一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手制造技术

一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它涉及一种变刚度机械手，以解决现有刚性机械手和柔性机械手各自应用的局限性的问题，它包括三个变刚度弹性关节，还包括手掌、电机、底座、支撑柱和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指，手掌布置在底座的上方且二者通过支撑柱连接，底座上安装有轴向竖向设置的电机以及三个变刚度弹性关节，曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指沿手掌的周向设在手掌上，电机的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指回转运动，三个变刚度弹性关节的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指的屈曲伸展运动。本发明专利技术属于机器人领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手
本专利技术涉及一种变刚度机械手，具体涉及一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手。属于机器人领域。
技术介绍
在批量化测量领域，往往使用机械手进行零件的定位，安装与调整。机械手的抓取精度很大程度上影响了最终测量结果的精度，而且对于一些精密和易碎零件，机械手也容易造成损坏。因此，一种精度高，安全性强，适用范围广的机械手显得十分必要。传统的机械手从系统自身的刚度来分，主要分为两类：刚性机械手与柔性机械手。其中，刚性机械手通过刚性连接，整体呈高刚度，具有较高的响应速度，可以实现精确的位置控制与轨迹跟踪。然而，高刚度也导致了安全性的下降，对与机械手本体以及所抓取的物体都可能造成损害，在抓取易碎物体以及人机交互等方面存在潜在威胁。柔性机械手又主要包括两类，一类是在刚性机械手中加入刚度恒定的弹性元件，从而使机械手表现出一定的柔性，但在工作过程中刚度保持不变；另一类是软体机械手，由柔性材料制成的，凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性，软体机械手具有高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点。但是，目前的柔性机械手普遍存在刚度较低，响应速度慢，控制精度低，抓取能力弱等缺点。不管是刚性机械手还是柔性机械手，都有着各自的优势，但是也存在一定的局限性，面对越来越复杂的操作环境及多样化的操作对象，传统的机械手已经不能很好的胜任操作任务了。申请号为2017104915304，公开号：CN107234632A的专利技术专利申请公开了一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，该变刚度关节采用杠杆原理，可实现刚度的输出变化，采用齿轮传动，具有结构紧凑，可以应用于空间狭小的场合，可作为钢丝绳欠驱动机械手的驱动单元。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有刚性机械手和柔性机械手各自应用的局限性的问题，提出一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手。本专利技术的技术方案是：一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它包括三个变刚度弹性关节，它还包括手掌、电机、底座、支撑柱和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指；手掌布置在底座的上方且二者通过支撑柱连接，底座上安装有轴向竖向设置的电机以及三个变刚度弹性关节，曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指沿手掌的周向设在手掌上，电机的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指回转运动，三个变刚度弹性关节的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指的屈曲伸展运动。进一步地，所述手掌包括手掌一、手掌二、回转滑轮、变向滑轮和三个弯曲滑轮，手掌一固定在手掌二上，手掌二通过三个支撑住固定在底座上，回转滑轮通过轴承安装在手掌一上，回转滑轮与电机的输出轴固连，变向滑轮通过轴承安装在手掌一上，弯曲滑轮布置在手掌一和手掌二之间并与变刚度弹性关节的输出轴固接。进一步地，每根手指包括指节和指根，所述曲伸手指的指节与所述耦合回转曲伸手指的指节结构相同；所述曲伸手指的指根为固定指根，该固定指根固定在手掌一上，两根耦合回转曲伸手指的指根为回转指根，该回转指根穿过手掌一并通过轴承安装在手掌二上；所述指节包括远指节、中指节、近指节、远侧指间关节滑轮、远侧指间关节转轴、远侧指间关节扭簧、近侧指间关节滑轮、近侧指间关节转轴、近侧指间关节扭簧、掌指关节滑轮、掌指关节转轴、掌指关节扭簧和弯曲钢丝绳；远指节转动安装在固接于中指节上的远侧指间关节转轴上，远侧指间关节滑轮通过轴承安装在远侧指间关节转轴上，远侧指间关节滑轮两侧分别设有套在远侧指间关节转轴上的远侧指间关节扭簧，远侧指间关节扭簧的一个引脚安装在远指节上，另一个引脚安装在中指节上；中指节转动安装在固接于近指节上的近侧指间关节转轴上，近侧指间关节滑轮通过轴承安装在近侧指间关节转轴上，近侧指间关节滑轮两侧分别设有套在近侧指间关节转轴上的近侧指间关节扭簧，近侧指间关节扭簧的一个引脚安装在中指节上，另一个引脚安装在近指节上；近指节转动安装在固接于指根上的掌指关节转轴上，掌指关节滑轮通过轴承安装在掌指关节转轴上，掌指关节滑轮两侧分别设有套在掌指关节转轴上的掌指关节扭簧，掌指关节扭簧的一个引脚安装在近指节上，另一个引脚安装在指根上；屈伸手指的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳的一端固定在弯曲滑轮上，弯曲钢丝绳绕过变向滑轮、穿过手掌一、再依次绕过掌指关节滑轮、近侧指间关节滑轮和远侧指间关节滑轮，弯曲钢丝绳的另一端固定在远指节上；两根耦合回转曲伸手指的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳的一端固定在弯曲滑轮上，弯曲钢丝绳穿过耦合回转曲伸手指的指根的通道内，然后顺次绕过变向滑轮、掌指关节滑轮、近侧指间关节滑轮和远侧指间关节滑轮，弯曲钢丝绳的另一端固定在远指节上；两根耦合回转曲伸手指回转运动走线如下：两根耦合回转曲伸手指的回转指根分别通过绕向相反的回转钢丝绳与对应的回转滑轮连接。进一步地，变刚度弹性关节包括外壳、杠杆机构、差动轮系、输入轮系一和输入轮系二；杠杆机构包括输出杆、杠杆臂、杠杆支点柱和弹簧；差动轮系包括差动行星架、差动行星轮和差动太阳轮；输入轮系一包括内齿圈一、行星架一和齿轮系一；输入轮系二包括内齿圈二和齿轮系二；输出杆的一端与杠杆臂的一端转动连接，输出杆的另一端为轴端，轴端与外壳转动连接，杠杆臂的另一端与弹簧的一端连接，杠杆支点柱安装在差动行星轮的边缘上，且杠杆支点柱布置在杠杆臂上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧的另一端连接在差动太阳轮上；差动轮系布置在输入轮系一上，输入轮系一布置在输入轮系二上，差动行星轮与差动太阳轮啮合，差动行星轮安装在差动行星架上，且差动行星轮能相对差动行星架自转，差动行星架安装在内齿圈一上，差动太阳轮安装在内齿圈二上；主动电机输出轴套在调刚电机输出轴上且二者能相对转动，主动电机输出轴能带动齿轮系一和齿轮系二运转，行星架一与齿轮系一连接，行星架一安装在调刚电机输出轴上，齿轮系二能带动内齿圈二转动，齿轮系一能带动内齿圈一转动，弯曲滑轮与变刚度关节的调刚电机输出轴固接。本专利技术相比现有技术的有益效果是：本专利技术的有益效果是：提出了一种新的理念，通过将变刚度关节与机械手结合，实现机械手的变刚度；变刚度机械手扩大了机械手的应用范围，在人机交互、抓取易碎物体等情景下，机械手调节成低刚度状态，增强了抓取的安全性，在抓取大质量、高硬度物体时，机械手调节成高刚度状态，增强了机械手的抓取能力与响应速度；采用欠驱动方式，有效减小了驱动单元数目，增强了机械手对不同形状物体的自适应能力。采用变刚度弹性关节调节刚度时，通过调刚电机与主电机的配合运动，能够使弹簧总长度基本保持不变，即弹簧中储存能量基本不变，使得两个电机的输出能量大大减少，加快了调刚速度，降低了对调刚电机的要求；采用齿轮传动，可以应用于空间狭小的场合里；变刚度范围大，理论上零到无穷大，刚度与平衡位置控制是独立的，控制简单，稳定性好。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为屈伸手指的结构示意图；图3为耦合回转屈曲手指的结构示意图；图4为远指节的结构示意图；图5为远指节的爆炸示意图；图6为中指节的结构示意图图7为中指节的爆炸示意图；图8为近指节的结构示意图；图9为近指节的爆炸示意图；图10为去掉手掌一的本专利技术结构的俯视图；图11为耦合回转屈伸手指的弯曲钢丝绳的走线示意图；图12为变刚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它包括三个变刚度弹性关节(G)，其特征在于：它还包括手掌(C)、电机(D)、底座(E)、支撑柱(F)和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)；手掌(C)布置在底座E的上方且二者通过支撑柱(F)连接，底座(E)上安装有轴向竖向设置的电机(D)以及三个变刚度弹性关节(G)，曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)沿手掌(C)的周向设在手掌(C)上，电机(D)的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指(B)回转运动，三个变刚度弹性关节(G)的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)的屈曲伸展运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它包括三个变刚度弹性关节(G)，其特征在于：它还包括手掌(C)、电机(D)、底座(E)、支撑柱(F)和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)；手掌(C)布置在底座E的上方且二者通过支撑柱(F)连接，底座(E)上安装有轴向竖向设置的电机(D)以及三个变刚度弹性关节(G)，曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)沿手掌(C)的周向设在手掌(C)上，电机(D)的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指(B)回转运动，三个变刚度弹性关节(G)的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指(A)和两根耦合回转曲伸手指(B)的屈曲伸展运动。2.根据权利要求1所述一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，其特征在于：所述手掌(C)包括手掌一(C1)、手掌二(C2)、回转滑轮(C3)、变向滑轮(C4)和三个弯曲滑轮(C5)，手掌一(C1)固定在手掌二(C2)上，手掌二(C2)通过三个支撑住(F)固定在底座(E)上，回转滑轮(C3)通过轴承安装在手掌一(C1)上，回转滑轮(C3)与电机(D)的输出轴固连，变向滑轮(C4)通过轴承安装在手掌一(C1)上，弯曲滑轮(C5)布置在手掌一(C1)和手掌二(C2)之间并与变刚度弹性关节(G)的输出轴固接。3.根据权利要求2所述一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，其特征在于：每根手指包括指节和指根(4)，所述曲伸手指(A)的指节与所述耦合回转曲伸手指(B)的指节结构相同；所述曲伸手指(A)的指根(4)为固定指根，该固定指根固定在手掌一(C1)上，两个耦合回转曲伸手指(B)的指根(4)为回转指根，该回转指根穿过手掌一(C1)并通过轴承安装在手掌二(C2)上；所述指节包括远指节(1)、中指节(2)、近指节(3)、远侧指间关节滑轮(5)、远侧指间关节转轴(6)、远侧指间关节扭簧(7)、近侧指间关节滑轮(8)、近侧指间关节转轴(9)、近侧指间关节扭簧(10)、掌指关节滑轮(11)、掌指关节转轴(12)、掌指关节扭簧(13)和弯曲钢丝绳(14)；远指节(1)转动安装在固接于中指节(2)上的远侧指间关节转轴(6)上，远侧指间关节滑轮(5)通过轴承安装在远侧指间关节转轴(6)上，远侧指间关节滑轮(5)两侧分别设有套在远侧指间关节转轴(6)上的远侧指间关节扭簧(7)，远侧指间关节扭簧(7)的一个引脚安装在远指节(1)上，另一个引脚安装在中指节(2)上；中指节(2)转动安装在固接于近指节(3)上的近侧指间关节转轴(9)上，近侧指间关节滑轮(8)通过轴承安装在近侧指间关节转轴(9)上，近侧指间关节滑轮(8)两侧分别设有套在近侧指间关节转轴(9)上的近侧指间关节扭簧(10)，近侧指间关节扭簧(10)的一个引脚安装在中指节(2)上，另一个引脚安装在近指节(3)上；近指节(3)转动安装在固接于指根(4)上的掌指关节转轴(12)上，掌指关节滑轮(11)通过轴承安装在掌指关节转轴(12)上，掌指关节滑轮(11)两侧分别设有套在掌指关节转轴(12)上的掌指关节扭簧(13)，掌指关节扭簧(13)的一个引脚安装在近指节(3)上，另一个引脚安装在指根(4)上；屈伸手指(A)的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳(14)的一端固定在弯曲滑轮(C5)上，弯曲钢丝绳(14)绕过变向滑轮(C4)、穿过手掌一(C1)、再依次绕过掌指关节滑轮(11)、近侧指间关节滑轮(8)和远侧指间关节滑轮(5)，弯曲钢丝绳(14)的另一端固定在远指节(1)上；两个耦合回转曲伸手指(B)的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳(14)的一端固定在弯曲滑轮(C5)上，弯曲钢丝绳(14)穿过耦合回转曲伸手指(B)的回转指根的通道内，然后顺次绕过变向滑轮(C4)、掌指关节滑轮(11)、近侧指间关节滑轮(8)和远侧指间关节滑轮(5)，弯曲钢丝绳(14)的另一端固定在远指节(1)上；两个耦合回转曲伸手指(B)回转运动走线如下：两个耦合回转曲伸手指(B)的回转指根分别通过绕向相反的回转钢丝绳(C6)与对应的回转滑轮(C3)连接。4.根据权利要求3所述一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，其特征在于：远指节(1)包括远指节面板(1-1)、远指节基座(1-2)、远指节左夹板(1-3)、远指节右夹板(1-4)和远指节压力薄膜传感器(1-5)；远指节左夹板(1-3)和远指节右夹板(1-4)对称布置并固定安装在远指节基座(1-2)的两侧，远指节左夹板(1-3)和远指节右夹板(1-4)分别通过轴承安装在远侧指间关节转轴(6)上，远指节面板(1-1)滑动...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐威铭，金弘哲，刘玉斌，乔凤斌，杨斌堂，胡佳成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23