一種欠驅動的自適應擬人機械手的制作方法
【專利摘要】一種欠驅動的自適應擬人機械手，包括殼體模塊以及設置在殼體模塊內的四指模塊、大拇指模塊、傳動模塊和自鎖模塊；其中，所述四指模塊包括食指、中指、無名指和小拇指共4個手指，每個手指的末端通過平鍵與傳動模塊相連，大拇指模塊與手掌直接相連，所述傳動模塊和自鎖模塊同時設置于手掌中，所述傳動模塊包括滑塊組、齒輪齒條機構和連桿機構，其中滑塊組在牽引繩拉力的作用下向后滑動，帶動兩邊的齒輪齒條機構嚙合運動，齒條帶動連桿機構旋轉，進而將驅動力傳遞到手指模塊，完成抓取動作，所述自鎖模塊中的棘爪機構在抓取后與棘板上的棘齒相互嚙合，從而保持抓取狀態。本發明能夠實現對一定物體大小的自適應包絡和抓取，應用范圍較廣。
【專利說明】
一種欠驅動的自適應擬人機械手
技術領域
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[0001]本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種欠驅動的自適應擬人機械手。
【背景技術】
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[0002]隨著機器人技術的發展，機械手逐漸被應用于生產生活的各個領域。在汽車制造領域，焊接、噴涂等工藝過程中已經大量使用機械手;在軍事領域，機械手被用于代替人類從事諸如拆彈、掃雷等危險性工作。另一方面，當今社會每年因為交通事故、自然災害等原因而導致的肢體殘疾人數逐年攀升，機械手也已經開始涉足助殘領域。在助殘領域中，機械手的研究重點之一是如何使其外形更加擬人化，使用更加方便、高效。隨著肢體殘疾人對助殘設備需求量的不斷增加，擬人化機械手在未來也將有非常廣闊的前景。
[0003]中國發明專利CN201510454504公開了一種形狀自適應的欠驅動機械手，它包括安裝殼、動力機構、傳動機構和兩個手指。但其存在以下不足:(I)該機械手指通過繞著一根中心軸轉動來實現抓取功能，在抓取不規則物體的時候，容易出現抓取不穩的情況；(2)該機械手外形設計較為粗糙，擬人化程度不高，限制了其應用。
[0004]中國發明專利CN20151064198公布了一種欠驅動擬人三指機械手，它具體由手掌、兩根手指和一根拇指組成。但其也存在以下不足:(I)該機械手使用力傳感器和角度傳感器組成的閉環反饋系統完成抓取動作，客觀上增加了系統的控制難度；(2)該機械手只有三個手指，且沒有完全模擬真人手指的外形。
[0005]中國發明專利CN20071004724公布了一種具有欠驅動自適應機構的擬人機械手，它是對加拿大多倫多大學TBM手的改進，包括手指結構的彈性桿機構和指間的差動機構。但其不足之處在于整個機械手沒有機械自鎖功能，抓取物體后只能依靠加大電機功率來維持原狀態。
【發明內容】
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[0006]本發明的目的在于針對現有欠驅動擬人機械手的不足，提供了一種欠驅動的自適應擬人機械手。
[0007]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案來實現的:
[0008]—種欠驅動的自適應擬人機械手，該機械手包括殼體模塊以及設置在殼體模塊內的四指模塊、大拇指模塊、傳動模塊和自鎖模塊;其中，
[0009]所述四指模塊包括食指、中指、無名指和小拇指共4個手指，每個手指的末端通過平鍵與傳動模塊相連，大拇指模塊與手掌直接相連，所述傳動模塊和自鎖模塊同時設置于手掌中，所述傳動模塊包括滑塊組、齒輪齒條機構和連桿機構，其中滑塊組在牽引繩拉力的作用下向后滑動，帶動兩邊的齒輪齒條機構嚙合運動，齒條帶動連桿機構旋轉，進而將驅動力傳遞到手指模塊，完成抓取動作，所述自鎖模塊中的棘爪機構在抓取后與棘板上的棘齒相互嚙合，從而保持抓取狀態。
[0010]本發明進一步的改進在于，所述四指模塊中各個手指的結構相似，其中，主軸連桿與第一指節第一連桿、第一扭簧相連，第一扭簧與第一指節第三連桿相連，第一指節第一連桿與第二小圓盤鉸接，第一指節第二連桿與大圓盤鉸接，第一指節第三連桿與第一小圓盤鉸接，第一指節第三連桿與大圓盤鉸接，大圓盤與第二小圓盤通過孔軸配合相連，第二小圓盤和第一小圓盤相連，第二扭簧與第二小圓盤連接，第二指節第一連桿與大圓盤連接，第二指節第三連桿與第一小圓盤相連，第二指節第二連桿與第一小圓盤連接，連接軸與第二指節第一連桿、第二指節第二連桿以及第二扭簧相連，第三指節連桿與第二指節第一連桿、第二連桿和第三連桿分別鉸接。
[0011]本發明進一步的改進在于，所述大拇指模塊中，套桿與彈性桿配合，彈性桿和大拇指牽引繩相連，第一壓縮彈簧位于套桿與彈性桿之間，第一主軸與大拇指第一連桿和大拇指第二連桿相連，固定連桿和第一圓盤及大拇指第一連桿相連，大拇指第三連桿與大拇指第二連桿相連，大拇指第四連桿和大拇指第五連桿、大拇指第三連桿鉸接，拇指第五連桿中部與大拇指第二連桿相連，下部與第二圓盤鉸接。
[0012]本發明進一步的改進在于，所述傳動模塊中，第一傳動軸和第二傳動軸與手指模塊的食指、中指、無名指、小拇指連接，傳動第一連桿和傳動第二連桿鉸接，齒輪組分別和第一齒條和第二齒條嚙合，第二壓縮彈簧套在第三主軸上，滑塊和第二齒條連接，第一牽引繩繞過滑輪組，并系在滑塊側面。
[0013]本發明進一步的改進在于，所述自鎖模塊包括第三扭簧、棘爪、棘齒、棘板和第二牽引繩，第三扭簧的一端連接棘爪，另一端連接傳動模塊中的滑塊、棘爪和第二牽引繩系在一起，同時棘爪和棘齒通過第三扭簧施加的預緊力而緊密接觸。
[0014]本發明進一步的改進在于，殼體模塊包括四指第一殼體、四指第二殼體、四指第三殼體、大拇指第一殼體、大拇指第二殼體、大拇指第三殼體、手掌殼體、蒙皮和手掌，其中，四指第一殼體、四指第二殼體、四指第三殼體分別與四指的各個指節連接，大拇指第一殼體、大拇指第二殼體分別與大拇指的兩個指節連接，大拇指第三殼體連接手掌和大拇指下端，手掌殼體外形與普通正常人手外形相似，并與手掌連接，蒙皮和手掌之間連接。
[0015]本發明進一步的改進在于，四指第一殼體、四指第二殼體、四指第三殼體分別與四指的各個指節通過銷釘連接，大拇指第一殼體、大拇指第二殼體分別與大拇指的兩個指節通過銷釘連接，手掌殼體與手掌通過銷釘連接，蒙皮和手掌之間通過螺釘連接。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0017]本發明針對現有欠驅動機械手的不足，提供了一種欠驅動的自適應擬人機械手。它的優點體現在以下幾個方面:
[0018]首先，該機械手中手指模塊巧妙地采用了扭簧和連桿機構相結合的方式，成功實現了欠驅動功能，機械手總體自由度數少，控制簡單，能實現對一定物體大小的自適應包絡和抓取，應用范圍較廣。
[0019]其次，該機械手中自鎖模塊運用了棘爪棘齒機構，能較好地實現物體抓取后的自鎖功能，防止因瞬時驅動力改變而使物體脫落的現象，并且解鎖方式簡單快捷、穩定可靠。
[0020]最后，該機械手包括大拇指、食指、中指、無名指、小拇指，每個手指與普通正常人手指大小類似，擬人化程度高，外形美觀。
【附圖說明】
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[0021]圖1為本發明所述欠驅動自適應擬人機械手隱去殼體的整體示意圖；
[0022]圖2為本發明所述欠驅動自適應擬人機械手的四指模塊隱去殼體的示意圖；
[0023]圖3為本發明所述欠驅動自適應擬人機械手的大拇指模塊隱去殼體的示意圖；
[0024]圖4為本發明所述欠驅動自適應擬人機械手的傳動模塊與自鎖模塊隱去殼體示意圖；
[0025]圖5為本發明所述欠驅動自適應擬人機械手的殼體模塊示意圖。
[0026]圖中:I為四指模塊，101為主軸連桿，102為第一扭簧，103為第一指節第一連桿，104為第一指節第二連桿，105為第一指節第三連桿，106為第一指節第四連桿，107為第一小圓盤，108為第二小圓盤，109為大圓盤，110為第二扭簧，111為連接軸，112為第二指節第一連桿，113為第二指節第二連桿，114為第二指節第三連桿，115為第三指節連桿；
[0027]2為大拇指模塊，201為套筒，202為第一壓縮彈簧，203為彈性桿，204為第一主軸，205為固定連桿，206為大拇指第一連桿，207為第一圓盤，208為大拇指第二連桿，209為大拇指第三連桿，210為大拇指第四連桿，211為大拇指第五連桿，212為第二圓盤，213為大拇指牽引繩；
[0028]3為傳動模塊，301為第一傳動軸，302為傳動第一連桿，303為第二傳動軸，304為傳動第二連桿，305為滑塊，306為齒輪組，307為第一齒條，308為第二齒條，309為第二壓縮彈簧，310為第三傳動軸，311為滑輪組，312為第一牽引繩；
[0029]4為自鎖模塊，401為第三扭簧，402為棘爪，403為棘齒，404為棘板，405為第二牽引繩；
[0030]5為殼體模塊，501為四指第一殼體，502為四指第二殼體，503為四指第三殼體，504為大拇指第一殼體，505為大拇指第二殼體，506大拇指第三殼體，507為手掌殼體，508為蒙皮，509為手掌。
【具體實施方式】
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[0031 ]下面結合附圖對本發明做詳細說明。
[0032]參見圖1，本發明所述的欠驅動自適應擬人機械手，包括四指模塊1、大拇指模塊2、傳動模塊3、自鎖模塊4、殼體模塊5共5個部分。
[0033]參見圖2，四指模塊I由食指、中指、無名指和小拇指四個部分組成，結構相同，以食指為例說明。第一扭簧102—條扭臂插入主軸連桿101側面，同時另一條扭臂插入第一指節第四連桿106，第一指節第一連桿103與主軸連桿101通過鉸鏈連接，第一指節第一連桿103通過鉸鏈和第二小圓盤108連接，第一指節第三連桿105與第一小圓盤107鉸鏈相連，與第一指節第三連桿105完全相同對稱布置的第一指節第二連桿104與大圓盤109鉸鏈連接。大圓盤109與第一小圓盤107通過異型孔軸配合(方孔)相連，第二小圓盤108和第一小圓盤107孔軸間隙配合相連，第二扭簧110的兩臂一端與第二小圓盤108連接，另一端與連接軸111相連，連接軸111的兩端分別與第二指節第一連桿112和第二連桿113相連，第二指節第二連桿113通過鉸鏈與第一小圓盤107連接，第二指節第一連桿112與大圓盤109鉸鏈連接。第三指節連桿115通過鉸鏈與第二指節第一連桿112和第二指節第二連桿113連接，再通過鉸鏈與第二指節第三連桿114連接。
[0034]手指的具體運動方式如下:主軸連桿101與傳動軸通過徑向螺釘緊固在一起，第一指節第二連桿104和第三連桿105與手掌之間孔軸間隙配合相連，其中主軸連桿101受到逆時針的力矩作用而發生轉動，力矩通過第一扭簧102傳遞到第一指節第四連桿106上，使其逆時針轉動，此時扭簧基本不壓縮，同時力矩還通過鉸鏈傳到與主軸連桿101相連的第一指節第一連桿103上使其也逆時針轉動，隨之帶動第二小圓盤108、第一小圓盤107和大圓盤109逆時針轉動。大圓盤109的轉動帶動與之相連的第一指節第二連桿104逆時針轉動，第一小圓盤107的轉動帶動第一指節第三連桿105逆時針轉動。至此，第一指節的所有零件將做同樣的逆時針轉動。當第一指節碰到物體，即第一指節第二連桿104、第一指節第三連桿105和第一指節第四連桿106停止運動。主軸連桿101繼續逆時針轉動(第一扭簧102產生壓縮)，帶動第一指節第一連桿103繼續逆時針轉動，進而帶動第二小圓盤108、第一小圓盤107和大圓盤109繞第一指節第三連桿105和第一小圓盤107的鉸接軸逆時針轉動。當第二指節碰到物體，即第二指節第三連桿114停止轉動。第二小圓盤108繼續逆時針轉動(第二扭簧110壓縮)，帶動第二指節第一連桿112和第二指節第二連桿113逆時針轉動，最終帶動第三指節連桿115逆時針轉動，直至接觸到物體，這就是手指的整個抓取的運動過程。釋放時彈簧壓縮積累的能量釋放，使手指恢復原狀。
[0035]參見圖3，圖4，大拇指模塊2中，套筒201固定在殼體模塊的手掌部分，第一壓縮彈簧202環繞在套筒201上，彈性桿203與套筒201孔軸配合，彈性桿203與大拇指牽引繩213相連，第一主軸204—端與彈性桿203相連，一端與大拇指第一連桿206和大拇指第二連桿208配合，第一圓盤207和第二圓盤212對稱布置，圓盤中心和圓盤下部都通過長銷連接。第一圓盤207通過邊緣孔與固定連桿205的上突出軸部分孔軸配合，大拇指第五連桿211的下端和連接兩個圓盤的長銷配合，上端與大拇指第四連桿210相連，大拇指第四連桿210與大拇指第三連桿209相連，大拇指第三連桿209與大拇指第二連桿208通過鉸鏈連接。
[0036]大拇指的運動方式:大拇指牽引繩213拉動彈性桿203帶動第一壓縮彈簧202豎直往下運動，與彈性桿201相連的第一主軸204也豎直往下運動，第一主軸204的運動導致大拇指第一連桿206和大拇指第二連桿208逆時針轉動。大拇指第五連桿211將繞配合的長銷逆時針轉動。大拇指第二連桿208的上半部分的拐角形狀使得大拇指第三連桿209受到逆時針力矩作用，帶動大拇指第四連桿210逆時針運動，至此，大拇指的兩個指節全部完成逆時針的運動，完成抓取動作。
[0037]如圖4，傳動模塊3中，第一傳動軸301與四指模塊I的第一指節第三連桿104和第四連桿105相連，第二傳動軸303與四指模塊的主軸連桿101孔軸配合并在主軸連桿101徑向用螺釘緊固。傳動第一連桿302和傳動第二連桿304鉸鏈連接。傳動第二連桿304端面緊貼殼體模塊5上，齒輪組306分別和第一齒條307和第二齒條308嚙合，第三傳動軸310與滑塊305孔軸配合，滑塊305的左端面與第二齒條308的上拐角端面緊密貼合，與其下拐角端面緊密貼合，確保第二齒條隨著滑塊運動。第二壓縮彈簧309套在第三傳動軸310上，隨著滑塊的運動而伸縮，第一牽引繩312繞過滑輪組311與滑塊305和大拇指模塊2相連作為動力源。
[0038]傳動模塊3的具體運動方式:第一牽引繩312提供動力，帶動滑塊305向右運動，滑塊向右運動導致第二壓縮彈簧309壓縮(彈簧積累能量)，同時引起第二齒條308向右運動，與第二齒條嚙合的滑輪組306全部順時針轉動，帶動嚙合的第一齒條307向左運動，推動傳動第二連桿304向左運動，帶動傳動第一連桿302逆時針擺動，將動力傳遞至第二傳動軸303，使其逆時針轉動。
[0039]如圖4，自鎖模塊4中，第三扭簧401的一端連接滑塊305，一端連接棘爪402，初始情況下提供預緊力，防止滑脫。棘爪402與棘齒403嚙合，棘爪402兩端與滑塊305孔軸配合相連，頂端同時和第二牽引繩405相連。當滑塊305向右運動時，帶動棘爪402向右運動，此時棘齒不妨礙棘爪的運動，當滑塊305運動停止后，由于第二壓縮彈簧309處于壓縮狀態，一旦滑塊出現反彈情況，棘爪402和棘齒403的嚙合使得棘爪卡在棘板上，運動終止，這就實現了自鎖功能，防止抓取過程松動。解鎖的時候只需要拉動連接在棘爪402上的第二牽引繩405使得棘爪向上抬高，在彈簧恢復力的作用下，就可以使滑塊305返回原位。
[0040]如圖5，殼體模塊(5)包括四指第一殼體501，第二殼體502，第三殼體503，大拇指第一殼體504，第二殼體505，第三殼體506，手掌殼體507，蒙皮508，手掌509。手指殼體的設計均依照原手指的指節結構大小設計，并且預留了適當的空隙防止干涉，配合方式為銷連接。手掌殼體設計是基于手掌的俯視圖和左視圖設計，保證互相匹配，蒙皮508與手掌采用螺釘連接，確保整體穩固。
[0041]本發明所提供的欠驅動自適應擬人機械手所占的空間體積為200(總長)X150(總寬)X 40(總高)，總重量Ikg，工作參數:可抓取的物體最大重力6kg。
[0042]本發明所提供的欠驅動自適應擬人機械手擁有抓取功能和抓取后狀態保持功能兩大功能。抓取功能由四指模塊I，大拇指模塊2，傳動模塊3，抓取后的狀態保持由自鎖模塊4實現。該機械手可以解決肢體殘疾人生活中抓取和放置日常用品不便等問題，使殘疾人生活能最大程度地自理。
【主權項】
1.一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，該機械手包括殼體模塊(5)以及設置在殼體模塊(5)內的四指模塊(1)、大拇指模塊(2)、傳動模塊(3)和自鎖模塊(4);其中， 所述四指模塊(I)包括食指、中指、無名指和小拇指共4個手指，每個手指的末端通過平鍵與傳動模塊(3)相連，大拇指模塊(2)與手掌直接相連，所述傳動模塊(3)和自鎖模塊(4)同時設置于手掌中，所述傳動模塊(3)包括滑塊組、齒輪齒條機構和連桿機構，其中滑塊組在牽引繩拉力的作用下向后滑動，帶動兩邊的齒輪齒條機構嚙合運動，齒條帶動連桿機構旋轉，進而將驅動力傳遞到手指模塊(I)，完成抓取動作，所述自鎖模塊(4)中的棘爪機構在抓取后與棘板上的棘齒相互嚙合，從而保持抓取狀態。2.根據權利要求1所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，所述四指模塊(I)中各個手指的結構相似，其中，主軸連桿(101)與第一指節第一連桿(103)、第一扭簧(102)相連，第一扭簧(102)與第一指節第三連桿(106)相連，第一指節第一連桿(103)與第二小圓盤(108)鉸接，第一指節第二連桿(104)與大圓盤(109)鉸接，第一指節第三連桿(105)與第一小圓盤(107)鉸接，第一指節第三連桿(106)與大圓盤(109)鉸接，大圓盤(109)與第二小圓盤(108)通過孔軸配合相連，第二小圓盤(108)和第一小圓盤(107)相連，第二扭簧(110)與第二小圓盤(108)連接，第二指節第一連桿(112)與大圓盤(109)連接，第二指節第三連桿(114)與第一小圓盤(107)相連，第二指節第二連桿(113)與第一小圓盤(107)連接，連接軸(111)與第二指節第一連桿(112)、第二指節第二連桿(113)以及第二扭簧(110)相連，第三指節連桿(115)與第二指節第一連桿(112)、第二連桿(113)和第三連桿(114)分別?父接O3.根據權利要求2所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，所述大拇指模塊(2)中，套桿(201)與彈性桿(203)配合，彈性桿(203)和大拇指牽引繩(213)相連，第一壓縮彈簧(202)位于套桿(201)與彈性桿(203)之間，第一主軸(204)與大拇指第一連桿(206)和大拇指第二連桿(208)相連，固定連桿(205)和第一圓盤(207)及大拇指第一連桿(206)相連，大拇指第三連桿(209)與大拇指第二連桿(208)相連，大拇指第四連桿(210)和大拇指第五連桿(211)、大拇指第三連桿(209)鉸接，拇指第五連桿(211)中部與大拇指第二連桿(208)相連，下部與第二圓盤(212)鉸接。4.根據權利要求1所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，所述傳動模塊(3)中，第一傳動軸(301)和第二傳動軸(303)與手指模塊的食指、中指、無名指、小拇指連接，傳動第一連桿(302)和傳動第二連桿(304)鉸接，齒輪組(306)分別和第一齒條(307)和第二齒條(308)嚙合，第二壓縮彈簧(309)套在第三主軸(310)上，滑塊(305)和第二齒條(308)連接，第一牽引繩(312)繞過滑輪組(311)，并系在滑塊(305)側面。5.根據權利要求4所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，所述自鎖模塊(4)包括第三扭簧(401)、棘爪(402)、棘齒(403)、棘板(404)和第二牽引繩(405)，第三扭簧(401)的一端連接棘爪(402),另一端連接傳動模塊(3)中的滑塊(305)、棘爪(402)和第二牽引繩(405)系在一起，同時棘爪(402)和棘齒(403)通過第三扭簧(401)施加的預緊力而緊密接觸。6.根據權利要求1所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，殼體模塊(5)包括四指第一殼體(501)、四指第二殼體(502)、四指第三殼體(503)、大拇指第一殼體(504)、大拇指第二殼體(505)、大拇指第三殼體(506)、手掌殼體(507)、蒙皮(508)和手掌(509)，其中，四指第一殼體(501)、四指第二殼體(502)、四指第三殼體(503)分別與四指的各個指節連接，大拇指第一殼體(504)、大拇指第二殼體(505)分別與大拇指的兩個指節連接，大拇指第三殼體(506)連接手掌和大拇指下端，手掌殼體外形與普通正常人手外形相似，并與手掌連接，蒙皮(508)和手掌(509)之間連接。7.根據權利要求6所述的一種欠驅動的自適應擬人機械手，其特征在于，四指第一殼體(501)、四指第二殼體(502)、四指第三殼體(503)分別與四指的各個指節通過銷釘連接，大拇指第一殼體(504)、大拇指第二殼體(505)分別與大拇指的兩個指節通過銷釘連接，手掌殼體與手掌通過銷釘連接，蒙皮(508)和手掌(509)之間通過螺釘連接。
【文檔編號】B25J17/02GK106003129SQ201610437503
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】金悅, 鄧榮, 田飛, 朱國威, 桂亮, 陳炎, 趙軒, 李子謙
【申請人】西安交通大學