一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指制造技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，并公开了一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指。该手指由三个指节和一个基座组成，采用电机、圆锥齿轮系传动，只需要一个电机即可实现手指的转动：首先，电机通过减速器驱动第一圆锥齿轮，进而带动与之相啮合的第二圆锥齿轮，实现近指节的转动；然后，在多连杆机构的连接作用下，将传动传递到中指节，实现中指节的转动；远指节与中指节的传动方式与此类似。该手指实现了耦合运动和自适应运动的融合，通过手指间的配合可以实现对物体的捏取和自适应包络。此外，本发明专利技术结构紧凑，传递精度高，体积小，且能根据需要调节两个圆锥齿轮之间的传动比实现不同角度的偏转，适合作为仿人灵巧手使用。

A Coupled Adaptive Underactuated Human-like Smart Finger

The invention belongs to the field of robot technology and discloses a coupling adaptive underactuated humanoid dexterous finger. The finger is composed of three knuckles and a base, which is driven by a motor and bevel gear system. Only one motor is needed to rotate the finger. First, the motor drives the first bevel gear through a reducer, and then drives the second bevel gear meshing with it to rotate the proximal knuckle. Then, the transmission is transmitted to the middle knuckle under the connection of multiple linkage mechanisms. It realizes the rotation of the middle finger joint and the transmission mode of the distal finger joint and the middle finger joint is similar. The finger achieves the fusion of coupled motion and adaptive motion. Through the cooperation between fingers, the object can be pinched and the adaptive envelope can be achieved. In addition, the invention has compact structure, high transmission accuracy, small volume, and can adjust the transmission ratio between two bevel gears according to needs to achieve deflection of different angles, and is suitable for use as a human-like dexterous hand.

【技术实现步骤摘要】
一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指的结构设计。
技术介绍
随着应用范围的扩大和作业水平的提高，机器人为人类完成各种各样的任务的同时，任务的多样化对机器人的末端执行器的要求也日渐提高。传统的机器人专用夹持器只能对特定的少数物体进行抓取和操作，通用性较差，无法广泛应用于各种各样变化的场合。基于仿人手的设想，灵巧手应运而生，具有适应性好、自由度高和抓取模式丰富等优点，在危险环境探测、外太空探索、物流搬运、工业装配、康复医疗以及智能制造等领域都有较为广泛的应用。灵巧手的发展经历了全驱动型灵巧手、单自由度型灵巧手以及欠驱动型灵巧手几个阶段：全驱动型灵巧手的抓握性能能够与人手相媲美，甚至在抓握输出力和抓取速度等方面还优于人手，但是全驱动型灵巧手通常具有复杂的结构、过多的驱动器和传感器，增加了控制的难度，且质量重、体积大、制造与维护成本高，这类灵巧手的代表有美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MITHand、英国Shadow机器人公司的ShadowHand、德国宇航中心研发的DLR系列灵巧手、哈尔滨工业大学研制的HIT/DLRHand等。单自由度型灵巧手只有一个自由度，结构简单，易于控制，只能实现简单的闭合动作，具有较大的抓握力，相应速度比较快，但是仿生性能差，拟人化程度低。欠驱动型灵巧手可分为自适应欠驱动灵巧手和耦合欠驱动灵巧手：自适应欠驱动灵巧手指可以根据抓取对象的形状而将之包络于手指中，具有很好的自适应性，但是存在抓取不稳定的现象；耦合欠驱动灵巧手指能够加快手指对物体的包络，从而使手指机构更加紧凑，使抓握过程更加接近自然手，但是不具有自适应性，对多数物体不能实现较好的抓握效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术中存在的不足之处，提供一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，该手指将耦合运动和自适应运动融合为一体，结构紧凑，传递精度高，体积小，适合作为仿人灵巧手使用。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下：本专利技术设计的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，包括：远指节、中指节、近指节、基座、减速器、电机、编码器、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、近指节轴、中指节轴、远指节轴，以及近指、中指节、远指节中的连杆和弹性元件；所述减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与所述的第一圆锥齿轮连接，第一圆锥齿轮与所述的第二圆锥齿轮啮合，第二圆锥齿轮与所述的近指节轴采用键连接；所述的近指节与基座通过近指节轴转动连接，中指节与近指节通过中指节轴转动连接，远指节与中指节通过远指节轴转动连接；所述的近指节轴、中指节轴、远指节轴的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节、中指节、远指节中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆、中指节传动连杆、中指节耦合连杆、中指节滑块、中指节压缩弹簧、中指节限位块、近指节连杆、近指节传动连杆、近指节耦合连杆、近指节滑块、近指节压缩弹簧、近指节限位块。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的近指节传动连杆和中指节传动连杆均由三部分构成，以近指节传动连杆为例加以说明，近指节传动连杆包括第一连接头、双头螺纹杆、第二连接头，第一连接头与近指节连杆转动连接，第二连接头与中指节连杆转动连接，双头螺纹杆的两端分别连接第一连接头和第二连接头，其与第二连接头连接的一端的螺纹比与其与第一连接头连接的一端的螺纹要长。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：近指节和中指节各自存在一组具有耦合自适应特性的多连杆机构，以近指节为例，近指节侧壁、近指节连杆、近指节传动连杆、中指节连杆构成自适应连杆机构，近指节连杆和近指节传动连杆绕近指节连杆轴转动连接，近指节传动连杆和中指节连杆绕中指节连杆轴转动连接；近指节侧壁、中指节连杆、近指节传动连杆、近指节滑块、近指节耦合连杆构成等效耦合连杆机构，近指节传动连杆与近指节滑块同轴连接，近指节滑块和近指节耦合连杆转动连接，近指节耦合连杆与基座绕近指节耦合连杆轴转动连接。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的中指节限位块、近指节限位块，以螺纹连接方式分别与中指节传动连杆、近指节传动连杆的螺纹杆部分连接，以近指节限位块为例，通过正转或者反转可以调节近指节限位块在近指节传动连杆上的相对位置，改变近指节滑块和近指节压缩弹簧的运动范围，进而改变近指节中的等效耦合连杆机构的初始构型，从而改变手指装置运动前近指节、中指节、远指节的初始位姿。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的中指节压缩弹簧、近指节压缩弹簧，也可以采用拉簧、片簧或者板簧；中指节压缩弹簧和近指节压缩弹簧初始处于压缩状态或自然伸长状态，在手指运动过程中，通过改变弹簧的状态，可以实现三个指节之间的耦合运动和自适应运动的切换，实现对物体的捏取和包络抓握。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：所述的电机可以采用步进电机或者其他具有自锁装置的直流电机，且电机配置有旋转编码器。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：在近指节、中指节、远指节与物体发生接触的指腹位置安装有压力传感器。本专利技术所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征还在于：通过调节两个圆锥齿轮之间的传动比可实现不同角度、不同速率的弯曲转动。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：本专利技术在近指节和中指节之间、中指节和远指节之间均设计了自适应连杆机构和等效耦合连杆机构，实现了耦合运动和自适应运动的融合：手指装置接触物体前，三个指节之间呈多指节耦合运动模式，可以加快对物体的包络速度，通过手指间的配合可以实现对物体的捏取操作；当手指的近指节或者中指节接触物体后，由于等效耦合连杆机构中的弹簧的可压缩性，后续指节可采用自适应方式抓握物体，能够实现对物体的自适应包络。此外，本专利技术结构紧凑，传递精度高，体积小，且能根据需要调节两个圆锥齿轮之间的传动比实现不同角度的偏转，适合作为仿人灵巧手使用。附图说明图1是本专利技术设计的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指的三维立体图。图2是图1所示实施例的正视图。图3是图1所示实施例的右视图。图4是图1所示实施例的局部剖视图，也是图1的左视图。图5是图1所示实施例的近指节传动连杆的三维立体图。图中的数字和构件的对应关系为：1—远指节，2—中指节，3—近指节，4—基座，5—减速器，6—电机，7—编码器，8—物体，9—第一圆锥齿轮，10—第二圆锥齿轮，101—远指节轴，201—中指节轴，202—中指节连杆，203—中指节传动连杆，204—中指节耦合连杆，205—中指节滑块，206—中指节压缩弹簧，207—中指节限位块，208—中指节耦合连杆轴，209—中指节传动连杆轴，301—近指节轴，302—近指节连杆，303—近指节传动连杆，304—近指节耦合连杆，305—近指节滑块，306—近指节压缩弹簧，307—近指节限位块，308—近指节耦合连杆轴，309—近指节传动连杆轴。具体实施方式下面结合本专利技术的附图及实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：包括远指节1，中指节2，近指节3，基座4，包括减速器5，电机6，编码器7，第一圆锥齿轮9，第二圆锥齿轮10，近指节轴301，中指节轴201，远指节轴101以及近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件；所述减速器5与基座4固接，电机6的输出轴与减速器5的输入轴连接，减速器5的输出轴与所述的第一圆锥齿轮9连接，第一圆锥齿轮9与所述的第二圆锥齿轮10啮合，第二圆锥齿轮10与所述的近指节轴301采用键连接；所述的近指节3与基座4通过近指节轴301转动连接，中指节2与近指节3通过中指节轴201转动连接，远指节1与中指节2通过远指节101轴转动连接；所述的近指节轴301、中指节轴201、远指节轴101的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆202、中指节传动连杆203、中指节耦合连杆204、中指节滑块205、中指节压缩弹簧206、中指节限位块207、近指节连杆302、近指节传动连杆303、近指节耦合连杆304、近指节滑块305、近指节压缩弹簧306、近指节限位块307。...

【技术特征摘要】
1.一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：包括远指节1，中指节2，近指节3，基座4，包括减速器5，电机6，编码器7，第一圆锥齿轮9，第二圆锥齿轮10，近指节轴301，中指节轴201，远指节轴101以及近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件；所述减速器5与基座4固接，电机6的输出轴与减速器5的输入轴连接，减速器5的输出轴与所述的第一圆锥齿轮9连接，第一圆锥齿轮9与所述的第二圆锥齿轮10啮合，第二圆锥齿轮10与所述的近指节轴301采用键连接；所述的近指节3与基座4通过近指节轴301转动连接，中指节2与近指节3通过中指节轴201转动连接，远指节1与中指节2通过远指节101轴转动连接；所述的近指节轴301、中指节轴201、远指节轴101的轴线相互平行，且轴线的初始位置在同一竖直平面内；所述的近指节3、中指节2、远指节1中的连杆和弹性元件还包括中指节连杆202、中指节传动连杆203、中指节耦合连杆204、中指节滑块205、中指节压缩弹簧206、中指节限位块207、近指节连杆302、近指节传动连杆303、近指节耦合连杆304、近指节滑块305、近指节压缩弹簧306、近指节限位块307。2.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：所述的近指节传动连杆303和中指节传动连杆203均由三部分构成，以近指节传动连杆303为例加以说明，近指节传动连杆303包括第一连接头3031、双头螺纹杆3032、第二连接头3033，第一连接头3031与近指节连杆302转动连接，第二连接头3033与中指节连杆202转动连接，双头螺纹杆3032的两端分别连接第一连接头3031和第二连接头3033，其与第二连接头3033连接的一端的螺纹柱比与其与第一连接头3031连接的一端的螺纹柱要长。3.根据权利要求1所述的一种耦合自适应的欠驱动仿人灵巧手指，其特征在于：近指节3和中指节2各自存在一组具有耦合自适应特性的多连杆机构，以近指节3为例，近指节侧壁、近指节连杆302、近指节传动连杆303、中指节连杆202构成自适应连杆机构，近指节连杆302和近指节传动连杆303绕近指节连杆轴309转动连接，近指节传动连杆303和中指节连杆202绕中指节连杆轴308转动连接；近指节侧壁、中指节连杆202、近指节传动连杆303、近指节滑块305、近指节耦合连杆304...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏世民，张英坤，喻洋，盛海燕，朱赣闽，杨政，陈冠男，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11