專利名稱：具有欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手，采用長度可變的手指彈性桿機構(gòu)和指間差動機構(gòu)，實現(xiàn)機械手的欠驅(qū)動自適應(yīng)抓取，屬于機械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前擬人機械手普遍采用接近于靈巧手的設(shè)計思想，利用電機、電子和傳感器等領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，實現(xiàn)假手的多自由度和多感知，從而最大程度地提高假手的靈活性和可操作性。缺點是假手的尺寸、重量較大，實現(xiàn)難度很大，價格十分昂貴。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，加拿大多倫多大學(xué)在《Multiple finger，passive adaptive grasp prosthetic hand》(Mechanism and Machine Theory，36(2001)1157-1173)一文中提出了實現(xiàn)擬人機械手的另一種思路，主張利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與計算機控制相近的抓取能力。多倫多大學(xué)設(shè)計的TBM(Toronto/BloorviewMacmillan Hand，多倫多/部絡(luò)維麥克米蘭手)擬人機械手，在設(shè)計中使用一個驅(qū)動器驅(qū)動整個機械手，利用彈性元件加機械限位以及連桿等機構(gòu)實現(xiàn)手指各關(guān)節(jié)以及手指之間的運動耦合和機械手的欠驅(qū)動自適應(yīng)抓取。欠驅(qū)動是指在機構(gòu)中獨立控制驅(qū)動單元少于系統(tǒng)的自由度。TBM擬人機械手的手指部分由六個構(gòu)件組成，分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)、搖臂、中指節(jié)連桿和遠(yuǎn)指節(jié)連桿。給搖臂驅(qū)動力，整個手指就能依照一個固定的類似人手的軌跡運動；差動機構(gòu)部分，四個手指與推板(與電機相連)間分別加入彈簧，雖然電機驅(qū)動推板的行程一定，但四個手指的行程由于彈簧的伸縮性而可以不一樣，由此可對物體實現(xiàn)手指間的自適應(yīng)抓取。
TBM擬人機械手的優(yōu)點是可以減少手的尺寸、重量，外形比較漂亮，抓取過程更像人手，工程實現(xiàn)簡單。缺點是由于手指連桿之間的固定耦合，每個手指缺乏足夠的靈活度，無法實現(xiàn)單一手指對任意物體的自適應(yīng)包絡(luò)；同時由于其差動機構(gòu)存在結(jié)構(gòu)性問題，使得TBM手抓取過程中可能造成每個手指的力分配很不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種具有欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手，增大每個手指的靈活度，可實現(xiàn)單一手指對任意物體的包絡(luò)，改善各手指之間的力分配問題，減少功耗，利于擬人機械手的進(jìn)一步小型化。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明在手指結(jié)構(gòu)設(shè)計中引進(jìn)了長度可變的彈性桿機構(gòu)，來替代現(xiàn)有技術(shù)中的中指節(jié)連桿和遠(yuǎn)指節(jié)連桿。彈性桿的最終長度由被抓物體表面形狀決定，從而使手指的彎曲形狀與被抓物體表面一致，可以實現(xiàn)單一手指對任意物體表面的自適應(yīng)包絡(luò)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點；差動機構(gòu)部分，首先通過齒輪-齒條機構(gòu)將驅(qū)動電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，主動的齒條一端連接有一個齒輪，齒輪同時與兩條被動齒條嚙合，兩條被動齒條最后分別與手指連接，被動齒條的前后運動可帶動手指完成抓握動作，從而實現(xiàn)手指間的欠驅(qū)動，即一個電機驅(qū)動兩個手指運動。在驅(qū)動手指運動過程中，差動機構(gòu)可以有效地分配兩個手指之間的驅(qū)動力在兩個手指均未碰到物體時，兩個手指分配到的驅(qū)動力相等；當(dāng)其中一個手指碰到物體而另一個手指未碰到物體時，驅(qū)動力主要分配到未碰到物體的手指上；當(dāng)兩個手指都碰到物體后，兩個手指分配到的驅(qū)動力又恢復(fù)相等，從而改善各手指之間的力分配問題，減少功耗。
本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)如下包括手指、手掌基板、電機和差動機構(gòu)，采用兩套差動機構(gòu)驅(qū)動除大拇指外的四個手指，每套差動機構(gòu)同時驅(qū)動兩個手指運動。手指機構(gòu)部分，將TBM手中的中指節(jié)拉桿、遠(yuǎn)指節(jié)拉桿均用彈性桿代替，彈性桿由連接頭、缸體、拉桿和彈簧組成，拉桿呈T字型位于缸體內(nèi)，拉桿的大徑端由缸體尾端的圓柱銷限位，拉桿小徑部分通過缸體前端上的小孔穿出缸體，采用螺紋與連接頭相連，缸體腔內(nèi)的拉桿小徑部分上套有彈簧。差動機構(gòu)部分，開在手掌基板上的主動齒條鍵槽兩邊各有一條與之平行的被動齒條鍵槽，差動齒輪架嵌在主動齒條鍵槽內(nèi)，主動齒條固定塊與差動齒輪架相連，主動齒條固定在主動齒條固定塊上，主動齒輪與主動齒條嚙合；被動齒條鍵槽內(nèi)嵌有T字夾板，T字夾板上固定被動齒條固定塊，被動齒條固定塊上固定被動齒條，被動齒條固定塊與手指中的搖臂連接；差動齒輪架中間的差動齒輪軸上套有差動齒輪，差動齒輪與兩條被動齒條嚙合，差動齒輪兩側(cè)套有同軸的摩擦片，差動齒輪軸穿出差動齒輪架下端的差動齒輪蓋并采用摩擦力調(diào)節(jié)螺母擰緊。
手指的運動過程如下手指沒有碰到物體前，由于彈簧存在預(yù)壓力，彈性桿可以看成剛性桿，因而手指的運動軌跡是固定的；手指碰到物體表面后，物體與手指間的壓力可克服彈簧的預(yù)壓力，彈性桿的長度可變，于是手指彎曲形狀就可以和被抓物體表面的形狀一致，因而能夠?qū)崿F(xiàn)單一手指自適應(yīng)地包絡(luò)任意物體的表面。
差動機構(gòu)的工作過程如下差動機構(gòu)部分，首先通過齒輪-齒條機構(gòu)將驅(qū)動電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，齒條的一側(cè)連接有一個齒輪，齒輪同時再與兩條被動齒條嚙合。兩條被動齒條再與手指的搖臂構(gòu)件連接，從而帶動手指彎曲。由于差動齒輪蓋比較薄、易變形，摩擦力調(diào)節(jié)螺母的松緊可以調(diào)節(jié)差動齒輪與差動齒輪架之間預(yù)加摩擦力的大小，差動齒輪繞差動齒輪軸旋轉(zhuǎn)前必須克服該預(yù)加摩擦力。當(dāng)兩根被動齒條所受阻力差小于或等于某一設(shè)定值(預(yù)加摩擦力)時，兩根被動齒條一起向前或向后運動，而且兩個齒條所分配到的力相等；當(dāng)兩根被動齒條所受阻力差大于某一設(shè)定值時，阻力大的一根(即與之相連的手指碰到了物體表面)停止運動，而阻力小的一根(即與之相連的手指未碰到物體表面)將繼續(xù)運動，此時阻力小的齒條得到大部分的驅(qū)動力；當(dāng)與兩根被動齒條相連的手指都碰到物體表面后，兩個手指間的力分配又恢復(fù)相等，從而較好地實現(xiàn)了手指之間的力分配。
本發(fā)明的有益效果是，增大了每個手指的靈活度，動作更擬人；手指的運動軌跡由驅(qū)動力和被抓物體表面形狀共同決定，因而可以實現(xiàn)單一手指對任意物體的自適應(yīng)包絡(luò)；改善了各手指之間的力分配問題，減小了功耗；為整個機械手的小型化提供了便利。


圖1是本發(fā)明擬人機械手的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中1為手指，2為電機，3為手掌基板，4為差動機構(gòu)。
圖2是手指包絡(luò)任意物體的運動示意圖。
圖2中5為搖臂，6為近指節(jié)，7為彈性桿，8為中指節(jié)，9為遠(yuǎn)指節(jié)。
圖3是安裝在手指上的彈性桿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中10為連接頭，11為擰緊螺母，12為缸體，13為彈簧，14為拉桿，15為圓柱銷。
圖4是差動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4中3為手掌基板，16為主動齒輪，17為主動齒條，18為T字夾板，19為被動齒條固定塊，20為被動齒條，21為主動齒條鍵槽，22為主動齒條固定塊，23為被動齒條鍵槽。
圖5是差動機構(gòu)仰視示意圖。
圖5中3為手掌基板，24為差動齒輪架，19為被動齒條固定塊，20為被動齒條，25為摩擦力調(diào)節(jié)螺母，26為差動齒輪軸，27為差動齒輪蓋，28為差動齒輪。
圖6是差動齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6中24為差動齒輪架，25為摩擦力調(diào)節(jié)螺母，26為差動齒輪軸，27為差動齒輪蓋，28為差動齒輪，29為摩擦片。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明采用欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手的結(jié)構(gòu)，其中畫出了四根手指1及兩套差動機構(gòu)4，一套差動機構(gòu)4驅(qū)動兩根手指1。大拇指則采用電機直接驅(qū)動的形式，圖1中未給出。如圖1所示，手指1、電機2、差動機構(gòu)4均安裝在手掌基板3上。電機2通過差動機構(gòu)4可同時驅(qū)動兩個手指1運動，從而實現(xiàn)手指1間的欠驅(qū)動。
本發(fā)明擬人機械手的手指結(jié)構(gòu)如圖2a所示，手指近指節(jié)6與中指節(jié)8之間的連桿，中指節(jié)8與遠(yuǎn)指節(jié)9之間的連桿均采用彈性桿7，近指節(jié)6上的搖臂5與差動機構(gòu)4相連。
本發(fā)明的彈性桿7的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由連接頭10、擰緊螺母11、缸體12、拉桿14和彈簧13組成，拉桿14呈T字型位于缸體12內(nèi)，拉桿14的大徑端由缸體12尾端的圓柱銷15限位，拉桿14小徑部分通過缸體12前端上的小孔穿出缸體12，采用螺紋與連接頭10相連并用擰緊螺母11擰緊，缸體12腔內(nèi)的拉桿14小徑部分上套有彈簧13。
本發(fā)明擬人機械手的差動機構(gòu)4的結(jié)構(gòu)如圖4所示，手掌基板3上開有主動齒條鍵槽21，并在主動齒條鍵槽21兩邊各開有一條與之平行的被動齒條鍵槽23，差動齒輪架嵌在主動齒條鍵槽21內(nèi)。主動齒條固定塊22與差動齒輪架相連，主動齒條17固定在主動齒條固定塊22上，主動齒輪16與主動齒條17嚙合。被動齒條鍵槽23內(nèi)嵌有T字夾板18，T字夾板18上固定被動齒條固定塊19，被動齒條固定塊19上固定被動齒條20，被動齒條固定塊19與手指中的搖臂5連接。
圖4所示差動機構(gòu)的仰視結(jié)構(gòu)如圖5所示，差動齒輪架24嵌在圖4中所示的主動齒條鍵槽21內(nèi)，并與圖4中的主動齒條固定塊22相連。被動齒條固定塊19上固定被動齒條20，被動齒條固定塊19與手指中的搖臂連接，從而帶動手指1運動。差動齒輪架24中間的差動齒輪軸26上套有差動齒輪28，差動齒輪28與兩條被動齒條20嚙合，差動齒輪軸26穿出差動齒輪架24下端的差動齒輪蓋27并采用摩擦力調(diào)節(jié)螺母25擰緊。
本發(fā)明擬人機械手的差動齒輪架結(jié)構(gòu)如圖6所示，差動齒輪架24中間的差動齒輪軸26上套有差動齒輪28，差動齒輪28與兩條被動齒條20嚙合，差動齒輪28兩側(cè)套有同軸的摩擦片29，差動齒輪軸26穿出差動齒輪架24下端的差動齒輪蓋27并采用摩擦力調(diào)節(jié)螺母25擰緊。
圖2給出了手指1的運動過程。在手指1沒有碰到物體前，由于彈簧13存在預(yù)壓力，彈性桿7可以看成剛性桿，因而手指1的運動軌跡是固定的，如圖2(a)、(b)；當(dāng)手指1碰到物體表面后，如果近指節(jié)與中指節(jié)之間的連桿、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)之間的連桿都是剛性的(TBM手采取的就是這種形式)則會像圖2(c)那樣，手指1的彎曲形狀固定，且與物體表面形狀不符，不能包絡(luò)被抓物體，用彈性桿7代替近指節(jié)與中指節(jié)之間的連桿、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)之間的連桿后，被抓物體與手指1間的壓力可克服彈簧13的預(yù)壓力，彈性桿7的長度可變，于是手指1的彎曲形狀就可以和被抓物體表面的形狀一致，因而能夠包絡(luò)任意物體的表面，如圖2(d)所示。
差動機構(gòu)的工作過程如下差動機構(gòu)4部分，首先通過主動齒輪16、主動齒條17將電機2輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，主動齒條17帶動主動齒條固定塊22、差動齒輪架24及差動齒輪28一起運動，差動齒輪28再帶動兩根被動齒條20及被動齒條固定塊19運動，兩條被動齒條固定塊19分別與兩根手指的搖臂5連接，從而帶動手指彎曲。由于差動齒輪蓋27比較薄、易變形，摩擦力調(diào)節(jié)螺母25的松緊可以調(diào)節(jié)差動齒輪28與差動齒輪架24之間預(yù)加摩擦力的大小，差動齒輪28繞差動齒輪軸26旋轉(zhuǎn)前必須克服該預(yù)加摩擦力。當(dāng)兩根被動齒條19所受阻力差小于或等于某一設(shè)定值(預(yù)加摩擦力)時，兩根被動齒條19一起向前或向后運動，而且兩個被動齒條19所分配到的力相等；當(dāng)兩根被動齒條19所受阻力差大于某一設(shè)定值時，阻力大的一根(即與之相連的手指碰到了物體表面)停止運動，而阻力小的一根(即與之相連的手指未碰到物體表面)將繼續(xù)運動，此時阻力小的齒條得到大部分的驅(qū)動力；當(dāng)與兩根被動齒條19相連的手指都碰到物體表面后，兩個手指間的力分配又恢復(fù)相等，從而較好地實現(xiàn)了手指之間的力分配。
權(quán)利要求
1.一種具有欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手，包括手指(1)、手掌基板(3)、電機(2)和差動機構(gòu)(4)，其特征在于采用兩套差動機構(gòu)(4)驅(qū)動除大拇指外的四個手指(1)，每套差動機構(gòu)(4)同時驅(qū)動兩個手指(1)運動；手指(1)的近指節(jié)(6)與中指節(jié)(8)之間的連桿、中指節(jié)(8)與遠(yuǎn)指節(jié)(9)之間的連桿均采用彈性桿(7)，近指節(jié)(6)上的搖臂(5)與差動機構(gòu)(4)相連；所述彈性桿(7)由連接頭(10)、擰緊螺母(11)、缸體(12)、拉桿(14)和彈簧(13)組成，拉桿(14)呈T字型位于缸體(12)內(nèi)，拉桿(14)的大徑端由缸體(12)尾端的圓柱銷(15)限位，拉桿(14)小徑部分通過缸體(12)前端上的小孔穿出缸體(12)，采用螺紋與連接頭(10)相連并用擰緊螺母(11)擰緊，缸體(12)腔內(nèi)的拉桿(14)小徑部分上套有彈簧(13)；差動機構(gòu)(4)中，開在手掌基板(3)上的主動齒條鍵槽(21)兩邊各有一條與之平行的被動齒條鍵槽(23)，差動齒輪架(24)嵌在主動齒條鍵槽(21)內(nèi)，主動齒條固定塊(22)與差動齒輪架(24)相連，主動齒條(17)固定在主動齒條固定塊(22)上，主動齒輪(16)與主動齒條(17)嚙合；被動齒條鍵槽(23)內(nèi)嵌有T字夾板(18)，T字夾板(18)上固定被動齒條固定塊(19)，被動齒條固定塊(19)上固定被動齒條(20)，被動齒條固定塊(19)與手指中的搖臂(5)連接；差動齒輪架(24)中間的差動齒輪軸(26)上套有差動齒輪(28)，差動齒輪(28)與兩條被動齒條(20)嚙合，差動齒輪(28)兩側(cè)套有同軸的摩擦片(29)，差動齒輪軸(26)穿出差動齒輪架(24)下端的差動齒輪蓋(27)并采用摩擦力調(diào)節(jié)螺母(25)擰緊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有欠驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)的擬人機械手，屬于機械技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是對加拿大多倫多大學(xué)TBM擬人機械手的改進(jìn)，包括手指結(jié)構(gòu)中的彈性桿機構(gòu)和指間的差動機構(gòu)。手指結(jié)構(gòu)部分引進(jìn)了長度可變的彈性桿機構(gòu)，實現(xiàn)了單一手指對任意物體表面的自適應(yīng)包絡(luò)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點；而差動機構(gòu)部分，通過齒輪－齒條將驅(qū)動電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，主動的齒條一端連接有一個齒輪，齒輪同時與兩條被動齒條嚙合，兩條被動齒條分別與手指連接，通過被動齒條的前后運動帶動手指完成抓握動作，從而實現(xiàn)手指間的欠驅(qū)動，即一個電機驅(qū)動兩個手指運動，本發(fā)明改善了手指間的力分配問題，減小了功耗，利于機械手的小型化。
文檔編號B25J15/08GK101058184SQ20071004172
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者李順沖, 揚飛鴻, 沈曉蓓, 邱凱, 孫振邦 申請人:上海交通大學(xué)