CN112959343A - 一种欠驱动仿生手装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种欠驱动仿生手装置及其控制方法，该仿生手装置包括手掌部件、拇指部件、至少一个手指部件、驱动拇指部件运动的拇指驱动装置、驱动手指部件运动的手指驱动装置，拇指部件和手指部件设置于手掌部件上，每一个手指部件由独立的一个手指驱动装置驱动，拇指驱动装置包括驱动拇指部件相对手掌部件转动的拇指旋转驱动装置和驱动拇指部件弯曲和伸直的拇指弯曲驱动装置；拇指旋转驱动装置包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮，第一电机带动第一齿轮转动从而带动第二齿轮和拇指部件转动。该仿生手装置拇指部件由电机驱动相对手掌部件转动，拇指既能弯曲伸直，也能实现侧向旋转，能做出更多动作，提高仿生手的灵活度。

Description

一种欠驱动仿生手装置

技术领域

本发明涉及仿生手，尤其涉及一种欠驱动仿生手装置。

背景技术

仿生手可以用作上肢残疾者的义肢、完成工业自动化生产线上的物品抓取和在危险爆破场合下替代人手执行任务，应用领域十分广泛。近年来，对仿生手进行了很多研究，提出了各种不同控制和驱动方式的产品，但该领域仍然存在不少未解决的问题。

现有仿生手的驱动方式可分为全驱动和欠驱动。全驱动仿生手具备更多抓取功能，几乎能够模仿人手的所有动作，灵巧度高，但整体集成性差、控制系统繁琐冗杂且抗外界冲击能力差。与之相比，欠驱动虽然在功能性上有所欠缺，但欠驱动可以大大简化控制，减小仿生手的体积与质量、节省成本。

现有欠驱动仿生手的传动方式多种多样，有以绳索和弹性组织为代表的柔性传动，还有以齿轮、连杆传动为代表的刚性传动。柔性传动鲁棒性好但精度不易控制，刚性传动控制精度较高但结构复杂。因此，为了保证产品的性能，仍需对传动方式采取一定的改进措施。

另外，人的拇指结构复杂、自由度多，所以仿生手的拇指结构设计具有一定难度。现存不少仿生手的拇指底座固定于手掌上，仅能实现单一方向的运动，功能有限。仿生手内部结构也对其抓握动作的稳定性产生影响。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种提高手指抓握准确度和稳定性，拇指部件可以相对手掌部件转动，实现多方向运动的欠驱动仿生手装置。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种欠驱动仿生手装置，包括手掌部件、拇指部件、至少一个手指部件、驱动拇指部件运动的拇指驱动装置、驱动手指部件运动的手指驱动装置，所述拇指部件和手指部件设置于手掌部件上，每一个所述手指部件由独立的一个手指驱动装置驱动，所述拇指驱动装置包括拇指旋转驱动装置和拇指弯曲驱动装置，拇指弯曲驱动装置驱动拇指部件的弯曲和伸直，拇指旋转驱动装置驱动拇指部件相对手掌部件的转动；

所述拇指旋转驱动装置包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮，所述第一电机固定设置于手掌部件上，第一电机输出端与第一齿轮端面中心固定连接，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮与拇指部件连接，并带动拇指部件转动，所述第二齿轮中轴线延伸方向垂直于拇指部件延伸方向。

进一步的，所述拇指部件包括拇指底座、拇指近指节和拇指远指节，所述拇指底座与所述第二齿轮连接，所述拇指近指节一端连接拇指底座，另一端通过拇指关节轴与拇指远指节铰接。

进一步的，所述拇指弯曲驱动装置包括第二电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、拇指涡轮、拇指蜗杆、拇指连杆，所述第二电机固定设置于手掌部件上，第二电机输出端与第一锥齿轮大端端面中心固定连接，所述第二锥齿轮和第一锥齿轮啮合，所述拇指蜗杆一端与第二锥齿轮大端端面中心连接，拇指涡轮与拇指蜗杆啮合，拇指涡轮设置于拇指底座上，并相对拇指底座旋转，拇指涡轮与拇指近指节固定连接，所述拇指连杆一端与拇指底座铰接，另一端与拇指远指节铰接。

进一步的，每个所述手指部件包括手指底座、手指近指节、手指中指节、手指远指节，所述手指底座固定于手掌部件上，手指近指节一端与手指底座连接，另一端与手指中指节的一端铰接，手指中指节的另一端与手指远指节铰接。

进一步的，该装置包括四个手指部件。

进一步的，每个所述手指部件的手指驱动装置包括第三电机、手指涡轮、手指蜗杆、第一手指连接杆和第二手指连接杆，所述第三电机固定设置于手掌部件上，第三电机输出端与手指蜗杆端部固定连接，手指涡轮与手指蜗杆啮合，第三电机通过转动手指蜗杆从而带动手指涡轮转动，手指涡轮设置于手指底座上，并相对手指底座旋转，手指涡轮与手指近指节固定连接；所述第一手指连杆一端与手指底座铰接，另一端与手指中指节铰接，所述第二手指连杆一端与手指近指节铰接，另一端与手指远指节铰接。

进一步的，所述手掌部件包括主体部、拇指凹部和手指凸部，所述主体部为梯形，所述梯形主体部的腰向内凹一矩形空间形成设置拇指部件的拇指凹部，所述梯形主体部的下底向外突出矩形部分形成连接手指部件的手指凸部。

进一步的，每个所述手指部件的手指远指节上安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测手指远指节工作时受到的压力。

欠驱动仿生手装置的控制方法，包括自适应抓取和人为控制抓取，所述自适应抓取通过采集抓握时的压力信号实现抓取控制，所述人为控制抓取通过采用肌电信号根据人为意图实现抓取控制

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点在于该仿生手装置拇指部件由电机驱动相对手掌部件转动，拇指既能弯曲伸直，也能实现侧向旋转，能做出更多动作，提高仿生手的灵活度；该仿生手装置具有十五个自由度，通过六个电机驱动，实现了手指的欠驱动；拇指由两个电机驱动，其余四个手指各由一个电机驱动，结构巧妙、功能丰富，能够应用于多种抓握场景；手指采用蜗轮蜗杆与连杆结合的方式进行驱动，可提高仿生手握紧和展开时位置的准确度，同时蜗轮蜗杆的自锁特点也使手指的运动具有良好的稳定性。

附图说明

图1是本发明仿生手装置的结构示意图；

图2是本发明仿生手装置拇指部件的结构示意图；

图3是本发明中手掌部件的结构示意图；

图4是本发明中仿生手装置手指部件的结构示意图；

图5是图4中E-E的剖视图；

图6是图4中F-F的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本次发明的一种欠驱动仿生手装置，包括手掌部件6、拇指部件1、四个手指部件(2、3、4、5)、驱动拇指部件1运动的拇指驱动装置、驱动手指部件(2、3、4、5)运动的手指驱动装置，每一个手指部件由独立的一个手指驱动装置驱动，拇指部件1和手指部件(2、3、4、5)设置于手掌部件6上，拇指驱动装置包括拇指旋转驱动装置和拇指弯曲驱动装置，拇指弯曲驱动装置驱动拇指部件1的弯曲和伸直，拇指旋转驱动装置驱动拇指部件2相对手掌部件6的转动。在本实施例中，四个手指部件(2、3、4、5)可分别对应设置为食指2、中指3、无名指4、小拇指5。

手掌部件6包括手掌外壳盖、主体部6-5、拇指凹部6-6和手指凸部(6-1、6-2、6-3、6-4)，主体部6-5为梯形，梯形的主体部6-5的一条腰上向内凹一矩形空间形成设置拇指部件1的拇指凹部6-6，梯形主体部6-5的下底向外突出四个矩形部分形成连接四个手指部件(2、3、4、5)的四个手指凸部(6-1、6-2、6-3、6-4)，四个手指凸部(6-1、6-2、6-3、6-4)可分别设置为连接食指2的食指凸部6-1、连接中指3的中指凸部6-2、连接无名指4的无名指凸部6-3、连接小拇指5的小拇指凸部6-4，四个手指凸部(6-1、6-2、6-3、6-4)的凸出长度不同，中指凸部6-2凸出长度最长，食指凸部6-1和无名指凸部6-3凸出长度相同且短于中指凸部6-2，小拇指凸部6-4凸出长度最最短。

如图2所示，拇指部件1包括拇指底座1-18、拇指近指节1-12和拇指远指节1-14，拇指近指节1-12一端连接拇指底座1-18，另一端通过拇指关节轴1-13与拇指远指节1-14铰接；拇指旋转驱动装置包括第一电机1-3、第一齿轮1-1、第二齿轮1-19，第一电机1-3固定设置于拇指凹部6-6侧面的主体部6-5上，第一电机1-3输出端与第一齿轮1-1端面中心固定连接，第一电机1-3输出轴的延伸方向平行于手指部件2的延伸方向。第二齿轮1-19与第一齿轮1-1啮合，第二齿轮1-19端面中心设置贯穿第二齿轮1-19的拇指旋转轴1-2，第二齿轮1-19相对拇指旋转轴1-2转动，拇指旋转轴1-2一端通过轴承挡块1-20固定于手掌部件6上，另一端穿过第二齿轮1-19和拇指底座1-18，第二齿轮1-19与拇指底座1-18嵌合，第二齿轮1-19转动带动拇指底座1-18转动，拇指底座1-18位于第二齿轮1-19靠近第一电机1-3的一侧，第二齿轮1-19中轴线延伸方向垂直于拇指部件1延伸方向。

拇指驱动装置采用涡轮蜗杆与连杆相结合的传动方式。拇指由于有侧向旋转和拇指弯曲两个自由度上的运动，因此设置了两个电机，分别为拇指弯曲和侧向旋转提供扭矩。

拇指弯曲驱动装置包括第二电机1-6、第一锥齿轮1-7、第二锥齿轮1-8、拇指涡轮1-10、拇指蜗杆1-9、拇指连杆1-16，第二电机1-6固定在电机支架上，第二电机1-6的电机支架通过螺钉固定设置于拇指凹部6-6侧面的主体部6-5上，第二电机1-6输出端通过第一联轴器1-5与第一锥齿轮1-7大端端面中心固定连接，第一联轴器1-5与第一锥齿轮1-7的齿轮轴1-4连接，第一锥齿轮1-7通过拧紧螺母与齿轮轴1-4固定连接，拇指旋转轴1-2与齿轮轴1-4通过两个轴承相互连接，轴线重合，第二电机1-6转动带动第一锥齿轮1-7转动，第二电机1-6输出轴延伸方向与拇指旋转轴1-2延伸方向重合；第二锥齿轮1-8与第一锥齿轮1-7啮合，拇指蜗杆1-9一端通过拧紧螺钉与第二锥齿轮1-8大端端面中心连接，拇指涡轮1-10与拇指蜗杆1-9啮合，第二锥齿轮1-8转动带动拇指蜗杆1-9转动，从而带动拇指涡轮1-10转动，拇指涡轮1-10通过拇指涡轮轴1-17设置于拇指底座1-18上，拇指涡轮1-10相对拇指底座1-18旋转，拇指涡轮1-10通过拇指近指节连接片与拇指近指节1-12固定连接，拇指涡轮1-10转动带动拇指近指节1-12绕拇指涡轮轴1-17转动，拇指涡轮轴1-17延伸方向垂直于第一电机1-3输出轴延伸方向，拇指连杆1-16一端通过第一拇指连杆轴1-11与拇指底座1-18铰接，拇指连杆1-16另一端通过第二拇指连杆轴1-15与拇指远指节1-14铰接，拇指蜗轮轴1-17与第一拇指连杆轴1-11之间的连线、第一拇指连杆轴1-11与二拇指连杆轴1-15之间的连线、二拇指连杆轴1-15与拇指关节轴1-13之间的连线、拇指关节轴1-13与拇指蜗轮轴1-17之间的连线组成第一双摇杆机构，拇指涡轮1-10转动带动拇指近指节1-12转动，由于铰接关系拇指远指节1-14跟随拇指近指节1-12转动，通过第一双摇杆机构联动实现拇指部件1向手掌部件6弯曲。

如图4所示，每个手指部件结构相同，以其中一个手指部件2举例说明，手指部件2包括手指底座2-8、手指近指节2-4、手指中指节2-5、手指远指节2-6，手指底座2-8固定于手掌部件6的手指凸部6-1上，手指近指节2-4一端与手指底座2-8连接，手指近指节2-4另一端通过第一手指关节轴2-13与手指中指节2-5的一端铰接，手指中指节2-5的另一端通过第二手指关节轴2-19与手指远指节2-6铰接。

手指部件2的手指驱动装置包括第三电机2-1、手指涡轮2-9、手指蜗杆2-3、第一手指连接杆2-12和第二手指连接杆2-17，第三电机2-1通过手指电机支架2-7固定设置于手掌部件6的手指凸部6-1上，第三电机2-1输出端通过第二联轴器2-2与手指蜗杆2-3端部固定连接，第三电机2-1输出轴延伸方向与手指部件2延伸方向平行，且与手指蜗杆2-3的延伸方向重合；手指涡轮2-9与手指蜗杆2-3啮合，第三电机2-1通过转动手指蜗杆2-3从而带动手指涡轮2-9转动，手指涡轮2-9通过手指涡轮轴2-10设置于手指底座2-8上，手指涡轮2-9相对手指底座2-8旋转，手指涡轮2-9通过手指近指节连接片与手指近指节2-4固定连接，手指涡轮2-9转动带动手指近指节2-4绕手指涡轮轴2-10转动，手指涡轮轴2-10延伸方向平行于手掌部件6所在平面；第一手指连杆2-12一端通过第一手指连接杆轴2-11与手指底座2-8铰接，第一手指连杆2-12另一端通过第二手指连接杆轴2-14与手指中指节2-5铰接，第二手指连杆2-17一端通过第三连接杆轴2-16与手指近指节2-4铰接，第二手指连杆2-17另一端通过第四连接杆轴2-18与手指远指节2-6铰接。手指涡轮轴2-10与第一手指连接杆轴2-11之间的连线、第一手指连接杆轴2-11与第二手指连接杆轴2-14之间的连线、第二手指连接杆轴2-14与第一手指关节轴2-13之间的连线、第一手指关节轴2-13与手指涡轮轴2-10之间的连线组成第二双摇杆机构；第一手指关节轴2-13与第三连接杆轴2-16之间的连线、第三连接杆轴2-16与第四连接杆轴2-18之间的连线第四连接杆轴2-18与第二手指关节轴2-19之间的连线、第二手指关节轴2-19与第一手指关节轴2-13之间的连线组成第三双摇杆机构，手指涡轮2-9转动通过第二双摇杆机构和第三双摇杆机构的联动实现手指部件2向手掌部件6弯曲。

该仿生手的驱动电机总共有六个，均采用步进电机，步进电机内部均安装编码器。在拇指远指节1-14、手指近指节2-4和手指中指节2-5抓握部分设置凹槽，凹槽内安装有防滑橡胶，使仿生手装置抓握过程更加牢固稳定。手指远指节2-6上安装有压力传感器2-15，用于检测手指远指节2-6工作抓握时的压力。压力传感器和编码器组成压力闭环控制系统和角度闭环控制系统，实现了抓握状态的实时识别。

在本实施例中，仿生手装置共有四根手指和一根拇指，可根据目标体积进行一根拇指加一根手指、一根拇指加两根手指和一根拇指加四根手指的抓取方式。对于卡片等小体积的物体，可以采用拇指和食指2配合抓取；对于螺丝刀等中等体积的物体，可以采用拇指、食指2和中指3三根手指配合进行抓取；对于像矿泉水瓶等较大体积物体的抓取，则可采用五根手指共同配合抓握。

本实施例中的欠驱动仿生手装置包括两种控制方法，两种控制方法分别为自适应抓取和人为控制抓取。自适应抓取时仿生手装置通过单片机控制步进电机驱动器，进而实现对步进电机转速和转向的控制；同时，手指部分还装有压力传感器，采集手指在抓握时受到的压力信号，转化为电信号，并通过放大电路将信号放大处理后反馈给单片机，单片机再对步进电机进行控制，实现手指的自适应抓取控制。人为控制抓取时使用肌电信号作为控制信号源，使仿生手装置能按照人的意图进行智能抓取。

本发明的欠驱动仿生手装置，四根手指部件采用单个步进电机驱动单个手指的弯曲和伸展，拇指部件采用两个步进电机分别驱动其侧向旋转和弯曲伸展运动，对目标物体进行抓取；根据对应小尺寸物体、中等尺寸物体以及大尺寸物体等不同体积的目标物体进行抓取时选择工作的手指部件根数，节约了不必要的能源消耗；另外通过压力传感器和编码器建立了一个闭环的仿生手控制系统，实现了手指运动状态实时识别，改善了用户体验效果。

Claims (9)

1.一种欠驱动仿生手装置，包括手掌部件、拇指部件、至少一个手指部件、驱动拇指部件运动的拇指驱动装置、驱动手指部件运动的手指驱动装置，所述拇指部件和手指部件设置于手掌部件上，其特征在于，每一个所述手指部件由独立的一个手指驱动装置驱动，所述拇指驱动装置包括拇指旋转驱动装置和拇指弯曲驱动装置，拇指弯曲驱动装置驱动拇指部件的弯曲和伸直，拇指旋转驱动装置驱动拇指部件相对手掌部件的转动；

所述拇指旋转驱动装置包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮，所述第一电机固定设置于手掌部件上，第一电机输出端与第一齿轮端面中心固定连接，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮与拇指部件连接，并带动拇指部件转动，所述第二齿轮中轴线延伸方向垂直于拇指部件延伸方向。

2.根据权利要求1所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，所述拇指部件包括拇指底座、拇指近指节和拇指远指节，所述拇指底座与所述第二齿轮连接，所述拇指近指节一端连接拇指底座，另一端通过拇指关节轴与拇指远指节铰接。

3.根据权利要求2所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，所述拇指弯曲驱动装置包括第二电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、拇指涡轮、拇指蜗杆、拇指连杆，所述第二电机固定设置于手掌部件上，第二电机输出端与第一锥齿轮大端端面中心固定连接，所述第二锥齿轮和第一锥齿轮啮合，所述拇指蜗杆一端与第二锥齿轮大端端面中心连接，拇指涡轮与拇指蜗杆啮合，拇指涡轮设置于拇指底座上，并相对拇指底座旋转，拇指涡轮与拇指近指节固定连接，所述拇指连杆一端与拇指底座铰接，另一端与拇指远指节铰接。

4.根据权利要求1所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，每个所述手指部件包括手指底座、手指近指节、手指中指节、手指远指节，所述手指底座固定于手掌部件上，手指近指节一端与手指底座连接，另一端与手指中指节的一端铰接，手指中指节的另一端与手指远指节铰接。

5.根据权利要求4所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，包括四个手指部件。

6.根据权利要求4所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，每个所述手指部件的手指驱动装置包括第三电机、手指涡轮、手指蜗杆、第一手指连接杆和第二手指连接杆，所述第三电机固定设置于手掌部件上，第三电机输出端与手指蜗杆端部固定连接，手指涡轮与手指蜗杆啮合，第三电机通过转动手指蜗杆从而带动手指涡轮转动，手指涡轮设置于手指底座上，并相对手指底座旋转，手指涡轮与手指近指节固定连接；所述第一手指连杆一端与手指底座铰接，另一端与手指中指节铰接，所述第二手指连杆一端与手指近指节铰接，另一端与手指远指节铰接。

7.根据权利要求5所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，所述手掌部件包括主体部、拇指凹部和手指凸部，所述主体部为梯形，所述梯形主体部的腰向内凹一矩形空间形成设置拇指部件的拇指凹部，所述梯形主体部的下底向外突出矩形部分形成连接手指部件的手指凸部。

8.根据权利要求4所述的欠驱动仿生手装置，其特征在于，每个所述手指部件的手指远指节上安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测手指远指节工作时受到的压力。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的欠驱动仿生手装置的控制方法，其特征在于，包括自适应抓取和人为控制抓取，所述自适应抓取通过采集抓握时的压力信号实现抓取控制，所述人为控制抓取通过采用肌电信号根据人为意图实现抓取控制。

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