一種欠驅動的仿人靈巧手的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機器人領域，是一種欠驅動的仿人靈巧手。
【背景技術】
[0002]隨著人類對自然的不斷探索求知，工作空間越來越復雜、危險，而簡單的機械手無法完全代替人完成復雜、精密的操作，因此希望出現(xiàn)一種仿人的機械手能夠完成人手所能完成的所有工作。所以靈活度高、結構簡單、可操作性強、適應各種抓取任務的仿人靈巧手成為了機器人領域研究熱點之一。
[0003]傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器通用性差，自由度少，靈活性低，無法對多形狀、多尺寸的物體進行靈活性抓取。仿人靈巧手是末端執(zhí)行器的先進代表，現(xiàn)代意義機械手是集傳感技術、控制技術等多項技術于一身的多關節(jié)，多自由度，高靈活度的末端執(zhí)行器。目前，對仿人靈巧手的研究，已經(jīng)取得了一定的成果有SHADOW公司推出的Shadow手、Elumot1n公司的Elu-2Hand、加州理工學院的Harada手、哈爾濱工業(yè)大學的HIT/DLR手等。
[0004]—種已有的仿人靈巧手裝置，如中國發(fā)明專利CN103128744，包括手掌、拇指、食指、中指、無名指和小指。除拇指外四指均采用相同結構，每個手指設置三個關節(jié)由三組四連桿機構耦合，由一個電機驅動。其不足之處為該裝置除拇指外四指三個關節(jié)按1:1:1的運動速率按固定角度同時彎曲，關節(jié)不能單獨驅動，靈巧性和人手差別較大，抓取時對不同形狀的物體自適應性較差。另一種已有的仿人靈巧手，如中國發(fā)明專利CN1283429C，包括手掌和五個手指，共12個關節(jié)自由度，其手指欠驅動關節(jié)的彎曲伸直由多級齒輪傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，所涉及的齒輪傳動系統(tǒng)具有自解耦效果，其中主動驅動的關節(jié)僅有三個，并且除拇指、食指外的三個手指采用一個電機進行驅動，單獨手指不能進行主動彎曲，與人手差別較大，靈巧性不尚。
[0005]目前，仿人靈巧手的研究主要難點以及關鍵技術集中在結構設計，驅動，傳感器，以及控制上。簡單可靠傳動機構以及合理的布局是靈活度的關鍵;驅動主要問題是無法在尺寸和力矩上同時滿足要求，小尺寸、大力矩驅動成為縮小仿人靈巧手尺寸的關鍵;傳感器是仿人靈巧手至關重要的技術，仿人類觸覺傳感器技術的滯后限制了機械手功能發(fā)揮。在控制上，模型復雜，控制算法不成熟以及操作對象的多樣性和不確定性也是其研究難點。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種欠驅動仿人靈巧手，該仿人靈巧手尺寸與人手大小相當，結構簡單、可靠、多自由度、多關節(jié)，能實現(xiàn)多形狀、多尺寸物體自適應抓取。適合作為各類機械手臂末端執(zhí)行器用，可以配合機械臂完成抓取任務，也可用于助老、助殘、送餐等服務機器人。
[0007]本發(fā)明一種欠驅動的仿人靈巧手裝置，所述的仿人靈巧手，包含有一個手掌和五個手指，五個手指包括拇指、食指、中指、無名指、小指。拇指在伸直狀態(tài)下，與手掌安裝面成一定角度安裝，除拇指外的其余四個手指按合適的位置分布在手掌上。手掌上有安裝電路板、手指和電機的安裝凹槽。除拇指以外的其余四個手指結構布局相同，四個手指主體都由四個部分組成，把四個部分分別命名為手指基座、手指指根、手指指節(jié)、手指指尖；四個部分通過三個軸相連，按離手掌由近到遠分別命名為手指軸一、手指軸二、手指軸三，三個旋轉軸軸線平行，手指軸一連接手指基座和手指指根，手指軸二連接手指指根和手指指節(jié)，手指軸三連接手指指節(jié)和手指指尖。拇指包含四部分，四個部分分別命名為拇指基座、拇指指根、拇指指節(jié)、拇指指尖。拇指單元四部分通過四個軸相連，在拇指伸直的方向，按離手掌由近到遠分別命名為拇指軸一、拇指軸二、拇指軸三、拇指軸四。其中拇指軸三和拇指軸四軸線相互平行;拇指軸二與拇指軸三、四的軸線相互垂直;拇指軸一軸線與手掌安裝面成一定角度，并且與拇指伸直方向平行。拇指軸一連接拇指基座和手掌，拇指軸二連接拇指基座和拇指指根，拇指軸三連接拇指指根和拇指指節(jié)，拇指軸四連接拇指指節(jié)和拇指指尖。五個手指和手掌上都安裝有力傳感器，可對靈巧手在抓取過程中進行力反饋。
[0008]本發(fā)明所述的手掌，手掌主體由手心、手背、手掌旋轉機構三部分組合而成，手心部分包括有電機、減速器和手指安裝凹槽，內部安裝有電機一和減速器一;另外手心部分還包括相互嗤合圓柱齒輪一和圓柱齒輪二。所述的電機一和減速器一安裝在手掌電機減速器安裝槽內，電機軸方向與手掌安裝面成一定角度，圓柱齒輪一安裝在減速器一輸出軸上，圓柱齒輪一與圓柱齒輪二嚙合，電機一動力通過減速器一和嚙合的兩個圓柱齒輪，帶動拇指基座繞軸一旋轉，最終驅動拇指繞手掌旋轉。手背部分有電路板和手指安裝槽，信號采集、驅動、控制電路安裝在電路板安裝槽內；手掌和手背有四組半圓手指安裝槽，每個半圓槽內都有限位塊，每組半圓槽可相互組合為一圓形孔，通過限位塊和手指基座上限位槽的配合把除拇指以外的四個手指手指固定安裝在手掌上。手心、手背、旋轉機構三部分固定連接。
[0009]本發(fā)明所述的手掌旋轉機構，手掌旋轉機構包括電機二、減速器二、編碼器、軸承、固定部分、帶有內齒輪的旋轉部分、一組圓柱齒輪。電機固定部分與旋轉部分通過軸承連接，手掌固定連接在旋轉部分上；電機二、減速器二、編碼器固定安裝在固定部分上；圓柱齒輪三與旋轉部分的內齒輪內嚙合，電機通過該組內嚙合的齒輪，驅動旋轉部分以及整個手掌繞固定部分中心旋轉；圓柱齒輪三與編碼器上圓柱齒輪四嚙合，編碼器可進行位置反饋。
[0010]本發(fā)明所述的除拇指以外的其余四個手指結構布局相同，四個手指主體都包括手指基座、手指指根、手指指節(jié)、手指指尖四部分。手指軸一連接手指基座和手指指根，手指軸二連接手指指根和手指指節(jié);手指軸三連接手指指節(jié)和手指指尖。手指包含三個可旋轉的關節(jié)，由兩個電機驅動。其中電機三和減速器三安裝在手指基座內部，電機三通過一組嚙合的錐齒輪把動力傳遞給手指指根，使手指指根能相對于手指基座繞手指軸一旋轉，手指基座外部限位槽可與手掌限位塊的配合，使整個手指固定在手掌上。另外電機四和減速器四安裝在手指指根內部，電機四驅動“收_放”線齒輪組工作，“收_放”線齒輪組由錐齒輪三、錐齒輪四、錐齒輪五組成。由電機四驅動的“收_放”線齒輪組利用齒輪傳動特點，對通過手指指尖與手指指節(jié)內部的兩條拉線同步進行繞線、放線動作，其中拉線一通過手指指節(jié)內彈簧滑塊機構，并與滑塊固定連接，使滑塊能隨拉線移動，拉線一端固定在手指指尖，通過滑輪導向支撐后，另一端固定在錐齒輪四上。拉線二一端固定在手指指尖，通過滑輪變導向支撐后固定在錐齒輪五上?！笆誣放”線齒輪組配合拉線、彈簧滑塊機構實現(xiàn)手指指尖、手指指節(jié)正向彎曲、復位、反向彎曲。
[0011]本發(fā)明所述的拇指主體包含拇指基座、拇指指根、拇指指節(jié)、拇指指尖四部分。拇指軸一連接拇指基座和手掌，拇指軸二連接拇指基座和拇指指根，拇指軸三連接拇指指根和拇指指節(jié)，拇指軸四連接拇指指節(jié)和拇指指尖。拇指包含四個可轉動關節(jié)，由三個電機驅動。電機一和減速器一安裝在手心內，動力通過一組嚙合圓柱齒輪，驅動拇指整體繞拇指軸一轉動。電機五和減速器五安裝在拇指基座內，減速器五上安裝有繞線輪，繞線輪與拇指指根底部之間繞有兩條交叉分布的拉線，電機通過拉線帶動拇指指根相對于拇指基座繞拇指軸二進行轉動;拇指指根內部裝有電機六和減速器六，以及由錐齒輪六、錐齒輪七、錐齒輪八組成的“收_放”線齒輪組，由電機六驅動的“收_放”線齒輪組利用齒輪傳動特點，對通過拇指指尖與拇指指節(jié)內部的兩條拉線同步進行繞線、放線動作。拉線三通過拇指指節(jié)內彈簧滑塊機構，并于滑塊固定連接，使滑塊能隨拉線移動，拉線三一端固定在拇指指尖，另一端固定在錐齒輪七繞上。拉線四一端固定在拇指指尖，通過滑輪變向后固定在錐齒輪八上?！笆誣放”線齒輪組配合拉線和彈簧滑塊機構實現(xiàn)拇指指尖、拇指指節(jié)正向彎曲、復位、反向彎曲。
[0012]拇指結構與其余四指結構中所述的彈簧滑塊機構結構相同，整體形狀為一個圓柱形彈簧滑塊機構包括一個外殼，一個滑塊，彈簧一，彈簧二，封堵一，封堵二，端蓋一，端蓋二。封堵一，封堵二，滑塊，可在外殼內腔里滑動。彈簧一，彈簧二被壓縮一定量分別放置在封堵一與端蓋一，封堵二與端蓋一之間，并且兩彈簧能被自由壓縮。拉線通過彈簧滑塊機構內部，并與滑塊固定連接，左右端拉線的移動可帶動滑塊在相應方向移動，并壓縮相應方向的彈簧。放置在拇指指節(jié)和手指指節(jié)安裝槽內，其位置沿拉線方向，彈簧一在遠手掌端，彈簧二在近手掌端。
[0013]本發(fā)明的效果與益處:
[0014]本發(fā)明一種欠驅動仿人靈巧手，該機械手與人手類似，由拇指、食指、中指、無名指、小指以及手掌組成。該機械手共有17個自由度，由12個微型電機提供動力。其中，每個手指遠端兩個關節(jié)為耦合關節(jié)，拇指有4個自由度，由3個電機驅動；除拇指以外的其余4個手指結構類似，每個手指有3個自由度，由兩個電機驅動；另外由一個電機驅動的手掌根部旋轉關節(jié)可實現(xiàn)機械手整體旋轉。本發(fā)明手指含有欠驅動結構形式，靈活度高，結構簡單、緊湊，總量輕，易安裝，能夠有效實施對不