专利名称：一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于仿人假肢手技术领域，特别涉及一种具有主次运动分治耦合功能欠驱动仿人机械手指装置的结构设计。
背景技术：
仿人假肢手是人体康复工程领域的一个重要研究方向，主要用于对物体的抓持和空间移动，为上肢缺失残疾人的日常生活提供便利。目前现有的灵巧手虽然控制比较灵活，但是传感器、驱动器数量很多，控制结构也相当复杂，与此同时所带来的体积大、质量重、制造与维护成本高等问题，限制了它在现实生活中的实用性与产品化。在这样的背景下，自适应欠驱动机械手由于传感、驱动系统相对简单，易于控制，并且能较好地抓取常见物体，已成为近年来发展和研究的热点。但是，欠驱动机械手指这种驱动器数目少于手指自由度、各 个关节间采用机械耦合的结构，也带来了抓取不稳定等问题。较早的一种欠驱动自适应机械手指装置如美国发明专利US5762390A，巧妙地采用四连杆机构加弹性元件的方式，实现了机械手指的欠驱动自适应功能特点。其应用的弹性元件既能保证手指在无动作时具有稳定的初始形态，又能暂时地约束四连杆机构的一个自由度，使手指的各个指节在动作过程中接触物体前能够欠驱动，接触物体后其余指节又能完成对被抓物体的自适应包络抓取。但是，这种欠驱动自适应机械手指装置不具备拟人化的运动特征手指的各个指节在未接触物体时作为一个“僵硬”的整体被驱动，不具有耦合运动功能，不能完成人手的空手“握拳”等动作。另一种欠驱动耦合传动式手指装置如中国发明专利CNlOl 190528A，在一定程度上克服了上述类型机械手指的不足在中指节和远指节之间采用一根耦合连杆，当手指动作过程中未接触到物体时，近指节、中指节和远指节作为一个整体被驱动，具有欠驱动特性；当近指节接触到物体后，中指节和远指节能够在耦合连杆的作用下实现对物体的快速包络抓取。但是，该类机械手指仍然不具有拟人化的运动特征，不能完成人手的空手“握拳”等动作，而且在实现对物体进行包络抓取时也存在缺陷当手指的中指节率先接触到被抓物体后，远指节不能再进一步运动实现对物体的完全包络抓取，在手指以握持方式抓取过程，容易导致抓取不稳定等问题。再者，已有的欠驱动机械手装置，手指都只采用连杆机构/电机或者滑轮绳索/电机等单一的机械传动/驱动系统。这些装置由于机械延迟等问题，具有对外界刺激响应不够灵敏的缺点，工作过程中，当受到瞬间的外界干扰，例如抓握桌子上的杯子，突然拿起时，由于受到重力影响，容易出现抓取失稳的问题，即普通机械手不具备人手手指的防滑快速抓取功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种由电机和微驱动器联合驱动主、次两套运动机构，具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指设计方案。其主运动机构能实现手指的拟人化耦合运动特性以及对物体的自适应完全包络抓取；其特有的次运动能够在被主运动机构包络抓取的物体受到外部干扰时，快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，补偿主运动机构的力与位移的输出，直到主运动机构做出调整，次运动具有毫秒级的响应速度，可以实现拟人化的快速反射运动、防滑稳定抓取功能。本发明采用如下技术方案一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构包括电机、减速器、基座、小伞齿轮、大伞齿轮、近指节、中指节、远指节、近关节轴、中关节轴、远关节轴；所述的电机与基座固接，电机的输出轴与所述的减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与所述的小伞齿轮连接，小伞齿轮与所述大伞齿轮啮合，大伞齿轮与所述的近关节轴采用键连接，所述的近指节与基座通过近关节轴转动连接，中指节与近指节通过中关节轴转动连接，中指节与远指节通过远关节轴转动连接，所述的近关节轴、中关节轴和元关节 轴的轴线相互平行。该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的主运动机构还包括近关节连杆、第一传动连杆、第一连杆轴、第一耦合弹性连杆、第一耦合弹性连杆轴、中关节连杆、第二传动连杆、第二连杆轴、第二耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆轴、第三连杆轴、近关节扭簧、中关节扭簧。所述的近关节连杆一端与近关节轴固接，近关节连杆的另一端通过第一连杆轴与所述的第一传动连杆的一端转动连接，第一传动连杆的另一端通过第二连杆轴与所述的中关节连杆一端转动连接，中关节连杆的另一端与所述的中关节轴转动连接，所述的第一耦合弹性连杆一端与基座通过第一耦合弹性连杆轴转动连接，第一耦合弹性连杆的另一端与中关节连杆通过第二连杆轴转动连接；所述的第二传动连杆一端与中关节连杆通过第二连杆轴转动连接，第二传动连杆的另一端与远指节通过第三连杆轴转动连接，所述的第二耦合弹性连杆一端与近指节通过第二耦合弹性连杆轴转动连接，第二耦合弹性连杆的另一端与远指节通过第三连杆轴转动连接；所述的近关节扭簧的两端分别连接近指节和近关节连杆，所述的中关节扭簧的两端分别连接中指节和中关节连杆。本发明所述的近关节轴、第一连杆轴、第一耦合弹性连杆轴，中关节轴、第二连杆轴、第二耦合弹性连杆轴、第三连杆轴、远关节轴的轴线相互平行，且满足如下的位置关系设近关节轴轴线与中关节轴轴线所在平面为A，中关节轴轴线与远关节轴轴线所在平面为B，则第一连杆轴和第二连杆轴在平面A的同侧，第一耦合弹性连杆轴位于平面A的另一侧；第二连杆轴和第三连杆轴位于平面B同侧，第二耦合弹性连杆轴位于平面B的另一侧。本发明所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆，由普通连杆和弹性元件组成，具有弹性拉伸与收缩功能的连杆，实现前级指节接触物体后，后级其余指节对被抓物体的进一步自适应包络抓取。本发明所述的近关节扭簧、中关节扭簧，也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧，所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆的弹性元件采用压簧；所述的近关节扭簧、中关节扭簧的刚度较小，用以维持手指动作前各指节的初始形态；所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆包含的压簧的刚度比近关节扭簧、中关节扭簧的刚度稍大。本发明所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，所述的电机为步进电机，并在所述的电机上设有旋转编码器。该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，特别涉及一种具有快速反应、防滑抓取功能的次运动机构。抓握是否稳定由安装于中指节底和远指节上的滑动传感器检测判断，微驱动器安装于第一传动连杆以及第二连杆中，若手指与物体有相对滑动，则微驱动器工作快速伸长。由于步进电机具有自锁功能，第一传动连杆中的微驱动器输出的力全部作用于第二连杆轴上使其快速旋转，带动手指的中指节和远指节快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，形成对物体的进一步自适应包络抓取，补偿主运动机构的力与位移的输出。同理，第二传动连杆中的微驱动器也可快速输出一个力作用于第三连杆轴，带动远指节快速输出一个指向被抓物体内部的力，补偿远指节端抓取的力和位移输出。微驱动器可以单独安装在第一传动连杆中，此时中指节和远指节具备快速反射功能；也可单独安装在第二传动连杆中，此时远指节具备快速反射功能；亦可安装在第一传动连杆和第二传动连杆中，此时反射效果最好。所述的微驱动器可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造，在通电状态下，可以输出一定的位移与较大的驱动力；所述的微驱动器输出位移·带动第二连杆轴以及第三连杆轴转动，促使中指节以及远指节快速的进一步自适应包络抓取，同时可以增大手指的力输出，提高假肢手的抓取力。本发明具有以下优点及有益效果本发明在近指节和中指节、中指节和远指节之间各自采用第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆连接，可以实现手指接触物体前三个指节间的拟人化耦合运动，同时有利于包络物体，并可以对物体实现捏持抓取；当手指的前级指节接触物体后，由于耦合弹性连杆的可弹性拉伸功能，后续指节可采用欠驱动自适应方式抓取物体，自动适应被抓物体的形状和大小，可对物体进行完全包络握持抓取，实现了手指耦合抓取和欠驱动自适应抓取融为一体的功能。本发明在第一传动连杆和第二传动连杆中安装有微驱动器，当被主运动机构包络抓取的物体受到外部干扰时，快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，对主运动机构的力与运动进行补偿，直到主运动机构做出调整，由于微驱动器拥有毫秒级的快速响应输出，可以实现拟人化的反射运动、防滑稳定抓取功能。
图I是本发明的机构原理2是本发明的机构示意3是本发明具体实施方案的三维视4是本发明具体实施方案的右侧视5是本发明具体实施方案的正视6是本发明具体实施方案的左视剖视7是本发明具体实施方案的正视剖视8是本发明具体实施方案抓取耦合过程的示意图(未触碰物体时)图9是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(远指节碰触物体时)图10是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(中指节碰触物体时)
图11是本发明具体实施方案抓取物体过程的示意图(近指节碰触物体时)图12是本发明具体实施方案防滑抓取过程示意图(快速反射时)图13是本发明具体实施方案放开物体过程示意I至图13中，各数字与构件的对应关系如下1.基座2.电机3.减速器4.近关节轴5.第一连杆轴6.第一传动连杆7.微驱动器8.近关节连杆9.第一耦合弹性连杆轴10.第一耦合弹性连杆11.中关节轴12.第二连杆轴13.第二传动连杆14.中关节连杆15.第二耦合弹性连杆轴16.第二耦合弹性连杆17.远关节轴18.第三连杆轴19.近指节20.中指节21.远指节22.小伞齿轮23.大伞齿轮24.近关节扭簧25.中关节扭簧26.旋转编码器27.滑动传感器28.物体
具体实施例方式下面结合附图以及实施例进一步地详细阐述本发明的工作原理、具体结构与工作过程。·如图I所示为本发明仿人手指装置的机构原理图，包括I个电机及其减速器、2组四连杆机构、2根耦合弹性连杆、2个关节扭簧、I个含有微驱动器的连杆。2组四连杆机构实现手指的欠驱动运动，而特殊的2根耦合弹性连杆保证装置在运行的时候产生自适应抓取动作。由含有微驱动器的连杆，本发明装置具有快速反射的防滑抓取功能。本发明所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的实施例，其具体结构的机构示意图、立体外观图、侧视图、正视图、剖视图如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示。本实施例包括基座I、电机2、减速器3、近关节轴4、中关节轴11、远关节轴17、近指节19、中指节20、远指节21、小伞齿轮22、大伞齿轮23 ;所述的电机2与基座I固接，电机I的输出轴与所述的减速器3的输入轴连接，减速器3的输出轴与所述的小伞齿轮22连接，小伞齿轮22与所述大伞齿轮23啮合，大伞齿轮23与所述的近关节轴4采用键连接，所述的近指节19与基座I通过近关节轴4转动连接，中指节20与近指节19通过中关节轴11转动连接，中指节20与远指节21通过远关节轴17转动连接，所述的近关节轴4、中关节轴11和元关节轴17的轴线相互平行；该实施例还包括第一连杆轴5、第一传动连杆
6、微驱动器7、近关节连杆8、第一耦合弹性连杆轴9、第一耦合弹性连杆10、第二连杆轴12、第二传动连杆13、中关节连杆14、第二耦合弹性连杆轴15、第二耦合弹性连杆16、第三连杆轴18、近关节扭簧24、中关节扭簧25以及旋转编码器26和滑动传感器27。所述的近关节连杆9 一端与近关节轴4固接，近关节连杆9的另一端通过第一连杆轴5与所述的第一传动连杆6的一端转动连接，第一传动连杆6的另一端通过第二连杆轴12与所述的中关节连杆14 一端转动连接，中关节连杆14的另一端与所述的中关节轴11转动连接，所述的第一耦合弹性连杆10 —端与基座通过第一耦合弹性连杆轴9转动连接，第一耦合弹性连杆11的另一端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接；所述的第二传动连杆13 —端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接,第二传动连杆13的另一端与远指节21通过第三连杆轴18转动连接，所述的第二耦合弹性连杆16 —端与近指节19通过第二耦合弹性连杆轴15转动连接，第二耦合弹性连杆16的另一端与远指节21通过第三连杆轴18转动连接；所述的近关节扭簧24的两端分别连接近指节19和近关节连杆8，所述的中关节扭簧25的两端分别连接中指节20和中关节连杆14。
本实施例中，所述的近关节轴4、第一连杆轴5、第一耦合弹性连杆轴10，中关节轴
11、第二连杆轴12、第二耦合弹性连杆轴16、远关节轴17、第三连杆轴18，满足如下的位置关系设近关节轴4轴线与中关节轴11轴线所在平面为A，中关节轴11线与远关节轴17轴线所在平面为B，则第一连杆轴5和第二连杆轴12在平面A的同侧，第一耦合弹性连杆轴9位于平面A的另一侧；第二连杆轴12和第三连杆轴18位于平面B同侧，第二耦合弹性连杆轴15位于平面B的另一侧。本发明所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16，特别涉及一种包含弹性元件、具有弹性拉伸与收缩功能的连杆，实现前级指节接触物体后，后级其余指节对被抓物体的进一步自适应包络抓取。本发明所述的近关节扭簧24、中关节扭簧25，也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧，所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16的弹性元件采用压簧；所述的近关节扭簧24、中关节扭簧25的刚度较小，用以维持手指动作前各指节的初始形态；所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16包含的压簧的刚度比近关节扭簧24、中关节扭簧 25的刚度稍大。本实施例中，近关节扭簧24、中关节扭簧25、第一耦合弹性连杆10和第二耦合弹性连杆16所采用的压簧的刚度设计，可以实现如下效果当近指节19从伸直状态开始转动，在近指节19未与物体接触前，手指的三个指节以耦合的方式转动，即中指节20相对于近指节19有所转动，远指节21同时相对于中指节20又有转动，使手指既具有拟人化的运动特征，又利于对物体的包络抓取，这个过程中第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16各自相对于第一耦合弹性连杆轴9和第二耦合弹性连杆轴15转动，其所包含的压簧不发生变形，近关节扭簧24和中关节扭簧25产生压缩变形。当近指节接触物体28后，电机2继续转动，此时第一稱合弹性连杆10中的压簧被压缩，第一稱合弹性连杆10被拉伸，并同时绕第一耦合弹性连杆轴9转动，中指节20相对于近指节19绕中关节轴11转动，而远指节21仍然以耦合方式相对于中指节20转动，第二耦合弹性连杆16绕第二耦合弹性连杆轴15刚性地转动，其包含的压簧不变形，该过程中近关节扭簧24和中关节扭簧25进一步被压缩。当中指节20也接触到物体后，第二耦合弹性连杆16被拉伸，并绕第二耦合弹性连杆轴16转动，远指节21以欠驱动方式相对于中指节20转动，直到远指节21接触物体28，完成对被抓物体的包络，这个过程中，近关节扭簧24、中关节扭簧25和第一耦合弹性连杆10压簧进一步变形。本实施例中，所述的电机上安装有旋转编码器26。本实施例中，所述的中指节20和远指节21表面上安装有滑动传感器27。本发明所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的实施例，其工作过程结合图8、图9、图10、图11、图12、图13阐述如下本实施例的初始状态如图8左I所示，与人手手指的伸直状态类似。当本实施例开始抓取运动时，电机2正向转动，通过减速器3、小伞齿轮22、大伞齿轮23带动近关节轴4转动，近关节轴4带动与它固接的近关节连杆8转动；由于第一耦合弹性连杆10的刚度比近关节扭簧24的刚度要大，第一耦合弹性连杆10绕第一耦合弹性连杆轴9转动，近关节扭簧24被压缩，近指节19绕近关节轴4转动的同时，中关节连杆14跟近指节19间有相对转动，从而带动中指节20相对于近指节19转动；由于第二耦合弹性连杆16的刚度比中关节扭簧25的刚度大，第二耦合弹性连杆16绕第二耦合弹性连杆轴15转动，中关节扭簧25被压缩，中指节20绕中关节轴11转动的同时，远指节21相对于中指节20转动。这个过程中，近关节扭簧24和中关节扭簧25产生变形，第一耦合弹性连杆10和第二耦合弹性连杆16的压簧不发生变形，此时为手指的三个指节未接触物体前采用耦合方式转动的过程，即近指节19绕近关节轴4相对基座I转动，同时中指节20绕中关节轴11相对近指节19转动、远指节21绕远关节轴17相对中指节20转动，直到各个指节运动到极限位置，如图8右一所示，形成“握拳”动作。近指节19、中指节20和远指节21之间的耦合旋转角度比例，取决于近关节连杆8、第一传动连杆6、第一耦合弹性连杆10、第二传动连杆13、中关节连杆14、第二耦合弹性连杆16的长度，以及近关节轴4和第一耦合弹性连杆轴10、中关节轴11和第二耦合弹性连杆轴16、第三连杆轴1 8和远关节轴17之间的距离，设计过程中，可以对它们进行适当地调整，使手指具有拟人化的特征。本实施例抓取物体、与物体接触的过程中，可能会出现以下几种情形(a)如图9所示，远指节21率先接触物体，此时远指节21会因受限制而无法继续转动，从而通过第三连杆轴18、第二传动连杆13、第二耦合弹性连杆16、第二连杆轴12、中关节连杆14、第一传动连杆6、第一稱合弹性连杆10限制近关节连杆8的继续转动。该过程中，近关节扭簧24和中关节扭簧25产生变形，第一耦合弹性连杆10压簧和第二耦合弹性连杆16压簧不发生变形。在这种情况下，手指可通过与拇指的配合，实现对物体捏持抓取。(b)中指节20率先接触被抓物体28，如图10所示，此时中指节20受限制无法继续转动，从而通过中关节轴11限制近指节19进一步转动，但由于第一耦合弹性连杆10的可弹性拉伸特点，近关节连杆8会继续转动，并通过第一传动连杆6、第一耦合弹性连杆10、中关节连杆14、第二传动连杆13和第二稱合弹性连杆16带动远指节21继续转动,直到远指节21接触被抓物体28，近关节连杆8停止转动。该过程中，近关节扭簧24、中关节扭簧25、第一耦合弹性连杆10的压簧和第二耦合弹性连杆16的压簧都发生变形。在这种情况下，手指可通过与拇指的配合实现对物体28的握持抓取。(c)近指节19先接触被抓物体28，如图11所示，此时近指节19因受限制而无法继续转动，近关节连杆8继续绕近关节轴4转动，第一耦合弹性连杆10被拉伸，并同时绕第一耦合弹性连杆轴9转动，从而带动中指节20连杆绕中关节轴11转动，中指节20相对于近指节19绕中关节轴11转动；第二耦合弹性连杆16绕第二耦合弹性连杆轴15刚性地转动，其中的压簧不变形，带动远指节21仍然以稱合方式相对于中指节20转动,近关节扭簧24和中关节扭簧25进一步被压缩，此时手指同时以欠驱动方式和耦合方式转动，其中中指节20绕中关节轴11相对于近指节16的转动为欠驱动转动，具有自适应特征，远指节21绕远关节轴17相对于中指节20的转动为耦合转动，具有拟人化运动特征；直到中指节20接触到物体28，如图11右二所示，近关节连杆8、中关节连杆14仍然绕近关节轴4和中关节轴14转动，第二耦合弹性连杆16被拉伸，并绕第二耦合弹性连杆轴15转动，远指节21以欠驱动方式绕远关节轴17相对于中指节20转动，直到远指节21接触物体，完成对被抓物体28的包络，近指节19连杆停止继续转动，如图11右三所示。该过程中，近关节扭簧24、中关节扭簧25、第一耦合弹性连杆10的压簧和第二耦合弹性连杆16的压簧都发生变形。在这种情况下，手指可通过与拇指的配合实现对物体28的握持抓取。
(d)对于上述三种情形，当手指对物体28完成包络抓取后，如图12左一所示，如果物体受到某个突然的外界干扰而有从手中滑落的趋势时，由安装于中指节20和远指节21表面上的滑动传感器27检测到相对微小滑动,此时安装于第一传动连杆6和第二传动连杆13中的微驱动器7会快速伸长，由于步进电机具有自锁功能，第一传动连杆6中的微驱动器7输出的力全部作用于第二连杆轴12上使其快速旋转，带动手指的中指节20和远指节21快速地输出一个指向被抓物体28内部的抓取力，形成对物体28的进一步自适应包络抓取，补偿主运动机构的力与位移的输出。同理，第二传动连杆13中的微驱动器7也可快速输出一个力作用于第三连杆轴18，带动远指节21快速输出一个指向被抓物体28内部的力，补偿远指节21端抓取的力和位移输出。由于输出的位移较小，以及关节扭簧的缓冲效果，该反作用力不会破坏主运动机构原有的抓取形态，从而防止物体28滑落，实现对物体28地更稳定抓取，如图12的右二所示。直到主运动机构的电机2做出调整后，微驱动器7才同步回位调整。本实施例中，当手指需要放开物体28时，初始状态如图13左一所示，电机2先开始反向转动，通过减速器3、小伞齿轮22、大伞齿轮23带动近关节轴4反转，近关节轴4带动与它固接的近关节连杆8反转,近关节连杆8通过第一连杆轴5、第一传动连杆6和第二连杆轴12拉动中关节连杆14反转，近关节扭簧24和第一耦合弹性连杆10的压簧变形量·减小，且第一耦合弹性连杆10绕第一耦合弹性连杆轴9反转；中关节连杆14绕中关节轴11反转时，通过第二连杆轴12、第二传动连杆13和第三连杆轴18拉动远指节21绕远关节轴17反转，第二耦合弹性连杆16绕第二耦合弹性连杆轴15反转，且压簧变形减小，中关节扭簧25变形也减小，直到第二耦合弹性连杆16压簧恢复变形到初始长度，此时远指节21与物理28脱离，如图13左二所示；近关节连杆8和中关节连杆14继续反转，近关节扭簧24、第一耦合弹性连杆10压簧和中关节扭簧25变形进一步变小，在第二耦合弹性连杆16的作用下，中指节20绕中关节轴11反转而脱离与物体接触，同时远指节21绕远关节轴17相对于中指节20反向转动，直到第一耦合弹性连杆10压簧恢复变形到初始长度，如图13左三所示；近关节连杆8继续反转，并通过第一连杆轴5、第一传动连杆6、第一耦合弹性连杆10、第二连杆轴12拉动近指节19反转，中关节连杆14绕中关节轴11相对于近指节19反向转动，近指节19与物体28脱离接触，近关节扭簧24变形变小，如图13右二所示；中关节连杆14相对于近指节19反转时，通过第二连杆轴12、第二传动连杆13、第二耦合弹性连杆16和第三连杆轴18拉动中指节20相对于近指节19反向转动，远指节21绕远关节轴17相对于中指节20反向转动，中关节扭簧25变形减小，直到近指节19、中指节20和远指节21同时反转到最初的手指伸直状态，基座I、近指节19和中指节20上设置机械限位，限制手指反转时各指节反转过度超过初始形态。至此，整个反转过程结束，如图13右一所示。本发明在近指节19和中指节20、中指节20和远指节21之间各自采用第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16结构，实现了将三关节手指欠驱动自适应包络抓取形式与拟人化耦合抓取形式很自然地融为一体的功能；同时，微驱动器7的嵌入，在不影响主驱动器电机2实现手指耦合欠驱动自适应包络抓取物体功能的前提下，综合实现了仿人机械手指对被抓物体28的滑落趋势作出快速反应、防滑稳定抓取的功能，使其具有拟人化的反射运动特征。手指包络抓取物体28过程中，主驱动器电机I起作用，微驱动器7不起作用，手指在传动连杆和耦合弹性连杆的相互作用下，以耦合运动和欠驱动自适应运动相结合的方式完成对物体28的包络抓取，动作高度拟人，抓取稳定；手指将物体28包络抓取后，当物体28收到外部干扰具有从手中滑落的趋势时，次驱动机构微驱动器7根据滑动传感器27信号做出迅速响应，输出一个指向被抓物体28内部的抓取力，对主驱动器电机I提供的抓取力与位移进行补偿，防止物体滑落，直到电机2做出调整，使抓取更加稳定，具有拟人化的反射运动特征。同时，该手指装置采用的连杆传动，在结构上比较简单且便于制造，成本低廉，体积小，工作稳定可靠，适合长期使用，与人手手指的外观和动作相似，适用于欠驱动机器人手上。·
权利要求
1.一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，包括主、次两套运动机构，所述的主运动机构包括基座I、电机2、减速器3、小伞齿轮22、大伞齿轮23、近指节19、中指节20和远指节21 ;所述的次运动机构由传动连杆加装微驱动器7构成。
其特征在于 所述的电机2与基座I固接，电机I的输出轴与所述的减速器3的输入轴相连接，所述的减速器3的输出轴与小伞齿轮22连接，所述的小伞齿轮22与大伞齿轮23啮合，所述的大伞齿轮22与近关节轴4采用键连接，所述的近指节19与基座I通过近关节轴4转动连接，中指节20与近指节19通过中关节轴11转动连接，中指节20与远指节21通过远关节轴17转动连接，所述的近关节轴4、中关节轴11和元关节轴17的轴线相互平行； 该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构还包括第一传动连杆6、近关节连杆8、第一连杆轴5、第一耦合弹性连杆10、第一耦合弹性连杆轴9、第二连杆轴12、第二传动连杆13、中关节连杆14、第二耦合弹性连杆16、第二耦合弹性连杆轴15、第三连杆轴18、近关节扭簧24、中关节扭簧25 ； 所述的近关节连杆8 —端与近关节轴4固接，近关节连杆8的另一端通过第一连杆轴5与所述的第一传动连杆6的一端转动连接，第一传动连杆6的另一端通过第二连杆轴12与所述的中关节连杆14 一端转动连接，中关节连杆14的另一端与所述的中关节轴11转动连接，所述的第一耦合弹性连杆16 —端与基座通过第一耦合弹性连杆轴15转动连接，第一耦合弹性连杆10的另一端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接；所述的第二传动连杆13 —端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接，第二传动连杆13的另一端与远指节21通过第三连杆轴18转动连接，所述的第二耦合弹性连杆16—端与近指节通过第二耦合弹性连杆轴15转动连接，第二耦合弹性连杆16的另一端与远指节20通过第三连杆轴18转动连接；所述的近关节扭簧24的两端分别连接近指节19和近关节连杆8,所述的中关节扭簧25的两端分别连接中指节20和中关节连杆14 ； 所述的近关节轴4、中关节轴11、、远关节轴17、第一连杆轴5、第二连杆轴12、第一耦合弹性连杆轴9，第二耦合弹性连杆轴15与第三连杆轴18的轴线相互平行，且满足如下的位置关系设近关节轴4轴线与中关节轴11轴线所在平面为A，中关节轴11轴线与远关节轴17轴线所在平面为B，则第一连杆轴5和第二连杆轴12在平面A的同侧，第一耦合弹性连杆轴15位于平面A的另一侧；第二连杆轴12和第三连杆轴18位于平面B同侧，第二耦合弹性连杆轴15位于平面B的另一侧； 所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16，由普通连杆和弹性元件组成，具有弹性拉伸与收缩功能的连杆，实现前级指节接触物体28后，后级其余指节对被抓物体28的进一步自适应包络抓取； 所述的近关节扭簧24、中关节扭簧25的刚度较小，用以维持手指动作前各指节的初始形态；所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16压簧的刚度比近关节扭簧24、中关节扭簧25的刚度稍大。
2.如权利要求I所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于所述的次运动机构可由安装在第一传动连杆6和第二传动连杆13中的微驱动器7构成。微驱动器7可以单独安装在第一传动连杆6中，此时中指节20和远指节21具备快速反射功能；也可单独安装在第二传动连杆7中，此时远指节21具备快速反射功能；亦可安装在第一传动连杆6和第二传动连杆7中，此时快速反射效果最好。
3.如权利要求I所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于所述的微驱动器7可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造。
4.如权利要求I所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于所述的近关节扭簧24、中关节扭簧25，也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧，所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16的弹性元件采用压簧。
5.如权利要求I所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于所述的电机2为步进电机，并在所述的电机2上设有旋转编码器26。
6.如权利要求I所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于中指节20底和远指节21接触物体的表面上设有滑动传感器28。
全文摘要
具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，它涉及一种残疾人假肢手上的仿人手指装置。本发明采用电机和微驱动器联合驱动主、次两套运动机构，次运动具备快速反射运动功能，解决了已有假肢手仿人手指存在抓取不稳定等问题。本发明所述的主运动机构由传动齿轮、传动连杆、耦合弹性连杆和弹性限位元件构成，采用电机驱动，可实现三关节仿人手指拟人化的耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融为一体的功能；本发明特别涉及的次运动机构由加装微驱动器的连杆机构构成，其中微驱动器安装于第一传动连杆和第二传动连杆中，当主运动机构完成对物体的包络抓取后、若安装于指尖的滑动传感器检测到物体与手指之间有相对滑动时，微驱动器可产生快速响应，联合主运动连杆机构实现对物体的稳定抓取，防止物体滑落。该手指装置结构简单、制造成本低，可输出力大，在外观与动作上都具有拟人特性，特别适合应用在残疾人假肢手上。
文档编号B25J15/00GK102896637SQ20121014455
公开日2013年1月30日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者邓华, 张翼, 段小刚, 罗海东 申请人:中南大学