CN113319876A - 一种由流体驱动的多指仿人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，由手掌、大拇指、食指、中指、无名指和小拇指及驱动控制系统组成；每根单指均包近指节、中指节、远指节；每根手指的近指节旋转轴与手掌相连接，近指节的另一端与第一指节连接组件相连；驱动控制系统包括输出端和流体驱动模块，流体驱动模块可驱动输出端绕旋转轴旋转，完成手指各关节的运动；所述的流体驱动模块通过管道供应流体，膨胀并产生力，进而带动固定于流体驱动模块外壳上的输出端运动，完成手指关节的运动。本发明可以用较为柔性的方式来实现灵巧手对物体的抓取；模块化设计提高集成性和可替换性，各个指节独立控制，可以实现平面的完整运动；抓取物体更加灵活。

Description

一种由流体驱动的多指仿人灵巧手

技术领域

本发明涉及一种多自由度仿人灵巧手，属于机器人领域、仿生学领域，具体是一种由流体驱动的多指仿人灵巧手。

背景技术

机器人的末端执行器根据特定的工作任务而设计为不同的形状。在传统工业中，机器人多用两指或三指夹持器作为末端执行器，应用范围窄，自由度少，灵活度低，因此这种简单的机构已经不能满足当前的生产需求。随着科技的发展，灵巧机械手作为一种更加灵活的末端执行器被研究。由于人手作为人体上肢的末端在抓取领域具有无可比拟的优势，因此结合人体的生理学特性的仿人灵巧手不仅具有更多的自由度和柔性，更能像人手一样完成机器所不能完成的运动，更加符合人的特性。灵巧手作为机器人的末端执行器，其运动更加灵活，抓取的稳定性更好。

当前市面上的灵巧手一般采用电机和减速机的机械结构作为动力源，驱动手指进行抓取动作；但是由于二者为刚性连接结构，耐冲击性差，柔性较低，设计机构复杂，成本高。因此本发明设计了一种通过流体驱动的仿人灵巧手，提供较好的接触柔性和集成性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，尤其是流体驱动的多自由度仿人灵巧手，以解决现有技术中存在的机器人灵巧手中柔性低、指节传动耦合、自由度少、灵活度低、可替代性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明设计一种由流体驱动的多指仿人灵巧手。其中，通过流体驱动，如气动硅胶、气囊提高接触柔性；通过模块化设计提高集成性和可替换性，各个指节独立控制，每个手指具备3个自由度，可以实现平面的完整运动，将手指末端控制所需的位置和姿态，从而实现5个手指的位姿和姿态；通过探究人体生理学的仿人结构使末端灵巧手更加灵活和复制人手的活动，该结构能实现快速、灵活的物理抓取能力。

一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，由手掌、大拇指、食指、中指、无名指和小拇指及驱动控制系统组成；其中每根手指均包括三个指节，实现3个自由度，分别为近指节、中指节、远指节；所述的每根手指的三个指节，通过连接组件连接两个串联的指节；每根手指的近指节旋转轴与手掌相连接，近指节的另一端与第一指节连接组件相连；

所述手掌具有5个“U”形安装槽，每个安装槽用于安装1个手指，每个安装槽两端具有连接孔，用于与每个手指的近指节的旋转轴连接；

通过调整指节、连接组件的长度以调整该部分手指长度；通过调整安装槽的间距以调整整个灵巧手的宽度；

所述的各个指节均包括输出端和流体驱动模块，流体驱动模块可驱动输出端绕旋转轴旋转，完成手指各关节的运动；所述的流体驱动模块包括旋转轴、端盖、外壳、管道及流体展开收缩装置；所述的输出端一端与流体驱动模块的外壳固定；一端与下一级连接组件固定相连；

所述的流体驱动模块通过管道供应流体，流体展开收缩装置供应流体时，流体展开收缩装置会膨胀并产生力，进而带动固定于流体驱动模块外壳上的输出端运动，完成手指关节的运动；

所述的各个指节的关节独立控制，每个关节被一对管道连接，都有两条流体管道连接进流体驱动模块内的流体展开收缩装置的腔体中，完成指节的正转和反转。

进一步的，所述的流体驱动模块，其旋转轴上固定设置有相隔一定角度的两个旋转轴挡板，外壳为中空圆环，向内凸起形成一个外壳挡板，所述外壳挡板的初始位置与两个旋转轴挡板的对称轴线位置重合。

进一步的，所述两个旋转轴挡板的角度为5-180度。

进一步的，所述的流体展开收缩装置为中空囊体，充入流体膨胀、抽出流体收缩，材料为硅胶或者弹性囊体。

进一步的，所述的流体驱动模块，进一步包括一挡圈，安装在旋转轴的凹槽内，再用挡圈凸出一部分进行旋转轴与外壳的轴向固定。

进一步的，所述各个手指关节运动角度的极限位置，由旋转轴挡板和外壳挡板的初始位置决定，极限位置为-157.5～157.5度。

进一步的，所述的极限位置，优选的为为0-90度。

进一步的，所述的第一连接组件、第二连接组件，结构相同，均由U型连接件、内六角螺钉组成。

进一步的，所述的大拇指与其它四个手指成一定角度，优选的为30-60度；其余四个手指平行或者成一定角度，不大于10度。

进一步的，一种多指仿人灵巧手的物体抓取方法，包括：

利用双目结构光相机获取目标点云信息，对目标的表面进行三维重建，获取目标表面模型；同时，建立多指灵巧手整手的运动学模型；根据手的运动学约束条件从目标表面模型中获取候选的6自由度抓取位姿；对候选抓取位姿进行评估，建立抓取质量模型，显示评估分数最高的灵巧手的抓取位姿；根据抓取位姿利用灵巧手的逆运动学计算每个手指关节的旋转角度；

其中，所述的抓取质量模型为抓取矩阵性质的量化，利用两种以上参数进行加权和，抓取矩阵为G，σ_max(G)为抓取矩阵的最大特征值，σ_min(G)为抓取矩阵的最小特征值，G^T为抓取矩阵的转置，α，β为加权系数，不为负，则评估函数为

得分高的抓取参数为更优抓取。根据抓取位姿利用灵巧手的逆运动学计算每个手指关节的旋转角度。

本发明的有益效果主要表现在：

1.采用流体驱动的方式进行关节的驱动，通过流体驱动的进气(液)量和出气(液)量的速度控制关节的转动速度，通过控制腔体内压力大小控制手指力，流体传动的弹性模量接近人体肌肉，刚度比金属材质低，可以用较为柔性的方式来实现灵巧手对物体的抓取。

2.流体驱动装置机构紧凑，通过模块化设计，提高集成性和可替换性，各个指节独立控制，每个手指具备3个自由度，可以实现平面的完整运动，以手指末端控制所需的位置和姿态，从而实现5个手指的位姿和姿态。

3.通过人体生理学特性分析，采用五指仿人灵巧手，能够有很好的类人性，抓取物体更加灵活。

附图说明

图1流体驱动的仿人灵巧手整体结构示意图。

图2流体驱动的仿人灵巧手手掌的结构示意图。

图3a为大拇指结构示意图及爆炸图。

图3b—3e为其他四指(食指，中指，无名指，小拇指)结构示意图。

图4流体驱动装置外观示意图。

图5流体驱动装置内部结构示意图及爆炸图。

图6连接组件结构示意图及爆炸图。

图7远指节输出端示意图。

图8管道连接示意图。

图9灵巧手抓取方法。

图中标号具体如下：

1、手掌 11、大拇指连接孔 12、食指连接孔

13、小拇指连接孔 2、大拇指 21、大拇指近指节

211、311、411、511、611旋转轴 2111、旋转轴挡板

212、端盖 213、外壳 2131、外壳挡板

214、输出端 215、管道 216、流体展开收缩装置

217、轴承 218、轴用挡圈 219、挡圈凹槽

22、第一指节连接组件 221、U型连接件

222、连接件底部内六角螺钉 223、连接件侧面内六角螺钉

23、大拇指中指节 231、大拇指中指节旋转轴

24、第二指节连接组件 25、大拇指远指节

251、大拇指远指节输出端 3、食指 31、食指近指节

32、食指近指节连接组件

33、食指中指节 34、食指中指节连接组件

35、食指远指节 4、中指

41、中指近指节

42、中指近指节连接组件 43、中指中指节

44、中指中指节连接组件 45、中指远指节

5、无名指 51、无名指近指节

52、无名指近指节连接组件 53、无名指中指节

54、无名指中指节连接组件 55、无名指远指节

6、小拇指 61、小拇指近指节

62、小拇指近指节连接组件 63、小拇指中指节

64、小拇指中指节连接组件 65、小拇指远指节

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明设计了一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，如图1所示，该仿人灵巧手由手掌1、大拇指2、食指3、中指4、无名指5和小拇指6及驱动控制系统组成，其中每根单指各有3个自由度，分别为近指节、中指节、远指节。拇指与其它四根手指成一定角度，30-60度，其余四根手指平行或者成一定角度，不大于10度。

手掌1分为手心面和手背面两面，如图2所示。初始时，拇指向手心面弯屈一定角度。该手掌在对应安装五指的位置具有5个“U”形安装槽，每个安装槽用于安装1个手指，每个安装槽两端具有连接孔，用于与每根手指的近指节的旋转轴连接。在设计时，通过设计5个安装槽的间距可以调整整个灵巧手的宽度。大拇指连接孔11与大拇指近指节21的旋转轴211同轴连接；其它四根手指安装槽上的连接孔(如食指连接孔12、小拇指连接孔13)分别与四根手指的近指节的旋转轴311、411、511、611同轴连接。

所述的大拇指2、食指3、中指4、无名指5和小拇指6，每根手指均包括三个指节，分别为近指节、中指节和远指节。图3a—3e分别为大拇指和其他四指(食指，中指，无名指，小拇指)结构示意图。所述的每根手指的三个指节，通过连接组件连接两个串联的指节。每根手指的近指节旋转轴与手掌相连接，近指节的另一端与第一指节连接组件相连，第一指节连接组件另一端与中指节的旋转轴连接，中指节的另一端与第二指节连接组件相连，第二指节连接组件另一端与远指节的旋转轴连接，远指节的另一端作为整个手指的末端。通过设计时调节连接组件或者各个指节输出端的长度，可以调整灵巧手的手指长度。例如，如图3a大拇指的结构示意图所示，大拇指2包括大拇指近指节21、大拇指中指节23、大拇指远指节25、第一指节连接组件22，第二指节连接组件24。大拇指近指节21的旋转轴211与手掌1的大拇指连接孔11相连接，大拇指近指节21的另一端与第一指节连接组件22相连，第一指节连接组件22另一端与大拇指中指节23的旋转轴连接，大拇指中指节23的另一端与第二指节连接组件24相连，第二指节连接组件24另一端与大拇指远指节25的旋转轴连接，大拇指远指节25的另一端作为整个手指的末端。如图3b—3e为食指、中指、无名指、小拇指的结构示意图所示，其连接特性与大拇指相同，食指近指节31、中指近指节41、无名指近指节51、小拇指近指节61一端连接手掌1，另一端连接到食指近指节连接组件32、中指近指节连接组件42、无名指近指节连接组件52、小拇指近指节连接组件62。食指中指节33、中指中指节43、无名指中指节53、小拇指中指节63一端连接近指节的连接组件，另一端与食指中指节连接组件34、中指中指节连接组件44、无名指中指节连接组件54、小拇指中指节连接组件64相连。最后，食指远指节35、中指远指节45、无名指远指节55、小拇指远指节65连接食指中指节连接组件34、中指中指节连接组件44、无名指中指节连接组件54、小拇指中指节连接组件64；通过设计时改变四个指节或者连接组件的长度，可以调整该部分手指长度。

如图4所示，所述的各个指节均包括块输出端214和流体驱动模块，流体驱动模块可驱动输出端214绕旋转轴旋转，完成手指各关节的运动。

以其中一个指节为例，所述的流体驱动模块包括旋转轴211、端盖212、外壳213和管道215，以完成手指各个关节的运动。流体驱动模块内部结构示意图如图5所示，旋转轴211上固定设置有相隔一定角度的两个旋转轴挡板2111，所述的角度典型值5-180度。外壳213为中空圆环，向内凸起形成一个外壳挡板2131，所述外壳挡板的初始位置与两个旋转轴挡板的对称轴线位置重合。外壳一侧与轴承217外圈相连，轴承内圈与旋转轴211相连，可绕旋转轴旋转，外壳另一侧与端盖212相连。同时，将2个流体展开收缩装置216分别填放于外壳挡板与旋转轴挡板产生的两个空腔内，流体展开收缩装置的一侧与外壳挡板2131固定相连，另一侧与旋转轴挡板2111固定相连。所述的流体展开收缩装置216为中空囊体，充入流体膨胀、抽出流体收缩，材料为硅胶或者弹性囊体，中空囊体可以通过与其相连的管道215对其供应流体等。通过交替充入或者收缩两个流体展开收缩装置的流体，外壳213与旋转轴211能够发生周向相对旋转运动。挡圈218安装在旋转轴211的挡圈凹槽219内，再用挡圈218凸出的一部分进行旋转轴211与外壳213的轴向固定。

所述的输出端214一端与外壳213固定；另一端类似平台型结构，与下一级连接组件固定相连。

特别的，所述各手指的远指节输出端，以图7所示的大拇指远指节输出端251为例，因无需进一步连接其他指节，而不具有与下一级连接组件固定相连的平台型结构。

因此，流体驱动模块的驱动原理为通过管道215供应流体(气/液)，当向一方腔体中的流体展开收缩装置216供应流体时，流体展开收缩装置会膨胀并产生力，由于旋转轴211为固定端，因此当力产生时，旋转轴挡板2111与流体展开收缩装置216之间会产生力的作用，推动外壳挡板2131运动，从而使得外壳相对旋转轴的运动，进而带动固定于外壳上的输出端运动，完成手指关节的运动。所述各个指节运动的角度大小与流体展开收缩装置的弹性模量、流体流量的大小相关。而旋转轴挡板和外壳挡板的初始位置决定了运动角度的极限位置，根据本发明结构，极限位置为-157.5～157.5度，优选的位置为0-90度。

所述的第一连接组件22、第二连接组件24，结构相同，具体结构示意图如图6所示，均由U型连接件221，内六角螺钉222、223组成。所述U型连接件底部设置螺孔，与输出端214的平台型结构上分布的螺孔相对应，用内六角螺钉222相连接，同时在U型连接件的两侧打两个沉头孔，用内六角螺钉223和旋转轴231固定连接，进行下一个指节的连接。

本发明灵巧手的各个指节的关节独立控制，每个关节被一对管道连接，都有两条流体管道连接进流体驱动模块内流体展开收缩装置216的腔体中，完成指节的正转和反转。当需要某个指节正转时，向该指节的流体驱动模块一端的流体展开收缩装置216内供应流体，展开收缩装置膨胀使得固定的旋转轴挡板受力，另一端的外壳挡板受力，会推动外壳运动，而流体驱动模块输出端通过连接组件与下一指节相连，从而能够通过对流体展开收缩装置的充气(液)来进行指节的运动。同样的，对一端的流体展开收缩装置的放气(液)，对另一端充气(液)能够完成相反的转动。由此通过单独对每一个指节的充放气(液)控制来完成整个灵巧手的运动，示意图如图8所示。

控制该灵巧手对物体抓取方法。利用双目结构光相机获取目标点云信息，对目标的表面进行三维重建，获取表面模型。同时，建立多指灵巧手整手的运动学模型。根据手的运动学约束条件从目标表面模型中获取系列候选的6自由度抓取位姿(几千-几万样本)。对候选抓取位姿进行评估，建立抓取质量模型，方法为深度学习网络。显示评估分数最高的灵巧手的抓取位姿。人工判断是否符合抓取干涉。通过逆运动学计算每个手指末端的位姿以及各个关节的角度，控制每个关节相连管道的流体压力，实现每个关节旋转到计算的关节角度，完成抓取。

抓取质量模型为抓取矩阵性质的量化，利用两种以上参数进行加权和，抓取矩阵为G，σ_max(G)为抓取矩阵的最大特征值，σ_min(G)为抓取矩阵的最小特征值，G^T为抓取矩阵的转置，α，β为加权系数，不为负，则评估函数为

得分高的抓取参数为更优抓取。

Claims (10)

1.一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，由手掌、大拇指、食指、中指、无名指和小拇指及驱动控制系统组成；其特征在于：其中每根手指均包括三个指节，实现3个自由度，分别为近指节、中指节、远指节；所述的每根手指的三个指节，通过连接组件连接两个串联的指节；每根手指的近指节旋转轴与手掌相连接，近指节的另一端与第一指节连接组件相连；

所述手掌具有5个“U”形安装槽，每个安装槽用于安装1根手指，每个安装槽两端具有连接孔，用于与每根手指的近指节的旋转轴连接；

通过调整指节、连接组件的长度以调整该部分手指长度；通过调整安装槽的间距以调整整个灵巧手的宽度；

所述的各个指节均包括输出端和流体驱动模块，流体驱动模块可驱动输出端绕旋转轴旋转，完成手指各关节的运动；所述的流体驱动模块包括旋转轴、端盖、外壳、管道及流体展开收缩装置；所述的输出端一端与流体驱动模块的外壳固定，另一端与下一级连接组件固定相连；

所述的流体驱动模块通过管道供应流体，流体展开收缩装置供应流体时，流体展开收缩装置会膨胀并产生力，进而带动固定于流体驱动模块外壳上的输出端运动，完成手指关节的运动；

所述的各个指节的关节独立控制，每个关节被一对管道连接，都有两条流体管道连接进流体驱动模块内的流体展开收缩装置的腔体中，完成指节的正转和反转。

2.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述的流体驱动模块，其旋转轴上固定设置有相隔一定角度的两个旋转轴挡板，外壳为中空圆环，向内凸起形成一个外壳挡板，所述外壳挡板的初始位置与两个旋转轴挡板的对称轴线位置重合。

3.根据权利要求2所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述两个旋转轴挡板的角度为5-180度。

4.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述的流体展开收缩装置为中空囊体，充入流体膨胀、抽出流体收缩，材料为硅胶或者弹性囊体。

5.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述的流体驱动模块，进一步包括一挡圈，安装在旋转轴的挡圈凹槽内，挡圈凸出的一部分进行旋转轴与外壳的轴向固定。

6.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述各个手指关节运动角度的极限位置，由旋转轴挡板和外壳挡板的初始位置决定，极限位置为-157.5～157.5度。

7.根据权利要求6所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述的极限位置，优选的为0-90度。

8.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于：所述的第一连接组件、第二连接组件，结构相同，均由U型连接件、内六角螺钉组成。

9.根据权利要求1所述的一种由流体驱动的多指仿人灵巧手，其特征在于；所述的大拇指与其它四个手指成一定角度，优选的为30-60度；其余四个手指平行或者成一定角度，不大于10度。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的多指仿人灵巧手的物体抓取方法，其特征在于：

利用双目结构光相机获取目标点云信息，对目标的表面进行三维重建，获取目标表面模型；同时，建立多指灵巧手整手的运动学模型；根据手的运动学约束条件从目标表面模型中获取候选的6自由度抓取位姿；对候选抓取位姿进行评估，建立抓取质量模型，显示评估分数最高的灵巧手的抓取位姿；根据抓取位姿利用灵巧手的逆运动学计算每个手指关节的旋转角度；

其中，所述的抓取质量模型为抓取矩阵性质的量化，利用两种以上参数进行加权和，抓取矩阵为G，σ_max(G)为抓取矩阵的最大特征值，σ_min(G)为抓取矩阵的最小特征值，G^T为抓取矩阵的转置，α，β为加权系数，不为负，则评估函数为

得分高的抓取参数为更优抓取。

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