專利名稱：腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于擬人機器人技術領域，特別涉及一種腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人 指裝置的結構設計。
背景技術：
人們在對智能機器人的研究中，把擬人機器人作為機器人研究的最高境界，也一 直把實現類人的行為作為夢寐以求的目標。與人類似，擬人機器人的多數功能要通過手部 操作來實現，因而手部結構是擬人機器人的重要組成部分，其設計是擬人機器人的關鍵技 術之一。近30年來，靈巧手研究取得了豐碩的成果。靈巧手具有3 5個手指，每個手指 2 4個關節(jié)自由度，絕大多數關節(jié)為電機、空氣肌肉、液壓等驅動的主動關節(jié)。靈巧手能做 出人手的各種動作，包括抓取和操作兩種動作。例如國外研發(fā)出來的Hitachi手、Utah/MIT 手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手，國內哈工大研發(fā)的HIT靈 巧手和北航研發(fā)的BH靈巧手。靈巧手的主要優(yōu)點是可以靈活主動的抓取物體，并有很好的 抓取穩(wěn)定性，其不足是不能實現抓取物體時對物體的形狀和尺寸自動適應(自適應抓取)， 造成對傳感及控制系統(tǒng)要求高，系統(tǒng)復雜、成本高、可靠性低。欠驅動機械手指可以克服靈巧手的純主動驅動多關節(jié)手指的一些不足，以此為主 設計實現高欠驅動的機器人手在近十年來得到越來越多的重視。例如，以具有一個電機、 兩個轉動關節(jié)的欠驅動手指為例，該手指裝置包括基座、近關節(jié)、中間指段、遠關節(jié)、末端指 段，初始時刻，手指為伸直狀態(tài)，此時電機轉動，整個手指繞其近關節(jié)轉動，當中間指段碰觸 到物體被阻擋不動后，電機繼續(xù)驅動遠關節(jié)和末端指段轉動，從而實現一個電機依次驅動 兩個關節(jié)轉動的欠驅動目的。欠驅動機械手指的優(yōu)點是能夠自動適應物體形狀和尺寸的大 小，達到自適應抓取的目的，降低了對傳感及控制系統(tǒng)的要求。但是欠驅動機械手指的不足 為其手指初始構形是固定(伸直或呈某個彎曲角度)，這與人手抓取方式有較大不同，不 夠擬人化，不便于對某些尺寸、形狀的物體進行穩(wěn)定抓取。人手抓持不同尺寸物體時，手指 在還未碰觸物體前就需要事先彎曲到某個角度，只有這樣才能更好的抓取。例如，在人手在 捏持小尺寸物體之前，四指(即食指、中指、無名指和小指)中間關節(jié)要事先彎曲較大角度， 直到四指末端與拇指末端相接近，之后再進行抓取。而且手指所彎曲的角度對于不同尺寸 的物體是需要調節(jié)的。而傳統(tǒng)的欠驅動手指沒法實現在碰觸物體之前的這種中間關節(jié)的轉 動，因而難以實現更加擬人化抓取動作和更加穩(wěn)定地抓持物體效果。另外，當沒有所抓物體 而執(zhí)行單純的握拳動作時，整個手指只能呈伸直狀態(tài)繞近關節(jié)軸轉動，這與人手的可以繞 中間關節(jié)彎曲的握拳動作相去甚遠，影響了機器人手的擬人化動作效果。已有的一種帶輪欠驅動機器人手指裝置，如中國發(fā)明專利CN101234489A，包括基 座、電機、減速器、近關節(jié)軸、齒輪傳動機構、帶輪傳動機構、中部指段、遠關節(jié)軸、末端指段 和簧件。電機通過減速器、齒輪和帶輪傳動機構使末端指段隨之轉動。由于簧件的約束作 用使中部指段和末端指段在沒有碰觸物體前保持固定的伸直狀態(tài)(中部指段和末端指段之間的夾角為平角)，只有當中部指段接觸物體被阻擋時，末端指段才隨遠關節(jié)軸轉動，實現手指彎曲包絡所抓取物體。該裝置的不足之處在于在接觸物體前，中部指段和末端指段只能呈伸直狀態(tài)，以一個整體繞近關節(jié)軸轉動，影響了抓取效果。也有傳統(tǒng)的具有剛性手指的機械手裝置，具有固定彎曲的手指構型，它們模仿了人類抓取物體時的最常見手指姿態(tài)，但是這類裝置的手指彎曲狀態(tài)是固定不可以改變彎曲角度的，而且關節(jié)自由度數過少，不能適應不同尺寸物體的抓取需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對已有技術的不足之處，提供一種腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，該裝置在抓取前可以靈活彎曲手指中間關節(jié)以達到穩(wěn)定擬人的預彎曲姿態(tài)，在抓取時以自適應欠驅動方式抓取物體。該裝置利用電機對欠驅動手初始位置進行調節(jié)，提高了機械手指抓取不同尺寸、形狀物體的穩(wěn)定性和擬人化動作效果，實現機器人手指在較低控制系統(tǒng)要求下的靈活自適應抓取，裝置外形與人的手指相似，可以作為擬人機器人手的手指使用。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，包括第一電機、第二電機、基座、近關節(jié)軸、第一指段、第一指段關節(jié)軸、末端指段、第一傳動機構、第二傳動機構和復位簧件；所述的第一電機與基座固接，第一電機的輸出軸與第一傳動機構輸入端相連；所述的第二電機與基座固接，第二電機的輸出軸與第二傳動機構輸入端相連；所述的近關節(jié)軸套設在基座中，第一指段關節(jié)軸套設在第一指段中，近關節(jié)軸和第一指段關節(jié)軸相互平行；所述的第一指段套設在近關節(jié)軸上，所述的末端指段套設在第一指段關節(jié)軸上；所述的復位簧件的兩端分別連接第一指段和末端指段；其特征在于該腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)機器人手指裝置還包括第一繩輪、第二繩輪、第三繩輪、第一限位件、第二限位件、第三限位件、第一腱繩、第二腱繩和第三腱繩；所述的第一繩輪和第二繩輪固結或套接在近關節(jié)軸上，所述的第三繩輪固結或套接在第一指段關節(jié)軸上；所述的第一限位件固結在末端指段上，所述的第二限位件和第三限位件固結在第一指段上；所述的第一腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和末端指段，第一腱繩從末端指端向基座方向穿過第一限位件和第三繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪，穿過第二限位件和第一繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第一繩輪；所述的第二腱繩的兩端分別連接第二傳動機構輸出端和末端指段，第二腱繩從末端指端向基座方向穿過第一限位件和第三繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪，穿過第三限位件和第二繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第二繩輪；所述的第三腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和第一指段，第三腱繩從第一指段向基座方向穿過第二限位件和第一繩輪間隙，與手指彎曲方向反方向繞過第一繩輪后，從基座內部穿出后再穿入基座內，與第一傳動機構輸出端。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置，包括第一電機、第二電機、基座、第一指段、近關節(jié)軸、第一指段關節(jié)軸、末端指段、至少一個中部指段、至少一個中部指段關節(jié)軸、第一傳動機構、第二傳動機構和至少兩個復位簧件；所述的第一電機與基座固接，第一電機的輸出軸與第一傳動機構輸入端相連；所述的第二電機與基座固接，第二電機的輸出軸與第二傳動機構輸入端相連；所述的近關節(jié)軸套設在基座中，第一指段關節(jié)軸套設在第一指段中，每個中部指段關節(jié)軸分別套設在對應的每個中部指段中，近關 節(jié)軸、第一指段關節(jié)軸和每個中部指段關節(jié)軸相互平行；所述的第一指段套設在近關節(jié)軸 上，所述的末端指段套設在與該末端指端緊鄰的中部指段關節(jié)軸上，所述每個中部指段分 別套設在與該中部指段相鄰且靠近基座方向的指段關節(jié)軸上；所述的至少兩個復位簧件 的兩端分別連接相鄰的兩個指段；其特征在于該腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人 手指裝置還包括第一繩輪、第二繩輪、第三繩輪、每個中部指段繩輪、第一限位件、第二限位 件、第三限位件、每個中部指段限位件、第一腱繩、第二腱繩和第三腱繩；所述的第一繩輪和 第二繩輪固結或套接在近關節(jié)軸上，所述的第三繩輪固結或套接在第一指段關節(jié)軸上，所 述的每個中部指段繩輪固結或套接在每個中部指段關節(jié)軸上；所述的第一限位件固結在末 端指段上，所述的第二限位件、第三限位件固結在第一指段上，所述的每個中部指段限位件 固結在每個中部指段上；所述的第一腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和末端指 段，依次繞過各中部指段繩輪、第三繩輪和第一繩輪，第一腱繩繞過各繩輪的方式與權利要 求1繞繩方式相同；所述的第二腱繩的一端連接第二傳動機構輸出端，另一端連接末端指 端或某一中部指段，此中部指段不包括緊鄰基座的中部指段，依次繞過各中部指段繩輪、第 三繩輪和第二繩輪，第二腱繩繞過各繩輪的方式與權利要求1繞繩方式相同；所述的第三 腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和第一指段，第三腱繩繞過第一繩輪的方式與權 利要求1繞繩方式相同。
本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置，其特征在于所 述的至少一個中部指段包括第一中部指段；所述的至少一個中部指段關節(jié)軸包括第一中部 指段關節(jié)軸；所述的至少一個中部指段限位件包括第一中部指段限位件；所述的至少一個 中部指段繩輪包括第一中部指段繩輪；所述的至少兩個復位簧件包括第一復位簧件和第二 復位彈簧。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于所述的第 一傳動機構包括第一傳動螺桿和第一傳動螺母，所述的第一傳動螺桿與第一電機的輸出軸 相連，第一傳動螺母分別與第一腱繩和第三腱繩的一端相連，第一傳動螺母鑲嵌在基座中。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于所述的第 二傳動機構包括第二傳動螺桿和第二傳動螺母，所述的第二傳動螺桿與第二電機的輸出軸 相連，第二傳動螺母與第二腱繩的一端相連，第二傳動螺母鑲嵌在基座中。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于所述的復 位簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條和彈性繩中一種或幾種的組合。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于所述的第 一腱繩、第二腱繩和第三腱繩采用繩、帶、筋和鏈條中一種或幾種的組合。本發(fā)明所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于所述的第 一限位件、第二限位件、第三限位件和至少一個中部指段限位件采用圓柱銷、螺釘、滑輪和 擋塊中的一種或幾種的組合。本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果本發(fā)明裝置利用雙電機、繩輪、腱繩和復位簧件綜合實現了手指初始構型可變與 自適應抓取相結合的特殊效果。該裝置在抓取前可以靈活彎曲手指中間關節(jié)以達到穩(wěn)定擬 人的預彎曲姿態(tài)，在抓取時以自適應欠驅動方式抓取物體。該裝置可以調節(jié)不同的手指初始姿態(tài)，更好地提高了抓取動作的穩(wěn)定性，降低了對傳感及控制系統(tǒng)的要求。該裝置在積極 利用欠驅動手自適應抓取效果的基礎上，對抓取的靈活性、擬人性和穩(wěn)定性上有了很大的 提高。該裝置結構緊湊、體積小、形態(tài)動作更趨近于人手、可以穩(wěn)定抓取和自動適應各種形 狀、尺寸的物體，適合作為擬人機器人手的手指或手指一部分使用。


圖1是本發(fā)明提供的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置的一種實施例的正面剖視圖。圖2是圖1在A-A處的剖視圖，只畫出第一腱繩。圖3是圖1所示實施例的正面外觀圖。圖4是圖1所示實施例的左側外觀圖。圖5是圖1在A-A處的剖視圖，只畫出第二腱繩。圖6是圖1在A-A處的剖視圖，只畫出第三腱繩。圖7是本發(fā)明提供的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置的一種實 施例的正面剖視圖。圖8是圖7在B-B處的剖視圖。圖9是圖7所示實施例的正面外觀圖。圖10是圖7所示實施例的左側外觀圖。圖11、圖12、圖13、圖14是圖7所示實施例在末端指段與中部指段以伸直姿態(tài)為 初始姿態(tài)下抓取大物體的過程示意圖，此時全過程為第一電機工作。圖15、圖16、圖17、圖18、圖19、圖20是圖7所示實施例在第二末端指段與第二中 部指段以彎曲某個角度的姿態(tài)下抓取小物體的過程示意圖，此時小物體碰觸到第一中部指 段、第二中部指段和第二末端指段，屬于握持狀態(tài)，在此全過程中先第二電機工作再第一電 機工作。圖21、圖22、圖23、圖24是圖7所示實施例僅讓第二電機工作時按壓琴鍵的過程 示意圖。在圖1至圖24中I-第一電機， 2-第二電機，3-復位簧件，4-第一末端指段，5-基座， 6-第一傳動螺桿，7-第一傳動螺母，8-第二傳動螺桿， 9-第二傳動螺母，10-第二繩輪，11-第一繩輪，12-近關節(jié)軸，13-第一中部指段限位件，14-第二復位簧件，15-第一指段，16-第三腱繩，17-第一指段關節(jié)軸，18-第三繩輪，19-第一腱繩，20-第二腱繩，21-腱繩方向限位件，34-第一中部指段，35-第一中部指段關節(jié)軸，36-第一中部指段繩輪，37-第一復位簧件，41-第一限位件，42-第二限位件， 43-第三限位件，51,52-手指要抓的物體， 53-手指所按壓的琴鍵。
61-第一傳動機構，62-第二傳動機構，63-至少一個中部指段，64-至少一個中部指段關節(jié)軸，65-至少兩個復位簧件，66-至少一個中部指段繩輪，67-至少一個中部指段限位件
具體實施例方式下面結合附圖及實施例進一步詳細說明本發(fā)明的具體結構、工作原理的內容。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置的一種實施例，如 圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，包括第一電機1、第二電機2、基座5、近關節(jié)軸12、第 一指段15、第一指段關節(jié)軸17、末端指段4、第一傳動機構61、第二傳動機構62和復位簧件 3 ；所述的第一電機2與基座5固接，第一電機1的輸出軸與第一傳動機構61輸入端相連； 所述的第二電機2與基座5固接，第二電機2的輸出軸與第二傳動機構62輸入端相連；所 述的近關節(jié)軸12套設在基座5中，第一指段關節(jié)軸17套設在第一指段15中，近關節(jié)軸12 和第一指段關節(jié)軸17相互平行；所述的第一指段15套設在近關節(jié)軸12上，所述的末端指 段4套設在第一指段關節(jié)軸17上；所述的復位簧件3的兩端分別連接第一指段15和末端 指段4 ；該腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)機器人手指裝置還包括第一繩輪11、第二繩輪10、第 三繩輪18、第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43、第一腱繩19、第二腱繩20和第 三腱繩16 ；所述的第一繩輪11和第二繩輪10固結或套接在近關節(jié)軸12上，所述的第三繩 輪18固結或套接在第一指段關節(jié)軸17上；所述的第一限位件41固結在末端指段4上，所 述的第二限位件42和第三限位件43固結在第一指段15上；所述的第一腱繩19的兩端分 別連接第一傳動機構61輸出端和末端指段4，第一腱繩19從末端指端4向基座5方向穿過 第一限位件41和第三繩輪18間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪18穿過第二限位 件42和第一繩輪11間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第一繩輪11 ；所述的第二腱繩10的 兩端分別連接第二傳動機構62輸出端和末端指段4，第二腱繩10從末端指端4向基座5方 向穿過第一限位件41和第三繩輪18間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪18，穿過第 三限位件43和第二繩輪10間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第二繩輪10 ；所述的第三腱 繩16的兩端分別連接第一傳動機構61輸出端和第一指段15，第三腱繩16從第一指段15 向基座5方向，穿過第二限位件42和第一繩輪11間隙，與手指彎曲方向反方向繞過第一繩 輪11后，從基座5內部穿出后再穿入基座5內，與第一傳動機構61輸出端。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第一傳動 機構61包括第一傳動螺桿6和第一傳動螺母7，所述的第一傳動螺桿6與第一電機1的輸 出軸相連，第一傳動螺母7分別與第一腱繩15和第三腱繩16的一端相連，第一傳動螺母7 鑲嵌在基座5中。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第二傳動 機構62包括第二傳動螺桿8和第二傳動螺母9，所述的第二傳動螺桿8與第二電機2的輸 出軸相連，第二傳動螺母9與第二腱繩20的一端相連，第二傳動螺母9鑲嵌在基座5中。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的復位簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩中一種或幾種的組合。本實施例中，所述的復位簧件3采用拉簧。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第一腱繩、第二腱繩和第三腱繩采用繩、帶、筋或鏈條中一種或幾種的組合。本實施例中，所述的第一腱繩19、第二腱繩20和第三腱繩16采用繩。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第一限位 件、第二限位件、第三限位件和至少一個中部指段限位件采用圓柱銷、螺釘、滑輪和擋塊中 的一種或幾種的組合。本實施例中，所述的第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43均采用圓柱銷。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置的一種實施例，如 圖7、圖8、圖9、圖10所示，包括第一電機1、第二電機2、基座5、第一指段15、近關節(jié)軸12、 第一指段關節(jié)軸17、末端指段4、至少一個中部指段63、至少一個中部指段關節(jié)軸64、第一 傳動機構61、第二傳動機構62和至少兩個復位簧件65 ；所述的第一電機1與基座5固接， 第一電機1的輸出軸與第一傳動機構61輸入端相連；所述的第二電機2與基座5固接，第 二電機2的輸出軸與第二傳動機構62輸入端相連；所述的近關節(jié)軸12套設在基座5中，第 一指段關節(jié)軸17套設在第一指段15中，每個中部指段關節(jié)軸分別套設在對應的每個中部 指段中，近關節(jié)軸12、第一指段關節(jié)軸17和每個中部指段關節(jié)軸相互平行；所述的第一指 段15套設在近關節(jié)軸12上，所述的末端指段4套設在與該末端指端4緊鄰的中部指段關節(jié) 軸上，所述每個中部指段分別套設在與該中部指段相鄰且靠近基座方向的指段關節(jié)軸上； 所述的每個復位簧件的兩端分別連接相鄰的兩個指段；該腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生 機器人手指裝置還包括第一繩輪11、第二繩輪10、第三繩輪18、至少一個中部指段繩輪66、 第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43、至少一個中部指段限位件67、第一腱繩19、 第二腱繩20和第三腱繩16 ；所述的第一繩輪11和第二繩輪10固結或套接在近關節(jié)軸12 上，所述的第三繩輪18固結或套接在第一指段關節(jié)軸17上，所述的每個中部指段繩輪固結 或套接在每個中部指段關節(jié)軸上；所述的第一限位件41固結在末端指段4上，所述的第二 限位件41、第三限位件43固結在第一指段15上，所述的每個中部指段限位件固結在至少 一個中部指段63上；所述的第一腱繩19的兩端分別連接第一傳動機構61輸出端和末端指 段4，依次繞過各中部指段繩輪、第三繩輪18和第一繩輪11，第一腱繩19繞過各繩輪的方 式與腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置的一種實施例繞繩方式相同；所述的 第二腱繩20的一端連接第二傳動機構62輸出端，另一端連接末端指端4或某一中部指段， 此中部指段不包括緊鄰基座5的中部指段，依次繞過各中部指段繩輪、第三繩輪18和第二 繩輪10，第二腱繩20繞過各繩輪的方式與腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝 置的一種實施例繞繩方式相同；所述的第三腱繩16的兩端分別連接第一傳動機構61輸出 端和第一指段15，第三腱繩16繞過第一繩輪11的方式與腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生 機器人手指裝置的一種實施例繞繩方式相同。本實施例中，所述的至少一個中部指段63包括第一中部指段34 ；所述的至少一個 中部指段關節(jié)軸64包括第一中部指段關節(jié)軸35 ；所述的至少一個中部指段限位件67包括 第一中部指段限位件13 ；所述的至少一個中部指段繩輪66包括第一中部指段繩輪36 ；所 述的至少兩個復位簧件65包括第一復位簧件37和第二復位彈簧14。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第一傳動 機構61包括第一傳動螺桿6和第一傳動螺母7，所述的第一傳動螺桿6與第一電機1的輸 出軸相連，第一傳動螺母7分別與第一腱繩15和第三腱繩16的一端相連，第一傳動螺母7鑲嵌在基座5中。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第二傳動 機構62包括第二傳動螺桿8和第二傳動螺母9，所述的第二傳動螺桿8與第二電機2的輸 出軸相連，第二傳動螺母9與第二腱繩20的一端相連，第二傳動螺母9鑲嵌在基座5中。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的復位簧件 采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條和彈性繩中一種或幾種的組合。本實施例中，所述的第一復位簧件和第二復位簧件均采用拉簧。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的第一腱 繩、第二腱繩和第三腱繩采用繩、帶、筋和鏈條中一種或幾種的組合。本實施例中，所述的第一腱繩19、第二腱繩20和第三腱繩16采用繩。本發(fā)明設計的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，所述的至少一個 中部指段限位件采用圓柱銷、螺釘、滑輪和擋塊中的一種或幾種的組合。在本實施例中，所述的第一中部指段限位件采用圓柱銷。下面以圖7、圖8、圖9、圖10所示的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝 置的一種實施例為例介紹工作原理。該實施例的工作原理，如圖11、圖12、圖13、圖14、圖 15、圖16、圖17、圖18、圖19、圖20、圖21、圖22、圖23、圖24，敘述如下。該裝置的初始位置如圖11、圖15和圖21，此時第一指段15、第一中部指段34和末 端指段4與基座5呈一條直線，即相當于人的手指完全伸直的狀態(tài)，此時近關節(jié)12、第一指 段關節(jié)軸17和第一中部指段關節(jié)35均為伸直狀態(tài)，這是整個裝置的最初狀態(tài)。分幾種情 況加以說明。 (a)若僅第一電機1工作，此時，手指第一指段15關節(jié)以伸直作為即將抓取物體時 的預備姿態(tài)，抓取物體具有一種自動適應物體尺寸形狀的效果。 第二電機2不用工作，第一電機1工作，其抓取物體的過程和原理為第一電機1 的輸出軸轉動，帶動第一傳動機構61工作，此處具體為帶動第一傳動螺桿6轉動，帶動第一 傳動螺母7向下移動，第一傳動螺母7向下拉拽第一腱繩19和第三腱繩16的一端。由于 第三腱繩16與手指彎曲方向反向繞過第一繩輪11，在初始時對第一指段15有約束作用，使 第一指段15不能繞近關節(jié)軸12正向轉動。當第一傳動螺母7向下移動時，第三腱繩16松 弛，使其對第一指段15的正向約束消失。第一腱繩19與手指彎曲方向同向繞過第一繩輪 11、第三繩輪18和第一中部指段繩輪36，向下拉拽末端指段4。由于第一復位簧件37與第 二復位簧件14的正向約束作用，第一指段15、第一中部指段34和末端指段4作為一個整體 一起繞近關節(jié)軸12的中心線轉動一個角度，此過程直到第一指段15接觸到物體51為止， 此時如圖12所示。當第一指段15被物體51阻擋而無法繼續(xù)轉動時，第一傳動螺母7繼續(xù) 下移，拉動第一腱繩19和第三腱繩16的一端下移，第一腱繩19繼續(xù)拉拽末端指段4克服 第一復位簧件37的變形彈力而優(yōu)先使得第一中部指段34與末端指段4作為一個整體一 起繞著第一指段關節(jié)軸17轉動。此過程直到第一中部指段34接觸到物體51為止，此時如 圖13所示。當第一中部指段34被物體51阻擋而無法繼續(xù)轉動時，第一傳動螺母7繼續(xù)下 移，拉動第一腱繩19和第三腱繩16的一端下移，第一腱繩19繼續(xù)拉拽末端指段4克服第 二復位簧件14的變形彈力而使得末端指段4繞著第一中部指段關節(jié)軸35轉動。此過程 直到末端指段4接觸到物體51為止，此時如圖14所示。此時，該裝置抓取結束。
當放開物體51時，第一電機1反轉，帶動第一傳動螺桿6反轉，第一傳動螺母7上 移，拉動第一腱繩19和第三腱繩16向上移動，第一腱繩19對末端指段4的約束作用消失， 末端指段4在第二復位簧件14的作用下繞第一中部指段關節(jié)軸35反轉，同時第二復位簧 件14的變形隨之逐漸減小為零，此時末端指段4已經反向轉動到其相對于第一中部指段34 的初始伸直位置，如圖13所示。第一傳動螺母7繼續(xù)下移，第一中部指段34和末端指段4 在第一復位簧件37的作用下繞第一指段關節(jié)軸17反轉，同時第一復位簧件37的變形隨之 逐漸減小為零，此時第一中部指段34和末端指段4已經反向轉動到其相對于第一指段15 的初始伸直位置，如圖12所示。第一傳動螺母7繼續(xù)下移，在第三腱繩16的約束作用下， 第一指段15、第一中部指段34和末端指段4繞近關節(jié)軸12反向轉動，直到該裝置完全恢復 到最開始的伸直位置，如圖11所示。(b)若第二電機先2工作，之后第一電機1再工作，此時，第一指段15關節(jié)以彎 曲作為即將抓取物體時的預備姿態(tài)，使得即將抓取時具有較好的手指構型，有利于抓?。煌?時，抓取中仍然采用與(a)介紹的相同的欠驅動抓取方式，保留了自動適應物體形狀尺寸 的效果。第二電機2與第一電機1將依次先后使用。首先僅讓第二電機2工作，其輸出軸 轉動，帶動第二傳動螺桿8轉動，帶動第二傳動螺母9向下移動，第二傳動螺母9向下拉拽 第二腱繩20。第二腱繩20的另一端拉拽第一中部指段34，由于第三腱繩16的約束作用， 第一指段15不能轉動，又由于第二復位簧件14的約束作用，第一中部指段34和末端指段4 克服第一復位簧件37的變形彈力而使得第一中部指段34和末端指段4作為整體繞第一 指段關節(jié)軸17的中心線轉動一個角度(預備抓取前的彎曲角度)，如圖16所示。至此，第 二電機2停止工作不在轉動。由于第二腱繩20不可以被拉回但可以彎曲，因而它對第一中 部指段34和末端指段4具有單方向的約束作用，即第二腱繩20限制住了第一中部指段34 和末端指段4不能往回到伸直的初始位置，但是第一中部指段34和末端指段4可以在其他 機構作用下繼續(xù)向前轉動(此時第二腱繩20處于松弛狀態(tài))，因此，此時第一指段15關節(jié) 彎曲的狀態(tài)作為后續(xù)欠驅動抓取動作的初始位置被確定下來。之后第一電機1工作時實現 的如(a)所介紹的多關節(jié)欠驅動抓取過程仍可以正常進行。前述過程可以自由調節(jié)第一中 部指段34、末端指段4與第一指段15的初始角度，一旦調節(jié)完成第二電機2就停止工作，此 后轉為第一電機1開始工作，之后第一電機1工作時手指的后續(xù)轉動抓取物體過程與前述 (a)過程相同，只是手指的初始姿態(tài)變?yōu)閺澢臓顟B(tài)了，如圖17、圖18、圖19和圖20所示。當放開物體52時，第一電機1反向轉動，帶動第一傳動螺桿6反轉，第一傳動螺母 7上移，拉動第一腱繩19和第三腱繩16向上移動，第一腱繩19對末端指段4的約束作用 消失，末端指段4在第二復位簧件14的作用下繞第一中部指段關節(jié)軸35反轉，同時第二復 位簧件14的變形隨之逐漸減小為零，直到第一中部指段34和末端指段4已到達第二腱繩 20約束的彎曲姿態(tài)位置，如圖19所示。由于第一中部指段34和末端指段4被第一指段15 阻擋而不能再繼續(xù)反轉，此時第一電機1繼續(xù)反向轉動，帶動第一指段15、第一中部指段34 和末端指段4 一起繞著近關節(jié)軸12的軸線反向轉動，第一指段15離開物體52表面。直到 恢復到如圖16所示狀態(tài)，此時第一電機1停轉，第二電機2開始反向轉動，通過第二傳動螺 桿8帶動第二傳動螺母9向上運動，第二腱繩20不再對第一中部指段34和末端指段4起 約束作用，于是第一中部指段34和末端指段4在第一復位簧件37的作用下恢復伸直到最開始位置，如圖15所示。(c)若僅第二電機2工作，此時，手指采用第一中部指段34和末端指段4主動去接 觸物體，以手指按壓琴鍵作為實施例加以說明。若只是使用第二電機2轉動讓末端指段4按壓琴鍵53。第二電機2的輸出軸轉 動，帶動第二傳動螺桿8轉動，帶動第二傳動螺母9向下移動，第二傳動螺母9向下拉拽第 二腱繩20。第二腱繩20的另一端拉拽第一中部指段34，由于第三腱繩16的約束作用，第 一指段15不能轉動，又由于第二復位簧件14的約束作用，第一中部指段34和末端指段4 克服第一復位簧件37的變形彈力而使得第一中部指段34和末端指段4作為整體繞第一 指段關節(jié)軸17正向轉動，如圖22所示。當末端指段4接觸琴鍵53后，隨著第二傳動螺母9 的繼續(xù)下移，第一中部指段34和末端指段4作為整體繼續(xù)繞第一指段關節(jié)軸17正向轉動， 直到將琴鍵53按壓至最低點，如圖24所示。放開琴鍵時，第二電機2反轉，帶動第二傳動螺桿8反轉，第二傳動螺母9上升，第 二腱繩20不再對第一中部指段34和末端指段4起反向約束作用，第一復位簧件37帶動末 端指段4反轉離開琴鍵53，同時第一復位簧件37的變形隨之逐漸減小為零，此時手指恢復 到初始伸直的位置，如圖21所示。上述各種情況下，本發(fā)明所提出的該實施例裝置都可以正常工作。圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手 指裝置的實施例的工作原理與上述實施例基本相同。本發(fā)明裝置利用雙電機、繩輪、腱繩和復位簧件綜合實現了手指初始構型可變與 自適應抓取相結合的特殊效果。對于不同大小的物體，手指在即將抓取該物體時需要有事 先不同的彎曲準備，另外，手指在進行一些基本操作如按壓琴鍵，也需要獨立靈活地彎曲中 間關節(jié)。本發(fā)明的裝置實現了這一非常重要功能，使得機器人手的動作更加擬人化，抓取物 體更加靈活和穩(wěn)定。
權利要求
腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)仿生機器人手指裝置，包括第一電機(1)、第二電機(2)、基座(5)、近關節(jié)軸(12)、第一指段(15)、第一指段關節(jié)軸(17)、末端指段(4)、第一傳動機構(61)、第二傳動機構(62)和復位簧件(3)；所述的第一電機與基座固接，第一電機的輸出軸與第一傳動機構輸入端相連；所述的第二電機與基座固接，第二電機的輸出軸與第二傳動機構輸入端相連；所述的近關節(jié)軸套設在基座中，第一指段關節(jié)軸套設在第一指段中，近關節(jié)軸和第一指段關節(jié)軸相互平行；所述的第一指段套設在近關節(jié)軸上，所述的末端指段套設在第一指段關節(jié)軸上；所述的復位簧件的兩端分別連接第一指段和末端指段；其特征在于該腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動兩關節(jié)機器人手指裝置還包括第一繩輪(11)、第二繩輪(10)、第三繩輪(18)、第一限位件(41)、第二限位件(42)、第三限位件(43)、第一腱繩(19)、第二腱繩(20)和第三腱繩(16)；所述的第一繩輪和第二繩輪固結或套接在近關節(jié)軸上，所述的第三繩輪固結或套接在第一指段關節(jié)軸上；所述的第一限位件固結在末端指段上，所述的第二限位件和第三限位件固結在第一指段上；所述的第一腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和末端指段，第一腱繩從末端指端向基座方向穿過第一限位件和第三繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪，穿過第二限位件和第一繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第一繩輪；所述的第二腱繩的兩端分別連接第二傳動機構輸出端和末端指段，第二腱繩從末端指端向基座方向穿過第一限位件和第三繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第三繩輪，穿過第三限位件和第二繩輪間隙，與手指彎曲方向同方向繞過第二繩輪；所述的第三腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和第一指段，第三腱繩從第一指段向基座方向穿過第二限位件和第一繩輪間隙，與手指彎曲方向反方向繞過第一繩輪后，從基座內部穿出后再穿入基座內，與第一傳動機構輸出端。
2.腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置，包括第一電機(1)、第二電機 (2)、基座(5)、第一指段(15)、近關節(jié)軸(12)、第一指段關節(jié)軸(17)、末端指段(4)、至少一 個中部指段(63)、至少一個中部指段關節(jié)軸(64)、第一傳動機構(61)、第二傳動機構(62) 和至少兩個復位簧件(65)；所述的第一電機與基座固接，第一電機的輸出軸與第一傳動機 構輸入端相連；所述的第二電機與基座固接，第二電機的輸出軸與第二傳動機構輸入端相 連；所述的近關節(jié)軸套設在基座中，第一指段關節(jié)軸套設在第一指段中，每個中部指段關節(jié) 軸分別套設在對應的每個中部指段中，近關節(jié)軸、第一指段關節(jié)軸和每個中部指段關節(jié)軸 相互平行；所述的第一指段套設在近關節(jié)軸上，所述的末端指段套設在與該末端指段緊鄰 的中部指段關節(jié)軸上，所述每個中部指段分別套設在與該中部指段相鄰且靠近基座方向的 指段關節(jié)軸上；所述的每個復位簧件的兩端分別連接相鄰的兩個指段；其特征在于該腱 繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置還包括第一繩輪(11)、第二繩輪(10)、第三 繩輪(18)、至少一個中部指段繩輪(66)、第一限位件(41)、第二限位件(42)、第三限位件 (43)、至少一個中部指段限位件(67)、第一腱繩(19)、第二腱繩(20)和第三腱繩(16)；所 述的第一繩輪和第二繩輪固結或套接在近關節(jié)軸上，所述的第三繩輪固結或套接在第一指 段關節(jié)軸上，所述的每個中部指段繩輪固結或套接在每個中部指段關節(jié)軸上；所述的第一 限位件固結在末端指段上，所述的第二限位件、第三限位件固結在第一指段上，所述的每個 中部指段限位件固結在每個中部指段上；所述的第一腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸 出端和末端指段，依次繞過各中部指段繩輪、第三繩輪和第一繩輪，第一腱繩繞過各繩輪的 方式與權利要求1繞繩方式相同；所述的第二腱繩的一端連接第二傳動機構輸出端，另一端連接末端指端或某一中部指段，此中部指段不包括緊鄰基座的中部指段，依次繞過各中 部指段繩輪、第三繩輪和第二繩輪，第二腱繩繞過各繩輪的方式與權利要求1繞繩方式相 同；所述的第三腱繩的兩端分別連接第一傳動機構輸出端和第一指段，第三腱繩繞過第一 繩輪的方式與權利要求1繞繩方式相同。
3.如權利要求2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動多關節(jié)仿生機器人手指裝置，其特征在 于所述的至少一個中部指段包括第一中部指段(34)；所述的至少一個中部指段關節(jié)軸包 括第一中部指段關節(jié)軸(35)；所述的至少一個中部指段限位件包括第一中部指段限位件 (13)；所述的至少一個中部指段繩輪包括第一中部指段繩輪(36)；所述的至少兩個復位簧 件包括第一復位簧件(37)和第二復位彈簧(14)。
4.如權利要求1或2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于 所述的第一傳動機構包括第一傳動螺桿(6)和第一傳動螺母(7)，所述的第一傳動螺桿與 第一電機的輸出軸相連，第一傳動螺母分別與第一腱繩和第三腱繩的一端相連，第一傳動 螺母鑲嵌在基座中。
5.如權利要求1或2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于 所述的第二傳動機構包括第二傳動螺桿(8)和第二傳動螺母(9)，所述的第二傳動螺桿與 第二電機的輸出軸相連，第二傳動螺母與第二腱繩的一端相連，第二傳動螺母鑲嵌在基座 中。
6.如權利要求1或2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于 所述的復位簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條和彈性繩中一種或幾種的組合。
7.如權利要求1或2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于 所述的第一腱繩、第二腱繩和第三腱繩采用繩、帶、筋和鏈條中一種或幾種的組合。
8.如權利要求1或2所述的腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，其特征在于 所述的第一限位件、第二限位件、第三限位件和至少一個中部指段限位件采用圓柱銷、螺 釘、滑輪和擋塊中的一種或幾種的組合。
全文摘要
腱繩并聯(lián)靈巧欠驅動仿生機器人手指裝置，屬于擬人機器人技術領域，兩關節(jié)手指裝置包括基座、第一電機、第二電機、近關節(jié)軸、第一指段、遠關節(jié)軸、末端指段和復位簧件。該裝置還包括第一繩輪、第二繩輪、第三繩輪、第一腱繩、第二腱繩和第三腱繩。多關節(jié)手指裝置還包括至少一個中部指段、至少一個中間繩輪。該裝置利用電機、繩輪、腱繩和復位簧件綜合實現了手指初始構型可變與自適應抓取相結合的特殊效果。該裝置在抓取前可以靈活彎曲手指中間關節(jié)以達到穩(wěn)定擬人的預彎曲姿態(tài)，在抓取時以自適應欠驅動方式抓取物體。該裝置抓取動作更趨近于人手，可以自適應穩(wěn)定抓取不同物體，適用于仿人機器人手。
文檔編號B25J15/08GK101797753SQ20101013881
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者孫海濤, 張文增, 車德夢 申請人:清華大學