一種欠驅動仿人靈巧手裝置的製作方法

2023-12-09 10:48:36 1

本發明屬於擬人機器人技術與應用領域，涉及到一種欠驅動仿人靈巧手裝置。

背景技術：

隨著機器人技術的不斷發展，仿人機器人由於其可以實現人類多種動作與功能越來越引起人們重視。仿人靈巧手，作為仿人機器人與外部環境交流的直接介質，其活動能力與操作性能對仿人機器人的作業水平有很大的影響，並且仿人靈巧手的結構設計作為仿人機器人的關鍵技術之一，很大程度上限制了仿人機器人技術的發展。

仿人靈巧手一般具有3-5個手指，每個手指具有3-4個關節自由度。根據仿人靈巧手的的驅動形式可將其分為全驅動靈巧手和欠驅動靈巧手。全驅動靈巧手一般每個關節自由度設置一個驅動器，如英國Shadow公司的Shadow手和UB手。此類型仿人靈巧手一般每個關節自由度的轉動由腱繩帶動，關節驅動電機外置於手掌外與手掌相連的手臂中。其主要優點是在功能上仿人手程度高，可以靈活的抓取物體或進行操作，但是由於其驅動器數量較多，一般整手尺寸較大，重量較大，對控制系統要求較高，並且系統複雜，成本高。

欠驅動靈巧手一般每兩個或三個關節自由度設置一個驅動器，如德國宇航局的DLR手、哈工大的HIT手，北航的BH靈巧手。此類型的靈巧手一般將手指末端兩個關節通過齒輪、皮帶輪或連杆進行耦合，通過一個驅動器控制兩個關節同時運動，關節轉動角度一般成特定比例，並且無法改變。其主要優點是通用性較好，抓取時能形成力封閉，成本低，抓取穩定性好，缺點是在接觸物體後欠驅動的關節之間的相對位置不可以主動調節，抓取物體時對手指的初始位置相對抓取物體的位置有一定要求，對不同形狀物體抓取時自適應性不高。

一種已有的仿人靈巧手裝置，如中國發明專利CN103128744，包括手掌、拇指、食指、中指、無名指和小指。除拇指外四指均採用相同結構，每個手指設置三個關節由三組四連杆機構耦合，由一個電機驅動。其不足之處為該裝置除拇指外四指三個關節按1:1:1的運動速率按固定角度同時彎曲，關節不能單獨驅動，靈巧性和人手差別較大，抓取時對不同形狀的物體自適應性較差。另一種已有的仿人靈巧手，如中國發明專利CN1283429C，包括手掌和五個手指，共12個關節自由度，其手指欠驅動關節的彎曲伸直由多級齒輪傳動系統實現，所涉及的齒輪傳動系統具有自解耦效果，其中主動驅動的關節僅有三個，並且除拇指、食指外的三個手指採用一個電機進行驅動，單獨手指不能進行主動彎曲，與人手差別較大，靈巧性不高。

技術實現要素：

針對以上技術缺陷，本發明的目的在於設計出一種欠驅動仿人靈巧手裝置。該裝置採用模塊化手指結構，各手指可以實現獨立控制，具有多個自由度，手指末端兩個關節由連杆機構機械耦合，手指關節接觸物體後對應的欠驅動關節之間的相對位置可以主動調節，使手指根據所抓取物體形狀對物體進行包絡，對物體外形的自適應性強，使其抓取動作更符合人手，整手結構簡單，抓取力大，抓取剛度大，抓取自適應性強，適用於殘疾人假手、排爆、核設備檢測以及類人機器人等領域。

本發明採用如下技術方案：

本發明所述的欠驅動仿人靈巧手裝置，包括五個手指和一個手掌，其中五個手指分別為拇指、食指、中指、無名指和小指。食指、中指、無名指和小指都由基座、基部指節、中間指節、末端指節四部分構成，各指節均具有一個彎曲伸直的自由度。拇指由拇指旋轉凸臺、拇指基座、拇指基部指節、拇指中間指節和拇指末端指節五部分構成，除拇指旋轉凸臺外，其餘結構與其他四指相同。整個拇指還具有一個繞手掌旋轉的自由度。五個手指基部指節的彎曲伸直的自由度由手指第一電機帶動齒輪傳動機構實現，中間指節和末端指節彎曲伸直的自由度通過一個結構可變的連杆傳動機構實現耦合運動，由第二電機驅動。五個手指的第一電機與對應手指基座固連，第二電機與對應手指基部指節固連。手掌包括手掌心端蓋和手掌背骨架，二者通過螺釘固連。

所述一種欠驅動仿人靈巧手裝置的手掌包括手掌心端蓋、手掌背骨架、手掌電機與減速器、手掌第一齒輪、手掌第二齒輪、拇指繞手掌旋轉軸組成。手掌整體尺寸大小與成人手掌大小相近。手掌背骨架上設有對應食指、中指、無名指和小指的限位凹槽和限位孔，食指、中指、無名指和小指的基座背面與設有對應限位凹槽的手掌背骨架面貼合，對應手指基部關節旋轉軸與限位孔套接，實現各手指與手掌背骨架的定位與連接。手掌背骨架上還設有對應手掌電機與減速器的限位凹槽。四個手指的限位凹槽在手掌背骨架上的布置與手掌縱向平行，手掌電機與減速器的限位凹槽的布置與手掌橫向平行。大拇指繞手掌旋轉軸位於中指限位凹槽的正下方，套設於手掌背骨架中。手掌電機與減速器的輸出軸與手掌第一齒輪固連，手掌第二齒輪套設在拇指繞手掌旋轉軸上，二者視為固連，手掌第一齒輪與手掌第二齒輪嚙合。

所述的一種欠驅動仿人靈巧手裝置的食指、中指、無名指、小指具有相同結構，均具有一個基座、三個指節，整體尺寸與成人手尺寸相當。以食指結構為例進行說明。食指包括食指基座、食指基部指節、食指中間指節和食指末端指節。食指第一電機與減速器通過限位凸臺定位固連在食指基座上，食指第一電機與減速器的輸出軸與食指基座齒輪固連，食指基座齒輪與食指基部指節第一齒輪嚙合，食指基部指節第一齒輪和食指基部關節軸固連，食指基部指節套設在食指基座中，由食指基部關節軸鉸接，食指基部關節軸與食指基部指節視為固連。食指第一電機與減速器驅動齒輪傳動系統，使基部指節關節軸旋轉，實現食指基部關節的彎曲伸直。食指第二電機通過食指第二電機與減速器限位凸臺定位，與食指基部指節固連，食指第二電機與減速器輸出軸與食指基部指節第二齒輪固連，食指基部指節第二齒輪與食指中間指節齒輪嚙合，食指中間指節和食指中間指節齒輪分別於食指驅動連杆旋轉軸固連，食指中間指節套設在食指基部指節中，由食指中間關節軸鉸接。食指末端指節套設在食指中間指節的另一端，由食指末端關節軸鉸接。食指第二電機與減速器驅動齒輪傳動系統，將運動和力傳給食指驅動連杆，進而驅動結構可變的連杆傳動機構工作，實現食指中間關節和食指末端關節的彎曲伸直。

所述的一種欠驅動仿人靈巧手裝置的結構可變的連杆傳動機構，以食指為例，包括食指驅動連杆、食指從動連杆和拉簧。食指驅動連杆套接在食指驅動連杆旋轉軸上，由食指驅動連杆限位凸臺限位，食指驅動連杆和食指中間指節齒輪分別與食指驅動連杆旋轉軸固連。食指驅動連杆與食指從動連杆一端鉸接，食指從動連杆另一端套接在食指從動連杆旋轉軸上，由食指從動連杆限位凸臺定位。拉簧第一定位凸臺和拉簧第二定位凸臺上都設有安裝槽，用於拉簧的安裝與定位。驅動力由食指第二電機與減速器輸出軸輸入，經食指基部指節第二齒輪與食指中間指節齒輪傳給食指驅動連杆旋轉軸，帶動食指驅動連杆轉動。食指驅動連杆可以驅動食指從動連杆繞食指末端關節軸或食指中間關節軸旋轉。當食指第二電機與減速器提供的轉矩小於拉簧產生的轉矩時，食指驅動連杆帶動食指從動連杆驅動食指中間指節和食指末端指節一同繞食指中間關節軸旋轉，實現食指中間指節和食指末端指節一同的彎曲伸直；當食指第二電機與減速器提供的轉矩大於拉簧產生的轉矩時，食指末端指節和食指中間指節分離，食指驅動連杆帶動食指從動連杆驅動單獨驅動食指末端指節繞食指末端關節軸旋轉，實現食指末端指節單獨的彎曲伸直。

所述的一種欠驅動仿人靈巧手裝置的拇指結構包括拇指旋轉凸臺、拇指基座、拇指基部指節、拇指中間指節和拇指末端指節。拇指旋轉凸臺套接於拇指繞手掌旋轉軸，視為固連，手掌第二齒輪套接於拇指繞手掌旋轉軸，視為固連。拇指旋轉凸臺側面與手掌水平面成70°，及初始位置拇指與手掌水平面成20°，使得拇指整體可以繞手掌縱向70°角旋轉。手掌電機與減速器輸出軸與手掌第一齒輪固連，手掌第一齒輪與手掌第二齒輪嚙合，驅動力由手掌電機與減速器輸出經齒輪傳動機構傳給拇指繞手掌旋轉軸，帶動拇指旋轉凸臺轉動，實現驅動拇指整體繞手掌旋轉。拇指整體可以繞手掌縱向70°角旋轉，由初始位置最大旋轉90°，此時拇指中心軸線與中指中心軸線共面，在抓取物體時，使食指、無名指、小指對物體的抓力在中指兩側對稱分布，使抓取過程更加穩定。

本發明具有以下優點及突出效果：

該裝置具有獨立控制的5個模塊化手指共16個自由度，整手由11個電機驅動，尺寸形狀和成年人手相當。除拇指外其餘四指結構完全相同，拇指在手掌基部有一個繞手掌縱向旋轉的自由度，其旋轉軸的布置使得整手在抓取物體時，使食指、無名指、小指對物體的抓力在中指兩側對稱分布，提高了抓取穩定性。模塊化手指利用兩個電機分別對手指基部關節和由可變結構的連杆機構耦合的中間關節與末端關節進行驅動，連杆機構使得耦合的兩個手指關節接觸物體後的相對位置可以主動調節，使手指根據所抓取物體形狀對物體進行包絡，對物體外形的自適應性強，使其抓取動作更符合人手。整手結構簡單，抓取力大，抓取剛度大，控制簡單，抓取自適應性強，適用於殘疾人假手、排爆、核設備檢測以及類人機器人領域。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖。

圖2是本發明的手掌結構三維圖。

圖3是本發明的手掌背骨架示意圖。

圖4(a)是本發明的食指結構後視圖。

圖4(b)是本發明的食指結構右視圖。

圖5是本發明的可變結構的連杆機構局部剖視圖(圖中齒輪未畫出)。

圖6(a、b)是本發明的可變連杆機構工作原理示意圖。

圖中：

1-拇指

11-拇指旋轉凸臺 12-拇指基座 13-拇指基部指節 14-拇指中間指節 15-拇指末端指節

2-食指

21-食指基座

211-食指第一電機與減速器 212-食指第一電機與減速器限位凸臺 213-食指基座齒輪

22-食指基部指節

221-食指基部指節第一齒輪 222-食指第二電機與減速器

223-食指第一電機與減速器限位凸臺 224-食指基部指節第二齒輪

225-食指基部關節軸(限位孔) 226-食指驅動連杆旋轉軸

227-食指驅動連杆定位限位凸臺

23-食指中間指節

231-食指中間關節軸 232-食指中間指節齒輪 233-拉簧第一定位凸臺

24-食指末端指節

241-食指末端關節軸 242-食指從動連杆旋轉軸 243-食指從動連杆限位凸臺

244-拉簧第二定位凸臺

25-可變結構的連杆機構

251-食指驅動連杆 252-食指從動連杆 253-拉簧 254-虛擬連杆一 255-虛擬機架一

256-虛擬連杆二 257-虛擬機架二 258-待抓取物體

3-中指

4-無名指

5-小指

6-手掌

61-手掌心端蓋 62-手掌背骨架 63-手掌電機與減速器 64-手掌電機與減速器限位槽

65-手掌第一齒輪 66-手掌第二齒輪 67-拇指繞手掌旋轉軸 68-手指限位槽

69-手指限位孔 610、611、612-螺釘孔

具體實施方式

下面將結合技術方案和附圖詳細說明本發明專利的具體實施例。

本發明所述的欠驅動仿人靈巧手裝置整體結構如圖1所示，包括五個手指和一個手掌，其中五個手指分別為拇指1、食指2、中指3、無名指4和小指5。食指2、中指3、無名指4和小指5都由基座、基部指節、中間指節、末端指節四部分構成，各指節均具有一個彎曲伸直的自由度。拇指1由拇指旋轉凸臺11、拇指基座12、拇指基部指節13、拇指中間指節14和拇指末端指節15五部分構成，除拇指旋轉凸臺11外，其他結構與其餘四指相同。整個拇指1還具有一個繞手掌6旋轉的自由度。五個手指基部指節的彎曲伸直的自由度由手指第一電機帶動齒輪傳動機構實現，中間指節和末端指節彎曲伸直的自由度通過一個結構可變的連杆傳動機構25實現耦合運動，由第二電機驅動。五個手指的第一電機與對應手指基座固連，第二電機與對應手指基部指節固連。手掌6包括手掌心端蓋61和手掌背骨架62，二者通過螺釘610、611、612固連。

所述的手掌6結構如圖2、3所示，包括手掌心端蓋61、手掌背骨架62、手掌電機與減速器63、手掌第一齒輪65、手掌第二齒輪66、拇指繞手掌旋轉軸67組成。手掌6整體尺寸大小與成人手掌大小相近。手掌背骨架62上設有對應食指2、中指3、無名指4和小指5的限位凹槽68和限位孔69，食指2、中指3、無名指4和小指5的基座背面與設有對應限位凹槽68的手掌背骨架62面貼合，對應手指基部關節旋轉軸與限位孔69套接，實現各手指與手掌背骨架62的定位與連接。手掌背骨架62上還設有對應手掌電機與減速器的限位凹槽64。四個手指的限位凹槽68在手掌背骨架62上的布置與手掌6縱向平行，手掌電機與減速器的限位凹槽64的布置與手掌6橫向平行。大拇指繞手掌旋轉軸67位於中指限位凹槽的正下方，套設於手掌背骨架62中。手掌電機與減速器63的輸出軸與手掌第一齒輪65固連，手掌第二齒輪66套設在拇指繞手掌旋轉軸67上，二者視為固連，手掌第一齒輪65與手掌第二齒輪66嚙合。

所述的食指2、中指3、無名指4、小指5具有相同結構，均具有一個基座、三個指節，整體尺寸與成人手尺寸相當。如圖4(a、b)所示，以食指2為例進行說明。食指第一電機與減速器211通過食指第一電機與減速器的限位凸臺212定位固連在食指基座21上，食指第一電機與減速器211的輸出軸與食指基座齒輪213固連，食指基座齒輪213與食指基部指節第一齒輪嚙合221，食指基部指節第一齒輪221和食指基部關節軸225固連，食指基部指節22套設在食指基座21中，由食指基部關節軸225鉸接，食指基部關節軸225與食指基部指節22視為固連。食指第一電機與減速器211驅動齒輪傳動系統，使基部指節關節軸225旋轉，實現食指基部關節22的彎曲伸直。食指第二電機與減速器222通過食指第二電機與減速器限位凸臺223定位，與食指基部指節22固連，食指第二電機與減速器222輸出軸與食指基部指節第二齒輪224固連，食指基部指節第二齒輪224與食指中間指節齒輪232嚙合，食指中間指節23和食指中間指節齒輪232分別於食指驅動連杆旋轉軸226固連，食指中間指節23套設在食指基部指節22中，由食指中間關節軸231鉸接。食指末端指節24套設在食指中間指節23的另一端，由食指末端關節軸241鉸接。食指第二電機與減速器222驅動齒輪傳動系統，將運動和力傳給食指驅動連杆251，進而驅動可變結構的連杆機構25工作，實現食指中間關節23和食指末端關節24的彎曲伸直。

所述的可變結構的連杆機構25如圖5所示，以食指2為例，包括食指驅動連杆251、食指從動連杆252和拉簧253。食指驅動連杆251套接在食指驅動連杆旋轉軸226上，由食指驅動連杆限位凸臺227限位，食指驅動連杆251和食指中間指節齒輪232分別與食指驅動連杆旋轉軸226固連。食指驅動連杆251與食指從動連杆252一端鉸接，食指從動連杆252另一端套接在食指從動連杆旋轉軸242上，由食指從動連杆限位凸臺243定位。拉簧第一定位凸臺233和拉簧第二定位凸臺244分別位於食指中間指節23和食指末端指節24上，初始狀態下，拉簧253處於拉伸狀態。驅動力由食指第二電機與減速器222輸出軸輸入，經食指基部指節第二齒輪224與食指中間指節齒輪232傳給食指驅動連杆旋轉軸226，帶動食指驅動連杆251轉動。食指驅動連杆251可以驅動食指從動連杆252繞食指末端關節軸241或食指中間關節軸231旋轉。當食指第二電機與減速器222提供的轉矩小於拉簧253產生的轉矩時，食指驅動連杆251帶動食指從動連杆252驅動食指中間指節23和食指末端指節24一同繞食指中間關節軸231旋轉，實現食指中間指節23和食指末端指節24作為整體彎曲伸直；當食指第二電機與減速器222提供的轉矩大於拉簧253產生的轉矩時，食指末端指節24和食指中間指節23分離，食指驅動連杆251帶動食指從動連杆252驅動單獨驅動食指末端指節24繞食指末端關節軸241旋轉，實現食指末端指節24單獨的彎曲伸直。

所述的拇指1結構如圖1所示，包括拇指旋轉凸臺11、拇指基座12、拇指基部指節13、拇指中間指節14和拇指末端指節15。除拇指旋轉凸臺11外，其他結構與其餘四指結構相同，在此不再贅述。拇指旋轉凸臺11套接於拇指繞手掌旋轉軸67，視為固連，由手掌第二齒輪66定位。手掌第二齒輪66套接於拇指繞手掌旋轉軸67，視為固連。拇指旋轉凸臺11側面與手掌6水平面成70°，及初始位置拇指1與手掌6水平面成20°，使得拇指1整體可以繞手掌6縱向70°角旋轉。手掌電機與減速器63輸出軸與手掌第一齒輪65固連，手掌第一齒輪65與手掌第二齒輪66嚙合，驅動力由手掌電機與減速器63輸出經齒輪傳動機構傳給拇指繞手掌旋轉軸67，帶動拇指旋轉凸臺11轉動，實現驅動拇指1整體繞手掌6旋轉。拇指1整體可以繞手掌6縱向70°角旋轉，由初始位置最大旋轉90°，此時拇指1中心軸線與中指3中心軸線共面，在抓取物體時，使食指2、無名指4、小指5對物體的抓力在中指兩側對稱分布，使抓取過程更加穩定。

下面介紹本實施例的工作原理。

結合圖4(a、b)、圖5和圖6(a、b)，以食指2為例介紹可變結構的連杆機構25的工作原理。

驅動力由食指第二電機與減速器222，通過與其固連的食指基部指節第二齒輪224傳給與之嚙合的食指中間指節齒輪232，進而驅動與之固連的食指驅動連杆旋轉軸226轉動，帶動與其固連的食指驅動連杆251轉動。當食指中間指節23和食指末端指節24均未與待抓取物體257接觸時，由於食指第二電機與減速器222輸出轉矩不足以克服食指中間指節23和食指末端指節24之間拉簧253的拉力，使得食指中間指節23和食指末端指節24相對位置保持不變，食指中間關節軸231與食指從動連杆旋轉軸242形成虛擬連杆一254，食指中間關節軸與食指驅動連杆旋轉軸形成虛擬機架一255，因此可變結構的連杆機構25簡化為由食指驅動連杆251、食指從動連杆252、虛擬杆一254和虛擬機架一255構成的四桿機構，驅動食指驅動連杆251轉動，進而帶動虛擬杆一254繞食指中間關節軸231轉動，實現食指中間指節23和食指末端指節24整體的彎曲伸直。當食指中間指節23先與待抓取物體257接觸時，食指第二電機與減速器222輸出轉矩克服拉簧253的拉力，使食指中間指節23和食指末端指節24分離。由於待抓取物體257的阻礙，使得食指中間指節不能繼續繞食指中間關節軸231旋轉，食指末端關節軸與食指驅動連杆旋轉軸形成虛擬機架二255，食指末端關節軸與食指從動連杆旋轉軸形成虛擬連杆二256，因此可變結構的連杆機構25簡化為由食指驅動連杆251、食指從動連杆252、虛擬連杆二256和虛擬機架二255構成的四連杆機構。繼續驅動食指驅動連杆251，使虛擬連杆二256繞食指末端關節軸241旋轉，即食指末端指節24繞食指末端關節軸241的彎曲，完成對待抓取物體257進行包絡，實現與人手相當的抓握動作；當食指中間指節23和食指末端指節24一同彎曲時，若食指末端指節24先與待抓取物體257接觸，可以實現與人手相當的捏取動作。

整個食指2的工作原理為

首先驅動力由食指第一電機與減速器212傳給齒輪傳動系統，齒輪傳動系統中的食指基部指節第一齒輪221和食指基部指節22分別與食指基部關節軸226固連，帶動整個食指2繞食指基部關節軸226轉動，直至食指基部指節22、食指中間指節23、食指末端指節24中任一指節與物體258接觸，食指第一電機與減速器211停止轉動，執行上述可變結構的連杆機構25相關工作原理完成對物體258的抓取。食指基部指節22、食指中間指節23和食指末端指節24上可以設置壓力傳感器，當手指碰到物體時，壓力傳感器將信號反饋給電機，使其停止轉動並保持一定的轉矩，實現對物體的穩定抓取。食指2釋放物體258時，食指第一電機與減速器211和食指第二電機與減速器222反轉，帶動齒輪傳動系統驅動食指驅動連杆251反轉，並且在拉簧253的拉力作用下，食指中間指節23和食指末端指節24一同伸直，同時食指第一電機與減速器211將動力傳給齒輪傳動系統，帶動食指基部關節軸225旋轉，實現食指基部關節22的伸直，使食指2回復到初始位置。食指基部關節軸225、食指中間關節軸226和食指末端關節軸242上可以設置角度與位置傳感器來確定手指各關節的位姿。

中指3、無名指4和小指5的工作原理與食指2相同。

拇指1的工作原理為

初始狀態下，拇指2所在平面與手掌6平行。抓取物體時，手掌電機與減速器63驅動齒輪傳動系統，齒輪傳動系統中的手掌第二齒輪66和拇指旋轉凸臺11分別與拇指繞手掌旋轉軸69固連，拇指旋轉凸臺11與拇指2固連，由此驅動拇指2繞拇指繞手掌旋轉軸67轉動到合適位置。拇指繞手掌旋轉軸67上可增加角度傳感器，用於確定拇指1的位姿。拇指1各指節抓取物體的工作原理與食指2相同。