CN112405577B - 一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，包括柔性手指、刚性支撑外壳、刚性掌部关节、刚性腕部关节、驱动控制系统。其中所述的柔性手指、刚性掌部关节与刚性腕部关节固定于刚性支撑外壳之上，组成灵巧手的物理结构主体。驱动控制系统接收串口数据并根据串口数据向气动驱动器和电动驱动器分发控制信号，协调控制柔性手指、刚性掌部关节和刚性腕部关节的运动。本发明与传统刚性类人手相比造价便宜，传动简单，对抓取不同物体的适应性更高，系统鲁棒性更好，与一般软体类人手相比抓取负载能力强，抓取更加稳定。

Description

一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手。

背景技术

因工伤、意外事故、疾病和战争，全世界目前存在数百万上肢截肢患者。大多数截肢患者来自低收入国家或家庭，自身经济条件和家庭条件无力负担他们购买当前市场上动辄数十万人民币的类人手，如i-LimbHand、MichelangeloHand等，这类软体仿人手的成本主要来自微型精密的机械结构和传动结构，且这类类人手由于自身完全由刚性材料构成，虽然抓取的稳定性和可重复性高，负载能力较强，但是由于抓取时缺乏一定的柔顺性，易损坏一些脆弱的生活常见品或食物，给截肢患者带来困扰。

软体类人手一般通过常见流体如气体作为驱动介质，以气泵和气阀作为驱动控制对象，不需考虑复杂且精密的传动机构，能够有效降低生产成本，同时，软体类人手具有一定的柔顺性，能够较好的保护日常生活用品不受损伤。但是，当前公开的软体类人手的驱动器大多完全由柔性材料构成，自由度较低，负载能力差，抓取不稳定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手。

根据本发明提供的一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，包括多个柔性手指1、刚性支撑外壳2、刚性掌部关节3、刚性腕部关节4以及驱动控制系统，其中：

多个柔性手指1、刚性掌部关节3以及刚性腕部关节4紧固在刚性支撑外壳2上；

多个柔性手指1具有独立的弯曲自由度；

驱动控制系统控制多个柔性手指1的弯曲、刚性掌部关节3的转动以及刚性腕部关节4的转动。

优选地，所述多个柔性手指1包括设置在刚性支撑外壳2上的4个柔性手指和设置在刚性掌部关节3末端的1个柔性手指。

优选地，所述刚性掌部关节3包括近掌固定结构、近掌舵机、减速齿轮、远掌固定结构、远掌舵机以及拇指底座，其中：

近掌固定结构紧固于刚性支撑外壳表面，近掌舵机紧固于近掌固定结构上，通过减速齿轮将带动远掌固定结构转动，提供以手掌纵向延伸方向作为转轴的旋转自由度，远掌舵机固定于远掌固定结构之上，并控制拇指底座的旋转，提供以手掌横向延伸方向作为转轴的旋转自由度。

优选地，所述柔性手指1包括硅胶层、硬质限制层以及绕线限制层，其中：

硬质限制层和绕线限制层均设置在硅胶层内；

当硅胶层内气压增加进行延展时，硬质限制层对硅胶平面的延展进行限制，绕线限制层对硅胶周向的延展进行限制，使得硅胶层的延展展现为柔性手指1的弯曲运动。

优选地，所述驱动控制系统包括微型处理芯片，柔性手指控制子系统以及刚性腕部驱动模块，其中：

微型处理芯片接收串口接收指令，并将指令解码为控制信号，控制柔性手指控制子系统和刚性腕部驱动模块；

柔性手指控制子系统控制柔性手指1的弯曲运动；

刚性腕部驱动模块控制刚性腕部关节4的转动或者自锁运动。

优选地，所述柔性手指控制子系统包括气泵和多路柔性手指控制模块，气泵同时给多路柔性手指控制模块提供气源，每路柔性手指控制模块包括进气阀、出气阀以及继电器，每路继电器根据微型处理芯片的控制信号控制对应气阀的开关，每路柔性手指控制模块能够对控制对象输出充气、放气和保持三种工作状态。

优选地，刚性腕部驱动模块接收微型处理芯片的控制信号，控制腕部关节做出正反转或自锁行为。

优选地，所述微型处理芯片直接输出电压信号控制刚性掌部关节3的正反转或自锁行为。

优选地，刚性腕部关节4包括固定结构、齿轮组以及直流电机，其中：

固定结构内设置有通孔，为柔性假肢手指的气管和控制刚性掌部关节的导线的通道；

直流电机提供旋转力矩并由齿轮组放大。

优选地，固定结构由铝合金加工而成，齿轮组由铜合金加工而成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明具有成本低，对不同物体的抓取适应性强，抓取稳定，负载能力强的特点。

2、本发明将柔性手指、刚性掌部与腕部关节和驱动控制系统集成于一体。

3、与传统刚性类人手相比，本发明由于使用了柔性手指，具有更好的柔顺性和安全性。

4、本发明由于使用了刚性掌部与腕部关节，具有更好的抓取稳定性和更高的抓取负载能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是刚柔耦合的多自由度类人灵巧手整体结构示意图。

图2是柔性手指结构示意图。

图3是刚性掌部关节结构示意图。

图4是驱动控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，包括柔性手指1、刚性支撑外壳2、刚性掌部关节3、刚性腕部关节4以及驱动控制系统13。其中所述的柔性手指1、刚性掌部关节3与刚性腕部关节4固定于刚性支撑外壳之上，组成类人手的物理结构主体。驱动控制系统13接收串口数据并根据串口数据向气动驱动器和电动驱动器分发控制信号，协调控制柔性手指1、刚性掌部关节3和刚性腕部关节4的运动。

所述的柔性手指1总计5根，单根柔性手指具有1个弯曲自由度，弯曲程度随内部气压增大而增大，在弯曲状态下实时向外部施加垂直于手指表面的作用力。其中，4根柔性手指固定于刚性支撑外壳表面，分别实现食指、中指、无名指和小拇指的功能，1根柔性手指固定于掌部关节末端，实现大拇指的功能。柔性手指主要由硅胶等柔性材料制作而成。每根柔性手指具有独立的进出气通道，因此具有独立的弯曲自由度。所述的刚性支撑外壳2，由光敏树脂材料制作而成，直接与柔性手指1，刚性掌部关节3和刚性外部关节4相固定。

具体地，如图2所示，所述的柔性手指2由硅胶层14，硬质限制层15与绕线限制层16组成，在柔性手指2内外压力差增大时，硅胶层14出现延展现象。同时，硬质限制层15限制所在的硅胶平面的延展，绕线限制层16限制硅胶层周向的延展，因此硅胶层14各个方向的延展出现差异性，最终表现为柔性手指的弯曲。

所述的刚性掌部关节3由固定结构，舵机和减速齿轮组构成，其中，固定结构由光敏树脂制作而成，能够在保证刚度的同时保证足够的轻巧性。其中，舵机与减速齿轮配合提供2个具有适宜转速的旋转自由度，同时具备自锁能力，实现抓取物体的稳定性和较强的负载能力。

进一步描述，所述的刚性掌部关节由近掌固定结构5、近掌舵机6、减速齿轮7、远掌固定结构17、远掌舵机18和拇指底座19构成，为柔性拇指7提供2个额外自由度。其中，近掌固定结构5固定于刚性支撑外壳表面，近掌舵机6固定于近掌固定结构5之上，通过减速齿轮7将动力传递给远掌固定结构17，提供以垂直于地面的直线作为转轴的旋转自由度，远掌舵机18固定于远掌固定结构17之上，控制拇指底座19的旋转，提供以平行于地面的直线作为转轴的旋转自由度。

所述的刚性腕部关节4，由固定结构8、轴承9、齿轮组10和直流电机11构成，固定结构由铝合金加工而成，齿轮组由铜合金加工而成，直流电机提供旋转力矩并由齿轮组放大。所述的刚性腕部关节具有中通的圆形通孔12，作为柔性假肢手指的气管和控制刚性掌部关节的导线的通道，减少腕部关节旋转对气管和导线的作用影响，提高系统的可靠性。

所述的驱动控制系统13，由气阀，气泵，继电器与微型处理芯片构成。微型处理芯片利用串口接收指令，并将指令解码为控制信号，将控制信号分发给继电器，继电器直接控制气阀的工作状态，从而控制权利要求1所述的多个自由度的运动情况。

具体地，如图4所示，所述的驱动控制系统包括微型处理芯片，柔性手指控制子系统，刚性腕部驱动模块。其中，柔性手指控制子系统包括1个气泵和5路柔性手指控制模块，1个气泵同时给5路控制模块提供气源，每路柔性手指控制模块包括1个进气阀、1个出气阀和2路继电器，每路继电器根据微型处理芯片的控制信号控制对应气阀的开关，每路柔性手指控制模块能够对控制对象输出充气、放气和保持三种工作状态。其中，刚性腕部关节驱动模块接收微型处理芯片的控制信号，控制腕部关节做出正反转或自锁行为。其中，微型处理芯片直接输出电压信号控制刚性掌部关节的正反转或自锁行为。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，包括多个柔性手指（1）、刚性支撑外壳（2）、刚性掌部关节（3）、刚性腕部关节（4）以及驱动控制系统，其中：

多个柔性手指（1）、刚性掌部关节（3）以及刚性腕部关节（4）紧固在刚性支撑外壳（2）上；

多个柔性手指（1）具有独立的弯曲自由度；

驱动控制系统控制多个柔性手指（1）的弯曲、刚性掌部关节（3）的转动以及刚性腕部关节（4）的转动；

所述多个柔性手指（1）包括设置在刚性支撑外壳（2）上的4个柔性手指和设置在刚性掌部关节（3）末端的1个柔性手指；

所述刚性掌部关节（3）包括近掌固定结构、近掌舵机、减速齿轮、远掌固定结构、远掌舵机以及拇指底座，其中：

近掌固定结构紧固于刚性支撑外壳表面，近掌舵机紧固于近掌固定结构上，通过减速齿轮将带动远掌固定结构转动，提供以手掌纵向延伸方向作为转轴的旋转自由度，远掌舵机固定于远掌固定结构之上，并控制拇指底座的旋转，提供以手掌横向延伸方向作为转轴的旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，所述柔性手指（1）包括硅胶层、硬质限制层以及绕线限制层，其中：

硬质限制层和绕线限制层均设置在硅胶层内；

当硅胶层内气压增加进行延展时，硬质限制层对硅胶平面的延展进行限制，绕线限制层对硅胶周向的延展进行限制，使得硅胶层的延展展现为柔性手指（1）的弯曲运动。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，所述驱动控制系统包括微型处理芯片，柔性手指控制子系统以及刚性腕部驱动模块，其中：

微型处理芯片利用串口接收指令，并将指令解码为控制信号，控制柔性手指控制子系统和刚性腕部驱动模块；

柔性手指控制子系统控制柔性手指（1）的弯曲运动；

刚性腕部驱动模块控制刚性腕部关节（4）的转动或者自锁运动。

4.根据权利要求3所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，所述柔性手指控制子系统包括气泵和多路柔性手指控制模块，气泵同时给多路柔性手指控制模块提供气源，每路柔性手指控制模块包括进气阀、出气阀以及继电器，每路继电器根据微型处理芯片的控制信号控制对应气阀的开关，每路柔性手指控制模块能够对控制对象输出充气、放气和保持三种工作状态。

5.根据权利要求3所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，

刚性腕部驱动模块接收微型处理芯片的控制信号，控制腕部关节做出正反转或自锁行为。

6.根据权利要求3所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，所述微型处理芯片直接输出电压信号控制刚性掌部关节（3）的正反转或自锁行为。

7.根据权利要求1所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，刚性腕部关节（4）包括固定结构、齿轮组以及直流电机，其中：

固定结构内设置有通孔，为柔性假肢手指的气管和控制刚性掌部关节的导线的通道；

直流电机提供旋转力矩并由齿轮组放大。

8.根据权利要求7所述的刚柔耦合的多自由度类人灵巧手，其特征在于，固定结构由铝合金加工而成，齿轮组由铜合金加工而成。

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