欠驱动拟人三指机械手.pdf

本发明公开了一种欠驱动拟人三指机械手，包括手掌、两根手指和一根拇指，手指包括四个指节，使用弹簧片、手指盖板和螺钉连接，手掌包括底板、盖板，用于固定电机和手指。本发明使用力传感器与角度传感器组成的闭环反馈系统，能够实现简单的抓、捏动作。本发明的特点是基于欠驱动原理使用一个电机通过腱传动的方式控制单根手指，使得手指在抓取不同物体时能够自适应地包络物体，其有结构简单、抓取控制难度低、可靠性高的优点。

1.  一种欠驱动拟人三指机械手，包括手掌单元（3）和3根手指，所述手掌单元（3）包括掌心（301）和掌背（302），其中一根手指为拇指，其特征在于：所述手掌单元（3）内部设置3个驱动手指弯指动作的微型直流电机（303）和1个摆动拇指的舵机（306），所述微型直流电机（303）的输出轴上固定安装绕子（304），每根所述手指皆具有手指单元（1）部分，所述手指单元（1）依次由第一指节（11）、第二指节（12）、第三指节（13）和第四指节（14）连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使所述手指单元（1）形成具有三个自由度的手指关节系统，所述第四指节（14）固定连接在所述手掌单元（3）的边缘，腱绳一端固定于靠近所述手指单元（1）自由端的位置处，所述腱绳依次穿过所述手指单元（1）中的腱绳孔、所述第二指节（12）中的腱绳孔、所述第三指节（13）中的腱绳孔和所述第四指节（14）中的腱绳孔，所述腱绳的另一端固定于所述主轴绕子（304）上，弹簧片（15）同时与所述手指单元（1）的各指节远离所述掌心（301）的一侧固定连接，当所述微型直流电机（303）输出正向转动时，所述主轴绕子（304）卷绕收紧腱绳，从而使得所述手指单元（1）进行内弯曲，当所述微型直流电机（303）输出反向转动时，依靠所述弹簧片（15）的弹力，所述主轴绕子（304）放松腱绳，所述手指单元（1）依靠所述弹簧片（15）的弹力使所述手指单元（1）伸直，所述拇指的第四指节（14）形成拇指指根（21），所述拇指指根（21）根部形成圆柱形凸台，所述手掌单元（3）的所述掌心（301）一侧设有与所述拇指指根（21）的形状相适应的卡槽，拇指指根单元（2）主要由所述拇指指根（21）、拇指摆动转轴（27）和拇指摆动轴承（26）组成，所述拇指摆动轴承（26）分别安装于所述拇指指根（21）根部的圆柱形凸台和转轴（27）上，所述拇指的相邻两指节间的转动轴与所述拇指摆动转轴（27）的轴线空间垂直，所述拇指指根（21）围绕所述拇指摆动转轴（27）转动，从而使拇指具有4个自由度，所述舵机（306）的动力输出轴驱动所述拇指摆动转轴（27）转动，将所述舵机（306）的动力传递给所述拇指指根（21），实现所述拇指指根（21）相对与所述掌心（301）的摆动，使所述拇指指根（21）进出所述掌心（301）的卡槽，并使所述拇指指根（21）转动至相对于所述掌心（301）的设定空间角度位置，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。

2.  根据权利要求1所述欠驱动拟人三指机械手，其特征在于：所述手指单元（1）还包括第一指节盖板（16）、第二指节盖板（17）和第三指节盖板（18），所述第一指节盖板（16）、所述第二指节盖板（17）和所述第三指节盖板（18）皆位于所述弹簧片（15）的外侧安装，分别与所述第一指节（11）、所述第二指节（12）和所述第三指节（13）将所述弹簧片（15）固定于所述手指单元（1）的表面上，除拇指之外的两外两根手指的所述第四指节（14）配合安装于所述掌心（301）的边缘卡槽中，使所述手指单元（1）与所述手掌单元（3）连接固定。

3.  根据权利要求2所述欠驱动拟人三指机械手，其特征在于：所述第一指节（11）、所述第二指节（12）、所述第三指节（13）和所述第四指节（14）的表面分别设有凸台，各所述凸台分别嵌于所述弹簧片（15）上开设的凹槽中，各指节盖板上也开设有与对应的指节上的凸台形状相适应的凹槽，即，所述第一指节盖板（16）的凹槽与所述第一指节（11）的凸台配合，放置于所述弹簧片（15）上并用螺钉与所述第一指节（11）相连，所述第二指节盖板（17）的凹槽与所述第二指节（12）的凸台配合，也放置于所述弹簧片（15）上并用螺钉与所述第二指节（12）相连，所述第三指节盖板（18）的凹槽与所述第三指节（13）的凸台配合，也放置于弹簧片（15）上并用螺钉与所述第三指节（13）相连。

4.  根据权利要求1～3中任意一项所述欠驱动拟人三指机械手，其特征在于：所述拇指指根单元（2）还包括拇指内转向轴承（24）和拇指内支承轴（25），使用拇指指根盖板（22）和螺钉对所述拇指指根（21）和所述第四指节（14）进行固定连接，使所述拇指指根（21）与所述手指单元（1）的固定连接，所述拇指内转向轴承（24）安装配合于所述拇指内支承轴（25）上，所述拇指内支承轴（25）一端配合于拇指指根（21）一侧的轴孔中，另一端通过所述支承轴固定压板（23）对其进行固定，所述支承轴固定压板（23）配合于所述拇指指根（21）另一侧的凹槽中，所述拇指的腱绳通过所述拇指内转向轴承（24）的转向从所述拇指指根（21）底部的腱绳孔中穿出，固定于驱动拇指弯指动作的一个所述微型直流电机（303）的主轴绕子（304）上，所述拇指摆动转轴（27）的一端形成方形轴端并配合于所述拇指指根（21）中的方形轴孔中，另一端与所述舵机（306）的动力输出轴同轴固定相连。

5.  根据权利要求1～3中任意一项所述欠驱动拟人三指机械手，其特征在于：所述微型直流电机（303）嵌于电机盖（305）中，所述电机盖（305）固定安装于所述手掌单元（3）中，腱绳通过所述电机盖（305）一侧的腱绳孔进入所述电机盖（305）中与所述绕子（304）连接，所述舵机（306）的动力输出端与所述转轴（27）相应的轴端配合安装，所述舵机（306）固定也安装于所述手掌单元（3）中，前拇指固定压块（309）安装于所述拇指指根（21）的根部圆柱形凸台一侧的拇指摆动轴承（26）处，后拇指固定压块（310）安装于所述拇指指根（21）的根部圆柱形凸台另一侧的另一个拇指轴承（26）处，通过螺钉将所述前拇指固定压块（309）和所述后拇指固定压块（310）分别固定安装于所述手掌单元（3）中，对两个所述拇指轴承（26）分别进行固定，搭线（311）的一侧通过与所述手掌单元（3）中一系列圆柱凸台的配合安装，将各所述微型直流电机（303）、各所述电机盖（305）和所述舵机（306）固定安装于于所述手掌单元（3）中，所述搭线（311）的另一侧设置导线。

6.  根据权利要求5所述欠驱动拟人三指机械手，其特征在于：当从所述手指单元（1）中的腱绳部分与所述微型直流电机（303）的动力输出轴不垂直时，在所述手掌单元（3）中设有手掌内支承轴（308），手掌内转向轴承（307）配合安装于所述手掌内支承轴（308）上，所述手掌内支承轴（308）配合安装于所述掌心（301）中的轴孔中，所述手掌内支承轴（308）的另一端通过所述手掌内转向轴承（307）由所述搭线（311）固定，使腱绳通过所述手掌内转向轴承（307）转向后与所述绕子（304）相连。

欠驱动拟人三指机械手
技术领域
本发明涉及一种机器人设备，特别是涉及一种多指机器手，应用于末端夹持器和仿人假肢技术领域。
背景技术
机器人灵巧手作为人类活动肢体的有效延伸，以其能够完成灵活、精细的抓取操作，从20世纪后半期开始,作为机器人领域的热门研究方向之一，被各国的科技人员所研究。相对于简单的末端操作器,机器人灵巧手具有通用性强、感知能力丰富、能够实现满足几何封闭和力封闭的精确、稳固抓取等优点。
随着制造工艺和传感器及控制技术的发展，作为智能制造应用领域中机器人与环境相互作用的重要环节，其末端执行部件已逐渐由原来的简单夹持器向多任务智能多指灵巧手过渡。智能灵巧手具有多个多关节手指，能够和人手一样具有很高的灵巧性和适应性，执行不同的抓取和操作任务。因此，智能灵巧手可以使工业机器人在非结构环境中与目标物近距离安全接触，具备对未知目标进行智能操作的能力。同样，智能仿人型灵巧手对于服务型机器人在特殊环境诸如危险品检测、设备检修、水下作业、空间站物品搬运及装配、残障辅助等领域具有重要应用价值。灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种欠驱动拟人三指机械手，包括手掌、两根手指和一根拇指，手指包括四个指节，使用弹簧片、手指盖板和螺钉连接，手掌包括底板、盖板，用于固定电机和手指。两手指分别具有三个自由度，拇指具有四个自由度，整只手共十个自由度，使用力传感器和角度传感器组成的闭环反馈系统，能够实现简单的抓、捏动作。手指结构基于欠驱动原理设计，在抓取不同物体时能够自适应地包络物体，具有结构简单、抓取控制难度低、可靠性高的优点。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种欠驱动拟人三指机械手，包括手掌单元和3根手指，手掌单元用于提供手指动力源并使其与手掌位置关系固定，同时具有仿人的外形，手掌单元包括掌心和掌背，其中一根手指为拇指，手掌单元内部设置3个驱动手指弯指动作的微型直流电机和1个摆动拇指的舵机，微型直流电机的输出轴上固定安装绕子，每根手指皆具有手指单元部分，用于作为抓取动作的执行部件，手指单元依次由第一指节、第二指节、第三指节和第四指节连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使手指单元形成具有三个自由度的手指关节系统，第四指节固定连接在手掌单元的边缘，腱绳一端固定于靠近手指单元自由端的位置处，腱绳依次穿过手指单元中的腱绳孔、第二指节中的腱绳孔、第三指节中的腱绳孔和第四指节中的腱绳孔，腱绳的另一端固定于主轴绕子上，弹簧片同时与手指单元的各指节远离掌心的一侧固定连接，当微型直流电机输出正向转动时，主轴绕子卷绕收紧腱绳，从而使得手指单元进行内弯曲，当微型直流电机输出反向转动时，依靠弹簧片的弹力，主轴绕子放松腱绳，手指单元依靠弹簧片的弹力使手指单元伸直，拇指的第四指节形成拇指指根，用于连接手指并提供拇指指根转动自由度，拇指指根的根部形成圆柱形凸台，手掌单元的掌心一侧设有与拇指指根的形状相适应的卡槽，拇指指根单元主要由拇指指根、拇指摆动转轴和拇指摆动轴承组成，拇指摆动轴承分别安装于拇指指根根部的圆柱形凸台和转轴上，拇指摆动转轴和拇指摆动轴承在与手掌单元连接时起到支承作用，拇指的相邻两指节间的转动轴与拇指摆动转轴的轴线空间垂直，拇指指根围绕拇指摆动转轴转动，从而使拇指具有4个自由度，舵机的动力输出轴驱动拇指摆动转轴转动，将舵机的动力传递给拇指指根，实现拇指指根相对与掌心的摆动，使拇指指根进出掌心的卡槽，并使拇指指根转动至相对于掌心的设定空间角度位置，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。
作为本发明优选的技术方案，手指单元还包括第一指节盖板、第二指节盖板和第三指节盖板，第一指节盖板、第二指节盖板和第三指节盖板皆位于弹簧片的外侧安装，分别与第一指节、第二指节和第三指节将弹簧片固定于手指单元的表面上，除拇指之外的两外两根手指的第四指节配合安装于掌心的边缘卡槽中，使手指单元与手掌单元连接固定。
作为本发明进一步优选的技术方案，第一指节、第二指节、第三指节和第四指节的表面分别设有凸台，各凸台分别嵌于弹簧片上开设的凹槽中，各指节盖板上也开设有与对应的指节上的凸台形状相适应的凹槽，即，第一指节盖板的凹槽与第一指节的凸台配合，放置于弹簧片上并用螺钉与第一指节相连，第二指节盖板的凹槽与第二指节的凸台配合，也放置于弹簧片上并用螺钉与第二指节相连，第三指节盖板的凹槽与第三指节的凸台配合，也放置于弹簧片上并用螺钉与第三指节相连。
作为上述技术方案的改进，拇指指根单元还包括拇指内转向轴承和拇指内支承轴，使用拇指指根盖板和螺钉对拇指指根和第四指节进行固定连接，使拇指指根与手指单元的固定连接，拇指内转向轴承安装配合于拇指内支承轴上，拇指内支承轴一端配合于拇指指根一侧的轴孔中，另一端通过支承轴固定压板对其进行固定，支承轴固定压板配合于拇指指根另一侧的凹槽中，拇指的腱绳通过拇指内转向轴承的转向从拇指指根底部的腱绳孔中穿出，固定于驱动拇指弯指动作的一个微型直流电机的主轴绕子上，拇指摆动转轴的一端形成方形轴端并配合于拇指指根中的方形轴孔中，另一端与舵机的动力输出轴同轴固定相连。
作为上述技术方案的改进，微型直流电机嵌于电机盖中，电机盖固定安装于手掌单元中，腱绳通过电机盖一侧的腱绳孔进入电机盖中与绕子连接，舵机的动力输出端与转轴相应的轴端配合安装，舵机固定也安装于手掌单元中，前拇指固定压块安装于拇指指根的根部圆柱形凸台一侧的拇指摆动轴承处，后拇指固定压块安装于拇指指根的根部圆柱形凸台另一侧的另一个拇指轴承处，通过螺钉将前拇指固定压块和后拇指固定压块分别固定安装于手掌单元中，对两个拇指轴承分别进行固定，搭线的一侧通过与手掌单元中一系列圆柱凸台的配合安装，将各微型直流电机、各电机盖和舵机固定安装于于手掌单元中，搭线的另一侧设置导线，同时可以至少通过电机导线、传感器信号线，起到将导线与下层结构的分隔，便于排线。
作为上述技术方案的改进，当微型直流电机的尺寸不能满足手掌单元的安装尺寸要求时，需要至少一个微型直流电机的布局进行特殊设置，使至少一个微型直流电机的主轴轴向与其他微型直流电机的主轴轴向不平行才能达到节省空间的需要，当从手指单元中的腱绳部分与微型直流电机的动力输出轴不垂直时，在手掌单元中设有手掌内支承轴，手掌内转向轴承配合安装于手掌内支承轴上，手掌内支承轴配合安装于掌心中的轴孔中，手掌内支承轴的另一端通过手掌内转向轴承由搭线固定，使腱绳通过手掌内转向轴承转向后与绕子相连，减少磨损的目的。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明机器人手是欠驱动三指机器人灵巧手，两手指分别具有三个自由度，拇指具有四个自由度，整只手共十个自由度，其外形仿人；
2. 本发明机械式使用力传感器和角度传感器组成的闭环反馈系统，能够实现简单的抓、捏动作；
3. 本发明的机械手的手指结构基于欠驱动原理设计，在抓取不同物体时能够自适应地包络物体，具有结构简单、抓取控制难度低、可靠性高的优点；
4. 本发明的机械手的三指的欠驱动机器人灵巧手，不仅在结构上简化为三指，同时在驱动方式上采用欠驱动的方式，在保证了机器人灵巧手的基本功能的同时，大大降低了系统的复杂性和研究难度。
附图说明
图1是本发明优选实施例欠驱动拟人三指机械手的正面立体图。
图2是本发明优选实施例欠驱动拟人三指机械手的反面立体图。
图3是本发明优选实施例灵巧手的手指单元立体图。
图4是本发明优选实施例灵巧手的手指单元爆炸图。
图5是本发明优选实施例灵巧手的拇指指根立体图。
图6是本发明优选实施例灵巧手的拇指指根爆炸图。
图7是本发明优选实施例灵巧手的手掌内部结构立体图。
图8是本发明优选实施例灵巧手拆卸搭线后的手掌内部结构立体图。
图9是本发明优选实施例灵巧手拆卸搭线后的手掌内部结构爆炸图。
图10是本发明优选实施例机器人灵巧手一种抓取示例图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1～10，一种欠驱动拟人三指机械手，包括手掌单元3和3根手指，手掌单元3包括掌心301和掌背302，其中一根手指为拇指，手掌单元3内部设置3个驱动手指弯指动作的微型直流电机303和1个摆动拇指的舵机306，微型直流电机303的输出轴上固定安装绕子304，每根手指皆具有手指单元1部分，手指单元1依次由第一指节11、第二指节12、第三指节13和第四指节14连接而成，相邻两指节间设有转动轴，使手指单元1形成具有三个自由度的手指关节系统，第四指节14固定连接在手掌单元3的边缘，腱绳一端固定于靠近手指单元1自由端的位置处，腱绳依次穿过手指单元1中的腱绳孔、第二指节12中的腱绳孔、第三指节13中的腱绳孔和第四指节14中的腱绳孔，腱绳的另一端固定于主轴绕子304上，弹簧片15同时与手指单元1的各指节远离掌心301的一侧固定连接，当微型直流电机303输出正向转动时，主轴绕子304卷绕收紧腱绳，从而使得手指单元1进行内弯曲，当微型直流电机303输出反向转动时，依靠弹簧片15的弹力，主轴绕子304放松腱绳，手指单元1依靠弹簧片15的弹力使手指单元1伸直，拇指的第四指节14形成拇指指根21，拇指指根21根部形成圆柱形凸台，手掌单元3的掌心301一侧设有与拇指指根21的形状相适应的卡槽，拇指指根单元2主要由拇指指根21、拇指摆动转轴27和拇指摆动轴承26组成，拇指摆动轴承26分别安装于拇指指根21根部的圆柱形凸台和转轴27上，拇指的相邻两指节间的转动轴与拇指摆动转轴27的轴线空间垂直，拇指指根21围绕拇指摆动转轴27转动，从而使拇指具有4个自由度，舵机306的动力输出轴驱动拇指摆动转轴27转动，将舵机306的动力传递给拇指指根21，实现拇指指根21相对与掌心301的摆动，使拇指指根21进出掌心301的卡槽，并使拇指指根21转动至相对于掌心301的设定空间角度位置，使3根手指相互辅助配合实现相应仿生手部动作。图10为本发明的一种抓取示例图，本实施例欠驱动拟人三指机械手包括手掌、两根手指和一根拇指，其外形仿人。手掌结构可容纳3个微型直流电机303和1个舵机306，手指各指节结构便于力传感器的安装和排线，相邻两指节间存在一根转动轴，有一定的转动半径和转动角度。拇指包括四个指节，具有四个自由度，使用微型电机驱动手指的运动、舵机驱动指根的转动。手指由腱绳带动，腱绳一端缠绕在第一指节11中的凸台上，穿过每个指节下部的腱绳孔后，另一端缠绕于微型直流电机303的转子机构上。手指在抓取时，依靠微型直流电机303的转动收紧腱绳，从而使得手指弯曲、抓取物体。手指在放松时，微型直流电机303反转放松腱绳，依靠弹簧片的弹力，从而使得手指伸展、放松物体。在抓取过程，舵机306控制拇指指根21转动至恰当位置后，微型直流电机303驱动手指抓取物体，手指关节根据物体的实际形状进行自适应性的抓取，有控制难度低、可靠性高的优点。本实施例在驱动方式上采用欠驱动的方式，独立控制变量个数小于系统自由度个数，节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。本实施例使用力传感器与角度传感器组成的闭环反馈系统，能够实现简单的抓、捏动作。本实施例基于欠驱动原理使用一个电机通过腱传动的方式控制单根手指，使得手指在抓取不同物体时能够自适应地包络物体，其有结构简单、抓取控制难度低、可靠性高的优点。在本实施例中，参见图2～4和图10，手指单元1还包括第一指节盖板16、第二指节盖板17和第三指节盖板18，第一指节盖板16、第二指节盖板17和第三指节盖板18皆位于弹簧片15的外侧安装，分别与第一指节11、第二指节12和第三指节13将弹簧片15固定于手指单元1的表面上，除拇指之外的两外两根手指的第四指节14配合安装于掌心301的边缘卡槽中，使手指单元1与手掌单元3连接固定。在本实施例中，各手指分别包括四个指节，具有三个自由度，使用弹簧片15和手指盖板安装于手掌中。
在本实施例中，参见图2～4和图10，第一指节11、第二指节12、第三指节13和第四指节14的表面分别设有凸台，各凸台分别嵌于弹簧片15上开设的凹槽中，各指节盖板上也开设有与对应的指节上的凸台形状相适应的凹槽，即，第一指节盖板16的凹槽与第一指节11的凸台配合，放置于弹簧片15上并用螺钉与第一指节11相连，第二指节盖板17的凹槽与第二指节12的凸台配合，也放置于弹簧片15上并用螺钉与第二指节12相连，第三指节盖板18的凹槽与第三指节13的凸台配合，也放置于弹簧片15上并用螺钉与第三指节13相连。
在本实施例中，参见图5、图6和图7～10，拇指指根单元2还包括拇指内转向轴承24和拇指内支承轴25，使用拇指指根盖板22和螺钉对拇指指根21和第四指节14进行固定连接，使拇指指根21与手指单元1的固定连接，拇指内转向轴承24安装配合于拇指内支承轴25上，拇指内支承轴25一端配合于拇指指根21一侧的轴孔中，另一端通过支承轴固定压板23对其进行固定，支承轴固定压板23配合于拇指指根21另一侧的凹槽中，拇指的腱绳通过拇指内转向轴承24的转向从拇指指根21底部的腱绳孔中穿出，固定于驱动拇指弯指动作的一个微型直流电机303的主轴绕子304上，拇指摆动转轴27的一端形成方形轴端并配合于拇指指根21中的方形轴孔中，另一端与舵机306的动力输出轴同轴固定相连。
在本实施例中，参见图7～10，微型直流电机303嵌于电机盖305中，电机盖305固定安装于手掌单元3中，腱绳通过电机盖305一侧的腱绳孔进入电机盖305中与绕子304连接，舵机306的动力输出端与转轴27相应的轴端配合安装，舵机306固定也安装于手掌单元3中，前拇指固定压块309安装于拇指指根21的根部圆柱形凸台一侧的拇指摆动轴承26处，后拇指固定压块310安装于拇指指根21的根部圆柱形凸台另一侧的另一个拇指轴承26处，通过螺钉将前拇指固定压块309和后拇指固定压块310分别固定安装于手掌单元3中，对两个拇指轴承26分别进行固定，搭线311的一侧通过与手掌单元3中一系列圆柱凸台的配合安装，将各微型直流电机303、各电机盖305和舵机306固定安装于于手掌单元3中，搭线311的另一侧设置导线，手掌中使用的搭线311便于排线，同时起到固定手掌内零部件的作用。
在本实施例中，参见图8和图9，当从手指单元1中的腱绳部分与微型直流电机303的动力输出轴不垂直时，在手掌单元3中设有手掌内支承轴308，手掌内转向轴承307配合安装于手掌内支承轴308上，手掌内支承轴308配合安装于掌心301中的轴孔中，手掌内支承轴308的另一端通过手掌内转向轴承307由搭线311固定，使腱绳通过手掌内转向轴承307转向后与绕子304相连。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明欠驱动拟人三指机械手的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。