本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种腱-连杆混合传动的多自由度指式机械手。
背景技术：
机械手是工业领域或空间领域实施抓取操作的重要执行机构，机械手能够执行精细操作、灵巧操作，完成抓握、旋拧、插拔、移动、对准等典型的操作，这些操作在地面和空间任务中都具有代表性。当机械手指应用于工业生产和空间环境时，机械手指应尽可能结构简单、性能稳定可靠、具有实现抓取操作所需的传感器等。
目前机械手的自由度和内部传感器数量种类均较少，使得机械手的灵巧性较差，此外各手指单独设计，手指之间互换性较差。机械手的驱动以电机直接置于关节内部为主，由于受到手指空间的限制，电机体积较小，导致手指的抓取力较小；目前机械手指的传感器以位置传感器为主，也有部分手指具有指尖力传感器，腱驱动手指中能够测量驱动力的手指更少。本发明提供了一种模块化、多传感器融合的腱-连杆混合驱动多自由度机械手，该机械手能够测量关节位置、速度、指尖力、腱驱动力，该机械手的驱动电机置于外部，驱动电机的选择不受手指尺寸的限制。该机械手具有传感器丰富、结构简单、指尖出力大、可靠性高、操作性强等优点。
专利us6244644b1中介绍了一种驱动后置的五指灵巧手，其五个手指中拇指、食指、中指结构相同，每个手指具有三个关节；无名指和小指结构相同，每个手指有两个关节。每个手指的各关节之间通过连杆形成耦合，分别由两个电机驱动；腕部设计有两个自由度，整手共计12个电机驱动。该灵巧手的优点是手指控制相对简单，缺点是手指缺少侧偏自由度，灵巧操作能力不足。专利us8459711b2中设计了一种液压驱动的五指机械手，该手采用液压驱动，也可采用电机驱动，每个手指具有三个弯曲关节，三个关节之间采用连杆形成耦合传动形成一个弯曲自由度，该手指具有出力大的优点。该机械手的缺点表现为自由度较少，操作灵活性较弱。文献《therobonant2hand-designedtodoworkwithtools，2012ieeeinternationalconferenceonroboticsandautomation，rivercentre,saintpaul,minnesota,usa,may14-18,2012》中介绍了一种腱驱动的灵巧手，整手包括腕部关节共有14个自由度，文献中只对手指的驱动原理进行了介绍，未对详细的结构设计进行说明。专利us8401700b2提出了一种灵巧手控制系统的安装方法，控制系统硬件被分成多个模块分别安装于手臂的外侧，控制系统集成度较差。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种腱-连杆混合传动的多自由度指式机械手，具有多自由度、多传感器、操作灵活的特点。
一种机械手，包括五个手指、手掌，腕部以及手臂；五个手指安装在所述手掌上；手掌通过腕部与手臂连接；
所述五个手指中的拇指、食指和中指定义为第一类手指；无名指和小指定义为第二类手指；
所述第一类手指包括四根驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4以及顺次相连的第一基座、第一基指节、第一近指节、第一中指节和第一远指节；
所述第一基座、第一基指节、第一近指节、第一中指节与第一远指节的相邻两部件之间形成转动副；所述第一远指节还与第一近指节之间采用连杆进行连接，以产生第一远指节与第一中指节之间的耦合运动；驱动腱j1-1和驱动腱j1-2的一端均固定在第一近指节上，另一端分别引至第一基座处；驱动腱j1-1和驱动腱j1-2分别用于驱动第一近指节绕第一基指节的弯曲和展开运动；驱动腱j1-3和驱动腱j1-4的一端均固定在第一中指节上，另一端分别引至第一基座处，驱动腱j1-3和驱动腱j1-4用于驱动第一中指节绕第一近指节的弯曲和展开运动；
所述第二类手指包括两根驱动腱j2-1、j2-2以及顺次相连的第二基座、第二近指节、第二中指节和第二远指节；所述第二基座、第二近指节、第二中指节与第二远指节的相邻两部件之间形成转动副；第二基座与第二近指节之间、第二近指节与第二中指节之间的转动副上设有扭转弹簧；第二中指节与第二远指节之间通过连杆进行耦合传动；驱动腱j2-1与第二中指节连接，用于驱动第二中指节绕第二近指节的弯曲运动；驱动腱j2-2与第二近指节连接，用于驱动第二近指节绕第二基座的弯曲运动；
所述手臂的内部安装有驱动组件和控制系统；所述驱动组件用于在所述控制系统的控制下，驱动驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4、j2-1以及j2-2。
较佳的，所述手掌
较佳的，所述五个手指的弯曲和展开位置信息通过位置编码器进行测量。
较佳的，所述五个手指上驱动力信息通过拉力传感器测量。
较佳的，所述五个手指与被抓物体之间的接触力通过多维力传感器测量。
较佳的，所述驱动组件通过电机和滚珠丝杠配合实现对驱动腱的牵引。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中，手掌采用仿形设计，手指采用模块化设计，拇指、食指和中指各具有三个自由度，无名指和小指各具有两个自由度；运用腱驱动方式对手指各关节进行驱动，能够实现驱动电机的后置，避免在手指的狭窄空间下布置驱动电机。同时能够在相同的结构尺寸限制下，提供比齿轮、链、带传动等传统传动方式更高的驱动力。
(2)本发明中指节通过连杆耦合驱动远指节，实现了远指节与中指节的连动，使得远指节与中指节之间具有确定的相对运动关系，使用一个电机实现了中指节和远指节中两个关节的控制。既实现了手指的抓取，又节省了驱动电机数量。
(3)本发明采用四个驱动源实现手指的弯曲展开和侧偏等三个自由度，该驱动方式省去了腱驱动中的张紧机构，简化了手指结构，降低了成本，提高了可靠性。
(4)本发明中手指具有编码器、多维力、拉力等多种传感器，能够对手指的位置、抓取接触力，驱动电机驱动力等多种信息进行测量，这些信息都可以作为对驱动电机进行控制的输入量，是一个多传感器融合的系统。
(5)本发明中驱动组件置于手掌外部，减小了手指和手掌的体积，驱动组件的选择不再受手指体积的限制，可以通过选择输出功率较大的驱动组件实现手指较大的输出力。
附图说明
图1(a)是五指机械手的轴测图，图1(b)是五指机械手去除手臂外罩的轴测图；
图2是三自由度手指1的轴测图；
图3是两自由度手指2的轴测图；
图4是驱动组件单元的轴测图。
其中，1-第一手指，2-第二手指，3-手掌，4-手腕，5-手臂，1-1、2-1-基座，1-2-基指节，1-3、2-2-近指节，1-4、2-3-中指节，1-5、2-4-远指节，1-6、2-5-连杆，j1-1、j1-2、j1-3、j1-4、j2-1、j2-2-驱动腱，s1-1、s1-2、s1-3、s1-4、s2-1、s2-2-拉力传感器，5-1-驱动组件,5-2-控制系统,5-1-1、5-1-2-电机组件。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明的一种腱-连杆混合传动的多自由度机械手，包括五个手指，3个三自由度手指1，2个两自由度手指2，仿形手掌3，腕部4以及手臂5。
三个手指1的弯曲、展开和侧偏通过驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4和连杆1-6的运动实现，手指弯曲、展开和侧偏时的位置信息通过位置编码器进行测量，手指的力信息通过多维力传感器和拉力传感器s1-1、s1-2、s1-3和s1-4进行测量。
另外两个手指2的弯曲通过驱动腱j2-1、j2-2和连杆2-5的运动实现，手指2的展开依靠手指关节处的扭簧实现。手指弯曲、展开的位置信息通过位置编码器进行测量，手指的力信息通过六位力传感器和拉力传感器s2-1、s2-2进行测量。
驱动组件5-1和控制系统5-2置于手臂5内部，驱动组件5-1由若干是驱动组件单元组成，驱动组件单元主要由电机组件5-1-1和5-1-2组成。
本发明中驱动源置于整手外部，使得手指具有了结构简单、体积和质量小的特点，多传感器又使得手指具有多种感知能力，提高了手指的可操控性，使得手指具备了实现高级控制所需的硬件基础。
所述手指1包括基座1-1，基指节1-2，近指节1-3，中指节1-4，远指节1-5，驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4，拉力传感器s1-1、s1-2、s1-3和s1-4；基座1-1、基指节1-2、近指节1-3、中指节1-4、远指节1-5之间为转动副连接，基座1-1与基指节1-2、基指节1-2与近指节1-3、近指节1-3与中指节1-4之间的转动副上设计有编码器测量相对转动的角度，中指节1-4与远指节1-5之间通过连杆1-6进行耦合传动，远指节1-5处设计有多维力传感器。手指1的弯曲、展开和侧偏通过驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4和连杆1-6的运动实现，手指弯曲、展开和侧偏时的位置信息通过位置编码器进行测量，手指的力信息通过六维力传感器和拉力传感器s1-1、s1-2、s1-3和s1-4进行测量。各驱动腱与手指1中各关节的连接关系同专利-“一种腱-连杆混合传动的三自由度机械手指及控制方法”(申请号为201510487146.8)-中的方案。
所述手指2包括基座2-1，近指节2-2，中指节2-3，远指节2-4，驱动腱j2-1、j2-2，拉力传感器s2-1、s2-2；基座2-1、近指节2-2、中指节2-3、远指节2-4之间为转动副连接，基座2-1与近指节2-2之间、近指节2-2与中指节2-3之间的转动副上设计有扭转弹簧和测量相对转动的角度的编码器，中指节2-3与远指节2-4之间通过连杆2-5进行耦合传动，远指节2-4处设计有多维力传感器。手指2的弯曲通过驱动腱j2-1、j2-2和连杆2-5的运动实现，手指的展开通过基座与近指节2-2、近指节2-2与中指节2-3之间转动副上的扭转弹簧实现；手指弯曲、展开时的位置信息通过位置编码器进行测量，手指的力信息通过六位力传感器和拉力传感器s2-1、s2-2进行测量。
所述仿形手掌3是手指1和手指2的安装基座。
所述腕部4具有两个自由度，两自由度分别为手掌的俯仰和侧摆，两个自由度通过安装在手臂5内部的驱动组件5-1实现。
所述手臂5用于安装驱动组件5-1和控制系统5-2，驱动组件5-1用于驱动手指1和手指2的腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4、j2-1、j2-2以及2个腕部4自由度，控制系统5-2用于控制整手的运动。驱动组件5-1包括若干个驱动组件单元，驱动组件单元通过电机组件5-1-1和滚珠丝杠5-1-2实现。
实施例1:
结合图1、图2说明本实施方案。
手指1的驱动腱j1-1、j1-2与近指节1-3连接，驱动腱j1-3、j1-4与中指节1-4连接。当驱动腱j1-1被拉动时，近指节1-3相对于基指节1-2发生相对弯曲转动；当驱动腱j1-2被拉动时，近指节1-3相对于基指节壳体1-2发生相对展开转动；当驱动腱j1-3被拉动时，中指节1-4相对于近指节1-3发生相对弯曲转动；由于中指节1-4与远指节1-5之间通过连杆1-6实现耦合连动，因此当中指节1-4与近指节1-3之间发生相对弯曲转动时，远指节1-5也会同时相对于中指节1-4发生弯曲转动；当驱动腱j1-4被拉动时，中指节1-4与近指节1-3发生相对展开转动，由于中指节1-4与远指节1-5之间通过连杆1-6实现耦合连动，因此当中指节1-4与近指节1-3之间发生相对展开时，远指节1-5也会同时相对于中指节1-4发生展开运动。
当驱动腱j1-1、j1-2被同时拉动时，基指节1-2将相对于基座1-1发生相对转动，表现为手指1沿该拉力绕旋转轴产生侧偏(顺时针方向侧偏)；当驱动腱j1-3、j1-4被同时拉动时，基指节1-2将相对于基座1-1发生相对转动，表现为手指1沿该拉力绕旋转轴产生侧偏(逆时针方向侧偏)。
实施例二：结合图1、图3说明本实施方案。
手指2的驱动腱j2-1与中指节2-3连接，驱动腱j2-2与近指节2-2连接。当驱动腱j2-1被拉动时，中指节2-3与近指节2-2之间发生相对转动，与此同时转轴内部的扭簧发生扭转；发生扭转的扭簧会产生弹性力阻碍中指节2-3与近指节2-2之间发生相对转动；由于远指节2-4与中指节2-3之间通过连杆2-5实现耦合连动，因此当中指节2-3与近指节2-2之间发生相对转动时，远指节2-4也会同时相对于中指节2-3发生转动；随着中指节2-3与近指节2-2之间夹角的减小，扭簧的弹性力会增大，使得作用于驱动腱j2-1上的驱动力也会增大。驱动腱j2-2与近指节2-2固连，当驱动腱j2-2被拉动时，近指节2-2与基座2-1之间发生相对转动，与此同时转轴上的扭簧发生扭转；发生扭转的扭簧会产生弹性力阻碍近指节2-2与基座2-1之间发生相对转动；随着近指节2-2与基座2-1之间夹角的减小，扭簧的弹性力会增大，使得作用于驱动腱j2-2上的驱动力也会增大。
当驱动腱j2-1的驱动力消失后，被扭转的扭簧储存的弹性力使得中指节2-3相对于近指节2-2发生展开转动，使得中指节2-3恢复到抓取前的初始位置；由于远指节2-4与中指节2-3之间通过连杆2-5实现耦合连动，因此当中指节2-3与近指节2-2之间发生相对展开转动时，远指节2-4也会同时相对于中指节壳体2-3发生展开转动；当驱动腱j2-2的驱动力消失后，被扭转的扭簧储存的弹性力使得近指节2-2相对于基座2-1发生展开转动，使得近指节2-2恢复到抓取前的初始位置。
实施例三：结合图1、图2、图3说明本实施方案。当手指1和手指2如具体实施方案一、二中所述进行弯曲、展开和侧偏时，基座、基指节、近指节、中指节之间的相对转动角度和转动速度通过编码器测量；驱动腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4的驱动拉力通过拉力传感器s1-1、s1-2、s1-3、s1-4进行测量；驱动腱j2-1、j2-2的驱动拉力通过拉力传感器s2-1、s2-2进行测量；安装于远指节上的多维力传感器实现对远指节与被抓物体之间接触力的测量。这些传感器测量的信息被传递到控制系统用于实现对手指的运动控制。
实施例四：结合图1、图2、图3、图4说明本实施方案。驱动组件5-1和控制系统5-2置于手臂5内部，驱动组件5-1用于驱动手指1和手指2的腱j1-1、j1-2、j1-3、j1-4、j2-1、j2-2以及2个腕部自由度，控制系统5-2用于控制整手的运动。驱动组件5-1包括若干个驱动组件单元，驱动组件单元通过电机组件5-1-1和滚珠丝杠5-1-2实现。当电机组件5-1-1转动时滚珠丝杠5-1-2上的螺母会相对于丝杠发生相对平动，造成对驱动腱的牵引。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。