513和第四驱动件514，其形变可忽略不计。
[0047]在本实施例中，所述的内球壳518的外表面和中球壳521的内表面可以覆盖具有一定弹性的工业橡胶材料或球面齿，以增强内球壳518和中球壳521间的摩擦力，防止相对滑动，提尚手指的稳定性。
[0048]在本实施例中，所述的中球壳521的外表面和外壳515的内表面可以是光滑材料，以减少旋转运动的阻力。
[0049]本发明设计的采用复合球壳关节装置的机器人手指装置的一种实施例，包括基座
1、第一指段4、第二指段3、第三指段2、第一复合球壳关节装置5a、第二复合球壳关节装置5b和第三复合球壳关节装置5c;所述的基座I与第一复合球壳关节装置5a的外壳515固接，所述的第一复合球壳关节装置5a的中球壳521与第一指段4的下部固接;所述的第一指段4的上部与第二复合球壳关节装置5b的外壳515固接，所述的第二复合球壳关节装置5b的中球壳521与第二指段3的下部固接;所述的第二指段3的上部与第三复合球壳关节装置5c的外壳515固接，所述的第三复合球壳关节装置5c的中球壳521与第三指段3的下部固接。
[0050]本发明设计的采用复合球壳关节装置的控制方法的一种实施例，其特征在于:所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
[0051]下面结合图1到图14介绍以上实施例的工作原理。
[0052]由于第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514两端分别与中心球517和中球壳521固接，通孔520足够大而不会跟支承件516接触，所以内球壳可近似在3维空间作平移运动而不会旋转。
[0053]在中球壳521上建立直角坐标:y方向与第二驱动件512的轴线重合，X方向与滑槽522的滑动方向垂直，由于支承件516的轴线与第二驱动件512的轴线重合且支承件516约束着滑槽522，所以X方向始终与y方向垂直。
[0054]本实施例的运动方式有两种，分别叙述如下:
[0055](a)纯弯曲运动
[0056]初始状态y方向与第二驱动件512的轴线重合。第二驱动件512固定长度不变，运动示意图简化成图7。第一驱动件511、第三驱动件513、第四驱动件514分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位，使得内球壳518近似在平面内作平移运动，且内球壳518外表面始终有一点与中球壳521内表面接触。内球壳518球心的运动轨迹为圆。由于内球壳518不旋转且内球壳518外表面的半径小于中球壳521内表面的半径，中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为第二驱动件512的轴线，指段实现弯曲运动。
[0057](b)弯曲和侧摆同时运动
[0058]第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位，使得内球壳518在三维空间中作平移运动，且内球壳518外表面始终有一点与中球壳521内表面接触。内球壳518球心的运动轨迹记为w，w在xoy平面投影得到分轨迹w-xy，w在X0Z平面投影得到分轨迹w-xz，w在yoz平面投影得到分轨迹w-yz。选择第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514合适的伸缩方式，使得分轨迹w-xy近似收缩成一点。内球壳518球心的分轨迹w-xz使得中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为y轴，指段实现弯曲运动；内球壳518球心的分轨迹w-yz使得中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为X轴，指段实现侧摆运动。
[0059]综合(a)和(b)两种运动方式可知，该装置利用了压电材料这种可伸缩驱动件实现了球面两自由度运动的效果，支承件和滑槽约束了不必要的第三自由度的运动，驱动模块位于最内层球壳，多层球壳的结构减小了驱动装置的体积;该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构简洁，体积小，驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，既可实现弯曲和侧摆两个方向的综合运动，也可锁定其中一个自由度而仅实现弯曲或侧摆的单独运动， 适用于机器人手。
【主权项】
1.一种复合球壳关节装置(5)，其特征在于:包括外壳(515)、中球壳(521)和内部组件(52),所述的内部组件(52)包括中心球(517)、第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)、第四驱动件(514)、内球壳(518)和支承件(516);所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)的两端分别与中心球(517)和内球壳(518)固接;所述的内球壳(518)上(518)设有通孔(520);所述的中球壳(521)上设有滑槽(522);所述的支承件(516)的一端与中心球(517)固接，另一端与外壳(515)固接;支承件(516)穿过通孔(520)和滑槽(522);所述的中球壳(521)设置在内球壳(518)和外壳(515)之间，中球壳(521)的外表面与外壳(515)的内表面为同心的球面，中球壳(521)与外壳(515)构成一对球副；内球壳(518)的外表面为球面，所述的中球壳(521)的内表面和外表面为同心的球面；中球壳(521)的内表面与内球壳(518)的外表面直径不同；中球壳(521)的内表面的直径大于内球壳(518)的外表面的直径;所述的中心球(517)的中心位于中球壳(521)的内表面的中心。2.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于:所述的内球壳(518)的外表面与中球壳(521)的内表面在工作中相接触。3.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于:所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)、第四驱动件(514)以中心球(517)的球心呈空间放射状对称分布。4.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于:所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球(517)的球心。5.如权利要求4所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于:所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)为含有压电材料的振动体或记忆I=IO6.如权利要求4所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于:所述的支承件(516)为圆柱体，第二驱动件(512)伸缩运动的方向与支承件(516)的轴线平行。7.—种采用权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)的机器人手指装置，包括基座(1)、至少一个指段、至少一个关节，所述的基座(I)与指段之间由关节相连;其特征在于:所述的关节采用复合球壳关节装置(5);所述的基座(I)与第一关节的外壳(515)固接，所述的各关节的中球壳(521)分别与相应指段的下部固接;位于中部的指段的上部与相应关节的外壳(515)固接。8.—种采用权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)的控制方法，其特征在于:所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)中的至少三个驱动件分别按照规律伸缩。9.如权利要求8所述的复合球壳关节装置(5)的控制方法，其特征在于:所述的第一驱动件(511 )、第二驱动件(512 )、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
【专利摘要】复合球壳关节装置，属于机器人手技术领域。该装置包括外壳、中球壳和内部组件，所述内部组件包括中心球、内球壳、支承件和四个驱动件。该装置通过四个驱动件有规律的振动，在支承件和滑槽的约束下可实现两自由度旋转，此外，让其中一个驱动件保持固定状态，可使中球壳只能绕某一轴转动，达到锁定一个自由度的目的。该装置适合用做机器人手的关节，使手指的指段能够实现弯曲和侧摆动作。该装置全部驱动件均位于关节内部，体积小；该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构紧凑、零件少，驱动力大，自由度数、外观与动作与人手指基关节接近，可实现弯曲和侧摆两个方向综合运动，还可锁定其中一个自由度仅实现弯曲或仅实现侧摆，适合用于机器人手。
【IPC分类】B25J15/08, B25J17/02
【公开号】CN105598991
【申请号】CN201610152886
【发明人】梁达尧, 张文增
【申请人】清华大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月17日...