一种12自由度五指机械手制造技术

本发明专利技术涉及一种12自由度五指机械手，属于机器人技术领域，该机械手包括手掌、五个手指、12个驱动模块，以及角度传感器和触觉传感器；该机械手采用腱传动的方式，由驱动模块内的电机提供动力，带动各手指的腱绳运动，从而驱动整手。机械手共具有12个自由度，每个自由度通过一对腱绳受相应驱动模块控制；其中，食指、中指与无名指各2个自由度，大拇指与小指各3个自由度。五指均可实现屈曲/伸直运动，具体为：各手指近端指节的屈曲/伸直，中端指节的屈曲/伸直，末端指节的屈曲/伸直。机械手于指尖、手掌皮肤处配备了触觉传感器，关节处装有角度传感器，实时反馈压力、角度等信息，保证抓取的精确与柔性，可实现机械手的精确控制、抓取。

A five finger manipulator with 12 degrees of freedom

【技术实现步骤摘要】
一种12自由度五指机械手
本专利技术属于机器人手
，特别涉及一种新型12自由度五指机械手。
技术介绍
近年来机器人迅猛发展，已经在工厂、战场、太空等不同环境下进行作业，而末端执行机构是其中关键部分。末端执行机构大多为单自由度的夹钳式或是平行移动式机构，甚至还有用于搬运用的真空吸盘式的机构。这些末端执行机构大多结构简单、控制方便，适合于大负荷作业，但是由于其所具有的通用性弱、智能化低、精度差等缺点，这些简单的末端操作机构己经不能够满足人类对复杂性任务的要求，也限制了机器人在众多领域中的发展。因此五指机械手以其执行动作多、灵巧、适应性强等优势而备受关注。目前现有的机械手以绳驱和电机齿轮传动两种方式为主，电机齿轮驱动机械手结构复杂，且尺寸较大，成本高。绳驱机械手普遍存在腱绳容易松动的问题，影响使用及寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种12自由度五指机械手。该五指机械手大小与人手相仿，可以实现五个手指的屈曲/伸直，小拇指、大拇指的对掌运动，从而完成精细抓取任务。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一种12自由度五指机械手，其特征在于，该机械手包括手掌、五个手指、与所述手掌固连的基座，所述基座内设有12个驱动模块；食指、中指、无名指均具有2个弯曲自由度，大拇指和小指分别各具有2个弯曲自由度和1个摆动自由度，共12个自由度，各自由度均由相应的一个驱动模块控制；所述大拇指包括依次连接的旋转关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节、末端指节，共3个自由度，分别为所述近端指节的屈曲/伸直、所述中端指节的屈曲/伸直和以所述旋转关节为轴的旋前运动；所述拇指旋转关节在朝向掌前的0-90°内旋转，以实现大拇指的对掌运动；所述小指的前半部分、食指、中指和无名指结构相同，均包括依次连接的基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节和末端指节；所述基端指节固定于所述手掌内；所述小指的前半部分、食指、中指和无名指各有2个自由度，其中，所述末端指节和所述中端指节为欠驱动，共一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动，所述近端指节具有一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动；所述小指的后半部分包括固接的小指旋转指节和小指旋转轴，且小指旋转指节的轴线和小指旋转轴呈一定角度设置，与人手完全展开时，小指与中指的夹角接近；所述小指旋转轴左侧装有角度传感器、右侧装有轴承，并一起连接于所述手掌内，使小指朝向掌心旋转；小指的基端指节位于所述小指旋转指节内，且与所述小指旋转指节固定连接；各手指的末端关节和中端关节均分别包括设有滑轮的关节旋转轴，所述末端关节的滑轮内嵌有扭簧，该扭簧两端分别固定于相应末端指节和中端指节上；所述食指、中指、无名指和小指的近端关节由类球形结构构成，中间具有供相应腱绳通过的孔道，各近端关节的左右两端分别固定于相应手指的近端指节上；各手指的末端指节处分别装有第一触觉传感器，各关节处分别装有角度传感器；各手指的近端指节内分别固定有微处理器，用于处理相应手指中所述第一触觉传感器和所述角度传感器的数据，并与外部控制端进行数据通信；各手指的各个自由度分别通过一对腱绳受相应驱动模块控制，各手指的第一对腱绳的一端共同固定于相应手指的末端指节上，第一对腱绳中的第一腱绳经由所述末端关节的滑轮缠绕一圈后、连接到所述中端关节的滑轮缠绕一圈后、经所述近端关节和基端指节与相应驱动模块连接，第一对腱绳中的第二腱绳依次经过所述末端关节的滑轮、中端关节的滑轮、近端关节和基端指节与相应驱动模块连接；各手指的第二对腱绳位于一前一后固定于相应手指的近端指节上，且第二对腱绳均依次经过相应近端关节、基端指节后与相应驱动模块连接；所述大拇指的第三对腱绳一端分别固定于大拇指近端指节左右两侧，另一端直接经过大拇指的旋转关节连接至相应的驱动模块；所述小指的第三对腱绳一端分别固定于所述小指旋转轴的前后两侧，另一端经过所述手掌连接至相应的驱动模块。进一步地，各所述驱动模块均包括丝杠电机、转向定滑轮、滑块和2个张紧器；所述转向定滑轮位于所述基座底部，所述滑块同时在2根丝杠上作往复直线运动，2个所述张紧器分别通过一个穿孔螺钉连接于所述滑块的两侧且相对设置。进一步地，各所述张紧器均包括与相应的所述穿孔螺钉通过螺纹连接的弹簧罩、相对设置的两压簧卡套、位于两压簧卡套间的压簧和位于更靠近相应所述穿孔螺钉设置的压簧卡套下方的压力传感器，各张紧器中远离相应所述穿孔螺钉的压簧卡套一端分别设有绳头；一对所述腱绳中的第一腱绳经过所述手掌后通过所述转向定滑轮转向，然后依次通过第一穿孔螺钉、第一张紧器后，固定于第一绳头处；第二腱绳经过所述手掌，依次经过第二穿孔螺钉、第二张紧器后，固定于第二绳头处。本专利技术的特点及有益效果：本专利技术的目的是解决现有的灵巧手自由度不足和多自由度耦合的问题，提出一种完全仿人五指灵巧手，感知能力强，可以实现手指的屈曲/伸直运动、大拇指的对掌运动，经由指尖配置的触觉传感器，关节处配置的角度传感器，可以实时感知外部环境，实现精细的指尖捏合动作。为保证手指的运动灵活自如，本专利技术通过张紧器调节腱绳松紧，且可保持腱绳的弹性，进而增加腱绳使用寿命。本专利技术的五指灵巧手可用于工业生产、遥操作、康复等多个领域。附图说明图1是本专利技术实施例的一种12自由度五指机械手的各主要部分结构示意图。图2是图1中大拇指的结构示意图。图3是图1中食指的结构示意图。图4为图3所示食指末端指节与中端指节放大示意图。图5是本专利技术实施例中的腱绳绕线方式示意图。图6是图1中小指的结构示意图。图7是图1中驱动模块的结构示意图。图8为图7所示驱动模块中张紧器的放大示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术技术方案详细说明如下：为便于描述，本文中将手心侧称为前侧、将手背侧称为后侧、靠近小指一侧称为左侧、靠近大拇指一侧称为右侧。本专利技术实施例的一种12自由度五指机械手，其整体结构参见图1，该机械手包括手掌7、手掌皮肤6(可增加摩擦，便于抓取物体)、五个手指(图1中标号1、2、3、4、5分别对应大拇指、食指、中指、无名指和小指)、与手掌7固连的基座9(基座9具有外壳，图1中未示意出基座的外壳)、多个触觉传感器和多个角度传感器，基座9内设有12个驱动模块8；食指2、中指3、无名指4均具有2个弯曲自由度，大拇指1和小指5分别各具有2个弯曲自由度和1个摆动自由度，共12个自由度，各自由度均由相应的一个驱动模块控制。图2为大拇指的结构示意图。大拇指1包括依次连接的旋转关节14、近端指节13、中端关节15、中端指节12、末端关节16、末端指节10，共3个自由度，分别为末端指节10绕第一轴19a的屈曲/伸直0—90°、中端指节12绕平行于第一轴19a的第二轴19b的屈曲/伸直0—90°、旋转关节14绕垂直于第一轴19a的第三轴19c的旋前运动。本实施例大拇指的近端指节13、中端指节12、末端指节10的尺寸分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种12自由度五指机械手，其特征在于，该机械手包括手掌、五个手指、与所述手掌固连的基座，所述基座内设有12个驱动模块；食指、中指、无名指均具有2个弯曲自由度，大拇指和小指分别各具有2个弯曲自由度和1个摆动自由度，共12个自由度，各自由度均由相应的一个驱动模块控制；/n所述大拇指包括依次连接的旋转关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节、末端指节，共3个自由度，分别为所述近端指节的屈曲/伸直、所述中端指节的屈曲/伸直和以所述旋转关节为轴的旋前运动；所述拇指旋转关节在朝向掌前的0-90°内旋转，以实现大拇指的对掌运动；/n所述小指的前半部分、食指、中指和无名指结构相同，均包括依次连接的基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节和末端指节；所述基端指节固定于所述手掌内；所述小指的前半部分、食指、中指和无名指各有2个自由度，其中，所述末端指节和所述中端指节为欠驱动，共一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动，所述近端指节具有一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动；所述小指的后半部分包括固接的小指旋转指节和小指旋转轴，且小指旋转指节的轴线和小指旋转轴呈一定角度设置，与人手完全展开时，小指与中指的夹角接近；所述小指旋转轴左侧装有角度传感器、右侧装有轴承，并一起连接于所述手掌内，使小指朝向掌心旋转；小指的基端指节位于所述小指旋转指节内，且与所述小指旋转指节固定连接；/n各手指的末端关节和中端关节均分别包括设有滑轮的关节旋转轴，所述末端关节的滑轮内嵌有扭簧，该扭簧两端分别固定于相应末端指节和中端指节上；所述食指、中指、无名指和小指的近端关节由类球形结构构成，中间具有供相应腱绳通过的孔道，各近端关节的左右两端分别固定于相应手指的近端指节上；/n各手指的末端指节处分别装有触觉传感器，各关节处分别装有角度传感器；各手指的近端指节内分别固定有微处理器，用于处理相应手指中所述触觉传感器和所述角度传感器的数据，并与外部控制端进行数据通信；/n各手指的每个自由度分别通过一对腱绳受相应驱动模块控制，各手指的第一对腱绳的一端共同固定于相应手指的末端指节上，第一对腱绳中的第一腱绳经由所述末端关节的滑轮缠绕一圈后、连接到所述中端关节的滑轮缠绕一圈后、经所述近端关节和基端指节与相应驱动模块连接，第一对腱绳中的第二腱绳依次经过所述末端关节的滑轮、中端关节的滑轮、近端关节和基端指节与相应驱动模块连接；各手指的第二对腱绳位于一前一后固定于相应手指的近端指节上，且第二对腱绳均依次经过相应近端关节、基端指节后与相应驱动模块连接；所述大拇指的第三对腱绳一端分别固定于大拇指近端指节左右两侧，另一端直接经过大拇指的旋转关节连接至相应的驱动模块；所述小指的第三对腱绳一端分别固定于所述小指旋转轴的前后两侧，另一端经过所述手掌连接至相应的驱动模块。/n...

【技术特征摘要】
1.一种12自由度五指机械手，其特征在于，该机械手包括手掌、五个手指、与所述手掌固连的基座，所述基座内设有12个驱动模块；食指、中指、无名指均具有2个弯曲自由度，大拇指和小指分别各具有2个弯曲自由度和1个摆动自由度，共12个自由度，各自由度均由相应的一个驱动模块控制；
所述大拇指包括依次连接的旋转关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节、末端指节，共3个自由度，分别为所述近端指节的屈曲/伸直、所述中端指节的屈曲/伸直和以所述旋转关节为轴的旋前运动；所述拇指旋转关节在朝向掌前的0-90°内旋转，以实现大拇指的对掌运动；
所述小指的前半部分、食指、中指和无名指结构相同，均包括依次连接的基端指节、近端关节、近端指节、中端关节、中端指节、末端关节和末端指节；所述基端指节固定于所述手掌内；所述小指的前半部分、食指、中指和无名指各有2个自由度，其中，所述末端指节和所述中端指节为欠驱动，共一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动，所述近端指节具有一个自由度，用于实现屈曲/伸直运动；所述小指的后半部分包括固接的小指旋转指节和小指旋转轴，且小指旋转指节的轴线和小指旋转轴呈一定角度设置，与人手完全展开时，小指与中指的夹角接近；所述小指旋转轴左侧装有角度传感器、右侧装有轴承，并一起连接于所述手掌内，使小指朝向掌心旋转；小指的基端指节位于所述小指旋转指节内，且与所述小指旋转指节固定连接；
各手指的末端关节和中端关节均分别包括设有滑轮的关节旋转轴，所述末端关节的滑轮内嵌有扭簧，该扭簧两端分别固定于相应末端指节和中端指节上；所述食指、中指、无名指和小指的近端关节由类球形结构构成，中间具有供相应腱绳通过的孔道，各近端关节的左右两端分别固定于相应手指的近端指节上；
各手指的末端指节处分别装有触觉传感器，各关节处分别装有角度传感器；各手指的近端指节内分别固定有微处理器，用于处理相应手指中所述触觉传感器和所述角度传感器的数据，并与外部控制端进行数据通信；
各手指的每个自由度分别通过一对腱绳受相应驱动模块控制，各手指的第一对腱绳的一端共同固定于相应手指的末端指节上，第一对腱绳中的第一腱绳经由所述末端关节的滑轮缠绕一圈后、连接到所述中端关节的滑轮缠绕一圈后、经所述近...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙富春，方斌，朱畅，史勇，
申请(专利权)人：清瑞博源智能科技河北有限责任公司，
类型：发明
国别省市：河北;13