CN114083565A - 一种面向灵活操作的自适应三指手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向灵活操作的自适应三指手，包括底座及均布设置在底座上的三个手指关节，所述手指关节包括侧摆关节及弯曲关节组，所述侧摆关节一端与所述底座相连，另一端与弯曲关节组活动，所述弯曲关节组包括近指关节、与近指关节活动连接的中指关节以及与中指关节活动连接的自适应指尖关节。本发明通过末端自适应指尖关节的设计，并嵌入硅胶软指，在增大操作灵巧度的同时，简化了结构的复杂性，减少了驱动器数量，降低了控制的难度，并减少了成本，且各手指结构基本相同，具有较好的可替代性和通用性。

Description

一种面向灵活操作的自适应三指手

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种面向灵活操作与多姿态抓取的腱绳驱动三指手。

背景技术

抓取和操作一直以来都是机器人领域的重点研究领域，而灵巧手是机器人的末端执行器，其具有多个自由度，柔顺性高，对环境的适应性强，其设计很大程度上影响着抓取操作任务的实现。

目前，由于仿人五指手的结构复杂冗余，其设计、制造、建模存在困难并且成本过高，实际使用时控制、操作困难。与之相对应的，欠驱动手又缺乏灵巧精细操作能力。并且，对于腱绳传动灵巧手来说，在反复控制的过程中，由于腱绳存在一定的塑性形变，容易造成驱动器的空行程，影响腱绳对手指关节的控制。

发明内容

为了克服现有技术中面向操作的灵巧手关节数目冗余、驱动器数量庞大的问题，本发明提供了一种面向灵活操作的腱传动全驱动三指手，可以有效地兼顾系统简化度和操作灵活度，每个手指具有3个自由度，三指手共9个自由度，在设计上，保证操作的基础上，尽量简化驱动器数目，并合理布置腱绳在手指中的走线布置，实现驱动空间与手指关节空间的线性映射关系。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向灵活操作的自适应三指手，包括底座及均布设置在底座上的三个手指关节，所述手指关节包括侧摆关节及弯曲关节组，所述侧摆关节一端与所述底座相连，另一端与弯曲关节组活动，所述弯曲关节组包括近指关节、与近指关节活动连接的中指关节以及与中指关节活动连接的自适应指尖关节。

进一步的，所述侧摆关节包括摆动关节本体、旋转电机、侧摆连接座，所述旋转电机固定设置在底座上，所述旋转电机的输出轴与侧摆关节相连，所述侧摆连接座固定设置在摆动关节上。

进一步的，所述近指关节包括近指关节本体、近指关节轴、近指关节扭簧、近指关节固定杆、第一滑轮组、第一腱绳及直线电机；所述近指关节通过近指关节轴与侧摆连接座活动连接；所述指关节扭簧设置在近指关节轴上，所述近指关节固定杆水平设置在近指关节内，所述第一腱绳一端绳结固定于近指关节固定杆，另一端通过绕过第一滑轮组后与设置在侧摆关节上直线电机相连；所述近指关节轴上设有去耦合槽孔，去耦合槽孔包括通孔及通槽，所述通孔与通槽垂直方向设置，并相互连通。

进一步的，所述中指关节包括中指关节本体、中指关节轴、中指关节扭簧、中指关节固定杆、第二滑轮组、第二腱绳及直线电机，所述中指关节通过中指关节轴与近指关节活动连接，所述中指关节扭簧设置在中指关节轴上，所述中指关节固定杆水平设置在中指关节内，所述第二腱绳一端绳结固定于中指关节固定杆，另一端通过绕过第二滑轮组后与设置在侧摆关节上直线电机相连。

进一步的，所述自适应指尖关节包括指尖关节本体、指尖关节轴、指尖关节扭簧，指尖连接件，指尖力传感器及软指指尖，所述自适应指尖关节通过指尖关节轴与中指关节活动连接，所述指尖关节扭簧设置在指尖关节轴上，所述指尖连接件一端有长轴插入并贯穿自适应指尖背面，另一端内嵌力传感器，所述力传感器上放置软指指尖，所述的软指指尖与指尖连接件末端卡紧。

进一步的，所述侧摆连接座上设有分别与第一腱绳、第二腱绳位置对应的张力调节机构，所述第一腱绳及第二腱绳分别穿过张力调节机构后与对应的直线电机相连，所述张力调节机构包括导向装置、微型轴承调节螺杆及固定螺母，所述微型轴承设置在导向装置内部，所述调节螺杆通过微型轴承与导向装置相连，所述调节螺杆配合设置在固定螺母上，所述导向装置一端设有用于腱绳穿设的导向槽。

进一步的，所述第一滑轮组包括第一上位滑轮、第一下位滑轮、第一滑轮凸台及第一滑轮插销，所述第一上位滑轮设置在近指关节内的近指关节轴上，所述第一下位滑轮设置在侧摆过渡连接座内，第一滑轮凸台设置侧摆过渡连接座侧壁上，所述第一下位滑轮设置在第一滑轮凸台上，并以第一滑轮插销插入贯穿所述的第一下位滑轮与第一滑轮凸台配合固定。

进一步的，所述第二滑轮组，包括第二上位滑轮、第二下位滑轮、第二滑轮凸台及第二滑轮插销，所述第二上位滑轮设在中指关节内的中指关节轴上，所述第二下位滑轮设置在近指关节内，所述第二滑轮凸台设置在近指关节内壁上，所述第二下位滑轮以第二滑轮插销插入贯穿所述的第二下位滑轮与第二滑轮凸台配合固定。

进一步的，所述近指关节背侧设有近指关节限位台、中指关节背侧设有中指关节限位台、自适应指尖关节背侧设有指尖关节限位块。

进一步的，所述近指关节、中指关节以及自适应指尖关节上均设有角度传感器。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明通过腱绳模拟人手的肌腱，通过扭簧模拟人手的韧带回弹特性，可以实现较为精确的位置控制。

2）本发明通过末端自适应指尖关节的设计，并嵌入硅胶软指，在增大操作灵巧度的同时，简化了结构的复杂性，减少了驱动器数量，降低了控制的难度，冰减少了成本。

3）本发明通过张力调节机构来消除腱绳的松弛现象，降低了反复安装的繁琐性。

4）通过近指关节上的去耦合槽孔设置，即可防止各关节相互间的运动干扰，实现各关节的运动独立性，并且使各腱绳分散布置，避免多根腱绳发生缠绕现象。

5）通过侧摆关节的并列布置，可实现整手的多姿态配置，完成多种类的姿势与抓持操作。

6）近指关节、中指关节以及自适应指尖关节设置的限位块可以防止手指运动过程的反向弯折运动。

7）各手指结构基本相同，具有较好的可替代性和通用性。

附图说明

图1是本发明整手正视图；

图2是本发明球体抓取示意图；

图3是本发明小物体对抗姿态捏取示意图；

图4是本发明手指背侧示意图；

图5是本发明手指弯曲侧视示意图；

图6是本发明自适应指尖关节剖视示意图；

图7是本发明底座连接件示意图；

图8是本发明侧摆关节示意图；

图9是本发明近指关节轴示意图；

图10是本发明张力调节机构示意图；

图11是本发明张力调节机构爆炸图；

图中：1、底座； 2、底座连接件； 21、底座连接孔； 22、电机连接孔；3、侧摆关节；31、直线电机插槽 ；32、过渡连接孔； 33、电机连接孔； 4、侧摆过渡连接座； 41、张力调节机构；411、导向装置；412、微型轴承；413、调节螺杆；414、固定螺母； 5、近指关节； 51、近指关节轴； 511、去耦合槽孔； 52、近指关节扭簧； 53、近指关节固定杆 ；54、近指关节限位台； 55、第一上位滑轮；6、中指关节； 61、中指关节轴； 62、中指关节扭簧； 63、中指关节固定杆； 64、中指关节限位台； 65、第二上位滑轮；7、自适应指尖关节； 71、指尖关节轴 ；72、指尖关节扭簧； 73、指尖连接件 ；74、指尖力传感器 ；75、软指指尖； 76、走线槽；77、指尖关节限位块；8、第一滑轮组 ；81、第一下位滑轮 ；82、第一滑轮凸台； 83、第一滑轮插销 ；9、第二滑轮组； 91、第二下位滑轮； 92、第二滑轮凸台； 93、第二滑轮插销； 10、第一腱绳；11、第二腱绳 ；12、直线电机； 13、旋转电机； 14、角度传感器； 15、底座凸台； 16、大球体；17、小球体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种面向灵活操作的自适应三指手，包括底座1、底座连接件2、底座连接孔21、电机连接孔22、侧摆关节3、直线电机插槽31、过渡连接孔32、电机连接孔33、侧摆过渡连接座4、张力调节机构41、近指关节；411、导向装置；412、微型轴承；413、调节螺杆；414、固定螺母、5、近指关节轴51、去耦合槽孔511、近指关节扭簧52、近指关节固定杆53、近指关节限位台54、第一上位滑轮55、中指关节6、中指关节轴61、中指关节扭簧62、中指关节固定杆63、中指关节限位台64、第二上位滑轮65、自适应指尖关节7、指尖关节轴71、指尖关节扭簧72、指尖连接件73、指尖力传感器74、软指指尖75、走线槽76、指尖关节限位块77、第一滑轮组8、第一下位滑轮81、第一滑轮凸台82、第一滑轮插销83、第二滑轮组9、第二下位滑轮91、第二滑轮凸台92、第二滑轮插销93、第一腱绳10、第二腱绳11、直线电机12、旋转电机13、角度传感器14、底座凸台15、大球体16及小球体17。

实施例：

如图1至图11所示，一种面向灵活操作的自适应三指手，包括底座1，底座上装有三个并列均布的机械指，底座以底座凸台15和底座连接件2上的底座连接孔21以螺栓连接，底座连接件21另一端以电机连接孔22与旋转电机13连接。

机械指包括侧摆关节3、侧摆过渡连接座4、近指关节5、中指关节6以及自适应指尖关节7构成。

侧摆关节3设有直线电机插槽32，其与直线电机12以过渡配合固定，所述侧摆关节3设有过渡连接孔32，与侧摆过渡连接座以螺栓固定，并设有电机连接孔，与旋转电机13以专用螺丝固定。所述侧摆连接座4内设有螺纹孔，用以和张力调节机构41中的调节螺杆413配合，调节螺杆413上设有凸台，通过微型轴承412与导向装置411配合，并以固定螺母414紧固。

侧摆连接座4利用近指关节轴51与近指关节5连接，所述的近指关节还包括近指关节扭簧52以及近指关节固定杆53，所述的近指关节扭簧一端插入近指关节吊耳内的槽，另一端插入中指关节6侧边的槽内，近指关节扭簧朝向向外所述的近指关节固定杆用以固定腱绳绳结。近指关节背侧设有近指关节限位台54，用以防止关节反向运动。

近指关节5以中指关节轴61与中指关节连接，所述的中指关节还包括中指关节扭簧62以及中指关节固定杆63，中指关节扭簧固定方式与近指关节相同。中指关节背侧设有中指关节限位台64，用以防止关节反向运动。

中指关节6同样以指尖关节轴71与自适应指尖关节7连接，所述的自适应指间关节还包括指尖关节扭簧72，指尖连接件73，指尖力传感器74、软指指尖75以及走线槽76。需要注意的是，所述的指尖关节扭簧72朝向向内，与前两个关节相反，起到自适应捏取的作用，且自适应角度与力传感器数据成正比。指尖连接件73一端有长轴插入并贯穿自适应指尖背面，另一端内嵌力传感器74，力传感器74上放置软指指尖75，软指指尖与指尖连接件末端成过盈配合卡紧。力传感器74所带的信号线从走线槽76中穿过，并连接至采集设备。 自适应指尖关节前后面分别设有指尖关节限位块77，用以设定运动范围与自适应范围。

侧摆过渡连接座4内设置第一滑轮组8，包括第一下位滑轮81，将其靠于右侧的第一滑轮凸台82，并以第一滑轮插销83插入贯穿所述的第一下位滑轮与第一滑轮凸台配合固定。近指关节5内设置第二滑轮组9，包括第二下位滑轮91，将其靠于右侧的第二滑轮凸台92，并以第二滑轮插销93插入贯穿所述的第二滑轮与第二滑轮凸台配合固定。

近指关节5、中指关节6与自适应指尖关节7右侧分别装有角度传感器14，用以调节角度闭环，其中心与各关节轴右端配合。驱动时，第一腱绳一端绳结固定于近指关节固定杆53，另一端通过所述近指关节内第一上位滑轮55的外侧，并引入所述第一滑轮组中第一下位滑轮的内侧，形成s型路径，而后经由所述张力调节机构导向槽，连接至所述直线电机上，完成近指关节的驱动。第二腱绳一端绳结固定于中指关节固定杆63，另一端通过所述中指关节内第二上位滑轮65的外侧，并引入所述第二滑轮组中第二下位滑轮的内侧，形成s型路径，再经由所述近指关节轴的去耦合槽511中，通过所述第二滑轮插销93的过线孔，而后经由所述张力调节机构的导向槽，连接至所述直线电机上，完成中指关节的驱动。

本发明的面向灵活操作的自适应三指手，包括三根手指，每根手指包含4个关节，侧摆关节由旋转电机驱动，近指端由第一腱绳驱动，中指端由第二腱绳驱动，而远指端由抓取物体时所受力决定自适应调整。各手指关节均用扭簧回复腱绳进行控制。实现包络抓取时，由各关节直线电机独立驱动第一腱绳和第二腱绳，由于去耦合的处理，各关节间无相互干扰。并由角度传感器和期望位置实时反馈差值进行精准控制。实现捏取抓取与操作时，由指尖力传感器和期望力实时反馈插值，驱动笛卡尔空间的3维空间位置进行自适应抓取过程，由笛卡尔空间逆解机器人逆运动学得出关节位置，并由角度传感器实时反馈进行精准控制。

Claims (10)

1.一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，包括底座（1）及均布设置在底座（1）上的三个手指关节，所述手指关节包括侧摆关节（3）及弯曲关节组，所述侧摆关节（3）一端与所述底座（1）相连，另一端与弯曲关节组活动，所述弯曲关节组包括近指关节（5）、与近指关节（5）活动连接的中指关节（6）以及与中指关节（6）活动连接的自适应指尖关节（7）。

2.根据权利要求1所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述侧摆关节（3）包括摆动关节本体、旋转电机（13）、侧摆连接座（4），所述旋转电机（13）固定设置在底座（1）上，所述旋转电机（13）的输出轴与侧摆关节（3）相连，所述侧摆连接座（4）固定设置在摆动关节（3）上。

3.根据权利要求2所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述近指关节（5）包括近指关节本体、近指关节轴（51）、近指关节扭簧（52）、近指关节固定杆（53）、第一滑轮组（8）、第一腱绳（10）及直线电机（12）；所述近指关节（5）通过近指关节轴（51）与侧摆连接座（4）活动连接；所述指关节扭簧（52）设置在近指关节轴（51）上，所述近指关节固定杆（53）水平设置在近指关节（5）内，所述第一腱绳（10）一端绳结固定于近指关节固定杆（5），另一端通过绕过第一滑轮组（8）后与设置在侧摆关节（3）上直线电机（12）相连；所述近指关节轴（5）上设有去耦合槽孔（511），去耦合槽孔（511）包括通孔及通槽，所述通孔与通槽垂直方向设置，并相互连通。

4.根据权利要求3所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述中指关节（6）包括中指关节本体、中指关节轴（61）、中指关节扭簧（62）、中指关节固定杆（63）、第二滑轮组（9）、第二腱绳（11）及直线电机（12），所述中指关节（6）通过中指关节轴（61）与近指关节（5）活动连接，所述中指关节扭簧（62）设置在中指关节轴（61）上，所述中指关节固定杆（63）水平设置在中指关节（6）内，所述第二腱绳（11）一端绳结固定于中指关节固定杆（63），另一端通过绕过第二滑轮组（9）后与设置在侧摆关节（3）上直线电机（12）相连。

5.根据权利要求4所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述自适应指尖关节（7）包括指尖关节本体、指尖关节轴（71）、指尖关节扭簧（72），指尖连接件（73），指尖力传感器（74）及软指指尖（75），所述自适应指尖关节（7）通过指尖关节轴（71）与中指关节（6）活动连接，所述指尖关节扭簧（72）设置在指尖关节轴（71）上，所述指尖连接件（73）一端有长轴插入并贯穿自适应指尖背面，另一端内嵌力传感器（74），所述力传感器（74）上放置软指指尖（75），所述的软指指尖（75）与指尖连接件（73）末端卡紧。

6.根据权利要求4所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述侧摆连接座（4）上设有分别与第一腱绳（10）、第二腱绳（11）位置对应的张力调节机构（41），所述第一腱绳（10）及第二腱绳（11）分别穿过张力调节机构（41）后与对应的直线电机（12）相连，所述张力调节机构（41）包括导向装置（411）、微型轴承（412）调节螺杆（413）及固定螺母（414），所述微型轴承（412）设置在导向装置（411）内部，所述调节螺杆（413）通过微型轴承（412）与导向装置（411）相连，所述调节螺杆（413）配合设置在固定螺母（414）上，所述导向装置（411）一端设有用于腱绳穿设的导向槽。

7.根据权利要求3所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述第一滑轮组（8）包括第一上位滑轮（55）、第一下位滑轮（81）、第一滑轮凸台（82）及第一滑轮插销（83），所述第一上位滑轮（55）设置在近指关节（5）内的近指关节轴（51）上，所述第一下位滑轮（81）设置在侧摆过渡连接座（4）内，第一滑轮凸台（82）设置侧摆过渡连接座（4）侧壁上，所述第一下位滑轮（81）设置在第一滑轮凸台（82）上，并以第一滑轮插销（83）插入贯穿所述的第一下位滑轮（81）与第一滑轮凸台（82）配合固定。

8.根据权利要求4所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述第二滑轮组（9），包括第二上位滑轮（65）、第二下位滑轮（91）、第二滑轮凸台（92）及第二滑轮插销（93），所述第二上位滑轮（65）设在中指关节（6）内的中指关节轴（61）上，所述第二下位滑轮（91）设置在近指关节（5）内，所述第二滑轮凸台（92）设置在近指关节（5）内壁上，所述第二下位滑轮（91）以第二滑轮插销（93）插入贯穿所述的第二下位滑轮（91）与第二滑轮凸台（92）配合固定。

9.根据权利要求5所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述近指关节（5）背侧设有近指关节限位台（54）、中指关节（65）背侧设有中指关节限位台（64）、自适应指尖关节（7）背侧设有指尖关节限位块（77）。

10.根据权利要求1所述的一种面向灵活操作的自适应三指手，其特征在于，所述近指关节（5）、中指关节（6）以及自适应指尖关节（7）上均设有角度传感器（14）。

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