一种驱动外置的线驱动灵巧手的制作方法

本发明涉及仿生机器人领域，特别涉及一种驱动外置的线驱动灵巧手。

背景技术：

随着科技的不断发展，越来越多的工作被机器所取代。然而，在很多复杂的工作环境下，简单的机械手仍无法替代人去完成复杂而精密的操作。于是出现了一种仿生机械手，其能够模拟人手去执行各种动作，完成抓取任务。

目前，市场上现有的仿生机器人使用的灵巧手虽然能够代替人手去完成一些任务，但并不完美，仍存在以下问题：

1、自由度较小。一般靠置于手掌中的单个电机驱动，仅能完成单一的动作，无法进行复杂动作或操作。

2、承载能力低。因手掌体积较小，受限于较小的体积，一般灵巧手驱动电机也较小，无法提供大力矩，因此灵巧手无法抓取重物。

3、结构复杂。一般单电机驱动灵巧手，传动机构复杂，需要锥齿轮、蜗轮、蜗杆和连杆等机构实现动力分配和动作传递。

技术实现要素：

基于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种自由度高、多驱动和抓取力强，体积小，传动简单可靠的驱动外置的线驱动灵巧手，实现握、捏、按等复杂的动作或多手指协作的动作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

驱动外置的线驱动灵巧手，由手指、手掌和小臂构成；所述手指包括四个指节，分别为远关节、中关节、基关节和指节座，且每个指节之间通过销轴连接，并依次串联，可自由转动；所述销轴上设有扭簧，该扭簧可使手指始终处于伸展状态；

所述手掌包括手掌外壳、绳轴和导绳环；所述手掌外壳上设有掌孔，所述指节座插入所述掌孔内，并通过螺栓固定；所述绳轴固定于所述掌孔的底部，所述导绳环置于掌心的一侧；

所述小臂由小臂外壳、腕部转动模块、角度传感器、穿绳转动轴和手指驱动模块构成；所述手掌与所述腕部转动模块连接；

所述手指内设有一传动绳，所述指节上还设有导向轴，所述传动绳的一端固定在所述远关节上的导向轴上，另一端绕过每个指节的导向轴穿过整个手指空腔，进入所述掌孔内，并汇聚至所述导绳环中，再穿过所述腕部转动模块，进入所述手指驱动模块。

进一步，所述指节由两个对称的指节单元件组成，且所述指节单元通过螺栓固定在一起。

进一步，所述手指包括五根，分别为拇指、食指、中指、无名指和小指，且五根手指在所述手掌上的布置与人手相似。

进一步，所述掌孔设有5个，并与所述手指一一对应。

进一步，所述手掌外壳包括掌心外壳和掌背外壳，且在所述掌心外壳上设有螺栓穿入孔，由螺栓穿入将两者固定在一起。

进一步，所述手掌外壳的末端设有腕关节连接单元，所述腕关节连接单元与所述腕部转动模块连接。

进一步，所述手指驱动模块由支架、若干个绕绳轮和若干个数字舵机构成；所述数字舵机通过螺栓固定在所述支架上，所述绕绳轮安装在所述数字舵机的输出轴上。

进一步，所述角度传感器与所述穿绳转动轴连接，置于所述腕部转动模块处；所述手指驱动模块位于所述腕部转动模块的后方。

本发明的有益效果是：本方案将驱动电机外置于小臂内，因此在选择电机时不受空间限制，可选用大功率的电机，可实现较大的抓取力，轻松抓取重物，且采用五个电机分别驱动五根手指，可实现多自由度，多驱动，使灵巧手动作更加灵活，可轻松实现握、捏、按等复杂的动作或多手指协作动作，采用线传动，使灵巧手体积与真人一致，体积小，传动更简单可靠。

附图说明

图1是灵巧手三视图和立体图。

图2是灵巧手爆炸图。

图3是手指三视图和立体图。

图4是手指爆炸图和剖视图。

图5是手指绕绳示意图。

图6是手掌三视图和立体图。

图7是手掌爆炸图和立体图。

图8是手掌绕绳示意图。

图9是小臂三视图和立体图。

图10是小臂爆炸图。

图11是手指驱动模块爆炸图。

图中：1-手指、2-手掌、3-小臂；11-远关节、12-中关节、13-基关节、14-指节座、15-固定螺栓、16-销轴、17-扭簧、18-导向轴、21-手掌外壳、22-绳轴、23-导绳轴、24-掌孔、25-螺栓穿入孔；31-小臂外壳、32-腕部转动模块、33-角度传感器、34-穿绳转动轴、35-腕部转动模块、41-绕绳轮、42-支架、43-数字舵机。

具体实施方式

以下结合附图。对本发明做进一步说明。

图1显示的是灵巧手三视图和立体图，从该图中可以看出本发明中的灵巧手与人手结构非常相似。结合图2可知：本发明的灵巧手包括手指1、手掌2和小臂3三部分。其中，灵巧手包括五根手指，分别为拇指、食指、中指、无名指和小指，为了降低灵巧手的复杂程度，五根手指结构设计相同，都如图3所示。

有关手指的具体结构如图4所示：每根手指都由4个指节构成，分别为远关节11、中关节12、基关节13和指节座14，每个指节都是由两个对称的指节单元由固定螺栓15连接组成，且每个指节之间通过销轴16连接，并依次串联，可自由转动；在销轴16上设有扭簧17，该扭簧17可使手指始终处于伸展状态。其中，指节座14的末端插入在手掌2内，并通过螺栓与手掌2连接。此外，在指节内还设有导向轴18和传动绳，传动绳的一端固定在远关节11的导向轴上，绳体绕过各个指节上的导向轴贯穿整个手指；其中传动绳的绕绳结构如图5所示。

图5中左侧视图为电机拉动传动绳后，手指弯曲的状态；右侧视图为绳子不受力时，手指处于自然伸直的状态。

手掌2的外形结构如图6所示，整个手掌的造型与真人手掌类似，在手掌的末端设有腕关节连接单元，从而使手掌与小臂的连接有一定的自由度，可做出类似手腕的摆动动作。

手掌2的具体结构如图7所示，包括手掌外壳21、绳轴22和导绳环23；手掌外壳21分为掌心外壳和掌背外壳两部分，且在掌心外壳上设有螺栓穿入孔25，由螺栓穿入将两者固定在一起。在手掌外壳21上设有掌孔24，指节座14就插入在掌孔24内，并通过螺栓固定；绳轴22固定于掌孔24的底部，导绳环23置于掌心的一侧，手指中的传动绳绕过绳轴22，汇总至导绳环23中，穿过腕关节连接单元，进入小臂3的驱动模块上。

其中，传动绳的绕线结构如图8所示，传动绳穿过手指1进入手掌2中，经过绳轴22的导向，汇集到导绳环23，最终进入小臂中。

小臂3的外形结构如图9所示，小臂3的前端为腕部转动关节，其与手掌2末端的腕关节连接单元连接。

小臂3的具体结构如图10所示，包括小臂外壳31、腕部转动模块32、角度传感器33、穿绳转动轴34和手指驱动模块35；其中，手掌2与腕部转动模块32连接；角度传感器33与穿绳转动轴34连接，置于腕部转动模块32处；手指驱动模块35位于腕部转动模块32的后方。

其中，手指驱动模块35的结构如图11所示，手指驱动模块35由绕绳轮41、支架42和数字舵机43构成，数字舵机43通过螺栓固定在支架42上，而绕绳轮41安装在数字舵机43的输出轴上，从手掌过来的传动绳缠绕在绕绳轮41上。当数字舵机43转动时，传动绳收缩缠绕在绕绳轮41上，传动绳拉动手指，实现手指的弯曲。

本实施例中手指驱动模块35包括5个数字舵机43，从而实现五根手指的弯曲驱动，根据需要，可增加数字舵机43的数量，增加手指的动作种类，实现灵巧手的灵活操作。例如，在手指基关节的导绳轴上固定一根绳子，绳子另一端穿过手掌进入手指驱动模块，与驱动模组中增加的数字舵机相连，即增加了驱动数目，可实现手指的单个指节的弯曲，可实现灵巧手的捏取动作。

以上显示和描述了本方案的基本原理和主要特征和本方案的优点。本行业的技术人员应该了解，本方案不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本方案的原理，在不脱离本方案精神和范围的前提下，本方案还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本方案范围内。本方案要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。