CN102363302B - 一种单电机驱动的仿人灵巧手装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种单电机驱动的仿人灵巧手装置。该装置主要依靠四个具有形状自适应功能的欠驱动结构手指和安装在手掌内的单电机驱动多指运动的传动单元进行抓取。由一个电机驱动，通过与每个手指都相连的传动单元传递运动和力，从而使手指弯曲，实现抓取动作。此灵巧手由拇指、食指、中指、小指和一个手掌组成，一共12个关节自由度，四个手指结构相同，大小不同。该装置设计紧凑，集成度高，抓取灵活、稳定。由于使用了欠驱动结构，控制难度降低，该装置可以采用模块化设计、结构集成度高，零件通用性强，制造维修成本低；材料选用高强度树脂，重量轻，抓取可靠。

Description

一种单电机驱动的仿人灵巧手装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，涉及一种单电机驱动的仿人灵巧手装置。

背景技术

拟人机器人的多数功能需要通过手部操作来实现，手部机构研究是拟人机器人研究的重要组成部分，其设计是拟人机器人技术的关键技术之一。随着技术的进步，人们希望机械手更加拟人化，这就需要增加机械手的自由度，但是为了控制手部的体积和重量以及降低拟人机器人手部的控制难度，就要减少驱动器数目，这两者有一定矛盾，而具有形状自适应功能的欠驱动装置正好可以解决这一矛盾。所谓欠驱动机构是指独立驱动器数目少于自由度数目的机构，欠驱动结构手指比纯主动驱动的多关节手指更有优势，它能够自动适应物体的形状和尺寸大小，达到自适应抓取的目的，具有形状自适应功能的欠驱动灵巧手有较多关节自由度，较少驱动器数目，在抓取不同形状、尺寸的物体时具有更强的适应性，同时也降低了对控制***的要求。

美国发明专利US5762390，包括三关节的手指、电机、带轮传动机构、丝杠传动机构、底座、连杆机构、弹簧。该专利手指两关节之间、关节与底座串联在一起，中间设有弹簧，形成3个相连的四连杆机构，电机、带轮、带轮传动机构、丝杠传动机构安装在底座里。该装置由电机驱动，通过带轮、丝杠传动机构把电机转动转化为连杆机构的运动。

该装置不足之处：实现手指指节依次转动的多个四连杆机构复杂、制造成本高；四连杆设计的手指不适合在拟人机器人上使用。

中国发明专利CN101234489A介绍了一种带轮式的欠驱动机械手指装置，主要包括基座、电机、近关节轴、带轮传动机构、中部指端、远关节轴、末端指端和弹簧。电机通过带轮传动机构驱动手指转动，当某指段碰到物体不能转动时，其他指段仍可以绕关节轴的中心线转动，从而实现多关节手指弯曲包络抓取物体的过程。

该装置不足之处：每个手指分别由一个电机驱动，这使得手指尺寸过大，外观与人手有很大差别。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种单电机驱动的仿人灵巧手装置。

本发明技术方案如下：本发明所述的一种单电机驱动的仿人灵巧手装置，包括四个手指、手掌、传动单元、驱动单元、手掌盖。所述的四个手指为拇指、食指、中指和小指；所述的手掌为外形参考人手设计的中空壳体，拇指与另外三个手指模拟人手布置在手掌上；所述的传动单元安装在手掌内部，所述的驱动单元为直流电机。

所述的四个手指结构相同，大小不同。以食指为例，包括近关节、近关节盖、近关节销轴、近关节套筒、近关节扭簧、中关节、中关节盖、中关节销轴、中关节套筒、中关节扭簧、远关节、远关节盖、远关节销轴、远关节套筒、远关节扭簧。关节与对应关节盖通过螺钉相连，在每个关节盖上设有柔性绳索可穿过的通孔；手掌与近关节、近关节与中关节、中关节与远关节分别通过销轴相连，销轴上套有套筒，套筒上套有扭簧，扭簧两端分别固定在相连接的两个关节上，其中手掌与近关节连接处，扭簧一端固定在手掌上，一端固定在近关节上。

所述的传动单元安装在手掌内部，包括拇指食指传动单元、中指小指传动单元、电机传动单元。电机传动单元安装在内底板中间，拇指食指传动单元、中指小指传动单元分别安装在内底板的左边和右边，内底板固定在手掌内部。

拇指食指传动单元由拇指导向轮、食指导向轮、第一导轨动滑轮组成，中指小指传动单元由中指导向轮、小指导向轮、第二导轨动滑轮组成，电机传动单元由电机导向轮和第三导轨动滑轮组成；拇指导向轮、食指导向轮、中指导向轮、小指导向轮分别根据人手手指位置用螺钉安装在内底板上；在拇指导向轮与第一导轨动滑轮之间，中指导向轮与第二导轨动滑轮之间，小指导向轮与第二导轨动滑轮之间，第一导轨动滑轮与第三导轨动滑轮之间，第二导轨动滑轮与第三导轨动滑轮之间分别安装有一定数量的定滑轮。

拇指导向轮、食指导向轮、中指导向轮、小指导向轮和电机导向轮完全相同，由导向轮支座、上销轴、下销轴、导向轮套筒、导向轮带轮组成，导向轮带轮套在上销轴上，导向轮套筒套在下销轴上，之间都为间隙配合；第一导轨动滑轮、第二导轨动滑轮、第三导轨动滑轮结构相同，只是导轨长度不同，由第一导轨支座、第二导轨支座、上圆柱销、下圆柱销、动滑轮滑块和动滑轮带轮组成，动滑轮滑块套在两圆柱销上，可顺畅滑动，动滑轮滑块与两圆柱销之间为间隙配合，动滑轮带轮套在动滑轮滑块上的突出圆柱上；第一导轨动滑轮中的导轨长度应大于拇指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与食指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第二导轨动滑轮中的导轨长度应大于中指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与小指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第三导轨动滑轮中的导轨长度应大于第一导轨动滑中的导轨长度与第二导轨动滑轮中的导轨长度和的二分之一；所述定滑轮都相同，通过定滑轮销钉固定的内底板上；导向轮套筒与导向轮带轮中心水平面、定滑轮带轮中心水平面、动滑轮带轮中心水平面在同一水平面上。在关节与关节连接处的内侧面安装有第一限位开关，在关节与关节连接处的背面安装有第二限位开关。

所述的驱动单元为一直流电机，通过电机支架用螺钉固定在手掌内部，驱动单元在传动单元的上部。

所述的手掌盖通过螺钉固定在手掌上，并且在手掌盖上装有压力传感器。

本发明具有以下优点及突出性效果：

该装置具有4个手指和12个关节自由度，由一个电机驱动，通过手掌内的单电机驱动多指结构与腱绳式欠驱动结构的四个手指相连，实现了原来需要4-5个驱动电机才能完成的拟人抓取。该装置的4个手指结构相同，拇指只是大小不同，采用模块化设计、结构集成度高，零件通用性强，制造维修成本低；材料选用高强度树脂，重量轻，抓取可靠；手指及手掌采用快速原型技术加工，周期短，精度高。该装置结构紧凑、体积小、形态与人手相似、由于采用了欠驱动结构手指，灵巧手可以自动适应各种形状、尺寸的物体抓取，并且对控制***要求低。该装置可以使用设计好的接口与手臂直接相连，作为拟人机器人的末端操作器，既可以用在一些特殊功能的机器人上，也可以应用到辅助残疾人生活的医疗机械上。

附图说明

图1是本发明提供的一种单电机驱动的仿人灵巧手装置手指的正面外观图；

图2是图1的左侧视图；

图3是图2的中间剖视图；

图4是图1在B—B处剖视图；

图5（a）是手指自适应抓取第一状态图；

图5（b）是手指自适应抓取第二状态；

图5（c）是手指自适应抓取第三状态图；

图6（a）是手指精确捏取第一状态图；

图6（b）是手指精确捏取第二状态图；

图6（c）是手指精确捏取第三状态图；

图6（d）是手指精确捏取第四状态图；

图7是动滑轮结构工作原理图；

图8是图7中当柔性绳索两端自由时的正视图；

图9是图7中当柔性绳索一端固定时的正视图；

图10是手掌内传动单元示意图；

图11是导向轮示意图；

图12是导轨动滑轮示意图；

图13是定滑轮带轮示意图；

图14是整个灵巧手的工作原理示意图；

图15是电机和电机支架示意图；

图16是手掌盖和传感器示意图；

图17是灵巧手抓取正视图；

图18是图17的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及的一种单电机驱动的仿人灵巧手装置，下面结合附图说明本发明具体结构及工作原理：

欠驱动手指工作原理：四个手指参照人手设计，结构完全相同，拇指只是大小不同，如图1、图2所示：手指由近关节8、中关节13和远关节18三关节组成，每个关节都对应有关节盖，关节与关节盖通过螺钉相连，在每个关节盖上设有柔性绳索可以穿过的通孔。关节与关节通过销轴相连，销轴上套有套筒11、16、21，套筒外套有扭簧12、17，扭簧两端分别固定在相连的两个关节上。如图3所示，使用一根柔性绳索，一端固定在远关节盖19上，另一端依次穿过中关节盖14、近关节盖9上的通孔，当拉动柔性绳索另一端时，由于所使用的三个扭簧刚度各不相同，手指就会模拟人手的弯曲动作，并在柔性绳索失去动力时，手指在扭簧恢复力作用下回到初始状态。

欠驱动灵巧手既能实现自适应抓取，也可以实现精确捏取。自适应抓取如图5（a）图5（b）图5（c）所示：灵巧手在抓取物体的过程中，如果手指的近关节8先接触到物体60，其运动就会受到限制，此时由于远关节扭簧22的作用，手指的中关节13、远关节18将以刚体的形式绕中关节销轴15转动，直到中关节13接触到物体60；电机继续转动，带动远关节18绕远关节销轴20转动，直到远关节18也接触到物体60，最终3个关节都接触到物体60，这就是自适应抓取。精确捏取：如图6（a）图6（b）图6（c）图6（d）所示灵巧手捏取小物体61，在抓取过程中，三个关节在预弯曲一个小的角度后，近关节8和中关节13都未先接触到小物体，这时，整个手指将以刚体的形式绕近关节销轴10转动，直到远关节18接触到小物体61停止弯曲，这就是精确捏取。

四个手指能够由一个电机驱动主要取决于手掌内的传动单元，即三个导轨动滑轮结构，导轨动滑轮可以简化为如图7所示的动滑轮结构，其工作原理是：动滑轮50可以沿导轨51做直线运动，也可以绕自身轴转动。在如图8所示的第一种情况下，被动柔性绳索52套在动滑轮50上，当被动柔性绳索52两端A、B自由时，拉动主动柔性绳索53，动滑轮50将会沿着导轨51作直线移动，而不绕自身转动，结果是动滑轮50带着被动柔性绳索52一起运动，并且A、B两端运动速度相同，且与动滑轮50移动速度也相同；在如图9所示的第二种情况下，当被动柔性绳索52一端（如A端）固定时，拉动主动柔性绳索53，动滑轮50不仅沿导轨51作直线移动还绕自身轴转动，且被动柔性绳索52另一端（B端）以2倍于动滑轮50的速度移动。

手掌内的传动单元如图10所示，拇指食指传动单元位于内底板23左侧，拇指食指传动单元由拇指导向轮、食指导向轮25、第一导轨动滑轮组成；第一柔性绳索54用于使拇指3和食指4弯曲，它的两端分别固定在拇指3和食指4的远关节盖上，中间套在第一导轨动滑轮26的动滑轮带轮上；中指小指传动单元位于内底板23右侧，第二柔性绳索55用于使中指5和小指6弯曲，它的两端分别固定在中指5和小指6的远关节盖上，中间套在第二导轨动滑轮29的动滑轮带轮上；电机传动单元位于内底板23中间，第三柔性绳索56用于连接拇指食指传动单元和中指小指传动单元，它的两端分别固定在第一导轨动滑轮26、第二导轨动滑轮29的动滑轮滑块上，中间套在第三导轨动滑轮31的动滑轮带轮上；第四柔性绳索57用于传递直流电机7的运动，它一端与直流电机7相连，另一端固定在第三导轨动滑轮31的动滑轮滑块上；由于手掌内部空间比较小，在拇指导向轮24与第一导轨动滑轮26之间，中指导向轮27、小指导向轮28与第二导轨动滑轮29之间，第一导轨动滑轮26、第二导轨动滑轮29与第三导轨动滑轮31之间分别安装有一定数量的定滑轮32，用它来改变柔性绳索方向或保证柔性绳索移动顺畅。第一导轨动滑轮26中的导轨长度应大于拇指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与食指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第二导轨动滑轮29中的导轨长度应大于中指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与小指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第三导轨动滑轮31中的导轨长度应大于第一导轨动滑轮26中的导轨长度与第二导轨动滑轮29中的导轨长度和的二分之一。如图11、图12、图13所示为导向轮、导轨动滑轮、定滑轮结构，拇指导向轮、食指导向轮、中指导向轮、小指导向轮和电机导向轮30完全相同，如图11，由导向轮支座33、上销轴34、下销轴35、导向轮套筒36、导向轮带轮37组成，导向轮带轮套在上销轴上，导向轮套筒套在下销轴上，之间都为间隙配合；第一导轨动滑轮、第二导轨动滑轮、第三导轨动滑轮结构相同，只是导轨长度不同，由第一导轨支座38、第二导轨支座39、上圆柱销40、下圆柱销41、动滑轮滑块42和动滑轮带轮43组成。定滑轮都相同，如图13，通过定滑轮销钉44固定的内底板上。

整个灵巧手的工作原理如图14所示：直流电机7带动手掌内的传动单元运动，从而带动连接的手指弯曲，手指在弯曲过程中受到摩擦力、弹簧变形引起的扭簧力以及抓取物体时受到的物体阻力，传动单元将会时刻自动调整手指的运动；当一个手指碰到物体时，这个手指不能继续弯曲，而其余手指仍可继续弯曲，两个手指，三个手指，直到所有的手指都接触到物体不能弯曲，灵巧手完成对物体的抓取。如图17、图18所示，当灵巧手抓住物体，物体压在压力传感器46上时，压力传感器46会将压力的改变转变为电信号的改变，从而控制直线电机7停止转动，压力传感器46如图16所示安装在手掌上。如图15、图16所示为电机支架45与直流电机7、手掌盖2与压力传感器46的结构。

如图4所示，为了防止灵巧手在未抓到物体情况下，四个手指都达到最大弯曲位置而直流电机7仍继续转动，从而把柔性绳索拉断，在每个手指的关节与关节连接处内侧面安装有第一限位开关58，各限位开关以串联形式连接，当四个手指都达到最大弯曲位置时，所有限位开关闭合，电路由开路变通路，电机停转。灵巧手抓取物体后，要放开物体准备下次抓取，此时电机反转，手指会在各关节轴处扭簧恢复力作用下向初始状态返回，为了防止手指回到初始状态后电机仍继续转动，而使柔性绳索松弛脱离定滑轮、导向轮或导轨动滑轮，在每个手指的远关节背面安装有第二限位开关59，如图3所示，各限位开关以串联形式连接，当所有手指都恢复到初始位置时，所有限位开关都闭合，电路由开路变通路，电机停转。

Claims (1)

1.一种单电机驱动的仿人灵巧手装置，包括四个手指、手掌、传动单元、驱动单元和手掌盖；所述的四个手指为拇指、食指、中指和小指；所述的手掌为外形参考人手设计的中空壳体，拇指与另外三个手指模拟人手布置在手掌上；所述的传动单元安装在手掌内部，所述的驱动单元为直流电机，其特征在于：所述的四个手指结构相同，大小不同，每个手指包括近关节、近关节盖、近关节销轴、近关节套筒、近关节扭簧、中关节、中关节盖、中关节销轴、中关节套筒、中关节扭簧、远关节、远关节盖、远关节销轴、远关节套筒和远关节扭簧，关节与对应关节盖通过螺钉相连，在每个关节盖上设有柔性绳索可穿过的通孔；手掌与近关节、近关节与中关节以及中关节与远关节分别通过销轴相连，销轴上套有套筒，套筒上套有扭簧，扭簧两端分别固定在相连接的两个关节上，其中手掌与近关节连接处，扭簧一端固定在手掌上，一端固定在近关节上；

所述的传动单元安装在手掌内部，包括拇指食指传动单元、中指小指传动单元和电机传动单元，电机传动单元安装在内底板中间，拇指食指传动单元、中指小指传动单元分别安装在内底板的左边和右边，内底板固定在手掌内部；

拇指食指传动单元由拇指导向轮、食指导向轮和第一导轨动滑轮组成，中指小指传动单元由中指导向轮、小指导向轮和第二导轨动滑轮组成，电机传动单元由电机导向轮和第三导轨动滑轮组成；拇指导向轮、食指导向轮、中指导向轮和小指导向轮分别根据人手手指位置用螺钉安装在内底板上；在拇指导向轮与第一导轨动滑轮之间、中指导向轮与第二导轨动滑轮之间、小指导向轮与第二导轨动滑轮之间、第一导轨动滑轮与第三导轨动滑轮之间以及第二导轨动滑轮与第三导轨动滑轮之间分别安装有一定数量的定滑轮；

拇指导向轮、食指导向轮、中指导向轮、小指导向轮和电机导向轮完全相同，由导向轮支座、上销轴、下销轴、导向轮套筒和导向轮带轮组成，导向轮带轮套在上销轴上，导向轮套筒套在下销轴上，之间都为间隙配合；第一导轨动滑轮、第二导轨动滑轮、第三导轨动滑轮结构相同，只是导轨长度不同，由第一导轨支座、第二导轨支座、上圆柱销、下圆柱销、动滑轮滑块和动滑轮带轮组成，动滑轮滑块套在两圆柱销上，可顺畅滑动，动滑轮滑块与两圆柱销之间为间隙配合，动滑轮带轮套在动滑轮滑块上的突出圆柱上；第一导轨动滑轮中的导轨长度应大于拇指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与食指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第二导轨动滑轮中的导轨长度应大于中指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离与小指从初始状态到完全弯曲柔性绳索移动距离和的二分之一，第三导轨动滑轮中的导轨长度应大于第一导轨动滑轮中的导轨长度与第二导轨动滑轮中的导轨长度和的二分之一；所述定滑轮都相同，通过定滑轮销钉固定的内底板上；导向轮套筒与导向轮带轮中心水平面、定滑轮带轮中心水平面和动滑轮带轮中心水平面在同一水平面上，在关节与关节连接处的内侧面安装有第一限位开关，在关节与关节连接处的背面安装有第二限位开关；

所述的驱动单元为一直流电机，通过电机支架用螺钉固定在手掌内部，驱动单元在传动单元的上部；

所述的手掌盖通过螺钉固定在手掌上，并且在手掌盖上装有压力传感器。

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