專利名稱：一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械手，尤其涉及一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。
背景技術(shù)：
近幾十年來，關(guān)于機(jī)器人靈巧手的研究很多，也取得了不錯(cuò)的成果，機(jī)械手一般具有2到5個(gè)手指，每個(gè)手指有2到4個(gè)指節(jié)。機(jī)械手的形式主要有全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)數(shù)等于自由度數(shù)，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)數(shù)少于自由度數(shù)，目前欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的研究已經(jīng)占據(jù)了主流。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)元件主要有電機(jī)、液壓、氣動(dòng)、記憶合金等幾種方式，通過一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)機(jī)械手各個(gè)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)。作為機(jī)器人手臂的執(zhí)行部件，機(jī)械手主要用來抓取物體，具有體積小、靈巧性高、自由度多、控制復(fù)雜等特點(diǎn)。一方面， 希望設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有較多的自由度，驅(qū)動(dòng)器數(shù)相應(yīng)增加，另一方面，為了減輕機(jī)械手的體積、重量以及控制難度，又需要減少驅(qū)動(dòng)器數(shù)，這兩者之間存在著一定的矛盾，本發(fā)明就是在這種情況下設(shè)計(jì)的，具有驅(qū)動(dòng)器少、體積小、重量輕、控制簡單、加工簡單、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手， 具有自由度多、驅(qū)動(dòng)元件少、控制簡單、加工簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn)，為達(dá)到上述目的， 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，包括手掌、拇指、食指、中指、無名指、小指、導(dǎo)繩輪、驅(qū)動(dòng)腱，其特征在于所述食指、中指、無名指、小指通過軸與手掌鉸接，可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)手指由 3個(gè)指節(jié)構(gòu)成，拇指包括近拇指節(jié)、中拇指節(jié)、遠(yuǎn)拇指節(jié)，食指包括近食指節(jié)、中食指節(jié)、遠(yuǎn)食指節(jié)，中指包括近中指節(jié)、中中指節(jié)、遠(yuǎn)中指節(jié)，無名指包括近無名指節(jié)、中無名指節(jié)、遠(yuǎn)無名指節(jié)，小指包括近小指節(jié)、中小指節(jié)、遠(yuǎn)小指節(jié)，每個(gè)手指的各個(gè)指節(jié)之間通過一細(xì)長簧片連接，簧片通過螺釘固定。腱A與電機(jī)輸出軸相連，并穿過第1、第15導(dǎo)繩輪與第2導(dǎo)繩輪固接，腱C 一端與第2導(dǎo)繩輪固接，另一端繞過第7導(dǎo)繩輪并穿過大拇指各指節(jié)與遠(yuǎn)拇指節(jié)固接，腱B —端套在第2導(dǎo)繩輪上，被分成兩段，一段繞過第4、6、5導(dǎo)繩輪與第8導(dǎo)繩輪固接，另一段繞過第3、14導(dǎo)繩輪與第13導(dǎo)繩輪固接，腱D、E套在第7、13導(dǎo)繩輪上經(jīng)第9、 10、11、12導(dǎo)繩輪穿過各指節(jié)并與遠(yuǎn)指節(jié)固接，大拇指基座與手掌立柱固接。所述手掌內(nèi)部各導(dǎo)繩輪的布局是基于驅(qū)動(dòng)拇指的力要比較大，在不計(jì)較摩擦的情況下，腱C上的力等于電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，腱B上的力為驅(qū)動(dòng)力的一半，腱D、E上的力為腱B上的一半。所述第1、2、3、4、 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15導(dǎo)繩輪中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導(dǎo)繩輪連接。 所述手掌形狀為一個(gè)無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽以便第8、13、2導(dǎo)繩輪，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節(jié)長度相仿，在其間滑動(dòng)改變行程從而帶動(dòng)各個(gè)指節(jié)運(yùn)動(dòng)。所述腱D、E不通過各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心，腱D、E的張力對各關(guān)節(jié)產(chǎn)生力矩，驅(qū)動(dòng)各指節(jié)向安裝有腱D、E的一側(cè)彎曲。所述簧片為一細(xì)長薄片，所述腱A、B、C、D、E為鋼絲或繩索。所述簧片是在每個(gè)指節(jié)上放置一個(gè)墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、 增加強(qiáng)度。所述第8、13、2導(dǎo)繩輪能夠在各自滑槽內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的端部小孔并最終與遠(yuǎn)指節(jié)固接。所述各個(gè)指節(jié)和手掌均為鋁合金或注塑成品。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步本發(fā)明與現(xiàn)有機(jī)械手相比不需要在指節(jié)關(guān)節(jié)處加扭簧。該欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單、 驅(qū)動(dòng)數(shù)較少、自由度較多、重量輕、體積小、操作簡單、加工簡單、自適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的軸視圖； 圖2為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的主剖圖3為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手中指主視圖； 圖4為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手大拇指主視圖； 圖5為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手大拇指側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及工作原理。實(shí)施例一參見圖1-5，本多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，包括手掌(37)、拇指(44)、食指 (45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)、導(dǎo)繩輪(2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32， 34，36)、驅(qū)動(dòng)腱(1，6，8，11，四)，其特征在于所述食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指 (48)通過軸(16)與手掌(37)鉸接，可繞軸(16)轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)手指由3個(gè)指節(jié)構(gòu)成，拇指(44) 包括近拇指節(jié)(39)、中拇指節(jié)(40)、遠(yuǎn)拇指節(jié)(41)，食指(45)包括近食指節(jié)(15)、中食指節(jié)(18)、遠(yuǎn)食指節(jié)(21)，中指(46)包括近中指節(jié)(19)、中中指節(jié)(20)、遠(yuǎn)中指節(jié)(22)，無名指(47)包括近無名指節(jié)(26)、中無名指節(jié)(25)、遠(yuǎn)無名指節(jié)(23)，小指(48)包括近小指節(jié) ( )、中小指節(jié)(27)、遠(yuǎn)小指節(jié)(24)，每個(gè)手指的各個(gè)指節(jié)之間通過一細(xì)長簧片連接，簧片通過螺釘固定。腱A (1)與電機(jī)輸出軸相連，并穿過第1、第15導(dǎo)繩輪(2，36)與第2導(dǎo)繩輪(3)固接，腱C (8) —端與第2導(dǎo)繩輪(3)固接，另一端繞過第7導(dǎo)繩輪(10)并穿過大拇指各指節(jié)與遠(yuǎn)拇指節(jié)(41)固接，腱B (6) 一端套在第2導(dǎo)繩輪(3)上，被分成兩段，一段繞過第4、6、5導(dǎo)繩輪(5，9，7)與第8導(dǎo)繩輪(11)固接，另一段繞過第3、14導(dǎo)繩輪(4，34)與第13導(dǎo)繩輪(32)固接，腱D、E (11,29)套在第7、13導(dǎo)繩輪(11，32)上經(jīng)第9、10、11、12 導(dǎo)繩輪(12，14，30,31)穿過各指節(jié)并與遠(yuǎn)指節(jié)固接，大拇指基座與手掌立柱(38)固接。實(shí)施例二 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下
所述手掌內(nèi)部各導(dǎo)繩輪的布局是基于驅(qū)動(dòng)拇指的力要比較大，在不計(jì)較摩擦的情況下，腱C (8)上的力等于電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，腱B (6)上的力為驅(qū)動(dòng)力的一半，腱D、E (11，29)上的力為腱 B (6)上的一半。所述第 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 導(dǎo)繩輪(2,3, 4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導(dǎo)繩輪連接。所述手掌(37)形狀為一個(gè)無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽(13，33，36)以便第8、 13、2導(dǎo)繩輪(11，32，3)，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節(jié)長度相仿，在其間滑動(dòng)改變行程從而帶動(dòng)各個(gè)指節(jié)運(yùn)動(dòng)。所述腱D、E (11、29)不通過各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心，腱D、E (11、29)的張力對各關(guān)節(jié)產(chǎn)生力矩，驅(qū)動(dòng)各指節(jié)向安裝有腱D、E (11、29)的一側(cè)彎曲。所述簧片 (43，44)為一細(xì)長薄片，所述腱A、B、C、D、E (1，6，8，17，29)為鋼絲或繩索。所述簧片是在每個(gè)指節(jié)上放置一個(gè)墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、增加強(qiáng)度。所述第8、13、2導(dǎo)繩輪(11，32，3)能夠在各自滑槽內(nèi)移動(dòng)，其他導(dǎo)繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的端部小孔并最終與遠(yuǎn)指節(jié)固接。 所述各個(gè)指節(jié)(15，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，39，40，41)和手掌(37)均為鋁合金或注塑成品。 本實(shí)施例的工作原理，如圖2所示，敘述如下
初始位置如圖(1)所示，此時(shí)食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)的各個(gè)指節(jié)呈一直線，相當(dāng)于人的手指的伸直狀態(tài)。當(dāng)使用該實(shí)施例的機(jī)械手抓取物體時(shí)，電機(jī)(未畫出)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)腱A (1)，驅(qū)動(dòng)腱A (1)帶動(dòng)第2導(dǎo)繩輪(3)在滑槽(35)移動(dòng)，第2導(dǎo)繩輪(3)帶動(dòng)腱C、B (8，6)，腱C (8)由于一端固定在第2導(dǎo)繩輪(3)上，另一端固定在遠(yuǎn)指節(jié) (41)上，將驅(qū)動(dòng)大拇指的各個(gè)指節(jié)(39、40、41)彎曲，腱B (6)帶動(dòng)第8、13導(dǎo)繩輪(12，32) 在滑槽(13，33)移動(dòng)并將力差分給食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)，由于驅(qū)動(dòng)腱D、E (11，29)的一端與第8、13導(dǎo)繩輪(12，32)直接相連，另一端與各手指遠(yuǎn)指節(jié)固接， 當(dāng)驅(qū)動(dòng)腱D、E (11，29)在拉力作用下，將克服簧片的作用力，帶動(dòng)各個(gè)指節(jié)繞著相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)手指近指節(jié)與被抓物體接觸時(shí)，近指節(jié)將不再轉(zhuǎn)動(dòng)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)將在驅(qū)動(dòng)腱的拉力作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)中指節(jié)與物體接觸時(shí)，中指節(jié)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)指節(jié)將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到所有指節(jié)都與物體接觸時(shí)，對物體形成一個(gè)包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對物體的自適應(yīng)抓取。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，各驅(qū)動(dòng)腱松弛，各個(gè)指節(jié)在簧片的作用力下回到伸直狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，包括手掌(37)、拇指(44)、食指(45)、中指(46)、 無名指(47)、小指(48)、導(dǎo)繩輪(2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)、驅(qū)動(dòng)腱 (1,6,8, 11，四)，其特征在于所述食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)通過軸 (16)與手掌(37)鉸接，可繞軸(16)轉(zhuǎn)動(dòng)；每個(gè)手指由3個(gè)指節(jié)構(gòu)成，拇指(44)包括近拇指節(jié)(39)、中拇指節(jié)(40)、遠(yuǎn)拇指節(jié) (41)，食指(45)包括近食指節(jié)(15)、中食指節(jié)(18)、遠(yuǎn)食指節(jié)(21)，中指(46)包括近中指節(jié) (19)、中中指節(jié)(20)、遠(yuǎn)中指節(jié)(22)，無名指(47)包括近無名指節(jié)(26)、中無名指節(jié)(25)、 遠(yuǎn)無名指節(jié)(23)，小指(48)包括近小指節(jié)(28)、中小指節(jié)(27)、遠(yuǎn)小指節(jié)(24)，每個(gè)手指的各個(gè)指節(jié)之間通過一細(xì)長簧片連接，簧片通過螺釘固定；腱A (1)與電機(jī)輸出軸相連，并穿過第1、第15導(dǎo)繩輪(2，36)與第2導(dǎo)繩輪(3)固接， 腱C (8) 一端與第2導(dǎo)繩輪(3)固接，另一端繞過第7導(dǎo)繩輪(10)并穿過大拇指各指節(jié)與遠(yuǎn)拇指節(jié)(41)固接，腱B (6) 一端套在第2導(dǎo)繩輪(3)上，被分成兩段，一段繞過第4、6、 5導(dǎo)繩輪(5，9，7)與第8導(dǎo)繩輪(11)固接，另一段繞過第3、14導(dǎo)繩輪(4，34)與第13導(dǎo)繩輪(32)固接，腱D、E (11,29)套在第7、13導(dǎo)繩輪(11，32)上經(jīng)第9、10、11、12導(dǎo)繩輪 (12，14，30,31)穿過各指節(jié)并與遠(yuǎn)指節(jié)固接，大拇指基座與手掌立柱(38)固接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述手掌內(nèi)部各導(dǎo)繩輪的布局是基于驅(qū)動(dòng)拇指的力要比較大，在不計(jì)較摩擦的情況下，腱C (8)上的力等于電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，腱B (6)上的力為驅(qū)動(dòng)力的一半，腱D、E (11，29)上的力為腱B (6)上的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述第1、2、3、4、5、6、 7、8、9、10、11、12、13、14、15 導(dǎo)繩輪(2,3,4,5,7,9,10，11，12，14，30，31，32，34，36)中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導(dǎo)繩輪連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述手掌(37)形狀為一個(gè)無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽(13，33，36)以便第8、13、2導(dǎo)繩輪(11，32，3)，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節(jié)長度相仿，在其間滑動(dòng)改變行程從而帶動(dòng)各個(gè)指節(jié)運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述腱D、E(11,29) 不通過各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心，腱D、E (11、29)的張力對各關(guān)節(jié)產(chǎn)生力矩，驅(qū)動(dòng)各指節(jié)向安裝有腱D、E (11、29)的一側(cè)彎曲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述簧片(43，44)為一細(xì)長薄片，所述腱A、B、C、D、E (1，6，8，17，29)為鋼絲或繩索。
7.據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于各個(gè)簧片是在每個(gè)指節(jié)上放置一個(gè)墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、增加強(qiáng)度。
8.據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于除第8、13、2導(dǎo)繩輪 (11，32，3)能夠在各自滑槽內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的端部小孔并最終與遠(yuǎn)指節(jié)固接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，其特征在于所述各個(gè)指節(jié)(15，18， 19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，39，40，41)和手掌(37)均為鋁合金或注塑成品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，它包括手掌、拇指、中指、食指、無名指、小指、導(dǎo)繩輪、簧片、驅(qū)動(dòng)腱等。拇指、食指、中指、無名指、小指等都包括3個(gè)指節(jié)，各個(gè)指節(jié)通過簧片連接，簧片通過螺釘與墊塊一起固定在各個(gè)指節(jié)的背面。各指節(jié)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過腱及導(dǎo)繩輪帶動(dòng)各指節(jié)彎曲。該發(fā)明具有高度擬人化、自適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)元件少、自由度多、控制容易、加工簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B25J15/10GK102528815SQ201210001610
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者何小林, 何斌, 呂海峰, 宋偉, 徐新虎, 曹進(jìn)濤, 王延剛 申請人:上海大學(xué)