CN103786161B - 具有形状自适应的欠驱动机械手指 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有形状自适应的欠驱动机械手指，包括第一指段、第二指段、基座、驱动机构及推动装置，第二指段的一端与第一指段可转动地相连接，另一端与基座可转动地相连接；驱动机构包括滑动壳体、第一连动杆、第二连动杆、以及可滑动地设置于滑动壳体的第一驱动杆、第二驱动杆、第一弹性构件及第二弹性构件，滑动壳体可滑动地设置于基座；第一驱动杆与第一弹性构件相连接，第二驱动杆与第二弹性构件相连接；第一连动杆可转动地连接第一指段与第二连动杆，第二连动杆可转动地连接第一驱动杆与第二指段，第二驱动杆可转动地连接第二指段；推动装置设置于基座上，并与驱动机构的滑动壳体相连接。本发明的机械手指具有较好的柔顺性。

Description

具有形状自适应的欠驱动机械手指

技术领域

本发明属于仿人机器人领域，特别涉及一种具有形状自适应的欠驱动机械手指。

背景技术

随着机器人技术的不断应用，仿人机械手已成为机器人领域的研究热点之一。近几十年来，为了模拟人手的功能，国内外许多研究机构在仿人机械手的设计、分析和控制等方面做出了卓有成效的研究，仿人机械手的研究也被认为是最有挑战性的工作之一。随着人类社会物质财富的增长，社会对残疾人越来越关注，将机械手作为假肢手的研究也已经得到了社会各界的高度重视。

为了增强仿人机械手的拟人化，要为机械手设计较多的关节自由度，然而，为了减轻对机械手的控制难度，以及减小机械手的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾。另外，为了更好地抓取物体，还需要机械手在抓取物体时具有一定的自适应性。因此，仿人机械手设计的关键技术是具有形状自适应的欠驱动机械手指的设计。

目前，一些欠驱动机械手指已被研制出来，其驱动方式主要分为腱驱动和连动杆驱动。键驱动的机械手指在尺寸和外形上很容易做到和人的手指形状一致，结构简单，能实现自适应抓取，但由于采用绳索驱动，机械手指抓取力量比较小，形状易变，不易控制。采用连动杆驱动的机械手指，抓取力比较大，能保持固定的位姿，可控性强，但是大部分研制出的基于连动杆驱动的机械手指柔顺性差，不易实现自适应抓取。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有形状自适应的欠驱动机械手指，其能够自动顺从弯曲，具有较好的柔顺性，易实现自适应抓取。

本发明所提供的具有形状自适应的欠驱动机械手指，包括第一指段、第二指段、基座、驱动机构及推动装置，所述第二指段的一端与所述第一指段可转动地相连接；所述基座与所述第二指段的另一端可转动地相连接；所述驱动机构包括滑动壳体、第一连动杆、第二连动杆、第一驱动杆、第二驱动杆、第一弹性构件及第二弹性构件，所述滑动壳体可滑动地设置于所述基座；所述第一驱动杆、所述第二驱动杆、所述第一弹性构件及所述第二弹性构件可滑动地设置于所述滑动壳体，且所述第一驱动杆与所述第一弹性构件相连接，所述第二驱动杆与所述第二弹性构件相连接；所述第一连动杆可转动地连接所述第一指段与所述第二连动杆，所述第二连动杆可转动地连接所述第一驱动杆与所述第二指段，所述第二驱动杆可转动地连接所述第二指段；所述推动装置设置于所述基座上，并与所述驱动机构的所述滑动壳体相连接，用于推动所述滑动壳体在所述基座上滑动。

较佳地，所述第一连动杆与所述第二连动杆相连接的位置位于所述第二连动杆与所述第一驱动杆相连接的位置和所述第二连动杆与所述第二指段相连接的位置之间，且所述第二指段、所述第二连动杆及所述基座通过同一关节轴相连接。

较佳地，所述滑动壳体包括第一滑动通道、第二滑动通道、第一凹槽及第二凹槽；所述第一驱动杆可滑动地设置于所述第一凹槽中，所述第二驱动杆可滑动地设置于所述第二凹槽中；所述第一弹性构件设置于所述第一滑动通道中，所述第二弹性构件设置于所述第二滑动通道中，所述第二滑动通道及所述第二凹槽的长度分别大于所述第一滑动通道及所述第一凹槽的长度。

较佳地，所述滑动壳体还包括顶部、第一侧部、第二侧部及底部，所述第二侧部的长度大于所述第一侧部，所述第一滑动通道及所述第一凹槽设置于所述第一侧部，所述第二滑动通道及所述第二凹槽设置于所述第二侧部；所述顶部靠近所述第二指段，所述底部与所述推动装置固定相连。

较佳地，所述第一弹性构件包括第一导向杆及第一弹簧，所述第一导向杆具有头部及与所述头部相连接的杆部，所述第一弹簧套设于所述杆部，所述第一导向杆的所述头部抵靠所述底部的内壁，所述第一弹簧抵靠所述顶部的内壁；所述第一导向杆与所述第一驱动杆相连动。

较佳地，所述第二弹性构件包括第二导向杆、第三导向杆、滑块、第二弹簧及第三弹簧，所述第二导向杆与所述第三导向杆皆具有头部及与所述头部相连接的杆部，所述第二弹簧套设于所述第二导向杆的所述杆部并抵靠所述顶部的内壁，所述第三弹簧套设于所述第三导向杆的所述杆部并抵靠所述底部的内壁；所述滑块设置于所述第三导向杆的所述头部与所述第二导向杆的所述头部之间，并与所述第二驱动杆相连接。

较佳地，所述滑动壳体还具有第一通孔，第二通孔及第三通孔，所述第一通孔与所述第二通孔设置于所述滑动壳体的所述顶部的内壁上，所述第三通孔设置于所述滑动壳体的所述底部的内壁上；所述第一通孔与所述第一滑动通道相连通，所述第二通孔及所述第三通孔与所述第二滑动通道相连通；所述第一通孔与所述第一导向杆的所述杆部相对应，所述第二通孔与所述第二导向杆的所述杆部相对应，所述第三通孔与所述第三导向杆的所述杆部相对应。

较佳地，所述第一导向杆的所述头部及所述滑块皆具有通孔，所述第一滑动通道及第二滑动通道的两侧皆具有狭长形的开口，所述第一滑动通道与所述第一凹槽相对应，所述第二滑动通道与所述第二凹槽相对应；所述驱动机构还包括第一连接轴及第二连接轴，所述第一连接轴穿过所述第一滑动通道两侧的狭长形的开口及所述第一导向杆的所述头部的所述通孔，与所述第一驱动杆相连接；所述第二连接轴穿过所述第二滑动通道两侧的狭长形的开口及所述滑块的所述通孔，与所述第二驱动杆相连接。

较佳地，所述第一凹槽在所述第一侧部和所述顶部处与外界连通，所述第一凹槽内设有滑槽，所述第一驱动杆的一端设置于所述第一凹槽的所述滑槽内；所述第二凹槽在所述第二侧部和所述顶部处与外界连通，所述第二凹槽内也设有滑槽，所述第二驱动杆的一端设置于所述第二凹槽的所述滑槽内。

较佳地，所述推动装置为直线电机，所述直线电机的输出轴与所述滑动壳体相连接。

本发明所提供的欠驱动机械手指装置结构简单、可靠，易于控制，特别适合作为仿人机器人的机械手和假肢手，一方面，在自由弯曲时近关节和远关节可实现固定比例的运动，在抓取物体时能自动适应不同形状、尺寸的物体，另一方面，在受到外界作用力式能自动顺从弯曲，具有较好的柔顺性。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例中的一种具有形状自适应的欠驱动机械手指的主视结构示意图。

图2是图1中的欠驱动机械手指的左视图。

图3是沿着图2中的A-A线得到的欠驱动机械手指的剖视图。

图4是图3中的驱动机构的结构示意图。

图5是图4中的驱动机构的分解示意图。

图6a及图6b分别是图1中的欠驱动机械手指在自然弯曲状态下的外观示意图及驱动机构中的弹簧压缩状态示意图。

图7a及图7b分别是图1中的欠驱动机械手指在第一抓握物体状态下的外观示意图及驱动机构中弹簧压缩状态示意图。

图8a及图8b分别是图1中的欠驱动机械手指在第二抓握物体状态下的外观示意图及驱动机构中弹簧压缩状态示意图。

图9a及图9b分别是图1中的欠驱动机械手指在受到外界作用力下的外观示意图及驱动机构中弹簧压缩状态示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的较佳实施例中的欠驱动机械手指10具有形状自适应性，其从外形上看，主要包括第一指段11、第二指段12、基座13及推动装置14。当本实施例中的机械手指10应用于机械手时，第二指段12相较于第一指段11，更靠近机械手的手掌部位，第一指段11为机械手指的末端指段。第二指段12通过近关节轴21与第一指段11可转动地相连接，并通过远关节轴22与基座13可转动地相连接。推动装置14为一直线电机，其设置于基座13上，用于驱动机械手指运动。

在本实施例中，具体的连接方式为：第一指段11套固于近关节轴21，近关节轴21套设于第二指段12，第二指段12套固于远关节轴22，远关节轴22套设于基座13。在其他实施例中，也可采用其他连接方式，例如近关节轴21套设于第一指段11，第二指段12套固于近关节轴21，远关节轴22套设于第二指段12，基座13套固于远关节轴22，本发明对此不作限制。

请同时参考图1至图3，基座13包括基座本体131和延伸部132，延伸部132自基座本体131的侧壁延伸出，用于设置电机14，当机械手指处于自然伸直状态时，延伸部132的延伸方向与机械手指的伸直方向D相平行，电机14的输出轴141的延伸方向也与机械手指的伸直方向D相平行。

在本实施例中，基座13的本体131与延伸部132为一体成型，在其他实施例中，本体131与延伸部132也可分别进行制作并连接，基座13也可具有其他形状与构造。

本实施例中的机械手指还包括驱动机构40，基座本体131具有容腔，用于容纳驱动机构40。较佳地，容腔内的侧壁上具有滑道，驱动机构40可滑动地设置于滑道上，电机14的输出轴141与驱动机构40相连接，驱动机构40的滑动方向与电机14的输出轴141的运动方向一致，以使得驱动机构40在输出轴141的驱动下，在滑道上来回滑动。

请同时参考图3至图5，驱动机构40包括滑动壳体41、第一驱动杆42、第二驱动杆43、第一导向杆44、第一弹簧441、第二导向杆45、第二弹簧451、第三导向杆46、第三弹簧461、滑块47、第一连接轴48及第二连接轴49。滑动壳体41具有顶部41a、第一侧部41b、第二侧部41c及底部41d，第二侧部41c的长度大于第一侧部41b。当滑动壳体41设置于基座13时，第一侧部41b和第二侧部41c的延伸方向平行于机械手指的伸直方向D，滑动壳体41的顶部41a靠近第二指段12，底部41d与直线电机的输出轴141固定相连。

滑动壳体41上开设有第一滑动通道411、第二滑动通道412、第一通孔413、第二通孔414、第三通孔(图中不可见)、第一凹槽415和第二凹槽416。第一滑动通道411和第一凹槽415位于第一侧部41b，第二滑动通道412和第二凹槽416位于第二侧部41c，且第二滑动通道412和第二凹槽416的长度大于第一滑动通道411和第一凹槽415的长度。

第一凹槽415在第一侧部41b和顶部处41a与外界连通，其第一凹槽415内设有滑槽，第一驱动杆42的一端设置于滑槽内，实现可滑动地设置于第一凹槽415内。第一滑动通道411在滑动壳体41的宽度方向上与第一凹槽415相对应。进一步地，第一滑动通道411的两侧具有狭长形的开口，从而使得第一滑动通道411与第一凹槽415及外界相连通，所述狭长形的开口的延伸方向平行于机械手指的伸直方向D，第一通孔413设置于滑动壳体41的顶部41a，且与第一滑动通道411相连通。

第一导向杆44具有带通孔的头部以及与头部相连接的杆部，第一弹簧441套设于第一导向杆44的杆部，并与第一导向杆44一同设置于第一滑动通道411内。第一导向杆44的头部抵靠滑动壳体41的底部41d的内壁，第一弹簧441抵靠于滑动壳体41的顶部41a的内壁，从而产生一定的预紧力。第一连接轴48通过第一滑动通道411两侧的狭长形的开口，穿过第一导向杆44的头部与第一驱动杆42相连接，从而使得第一导向杆44与第一驱动杆42连动。

第二凹槽416在第二侧部41b和顶部41a处与外界连通，第二驱动杆43通过一端设置于滑槽内，实现可滑动地设置于第二凹槽416内。第二滑动通道412在滑动壳体41的宽度方向上与第二凹槽416相对应。进一步地，第二滑动通道412的两侧具有狭长形的开口，从而使得第二滑动通道412与第二凹槽416及外界相连通，所述狭长形的开口的延伸方向平行于机械手指的伸直方向D。第二通孔414设置于滑动壳体41的顶部41a且与第二滑动通道412相连通，第三通孔设置于滑动壳体41的底部41d且与第二滑动通道412相连通。

第二导向杆45具有头部以及与头部相连接的杆部，第二弹簧451套设于第二导向杆45的杆部，并与第二导向杆45一同设置于第二滑动通道412内。第三导向杆46也具有头部以及与头部相连接的杆部，第三弹簧461套设于第三导向杆46的杆部，并与第三导向杆46一同设置于第二滑动通道412内，滑块47具有通孔，也设置于第二滑动通道412内。

第二弹簧451和第三弹簧461分别抵靠于滑动壳体41的顶部41a的内壁和底部41d的内壁，滑块47设置于第三导向杆46的头部和第二导向杆45的头部之间，从而在滑动壳体41的两端产生一定的预紧力。第二连接轴49通过第二滑动通道412两侧的狭长形的开口，穿过滑块47与第二驱动杆43相连接，从而使得第二导向杆45、第三导向杆46及第二驱动杆43连动。

在其他实施例中，也可在第二导向杆45或第三导向杆46的头部设置通孔，而省去滑块47，第二连接轴49直接与第二导向杆45或第三导向杆46的头部相连接，并进一步连接第二驱动杆43，从而使得第二导向杆45、第三导向杆46及第二驱动杆43连动，或者将第二导向杆45及第三导向杆46制作为一个构件，中间具有通孔，两端设置弹簧以实现滑动和预紧，本发明对此不作限制。

请同时参考图3及图5，驱动机构40的滑动壳体41可滑动地设置于基座13的滑道上，第一驱动杆42及第二驱动杆43分别自第一凹槽415和第二凹槽416中伸出。驱动机构40还包括第一连动杆31和第二连动杆32，用于驱动第一指段11和第二指段12运动。第一连动杆31、第二连动杆32、第一指段11和第二指段12组成交叉四杆机构。

第一连动杆31的一端通过第三连接轴51与第一指段11可转动地相连接，另一端通过第四连接轴52与第二连动杆32的中间部分可转动地相连接。第二连动杆32的一端通过第五连接轴53与第一驱动杆42伸出滑动壳体41的一端可转动地相连接，第二连动杆32的另一端通过远关节轴22与第二指段12可转动地相连接。第二驱动杆43伸出滑动壳体41的一端通过第六连接轴54与第二指段12可转动地相连接。各部件之间具体的连接方式可为将各连接轴选择性地套固于所连接的两个部件中的任何一个并套设于另一个。

本实施例的机械手指在实际操作过程中，如图1、图2和图3所示，第一指段11、第二指段12和基座13在伸直方向上呈一条直线，相当于人手指的伸直状态。如图6a及6b所示，当机械手指自然弯曲时，直线电机的输出轴141带动滑动壳体41在基座13的滑道内运动，由于第一弹簧441、第二弹簧451及第三弹簧461具有一定的预紧力，滑动壳体41将会带动第一驱动杆42和第二驱动杆43同步运动，第一驱动杆42带动第二连动杆32转动，进而驱动第一连动杆31、第二指段12和第一指段11运动，第二驱动杆43带动第二指段12转动，第一连动杆31、第二连动杆32、第一指段11和第二指段12组成交叉四杆机构。此时，第一指段11与第二指段12之间的近关节角和第二指段12与基座13之间的远关节角之比为定值，从而使得近关节和远关节可实现固定比例的运动。

对于不同形状、尺寸的物体，本实施例中的机械手指可实现包络抓取。当物体的形状和尺寸要求机械手指的近关节角度小于远关节角度时，包络抓取的实施过程如图7a和7b所示，第二指段12先与物体60接触，此时直线电机继续驱动滑动壳体41运动，第二弹簧451将会被压缩，第二导向杆45的杆部自第二通孔414中伸出，第一弹簧441不会被压缩。滑动壳体41继续带动第一驱动杆42运动，第一驱动杆42带动第二连动杆32转动进而带动第一指段11转动直到第一指段11与物体60接触。

当物体的形状和尺寸要求机械手指的近关节角度大于远关节角度时，包络抓取的实施过程如图8a和8b所示，这种包络抓取，第一指段11首先会与物体60间产生不稳定的接触，此时电机继续带动驱动壳体41运动，第二弹簧451和第一弹簧441都会被压缩，第一导向杆44和第二导向杆45的杆部分别自第一通孔413和第二通孔414中伸出。由于第一指段11与物体间的接触不稳定，第一指段11将在物体上滑移，第一弹簧441压缩量大于第二弹簧451的压缩量，滑移运动直到接触稳定后停止。

当受到外界冲击力时，本实施例所提供的机械手指可产生顺从运动以保护手指，实施过程如图9a和9b所示，当机械手指背部受到冲击力F时，滑动壳体41和第二连动杆32固定不动，机械手指将驱动第二驱动杆43运动，进而使得第三弹簧461被压缩，第三导向杆46的杆部自第三通孔中伸出，机械手指完成顺从运动以保护机械手指。

综上所述，本发明的欠驱动机械手指装置结构简单、可靠，易于控制，特别适合作为仿人机器人的机械手和假肢手，其在自由弯曲时近关节和远关节可实现固定比例的运动，在抓取物体时能自动适应不同形状、尺寸的物体；另一方面，本发明的机械手指在受到外界作用力时能自动顺从弯曲，具有较好的柔顺性，能有效避免外力引起的损伤。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，包括：

第一指段；

第二指段，所述第二指段的一端与所述第一指段可转动地相连接；

基座，所述第二指段的另一端与所述基座可转动地相连接；

驱动机构，所述驱动机构包括滑动壳体、第一连动杆、第二连动杆、第一驱动杆、第二驱动杆、第一弹性构件及第二弹性构件，所述滑动壳体可滑动地设置于所述基座；所述第一驱动杆、所述第二驱动杆、所述第一弹性构件及所述第二弹性构件可滑动地设置于所述滑动壳体，且所述第一驱动杆与所述第一弹性构件相连接，所述第二驱动杆与所述第二弹性构件相连接；所述第一连动杆可转动地连接所述第一指段与所述第二连动杆，所述第二连动杆可转动地连接所述第一驱动杆与所述第二指段，所述第二驱动杆可转动地连接所述第二指段；以及

推动装置，所述推动装置设置于所述基座上，并与所述驱动机构的所述滑动壳体相连接，用于推动所述滑动壳体在所述基座上滑动。

2.根据权利要求1所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中，所述第一连动杆与所述第二连动杆相连接的位置位于所述第二连动杆与所述第一驱动杆相连接的位置和所述第二连动杆与所述第二指段相连接的位置之间，且所述第二指段、所述第二连动杆及所述基座通过同一关节轴相连接。

3.根据权利要求2所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述滑动壳体包括第一滑动通道、第二滑动通道、第一凹槽及第二凹槽；所述第一驱动杆可滑动地设置于所述第一凹槽中，所述第二驱动杆可滑动地设置于所述第二凹槽中；所述第一弹性构件设置于所述第一滑动通道中，所述第二弹性构件设置于所述第二滑动通道中，所述第二滑动通道及所述第二凹槽的长度分别大于所述第一滑动通道及所述第一凹槽的长度。

4.根据权利要求3所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述滑动壳体还包括顶部、第一侧部、第二侧部及底部，所述第二侧部的长度大于所述第一侧部，所述第一滑动通道及所述第一凹槽设置于所述第一侧部，所述第二滑动通道及所述第二凹槽设置于所述第二侧部；所述顶部靠近所述第二指段，所述底部与所述推动装置固定相连。

5.根据权利要求4所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述第一弹性构件包括第一导向杆及第一弹簧，所述第一导向杆具有头部及与所述头部相连接的杆部，所述第一弹簧套设于所述杆部，所述第一导向杆的所述头部抵靠所述底部的内壁，所述第一弹簧抵靠所述顶部的内壁；所述第一导向杆与所述第一驱动杆相连动。

6.根据权利要求5所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述第二弹性构件包括第二导向杆、第三导向杆、滑块、第二弹簧及第三弹簧，所述第二导向杆与所述第三导向杆皆具有头部及与所述头部相连接的杆部，所述第二弹簧套设于所述第二导向杆的所述杆部并抵靠所述顶部的内壁，所述第三弹簧套设于所述第三导向杆的所述杆部并抵靠所述底部的内壁；所述滑块设置于所述第三导向杆的所述头部与所述第二导向杆的所述头部之间，并与所述第二驱动杆相连接。

7.根据权利要求6所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述滑动壳体还具有第一通孔，第二通孔及第三通孔，所述第一通孔与所述第二通孔设置于所述滑动壳体的所述顶部的内壁上，所述第三通孔设置于所述滑动壳体的所述底部的内壁上；所述第一通孔与所述第一滑动通道相连通，所述第二通孔及所述第三通孔与所述第二滑动通道相连通；所述第一通孔与所述第一导向杆的所述杆部相对应，所述第二通孔与所述第二导向杆的所述杆部相对应，所述第三通孔与所述第三导向杆的所述杆部相对应。

8.根据权利要求7所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述第一导向杆的所述头部及所述滑块皆具有通孔，所述第一滑动通道及第二滑动通道的两侧皆具有狭长形的开口，所述第一滑动通道与所述第一凹槽相对应，所述第二滑动通道与所述第二凹槽相对应；所述驱动机构还包括第一连接轴及第二连接轴，所述第一连接轴穿过所述第一滑动通道两侧的狭长形的开口及所述第一导向杆的所述头部的所述通孔，与所述第一驱动杆相连接；所述第二连接轴穿过所述第二滑动通道两侧的狭长形的开口及所述滑块的所述通孔，与所述第二驱动杆相连接。

9.根据权利要求8所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述第一凹槽在所述第一侧部和所述顶部处与外界连通，所述第一凹槽内设有滑槽，所述第一驱动杆的一端设置于所述第一凹槽的所述滑槽内；所述第二凹槽在所述第二侧部和所述顶部处与外界连通，所述第二凹槽内也设有滑槽，所述第二驱动杆的一端设置于所述第二凹槽的所述滑槽内。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的具有形状自适应的欠驱动机械手指，其特征在于，其中所述推动装置为直线电机，所述直线电机的输出轴与所述滑动壳体相连接。