一种末端轨迹可控的模块化欠驱动手指的制作方法

本发明涉及一种模块化欠驱动手指，具体涉及一种末端轨迹可控的模块化欠驱动手指。

背景技术：

机械手能够模仿人手的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手作为智能机器人与周围环境交互的一个重要接口，其重要性不言而喻。在移动机器人中，特别是采用电源提供能量的移动机器人，减少能源消耗是一个要特别考虑的指标。因此，驱动单元少、能量消耗少的欠驱动机械手就成为移动机器人的首选。但与全驱动机械手各关节运动和抓取力完全由驱动单元决定，欠驱动机械手各关节的运动还受到机械结构和外界接触的影响，这就使其手指的运动具有极强的运动耦合性，导致其指尖轨迹具有不确定性，相比全驱动机械手丧失了抓取的灵活性，这对要求欠驱动机械手精确抓取物体(捏取、操作等动作)提出了严峻的考验。故如何在保持欠驱动手本身优势的前提下，还能提高其抓取灵活性就成为了一个亟待解决的问题。同时，由于抓取物体的种类较多，如何能更好的拓扑欠驱动机械手的结构也是再设计时必须要考虑的问题。

综上所述，由于欠驱动机械手关节运动的耦合性而使得手指末端轨迹不确定运动，导致现有欠驱动机械手存在失去必要的手指灵活性的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决由于欠驱动机械手关节运动的耦合性而使得手指末端轨迹不确定运动，导致现有欠驱动机械手存在失去必要的手指灵活性的问题。进而提供一种末端轨迹可控的模块化欠驱动手指。

本发明的技术方案是：一种末端轨迹可控的模块化欠驱动手指包括动力驱动部分和关节部分，关节部分与动力驱动部分的输出端连接，关节部分包括第一关节、第二关节、第三关节、导轮机构、复位机构和锁紧机构，第一关节、第二关节和第三关节顺次可转动连接，导轮机构、复位机构和锁紧机构安装在第一关节、第二关节和第三关节上，导轮机构在动力驱动部分的带动下实现手指的抓取动作，复位机构实现抓取动作后的伸展复位动作，锁紧机构实现第一关节、第二关节或第三关节中的一个或多个关节的启用与否。

进一步地，动力驱动部分包括电机、连接套、固定套、指座、绕线轮、第一引导轮和第二引导轮，电机、连接套、固定套和指座顺次连接，绕线轮安装在连接套内并与电机的输出端连接，第一引导轮位于连接套内，第二引导轮位于固定套内。

进一步地，动力驱动部分还包括收紧轮盖和引轮支架，收紧轮盖安装在连接套内并套装在电机的输出轴上，引轮支架安装在连接套上，第二引导轮部分伸入到固定套内，第一引导轮和第二引导轮均安装在引轮支架上。

进一步地，第一关节包括两个指座连接板、第一关节轴和两个第一挡板；第二关节包括第二关节轴和两个第二挡板，第三关节包括第三关节轴和两个第三挡板，相对设置的两个指座连接板的一端通过销轴与指座连接，两个指座连接板的另一端与相对设置的两个第一挡板的一端通过第一关节轴可转动连接；相对设置的两个第二挡板的一端与两个第一挡板的另一端之间通过第二关节轴可转动连接；相对设置的两个第三挡板的一端与两个第二挡板的另一端之间通过第三关节轴可转动连接。

进一步地，复位机构包括两个指座复位挡板、两个第一复位挡板、两个第二复位挡板、两个第三复位挡板、第一复位弹簧、第二复位弹簧和第三复位弹簧，两个指座复位挡板安装在销轴上，两个第一复位挡板安装在第二关节轴上，两个第二复位挡板安装在第三关节轴上，两个第三复位挡板安装在第一辅轴和第二辅轴上，第一复位弹簧套装在第一关节轴上，且第一复位弹簧的两端分别搭设在第三辅轴和第一引轮轴上，第二复位弹簧套装在第二关节轴上，且第二复位弹簧的两端分别搭设在第二引轮轴和第三引轮轴上，第三复位弹簧套装在第三关节轴上，且第三复位弹簧的两端分别搭设在第四引轮轴和第一辅轴上。

进一步地，导轮机构包括大轮、中轮、小轮、引导条、第一引轮、第二引轮、第三引轮、第四引轮、第五引轮、第一引轮轴、第二引轮轴、第三引轮轴、第四引轮轴、第一辅轴、第二辅轴、驱动丝和第三辅轴，第一引轮轴和第二引轮轴顺次穿设在第一关节的两个第一挡板上，第三引轮轴和第四引轮轴顺次穿设在第二关节的两个第二挡板上，第一辅轴和第二辅轴顺次穿设在第三关节的两个第三挡板上，第三辅轴穿设在两个指座复位挡板上，大轮套装在第一关节轴上，中轮套装在第二关节轴上，小轮套装在第三关节轴上，第一引轮套装在第一引轮轴上，第二引轮套装在第二引轮轴上，第三引轮套装在第三引轮轴上，第四引轮套装在第四引轮轴上，引导条穿设在第一辅轴和第二辅轴上，第五引轮套装在第三辅轴上，驱动丝的一端固定在绕线轮上，驱动丝的另一端依次绕过第一引导轮、第二引导轮、第五引轮、大轮、第一引轮、第二引轮、中轮、第三引轮、第四引轮和小轮后固定在引导条上。

进一步地，锁紧机构包括第一关节锁紧轮、第一关节连接套、第一关节隔离套、第一关节锁紧弹簧、第一关节弹簧端块、第一关节记忆合金弹簧、第二关节锁紧轮、第二关节连接套、第二关节隔离套、第二关节锁紧弹簧、第二关节弹簧端块、第二关节记忆合金弹簧、第三关节锁紧轮、第三关节连接套、第三关节隔离套、第三关节锁紧弹簧、第三关节弹簧端块和第三关节记忆合金弹簧，第一关节锁紧轮安装在指座连接板与指座复位挡板之间的第一关节轴上，第一关节连接套安装在第一关节锁紧轮上，第一关节隔离套和第一关节弹簧端块由左至右依次安装在第一复位挡板上，第一关节锁紧弹簧的一端与第一关节连接套固定连接，第一关节锁紧弹簧的另一端绕过第一关节锁紧轮后与第一关节隔离套固定连接，第一关节记忆合金弹簧的一端与第一关节连接套固定连接，第一关节记忆合金弹簧的另一端绕过第一关节隔离套后与第一关节弹簧端块固定连接；第二关节锁紧轮安装在第一挡板与第一复位挡板之间的第二关节轴上，第二关节连接套安装在第二关节锁紧轮上，第二关节隔离套和第二关节弹簧端块由左至右依次安装在第二复位挡板上，第二关节锁紧弹簧的一端与第二关节连接套固定连接，第二关节锁紧弹簧的另一端绕过第二关节锁紧轮后与第二关节隔离套固定连接，第二关节记忆合金弹簧的一端与第二关节隔离套固定连接，第二关节记忆合金弹簧的另一端绕过第二关节隔离套后与第二关节弹簧端块固定连接；第三关节锁紧轮安装在第二挡板与第二复位挡板之间的第三关节轴上，第三关节连接套安装在第三关节锁紧轮上，第三关节隔离套和第三关节弹簧端块由左至右依次安装在第三复位挡板上，第三关节锁紧弹簧的一端与第三关节连接套固定连接，第三关节锁紧弹簧的另一端绕过第三关节锁紧轮后与第三关节隔离套固定连接，第三关节记忆合金弹簧的一端与第三关节隔离套固定连接，第三关节记忆合金弹簧的另一端绕过第三关节隔离套后与第三关节弹簧端块固定连接。

进一步地，它还包括三个指肚，两个第一挡板、两个第二挡板和两个第三挡板上分别安装有一个指肚。

进一步地，它还包括指座电板、第一关节电板、第二关节电板和第三关节电板，指座电板、第一关节电板、第二关节电板和第三关节电板分别对应安装在同侧的一个指座连接板、一个第一挡板、一个第二挡板和一个第三挡板上。

进一步地，它还包括第一关节限位轴，第一关节限位轴安装在指座上。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明通过提供一种带有锁紧机构的模块化欠驱动手指，能够使欠驱动机械手在保持仅仅使用简单的控制方法就能够抓取多种形状物体的特性的前提下，还能够实现对接触点要求较高的捏取和操作等动作，弥补手指运动灵活性的缺失。通过采用模块化的手指设计，来解决欠驱动机械手结构拓扑的问题。

2、本发明通过简单的开关量控制关节的锁定与否，进而对关节提供额外的约束，使关节从原来受外界影响的状态变为可控状态，进而使指尖的轨迹可规划，提高欠驱动机械手抓取的灵活性。

3、本发明能够替代电机为手指关节提供相应的约束，并结合关节的回弹元件，使一根三指节的机械手指，在三个锁紧机构和一个伺服电机的替代下，就能达到类似全驱动手指(需要三个伺服电机)的运动效果，降低了机械手指的成本、结构和控制的复杂程度。

4、本发明具有结构和原理简单，耗电量低，占用空间小，维护和更换方便的优点，适合用于改进并提高欠驱动机械手的抓取灵活性。

5、本发明的模块化的欠驱动机械手指，能够根据实际场合的需要，只需要配备不同的手掌基座，就能够快速的进行结构拓扑(两根指机械手、三根指机械手或者四根指机械手)，拆卸安装方便快捷。

附图说明

图1是本发明的主视图；图2是图1仰视图；图3是图1的俯视图；图4是图3沿GN-GN处的剖视图；图5是图3沿GO-GO处的剖视图；图6是图1的侧视图；图7是本发明关节部分的锁紧机构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式包括动力驱动部分和关节部分，关节部分与动力驱动部分的输出端连接，关节部分包括第一关节8、第二关节9、第三关节10、导轮机构、复位机构和锁紧机构，第一关节8、第二关节9和第三关节10顺次可转动连接，导轮机构、复位机构和锁紧机构安装在第一关节8、第二关节9和第三关节10上，导轮机构在动力驱动部分的带动下实现手指的抓取动作，复位机构实现抓取动作后的伸展复位动作，锁紧机构实现第一关节8、第二关节9或第三关节10中的一个或多个关节的启用与否。

本发明的模块化的欠驱动手指，具有组合灵活，安装或替换方便的优点。该机械手指采用了叠片骨骼式的设计方法(通过图3能够确定叠片骨骼)，这样既减轻了手指本身的结构重量，也增强了手指抓取方向上的刚度与强度，同时，骨骼间的空隙能够用来安装机械手指的其他元器件，提高了手指空间的利用率，缩小手指的整体结构尺寸。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的动力驱动部分包括电机1、连接套2、固定套3、指座4、绕线轮5、第一引导轮6和第二引导轮7，电机1、连接套2、固定套3和指座4顺次连接，绕线轮5安装在连接套2内并与电机1的输出端连接，第一引导轮6位于连接套2内，第二引导轮7位于固定套3内。如此设置，便于为整个手指的抓取动作提供动力。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

当电机1没有输出时，欠驱动机械手指会在关节回复弹簧和机械限位的作用下回到初始状态。

本实施方式的固定套3和指座4制成一体。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的动力驱动部分还包括收紧轮盖18和引轮支架19，收紧轮盖18安装在连接套2内并套装在电机1的输出轴上，引轮支架19安装在连接套2上，第二引导轮7部分伸入到固定套3内，第一引导轮6和第二引导轮7均安装在引轮支架19上。如此设置，收紧轮盖18与缠绕轮通过螺钉固连于电机的输出轴上，电机通过螺钉固连于连接套上，引轮支架通过螺钉固连于连接套上，而连接套通过螺钉，将这部分整体固连于底座上，使得电机与其他构件之间的连接更加紧凑。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的第一关节8包括两个指座连接板11、第一关节轴12和两个第一挡板13；第二关节9包括第二关节轴14和两个第二挡板15，第三关节10包括第三关节轴16和两个第三挡板17，相对设置的两个指座连接板11的一端通过销轴80与指座4连接，两个指座连接板11的另一端与相对设置的两个第一挡板13的一端通过第一关节轴12可转动连接；相对设置的两个第二挡板15的一端与两个第一挡板13的另一端之间通过第二关节轴14可转动连接；相对设置的两个第三挡板17的一端与两个第二挡板15的另一端之间通过第三关节轴16可转动连接。如此设置，结构简单，动作灵活。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的复位机构包括两个指座复位挡板37、两个第一复位挡板38、两个第二复位挡板39、两个第三复位挡板40、第一复位弹簧41、第二复位弹簧42和第三复位弹簧43，两个指座复位挡板37安装在销轴80上，两个第一复位挡板38安装在第二关节轴14上，两个第二复位挡板39安装在第三关节轴16上，两个第三复位挡板40安装在第一辅轴32和第二辅轴33上，第一复位弹簧41套装在第一关节轴12上，且第一复位弹簧41的两端分别搭设在第三辅轴35和第一引轮轴28上，第二复位弹簧42套装在第二关节轴14上，且第二复位弹簧42的两端分别搭设在第二引轮轴29和第三引轮轴30上，第三复位弹簧43套装在第三关节轴16上，且第三复位弹簧43的两端分别搭设在第四引轮轴31和第一辅轴32上。如此设置，当三个关节在抓取完物品后，需要复位时，三个复位弹簧为三个关节提供展开的动力，进而实现关节的复位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式的导轮机构包括大轮20、中轮21、小轮22、引导条23、第一引轮24、第二引轮25、第三引轮26、第四引轮27、第五引轮36、第一引轮轴28、第二引轮轴29、第三引轮轴30、第四引轮轴31、第一辅轴32、第二辅轴33、驱动丝34和第三辅轴35，第一引轮轴28和第二引轮轴29顺次穿设在第一关节8的两个第一挡板13上，第三引轮轴30和第四引轮轴31顺次穿设在第二关节9的两个第二挡板15上，第一辅轴32和第二辅轴33顺次穿设在第三关节10的两个第三挡板17上，第三辅轴35穿设在两个指座复位挡板37上，大轮20套装在第一关节轴12上，中轮21套装在第二关节轴14上，小轮22套装在第三关节轴16上，第一引轮24套装在第一引轮轴28上，第二引轮25套装在第二引轮轴29上，第三引轮26套装在第三引轮轴30上，第四引轮27套装在第四引轮轴31上，引导条23穿设在第一辅轴32和第二辅轴33上，第五引轮36套装在第三辅轴35上，驱动丝34的一端固定在绕线轮5上，驱动丝34的另一端依次绕过第一引导轮6、第二引导轮7、第五引轮36、大轮20、第一引轮24、第二引轮25、中轮21、第三引轮26、第四引轮27和小轮22后固定在引导条23上。如此设置，便于为三个关节的运动提供动力。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

导轮机构的驱动原理：由电机直联缠绕轮并带动缠绕轮旋转，驱动丝的走线如图5所示。当电机旋转缠绕驱动丝时，手指三个关节会根据用于关节回弹的弹簧的刚度比而旋转相应的角度，当三个关节都没有与外界物体接触时，电机转动的角度与三个关节的角度唯一对应。当任意关节与外界物体接触时，则指尖的轨迹不可预测。这是欠驱动手指本身固有的特性；当电机旋转释放驱动丝时，关节会在回弹原件和机械限位的限制下回复初始位置。在上述过程中，结合关节锁紧装置，根据实际所需控制关节的启用与否，便可达到指尖轨迹可控的效果。

具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式的锁紧机构包括第一关节锁紧轮44、第一关节连接套45、第一关节隔离套46、第一关节锁紧弹簧47、第一关节弹簧端块48、第一关节记忆合金弹簧49、第二关节锁紧轮50、第二关节连接套51、第二关节隔离套52、第二关节锁紧弹簧53、第二关节弹簧端块54、第二关节记忆合金弹簧55、第三关节锁紧轮56、第三关节连接套57、第三关节隔离套58、第三关节锁紧弹簧59、第三关节弹簧端块60和第三关节记忆合金弹簧61，第一关节锁紧轮44安装在指座连接板11与指座复位挡板37之间的第一关节轴12上，第一关节连接套45安装在第一关节锁紧轮44上，第一关节隔离套46和第一关节弹簧端块48由左至右依次安装在第一复位挡板38上，第一关节锁紧弹簧47的一端与第一关节连接套45固定连接，第一关节锁紧弹簧47的另一端绕过第一关节锁紧轮44后与第一关节隔离套46固定连接，第一关节记忆合金弹簧49的一端与第一关节连接套45固定连接，第一关节记忆合金弹簧49的另一端绕过第一关节隔离套46后与第一关节弹簧端块48固定连接；第二关节锁紧轮50安装在第一挡板13与第一复位挡板38之间的第二关节轴14上，第二关节连接套51安装在第二关节锁紧轮50上，第二关节隔离套52和第二关节弹簧端块54由左至右依次安装在第二复位挡板39上，第二关节锁紧弹簧53的一端与第二关节连接套51固定连接，第二关节锁紧弹簧53的另一端绕过第二关节锁紧轮50后与第二关节隔离套52固定连接，第二关节记忆合金弹簧55的一端与第二关节隔离套52固定连接，第二关节记忆合金弹簧55的另一端绕过第二关节隔离套52后与第二关节弹簧端块54固定连接；第三关节锁紧轮56安装在第二挡板15与第二复位挡板39之间的第三关节轴16上，第三关节连接套57安装在第三关节锁紧轮56上，第三关节隔离套58和第三关节弹簧端块60由左至右依次安装在第三复位挡板40上，第三关节锁紧弹簧59的一端与第三关节连接套57固定连接，第三关节锁紧弹簧59的另一端绕过第三关节锁紧轮56后与第三关节隔离套58固定连接，第三关节记忆合金弹簧61的一端与第三关节隔离套58固定连接，第三关节记忆合金弹簧61的另一端绕过第三关节隔离套58后与第三关节弹簧端块60固定连接。如此设置，为手指的动作提供了另外一种方式，导轮机构是适用于三个关节同时动作的状态，锁紧装置是使用于需要一个关节或者多个关节锁紧，其余关节动作的一种灵活的工作状态，使得本发明的手指动作更加多样化，使用范围更广。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

锁紧装置的原理：记忆合金弹簧在通以一定电流时会产生轴向收缩运动，通过连接套带动锁紧弹簧扭转，致使锁紧弹簧的内径变小而抱紧锁紧轮。锁紧轮通过键槽结构与后端指节相连，而锁紧弹簧固定于前端指节上，顾当锁紧弹簧抱紧锁紧轮时，就可以起到阻止两个指节相对运动的效果，达到制动的目的。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式还包括三个指肚62，两个第一挡板13、两个第二挡板15和两个第三挡板17上分别通过指肚支撑座81安装有一个指肚62。如此设置，便于与待抓取物接触。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图3说明本实施方式，本实施方式还包括指座电板63、第一关节电板64、第二关节电板65和第三关节电板66，指座电板63、第一关节电板64、第二关节电板65和第三关节电板66分别对应安装在同侧的一个指座连接板11、一个第一挡板13、一个第二挡板15和一个第三挡板17上。如此设置，电板上具有机械手指的集成电路，欠驱动机械手在控制时需要采集每个关节的转动角度信息和指节上的压力等信息，其中数据采集电路与角度传感器(优选为电容式角度传感器)同时做到了电路板上，压力传感器存在于指肚下方，可通过在电路板上提前预留好的接口与电路板相连，数据采集电路同时采集角度传感器和压力传感器的信息，并提供给控制系统。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图3说明本实施方式，本实施方式还包括第一关节限位轴67，第一关节限位轴67安装在指座4上。如此设置，为第一关节的动作提供限位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

具体实施方式十一：结合图1说明本实施方式，本实施方式两个第一挡板13与两个第二挡板15交汇处的两个第一复位挡板38上设有凸起，两个第二挡板15和两个第三挡板17交汇处的两个第二复位挡板39上设有凸起。如此设置，为三个关节在关节回弹时提供回弹极限位置，保证关节在回弹时不至于过位，从而保持手指的原始状态。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九或十相同。