一種腱‑連杆混合傳動的三自由度機械手指及控制方法與流程

2023-09-22 08:17:23

本發明屬於工業機器人技術領域，具體涉及一種腱-連杆混合傳動的三自由度機械手指及控制方法。

背景技術：

機械手指是機械手的核心組成部分，而機械手是工業領域或空間領域實施抓取操作的重要執行機構，機械手能夠執行精細操作、靈巧操作，完成抓握、旋擰、插拔、移動、對準等典型的操作，這些操作在地面和空間任務中都具有代表性。當機械手指應用於工業生產和空間環境時，機械手指應儘可能結構簡單、性能穩定可靠、具有實現抓取操作所需的傳感器等。

目前機械手指的驅動方式多以電機直接驅動關節為主，該種方式中電機置於機械手指內部，由於受到手指空間的限制，電機體積較小，導致手指的抓取力較小；目前機械手指的傳感器以位置傳感器為主，也有部分手指具有指尖力傳感器，腱驅動手指中能夠測量驅動力的手指更少；本發明提供了一種能夠測量關節位置、速度、指尖力、腱驅動力功能的腱-連杆混合驅動機械手指，該手指的驅動電機置於外部，驅動電機的選擇不受手指尺寸的限制，具有傳感器豐富、結構簡單、指尖出力大、可靠性高、操作性強等優點。

專利US8459711B2中設計了一種液壓驅動的五指機械手，該手的手指採用液壓驅動，每個手指具有三個彎曲關節，三個關節之間採用連杆形成耦合傳動形成一個彎曲自由度，該手指具有出力大的優點。該手指的缺點表現為自由度較少，由於是液壓驅動因此空間環境適應性較差。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的是提供一種腱-連杆混合傳動的三自由度機械手指及控制方法,採用驅動腱驅動手指各關節運動，驅動源置於手指外部，使得手指具有了結構簡單、體積和質量小的特點，多傳感器又使得手指具有多種感知能力，提高了手指的可操控性，使得手指具備了實現高級控制所需的硬體基礎。

一種機械手指，包括四根驅動腱J1、J2、J3、J4以及順次相連的基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)和遠指節(5)；

所述基座(1)為整個機械手指的支架，基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)、與遠指節(5)的相鄰兩部件之間形成轉動副；所述遠指節(5)還與近指節(3)之間採用連杆進行連接，以產生遠指節(5)與中指節(4)之間的耦合運動；驅動腱J1和驅動腱J2的一端均固定在近指節(3)上，另一端分別引至基座(1)處；驅動腱J1和驅動腱J2分別用於驅動近指節(3)繞基指節(2)的彎曲和展開運動；驅動腱J3和驅動腱J4的一端均固定在中指節(4)上，另一端分別引至基座(1)處，驅動腱J3和驅動腱J4用於驅動中指節(4)繞近指節(3)的彎曲和展開運動。

進一步的，所述基座(1)包括基座支架(1-6)，旋轉軸(1-7)，軸承(1-8)，旋轉軸(1-9)，滑輪(1-10)和(1-11)，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)；其中，滑輪(1-10)和(1-11)上、下安裝在旋轉軸(1-9)上，並置於基座支架(1-6)的內部；旋轉軸(1-7)經軸承(1-8)安裝於基座支架(1-6)上，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)從下至上共軸安裝於旋轉軸(1-7)上，並安裝於基座支架(1-6)的內部；

所述基指節(2)包括基指節殼體(2-1)，驅動輪(2-2)，旋轉軸(2-3)，壓緊塊(2-4)，軸承(2-6)，滑輪(2-7)和(2-8)；旋轉軸(2-3)經軸承(2-6)安裝於基指節殼體(2-1)上；驅動輪(2-2)、滑輪2-8和2-7從右至左安裝於旋轉軸(2-3)上，其中，驅動輪(2-2)與近指節殼體(3-3)固連；滑輪(2-7)和(2-8)可繞旋轉軸(2-3)轉動；壓緊塊(2-4)位於驅動輪(2-2)的前側，並與近指節殼體(3-3)固連，用於壓緊所述驅動腱J1和驅動腱J2的端頭；

所述近指節(3)包括滑輪(3-1)和(3-2)，近指節殼體(3-3)，軸承(3-4)，驅動輪(3-5)，壓緊塊(3-7)，近指節蓋(3-8)，旋轉軸(3-9)；滑輪(3-1)和(3-2)共軸安裝於近指節殼體(3-3)上，並位於滑輪(2-7)和(2-8)的前側；旋轉軸(3-9)經軸承(3-4)安裝於近指節殼體(3-3)上；驅動輪(3-5)安裝於中指節殼體(4-1)的左側，並與其固連；壓緊塊(3-7)位於驅動輪(3-5)的前側，並與中指節殼體(4-1)固連；驅動腱J3和J4的端頭經壓緊塊(3-7)與中指節殼體(4-1)連接；

所述中指節(4)包括中指節殼體(4-1)，軸承(4-2)，連杆(4-3)以及旋轉軸(4-5)；旋轉軸(4-5)經軸承(4-2)安裝於中指節殼體(4-1)上，連杆(4-3)一端與近指節殼體(3-3)連接，另一端與遠指節殼體5-1連接，連杆(4-3)使得中指節殼體(4-1)與近指節殼體(3-3)的運動存在耦合；遠指節殼體5-1可繞旋轉軸(4-5)相對於中指節殼體(4-1)轉動；

所述驅動腱J1繞過驅動輪(2-2)下邊緣，並依次在滑輪(1-14)和滑輪(1-10)上分別繞一圈後，引至基座(1)上；驅動腱J2繞過驅動輪(2-2)上邊緣，並依次在滑輪(1-17)和滑輪(1-11)上分別繞一圈後，引至基座(1)上；驅動腱J3經壓緊塊(3-7)與近中節殼體(4-1)固連，驅動腱J3依次繞過驅動輪(3-5)上邊緣，滑輪(3-2)下邊緣，以及滑輪(2-8)的上邊緣，然後在滑輪(1-16)上繞一圈，最後引至基座上；驅動腱J4經壓緊塊(3-7)與近中節殼體(4-1)固連，驅動腱J4依次繞過驅動輪(3-5)下邊緣，滑輪(3-1)下邊緣，以及滑輪(2-7)的上邊緣，然後在滑輪(1-15)上繞一圈，最後引至基座(1)上。

進一步的，所述基座(1)還包括四個拉力傳感器(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)和傳感器支架(1-5)；傳感器支架(1-5)安裝在基座支架(1-6)上，所述四個拉力傳感器安裝在傳感器支架(1-5)上；所述驅動腱J1、J2、J3和J4引至基座(1)後，分別一一對應地穿過四個拉力傳感器。

進一步的，旋轉軸(1-7)、旋轉軸(2-3)、旋轉軸(3-9)的轉動角度和角速度採用編碼器測量。

進一步的，所述遠指節(5)包括遠指節殼體(5-1)，六維力傳感器(5-2)以及遠指節蓋(5-3)；六維力傳感器安裝於遠指節殼體(5-1)上，用於測量指尖的受力；遠指節蓋(5-3)安裝於六維力傳感器(5-2)頂部，當手指抓取物體時，手指的受力經遠指節蓋(5-3)傳遞於六維力傳感器(5-2)。

一種機械手指的控制方法，對驅動腱J1和J2施加大小和方向相同的拉力，對驅動腱J3和J4也施加大小和方向相同的拉力；控制驅動腱J1和J2所受拉力的合力與驅動腱J3和J4所受拉力的合力不同，則實現手指繞旋轉軸(1-7)的側偏運動。

本發明具有如下有益效果：

(1)本發明運用腱驅動方式對手指各關節進行驅動，能夠實現驅動電機的後置，避免在手指的狹窄空間下布置驅動電機。

(2)本發明運用腱驅動系統對手指各關節進行驅動，能夠在相同的結構尺寸限制下，提供比齒輪、鏈、帶傳動等傳統傳動方式更高的驅動力。

(3)本發明中指節通過連杆耦合驅動遠指節，實現了遠指節與中指節的連動，使得遠指節與中指節之間具有確定的相對運動關係，使用一個電機實現了中指節和遠指節中兩個關節的控制。既實現了手指的抓取，又節省了驅動電機數量。

(4)本發明採用四個驅動源實現手指的彎曲展開和側偏等三個自由度，該驅動方式省去了腱驅動中的張緊機構，簡化了手指結構，降低了成本，提高了可靠性。

(5)本發明中手指具有編碼器、六維力、拉力等多種傳感器，能夠對手指的位置、抓取接觸力，驅動電機驅動力等多種信息進行測量，這些信息都可以作為對驅動電機進行控制的輸入量，是一個多傳感器融合的系統。

附圖說明

圖1為本發明的具有驅動腱J1、J2、J3和J4的機械手指；

圖2為本發明的具有驅動腱J1和J2的機械手指；

圖3為本發明的具有驅動腱J3和J4的機械手指；

1-基座，1-1、1-2、1-3和1-4-拉力傳感器，1-5-傳感器支架，1-6-基座支架，1-7、1-9、2-3、3-9、4-5-旋轉軸，1-8、2-6、3-4、4-2-軸承，1-10、1-11、1-14、1-15、1-16、1-17、2-7、2-8、3-1、3-2-滑輪，1-12-套筒，1-13、2-5、3-6-編碼器，2-基指節，2-1-基指節殼體，2-2、3-5-驅動輪，2-4、3-7-壓緊塊；

3-近指節，3-3-近指節殼體，近指節蓋3-8；

4-中指節，4-1-中指節殼體，4-3-連杆，4-4-中指節蓋；

5-遠指節，5-1-遠指節殼體，5-2-六維力傳感器，5-3-遠指節蓋。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

一種腱-連杆混合傳動的三自由度機械手指，如圖1-4所示，由基座1、基指節2、近指節3、中指節4、遠指節5、驅動腱J1、J2、J3和J4組成。

所述基座1包括拉力傳感器1-1、1-2、1-3和1-4，傳感器支架1-5，基座支架1-6，旋轉軸1-7，軸承1-8，旋轉軸1-9，滑輪1-10和1-11，套筒1-12，編碼器1-13，滑輪1-14、1-15、1-16和1-17。拉力傳感器1-1、1-2、1-3和1-4，安裝於傳感器支架1-5上，傳感器支架1-5與基座支架1-6固連；滑輪1-10和1-11上、下布置，旋轉軸1-9作為兩者的旋轉中心軸，套筒1-12套裝在旋轉軸1-9外側；由此，滑輪1-10和1-11經旋轉軸1-9安裝於基座支架1-6的內部，滑輪1-10和1-11可以繞旋轉軸1-9旋轉；旋轉軸1-7經軸承1-8安裝於基座支架1-6上，滑輪1-14、1-15、1-16和1-17從下至上共軸安裝於旋轉軸1-7上，並安裝於基座支架1-6的內部，可以繞旋轉軸1-7轉動；編碼器1-13用於測量旋轉軸1-7發生旋轉的角度和角速度。

所述基指節2包括基指節殼體2-1，驅動輪2-2，旋轉軸2-3，壓緊塊2-4，編碼器2-5，軸承2-6，滑輪2-7和2-8。旋轉軸2-3經軸承2-6安裝於基指節殼體2-1上；驅動輪2-2、編碼器2-5、滑輪2-7和2-8從右至左安裝於旋轉軸2-3上，其中，驅動輪2-2與近指節殼體3-3固連；滑輪2-7和2-8可繞旋轉軸2-3轉動；壓緊塊2-4位於驅動輪2-2的前側，並與近指節殼體3-3固連，用於壓緊驅動腱J1和驅動腱J2的端頭。

所述近指節3包括滑輪3-1和3-2，近指節殼體3-3，軸承3-4，驅動輪3-5，編碼器3-6，壓緊塊3-7，近指節蓋3-8，旋轉軸3-9。滑輪3-1和3-2共軸安裝於近指節殼體3-3上，並位於滑輪2-7和2-8的前側；旋轉軸3-9經軸承3-4安裝於近指節殼體3-3上；驅動輪3-5、編碼器3-6安裝於旋轉軸3-9上，驅動輪3-5安裝於中指節殼體4-1的左側，並與其固連；壓緊塊3-7位於驅動輪3-5的前側，並與中指節殼體4-1固連；驅動腱J3和J4的端頭經壓緊塊3-7與中指節殼體4-1連接，近指節蓋3-8為手指外包裝結構，安裝於近指節殼體3-3上。

所述中指節4包括中指節殼體4-1，軸承4-2，連杆4-3，中指節蓋4-4，旋轉軸4-5。旋轉軸4-5經軸承4-2安裝於中指節殼體4-1上，連杆4-3一端與近指節殼體3-3連接，另一端與遠指節殼體5-1連接，連杆4-3使得中指節殼體4-1與近指節殼體3-3(指尖)的運動存在耦合，即近指節殼體3-3運動時帶動中指節殼體4-1同時運動；遠指節殼體5-1可繞旋轉軸4-5與中指節殼體4-1發生相對轉動；中指節蓋4-4為手指的外包裝，安裝於中指節殼體4-1上。

所述遠指節5包括遠指節殼體5-1，六維力傳感器5-2，遠指節蓋5-3。六維力傳感器安裝於遠指節殼體5-1上，用於測量指尖的受力；遠指節蓋5-3安裝於六維力傳感器5-2頂部，當手指抓取物體時，手指的受力經遠指節蓋5-3傳遞於六維力傳感器5-2。

所述驅動腱J1和J2的端頭均通過壓緊塊2-4固定在近指節殼體3-3上，其中，驅動腱J1繞過驅動輪2-2下邊緣，並依次在滑輪1-14和滑輪1-10上分別繞一圈後，引至基座1的傳感器支架1-1上。驅動腱J2繞過驅動輪2-2上邊緣，並依次在滑輪1-17和滑輪1-11上分別繞一圈後，引至基座1的傳感器支架1-1上。驅動腱J3經壓緊塊3-7與近中節殼體4-1固連，驅動腱J3依次繞過驅動輪3-5上邊緣，滑輪3-2下邊緣，以及滑輪2-8的上邊緣，然後在滑輪1-16上繞一圈，最後引至基座1的傳感器支架1-3上。驅動腱J4經壓緊塊3-7與近中節殼體4-1固連，驅動腱J4依次繞過驅動輪3-5下邊緣，滑輪3-1下邊緣，以及滑輪2-7的上邊緣，然後在滑輪1-15上繞一圈，最後引至基座1的傳感器支架1-4上。

具體實施方式一：

當驅動腱J1被拉動時，近指節殼體3-3與基指節殼體2-1發生相對彎曲轉動，表現為近指節殼體3-3相對於基指節殼體2-1的彎曲運動；

當驅動腱J2被拉動時，近指節殼體3-3與基指節殼體2-1發生相對展開轉動，表現為近指節殼體3-3相對於基指節殼體2-1的展開運動；當驅動腱J3被拉動時，中指節殼體4-1與近指節殼體3-3發生相對彎曲轉動，表現為中指節殼體4-1相對於近指節殼體3-3的彎曲運動，由於中指節殼體4-1與遠指節殼體5-1之間通過連杆4-3實現耦合連動，因此當中指節殼體4-1與近指節殼體3-3之間發生相對彎曲轉動時，遠指節殼體5-1也會同時相對於中指節殼體4-1發生彎曲轉動；當驅動腱J4被拉動時，中指節殼體4-1與近指節殼體3-3發生相對展開轉動，表現為中指節殼體4-1相對於近指節殼體3-3的展開運動，由於中指節殼體4-1與遠指節殼體5-1之間通過連杆4-3實現耦合連動，因此當中指節殼體4-1與近指節殼體3-3之間發生相對展開時，遠指節殼體5-1也會同時相對於中指節殼體4-1發生展開運動。

具體實施方案二：結合圖1、圖2說明本實施方案。當驅動腱J1、J2被同時拉動時，基指節殼體2-1將繞旋轉軸1-7發生相對於基座支架1-6的轉動，表現為手指沿該拉力繞旋轉軸1-7產生的力矩方向的側偏(順時針方向側偏)；當驅動腱J3、J4被同時拉動時，基指節殼體2-1將繞旋轉軸1-7發生相對於基座支架1-6的轉動，表現為手指沿該拉力繞旋轉軸1-7產生的力矩方向的側偏(逆時針方向側偏)。

具體實施方案三：當手指如具體實施方案一、二中所述進行彎曲、展開和側偏時，中指節殼體4-1相對於近指節殼體3-3的轉動角度和轉動速度通過編碼器3-6測量；近指節殼體3-3相對於基指節殼體2-1的轉動角度和轉動速度通過編碼器2-5測量；基指節殼體2-1相對於基座支架1-6的轉動角度和轉動速度通過編碼器1-13測量；驅動腱J1、J2、J3、J4的驅動拉力通過拉力傳感器1-1、1-2、1-3和1-4進行測量；安裝於遠指節殼體5-1上的六維力傳感器5-2實現對遠指節蓋5-3與被抓物體之間接觸力的測量。這些傳感器測量的信息被傳遞到控制系統用於實現對手指的運動控制。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。