CN112809719A - 基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手涉及一种灵巧手结构。目的是为了提供一种结构可靠、装配方便、抓握能力强、精度高、本体柔性好的灵巧机械手。本发明灵巧机械手包括手掌基座框架，手掌基座框架上安装有多个模块化手指单元，模块化手指单元包括电机单元和手指主体，电机单元的输出轴连接大滑轮，大滑轮上缠绕固定有迪力马线，手指主体包括多个指节，相邻两个指节通过旋转支撑轴活动连接，每个指节内部设置有指节导向滑轮，从大滑轮上导出的迪力马线，经过水平方向上的水平导向滑轮，垂直方向上的垂直导向滑轮导向后，经过各指节内的指节导向滑轮，最终固定在线传动末端连接轴上，末端的指节上安装有指尖压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型灵巧手结构，特别是涉及一种基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手。
背景技术
灵巧手，也称为灵巧机械手，属于机器人末端执行器的一类，按照驱动方式可分为电机驱动、液压驱动与气动，按照自由度的分配方式可以划分为全驱动灵巧手和欠驱动灵巧手两大类，而按照传动方式主要可以划分为线传动、连杆传动和齿轮齿条传动三大类。灵巧手的出现主要是为了解决在自动化生产或日常生活中，针对不规则形状物体的有效抓取与指尖灵活操作，典型的为抓取各类生产工具及日用品与操作电子仪器和电动工具等。基于此应用需求，灵巧手需要具备抓握物体的高力度和自适应性、与操作各类工具的指尖灵活性、以及与机械臂集成的紧凑性和高度硬件本体的鲁棒性。
在针对各类物品有效抓取、灵活指尖操作和较高系统紧凑与集成度的要求下，目前主流的硬件技术方案是采取欠驱动和连杆传动的方式，辅以直线电机或者旋转电机搭配涡轮蜗杆的方法，同时配备电机端的位置编码器与手指关节自锁结构。这类硬件设计方法首先通过选择电机驱动，极大地提升了系统的紧凑度，再者通过欠驱动的引入，在极大降低手指运动控制复杂性的同时，保证了手指包覆物体的自适应性，同时多手指单元的引入也确保了灵巧手在操作各类工具的灵活性，最后手指关节的自锁机构则保证了在较小的电机出力下输出较大抓握力的能力。
而针对目前市面上常见的灵巧机械手的设计方案，仍然存在如下的不足之处：
1)通过连杆传动及齿轮齿条传动的灵巧手缺乏本体结构上的柔性，在受到外界较大的冲击后鲁棒性欠佳，连杆传动结构容易损坏，影响灵巧手使用的鲁棒性与稳定性；
2)灵巧手内部的各个手指模块存在结构与装配上的耦合关系，对整体结构的可装配性、可维护性与成本控制上存在较大的负面影响；
3)灵巧手使用的直线电机因为尺寸及传动效率的限制，造成输出扭矩较小的缺陷，即使手指关节上搭配了相关机械自锁机构，但仍然影响灵巧手抓握物体的高力度性能，特别是对抓握动态性要求较高的大负载场合；
4)灵巧手仅配备电机端的位置编码器，缺乏手指指尖压力传感器的集成，造成对外界交互力信息的感知不足，影响后续精确的基于力交互的指尖操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构可靠、装配方便、抓握能力强、精度高、本体柔性好的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，包括手掌基座框架，手掌基座框架上安装有多个模块化手指单元，模块化手指单元包括电机单元和手指主体，电机单元的输出轴连接大滑轮，大滑轮上缠绕固定有迪力马线，手指主体位于手掌基座框架上方，手指主体包括依次连接的多个指节，相邻两个指节通过旋转支撑轴活动连接，每个指节内部设置有指节导向滑轮，从大滑轮上导出的迪力马线，依次经过水平方向上的水平导向滑轮，垂直方向上的垂直导向滑轮导向后，再依次经过各指节内的指节导向滑轮，最终固定在线传动末端连接轴上，线传动末端连接轴位于末端的指节内部，末端的指节上安装有指尖压力传感器。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述模块化手指单元包括二指节模块化手指单元和若干个三指节模块化手指单元，多个模块化手指单元按人体手指的排布方式排列在手掌基座框架上。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述电机单元包括空心杯电机和多级行星减速器。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述大滑轮的一侧安装有单圈绝对值编码器，单圈绝对值编码器包括永磁体和输出端编码器读数板。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述手掌基座框架上安装有电机驱动板，电机驱动板用于驱动模块化手指单元的空心杯电机。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述电机单元上安装有电机基座，电机基座上安装有水平导向滑轮支撑轴，水平导向滑轮支撑轴上安装有水平导向滑轮；电机基座上还安装有手指基座，手指基座上安装有垂直导向滑轮支撑轴，垂直导向滑轮支撑轴上安装有垂直导向滑轮。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述旋转支撑轴的外侧安装有卡簧。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述指节和其内部的旋转支撑轴之间安装有深沟球轴承，深沟球轴承的外壁与指节相接触，内壁与旋转支撑轴相接触。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述指节内部设置有复位扭簧，复位扭簧安装在旋转支撑轴外侧。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其中所述指节和物体接触的内侧面装有指腹橡胶。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手与现有技术不同之处在于，本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手通过基于迪力马线的线传动、集成在线传动路径上的末端缓冲橡胶以及指节上的指腹橡胶，充分在模块化手指单元中引入柔性元件，以保护线传动在大负载以及外界大冲击下的可靠性，最终提升整体灵巧手及其手指的柔性与鲁棒性；通过模块化手指单元的集成与引入，提升整体结构的独立度和解耦和度，以最终增强灵巧手的可装配性与可维护性；通过电机单元中的空心杯电机搭配高减速比多级行星减速器和迪力马线传动的设计，增强手指驱动的扭矩输出能力以及线传动介质的带负载能力，以最终提升整体灵巧手强有力、高动态的垂直抓握性能；通过指尖压力传感器的引入，丰富模块化手指单元的外界力信息感知能力，以最终提升整体灵巧手基于力反馈的指尖精确操作性能。
下面结合附图对本发明的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手作进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手的结构示意图；
图2为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手中省去外壳后的结构示意图；
图3为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手中三指节模块化手指单元的结构示意图；
图4为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手中三指节模块化手指单元的主视图；
图5为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手中三指节模块化手指单元的后视图；
图6为图5中A-A向剖视图；
图7为本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手中三指节模块化手指单元的右视图；
图8为图7中B-B向剖视图；
图中标记示意为：1-外壳；2-手掌掌面；3-三指节模块化手指单元；4-二指节模块化手指单元；5-电机驱动板；6-控制板；7-上基座；8-基座连接柱；9-下基座；10-电机单元；11-编码器支撑铜柱；12-水平导向滑轮；13-垂直导向滑轮支撑轴；14-旋转支撑轴；15-第二指节；16-第一指节；17-手指基座；18-水平导向滑轮支撑轴；19-输出端编码器读数板；20-大滑轮；21-电机基座；22-指节指套；23-复位扭簧；24-指腹橡胶；25-永磁体；26-迪力马线；27-末端缓冲橡胶；28-第三指节；29-指尖压力传感器；30-线传动末端连接轴；31-指节导向滑轮支撑轴；32-垂直导向滑轮；33-卡簧；34-深沟球轴承；35-指节导向滑轮。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手包括手掌基座框架，手掌基座框架是机械手安装的基础。手掌基座框架包括上基座7和下基座9，上基座7和下基座9通过基座连接柱8和螺钉进行连接。
如图1和图2所示，手掌基座框架上安装有手掌掌面2、外壳1、多种模块化手指单元、电机驱动板5和控制板6。
手掌掌面2安装在上基座7上，外壳1包括第一外壳和第二外壳，第一外壳和第二外壳的上下两端分别连接上基座7和下基座9。手掌掌面2和外壳1可以起到支撑抓取物与包覆灵巧手的作用。
手指单元包括二指节模块化手指单元4和三指节模块化手指单元3，其中二指节模块化手指单元4模拟人体的拇指，三指节模块化手指单元3模拟人体的其他手指。在本实施例中，二指节模块化手指单元4为一个，三指节模块化手指单元3的数量为三个。四个手指单元均安装在上基座7上，按人体手指的排布方式排列在上基座7上。
电机驱动板5的两端分别安装在上基座7和下基座9上，电机驱动板5为两个，分别用于驱动二指节模块化手指单元4和三指节模块化手指单元3。
控制板6的两端分别安装在上基座7和下基座9上，控制板6为两个，用于负责整体控制，包括上下位机通信、编码器与传感器示数读取和整体时序逻辑处理等。
三指节模块化手指单元3的具体结构如图3-图8所示，三指节模块化手指单元3由电机单元10驱动，电机单元10驱动安装在手掌基座框架内部。电机单元10包括空心杯电机和多级行星减速器。电机单元10由螺钉固定在电机基座21上，电机单元10的空心杯电机由相应的电机驱动板5控制。
电机单元10的输出轴通过轴键的方式连接大滑轮20，输出轴可以带动大滑轮20进行转动。大滑轮20上缠绕固定有迪力马线26，作为整个手指单元线传动的动力开始端。整体的迪力马线26在手指模块中的穿梭路径可见图6，最终迪力马线26将固定在线传动末端连接轴30上，作为整个手指单元线传动的动力结束端，同时整个线传动也会受到末端缓冲橡胶27的支撑，在大负载传动和外界冲击下保护传动介质即迪力马线26本身。
大滑轮20的一侧安装有单圈绝对值编码器，单圈绝对值编码器用于记录大滑轮20旋转方向的运动。单圈绝对值编码器包括永磁体25和输出端编码器读数板19。永磁体25安装在大滑轮20上方的圆形槽内。输出端编码器读数板19通过两个编码器支撑铜柱11进行固定，位于永磁体25上方。
电机基座21上安装有水平导向滑轮支撑轴18，水平导向滑轮支撑轴18上安装有水平导向滑轮12；电机基座21上还安装有手指基座17，手指基座17上安装有垂直导向滑轮支撑轴13，垂直导向滑轮支撑轴13上安装有垂直导向滑轮32。
手指基座17上安装有手指主体，手指主体包括第一指节16、第二指节15和第三指节28，手指基座17与三个指节顺序连接，相邻两个结构之间通过旋转支撑轴14活动连接，各个旋转支撑轴14的直径根据需要有所区别。每个旋转支撑轴14的外侧均安装有卡簧33。同时，为了确保各指节在较大抓握力下的相对顺滑运动，每个指节关节间都装有深沟球轴承34。深沟球轴承34安装在每组旋转支撑轴14和指节之间，深沟球轴承34的外壁与指节相接触，内壁与旋转支撑轴14相接触。
各指节内部设置有指节导向滑轮支撑轴31，指节导向滑轮支撑轴31上安装有指节导向滑轮35。从大滑轮20上导出的迪力马线26，首先在水平方向上被水平导向滑轮12和水平导向滑轮支撑轴18所支撑导向，接着在垂直方向上被垂直导向滑轮32和垂直导向滑轮支撑轴13所支撑导向，在进入手指结构内部时被各指节导向滑轮35和指节导向滑轮支撑轴31所支撑导向，最终固定在线传动末端连接轴30上，线传动末端连接轴30位于末端的指节，即第三指节28内部。
各指节内部设置有复位扭簧23，复位扭簧23安装在旋转支撑轴14外侧。由迪力马线26传递的拉力可以使得各指节进行向内抓握的闭合运动，而各指节向外的复位运动则通过集成在各指尖关节中的复位扭簧23来实现，各关节的复位扭簧23呈现刚度递增的关系，即刚度关系为第一指节16<第二指节15<第三指节28，以保证欠驱动手指单元抓握物体包覆的有效性。
每个指节和物体接触的内侧面装有指腹橡胶24，用来增大和物体接触的柔性以及静摩擦力。第一指节16和第二指节15远离物体接触的外侧面装有指节指套22，指节指套22用来保护手指内侧的线传动与指尖压力传感器29电气线束的可靠性。第三指节28上安装有指尖压力传感器29，指尖压力传感器29用于精确感测外力。
二指节模块化手指单元4的结构与三指节模块化手指单元3的结构类似，相比较三指节模块化手指单元3而言，二指节模块化手指单元4只是减少了一级指节及指节内部的相关结构，其他结构和原理均与三指节模块化手指单元3相同。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手在工作时，通过电机驱动板5驱动各指节模块化手指单元的电机单元10工作，带动各指节模块化手指单元中迪力马线26进行线传动，从而带动各指节模块化手指单元进行抓取的动作。同时通过控制板6检测大滑轮20上单圈绝对值编码器的数据对手指的动作进行位置闭环控制。当机械手展开时，只需反向驱动电机以松开迪力马线26，在各关节的复位扭簧23的作用下，手指模块将反向旋转以复位。
在具体的实施例中，本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手的实施效果如下：
1)整体灵巧手在手指单元闭合抓握的方向下，可承受外界超过100N的瞬时冲击；
2)整体灵巧手可通过更换模块化手指单元的方式，在10min之内完成相应的硬件维护；
3)整体灵巧手可垂直抓握超过4.5kg的圆柱形物体，指尖最大接触力超过50N；
4)整体灵巧手可通过指尖分布的压力传感器感受外界低至0.08N的微小力交互信息。
本发明基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手基于上述结构，具有以下技术效果：
1)通过基于迪力马线的线传动、集成在线传动路径上的末端缓冲橡胶27以及指节上的指腹橡胶，充分在模块化手指单元中引入柔性元件，以保护线传动在大负载以及外界大冲击下的可靠性，最终提升整体灵巧手及其手指的柔性与鲁棒性；
2)通过模块化手指单元的集成与引入，提升整体结构的独立度和解耦和度，以最终增强灵巧手的可装配性与可维护性；
3)通过电机单元中的空心杯电机搭配高减速比多级行星减速器和迪力马线传动的设计，增强手指驱动的扭矩输出能力以及线传动介质的带负载能力，以最终提升整体灵巧手强有力、高动态的垂直抓握性能；
4)通过指尖压力传感器的引入，丰富模块化手指单元的外界力信息感知能力，以最终提升整体灵巧手基于力反馈的指尖精确操作性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：包括手掌基座框架，手掌基座框架上安装有多个模块化手指单元，模块化手指单元包括电机单元和手指主体，电机单元的输出轴连接大滑轮，大滑轮上缠绕固定有迪力马线，手指主体位于手掌基座框架上方，手指主体包括依次连接的多个指节，相邻两个指节通过旋转支撑轴活动连接，每个指节内部设置有指节导向滑轮，从大滑轮上导出的迪力马线，经过水平方向上的水平导向滑轮，垂直方向上的垂直导向滑轮导向后，再依次经过各指节内的指节导向滑轮，最终固定在线传动末端连接轴上，线传动末端连接轴位于末端的指节内部，末端的指节上安装有指尖压力传感器。
2.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述模块化手指单元包括二指节模块化手指单元和若干个三指节模块化手指单元，多个模块化手指单元按人体手指的排布方式排列在手掌基座框架上。
3.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述电机单元包括空心杯电机和多级行星减速器。
4.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述大滑轮的一侧安装有单圈绝对值编码器，单圈绝对值编码器包括永磁体和输出端编码器读数板。
5.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述手掌基座框架上安装有电机驱动板，电机驱动板用于驱动模块化手指单元的空心杯电机。
6.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述电机单元上安装有电机基座，电机基座上安装有水平导向滑轮支撑轴，水平导向滑轮支撑轴上安装有水平导向滑轮；电机基座上还安装有手指基座，手指基座上安装有垂直导向滑轮支撑轴，垂直导向滑轮支撑轴上安装有垂直导向滑轮。
7.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述旋转支撑轴的外侧安装有卡簧。
8.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述指节和其内部的旋转支撑轴之间安装有深沟球轴承，深沟球轴承的外壁与指节相接触，内壁与旋转支撑轴相接触。
9.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述指节内部设置有复位扭簧，复位扭簧安装在旋转支撑轴外侧。
10.根据权利要求1所述的基于线传动与模块化手指的柔性欠驱动灵巧机械手，其特征在于：所述指节和物体接触的内侧面装有指腹橡胶。
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