CN112497262A - 一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，包括手掌和手指；所述手掌包括第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆；所述第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆依次连接形成封闭环；所述手指包括第一手指、第二手指和第三手指，所述第一手指设置于所述第一带手指杆上，所述第二手指设置于所述第二带手指杆上，所述第三手指设置于所述环连杆上；本发明基于可重构虎克铰链副设计了一款新型仿人变胞手，可以实现对人手部分动作的模仿，同时提升了机械手物品抓取的适应性与灵活性。

Description

一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体来说涉及一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手。

背景技术

人手既能对物体进行灵巧的手内操作又能将其牢固地抓握，因此数十年来机械手学者们一直对制作一款近似于人手的机械手感兴趣。为了尽可能地减少由于人手自由度过多而造成的控制与设计的麻烦，研究者使用欠驱动的手指和低自由度的手掌来实现抓握动作。理论证明，简单的手掌配合较少关节的手指仍然可以实现仿人手大部分的功能。国际上经典的机械手有三指的Stanford/JPL Hand，四指的Utah/MIT Hand，五指的 Belgrade/USChand，Karlsruhe Dexterous IN Hand，DLR hand，NAIST Hand和UBH3 hand 等。国内对于机械手的研究起步较晚，北京航空航天大学于1993年研制出我国第一只拟人手BH-1，并在此基础上研制出了BH2、BH3三指手和BH4四指手。哈尔滨工业大学与德国宇航中心在2001年研制出了HIT-I手，并在此基础上于2004年研制出DLR-HIT 手。21世纪以来，国际上对机器人灵巧手的研究已从探索和研究阶段逐渐转移到实际应用开发阶段，灵巧手的应用范围不断扩大，越来越多的灵巧手出现在各个领域行业。

为了克服手掌柔韧性低对机械手的工作空间、操作性和灵巧性的不利影响，Dai等应用了变胞机构来扩展手掌的自由度。变胞机构是一类变拓扑，变自由度、变结构的自适应智能机构。在传统机构的基础上，结合变胞机构的一些元素，可设计出新的变胞机构。变胞手的手掌基于闭环球面五杆机构，可以折叠和展开。指状物安装在球形机构的组件上。手掌的移动可以调节手指末端的位置，从而大大增加了手指的触及范围，并增加了整个手部的工作空间。2017年Cui和Dai设计了一种具有平面可重构灵活手掌的变胞手，使机械手更加灵巧并可适应复杂的抓持任务。

现有的对机械手的研究更多地着眼于手指的设计，并发展出了一系列具有自适应性的欠驱动手指和自耦合的手指，但对于仿生的机械手掌的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手。本发明基于变胞灵巧手的设计理念，通过观察人手掌的实际动作，采用一个含可重构虎克铰链副的六杆变胞机构作为机械手的手掌，可以实现对人手部分动作的模仿。通过对新型变胞手掌的机构活动度的分析，给出了变胞手掌在不同构态下的运动方式，同时对新型变胞手部分工作参数的分析，揭示了采用此六杆变胞机构作为变胞手掌对机械手抓取适应性与灵活性的提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，包括手掌和手指；

所述手掌包括第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆；

所述第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆依次连接形成封闭环；

所述环连杆一端形成有圆环，圆环内形成有轨道滑槽，所述拨叉杆一端形成有拨叉，拨叉间固定连接十字轴，十字轴水平杆两端连接有2块滑块，所述十字轴设置在所述环连杆的圆环中央，滑块与可滑动地设置于轨道滑槽内；

所述手指包括第一手指、第二手指和第三手指，所述第一手指设置于所述第一带手指杆上，所述第二手指设置于所述第二带手指杆上，所述第三手指设置于所述环连杆上；

所述第一手指、第二手指和第三手指具有相同的结构，均包括相邻间铰接的第一指节、第二指节、第三指节和第四指节。

在上述技术方案中，所述第一带手指杆和第二带手指杆之间、第二带手指杆和第一不带手指杆之间、第二不带手指杆和第一带手指杆之间为水平方向上铰接，使相邻杆件可在环所在平面内相对转动；所述第一不带手指杆和环连杆之间、所述拨叉杆和第二不带手指杆之间为垂直方向上铰接，使相邻杆件可在与环所在平面相垂直的平面内相对转动。

在上述技术方案中，所述第一指节仅包括滑轮座，第二指节包括指节支撑座、滑轮座以及四块指节外围挡片，四块指节外围挡片组成指身，指节支撑座设置于指身下端，滑轮座设置于指身上端；第三指节与第二指节具有相同结构，包括指节支撑座、滑轮座以及四块指节外围挡片，四块指节外围挡片组成指身，指节支撑座设置于指身下端，滑轮座设置于指身上端；第四指节仅包括指节支撑座；相邻指节间的指节支撑座和滑轮座相互铰接。

在上述技术方案中，所述仿人变胞手还包括驱动机构，所述驱动机构包括对应每根手指的牵引钢丝和电机。

本发明基于变胞手掌的设计理念，通过观察人手掌的实际动作，提出了一种基于人手动作在手掌上添加转动副以设计新型变胞手的方法，并基于可重构虎克铰链副设计了一款新型仿人变胞手，可以实现对人手部分动作的模仿，同时提升了机械手物品抓取的适应性与灵活性。此变胞手的手掌半径在空间中可产生较大变化，对于不同尺寸物体的抓取适应性更强；手掌工作平面在空间中的倾角变化也有利于机械手仅凭手掌运动即可抓取不同位置的物体，和以往传统的的仿人机械手相比，本发明的显著优势在于：

1、通过引入可变自由度和形状的活动手掌，能够在很大程度上提升机械手的操作空间。

2、通过引入可变自由度和形状的活动手掌，可以提升机械手的操作灵巧性，能够实现现有技术所不具有的相邻手指之间的靠近和远离动作。

3、本发明的仿人机械手手指采用轻质连杆封闭机构，大大减少了机械手的重量，与现有机械手相比更能体现轻巧的特点。

4、本发明采用丝传动运动驱动方案，传动精度高，运行成本低，控制简便易行。

5、由于本发明的手掌部分预备可变自由度和变形能力，因此对手指部分的自由度需求相对较低即可实现同现有技术相类似的抓取操作。

6、本发明的手掌由于虎克铰链副的引入，使得手掌具备一定的可折叠性质，非常适用于在突发情况下外景环境中的狭窄缝隙工作，因此本发明在未来的灾难救援、地质勘探等高危、高难度环境中具有非常大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为拨叉杆和环连杆连接处局部结构示意图。

图3为第一手指(结构同第二手指、第三手指)结构示意图(一)。

图4为第一手指(结构同第二手指、第三手指)结构示意图(二)。

图5为滑轮座结构示意图。

图6为手掌三角形变化图示。

其中：1为第一带手指杆，2为第二带手指杆，3为第一不带手指杆，4为第二不带手指杆，5为拨叉杆，6为环连杆，7为第一手指，8为第二手指，9为第三手指；

5-1为拨叉，5-2为十字轴，5-3为滑块；

6-1为圆环，6-2为轨道滑槽；

101为第一指节，102为第二指节，103为第三指节，104为第四指节；

201为滑轮座，202为指节支撑座，203为指节外围挡片，204为凹槽。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，包括手掌和与所述手掌相连的3根手指，所述的手掌由带手指杆(1和2)、不带手指杆(3和4)、拨叉杆5、环连杆6依次相连构成的封闭六杆机构组成，其中带手指杆、不带手指杆、拨叉杆、环连杆的相邻端之间通过旋转转动副相连。

拨叉杆和环连杆依靠虎克铰链副结构形成连接。虎克铰链副的主要结构包括：拨叉杆拨叉5-1部分、环连杆圆环6-1部分、十字轴5-2。其中，环连杆的环状部分内置轨道滑槽6-2，供十字轴带滑块5-3端配合连接，实现滑动回转；十字轴不带滑块端与拨叉杆拔拨叉部分固连。通过十字轴带滑块端的滑动回转，变封闭六杆机构的平面旋转运动为空间运动，从而可以改变手掌的形状与自由度，同时改变与手掌相连的不同手指间的相对位置，实现对人手的仿生模拟。

每一个手指包括第一指节101、第二指节102、第三指节103和第四指节104，相邻指节通过旋转轴依次转动相连，各旋转轴彼此之间平行设置。

手指关节丝轮安装于上述各旋转轴的中间，在各指节内设置有手指连杆导向轮牵引钢丝的一端固定于所述第四指节的背面，并依次通过各手指关节丝轮和各手指连杆导向轮，并在所述的手指座上进入具有一定刚性的牵引钢丝导向管，由电机牵引钢丝驱动端。

每个指节的指形由对应指节的外围挡片203(包括正面和侧面两个方向的挡片)构成，主要起到封闭外形的作用，而指节间的连接依靠对应指节的滑轮座201和支撑座202。其中，滑轮座起到动力传递的作用，支撑座起到固定位置的作用，二者之间通过同轴心旋转副连接配合，其中各个旋转副中心轴线相互平行。每个滑轮座都设置有滑轮凹槽204，牵引钢丝可以缠绕于滑轮凹槽之上。在变胞手进行抓取物体的过程中，手指开合角度由对应每根手指设置的牵引钢丝进行驱动，将牵引钢丝同动力源(直流减速电机等)相连，动力源驱动牵引钢丝运转，带动不同指节连接部分的同轴心旋转副发生转动，从而改变手指的开合。

在旋转驱动方面，所述的旋转驱动装置可以包括安装在各旋转轴中间的手指关节丝轮，在所述的各旋转轴上安装有扭转弹簧，所述的扭转弹簧的中间部分套在各旋转轴上并且其两端分别固定在由所述的各旋转轴连接的手指的相邻连杆上，在各手指座、手指连座杆、手指中间连杆上设置有手指连杆导向轮，对应每个手指设置的牵引钢丝的一端固定在所述的手指末端的外壁上，并依次通过各手指关节丝轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接在所述的手指座上并且其另一端连接在前臂上的牵引钢丝导向管，经由前臂上的开孔与牵引钢丝的电机相连；或者所述的旋转驱动装置可以包括安装在各旋转轴上的两个手指关节丝轮，在各手指座、手指连座杆、手指中间连杆上分别与每一个手指关节丝轮相对应的设置有手指连杆导向轮，对应每一个手指设置的两个牵引钢丝的一端各自固定在所述的手指末端的相对侧的外壁上，并且每一个牵引钢丝依次通过与其对应设置的各手指关节丝轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接在所述的手指座上。

本发明的仿人变胞手共有四种不同的工作形态，衡量不同工作形态可以简便用P1、 P2、P3三点围成的三角形来表示。不同工作形态及其工作空间如图6所示：

(1)Mode1：手掌三角形的面积最大可达到8660，并随驱动关节的增长先增大后减小，在驱动关节角度为π时，其值降到2500左右。手掌工作平面一直在x-O-y平面内。此模式下机械手适合抓取较大的物体。

(2)Mode2：手掌三角形的最大面积与Mode1相同。手掌三角形面积随驱动关节的增长而减小。手掌操作平面的较大倾角变化可以帮助机械手抓取不同位置物体，手掌半径的较大变化可适应不同尺寸的物体。

(3)Mode3：手掌三角形最大面积可达7000，其随驱动关节角度的变化与Mode1类似。比起Mode1，此模式下机械手适合抓取较小物体。

(4)Mode4：手掌三角形最大面积与Mode3相同，并随驱动关节的增长先增大后减小。手掌半径的较大变化可适应不同尺寸的物体，并可实现对物体的捻转操作。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，其特征在于：包括手掌和手指；

所述手掌包括第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆；

所述第一带手指杆、第二带手指杆、第一不带手指杆、环连杆、拨叉杆和第二不带手指杆依次连接形成封闭环；

所述环连杆一端形成有圆环，圆环内形成有轨道滑槽，所述拨叉杆一端形成有拨叉，拨叉间固定连接十字轴，十字轴水平杆两端连接有2块滑块，所述十字轴设置在所述环连杆的圆环中央，滑块与可滑动地设置于轨道滑槽内；

所述手指包括第一手指、第二手指和第三手指，所述第一手指设置于所述第一带手指杆上，所述第二手指设置于所述第二带手指杆上，所述第三手指设置于所述环连杆上；

所述第一手指、第二手指和第三手指具有相同的结构，均包括相邻间铰接的第一指节、第二指节、第三指节和第四指节。

2.根据权利要求1所述的一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，其特征在于：所述第一带手指杆和第二带手指杆之间、第二带手指杆和第一不带手指杆之间、第二不带手指杆和第一带手指杆之间为水平方向上铰接，使相邻杆件可在环所在平面内相对转动；所述第一不带手指杆和环连杆之间、所述拨叉杆和第二不带手指杆之间为垂直方向上铰接，使相邻杆件可在与环所在平面相垂直的平面内相对转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，其特征在于：所述第一指节仅包括滑轮座，第二指节包括指节支撑座、滑轮座以及四块指节外围挡片，四块指节外围挡片组成指身，指节支撑座设置于指身下端，滑轮座设置于指身上端；第三指节与第二指节具有相同结构，包括指节支撑座、滑轮座以及四块指节外围挡片，四块指节外围挡片组成指身，指节支撑座设置于指身下端，滑轮座设置于指身上端；第四指节仅包括指节支撑座；相邻指节间的指节支撑座和滑轮座相互铰接。

4.根据权利要求1所述的一种基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手，其特征在于：所述仿人变胞手还包括驱动机构，所述驱动机构包括对应每根手指的牵引钢丝和电机。

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