一种欠驱动仿人灵巧手装置的制作方法

本发明属于拟人机器人技术与应用领域，涉及到一种欠驱动仿人灵巧手装置。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，仿人机器人由于其可以实现人类多种动作与功能越来越引起人们重视。仿人灵巧手，作为仿人机器人与外部环境交流的直接介质，其活动能力与操作性能对仿人机器人的作业水平有很大的影响，并且仿人灵巧手的结构设计作为仿人机器人的关键技术之一，很大程度上限制了仿人机器人技术的发展。

仿人灵巧手一般具有3-5个手指，每个手指具有3-4个关节自由度。根据仿人灵巧手的的驱动形式可将其分为全驱动灵巧手和欠驱动灵巧手。全驱动灵巧手一般每个关节自由度设置一个驱动器，如英国Shadow公司的Shadow手和UB手。此类型仿人灵巧手一般每个关节自由度的转动由腱绳带动，关节驱动电机外置于手掌外与手掌相连的手臂中。其主要优点是在功能上仿人手程度高，可以灵活的抓取物体或进行操作，但是由于其驱动器数量较多，一般整手尺寸较大，重量较大，对控制系统要求较高，并且系统复杂，成本高。

欠驱动灵巧手一般每两个或三个关节自由度设置一个驱动器，如德国宇航局的DLR手、哈工大的HIT手，北航的BH灵巧手。此类型的灵巧手一般将手指末端两个关节通过齿轮、皮带轮或连杆进行耦合，通过一个驱动器控制两个关节同时运动，关节转动角度一般成特定比例，并且无法改变。其主要优点是通用性较好，抓取时能形成力封闭，成本低，抓取稳定性好，缺点是在接触物体后欠驱动的关节之间的相对位置不可以主动调节，抓取物体时对手指的初始位置相对抓取物体的位置有一定要求，对不同形状物体抓取时自适应性不高。

一种已有的仿人灵巧手装置，如中国发明专利CN103128744，包括手掌、拇指、食指、中指、无名指和小指。除拇指外四指均采用相同结构，每个手指设置三个关节由三组四连杆机构耦合，由一个电机驱动。其不足之处为该装置除拇指外四指三个关节按1:1:1的运动速率按固定角度同时弯曲，关节不能单独驱动，灵巧性和人手差别较大，抓取时对不同形状的物体自适应性较差。另一种已有的仿人灵巧手，如中国发明专利CN1283429C，包括手掌和五个手指，共12个关节自由度，其手指欠驱动关节的弯曲伸直由多级齿轮传动系统实现，所涉及的齿轮传动系统具有自解耦效果，其中主动驱动的关节仅有三个，并且除拇指、食指外的三个手指采用一个电机进行驱动，单独手指不能进行主动弯曲，与人手差别较大，灵巧性不高。

技术实现要素：

针对以上技术缺陷，本发明的目的在于设计出一种欠驱动仿人灵巧手装置。该装置采用模块化手指结构，各手指可以实现独立控制，具有多个自由度，手指末端两个关节由连杆机构机械耦合，手指关节接触物体后对应的欠驱动关节之间的相对位置可以主动调节，使手指根据所抓取物体形状对物体进行包络，对物体外形的自适应性强，使其抓取动作更符合人手，整手结构简单，抓取力大，抓取刚度大，抓取自适应性强，适用于残疾人假手、排爆、核设备检测以及类人机器人等领域。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的欠驱动仿人灵巧手装置，包括五个手指和一个手掌，其中五个手指分别为拇指、食指、中指、无名指和小指。食指、中指、无名指和小指都由基座、基部指节、中间指节、末端指节四部分构成，各指节均具有一个弯曲伸直的自由度。拇指由拇指旋转凸台、拇指基座、拇指基部指节、拇指中间指节和拇指末端指节五部分构成，除拇指旋转凸台外，其余结构与其他四指相同。整个拇指还具有一个绕手掌旋转的自由度。五个手指基部指节的弯曲伸直的自由度由手指第一电机带动齿轮传动机构实现，中间指节和末端指节弯曲伸直的自由度通过一个结构可变的连杆传动机构实现耦合运动，由第二电机驱动。五个手指的第一电机与对应手指基座固连，第二电机与对应手指基部指节固连。手掌包括手掌心端盖和手掌背骨架，二者通过螺钉固连。

所述一种欠驱动仿人灵巧手装置的手掌包括手掌心端盖、手掌背骨架、手掌电机与减速器、手掌第一齿轮、手掌第二齿轮、拇指绕手掌旋转轴组成。手掌整体尺寸大小与成人手掌大小相近。手掌背骨架上设有对应食指、中指、无名指和小指的限位凹槽和限位孔，食指、中指、无名指和小指的基座背面与设有对应限位凹槽的手掌背骨架面贴合，对应手指基部关节旋转轴与限位孔套接，实现各手指与手掌背骨架的定位与连接。手掌背骨架上还设有对应手掌电机与减速器的限位凹槽。四个手指的限位凹槽在手掌背骨架上的布置与手掌纵向平行，手掌电机与减速器的限位凹槽的布置与手掌横向平行。大拇指绕手掌旋转轴位于中指限位凹槽的正下方，套设于手掌背骨架中。手掌电机与减速器的输出轴与手掌第一齿轮固连，手掌第二齿轮套设在拇指绕手掌旋转轴上，二者视为固连，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合。

所述的一种欠驱动仿人灵巧手装置的食指、中指、无名指、小指具有相同结构，均具有一个基座、三个指节，整体尺寸与成人手尺寸相当。以食指结构为例进行说明。食指包括食指基座、食指基部指节、食指中间指节和食指末端指节。食指第一电机与减速器通过限位凸台定位固连在食指基座上，食指第一电机与减速器的输出轴与食指基座齿轮固连，食指基座齿轮与食指基部指节第一齿轮啮合，食指基部指节第一齿轮和食指基部关节轴固连，食指基部指节套设在食指基座中，由食指基部关节轴铰接，食指基部关节轴与食指基部指节视为固连。食指第一电机与减速器驱动齿轮传动系统，使基部指节关节轴旋转，实现食指基部关节的弯曲伸直。食指第二电机通过食指第二电机与减速器限位凸台定位，与食指基部指节固连，食指第二电机与减速器输出轴与食指基部指节第二齿轮固连，食指基部指节第二齿轮与食指中间指节齿轮啮合，食指中间指节和食指中间指节齿轮分别于食指驱动连杆旋转轴固连，食指中间指节套设在食指基部指节中，由食指中间关节轴铰接。食指末端指节套设在食指中间指节的另一端，由食指末端关节轴铰接。食指第二电机与减速器驱动齿轮传动系统，将运动和力传给食指驱动连杆，进而驱动结构可变的连杆传动机构工作，实现食指中间关节和食指末端关节的弯曲伸直。

所述的一种欠驱动仿人灵巧手装置的结构可变的连杆传动机构，以食指为例，包括食指驱动连杆、食指从动连杆和拉簧。食指驱动连杆套接在食指驱动连杆旋转轴上，由食指驱动连杆限位凸台限位，食指驱动连杆和食指中间指节齿轮分别与食指驱动连杆旋转轴固连。食指驱动连杆与食指从动连杆一端铰接，食指从动连杆另一端套接在食指从动连杆旋转轴上，由食指从动连杆限位凸台定位。拉簧第一定位凸台和拉簧第二定位凸台上都设有安装槽，用于拉簧的安装与定位。驱动力由食指第二电机与减速器输出轴输入，经食指基部指节第二齿轮与食指中间指节齿轮传给食指驱动连杆旋转轴，带动食指驱动连杆转动。食指驱动连杆可以驱动食指从动连杆绕食指末端关节轴或食指中间关节轴旋转。当食指第二电机与减速器提供的转矩小于拉簧产生的转矩时，食指驱动连杆带动食指从动连杆驱动食指中间指节和食指末端指节一同绕食指中间关节轴旋转，实现食指中间指节和食指末端指节一同的弯曲伸直；当食指第二电机与减速器提供的转矩大于拉簧产生的转矩时，食指末端指节和食指中间指节分离，食指驱动连杆带动食指从动连杆驱动单独驱动食指末端指节绕食指末端关节轴旋转，实现食指末端指节单独的弯曲伸直。

所述的一种欠驱动仿人灵巧手装置的拇指结构包括拇指旋转凸台、拇指基座、拇指基部指节、拇指中间指节和拇指末端指节。拇指旋转凸台套接于拇指绕手掌旋转轴，视为固连，手掌第二齿轮套接于拇指绕手掌旋转轴，视为固连。拇指旋转凸台侧面与手掌水平面成70°，及初始位置拇指与手掌水平面成20°，使得拇指整体可以绕手掌纵向70°角旋转。手掌电机与减速器输出轴与手掌第一齿轮固连，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合，驱动力由手掌电机与减速器输出经齿轮传动机构传给拇指绕手掌旋转轴，带动拇指旋转凸台转动，实现驱动拇指整体绕手掌旋转。拇指整体可以绕手掌纵向70°角旋转，由初始位置最大旋转90°，此时拇指中心轴线与中指中心轴线共面，在抓取物体时，使食指、无名指、小指对物体的抓力在中指两侧对称分布，使抓取过程更加稳定。

本发明具有以下优点及突出效果：

该装置具有独立控制的5个模块化手指共16个自由度，整手由11个电机驱动，尺寸形状和成年人手相当。除拇指外其余四指结构完全相同，拇指在手掌基部有一个绕手掌纵向旋转的自由度，其旋转轴的布置使得整手在抓取物体时，使食指、无名指、小指对物体的抓力在中指两侧对称分布，提高了抓取稳定性。模块化手指利用两个电机分别对手指基部关节和由可变结构的连杆机构耦合的中间关节与末端关节进行驱动，连杆机构使得耦合的两个手指关节接触物体后的相对位置可以主动调节，使手指根据所抓取物体形状对物体进行包络，对物体外形的自适应性强，使其抓取动作更符合人手。整手结构简单，抓取力大，抓取刚度大，控制简单，抓取自适应性强，适用于残疾人假手、排爆、核设备检测以及类人机器人领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的手掌结构三维图。

图3是本发明的手掌背骨架示意图。

图4(a)是本发明的食指结构后视图。

图4(b)是本发明的食指结构右视图。

图5是本发明的可变结构的连杆机构局部剖视图(图中齿轮未画出)。

图6(a、b)是本发明的可变连杆机构工作原理示意图。

图中：

1-拇指

11-拇指旋转凸台 12-拇指基座 13-拇指基部指节 14-拇指中间指节 15-拇指末端指节

2-食指

21-食指基座

211-食指第一电机与减速器 212-食指第一电机与减速器限位凸台 213-食指基座齿轮

22-食指基部指节

221-食指基部指节第一齿轮 222-食指第二电机与减速器

223-食指第一电机与减速器限位凸台 224-食指基部指节第二齿轮

225-食指基部关节轴(限位孔) 226-食指驱动连杆旋转轴

227-食指驱动连杆定位限位凸台

23-食指中间指节

231-食指中间关节轴 232-食指中间指节齿轮 233-拉簧第一定位凸台

24-食指末端指节

241-食指末端关节轴 242-食指从动连杆旋转轴 243-食指从动连杆限位凸台

244-拉簧第二定位凸台

25-可变结构的连杆机构

251-食指驱动连杆 252-食指从动连杆 253-拉簧 254-虚拟连杆一 255-虚拟机架一

256-虚拟连杆二 257-虚拟机架二 258-待抓取物体

3-中指

4-无名指

5-小指

6-手掌

61-手掌心端盖 62-手掌背骨架 63-手掌电机与减速器 64-手掌电机与减速器限位槽

65-手掌第一齿轮 66-手掌第二齿轮 67-拇指绕手掌旋转轴 68-手指限位槽

69-手指限位孔 610、611、612-螺钉孔

具体实施方式

下面将结合技术方案和附图详细说明本发明专利的具体实施例。

本发明所述的欠驱动仿人灵巧手装置整体结构如图1所示，包括五个手指和一个手掌，其中五个手指分别为拇指1、食指2、中指3、无名指4和小指5。食指2、中指3、无名指4和小指5都由基座、基部指节、中间指节、末端指节四部分构成，各指节均具有一个弯曲伸直的自由度。拇指1由拇指旋转凸台11、拇指基座12、拇指基部指节13、拇指中间指节14和拇指末端指节15五部分构成，除拇指旋转凸台11外，其他结构与其余四指相同。整个拇指1还具有一个绕手掌6旋转的自由度。五个手指基部指节的弯曲伸直的自由度由手指第一电机带动齿轮传动机构实现，中间指节和末端指节弯曲伸直的自由度通过一个结构可变的连杆传动机构25实现耦合运动，由第二电机驱动。五个手指的第一电机与对应手指基座固连，第二电机与对应手指基部指节固连。手掌6包括手掌心端盖61和手掌背骨架62，二者通过螺钉610、611、612固连。

所述的手掌6结构如图2、3所示，包括手掌心端盖61、手掌背骨架62、手掌电机与减速器63、手掌第一齿轮65、手掌第二齿轮66、拇指绕手掌旋转轴67组成。手掌6整体尺寸大小与成人手掌大小相近。手掌背骨架62上设有对应食指2、中指3、无名指4和小指5的限位凹槽68和限位孔69，食指2、中指3、无名指4和小指5的基座背面与设有对应限位凹槽68的手掌背骨架62面贴合，对应手指基部关节旋转轴与限位孔69套接，实现各手指与手掌背骨架62的定位与连接。手掌背骨架62上还设有对应手掌电机与减速器的限位凹槽64。四个手指的限位凹槽68在手掌背骨架62上的布置与手掌6纵向平行，手掌电机与减速器的限位凹槽64的布置与手掌6横向平行。大拇指绕手掌旋转轴67位于中指限位凹槽的正下方，套设于手掌背骨架62中。手掌电机与减速器63的输出轴与手掌第一齿轮65固连，手掌第二齿轮66套设在拇指绕手掌旋转轴67上，二者视为固连，手掌第一齿轮65与手掌第二齿轮66啮合。

所述的食指2、中指3、无名指4、小指5具有相同结构，均具有一个基座、三个指节，整体尺寸与成人手尺寸相当。如图4(a、b)所示，以食指2为例进行说明。食指第一电机与减速器211通过食指第一电机与减速器的限位凸台212定位固连在食指基座21上，食指第一电机与减速器211的输出轴与食指基座齿轮213固连，食指基座齿轮213与食指基部指节第一齿轮啮合221，食指基部指节第一齿轮221和食指基部关节轴225固连，食指基部指节22套设在食指基座21中，由食指基部关节轴225铰接，食指基部关节轴225与食指基部指节22视为固连。食指第一电机与减速器211驱动齿轮传动系统，使基部指节关节轴225旋转，实现食指基部关节22的弯曲伸直。食指第二电机与减速器222通过食指第二电机与减速器限位凸台223定位，与食指基部指节22固连，食指第二电机与减速器222输出轴与食指基部指节第二齿轮224固连，食指基部指节第二齿轮224与食指中间指节齿轮232啮合，食指中间指节23和食指中间指节齿轮232分别于食指驱动连杆旋转轴226固连，食指中间指节23套设在食指基部指节22中，由食指中间关节轴231铰接。食指末端指节24套设在食指中间指节23的另一端，由食指末端关节轴241铰接。食指第二电机与减速器222驱动齿轮传动系统，将运动和力传给食指驱动连杆251，进而驱动可变结构的连杆机构25工作，实现食指中间关节23和食指末端关节24的弯曲伸直。

所述的可变结构的连杆机构25如图5所示，以食指2为例，包括食指驱动连杆251、食指从动连杆252和拉簧253。食指驱动连杆251套接在食指驱动连杆旋转轴226上，由食指驱动连杆限位凸台227限位，食指驱动连杆251和食指中间指节齿轮232分别与食指驱动连杆旋转轴226固连。食指驱动连杆251与食指从动连杆252一端铰接，食指从动连杆252另一端套接在食指从动连杆旋转轴242上，由食指从动连杆限位凸台243定位。拉簧第一定位凸台233和拉簧第二定位凸台244分别位于食指中间指节23和食指末端指节24上，初始状态下，拉簧253处于拉伸状态。驱动力由食指第二电机与减速器222输出轴输入，经食指基部指节第二齿轮224与食指中间指节齿轮232传给食指驱动连杆旋转轴226，带动食指驱动连杆251转动。食指驱动连杆251可以驱动食指从动连杆252绕食指末端关节轴241或食指中间关节轴231旋转。当食指第二电机与减速器222提供的转矩小于拉簧253产生的转矩时，食指驱动连杆251带动食指从动连杆252驱动食指中间指节23和食指末端指节24一同绕食指中间关节轴231旋转，实现食指中间指节23和食指末端指节24作为整体弯曲伸直；当食指第二电机与减速器222提供的转矩大于拉簧253产生的转矩时，食指末端指节24和食指中间指节23分离，食指驱动连杆251带动食指从动连杆252驱动单独驱动食指末端指节24绕食指末端关节轴241旋转，实现食指末端指节24单独的弯曲伸直。

所述的拇指1结构如图1所示，包括拇指旋转凸台11、拇指基座12、拇指基部指节13、拇指中间指节14和拇指末端指节15。除拇指旋转凸台11外，其他结构与其余四指结构相同，在此不再赘述。拇指旋转凸台11套接于拇指绕手掌旋转轴67，视为固连，由手掌第二齿轮66定位。手掌第二齿轮66套接于拇指绕手掌旋转轴67，视为固连。拇指旋转凸台11侧面与手掌6水平面成70°，及初始位置拇指1与手掌6水平面成20°，使得拇指1整体可以绕手掌6纵向70°角旋转。手掌电机与减速器63输出轴与手掌第一齿轮65固连，手掌第一齿轮65与手掌第二齿轮66啮合，驱动力由手掌电机与减速器63输出经齿轮传动机构传给拇指绕手掌旋转轴67，带动拇指旋转凸台11转动，实现驱动拇指1整体绕手掌6旋转。拇指1整体可以绕手掌6纵向70°角旋转，由初始位置最大旋转90°，此时拇指1中心轴线与中指3中心轴线共面，在抓取物体时，使食指2、无名指4、小指5对物体的抓力在中指两侧对称分布，使抓取过程更加稳定。

下面介绍本实施例的工作原理。

结合图4(a、b)、图5和图6(a、b)，以食指2为例介绍可变结构的连杆机构25的工作原理。

驱动力由食指第二电机与减速器222，通过与其固连的食指基部指节第二齿轮224传给与之啮合的食指中间指节齿轮232，进而驱动与之固连的食指驱动连杆旋转轴226转动，带动与其固连的食指驱动连杆251转动。当食指中间指节23和食指末端指节24均未与待抓取物体257接触时，由于食指第二电机与减速器222输出转矩不足以克服食指中间指节23和食指末端指节24之间拉簧253的拉力，使得食指中间指节23和食指末端指节24相对位置保持不变，食指中间关节轴231与食指从动连杆旋转轴242形成虚拟连杆一254，食指中间关节轴与食指驱动连杆旋转轴形成虚拟机架一255，因此可变结构的连杆机构25简化为由食指驱动连杆251、食指从动连杆252、虚拟杆一254和虚拟机架一255构成的四杆机构，驱动食指驱动连杆251转动，进而带动虚拟杆一254绕食指中间关节轴231转动，实现食指中间指节23和食指末端指节24整体的弯曲伸直。当食指中间指节23先与待抓取物体257接触时，食指第二电机与减速器222输出转矩克服拉簧253的拉力，使食指中间指节23和食指末端指节24分离。由于待抓取物体257的阻碍，使得食指中间指节不能继续绕食指中间关节轴231旋转，食指末端关节轴与食指驱动连杆旋转轴形成虚拟机架二255，食指末端关节轴与食指从动连杆旋转轴形成虚拟连杆二256，因此可变结构的连杆机构25简化为由食指驱动连杆251、食指从动连杆252、虚拟连杆二256和虚拟机架二255构成的四连杆机构。继续驱动食指驱动连杆251，使虚拟连杆二256绕食指末端关节轴241旋转，即食指末端指节24绕食指末端关节轴241的弯曲，完成对待抓取物体257进行包络，实现与人手相当的抓握动作；当食指中间指节23和食指末端指节24一同弯曲时，若食指末端指节24先与待抓取物体257接触，可以实现与人手相当的捏取动作。

整个食指2的工作原理为

首先驱动力由食指第一电机与减速器212传给齿轮传动系统，齿轮传动系统中的食指基部指节第一齿轮221和食指基部指节22分别与食指基部关节轴226固连，带动整个食指2绕食指基部关节轴226转动，直至食指基部指节22、食指中间指节23、食指末端指节24中任一指节与物体258接触，食指第一电机与减速器211停止转动，执行上述可变结构的连杆机构25相关工作原理完成对物体258的抓取。食指基部指节22、食指中间指节23和食指末端指节24上可以设置压力传感器，当手指碰到物体时，压力传感器将信号反馈给电机，使其停止转动并保持一定的转矩，实现对物体的稳定抓取。食指2释放物体258时，食指第一电机与减速器211和食指第二电机与减速器222反转，带动齿轮传动系统驱动食指驱动连杆251反转，并且在拉簧253的拉力作用下，食指中间指节23和食指末端指节24一同伸直，同时食指第一电机与减速器211将动力传给齿轮传动系统，带动食指基部关节轴225旋转，实现食指基部关节22的伸直，使食指2回复到初始位置。食指基部关节轴225、食指中间关节轴226和食指末端关节轴242上可以设置角度与位置传感器来确定手指各关节的位姿。

中指3、无名指4和小指5的工作原理与食指2相同。

拇指1的工作原理为

初始状态下，拇指2所在平面与手掌6平行。抓取物体时，手掌电机与减速器63驱动齿轮传动系统，齿轮传动系统中的手掌第二齿轮66和拇指旋转凸台11分别与拇指绕手掌旋转轴69固连，拇指旋转凸台11与拇指2固连，由此驱动拇指2绕拇指绕手掌旋转轴67转动到合适位置。拇指绕手掌旋转轴67上可增加角度传感器，用于确定拇指1的位姿。拇指1各指节抓取物体的工作原理与食指2相同。