欠驅動五指機械手的製作方法

2023-05-19 02:02:31 1

專利名稱：欠驅動五指機械手的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人領域，特別涉及一種欠驅動五指機械手。
背景技術：
機器人靈巧手是為多任務而研究開發的一種智能型通用機械手，在太空探索、核能開發、醫療康復器械等諸多領域均有廣泛的應用。隨著科技水平的不斷進步，靈巧手的研究逐漸成為機器人領域一個專門的研究領域，其研究工作取得了迅速的發展，取得了許多有應用價值的成果，其中不乏一些著名的靈巧手，如國外的Stanford/JPL hand、Gifuhand等，國內哈工大研發的HIT靈巧手、北航的BH靈巧手等。以Gifu hand為例，其自由度以及所需驅動器數量也較多，儘管其可以靈活自主的抓取物體，且具有較好的抓取穩定性，但在整個手掌以及手指內側中布置了大量的觸覺傳感器，通過增加控制系統和傳感器的要求來滿足抓取物體時對其形狀和尺寸的自動適應，複雜程度高、成本高。而欠驅動可以克服上述靈巧手的一些不足，能夠根據物體形狀和尺寸達到自適應抓取的目的，降低對靈巧手傳感器及控制系統的要求。所謂的欠驅動系統是指系統的獨立控制變量個數小於系統自由度個數的一類非線性系統，在節約能量、降低造價、減輕重量、增強系統靈活度等方面都較完全驅動系統優越。簡單的說就是輸入比要控制的量少的系統。欠驅動系統結構簡單，便於進行整體的動力學分析和試驗。同時由於系統的高度非線性、參數攝動、多目標控制要求及控制量受限等原因，欠驅動系統又足夠複雜，便於研究和驗證各種算法的有效性。目前，有多種欠驅動的靈巧手專利。如專利CN1231332提及一種欠驅動模塊化機器人多指手，該裝置具有5個手指，11個自由度，2個主動關節，但其不足之處在於拇指上僅有2個關節，且其餘四指根部關節上採用的簧片佔用空間大，影響手指美觀；專利CN1292712C中提及一種欠驅動模塊化擬人機器人多指手，具有5個手指，14個自由度，其具有3個主動關節，中指、無名指與小指採取模塊化的連杆傳動欠驅動關節；專利CN1283429C中涉及一種5個手指、12個關節自由度的欠驅動模塊化擬人機器人多指手，其結構布置與前述專利類似，但其欠驅動關節採用一種模塊化的具有自解效果的多級齒輪傳動機構來實現，與前述專利一樣，其不足之處在於中指、無名指與小指的模塊化結構，致使這3指不能獨立轉動，其靈活性不夠，且拇指固定安裝在手掌上的四指正對面，不能在手掌側方和正對面來回擺動；專利CN 101804633A提及一種腱繩欠驅動並聯靈巧欠驅動仿生機器人手裝置，該裝置具有5個獨立控制的手指和14個關節自由度，由10個電機驅動，利用電機、腱繩和復位簧件綜合實現了手指初始構型可變與自適應抓取相結合的特殊效果，然而，並未提及手指的側擺功能。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種欠驅動五指機械手，解決了現有技術存在的上述問題，實現了自適應抓取與手指獨立側擺功能。本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現:[0006]欠驅動五指機械手，包括拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6，且分別與手掌I固定連接，所述拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6的結構相同，且分別具有手指側擺電機310和彎曲電機312，分別在兩個電機驅動下，實現手指的側擺和彎曲、反向伸展功能，手指彎曲、反向伸展功能是通過彎曲電機帶動帶動繞有鋼絲繩的旋轉軸，改變鋼絲繩在旋轉軸上的纏繞長度來實現手指彎曲和反向伸展動作；所述手指側擺電機310通過側擺電機固定架309與手掌I固定連接在一起。所述的側擺電機310輸出軸上安裝一平齒輪I 308，與其相嚙合的另一平齒輪
II311、十字關節305與軸承316共用一個側擺旋轉軸307，當手指側擺電機310有動力輸入時，在減速機的作用下帶動手指實現側擺功能。所述的彎曲電機312輸出軸上同樣安裝一平齒輪III 313，與其相嚙合的另一平齒輪IV 315的旋轉軸314穿過十字關節305，並在十字關節305上下兩個平面各安裝I個軸承316，當彎曲電機有動力輸入時，通過鋼絲繩的帶動實現手指的彎曲、反向伸展。所述的拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6的每個關節指段和十字關節上都設置有控位銷，在控位銷與穿過十字關節的旋轉軸間纏繞鋼絲繩，鋼絲繩的兩個自由端通過螺釘規定在手指遠指關節的中間定位孔501處，當手指段彎曲時，通過改變控位銷間的鋼絲繩長度變化使各指段繞銷軸I 317、銷軸II 318、銷軸III 319發生旋轉而實現手指的彎曲和反向伸展。所述的拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6的每個遠指關節的端部設有一個蓋子301，蓋子301上安裝應變式壓力傳感器，以實現在手指抓取過程中對不同物體的感覺。安裝有應變式壓力傳感器的蓋子301可以由具有相同形狀的六維力傳感器來代替。為使發明的欠驅動五指機械手外形更加美觀，將側擋板固定安裝在側板定位孔402 上。本實用新型的有益效果在於:與現有技術相比，本實用新型結構新穎，簡潔緊湊、體積小，各關節連接可靠，在手指關節間的控位銷間安裝鋼絲繩，傳動關係簡單明了 ；每個手指均具有4個自由度的特點，手指運動範圍大，安全性強、各個手指間協調運動靈活，應用範圍廣；作用所需要的能耗較低，採用12V供電。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的手掌的結構示意圖；圖3為本實用新型的手指的結構示意圖；圖4為本實用新型的遠指關節結構的主視圖；圖5為本實用新型的遠指關節結構的剖視圖；圖6為本實用新型的近指關節結構的主視圖；圖7為本實用新型的掌骨關節結構的主視圖；圖8為本實用新型的十字關節結構的主視圖；[0022]圖9為本實用新型的鋼絲繩的纏繞示意圖，其中A向為手指彎曲動作時鋼絲繩的纏繞方法，B向為手指反向伸展動作時鋼絲繩的纏繞方法；圖10為圖9的A向示意圖；圖11為圖9的B向示意圖。圖12為與第一手指段相連接的蓋子剖視圖。圖13為手指側擋板結構的主視圖。圖中:1、手掌；2、姆指；3、食指；4、中指；5、無名指；6、小指；201、手指側擺電機架固定孔；202、手指迴轉定位孔；301、蓋子;302、遠指關節;303、近指關節;304、掌骨關節；305、十字關節；306、彎曲電機固定架；307、側擺旋轉軸；308、平齒輪I ;309、側擺電機固定架；310、手指側擺電機；311、平齒輪II ;312、手指彎曲電機；313、平齒輪III ;314、繞有鋼絲繩的旋轉軸；315、平齒輪IV ;316、軸承；317、銷軸I ;318、銷軸II ;319、銷軸III ;401、控位孔I ;402、側擋板定位孔;501、遠指關節中間定位孔;601、控位孔II ;701、控位孔III ;801、控位孔IV。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖1，本實用新型的欠驅動五指機械手，包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、無名指5、小指6，其中，每根手指具有3個關節，具有4個自由度，整個機械手共有20個自由度，每根手指均通過十字關節與手掌I固接在一起。在手掌I的背部，為每根手指配置兩個電機，一個電機用於手指的彎曲、反向伸展(彎曲電機)，另一個電機用於實現手指的側擺功能(側擺電機)。鑑於每根手指的結構一致，以下僅以食指為例進行結構說明。參見圖2所示，手掌I上分別設置了拇指、食指、中指、無名指和小指的手指側擺電機架固定孔201，以及手指迴轉定位孔202，在手指迴轉定位孔202內安裝軸承316。參見圖3所示，食指側擺電機310通過固定架309固定在手掌I上的固定孔201，整個手指便與手掌固接在一起，手指側擺電機310的輸出軸上安裝一平齒輪I 308，在手指迴轉定位孔202處安裝有軸承316，穿過軸承的側擺旋轉軸307將手掌1、十字關節305、與平齒輪II 311固接在一起，電機輸出軸上的平齒輪I 308與平齒輪II 311相嚙合，兩個平齒輪構成一減速機構。當電機有動力輸入時，電機經平齒輪減速機構使整個手指在軸承的作用下相對於手掌側擺，實現手指的側擺功能。用於手指彎曲的彎曲電機312，通過彎曲電機固定架306固定在十字關節305上，彎曲電機輸出軸上同樣安裝有一平齒輪III 313，在十字關節305上下兩個平面上各安裝有
I個軸承316，穿過2個軸承的繞有鋼絲繩的旋轉軸314上安裝一個平齒輪IV 315，該平齒輪IV 315與電機輸出軸上的平齒輪III 313對齧，構成一減速機構。手指彎曲、反向伸展功能是通過彎曲電機312帶動繞有鋼絲繩的旋轉軸314，改變鋼絲繩在旋轉軸上的長度來實現手指彎曲和反向伸展動作，當彎曲電機正轉時，實現手指的彎曲動作，反之當彎曲電機反轉時，實現手指的反向伸展動作。參見圖3、圖4至圖13所示，手指共有3個關節，3個手指段，分別為遠指關節302、近指關節303、掌骨關節304，在遠指關節302端部安裝有一個蓋子301，蓋子301主要用來安裝應變式壓力傳感器，以實現在手指彎曲抓取物體時感受到抓取物體的力，以適應不同物體的抓取，安裝有應變式壓力傳感器的蓋子301可以由具有相同形狀的六維力傳感器來代替。3個指段之間利用銷軸相連接起來，分別為銷軸1、11、111317、318、319，在鋼絲繩的作用下，3個指段可以繞各自的銷軸轉動，從而實現手指的彎曲和反向伸展。為了使鋼絲繩穿過每個指段並使3個指段通過鋼絲繩纏繞連接起來，在遠指關節302、近指關節303、掌骨關節304、十字關節305上分別設置了控位孔，其中，在十字關節305上設置2對控位孔IV 801，而遠指關節302上設置2對控位孔401 I，近指關節303上設置4對控位孔II 601、掌骨關節304上設置4對控位孔III 701，每對控位孔間安裝一個控位銷，鋼絲繩則纏繞在控位銷上。穿過2個軸承的旋轉軸316、控位銷繞上繞有一根鋼絲繩，繞好後的鋼絲繩的兩自由端端部通過螺釘固定在遠指關節302的頂端的遠指關節中間定位孔501內，繩子在手指的3個關節的控位銷與旋轉軸構成一個迴路，當用於手指彎曲的彎曲電機312有動力輸入時，在減速齒輪作用下，旋轉軸轉動，改變鋼絲繩在旋轉軸上的纏繞長度變化，實現手指的彎曲或反向伸展。在手指段、十字關節間與穿過十字關節的旋轉軸間繞有鋼絲繩，鋼絲繩的兩自由端固定在手指遠指關節的中間定位孔501上。當電機有動力輸入時，在減速機的帶動下，繞有鋼絲繩的旋轉軸314旋轉，改變了該軸上的旋轉長度，進而使控位銷間的鋼絲繩長度發生變化，使控位銷間的角度發生變化，進而將改變手指的彎曲和反向伸展程度，實現手指的彎曲與反向伸展動作。同其他欠驅動的機械手相比，每根手指上的鋼絲繩的數量減少為I根。具有手指側擺電機310和彎曲電機312驅動的拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6，分別通過手指側擺電機的固定架與手掌I固定連接，在2個電機驅動下，分別實現手指的側擺和彎曲功能，手指彎曲功能是通過彎曲電機312帶動鋼絲繩來實現的，其中的拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6結構相冋。手指側擺電機310輸出軸上安裝一平齒輪I 308，與其相嚙合的另一平齒輪
II311、十字關節305與軸承共用一個側擺旋轉軸307，當手指側擺電機310與有動力輸入時，在減速機的作用下，帶動手指實現側擺功能。手指的彎曲電機312輸出軸上同樣安裝一平齒輪III 313，與其相嚙合的另一平齒輪IV 315的旋轉軸314穿過十字關節305，並在十字關節305上安裝軸承316，當電機有動力輸入時，通過鋼絲繩的帶動實現手指的彎曲、反向伸展。在手指的每個關節手指段和十字關節305上都設置有控位銷，在控位銷與穿過十字關節的旋轉軸間纏繞鋼絲繩，鋼絲繩的兩個自由端通過螺釘規定在手指遠指關節的中間定位孔501處。當手指段彎曲時，通過改變控位銷間的鋼絲繩長度變化來實現手指的彎曲和反向伸展。在手指遠指關節302的端部設有一個蓋子301，蓋子301上安裝應變式壓力傳感器，以實現在手指抓取過程中對不同物體的感覺，安裝有應變式壓力傳感器的蓋子301可以由具有相同形狀的六維力傳感器來代替。當手指側擺電機310有動力輸入時，手指開始側擺動作，側擺的角度範圍為-20°至20°，而當手指的彎曲電機312有動力輸入時，在鋼絲繩的作用下，手指開始彎曲動作，首先是掌骨關節304開始彎曲，掌骨關節304的關節彎曲角度範圍為-20°至90°，當掌骨關節304達到最大角度時,近指關節303開始動作，當近指關節303達到最大角度時,遠指關節302開始彎曲動作，近指關節303與掌骨關節304的關節彎曲角度分別為0°至90°。[0041]以上所述僅為本實用新型的優選實例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種欠驅動五指機械手，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)，且分別與手掌(I)固定連接，其特徵在於:所述拇指(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)的結構相同，且分別具有手指側擺電機(310)和彎曲電機(312)，分別在兩個電機驅動下，實現手指的側擺和彎曲、反向伸展功能；所述的手指側擺電機(310)通過固定架(309 )與手掌(I)固定連接在一起，所述的手指彎曲電機(312 )通過固定架(306 )與十字關節(305)固定連接在一起。
2.根據權利要求1所述的欠驅動五指機械手，其特徵在於:所述的側擺電機(310)輸出軸上安裝一平齒輪I (308)，與其相嚙合的另一平齒輪II (311)、十字關節(305)與軸承(316)共用一個側擺旋轉軸(307)，當手指側擺電機(310)有動力輸入時，在減速機的作用下帶動手指實現側擺功能。
3.根據權利要求1所述的欠驅動五指機械手，其特徵在於:所述的彎曲電機(312)輸出軸上同樣安裝一平齒輪111(313)，與其相嚙合的另一平齒輪IV(315)的繞有鋼絲繩的旋轉軸(314)穿過十字關節(305)，並在十字關節(305)上安裝軸承(316)，當電機有動力輸入時，通過鋼絲繩的帶動實現手指的彎曲、反向伸展功能；手指彎曲、反向伸展功能是通過彎曲電機帶動繞有鋼絲繩的旋轉軸，改變鋼絲繩在旋轉軸上的纏繞長度來實現手指彎曲和反向伸展動作，當彎曲電機正轉時，實現手指的彎曲動作，反之當彎曲電機反轉時，實現手指的反向伸展動作。
4.根據權利要求1所述的欠驅動五指機械手，其特徵在於:所述的拇指(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)的每個關節指段和十字關節(305)上都設置有控位銷，在控位銷與穿過十字關節的旋轉軸間纏繞鋼絲繩，鋼絲繩的兩個自由端通過螺釘規定在手指遠指關節的中間定位孔處(501)，手指段彎曲、反向伸展是通過在旋轉軸上的纏繞長度來實現。
5.根據權利要求1所述的欠驅動五指機械手，其特徵在於:所述的拇指(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)的每個手指遠指關節的端部設有一個蓋子(301)，蓋子(301)上安裝應變式壓力傳感器，以實現在手指抓取過程中對不同物體的感覺。
6.根據權利要求5所述的欠驅動五指機械手，其特徵在於:所述的安裝有應變式壓力傳感器的蓋子(301) 為具有相同形狀的六維力傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種欠驅動五指機械手，屬於機器人領域。分別具有手指側擺電機和彎曲電機驅動的拇指、食指、中指、無名指和小指分別與手掌固定連接，其中的拇指、食指、中指、無名指和小指結構相同。在2個電機驅動下，分別實現手指的側擺和彎曲、反向伸展功能，側擺電機有動力輸入時，在側擺電機正反轉的情況下，使手指實現左右方向的側擺功能，而手指彎曲、反向伸展功能是通過彎曲電機帶動纏繞有鋼絲繩的旋轉軸，改變鋼絲繩在旋轉軸上的纏繞長度來實現手指彎曲和反向伸展動作。優點在於結構新穎，簡潔緊湊、體積小，各關節連接可靠；每個手指均具有4個自由度，運動範圍大，安全性強、各個手指間協調運動靈活，應用範圍廣，能耗較低。
文檔編號B25J17/02GK203077298SQ20132010515
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月8日 優先權日2013年3月8日
發明者唐新星, 張習燁, 白冰, 張楠, 丁金陽, 安東寧, 王壯旭, 王敏, 田建成, 高宏偉, 王 鋒, 夏遠東 申請人:長春工業大學