专利名称：欠驱动五指机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人领域，特别涉及一种欠驱动五指机械手。
背景技术：
机器人灵巧手是为多任务而研究开发的一种智能型通用机械手，在太空探索、核能开发、医疗康复器械等诸多领域均有广泛的应用。随着科技水平的不断进步，灵巧手的研究逐渐成为机器人领域一个专门的研究领域，其研究工作取得了迅速的发展，取得了许多有应用价值的成果，其中不乏一些著名的灵巧手，如国外的Stanford/JPL hand、Gifuhand等，国内哈工大研发的HIT灵巧手、北航的BH灵巧手等。以Gifu hand为例，其自由度以及所需驱动器数量也较多，尽管其可以灵活自主的抓取物体，且具有较好的抓取稳定性，但在整个手掌以及手指内侧中布置了大量的触觉传感器，通过增加控制系统和传感器的要求来满足抓取物体时对其形状和尺寸的自动适应，复杂程度高、成本高。而欠驱动可以克服上述灵巧手的一些不足，能够根据物体形状和尺寸达到自适应抓取的目的，降低对灵巧手传感器及控制系统的要求。所谓的欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。简单的说就是输入比要控制的量少的系统。欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析和试验。同时由于系统的高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因，欠驱动系统又足够复杂，便于研究和验证各种算法的有效性。目前，有多种欠驱动的灵巧手专利。如专利CN1231332提及一种欠驱动模块化机器人多指手，该装置具有5个手指，11个自由度，2个主动关节，但其不足之处在于拇指上仅有2个关节，且其余四指根部关节上采用的簧片占用空间大，影响手指美观；专利CN1292712C中提及一种欠驱动模块化拟人机器人多指手，具有5个手指，14个自由度，其具有3个主动关节，中指、无名指与小指采取模块化的连杆传动欠驱动关节；专利CN1283429C中涉及一种5个手指、12个关节自由度的欠驱动模块化拟人机器人多指手，其结构布置与前述专利类似，但其欠驱动关节采用一种模块化的具有自解效果的多级齿轮传动机构来实现，与前述专利一样，其不足之处在于中指、无名指与小指的模块化结构，致使这3指不能独立转动，其灵活性不够，且拇指固定安装在手掌上的四指正对面，不能在手掌侧方和正对面来回摆动；专利CN 101804633A提及一种腱绳欠驱动并联灵巧欠驱动仿生机器人手装置，该装置具有5个独立控制的手指和14个关节自由度，由10个电机驱动，利用电机、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果，然而，并未提及手指的侧摆功能。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种欠驱动五指机械手，解决了现有技术存在的上述问题，实现了自适应抓取与手指独立侧摆功能。本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现:[0006]欠驱动五指机械手，包括拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6，且分别与手掌I固定连接，所述拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6的结构相同，且分别具有手指侧摆电机310和弯曲电机312，分别在两个电机驱动下，实现手指的侧摆和弯曲、反向伸展功能，手指弯曲、反向伸展功能是通过弯曲电机带动带动绕有钢丝绳的旋转轴，改变钢丝绳在旋转轴上的缠绕长度来实现手指弯曲和反向伸展动作；所述手指侧摆电机310通过侧摆电机固定架309与手掌I固定连接在一起。所述的侧摆电机310输出轴上安装一平齿轮I 308，与其相啮合的另一平齿轮
II311、十字关节305与轴承316共用一个侧摆旋转轴307，当手指侧摆电机310有动力输入时，在减速机的作用下带动手指实现侧摆功能。所述的弯曲电机312输出轴上同样安装一平齿轮III 313，与其相啮合的另一平齿轮IV 315的旋转轴314穿过十字关节305，并在十字关节305上下两个平面各安装I个轴承316，当弯曲电机有动力输入时，通过钢丝绳的带动实现手指的弯曲、反向伸展。所述的拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6的每个关节指段和十字关节上都设置有控位销，在控位销与穿过十字关节的旋转轴间缠绕钢丝绳，钢丝绳的两个自由端通过螺钉规定在手指远指关节的中间定位孔501处，当手指段弯曲时，通过改变控位销间的钢丝绳长度变化使各指段绕销轴I 317、销轴II 318、销轴III 319发生旋转而实现手指的弯曲和反向伸展。所述的拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6的每个远指关节的端部设有一个盖子301，盖子301上安装应变式压力传感器，以实现在手指抓取过程中对不同物体的感觉。安装有应变式压力传感器的盖子301可以由具有相同形状的六维力传感器来代替。为使发明的欠驱动五指机械手外形更加美观，将侧挡板固定安装在侧板定位孔402 上。本实用新型的有益效果在于:与现有技术相比，本实用新型结构新颖，简洁紧凑、体积小，各关节连接可靠，在手指关节间的控位销间安装钢丝绳，传动关系简单明了 ；每个手指均具有4个自由度的特点，手指运动范围大，安全性强、各个手指间协调运动灵活，应用范围广；作用所需要的能耗较低，采用12V供电。
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型的手掌的结构示意图；图3为本实用新型的手指的结构示意图；图4为本实用新型的远指关节结构的主视图；图5为本实用新型的远指关节结构的剖视图；图6为本实用新型的近指关节结构的主视图；图7为本实用新型的掌骨关节结构的主视图；图8为本实用新型的十字关节结构的主视图；[0022]图9为本实用新型的钢丝绳的缠绕示意图，其中A向为手指弯曲动作时钢丝绳的缠绕方法，B向为手指反向伸展动作时钢丝绳的缠绕方法；图10为图9的A向示意图；图11为图9的B向示意图。图12为与第一手指段相连接的盖子剖视图。图13为手指侧挡板结构的主视图。图中:1、手掌；2、姆指；3、食指；4、中指；5、无名指；6、小指；201、手指侧摆电机架固定孔；202、手指回转定位孔；301、盖子;302、远指关节;303、近指关节;304、掌骨关节；305、十字关节；306、弯曲电机固定架；307、侧摆旋转轴；308、平齿轮I ;309、侧摆电机固定架；310、手指侧摆电机；311、平齿轮II ;312、手指弯曲电机；313、平齿轮III ;314、绕有钢丝绳的旋转轴；315、平齿轮IV ;316、轴承；317、销轴I ;318、销轴II ;319、销轴III ;401、控位孔I ;402、侧挡板定位孔;501、远指关节中间定位孔;601、控位孔II ;701、控位孔III ;801、控位孔IV。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式
。参见图1，本实用新型的欠驱动五指机械手，包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6，其中，每根手指具有3个关节，具有4个自由度，整个机械手共有20个自由度，每根手指均通过十字关节与手掌I固接在一起。在手掌I的背部，为每根手指配置两个电机，一个电机用于手指的弯曲、反向伸展(弯曲电机)，另一个电机用于实现手指的侧摆功能(侧摆电机)。鉴于每根手指的结构一致，以下仅以食指为例进行结构说明。参见图2所示，手掌I上分别设置了拇指、食指、中指、无名指和小指的手指侧摆电机架固定孔201，以及手指回转定位孔202，在手指回转定位孔202内安装轴承316。参见图3所示，食指侧摆电机310通过固定架309固定在手掌I上的固定孔201，整个手指便与手掌固接在一起，手指侧摆电机310的输出轴上安装一平齿轮I 308，在手指回转定位孔202处安装有轴承316，穿过轴承的侧摆旋转轴307将手掌1、十字关节305、与平齿轮II 311固接在一起，电机输出轴上的平齿轮I 308与平齿轮II 311相啮合，两个平齿轮构成一减速机构。当电机有动力输入时，电机经平齿轮减速机构使整个手指在轴承的作用下相对于手掌侧摆，实现手指的侧摆功能。用于手指弯曲的弯曲电机312，通过弯曲电机固定架306固定在十字关节305上，弯曲电机输出轴上同样安装有一平齿轮III 313，在十字关节305上下两个平面上各安装有
I个轴承316，穿过2个轴承的绕有钢丝绳的旋转轴314上安装一个平齿轮IV 315，该平齿轮IV 315与电机输出轴上的平齿轮III 313对啮，构成一减速机构。手指弯曲、反向伸展功能是通过弯曲电机312带动绕有钢丝绳的旋转轴314，改变钢丝绳在旋转轴上的长度来实现手指弯曲和反向伸展动作，当弯曲电机正转时，实现手指的弯曲动作，反之当弯曲电机反转时，实现手指的反向伸展动作。参见图3、图4至图13所示，手指共有3个关节，3个手指段，分别为远指关节302、近指关节303、掌骨关节304，在远指关节302端部安装有一个盖子301，盖子301主要用来安装应变式压力传感器，以实现在手指弯曲抓取物体时感受到抓取物体的力，以适应不同物体的抓取，安装有应变式压力传感器的盖子301可以由具有相同形状的六维力传感器来代替。3个指段之间利用销轴相连接起来，分别为销轴1、11、111317、318、319，在钢丝绳的作用下，3个指段可以绕各自的销轴转动，从而实现手指的弯曲和反向伸展。为了使钢丝绳穿过每个指段并使3个指段通过钢丝绳缠绕连接起来，在远指关节302、近指关节303、掌骨关节304、十字关节305上分别设置了控位孔，其中，在十字关节305上设置2对控位孔IV 801，而远指关节302上设置2对控位孔401 I，近指关节303上设置4对控位孔II 601、掌骨关节304上设置4对控位孔III 701，每对控位孔间安装一个控位销，钢丝绳则缠绕在控位销上。穿过2个轴承的旋转轴316、控位销绕上绕有一根钢丝绳，绕好后的钢丝绳的两自由端端部通过螺钉固定在远指关节302的顶端的远指关节中间定位孔501内，绳子在手指的3个关节的控位销与旋转轴构成一个回路，当用于手指弯曲的弯曲电机312有动力输入时，在减速齿轮作用下，旋转轴转动，改变钢丝绳在旋转轴上的缠绕长度变化，实现手指的弯曲或反向伸展。在手指段、十字关节间与穿过十字关节的旋转轴间绕有钢丝绳，钢丝绳的两自由端固定在手指远指关节的中间定位孔501上。当电机有动力输入时，在减速机的带动下，绕有钢丝绳的旋转轴314旋转，改变了该轴上的旋转长度，进而使控位销间的钢丝绳长度发生变化，使控位销间的角度发生变化，进而将改变手指的弯曲和反向伸展程度，实现手指的弯曲与反向伸展动作。同其他欠驱动的机械手相比，每根手指上的钢丝绳的数量减少为I根。具有手指侧摆电机310和弯曲电机312驱动的拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6，分别通过手指侧摆电机的固定架与手掌I固定连接，在2个电机驱动下，分别实现手指的侧摆和弯曲功能，手指弯曲功能是通过弯曲电机312带动钢丝绳来实现的，其中的拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6结构相冋。手指侧摆电机310输出轴上安装一平齿轮I 308，与其相啮合的另一平齿轮
II311、十字关节305与轴承共用一个侧摆旋转轴307，当手指侧摆电机310与有动力输入时，在减速机的作用下，带动手指实现侧摆功能。手指的弯曲电机312输出轴上同样安装一平齿轮III 313，与其相啮合的另一平齿轮IV 315的旋转轴314穿过十字关节305，并在十字关节305上安装轴承316，当电机有动力输入时，通过钢丝绳的带动实现手指的弯曲、反向伸展。在手指的每个关节手指段和十字关节305上都设置有控位销，在控位销与穿过十字关节的旋转轴间缠绕钢丝绳，钢丝绳的两个自由端通过螺钉规定在手指远指关节的中间定位孔501处。当手指段弯曲时，通过改变控位销间的钢丝绳长度变化来实现手指的弯曲和反向伸展。在手指远指关节302的端部设有一个盖子301，盖子301上安装应变式压力传感器，以实现在手指抓取过程中对不同物体的感觉，安装有应变式压力传感器的盖子301可以由具有相同形状的六维力传感器来代替。当手指侧摆电机310有动力输入时，手指开始侧摆动作，侧摆的角度范围为-20°至20°，而当手指的弯曲电机312有动力输入时，在钢丝绳的作用下，手指开始弯曲动作，首先是掌骨关节304开始弯曲，掌骨关节304的关节弯曲角度范围为-20°至90°，当掌骨关节304达到最大角度时,近指关节303开始动作，当近指关节303达到最大角度时,远指关节302开始弯曲动作，近指关节303与掌骨关节304的关节弯曲角度分别为0°至90°。[0041]以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种欠驱动五指机械手，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)和小指(6)，且分别与手掌(I)固定连接，其特征在于:所述拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)和小指(6)的结构相同，且分别具有手指侧摆电机(310)和弯曲电机(312)，分别在两个电机驱动下，实现手指的侧摆和弯曲、反向伸展功能；所述的手指侧摆电机(310)通过固定架(309 )与手掌(I)固定连接在一起，所述的手指弯曲电机(312 )通过固定架(306 )与十字关节(305)固定连接在一起。
2.根据权利要求1所述的欠驱动五指机械手，其特征在于:所述的侧摆电机(310)输出轴上安装一平齿轮I (308)，与其相啮合的另一平齿轮II (311)、十字关节(305)与轴承(316)共用一个侧摆旋转轴(307)，当手指侧摆电机(310)有动力输入时，在减速机的作用下带动手指实现侧摆功能。
3.根据权利要求1所述的欠驱动五指机械手，其特征在于:所述的弯曲电机(312)输出轴上同样安装一平齿轮111(313)，与其相啮合的另一平齿轮IV(315)的绕有钢丝绳的旋转轴(314)穿过十字关节(305)，并在十字关节(305)上安装轴承(316)，当电机有动力输入时，通过钢丝绳的带动实现手指的弯曲、反向伸展功能；手指弯曲、反向伸展功能是通过弯曲电机带动绕有钢丝绳的旋转轴，改变钢丝绳在旋转轴上的缠绕长度来实现手指弯曲和反向伸展动作，当弯曲电机正转时，实现手指的弯曲动作，反之当弯曲电机反转时，实现手指的反向伸展动作。
4.根据权利要求1所述的欠驱动五指机械手，其特征在于:所述的拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)和小指(6)的每个关节指段和十字关节(305)上都设置有控位销，在控位销与穿过十字关节的旋转轴间缠绕钢丝绳，钢丝绳的两个自由端通过螺钉规定在手指远指关节的中间定位孔处(501)，手指段弯曲、反向伸展是通过在旋转轴上的缠绕长度来实现。
5.根据权利要求1所述的欠驱动五指机械手，其特征在于:所述的拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)和小指(6)的每个手指远指关节的端部设有一个盖子(301)，盖子(301)上安装应变式压力传感器，以实现在手指抓取过程中对不同物体的感觉。
6.根据权利要求5所述的欠驱动五指机械手，其特征在于:所述的安装有应变式压力传感器的盖子(301) 为具有相同形状的六维力传感器。
专利摘要本实用新型涉及一种欠驱动五指机械手，属于机器人领域。分别具有手指侧摆电机和弯曲电机驱动的拇指、食指、中指、无名指和小指分别与手掌固定连接，其中的拇指、食指、中指、无名指和小指结构相同。在2个电机驱动下，分别实现手指的侧摆和弯曲、反向伸展功能，侧摆电机有动力输入时，在侧摆电机正反转的情况下，使手指实现左右方向的侧摆功能，而手指弯曲、反向伸展功能是通过弯曲电机带动缠绕有钢丝绳的旋转轴，改变钢丝绳在旋转轴上的缠绕长度来实现手指弯曲和反向伸展动作。优点在于结构新颖，简洁紧凑、体积小，各关节连接可靠；每个手指均具有4个自由度，运动范围大，安全性强、各个手指间协调运动灵活，应用范围广，能耗较低。
文档编号B25J17/02GK203077298SQ20132010515
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者唐新星, 张习烨, 白冰, 张楠, 丁金阳, 安东宁, 王壮旭, 王敏, 田建成, 高宏伟, 王 锋, 夏远东 申请人:长春工业大学