一种欠驱动14自由度仿生灵巧手的制作方法

本发明属于机器人技术领域，涉及一种欠驱动14自由度仿生灵巧手。

背景技术：

随着工业现代化发展，我国以及世界科技水平的发展日新月异，一次又一次的工业革命带来越来越多科技的创新，直至今日我们的工业发展将促使新一轮的工业革命的开始，而随着中国2025计划对接德国工业4.0的实施落地，未来社会对机器人的需求量将会迅猛增长。据相关数据统计显示，到2023年，人形机器人的市场将会增长超10倍，预计在未来6年内市场规模有望超过38亿美元。目前，人形机器人主要市场以美洲为主，但是据预测，该行业未来增长率最快的地方将会是亚太地区。随着中国和日本等亚太地区的老年人数量不断增多，预计将采用更多的人形机器人来提供个人帮助和护理服务。

人形机器人是一个全方面技术的混合产物，它的设计难点有很多方面，其中一个方面就是有力灵巧机械手的设计。目前国内外在人形机器人仿生灵巧手的设计上，大多采用可变的欠驱动结构，这也是符合人体仿生学的，但是在负荷能力上有所欠缺，尤其是传统线传动灵巧手的设计，其负荷能力远小于连杆欠驱动机械手，而且控制精度很差，但是连杆欠驱动灵巧手占用空间较大，难以实施。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种欠驱动14自由度仿生灵巧手，它采用欠驱动的结构形式且能够提高灵巧手的控制精度。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种欠驱动14自由度仿生灵巧手，包括手掌、拇指、食指、中指、无名指和小指，其特征在于，所述拇指包括第一上指节、第一中指节和第一下指节，所述第一上指节的下端部与第一中指节的上端部相铰接，第一下指节的上端部与第一中指节的下端部相铰接，第一下指节的下端部与所述手掌转动连接，所述第一上指节、第一中指节和第一下指节上连接有第一绳索，所述第一绳索的一端与第一驱动电机的输出轴相连接，第一绳索的另一端固定在第一上指节上。

该欠驱动14自由度仿生灵巧手包括手掌、拇指、食指、中指、无名指和小指，拇指包括第一上指节、第一中指节和第一下指节，第一上指节、第一中指节和第一下指节分别为第一转动架、第二转动架和第三转动架，第一转动架自由度为绕左右方向转动的转动副，目的是实现第一上指节的转动，第二转动架自由度也为绕左右方向转动的转动副，目的是实现第一中指节以及第一上指节联动弯曲动作。第三转动架自由度为绕手掌前后方向转动的转动副，目的是实现第一下指节相对于掌心的内外转动动作，其中第一转动架和第二转动架共用第一驱动电机，实现欠驱动转动，第一电机驱动第一绳索，在第一绳索的牵动下，实现第一上指节相对于第一中指节的转动以及第一中指节相对于第一下指节的转动，本灵巧手的结构能够提高灵巧手的控制精度。

在上述的一种欠驱动14自由度仿生灵巧手中，所述食指、中指、无名指和小指均包括第二上指节、第二中指节和第二下指节，各第二上指节的下端部均与对应的第二中指节的上端部相铰接，各第二下指节的上端部均与对应的第二中指节的下端部相铰接，各第二下指节的下端部与所述手掌相铰接，各第二上指节、对应的第二中指节和对应的第二下指节上均连接有第二绳索，各第二绳索的一端分别与对应的第二驱动电机的输出轴相连接，各第二绳索的另一端固定在对应的第二上指节上。

各第二上指节和第二中指节分别由对应的第二驱动电机驱动，所以称为欠驱动，各第二电机驱动对应的第二绳索，在第二绳索的牵动下，实现第二上指节相对于第二中指节的转动以及第二中指节相对于第二下指节的转动。

在上述的一种欠驱动14自由度仿生灵巧手中，各第二下指节的下端部均铰接有指跟，各指跟均与手掌相固连。通过第二驱动电机的驱动，实现各第二下指节相对于对应的指跟转动。

在上述的一种欠驱动14自由度仿生灵巧手中，各第二下指节的上端部分别转动连接有相对设置的第一滑轮和第二滑轮，各第二中指节的下端部分别转动连接有相对设置的第三滑轮和第四滑轮，各第二中指节的上端部分别转动连接有相对设置的第五滑轮和第六滑轮，各第二上指节的下端部分别转动连接有相对设置的第七滑轮和第八滑轮，各第二绳索相对折后均分成两股，其中一股分别滑动连接在第一滑轮、第三滑轮、第五滑轮和第七滑轮上，另一股分别滑动连接在第二滑轮、第四滑轮、第六滑轮和第八滑轮上，各第二绳索的一端均固定在对应的第二驱动电机的输出轴上，各第二绳索的另一端均固定在对应的第二上指节上。

第二驱动电机、第二绳索、第一滑轮、第三滑轮、第五滑轮、第七滑轮、第二滑轮、第四滑轮、第六滑轮和第八滑轮组成传动机构，在第二驱动电机的驱动下，牵动第二绳索移动，从而分别实现食指、中指、无名指或小指的弯曲伸直动作。如果第二中指节与第二下指节之间的相对位置为固定的，此时第二电机驱动第二绳索时，能够使第二上指节上相对于第二下指节转动，该结构称为欠驱动机构。

当然，上述的传动机构也可以应用在拇指的结构中。

在上述的一种欠驱动14自由度仿生灵巧手中，各第二上指节的下端部与对应的第二中指节的上端部、各第二下指节的上端部与对应的第二中指节的下端部均通过转轴相铰接，所有转轴上均转动连接有轴套，所述第二绳索的两股分别滑动连接在各轴套上且分别位于对应轴套的两侧。轴套使得各滑轮上的两股绳索彼此之间相隔离，且保证第二上指节、第二中指节和第二下指节在转动的过程中一端绳索的伸长量等于另一端绳索的缩短量。

在上述的一种欠驱动14自由度仿生灵巧手中，所述手掌的底部具有固定座，所述固定座的底面为平面。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本灵巧手采用欠驱动的结构形式，且能够提高灵巧手的控制精度。

2、本灵巧手的结构能够提高负载。

附图说明

图1是本灵巧手的结构示意图。

图2是拇指的结构示意图。

图3是食指的结构示意图。

图4是传动机构的示意图。

图5是轴套的结构示意图。

图中，1、手掌；1a、固定座；2、拇指；2a、第一上指节；2b、第一中指节；2c、第一下指节；3、食指；4、中指；5、无名指；6、小指；7、第二上指节；8、第二中指节；9、第二下指节；10、第二绳索；11、指跟；12、第一滑轮；13、第二滑轮；14、第三滑轮；15、第四滑轮；16、第五滑轮；17、第六滑轮；18、第七滑轮；19、第八滑轮；20、转轴；21、轴套。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-2所示，本欠驱动14自由度仿生灵巧手包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6，拇指2包括第一上指节2a、第一中指4节2b和第一下指节2c，第一上指节2a的下端部与第一中指4节2b的上端部相铰接，第一下指节2c的上端部与第一中指4节2b的下端部相铰接，第一下指节2c的下端部与手掌1转动连接，第一上指节2a、第一中指4节2b和第一下指节2c上连接有第一绳索，第一绳索的一端与第一驱动电机的输出轴相连接，第一绳索的另一端固定在第一上指节2a上。

如图3所示，本实施例中，食指3、中指4、无名指5和小指6均包括第二上指节7、第二中指节8和第二下指节9，各第二上指节7的下端部均与对应的第二中指节8的上端部相铰接，各第二下指节9的上端部均与对应的第二中指节8的下端部相铰接，各第二下指节9的下端部与手掌1相铰接，各第二上指节7、对应的第二中指节8和对应的第二下指节9上均连接有第二绳索10，各第二绳索10的一端分别与对应的第二驱动电机的输出轴相连接，各第二绳索10的另一端固定在对应的第二上指节7上。各第二上指节7和第二中指节8分别由对应的第二驱动电机驱动，所以称为欠驱动，各第二电机驱动对应的第二绳索10，在第二绳索10的牵动下，实现第二上指节7相对于第二中指节8的转动以及第二中指节8相对于第二下指节9的转动。

如图3所示，优选的，各第二下指节9的下端部均铰接有指跟11，各指跟11均与手掌1相固连。通过第二驱动电机的驱动，实现各第二下指节9相对于对应的指跟11转动。

如图4所示，本实施例中，各第二下指节9的上端部分别转动连接有相对设置的第一滑轮12和第二滑轮13，各第二中指节8的下端部分别转动连接有相对设置的第三滑轮14和第四滑轮15，各第二中指节8的上端部分别转动连接有相对设置的第五滑轮16和第六滑轮17，各第二上指节7的下端部分别转动连接有相对设置的第七滑轮18和第八滑轮19，各第二绳索10相对折后均分成两股，其中一股分别滑动连接在第一滑轮12、第三滑轮14、第五滑轮16和第七滑轮18上，另一股分别滑动连接在第二滑轮13、第四滑轮15、第六滑轮17和第八滑轮19上，各第二绳索10的一端均固定在对应的第二驱动电机的输出轴上，各第二绳索10的另一端均固定在对应的第二上指节7上。

第二驱动电机、第二绳索10、第一滑轮12、第三滑轮14、第五滑轮16、第七滑轮18、第二滑轮13、第四滑轮15、第六滑轮17和第八滑轮19组成传动机构，在第二驱动电机的驱动下，牵动第二绳索10移动，从而分别实现食指3、中指4、无名指5或小指6的弯曲伸直动作。如果第二中指节8与第二下指节9之间的相对位置为固定的，此时第二电机驱动第二绳索10时，能够使第二上指节7上相对于第二下指节9转动，该结构称为欠驱动机构。此外，第二绳索10绕过第一滑轮12后，还可以在第二绳索10上连接弹簧阻尼器、拉力传感器、位移传感器和限位抱锁装置，最后第二绳索10的端部固定至第二驱动电机上。

当然，上述的传动机构也可以应用在拇指2的结构中。

如图4-5所示，作为优选，各第二上指节7的下端部与对应的第二中指节8的上端部、各第二下指节9的上端部与对应的第二中指节8的下端部均通过转轴20相铰接，所有转轴20上均转动连接有轴套21，第二绳索10的两股分别滑动连接在各轴套21上且分别位于对应轴套21的两侧。轴套21使得各滑轮上的两股绳索彼此之间相隔离以减小摩擦，且保证第二上指节7、第二中指节8和第二下指节9在转动的过程中一端绳索的伸长量等于另一端绳索的缩短量。此外，同时轴套21外表面还可以设置凹槽，该结构能够更好的将第二绳索10隔离开，减小第二绳索10之间的摩擦。

如图1所示，优选的，手掌1的底部具有固定座1a，固定座1a的底面为平面。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。