的一端与所述仿人灵巧手的手掌相连，摆动关节的另一端与弯折关节相连，相邻两个弯折关节的连接处设有轮滑，弯折关节上设有用以穿设弯折腱绳的第一槽孔，弯折腱绳上设有直径大于第一槽孔直径的限位绳结，限位绳结位于第一槽孔远离摆动关节的一侧，弯折关节上设有沿其长度方向贯通的第二槽孔，弯折腱绳沿位于弯折关节靠近摆动关节一端的轮滑周向绕设后，经第二槽孔穿出，所述手指关节内设有回复腱绳，摆动关节内设有摆动腱绳，摆动关节上设有第三槽孔，弯折腱绳、回复腱绳和摆动腱绳沿第三槽孔穿出后与所述手掌相连。

本发明提供一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，手指关节内设有回复腱绳，当没有外力施加时，若干根弯折关节在回复腱绳的拉动下保持竖直状态，每个弯折关节均对应设有一根弯折腱绳，弯折腱绳沿轮滑的周面绕设后经第二槽孔和第三槽孔沿手指关节的长度方向穿出，通过拉动弯折腱绳，即可实现对应弯折关节的转动，摆动关节处对应设有摆动腱绳，拉动摆动腱绳即可实现摆动关节的侧向摆动，弯折腱绳和摆动腱绳上的拉力消失后，手指关节即在回复腱绳的作用下自动复位至竖直状态，为下一次的手部动作做准备。本发明通过弯折腱绳和摆动腱绳的配合模拟人类手指的动作过程，在需要精细化动作的复杂化境中可达成良好的类人仿真效果， 实现较为精确的位置控制；此外，每个弯折关节对应一个自由度，摆动关节对应一个自由度，整个手指关节的自由度与弯折关节和摆动关节的数量和相等，本发明通过小数量的腱绳实现整个手指关节的多自由度动作以及多姿态调整，在模拟人手尺寸的基础上使结构紧凑合理，满足当下仿生设计中类人手尺寸设计的需求；最后，本发明利用结构上的特点达到腱绳传动效果，所需元件不多，装配拆卸简单快速，一体化程度高。

作为优选，弯折关节组包括近指关节、中指关节和远指关节，近指关节、中指关节和远指关节朝远离摆动关节的方向依次布置。上述技术方案对弯折关节的数目进行限定，为最大化地模拟人手结构，本发明中布置了三个弯折关节，同时，为便于简化手指关节的动作控制，本发明将手指关节的弯曲动作和侧向摆动动作分立控制，弯折关节仅实现弯曲动作，摆动关节仅实现侧摆动作，通过弯折关节和摆动关节的联动即可实现人类手指的复杂动作模拟，即通过简化的内部结构实现复杂化的动作模拟过程，在降低应用门槛的同时可削减使用成本。

作为优选，轮滑包括第一轮滑、第二轮滑和第三轮滑，第一轮滑、第二轮滑和第三轮滑朝远离摆动关节的方向依次布置，第一轮滑位于近指关节与摆动关节之间。轮滑与弯折腱绳配合用以控制弯折关节的弯折角度，第一轮滑对应近指关节，第二轮滑对应中指关节，第三轮滑对应远指关节。

作为优选，弯折腱绳包括第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳，第一腱绳沿远指关节上的第一槽孔穿出，沿第三轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第二腱绳沿中指关节上的第一槽孔穿出，沿第二轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第三腱绳沿近指关节上的第一槽孔穿出，沿第一轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出。上述技术方案对弯折腱绳的布置方式进行限定，第一腱绳对应远指关节，第二腱绳对应中指关节，第三腱绳对应近指关节，通过拉动弯折腱绳，即可实现对应弯折腱绳的弯曲动作，通过调整施加在弯折腱绳上拉力的大小，即可调整对应弯折关节的弯曲角度，通过第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳上拉力有无以及拉力大小的调整，即可实现手指关节整体的多姿态调整，从而在提升类人手指模拟度的同时满足不同操作环境的手指姿态需求。

作为优选，摆动关节包括掌指关节和与所述手掌相连的连接件，掌指关节包括本体和位于本体靠近连接件一端的摆动件，摆动件与连接件之间设有铰接轴，铰接轴的轴向与轮滑的轴向相垂直。弯折关节朝向手掌弯曲动作，铰接轴的轴向与轮滑的轴向相互垂直，故而掌指关节在摆动腱绳的控制下可实现侧向摆动。

作为优选，弯折关节由第一半关节和第二半关节拼接构成，轮滑位于第一半关节靠近摆动关节的一端，第二半关节上设有安装孔，轮滑与安装孔啮合后，第一半关节和第二半关节形成的拼缝沿弯折关节的长度方向延伸。弯折关节均通过第一半关节和第二半关节的卡扣设计啮合在一起，为增加可靠性，在第一半关节和第二半关节的拼缝处对两者进行粘结固定；本发明中第一半关节部分拉伸凸出，第二半关节部分拉伸切除，通过两者的啮合适配实现轮滑的设计，在保证第一半关节和第二半关节良好啮合的同时达到手指内部空间的最大化利用。

作为优选，远指关节上设有第四槽孔，回复腱绳上设有直径大于第四槽孔的止位绳结，止位绳结位于第四槽孔远离摆动关节的一侧，回复腱绳沿第三轮滑的周向绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出。止位绳结用以对复位腱绳限位，避免其从远指关节中脱出。

作为优选，相邻两个弯折关节之间设有第一限位件，弯折关节与摆动关节之间设有第二限位件，弯折关节沿其厚度方向包括指腹侧和指背侧，位于指背侧的第一限位件和第二限位件用以限制弯折关节的转动角度。当没有第一限位件和第二限位件时，装有所述手指关节的仿人灵巧手在托举重物时，手指关节容易在重物载荷作用下朝指背侧弯折偏移，尽管在弯折腱绳的拉动下不会发生手指关节的反向弯折现象，但此时灵巧手的托举动作极不流畅，且需在弯折腱绳上施加较大的拉力才能将手指关节维持在托举状态，在实际应用生产中极为不便；为克服这一技术问题，本发明在相邻两个弯折关节之间布设第一限位件，在弯折关节与摆动关节之间布设第二限位件，第一限位件和第二限位件均位于手指关节的指背侧，在灵巧手进行托举动作时，第一限位件和第二限位件配合对手指关节形成有效限位支撑，避免手指关节反向弯折现象的发生，在提升类人手指模拟度的同时降低施加在弯折腱绳上的拉力，从而提升弯折腱绳的使用耐久度。

作为优选，第四槽孔位于指腹侧，第一槽孔位于指背侧。第四槽孔位于远指关节的指腹侧，复位腱绳经第三轮滑的周向绕设后沿手指关节的指背侧延伸，从而在弯折腱绳上无拉力时实现弯折关节的竖直复位，保持手指关节处于延展状态，便于下一次手指关节动作时的快速响应。

作为优选，第一限位件和第二限位件的端面均呈倒置的“L”型。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）本发明通过弯折腱绳和摆动腱绳的配合模拟人类手指的动作过程，在需要精细化动作的复杂化境中可达成良好的类人仿真效果，实现较为精确的位置控制；（2）本发明通过小数量的腱绳实现整个手指关节的多自由度动作以及多姿态调整，在模拟人手尺寸的基础上使结构紧凑合理，满足当下仿生设计中类人手尺寸设计的需求；（3）本发明利用结构上的特点达到腱绳传动效果，所需元件不多，装配拆卸简单快速，一体化程度高；（4）通过简化的内部结构实现复杂化的动作模拟过程，在降低应用门槛的同时可削减使用成本；（5）通过第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳上拉力有无以及拉力大小的调整，即可实现手指关节整体的多姿态调整，从而在提升类人手指模拟度的同时满足不同操作环境的手指姿态需求；（6）通过两者的啮合适配实现轮滑的设计，在保证第一半关节和第二半关节良好啮合的同时达到手指内部空间的最大化利用；（7）在弯折腱绳上无拉力时实现弯折关节的竖直复位，保持手指关节处于延展状态，便于下一次手指关节动作时的快速响应；（8）第一限位件和第二限位件配合对手指关节形成有效限位支撑，避免手指关节反向弯折现象的发生，在提升类人手指模拟度的同时降低施加在弯折腱绳上的拉力，从而提升弯折腱绳的使用耐久度。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的剖视图。

图3是本发明一侧手指关节的侧视图。

图4是图3对应视图的正视图。

图5是本发明另一侧手指关节的侧视图。

图6是本发明所述手指关节侧摆动作的示意图。

图7是本发明所述手指关节弯曲动作的示意图。

图中：

摆动关节1，弯折关节2，第一半关节2a，第二半关节2b，轮滑3，弯折腱绳4，第一槽孔5，第二限位件6，第二槽孔7，回复腱绳8，第三槽孔9，近指关节10，中指关节11，远指关节12，第一轮滑13，第二轮滑14，第三轮滑15，第一腱绳16，第二腱绳17，第三腱绳18，掌指关节19，连接件20，本体21，摆动件22，安装孔23，第四槽孔24，摆动腱绳25，第一限位件26。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1至图7所示，一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，包括摆动关节1和弯折关节组，弯折关节组包括若干根铰接相连的弯折关节2，摆动关节的一端与所述仿人灵巧手的手掌相连，摆动关节的另一端与弯折关节相连，相邻两个弯折关节的连接处设有轮滑3，弯折关节上设有用以穿设弯折腱绳4的第一槽孔5，弯折腱绳上设有直径大于第一槽孔直径的限位绳结，限位绳结位于第一槽孔远离摆动关节的一侧，弯折关节上设有沿其长度方向贯通的第二槽孔7，弯折腱绳沿位于弯折关节靠近摆动关节一端的轮滑周向绕设后，经第二槽孔穿出，所述手指关节内设有回复腱绳8，摆动关节内设有摆动腱绳25，摆动关节上设有第三槽孔9，弯折腱绳、回复腱绳和摆动腱绳沿第三槽孔穿出后与所述手掌相连；弯折关节组包括近指关节10、中指关节11和远指关节12，近指关节、中指关节和远指关节朝远离摆动关节的方向依次布置；轮滑包括第一轮滑13、第二轮滑14和第三轮滑15，第一轮滑、第二轮滑和第三轮滑朝远离摆动关节的方向依次布置，第一轮滑位于近指关节与摆动关节之间；弯折腱绳包括第一腱绳16、第二腱绳17和第三腱绳18，第一腱绳沿远指关节上的第一槽孔穿出，沿第三轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第二腱绳沿中指关节上的第一槽孔穿出，沿第二轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第三腱绳沿近指关节上的第一槽孔穿出，沿第一轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；摆动关节包括掌指关节19和与所述手掌相连的连接件20，掌指关节包括本体21和位于本体靠近连接件一端的摆动件22，摆动件与连接件之间设有铰接轴，铰接轴的轴向与轮滑的轴向相垂直；弯折关节由第一半关节2a和第二半关节2b拼接构成，轮滑位于第一半关节靠近摆动关节的一端，第二半关节上设有安装孔23，轮滑与安装孔啮合后，第一半关节和第二半关节形成的拼缝沿弯折关节的长度方向延伸；远指关节上设有第四槽孔24，回复腱绳上设有直径大于第四槽孔的止位绳结，止位绳结位于第四槽孔远离摆动关节的一侧，回复腱绳沿第三轮滑的周向绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；相邻两个弯折关节之间设有第一限位件26，弯折关节与摆动关节之间设有第二限位件6，弯折关节沿其厚度方向包括指腹侧和指背侧，位于指背侧的第一限位件和第二限位件用以限制弯折关节的转动角度；第四槽孔位于指腹侧，第一槽孔位于指背侧；第一限位件和第二限位件的端面均呈倒置的“L”型。

一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其中包含4个指节，自上而下依次为远指关节、中指关节、近指关节和掌指关节。该灵巧手手指通过腱传动单独控制各关节进行运动，一根手指是四个自由度，其中远指端、中指端和近指端的关节分别通过第一腱绳、第二腱绳、第三腱绳进行向掌心的正向摆动，掌指关节通过摆动腱绳进行侧向摆动。本手指全部的关节回复用同一根回复腱绳进行控制，固定在掌心。本发明的手指整体大小与人手相近，更适用于以人手为基础进行操作的大环境，使用腱绳驱动让手指可进行弯曲操作，进行较为精确的位置控制。

所述的每个手指关节都是由两个半关节通过卡扣设计啮合在一起，弯折关节均由第一半关节和第二半关节啮合拼接而成。为了能够实现手指的侧摆操作，摆动关节包括掌指关节和连接件，掌指关节由两个半关节拼接而成，为增加连接可靠性，两两半关节均通过粘结固定为完整关节。用第一腱绳穿过远指关节左侧的第一槽孔后打结，再绕着两个远指半关节中间的第三轮滑，尽可能地实现增加传动力矩的作用，最后通过中指关节、近指关节和摆动关节中间的第二槽孔和第三槽孔，拉动第一腱绳直至贯穿整根手指，其中的第三滑轮的设计是远指关节的一边关节拉伸凸出，另一边关节拉伸切除形成圆柱孔，凸出部分与切除部分对接后，第三轮滑和圆柱孔就可以无缝啮合，达到手指内空间的最大利用率，无需再安装额外的滑轮就能实现较好的传动力矩；中指关节和近指关节的布置方式类同。用回复腱绳穿过远指关节的右侧的第四槽孔后打结，绕着远指关节中间的第三滑轮，拉动回复腱绳穿过中指关节、近指关节和掌指关节，贯穿整根手指，从第三槽孔中穿出，作为控制整根手指四个关节回复的回复腱。第一固定件和第二固定件能够限制各关节位置，在回复腱绳拉紧状态下，让整根手指在不受外力时处于直立状态。同理，用第二腱绳通过中指关节的第一槽孔处打结，绕过第二滑轮，穿过第二槽孔和第三槽孔后贯穿整根手指；第三腱绳通过近指关节的第一槽孔处打结，绕过第一滑轮，穿过第二槽孔和第三槽孔后贯穿整根手指；摆动腱绳通过掌骨关节的槽孔打结，穿过槽孔第三槽孔后贯穿整根手指。驱动器拉动第一腱绳、第二腱绳、第三腱绳、摆动腱绳，即可实现手指的远指关节、中指关节、近指关节向掌心正向摆动，掌骨关节的侧向摆动。

Claims (8)

1.一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，包括摆动关节和弯折关节组，弯折关节组包括若干根铰接相连的弯折关节，摆动关节的一端与所述仿人灵巧手的手掌相连，摆动关节的另一端与弯折关节相连，相邻两个弯折关节的连接处设有轮滑，弯折关节上设有用以穿设弯折腱绳的第一槽孔，弯折腱绳上设有直径大于第一槽孔直径的限位绳结，限位绳结位于第一槽孔远离摆动关节的一侧，弯折关节上设有沿其长度方向贯通的第二槽孔，弯折腱绳沿位于弯折关节靠近摆动关节一端的轮滑周向绕设后，经第二槽孔穿出，所述手指关节内设有回复腱绳，摆动关节内设有摆动腱绳，摆动关节上设有第三槽孔，弯折腱绳、回复腱绳和摆动腱绳沿第三槽孔穿出后与所述手掌相连，相邻两个弯折关节之间设有第一限位件，弯折关节与摆动关节之间设有第二限位件，弯折关节沿其厚度方向包括指腹侧和指背侧，位于指背侧的第一限位件和第二限位件用以限制弯折关节的转动角度，第一限位件和第二限位件的端面均呈倒置的“L”型。

2.根据权利要求1所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，弯折关节组包括近指关节、中指关节和远指关节，近指关节、中指关节和远指关节朝远离摆动关节的方向依次布置。

3.根据权利要求2所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，轮滑包括第一轮滑、第二轮滑和第三轮滑，第一轮滑、第二轮滑和第三轮滑朝远离摆动关节的方向依次布置，第一轮滑位于近指关节与摆动关节之间。

4.根据权利要求3所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，弯折腱绳包括第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳，第一腱绳沿远指关节上的第一槽孔穿出，沿第三轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第二腱绳沿中指关节上的第一槽孔穿出，沿第二轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出；第三腱绳沿近指关节上的第一槽孔穿出，沿第一轮滑的周面绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出。

5.根据权利要求1所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，摆动关节包括掌指关节和与所述手掌相连的连接件，掌指关节包括本体和位于本体靠近连接件一端的摆动件，摆动件与连接件之间设有铰接轴，铰接轴的轴向与轮滑的轴向相垂直。

6.根据权利要求1所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，弯折关节由第一半关节和第二半关节拼接构成，轮滑位于第一半关节靠近摆动关节的一端，第二半关节上设有安装孔，轮滑与安装孔啮合后，第一半关节和第二半关节形成的拼缝沿弯折关节的长度方向延伸。

7.根据权利要求3所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，远指关节上设有第四槽孔，回复腱绳上设有直径大于第四槽孔的止位绳结，止位绳结位于第四槽孔远离摆动关节的一侧，回复腱绳沿第三轮滑的周向绕设后，经第二槽孔和第三槽孔穿出。

8.根据权利要求7所述一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，其特征在于，第四槽孔位于指腹侧，第一槽孔位于指背侧。

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