CN114406994B - 一种绳驱动多自由度自适应机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳驱动多自由度自适应机械手，包括至少一节手指，手指包括手指壳体，手指壳体包括多个依次连接的外壳，相邻两个外壳之间通过连接环进行连接，第一转动轴部的轴线和第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两个外壳之间至少可在两个方向上相互转动；绳驱机构，每对拉线分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动手指壳体在第一平面和第二平面进行弯曲；以及壳驱组件，壳驱组件包括用于驱动手指壳体转动的第二驱动单元，连接环设置有供各拉线穿过的端盖，连接环和端盖之间设置有第一轴承，以使手指壳体可相对内部的各拉线转动。本发明能实现三个自由度的运动，从而实现更加复杂运动的轨迹。

Description

一种绳驱动多自由度自适应机械手

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，特别涉及一种绳驱动多自由度自适应机械手。

背景技术

柔性机械手凭借结构柔软度高、多自由度和连续变形能力等优势，得到了国内外研究人员的广泛关注。传统机械手相比，软体机械手操作细小或易碎物体的能力更强，因此具有广泛的应用前景。目前的研究中主要有四种驱动方式，气动驱动、绳驱动、SMA驱动，EPA驱动。

现有方案：香港中文大学的李铮教授团队研发了一款新型约束显驱动柔性机构CWFM(constrained wire-driven flexible mechanism)，文献出处是Zheng Li,HongliangRen,Philip Wai Yan Chiu,et al.A novel constrained wire-driven flexiblemechanism and its kinematic analysis[C].Mechanism and Machine Theory,95(2016)59-75，CWFM由包含多节椎骨的柔性主干组成，相邻椎骨形成关节。整体由两对相互正交的拉线控制，每对拉线由一个舵机驱动，具有两个自由度，能实现两个平面内的弯曲。同时机构中心由一硬一软的两根同心管组成，外管偏软可充当内管的约束，随着内管的平移可使机构部分刚化。

上述方案的缺点是：CWFM仅具有两个弯曲自由度，自由度较少，且部分刚化的功能需要通过丝杆步进电机实现，会造成控制部分整体尺寸过大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种绳驱动多自由度自适应机械手，能实现三个自由度的运动，从而实现更加复杂运动的轨迹。

根据本发明实施例的绳驱动多自由度自适应机械手，包括至少一节手指，所述手指包括手指壳体，所述手指壳体包括多个依次连接的外壳，相邻两个所述外壳之间通过连接环进行连接，所述连接环设置有与其中一个所述外壳铰接的第一转动轴部，所述连接环设置有与另一个所述外壳铰接的第二转动轴部，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两个所述外壳之间至少可在两个方向上相互转动；绳驱机构，所述绳驱机构包括设置在所述手指壳体内的两对拉线，每对所述拉线分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动所述手指壳体在第一平面和第二平面进行弯曲，各所述第一转动轴部的轴线垂直于所述第一平面，各所述第二转动轴部的轴线垂直于所述第二平面；以及壳驱组件，所述壳驱组件包括用于驱动所述手指壳体转动的第二驱动单元，所述连接环设置有供各所述拉线穿过的端盖，所述连接环和所述端盖之间设置有第一轴承，以使所述手指壳体可相对内部的各所述拉线转动。

在可选或优选的实施例中，所述绳驱机构还包括设置在所述手指壳体内的软管，所述端盖设置有所述软管穿过的中心孔，所述软管与所述端盖过盈配合，以对所述手指壳体进行支撑。

在可选或优选的实施例中，所述第一转动轴部包括共轴线的两个第一凸起，所述第一凸起固设在所述连接环上，所述外壳一端开设有供第一凸起***转动的第一轴孔，所述第二转动轴部包括共轴线的两个第二凸起，所述第二凸起固设在所述连接环上，所述外壳另一端开设有供所述第二凸起***转动的第二轴孔。

在可选或优选的实施例中，所述第一轴承的内孔与所述端盖过盈配合，所述第一轴承的外周嵌入所述连接环的内槽中。

在可选或优选的实施例中，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线直接的夹角为90°，所述第一平面和所述第二平面垂直，四根所述拉线沿所述软管四周均匀分布，所述端盖设置有供各所述拉线穿过的线孔。

在可选或优选的实施例中，所述绳驱动多自由度自适应机械手还包括平台，其中一个所述第一驱动单元包括第一舵机以及由所述第一舵机驱动的第一舵盘，另一个所述第一驱动单元包括第二舵机以及由所述第二舵机驱动的第二舵盘，两对所述拉线分别安装在所述第一舵盘和所述第二舵盘上，以通过所述第一舵盘驱动所述手指壳体在第一平面弯曲，和/或通过所述第二舵盘驱动所述手指壳体在第二平面进行弯曲。

在可选或优选的实施例中，所述绳驱动多自由度自适应机械手还包括平台，所述第二驱动单元为安装在所述平台上的步进电机，所述步进电机通过齿轮驱动传动方式驱动所述手指壳体转动。

在可选或优选的实施例中，所述步进电机的输出轴连接有主动齿轮，首段的所述外壳固定有与所述主动齿轮啮合的从动齿轮。

在可选或优选的实施例中，所述从动齿轮内套有第二轴承，所述第二轴承安装在所述平台上，从而使所述手指壳体可相对所述平台转动，各所述拉线从所述第二轴承的内孔中穿过。

在可选或优选的实施例中，所述绳驱动多自由度自适应机械手包括至少两节手指，相邻两节所述手指中，前一节所述手指中末端的所述外壳与后一节所述手指首端的所述外壳通过所述连接环连接，各所述手指连接后通过首段所述手指的壳驱组件驱动转动，前一节所述手指中的两对拉线在末端通过卡扣进行固定，前一节所述手指中设置有空心的橡胶软管，后一节所述手指中的两对拉线通过前一节所述手指中的橡胶软管内进行引线。

基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，手指壳体中相邻两个外壳之间通过连接环进行连接，可在两个方向上相互转动，两对拉线能分别驱动手指壳体在第一平面和第二平面进行弯曲，从而实现两个方向上的弯曲自由度；另外，第二驱动单元驱动手指壳体进行转动，实现自转的自由度，手指壳体可相对内部的各拉线转动，避免手指壳体转动时，拉线随转动而缠绕。本发明具有两个平面内弯曲以及转动的三个自由度，能完成更为复杂的运动形式，本发明灵活度高，柔韧性好，尺寸小，可扩展性强，对于复杂工作环境具有良好的适应性，同时制造安装简便，零部件来源广泛，同时能根据实际工况定制设计尺寸，也具有一定的承载能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中相邻两个外壳连接的***图；

图3是本发明实施例中首段外壳的透视图；

图4是本发明实施例多段手指连接的效果图；

图5是本发明实施例多段手指连接的布线图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图5，一种绳驱动多自由度自适应机械手，包括至少一节手指，如图1至图3所示，绳驱动多自由度自适应机械手包括一节手指，参照图4和图5，绳驱动多自由度自适应机械手包括两节手指。

如图1，手指包括手指壳体10、绳驱机构、壳驱组件。具体的，结合图2，手指壳体10包括多个依次连接的外壳11，相邻两个外壳11之间通过连接环14进行连接，连接环14设置有与其中一个外壳11铰接的第一转动轴部，连接环14设置有与另一个外壳11铰接的第二转动轴部，第一转动轴部的轴线和第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两个外壳11之间至少可在两个方向上相互转动。

绳驱机构包括设置在手指壳体10内的两对拉线25，每对拉线25分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动手指壳体10在第一平面和第二平面进行弯曲，各第一转动轴部的轴线垂直于第一平面，各第二转动轴部的轴线垂直于第二平面。进一步的，第一转动轴部的轴线和第二转动轴部的轴线直接的夹角为90°，即两者正交分布；第一平面和第二平面垂直，四根拉线25沿软管26四周均匀分布，端盖27设置有供各拉线25穿过的线孔。可以理解的是，每对拉线25通过第一驱动单元进行控制，实现一个平面内弯曲的自由度，本实施例中，两对拉线实现了手指壳体两个平面的自由度，即第一平面和第二平面。

具体的，如图2，第一转动轴部包括共轴线的两个第一凸起15，第一凸起15固设在连接环上，外壳11一端开设有供第一凸起15***转动的第一轴孔12；第二转动轴部包括共轴线的两个第二凸起16，第二凸起16固设在连接环上，外壳11另一端开设有供第二凸起16***转动的第二轴孔13。即，两个相对的第一凸起15形成了第一转动轴部，可参照图4，手指壳体10在第一平面上弯曲，图4出示的第一转动轴部的轴线是垂直于第一平面。需要说明的是，本实施例中，所述的第一平面是相对于第一转动轴部的轴线而言，第一转动轴部的轴线是基于两个第一凸起而言，若手指壳体10转动后，第一平面也会发生变化，并不能以图中所在平面作为限制。同理，第二平面亦是如此，可参照第一平面进行理解。

结合图3，壳驱组件包括用于驱动手指壳体10转动的第二驱动单元，连接环14设置有供各拉线穿过的端盖27，连接环14和端盖27之间设置有第一轴承28，以使手指壳体10可相对内部的各拉线25转动。可以理解的是，手指壳体10可相对内部的各拉线25转动，避免手指壳体10转动时，拉线15随转动而缠绕。

本发明实施例的绳驱动多自由度自适应机械手，具有三个自由度，分别为转动和两个平面内的弯曲，能完成更为复杂的运动形式。

具体的，第一轴承28的内孔与端盖27过盈配合，第一轴承28的外周嵌入连接环14的内槽中。即第一轴承28随连接环14转动，只能相对自转。本实施例中，第一轴承28优选薄壁轴承12(型号6401)。

绳驱机构还包括设置在手指壳体10内的软管26，端盖27设置有软管26穿过的中心孔，软管26与端盖27过盈配合，以对手指壳体10进行支撑。本实施例中，端盖27上的中心孔的直径为6.5mm，四个线孔的直径为0.9mm，四个线孔的中心间距都为5mm。

绳驱动多自由度自适应机械手还包括平台41，如图1，手指壳体10的首端安装在平台上，本实施例中所述“首段”“首端”是指与平台41连接的一段或一端。

其中一个第一驱动单元包括第一舵机21以及由第一舵机21驱动的第一舵盘23，另一个第一驱动单元包括第二舵机以及由第二舵机22驱动的第二舵盘24，两对拉线25分别安装在第一舵盘23和第二舵盘24上，以通过第一舵盘23驱动手指壳体10在第一平面弯曲，和/或通过第二舵盘24驱动手指壳体10在第二平面进行弯曲。第一舵盘和第二舵盘分别改变手指中拉线两端的长度并对具有弹性的软管施加弯矩，从而完成对手指弯曲的控制。

此外，在其中的一些实施例中，绳驱机构还包括若干滑轮，可改变拉线走向，使空间布局更加紧凑，布置合理。

第二驱动单元为安装在平台41上的步进电机31，步进电机31通过齿轮驱动传动方式驱动手指壳体10转动。进一步的，步进电机31的输出轴连接有主动齿轮32，首段的外壳11固定有与主动齿轮32啮合的从动齿轮33。从动齿轮33内套有第二轴承34，第二轴承34安装在平台41上，从而使手指壳体10可相对平台41转动，各拉线25从第二轴承34的内孔中穿过。其中，第二轴承34是安装在平台41预先设置的凸台并与该凸台过盈配合连接。第二轴承34同样采用薄壁轴承。

首段的外壳11的从动齿轮33和主动齿轮32，两者的齿数都为28，模数为1.5，压力角为20°。其中主动齿轮32由步进电机32控制旋转，与首段的外壳11的从动齿轮33啮合，带动整个手指壳体旋转。

参照图4和图5，相邻两节手指中，前一节手指中末端的外壳11与后一节手指首端的外壳11通过连接环14连接，前一节手指中的两对拉线25在末端通过卡扣17进行固定。本实施例中，所述前后方向，是为了描述相邻两节手指的连接关系，并不能理解为技术方案的保护限制；所述“末端”是指一节手指中，与平台连接或朝向平台连接的为首端，反之为末端。前一节所述手指中设置有空心的橡胶软管18，后一节手指中的两对拉线25通过前一节手指中的橡胶软管18内部进行引线，引线后四根拉线分别穿过各端盖的四个线孔。结合图5，各手指连接后通过首段手指的壳驱组件驱动转动，首段手指由步进电机的主动齿轮驱动后，后一节的手指被前一节的手指带动转动。

本发明具有两个平面内弯曲以及转动三个自由度，能完成更为复杂的运动形式，本发明通过两对拉线实现两个平面的弯曲，拉线由第一舵机和第二舵机分别控制；步进电机通过齿轮驱动传动方式带动外壳旋转；通过内部布置第一轴承和第二轴承，避免拉线随弯曲而缠绕。

通过线驱动，可以使质量较大的驱动器远离末端执行机构，通过合理的排布，可以减轻末端执行器的惯量，提升动态性能；线驱动排布灵活，可以使本发明绳驱动多自由度自适应机械手的几何空间占用少，做到较小的尺寸，非常适合空间狭小且所需驱动自由度数目多的传动场合，对复杂工作环境具有良好的适应性，且符合仿生学设计的背景和要求，本发明具有广泛的应用前景。

本发明具有很强的拓展性，可根据实际应用场景需要改变相应尺寸大小，长度等，且能通过增加拉线的对数做成多段式结构，每段之间弯曲相对独立，能完成更加复杂的运动轨迹。此外，本发明大多数材料采用3D打印，制造简便，成本低廉，对安装精度要求也不高，对外力有一定的承载能力，极具性价比。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种绳驱动多自由度自适应机械手，其特征在于：包括至少一节手指，所述手指包括

手指壳体，所述手指壳体包括多个依次连接的外壳，相邻两个所述外壳之间通过连接环进行连接，所述连接环设置有与其中一个所述外壳铰接的第一转动轴部，所述连接环设置有与另一个所述外壳铰接的第二转动轴部，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两个所述外壳之间至少在两个方向上相互转动，所述第一转动轴部包括共轴线的两个第一凸起，所述第一凸起固设在所述连接环上，所述外壳一端开设有供第一凸起***转动的第一轴孔，所述第二转动轴部包括共轴线的两个第二凸起，所述第二凸起固设在所述连接环上，所述外壳另一端开设有供所述第二凸起***转动的第二轴孔；

绳驱机构，所述绳驱机构包括设置在所述手指壳体内的两对拉线，每对所述拉线分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动所述手指壳体在第一平面和第二平面进行弯曲，各所述第一转动轴部的轴线垂直于所述第一平面，各所述第二转动轴部的轴线垂直于所述第二平面，所述绳驱机构还包括设置在所述手指壳体内的软管，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线直接的夹角为90°，所述第一平面和所述第二平面垂直，四根所述拉线沿所述软管四周均匀分布；以及

壳驱组件，所述壳驱组件包括用于驱动所述手指壳体转动的第二驱动单元，所述连接环设置有供各所述拉线穿过的端盖，所述端盖设置有供各所述拉线穿过的线孔，所述连接环和所述端盖之间设置有第一轴承，以使所述手指壳体可相对内部的各所述拉线转动，所述端盖设置有所述软管穿过的中心孔，所述软管与所述端盖过盈配合，以对所述手指壳体进行支撑，所述第一轴承的内孔与所述端盖过盈配合，所述第一轴承的外周嵌入所述连接环的内槽中；其中，

所述绳驱动多自由度自适应机械手包括至少两节手指，相邻两节所述手指中，前一节所述手指中末端的所述外壳与后一节所述手指首端的所述外壳通过所述连接环连接，各所述手指连接后通过首段所述手指的壳驱组件驱动转动，前一节所述手指中的两对拉线在末端通过卡扣进行固定，前一节所述手指中设置有空心的橡胶软管，后一节所述手指中的两对拉线通过前一节所述手指中的橡胶软管内进行引线。

2.根据权利要求1所述的绳驱动多自由度自适应机械手，其特征在于：所述绳驱动多自由度自适应机械手还包括平台，其中一个所述第一驱动单元包括第一舵机以及由所述第一舵机驱动的第一舵盘，另一个所述第一驱动单元包括第二舵机以及由所述第二舵机驱动的第二舵盘，两对所述拉线分别安装在所述第一舵盘和所述第二舵盘上，以通过所述第一舵盘驱动所述手指壳体在第一平面弯曲，和/或通过所述第二舵盘驱动所述手指壳体在第二平面进行弯曲。

3.根据权利要求1所述的绳驱动多自由度自适应机械手，其特征在于：所述绳驱动多自由度自适应机械手还包括平台，所述第二驱动单元为安装在所述平台上的步进电机，所述步进电机通过齿轮驱动传动方式驱动所述手指壳体转动。

4.根据权利要求3所述的绳驱动多自由度自适应机械手，其特征在于：所述步进电机的输出轴连接有主动齿轮，首段的所述外壳固定有与所述主动齿轮啮合的从动齿轮。

5.根据权利要求4所述的绳驱动多自由度自适应机械手，其特征在于：所述从动齿轮内套有第二轴承，所述第二轴承安装在所述平台上，从而使所述手指壳体可相对所述平台转动，各所述拉线从所述第二轴承的内孔中穿过。