具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，它涉及一种残疾人假肢手上的仿人手指装置。本发明专利技术采用电机和微驱动器联合驱动主、次两套运动机构，次运动具备快速反射运动功能，解决了已有假肢手仿人手指存在抓取不稳定等问题。本发明专利技术所述的主运动机构由传动齿轮、传动连杆、耦合弹性连杆和弹性限位元件构成，采用电机驱动，可实现三关节仿人手指拟人化的耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融为一体的功能；本发明专利技术特别涉及的次运动机构由加装微驱动器的连杆机构构成，其中微驱动器安装于第一传动连杆和第二传动连杆中，当主运动机构完成对物体的包络抓取后、若安装于指尖的滑动传感器检测到物体与手指之间有相对滑动时，微驱动器可产生快速响应，联合主运动连杆机构实现对物体的稳定抓取，防止物体滑落。该手指装置结构简单、制造成本低，可输出力大，在外观与动作上都具有拟人特性，特别适合应用在残疾人假肢手上。
【技术实现步骤摘要】
一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置所属
本专利技术属于仿人假肢手
，特别涉及一种具有主次运动分治耦合功能欠驱动仿人机械手指装置的结构设计。技术背景仿人假肢手是人体康复工程领域的一个重要研究方向，主要用于对物体的抓持和空间移动，为上肢缺失残疾人的日常生活提供便利。目前现有的灵巧手虽然控制比较灵活，但是传感器、驱动器数量很多，控制结构也相当复杂，与此同时所带来的体积大、质量重、制造与维护成本高等问题，限制了它在现实生活中的实用性与产品化。在这样的背景下，自适应欠驱动机械手由于传感、驱动系统相对简单，易于控制，并且能较好地抓取常见物体，已成为近年来发展和研究的热点。但是，欠驱动机械手指这种驱动器数目少于手指自由度、各个关节间采用机械耦合的结构，也带来了抓取不稳定等问题。较早的一种欠驱动自适应机械手指装置如美国专利技术专利US5762390A，巧妙地采用四连杆机构加弹性元件的方式，实现了机械手指的欠驱动自适应功能特点。其应用的弹性元件既能保证手指在无动作时具有稳定的初始形态，又能暂时地约束四连杆机构的一个自由度，使手指的各个指节在动作过程中接触物体前能够欠驱动，接触物体后其余指节又能完成对被抓物体的自适应包络抓取。但是，这种欠驱动自适应机械手指装置不具备拟人化的运动特征：手指的各个指节在未接触物体时作为一个“僵硬”的整体被驱动，不具有耦合运动功能，不能完成人手的空手“握拳”等动作。另一种欠驱动耦合传动式手指装置如中国专利技术专利CN101190528A，在一定程度上克服了上述类型机械手指的不足：在中指节和远指节之间采用一根耦合连杆，当手指动作过程中未接触到物体时，近指节、中指节和远指节作为一个整体被驱动，具有欠驱动特性；当近指节接触到物体后，中指节和远指节能够在耦合连杆的作用下实现对物体的快速包络抓取。但是，该类机械手指仍然不具有拟人化的运动特征，不能完成人手的空手“握拳”等动作，而且在实现对物体进行包络抓取时也存在缺陷：当手指的中指节率先接触到被抓物体后，远指节不能再进一步运动实现对物体的完全包络抓取，在手指以握持方式抓取过程，容易导致抓取不稳定等问题。再者，已有的欠驱动机械手装置，手指都只采用连杆机构/电机或者滑轮绳索/电机等单一的机械传动/驱动系统。这些装置由于机械延迟等问题，具有对外界刺激响应不够灵敏的缺点，工作过程中，当受到瞬间的外界干扰，例如抓握桌子上的杯子，突然拿起时，由于受到重力影响，容易出现抓取失稳的问题，即普通机械手不具备人手手指的防滑快速抓取功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种由电机和微驱动器联合驱动主、次两套运动机构，具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指设计方案。其主运动机构能实现手指的拟人化耦合运动特性以及对物体的自适应完全包络抓取；其特有的次运动能够在被主运动机构包络抓取的物体受到外部干扰时，快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，补偿主运动机构的力与位移的输出，直到主运动机构做出调整，次运动具有毫秒级的响应速度，可以实现拟人化的快速反射运动、防滑稳定抓取功能。本专利技术采用如下技术方案：一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构包括电机、减速器、基座、小伞齿轮、大伞齿轮、近指节、中指节、远指节、近关节轴、中关节轴、远关节轴；所述的电机与基座固接，电机的输出轴与所述的减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与所述的小伞齿轮连接，小伞齿轮与所述大伞齿轮啮合，大伞齿轮与所述的近关节轴采用键连接，所述的近指节与基座通过近关节轴转动连接，中指节与近指节通过中关节轴转动连接，中指节与远指节通过远关节轴转动连接，所述的近关节轴、中关节轴和元关节轴的轴线相互平行。该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的主运动机构还包括近关节连杆、第一传动连杆、第一连杆轴、第一耦合弹性连杆、第一耦合弹性连杆轴、中关节连杆、第二传动连杆、第二连杆轴、第二耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆轴、第三连杆轴、近关节扭簧、中关节扭簧。所述的近关节连杆一端与近关节轴固接，近关节连杆的另一端通过第一连杆轴与所述的第一传动连杆的一端转动连接，第一传动连杆的另一端通过第二连杆轴与所述的中关节连杆一端转动连接，中关节连杆的另一端与所述的中关节轴转动连接，所述的第一耦合弹性连杆一端与基座通过第一耦合弹性连杆轴转动连接，第一耦合弹性连杆的另一端与中关节连杆通过第二连杆轴转动连接；所述的第二传动连杆一端与中关节连杆通过第二连杆轴转动连接，第二传动连杆的另一端与远指节通过第三连杆轴转动连接，所述的第二耦合弹性连杆一端与近指节通过第二耦合弹性连杆轴转动连接，第二耦合弹性连杆的另一端与远指节通过第三连杆轴转动连接；所述的近关节扭簧的两端分别连接近指节和近关节连杆，所述的中关节扭簧的两端分别连接中指节和中关节连杆。本专利技术所述的近关节轴、第一连杆轴、第一耦合弹性连杆轴，中关节轴、第二连杆轴、第二耦合弹性连杆轴、第三连杆轴、远关节轴的轴线相互平行，且满足如下的位置关系：设近关节轴轴线与中关节轴轴线所在平面为A，中关节轴轴线与远关节轴轴线所在平面为B，则第一连杆轴和第二连杆轴在平面A的同侧，第一耦合弹性连杆轴位于平面A的另一侧；第二连杆轴和第三连杆轴位于平面B同侧，第二耦合弹性连杆轴位于平面B的另一侧。本专利技术所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆，由普通连杆和弹性元件组成，具有弹性拉伸与收缩功能的连杆，实现前级指节接触物体后，后级其余指节对被抓物体的进一步自适应包络抓取。本专利技术所述的近关节扭簧、中关节扭簧，也可以采用拉簧、压簧、片簧或板簧，所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆的弹性元件采用压簧；所述的近关节扭簧、中关节扭簧的刚度较小，用以维持手指动作前各指节的初始形态；所述的第一耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆包含的压簧的刚度比近关节扭簧、中关节扭簧的刚度稍大。本专利技术所述的具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，所述的电机为步进电机，并在所述的电机上设有旋转编码器。该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，特别涉及一种具有快速反应、防滑抓取功能的次运动机构。抓握是否稳定由安装于中指节底和远指节上的滑动传感器检测判断，微驱动器安装于第一传动连杆以及第二连杆中，若手指与物体有相对滑动，则微驱动器工作快速伸长。由于步进电机具有自锁功能，第一传动连杆中的微驱动器输出的力全部作用于第二连杆轴上使其快速旋转，带动手指的中指节和远指节快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，形成对物体的进一步自适应包络抓取，补偿主运动机构的力与位移的输出。同理，第二传动连杆中的微驱动器也可快速输出一个力作用于第三连杆轴，带动远指节快速输出一个指向被抓物体内部的力，补偿远指节端抓取的力和位移输出。微驱动器可以单独安装在第一传动连杆中，此时中指节和远指节具备快速反射功能；也可单独安装在第二传动连杆中，此时远指节具备快速反射功能；亦可安装在第一传动连杆和第二传动连杆中，此时反射效果最好。所述的微驱动器可采用记忆合金、静电、超磁致伸缩、压电陶瓷或者其他微驱动元件制造，在通电状态下，可以输出一定的位移与较大的驱动力；所述的微驱动器输出位移带动第二连杆轴以及第三连杆轴转本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，包括主、次两套运动机构，所述的主运动机构包括基座1、电机2、减速器3、小伞齿轮22、大伞齿轮23、近指节19、中指节20和远指节21；所述的次运动机构由传动连杆加装微驱动器7构成。其特征在于：所述的电机2与基座1固接，电机1的输出轴与所述的减速器3的输入轴相连接，所述的减速器3的输出轴与小伞齿轮22连接，所述的小伞齿轮22与大伞齿轮23啮合，所述的大伞齿轮22与近关节轴4采用键连接，所述的近指节19与基座1通过近关节轴4转动连接，中指节20与近指节19通过中关节轴11转动连接，中指节20与远指节21通过远关节轴17转动连接，所述的近关节轴4、中关节轴11和元关节轴17的轴线相互平行；该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构还包括第一传动连杆6、近关节连杆8、第一连杆轴5、第一耦合弹性连杆10、第一耦合弹性连杆轴9、第二连杆轴12、第二传动连杆13、中关节连杆14、第二耦合弹性连杆16、第二耦合弹性连杆轴15、第三连杆轴18、近关节扭簧24、中关节扭簧25；所述的近关节连杆8一端与近关节轴4固接，近关节连杆8的另一端通过第一连杆轴5与所述的第一传动连杆6的一端转动连接，第一传动连杆6的另一端通过第二连杆轴12与所述的中关节连杆14一端转动连接，中关节连杆14的另一端与所述的中关节轴11转动连接，所述的第一耦合弹性连杆16一端与基座通过第一耦合弹性连杆轴15转动连接，第一耦合弹性连杆10的另一端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接；所述的第二传动连杆13一端与中关节连杆14通过第二连杆轴12转动连接，第二传动连杆13的另一端与远指节21通过第三连杆轴18转动连接，所述的第二耦合弹性连杆16一端与近指节通过第二耦合弹性连杆轴15转动连接，第二耦合弹性连杆16的另一端与远指节20通过第三连杆轴18转动连接；所述的近关节扭簧24的两端分别连接近指节19和近关节连杆8，所述的中关节扭簧25的两端分别连接中指节20和中关节连杆14；所述的近关节轴4、中关节轴11、、远关节轴17、第一连杆轴5、第二连杆轴12、第一耦合弹性连杆轴9，第二耦合弹性连杆轴15与第三连杆轴18的轴线相互平行，且满足如下的位置关系：设近关节轴4轴线与中关节轴11轴线所在平面为A，中关节轴11轴线与远关节轴17轴线所在平面为B，则第一连杆轴5和第二连杆轴12在平面A的同侧，第一耦合弹性连杆轴15位于平面A的另一侧；第二连杆轴12和第三连杆轴18位于平面B同侧，第二耦合弹性连杆轴15位于平面B的另一侧；所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16，由普通连杆和弹性元件组成，具有弹性拉伸与收缩功能的连杆，实现前级指节接触物体28后，后级其余指节对被抓物体28的进一步自适应包络抓取；所述的近关节扭簧24、中关节扭簧25的刚度较小，用以维持手指动作前各指节的初始形态；所述的第一耦合弹性连杆10、第二耦合弹性连杆16压簧的刚度比近关节扭簧24、中关节扭簧25的刚度稍大。...
【技术特征摘要】
1.一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其特征在于：所述的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，包括主、次两套运动机构，所述的主运动机构包括基座(1)、电机(2)、减速器(3)、小伞齿轮(22)、大伞齿轮(23)、近指节(19)、中指节(20)和远指节(21)；所述的次运动机构由第一传动连杆(6)、第二传动连杆(13)以及嵌入在这两个连杆中的微驱动器(7)构成；所述的电机(2)与基座(1)固接，电机(2)的输出轴与所述的减速器(3)的输入轴相连接，所述的减速器(3)的输出轴与小伞齿轮(22)连接，所述的小伞齿轮(22)与大伞齿轮(23)啮合，所述的大伞齿轮(22)与近关节轴(4)采用键连接，所述的近指节(19)与基座(1)通过近关节轴(4)转动连接，中指节(20)与近指节(19)通过中关节轴(11)转动连接，中指节(20)与远指节(21)通过远关节轴(17)转动连接，所述的近关节轴(4)、中关节轴(11)和远关节轴(17)的轴线相互平行；该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构还包括第一传动连杆(6)、近关节连杆(8)、第一连杆轴(5)、第一耦合弹性连杆(10)、第一耦合弹性连杆轴(9)、第二连杆轴(12)、第二传动连杆(13)、中关节连杆(14)、第二耦合弹性连杆(16)、第二耦合弹性连杆轴(15)、第三连杆轴(18)、近关节扭簧(24)、中关节扭簧(25)；所述的近关节连杆(8)一端与近关节轴(4)固接，近关节连杆(8)的另一端通过第一连杆轴(5)与所述的第一传动连杆(6)的一端转动连接，第一传动连杆(6)的另一端通过第二连杆轴(12)与所述的中关节连杆(14)一端转动连接，中关节连杆(14)的另一端与所述的中关节轴(11)转动连接，所述的第一耦合弹性连杆(10)一端与基座通过第一耦合弹性连杆轴(9)转动连接，第一耦合弹性连杆(10)的另一端与中关节连杆(14)通过第二连杆轴(12)转动连接；所述的第二传动连杆(13)一端与中关节连杆(14)通过第二连杆轴(12)转动连接，第二传动连杆(13)的另一端与远指节(21)通过第三连杆轴(18)转动连接，所述的第二耦合弹性连杆(16)一端与近指节通过第二耦合弹性连杆轴(15)转动连接，第二耦合弹性连杆(16)的另一端与远指节(20)通过第三连杆轴(18)转动连接；所述的近关节扭簧(24)的两端分别连接近指节(19)和近关节连杆(8)，所述的中关节扭簧(25)的两端分别连接中指节(20)和中关节连杆(14)；所述的近关节轴(4)、中关节轴(11)、远关节轴(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓华，张翼，段小刚，罗海东，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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