CN117047810A - 一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，解决了现有多连杆式灵巧手机构自由度少，不能完全模拟人手运动方式和柔索传动式灵巧手精度低、负载能力小等问题。本发明的五指仿人灵巧手包含两种手指，其中大拇指和食指为全驱动手指，中指、无名指和小拇指为欠驱动手指。两个全驱动手指用于灵巧操作，可实现两指转动、捏等动作，三个欠驱动手指用于大握力抓持，满足人手操作需求的同时减小了整体重量。驱动器和电机丝杠驱动组件分别安装在手掌背部和掌心，手指均为连杆结构，具有多个限位结构，结构负载能力大且可靠性高。手指指尖和手掌掌心贴有电子皮肤，具备对被抓取物体和外部环境的感知能力。

Description

一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手

技术领域

本发明涉及一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，属于机器人领域。

背景技术

随着智能技术和仿生技术的发展，仿人型智能机器人逐渐成为重点研究对象。仿人型智能机器人具有灵活的操作能力、灵敏的对外感知能力以及局部的自主规划能力，能够广泛应用于海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业。

作为仿人型智能机器人的末端执行机构，机器人灵巧手具有类似人手的功能结构和对外感知能力。类似人手的功能结构(外形尺寸、手指结构及手指间的位置关系都同人手类似)保证了灵巧手具有灵巧操作能力强、人机交互性好、适用于遥操作等优点。灵敏的对外感知能力(如位置/力检测、视觉、温度觉以及触/滑觉等的采用)保证了灵巧手的指尖接触力及关节位置可以被精确感知，能够实现对物体的精确位置控制和力控制。

近年来，随着空间科学与技术的蓬勃发展以及人类对于太空探索的不断深入，空间活动的复杂性和多样性也急剧增长。航天员作为空间探测活动的直接参与者，需要完成大量的舱外操作任务。然而，复杂多变的空间环境为宇航员执行舱外操作任务造成了巨大的障碍。保障宇航员出舱活动的相关技术仍不成熟使宇航员执行舱外操作任务时可能面临着生命危险；载人航天技术和出舱活动相关技术的大量科研经费给国家带来了巨大的经济负担；宇航员出舱活动前长时间的准备工作不利于紧急空间任务的执行。为了解决上述问题，部分国家相继展开了空间灵巧手的研究工作，并取得了一定的成果。空间灵巧手具有较强的灵巧操作能力和较好的空间环境适应性，可以有效代替宇航员执行舱外操作任务。空间灵巧手的研制对于我国空间探索事业的发展有着重要的现实意义和战略意义。

由于现有技术水平的限制，将所有的驱动系统集成于人手大小的灵巧手内仍是一个极具挑战性的难题。目前，采用腱绳驱动的形式将驱动系统放置于灵巧手外部是一种较为常见的设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提出一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，具有两个用于灵巧操作的可侧摆三自由度全驱手指和三个用于稳定抓握的单自由度平面内弯曲手指，两种手指均基于连杆结构设计，以实现稳定握持能力和灵巧精细操作能力，具有精度高，负载能力强等特点。

本发明所采用的技术方案是：一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，包括：五个手指、安装基座和驱动器；

其中，大拇指和食指均为三自由度全驱动手指，分别由电机丝杠组件驱动实现绕转轴侧摆和在平面内弯曲，大拇指和食指在同一安装平面内，大拇指和食指的安装夹角为α；中指、无名指和小拇指均为单自由度欠驱动手指，由电机丝杠组件驱动实现在平面内弯曲；

安装基座包括大拇指安装框架和四指安装框架；食指、中指、无名指和小拇指的电机丝杠组件并排安装在四指安装框架中，大拇指的电机丝杠组件安装在大拇指安装框架中；

驱动器安装在四指安装框架的背面，用于驱动电机丝杠组件。

进一步的，所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，还包括手掌掌心支撑框，为镂空凸起结构，表面贴附软性材料并粘贴电子皮肤，在抓握过程中，手掌掌心支撑框与弯曲的各手指构成对被抓物体的包络抓取和对抓握力的感知。

进一步的，所述五个手指分别通过电机丝杠组件的电机后端的增量编码器和设置在电机丝杠组件的推杆上的限位结构实现增量控制；以推杆到达结构限位为零位，利用增量编码器计算各电机丝杆组件的推杆的位置和各弯曲关节的旋转角度。

进一步的，每根手指的手指指尖分布有电子皮肤，用于检测手指接触力。

进一步的，所述驱动器检测电子皮肤和增量编码器的信号，根据电子皮肤和增量编码器的信号，分别为各个电机丝杆组件的电机提供驱动电流。

进一步的，所述单自由度欠驱动手指包括第四电机丝杠组件、手指驱动杆和连杆结构；第四电机丝杠组件的输出推杆连接手指驱动杆，手指驱动杆通过连杆结构和销轴连接手指指尖，形成第一指节、第二指节和指节间的弯曲关节，第四电机丝杠组件通过手指驱动杆驱动连杆结构，使得第一指节、第二指节和手指指尖通过指节间的弯曲关节实现平面内弯曲。

进一步的，所述三自由度全驱动手指，包括第一电机丝杠组件、第二电机丝杠组件、第三电机丝杠组件、支架、旋转轴、第一关节轴承组件、第二关节轴承组件、第三关节轴承组件、连杆结构和手指指尖；

第一电机丝杠组件、第二电机丝杠组件、第三电机丝杠组件的输出推杆分别连接第一关节轴承组件、第二关节轴承组件、第三关节轴承组件，并通过支架支撑，旋转轴安装在支架的支出杆的末端；手指指尖通过连杆结构和销轴分别与旋转轴、第一关节轴承组件、第二关节轴承组件、第三关节轴承组件连接，形成第一弯曲关节、第二弯曲关节和第三弯曲关节；

所述第一电机丝杠组件和第二电机丝杠组件的推杆同步向前或向后时，通过第一关节轴承组件、第二关节轴承组件带动连杆结构控制所述三自由度全驱动手指绕第一弯曲关节旋转；

所述第一电机丝杠组件和第二电机丝杠组件的两个推杆分别向前和向后反向运动时，实现所述三自由度全驱动手指绕旋转轴侧向摆动；

所述第三电机丝杠组件的推杆前后运动，通过第三关节轴承组件带动连杆结构实现第二弯曲关节和第三弯曲关节在平面内的弯曲耦合运动。

进一步的，所述第一弯曲关节、第二弯曲关节和第三弯曲关节的运动范围分别为-10°～105°、0°～95°和0°～90°，所述三自由度全驱动手指的侧摆范围为-30°～30°。

进一步的，当大拇指和食指分别向相反方向偏转时，所述五指仿人灵巧手能够实现旋拧的动作。

进一步的，所述连杆结构上设置零位限位结构，避免过载使连杆结构出现过死点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的多功能五指仿人灵巧手包含两种手指，其中大拇指和食指为全驱动手指，中指、无名指和小拇指为欠驱动手指。两个全驱动手指用于灵巧操作，可实现两指转动、捏等动作，三个欠驱动手指用于大握力抓持。满足人手操作需求，并且减小整体重量。

(2)本发明的驱动器和电机丝杠驱动组件安装在手掌背部和掌心，手指均为连杆结构，具有多个限位结构，结构的负载能力大和可靠性高。且关节处无需安装绝对位置传感器，减少了电线数量。

(3)本发明的手掌掌心为镂空圆弧型结构，可以与手指配合实现物体包络抓取，并且手指可以从镂空处伸出，实现最大程度的弯曲，以增大可抓取物体的尺寸范围。

附图说明

图1为本发明的灵巧手结构图；

图2为本发明的灵巧手的手掌角度结构图2；

图3为本发明的灵巧手手指运动关节示意图；

图4为本发明的灵巧手包络抓取示意图a；

图5为本发明的灵巧手包络抓取示意图b；

图6为本发明的灵巧手精细操作示意图；

图7为本发明的灵巧手手掌内侧支撑结构图；

图8(a)为三自由度全驱动手指结构图一；

图8(b)为三自由度全驱动手指结构图二；

图9为单自由度欠驱动手指结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，包括：

如图1和图2所示，为灵巧手结构，其中大拇指10和食指20均为三自由度全驱动手指，大拇指10和食指20位于同一安装平面，伸直状态下，有一固定夹角(夹角30°)，具备侧摆和平面内弯曲能力，由于灵巧精细操作；中指30、无名指40和小拇指50均为平面内弯曲单自由度欠驱动手指，在手掌上并排布局，用于稳定抓握，手指指尖贴有电子皮肤，所有电机均安装在手掌掌心处，驱动器15安装在手背上，检测电子皮肤和电机增量编码器信号，提供驱动电机的电流。五个手指均由电机丝杠提供动力驱动，电机丝杠位于手掌掌心处。

如图3所示为两种手指的各关节，三自由度全驱动手指具有四个旋转关节，三个为平面内的俯仰关节，一个为侧摆关节；单自由度欠驱动手指具有三个能够实现平面内旋转的旋转关节。

如图4和图5所示，是灵巧手的包络抓取功能。图6为本发明的灵巧手精细操作示意图。

如图7所示，为手掌掌心支撑框16，镂空凸起结构，表面贴附软性材料。手掌内侧设计镂空凸起结构，与弯曲的手指构成对被抓物体的包络抓取，镂空部分可以使手指弯曲时具有更大的运动范围，以抓取更小的物体。

如图9所示，单自由度欠驱动手指的第一组四连杆机构，包括手指支架306、第一指节第一连杆301、第一指节第二连杆308、第二指节第一连杆302，手指支架306固定，第四电机丝杠组件304的丝杠通过手指驱动杆307驱动第一指节第一连杆301，作为第一组四连杆机构的动力输入，第一组四连杆机构的动力输出为第二指节第一连杆302。单自由度欠驱动手指的第二组四连杆机构，包括第二指节第一连杆302、第三指节303(手指指尖)、第二指节第二连杆309、第一指节第一连杆301，当第一指节第一连杆301和第二指节第一连杆302之间发生相对位置变化时，手指第三指节303为动力输出。第一指节第一连杆301为弯折杆，第一指节第一连杆301一端与手指驱动杆307通过销轴连接，另一端设置两个安装孔(即位于最末端的安装孔e和与安装孔e间隔一定距离的安装孔f)，弯折点处设置安装孔g，第一指节第一连杆301通过安装孔g和销轴安装在手指支架306上，通过安装孔f和销轴与第二指节第一连杆302一端连接，第二指节第一连杆302另一端通过销轴连接第三指节303；第一指节第二连杆308两端分别通过销轴与手指支架306和第二指节第一连杆302一端连接，第二指节第二连杆309两端分别通过销轴与第一指节第一连杆301的安装孔e和第三指节303连接。

如图8(a)、图8(b)所示，三自由度全驱动手指，包括第一电机丝杠组件1、第二电机丝杠组件2、第三电机丝杠组件3、支架4、旋转轴8、第一关节轴承组件5、第二关节轴承组件6、第三关节轴承组件7、连杆结构、手指指尖13。支架4安装在四指安装框架或大拇指安装框架上。

第一电机丝杠组件1、第二电机丝杠组件2、第三电机丝杠组件3的外壳分别安装在固定支基座中，输出推杆分别连接第一关节轴承组件5、第二关节轴承组件6、第三关节轴承组件7。

关节轴承组件包括一个内螺纹杆端关节轴承和一个外螺纹杆端关节轴承以及一个锁紧螺母，通过锁紧螺母将两个调整好中心距的两个关节轴承固定，实现两个球副的连接，用于丝杠推杆差动时实现手指侧摆功能。

三自由度全驱动手指具有三个自由度，一个摆动自由度，两个独立的平面内弯曲自由度。手指根部弯曲关节和侧摆关节通过一组并联球铰多连杆结构实现，由第一电机丝杠组件1和第二电机丝杠组件2驱动；手指平面内的另两个弯曲关节为一个单自由度耦合多连杆机构，由第三电机丝杠组件3驱动。所述第一弯曲关节9、第二弯曲关节11和第三弯曲关节12的运动范围分别为-10°～105°、0°～95°和0°～90°，所述三自由度全驱动手指的侧摆范围为-30°～30°。

第一电机丝杠组件1、第二电机丝杠组件2、第三电机丝杠组件3安装在L形的支架4上，旋转轴8安装在支架4的支出杆的末端，旋转轴8通过销轴分别与第一连杆31a和第二连杆31b的一端(设置安装孔a)转动连接，形成第一弯曲关节9；第一连杆31a和第二连杆31b的结构相同，均为弯折杆，第一连杆31a和第二连杆31b的另一端设置两个安装孔(即位于最末端的安装孔b和与安装孔b间隔一定距离的安装孔c)，弯折点处设置安装孔d，第一连杆31a和第二连杆31b平行安装；第五连杆34为三角形，三个角上分别设置一个安装孔；第三关节轴承组件7一端与第三电机丝杠组件3的推杆转动连接，另一端与V形的第三连杆32的一端通过销轴转动连接，第三连杆32另一端通过销轴与第四连杆33的一端连接，第四连杆33的另一端通过销轴与第五连杆34的其中一个安装孔转动连接；第一关节轴承组件5、第二关节轴承组件6的一端分别与第一电机丝杠组件1、第二电机丝杠组件2的推杆转动连接，销钉10依次穿过第一关节轴承组件5另一端的关节轴承、第一连杆31a的安装孔d、第三连杆32尖端的安装孔、第二连杆31b的安装孔d及第二关节轴承组件6另一端的关节轴承；第六连杆35a和第七连杆35b结构相同，均为T形杆；第八连杆36一端通过销轴分别与第一连杆31a和第二连杆31b的安装孔b转动连接，第八连杆36另一端通过销轴连接手指指尖13；销钉依次穿过第六连杆35a一端的安装孔、第一连杆31a上的安装孔c、第五连杆34上的第二个安装孔、第二连杆31b上的安装孔c和第七连杆35b一端的安装孔，形成转动副；第六连杆35a和第七连杆35b侧面的支杆端部孔通过销轴与第五连杆34上的第三个安装孔连接；第六连杆35a和第七连杆35b的另一端分别通过销轴与手指指尖13上的另一个安装孔转动连接。第五连杆34位置处的多个转动副形成第二弯曲关节11，第八连杆36、第六连杆35a、第七连杆35b及指尖13之间的转动副形成第三弯曲关节12。

三个自由度依靠电机丝杠推杆和关节轴承组件来实现，第一电机丝杠组件1和第二电机丝杠组件2的两个推杆同步向前和向后可以控制一个平面内旋转自由度，绕第一弯曲关节9旋转，两个推杆一个向前一个向后运动，可以实现手指侧向摆动。侧摆自由度通过绕旋转轴8转动实现。即：第一电机丝杠组件1的推杆和第二电机丝杠组件2的推杆分别通过第一关节轴承组件5、第二关节轴承组件6和销轴同时向前推动或向后拉动第一连杆31a和第二连杆31b，使第一指节绕第一弯曲关节9转动；第一电机丝杠组件1的推杆和第二电机丝杠组件2的推杆分别向前后两个相反方向推拉，可使第一、第二指节和指尖13，绕旋转轴8转动，实现手指的侧向摆动。

第三电机丝杠组件3的推杆前后运动实现平面内的另一个独立弯曲自由度。假设第一电机丝杠组件1的推杆和第二电机丝杠组件2的推杆固定不动，第三连杆32、第四连杆33、第五连杆34和第一连杆31a、第二连杆31b为一组四连杆机构，第三电机丝杠组件3的推杆连接的第三连杆32作为动力输入，第五连杆34作为动力输出，第五连杆34与第六连杆35a、第七连杆35b连接，进而驱动第六连杆35a和第七连杆35b转动；第一连杆31a、第二连杆31b、第六连杆35a、第七连杆35b、第八连杆36和指尖13为一组四连杆机构，第六连杆35a和第七连杆35b作为动力输入，手指尖13作为动力输出。因此第三电机丝杠组件3的推杆控制了两组四连杆机构，实现第二弯曲关节11和第三弯曲关节12的耦合运动。

当大拇指10和食指20分别向相反方向偏转时，所述五指仿人灵巧手能够实现旋拧的动作。

手指关节处无需安装位置传感器，电机和丝杠无需安装绝对位置传感器。可以最大程度优化结构尺寸，减少线缆数量。

手指依靠电机后端的增量编码器和推杆的限位结构实现增量控制。手指上电后，以小电流控制电机丝杠，使推杆到达结构限位，以此为零位，利用电机尾端的增量，增量编码器计算丝杠推杆的位置和手指各关节的旋转角度。

手指连杆结构上设计有零位限位结构，避免过载使结构出现过死点的可能，并且降低结构因超载而产生的变形，提高结构刚度和负载能力。

每根手指的手指指尖和手掌掌心分布有电子皮肤，检测手指接触力和灵巧手的抓握力。

手指内侧、手指尖及手掌内部凸起结构表面粘贴橡胶，以增加灵巧手与物体接触的稳定性。本发明的手指长度、宽度和手掌尺寸均与人手尺度相当。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，包括：五个手指、安装基座(14)和驱动器(15)；

其中，大拇指(10)和食指(20)均为三自由度全驱动手指，分别由电机丝杠组件驱动实现绕转轴侧摆和在平面内弯曲，大拇指(10)和食指(20)在同一安装平面内，大拇指(10)和食指(20)的安装夹角为α；中指(30)、无名指(40)和小拇指(50)均为单自由度欠驱动手指，由电机丝杠组件驱动实现在平面内弯曲；

安装基座(14)包括大拇指安装框架和四指安装框架；食指(20)、中指(30)、无名指(40)和小拇指(50)的电机丝杠组件并排安装在四指安装框架中，大拇指(50)的电机丝杠组件安装在大拇指安装框架中；

驱动器(15)安装在四指安装框架的背面，用于驱动电机丝杠组件。

2.根据权利要求1所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，还包括手掌掌心支撑框(16)，为镂空凸起结构，表面贴附软性材料并粘贴电子皮肤，在抓握过程中，手掌掌心支撑框(16)与弯曲的各手指构成对被抓物体的包络抓取和对抓握力的感知。

3.根据权利要求1所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述五个手指分别通过电机丝杠组件的电机后端的增量编码器和设置在电机丝杠组件的推杆上的限位结构实现增量控制；以推杆到达结构限位为零位，利用增量编码器计算各电机丝杆组件的推杆的位置和各弯曲关节的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，每根手指的手指指尖分布有电子皮肤，用于检测手指接触力。

5.根据权利要求4所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述驱动器(16)检测电子皮肤和增量编码器的信号，根据电子皮肤和增量编码器的信号，分别为各个电机丝杆组件的电机提供驱动电流。

6.根据权利要求1所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述单自由度欠驱动手指包括第四电机丝杠组件(304)、手指驱动杆(307)和连杆结构；第四电机丝杠组件(307)的输出推杆连接手指驱动杆(307)，手指驱动杆(307)通过连杆结构和销轴连接手指指尖，形成第一指节、第二指节和指节间的弯曲关节，第四电机丝杠组件(307)通过手指驱动杆(307)驱动连杆结构，使得第一指节、第二指节和手指指尖通过指节间的弯曲关节实现平面内弯曲。

7.根据权利要求1所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述三自由度全驱动手指，包括第一电机丝杠组件(1)、第二电机丝杠组件(2)、第三电机丝杠组件(3)、支架(4)、旋转轴(8)、第一关节轴承组件(5)、第二关节轴承组件(6)、第三关节轴承组件(7)、连杆结构和手指指尖(13)；

第一电机丝杠组件(1)、第二电机丝杠组件(2)、第三电机丝杠组件(3)的输出推杆分别连接第一关节轴承组件(5)、第二关节轴承组件(6)、第三关节轴承组件(7)，并通过支架(4)支撑，旋转轴(8)安装在支架(4)的支出杆的末端；手指指尖(13)通过连杆结构和销轴分别与旋转轴(8)、第一关节轴承组件(5)、第二关节轴承组件(6)、第三关节轴承组件(7)连接，形成第一弯曲关节(9)、第二弯曲关节(11)和第三弯曲关节(12)；

所述第一电机丝杠组件(1)和第二电机丝杠组件(2)的推杆同步向前或向后时，通过第一关节轴承组件(5)、第二关节轴承组件(6)带动连杆结构控制所述三自由度全驱动手指绕第一弯曲关节(9)旋转；

所述第一电机丝杠组件(1)和第二电机丝杠组件(2)的两个推杆分别向前和向后反向运动时，实现所述三自由度全驱动手指绕旋转轴(8)侧向摆动；

所述第三电机丝杠组件(3)的推杆前后运动，通过第三关节轴承组件(7)带动连杆结构实现第二弯曲关节(11)和第三弯曲关节(12)在平面内的弯曲耦合运动。

8.根据权利要求7所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述第一弯曲关节(9)、第二弯曲关节(11)和第三弯曲关节(12)的运动范围分别为-10°～105°、0°～95°和0°～90°，所述三自由度全驱动手指的侧摆范围为-30°～30°。

9.根据权利要求8所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，当大拇指(10)和食指(20)分别向相反方向偏转时，所述五指仿人灵巧手能够实现旋拧的动作。

10.根据权利要求6或7所述的一种驱传控高度集成多功能五指仿人灵巧手，其特征在于，所述连杆结构上设置零位限位结构，避免过载使连杆结构出现过死点。