一种腱‑连杆混合传动的三自由度机械手指及控制方法与流程

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种腱-连杆混合传动的三自由度机械手指及控制方法。

背景技术：

机械手指是机械手的核心组成部分，而机械手是工业领域或空间领域实施抓取操作的重要执行机构，机械手能够执行精细操作、灵巧操作，完成抓握、旋拧、插拔、移动、对准等典型的操作，这些操作在地面和空间任务中都具有代表性。当机械手指应用于工业生产和空间环境时，机械手指应尽可能结构简单、性能稳定可靠、具有实现抓取操作所需的传感器等。

目前机械手指的驱动方式多以电机直接驱动关节为主，该种方式中电机置于机械手指内部，由于受到手指空间的限制，电机体积较小，导致手指的抓取力较小；目前机械手指的传感器以位置传感器为主，也有部分手指具有指尖力传感器，腱驱动手指中能够测量驱动力的手指更少；本发明提供了一种能够测量关节位置、速度、指尖力、腱驱动力功能的腱-连杆混合驱动机械手指，该手指的驱动电机置于外部，驱动电机的选择不受手指尺寸的限制，具有传感器丰富、结构简单、指尖出力大、可靠性高、操作性强等优点。

专利US8459711B2中设计了一种液压驱动的五指机械手，该手的手指采用液压驱动，每个手指具有三个弯曲关节，三个关节之间采用连杆形成耦合传动形成一个弯曲自由度，该手指具有出力大的优点。该手指的缺点表现为自由度较少，由于是液压驱动因此空间环境适应性较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种腱-连杆混合传动的三自由度机械手指及控制方法,采用驱动腱驱动手指各关节运动，驱动源置于手指外部，使得手指具有了结构简单、体积和质量小的特点，多传感器又使得手指具有多种感知能力，提高了手指的可操控性，使得手指具备了实现高级控制所需的硬件基础。

一种机械手指，包括四根驱动腱J1、J2、J3、J4以及顺次相连的基座(1)、基指节(2)、近指节(3)、中指节(4)和远指节(5)；

所述基座(1)为整个机械手指的支架，基座(1)、基指节(2)、近指节(3)、中指节(4)、与远指节(5)的相邻两部件之间形成转动副；所述远指节(5)还与近指节(3)之间采用连杆进行连接，以产生远指节(5)与中指节(4)之间的耦合运动；驱动腱J1和驱动腱J2的一端均固定在近指节(3)上，另一端分别引至基座(1)处；驱动腱J1和驱动腱J2分别用于驱动近指节(3)绕基指节(2)的弯曲和展开运动；驱动腱J3和驱动腱J4的一端均固定在中指节(4)上，另一端分别引至基座(1)处，驱动腱J3和驱动腱J4用于驱动中指节(4)绕近指节(3)的弯曲和展开运动。

进一步的，所述基座(1)包括基座支架(1-6)，旋转轴(1-7)，轴承(1-8)，旋转轴(1-9)，滑轮(1-10)和(1-11)，滑轮(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)；其中，滑轮(1-10)和(1-11)上、下安装在旋转轴(1-9)上，并置于基座支架(1-6)的内部；旋转轴(1-7)经轴承(1-8)安装于基座支架(1-6)上，滑轮(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)从下至上共轴安装于旋转轴(1-7)上，并安装于基座支架(1-6)的内部；

所述基指节(2)包括基指节壳体(2-1)，驱动轮(2-2)，旋转轴(2-3)，压紧块(2-4)，轴承(2-6)，滑轮(2-7)和(2-8)；旋转轴(2-3)经轴承(2-6)安装于基指节壳体(2-1)上；驱动轮(2-2)、滑轮2-8和2-7从右至左安装于旋转轴(2-3)上，其中，驱动轮(2-2)与近指节壳体(3-3)固连；滑轮(2-7)和(2-8)可绕旋转轴(2-3)转动；压紧块(2-4)位于驱动轮(2-2)的前侧，并与近指节壳体(3-3)固连，用于压紧所述驱动腱J1和驱动腱J2的端头；

所述近指节(3)包括滑轮(3-1)和(3-2)，近指节壳体(3-3)，轴承(3-4)，驱动轮(3-5)，压紧块(3-7)，近指节盖(3-8)，旋转轴(3-9)；滑轮(3-1)和(3-2)共轴安装于近指节壳体(3-3)上，并位于滑轮(2-7)和(2-8)的前侧；旋转轴(3-9)经轴承(3-4)安装于近指节壳体(3-3)上；驱动轮(3-5)安装于中指节壳体(4-1)的左侧，并与其固连；压紧块(3-7)位于驱动轮(3-5)的前侧，并与中指节壳体(4-1)固连；驱动腱J3和J4的端头经压紧块(3-7)与中指节壳体(4-1)连接；

所述中指节(4)包括中指节壳体(4-1)，轴承(4-2)，连杆(4-3)以及旋转轴(4-5)；旋转轴(4-5)经轴承(4-2)安装于中指节壳体(4-1)上，连杆(4-3)一端与近指节壳体(3-3)连接，另一端与远指节壳体5-1连接，连杆(4-3)使得中指节壳体(4-1)与近指节壳体(3-3)的运动存在耦合；远指节壳体5-1可绕旋转轴(4-5)相对于中指节壳体(4-1)转动；

所述驱动腱J1绕过驱动轮(2-2)下边缘，并依次在滑轮(1-14)和滑轮(1-10)上分别绕一圈后，引至基座(1)上；驱动腱J2绕过驱动轮(2-2)上边缘，并依次在滑轮(1-17)和滑轮(1-11)上分别绕一圈后，引至基座(1)上；驱动腱J3经压紧块(3-7)与近中节壳体(4-1)固连，驱动腱J3依次绕过驱动轮(3-5)上边缘，滑轮(3-2)下边缘，以及滑轮(2-8)的上边缘，然后在滑轮(1-16)上绕一圈，最后引至基座上；驱动腱J4经压紧块(3-7)与近中节壳体(4-1)固连，驱动腱J4依次绕过驱动轮(3-5)下边缘，滑轮(3-1)下边缘，以及滑轮(2-7)的上边缘，然后在滑轮(1-15)上绕一圈，最后引至基座(1)上。

进一步的，所述基座(1)还包括四个拉力传感器(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)和传感器支架(1-5)；传感器支架(1-5)安装在基座支架(1-6)上，所述四个拉力传感器安装在传感器支架(1-5)上；所述驱动腱J1、J2、J3和J4引至基座(1)后，分别一一对应地穿过四个拉力传感器。

进一步的，旋转轴(1-7)、旋转轴(2-3)、旋转轴(3-9)的转动角度和角速度采用编码器测量。

进一步的，所述远指节(5)包括远指节壳体(5-1)，六维力传感器(5-2)以及远指节盖(5-3)；六维力传感器安装于远指节壳体(5-1)上，用于测量指尖的受力；远指节盖(5-3)安装于六维力传感器(5-2)顶部，当手指抓取物体时，手指的受力经远指节盖(5-3)传递于六维力传感器(5-2)。

一种机械手指的控制方法，对驱动腱J1和J2施加大小和方向相同的拉力，对驱动腱J3和J4也施加大小和方向相同的拉力；控制驱动腱J1和J2所受拉力的合力与驱动腱J3和J4所受拉力的合力不同，则实现手指绕旋转轴(1-7)的侧偏运动。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明运用腱驱动方式对手指各关节进行驱动，能够实现驱动电机的后置，避免在手指的狭窄空间下布置驱动电机。

(2)本发明运用腱驱动系统对手指各关节进行驱动，能够在相同的结构尺寸限制下，提供比齿轮、链、带传动等传统传动方式更高的驱动力。

(3)本发明中指节通过连杆耦合驱动远指节，实现了远指节与中指节的连动，使得远指节与中指节之间具有确定的相对运动关系，使用一个电机实现了中指节和远指节中两个关节的控制。既实现了手指的抓取，又节省了驱动电机数量。

(4)本发明采用四个驱动源实现手指的弯曲展开和侧偏等三个自由度，该驱动方式省去了腱驱动中的张紧机构，简化了手指结构，降低了成本，提高了可靠性。

(5)本发明中手指具有编码器、六维力、拉力等多种传感器，能够对手指的位置、抓取接触力，驱动电机驱动力等多种信息进行测量，这些信息都可以作为对驱动电机进行控制的输入量，是一个多传感器融合的系统。

附图说明

图1为本发明的具有驱动腱J1、J2、J3和J4的机械手指；

图2为本发明的具有驱动腱J1和J2的机械手指；

图3为本发明的具有驱动腱J3和J4的机械手指；

1-基座，1-1、1-2、1-3和1-4-拉力传感器，1-5-传感器支架，1-6-基座支架，1-7、1-9、2-3、3-9、4-5-旋转轴，1-8、2-6、3-4、4-2-轴承，1-10、1-11、1-14、1-15、1-16、1-17、2-7、2-8、3-1、3-2-滑轮，1-12-套筒，1-13、2-5、3-6-编码器，2-基指节，2-1-基指节壳体，2-2、3-5-驱动轮，2-4、3-7-压紧块；

3-近指节，3-3-近指节壳体，近指节盖3-8；

4-中指节，4-1-中指节壳体，4-3-连杆，4-4-中指节盖；

5-远指节，5-1-远指节壳体，5-2-六维力传感器，5-3-远指节盖。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种腱-连杆混合传动的三自由度机械手指，如图1-4所示，由基座1、基指节2、近指节3、中指节4、远指节5、驱动腱J1、J2、J3和J4组成。

所述基座1包括拉力传感器1-1、1-2、1-3和1-4，传感器支架1-5，基座支架1-6，旋转轴1-7，轴承1-8，旋转轴1-9，滑轮1-10和1-11，套筒1-12，编码器1-13，滑轮1-14、1-15、1-16和1-17。拉力传感器1-1、1-2、1-3和1-4，安装于传感器支架1-5上，传感器支架1-5与基座支架1-6固连；滑轮1-10和1-11上、下布置，旋转轴1-9作为两者的旋转中心轴，套筒1-12套装在旋转轴1-9外侧；由此，滑轮1-10和1-11经旋转轴1-9安装于基座支架1-6的内部，滑轮1-10和1-11可以绕旋转轴1-9旋转；旋转轴1-7经轴承1-8安装于基座支架1-6上，滑轮1-14、1-15、1-16和1-17从下至上共轴安装于旋转轴1-7上，并安装于基座支架1-6的内部，可以绕旋转轴1-7转动；编码器1-13用于测量旋转轴1-7发生旋转的角度和角速度。

所述基指节2包括基指节壳体2-1，驱动轮2-2，旋转轴2-3，压紧块2-4，编码器2-5，轴承2-6，滑轮2-7和2-8。旋转轴2-3经轴承2-6安装于基指节壳体2-1上；驱动轮2-2、编码器2-5、滑轮2-7和2-8从右至左安装于旋转轴2-3上，其中，驱动轮2-2与近指节壳体3-3固连；滑轮2-7和2-8可绕旋转轴2-3转动；压紧块2-4位于驱动轮2-2的前侧，并与近指节壳体3-3固连，用于压紧驱动腱J1和驱动腱J2的端头。

所述近指节3包括滑轮3-1和3-2，近指节壳体3-3，轴承3-4，驱动轮3-5，编码器3-6，压紧块3-7，近指节盖3-8，旋转轴3-9。滑轮3-1和3-2共轴安装于近指节壳体3-3上，并位于滑轮2-7和2-8的前侧；旋转轴3-9经轴承3-4安装于近指节壳体3-3上；驱动轮3-5、编码器3-6安装于旋转轴3-9上，驱动轮3-5安装于中指节壳体4-1的左侧，并与其固连；压紧块3-7位于驱动轮3-5的前侧，并与中指节壳体4-1固连；驱动腱J3和J4的端头经压紧块3-7与中指节壳体4-1连接，近指节盖3-8为手指外包装结构，安装于近指节壳体3-3上。

所述中指节4包括中指节壳体4-1，轴承4-2，连杆4-3，中指节盖4-4，旋转轴4-5。旋转轴4-5经轴承4-2安装于中指节壳体4-1上，连杆4-3一端与近指节壳体3-3连接，另一端与远指节壳体5-1连接，连杆4-3使得中指节壳体4-1与近指节壳体3-3(指尖)的运动存在耦合，即近指节壳体3-3运动时带动中指节壳体4-1同时运动；远指节壳体5-1可绕旋转轴4-5与中指节壳体4-1发生相对转动；中指节盖4-4为手指的外包装，安装于中指节壳体4-1上。

所述远指节5包括远指节壳体5-1，六维力传感器5-2，远指节盖5-3。六维力传感器安装于远指节壳体5-1上，用于测量指尖的受力；远指节盖5-3安装于六维力传感器5-2顶部，当手指抓取物体时，手指的受力经远指节盖5-3传递于六维力传感器5-2。

所述驱动腱J1和J2的端头均通过压紧块2-4固定在近指节壳体3-3上，其中，驱动腱J1绕过驱动轮2-2下边缘，并依次在滑轮1-14和滑轮1-10上分别绕一圈后，引至基座1的传感器支架1-1上。驱动腱J2绕过驱动轮2-2上边缘，并依次在滑轮1-17和滑轮1-11上分别绕一圈后，引至基座1的传感器支架1-1上。驱动腱J3经压紧块3-7与近中节壳体4-1固连，驱动腱J3依次绕过驱动轮3-5上边缘，滑轮3-2下边缘，以及滑轮2-8的上边缘，然后在滑轮1-16上绕一圈，最后引至基座1的传感器支架1-3上。驱动腱J4经压紧块3-7与近中节壳体4-1固连，驱动腱J4依次绕过驱动轮3-5下边缘，滑轮3-1下边缘，以及滑轮2-7的上边缘，然后在滑轮1-15上绕一圈，最后引至基座1的传感器支架1-4上。

具体实施方式一：

当驱动腱J1被拉动时，近指节壳体3-3与基指节壳体2-1发生相对弯曲转动，表现为近指节壳体3-3相对于基指节壳体2-1的弯曲运动；

当驱动腱J2被拉动时，近指节壳体3-3与基指节壳体2-1发生相对展开转动，表现为近指节壳体3-3相对于基指节壳体2-1的展开运动；当驱动腱J3被拉动时，中指节壳体4-1与近指节壳体3-3发生相对弯曲转动，表现为中指节壳体4-1相对于近指节壳体3-3的弯曲运动，由于中指节壳体4-1与远指节壳体5-1之间通过连杆4-3实现耦合连动，因此当中指节壳体4-1与近指节壳体3-3之间发生相对弯曲转动时，远指节壳体5-1也会同时相对于中指节壳体4-1发生弯曲转动；当驱动腱J4被拉动时，中指节壳体4-1与近指节壳体3-3发生相对展开转动，表现为中指节壳体4-1相对于近指节壳体3-3的展开运动，由于中指节壳体4-1与远指节壳体5-1之间通过连杆4-3实现耦合连动，因此当中指节壳体4-1与近指节壳体3-3之间发生相对展开时，远指节壳体5-1也会同时相对于中指节壳体4-1发生展开运动。

具体实施方案二：结合图1、图2说明本实施方案。当驱动腱J1、J2被同时拉动时，基指节壳体2-1将绕旋转轴1-7发生相对于基座支架1-6的转动，表现为手指沿该拉力绕旋转轴1-7产生的力矩方向的侧偏(顺时针方向侧偏)；当驱动腱J3、J4被同时拉动时，基指节壳体2-1将绕旋转轴1-7发生相对于基座支架1-6的转动，表现为手指沿该拉力绕旋转轴1-7产生的力矩方向的侧偏(逆时针方向侧偏)。

具体实施方案三：当手指如具体实施方案一、二中所述进行弯曲、展开和侧偏时，中指节壳体4-1相对于近指节壳体3-3的转动角度和转动速度通过编码器3-6测量；近指节壳体3-3相对于基指节壳体2-1的转动角度和转动速度通过编码器2-5测量；基指节壳体2-1相对于基座支架1-6的转动角度和转动速度通过编码器1-13测量；驱动腱J1、J2、J3、J4的驱动拉力通过拉力传感器1-1、1-2、1-3和1-4进行测量；安装于远指节壳体5-1上的六维力传感器5-2实现对远指节盖5-3与被抓物体之间接触力的测量。这些传感器测量的信息被传递到控制系统用于实现对手指的运动控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。