机器人灵巧手机构

1.一种机器人灵巧手机构，其特征是，由一个拟人手掌(5)、四个手指和机械接口(6)构成，四个手指分别是食指(1)、中指(2)、无名指(3)和拇指(4)，布局上拇指(4)与其他三指相对；食指(1)、中指(2)、无名指(3)每个手指各具有四个关节，前两个关节各自运动耦合，每个手指有三个自由度，拇指具有三个关节三个自由度；拟人手掌(5)上设有安装槽，食指(1)、中指(2)、无名指(3)分别固定安装在安装槽(7)、安装槽(8)、安装槽(9)内，三指间距为5mm，避免三指发生运动干涉，拇指(4)的旋转电机安装在安装槽(10)内，手掌(5)上设有供电缆引出的走线孔(11)，电缆束线从拟人手掌(5)的根部引出；同时，手掌(5)内还设有强度加强筋板(12)，供拇指自转轴(56)支撑的轴架(13)；机械接口(6)用于连接手掌和机器人；驱动和控制系统由直流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成，测量系统由光电编码器、电位计、力传感器构成。
2.根据权利要求1所述的机器人灵巧手机构，其特征是：食指(1)、中指(2)、无名指(3)结构相同，分别具有四个指节和四个关节，四个指节为上指节(14)、中指节(15)、下指节(16)和掌骨节(17)，掌骨节(17)安装在拟人手掌(5)上，内含两个电机(40、42)；四个关节为关节I(101)、关节II(102)、关节III(103)和关节IV(104)，四个关节中的前两个关节，即关节I(101)和关节II(102)利用钢丝绳传动运动耦合，关节I(101)、关节II(102)和关节III(103)为屈曲运动，关节轴线相互平行，关节IV(104)为侧摆运动，关节III(103)和关节IV(104)轴线垂直相交，关节III(103)和关节VI(104)运动耦合，抓握操作时可以解耦，每个手指有三个自由度，上指节和中指节屈曲耦合一个自由度、下指节屈曲和侧摆两个自由度。
3.根据权利要求2所述的机器人，其特征是：上指节(14)由指尖帽(18)、指节体(19)、屈曲轴(20)及滚轮(21)构成，指尖帽(18)内侧开有盲孔，指节体(19)中间开有阶梯孔，指尖帽(18)与指节体(19)以螺纹连接，指节体(19)、屈曲轴(20)及滚轮(21)相互固连。
4.根据权利要求2所述的机器人，其特征是：中指节(15)由指节体(22)、活动耳片(23、26)、屈曲轴(27)、滚轮(24)、锥齿轮(25、28)构成，活动耳片(23)安装于指节体(22)上，与指节体(22)共同支撑屈曲轴(27)且与屈曲轴(27)、锥齿轮(28)相互固连，活动耳片(26)安装于指节体(22)上，并通过一对轴承滚动与指节体(22)共同支撑屈曲轴(20)，滚轮(24)与锥齿轮(25)固连，滚动轴承安装于屈曲轴(27)上。
5.根据权利要求2所述的机器人，其特征是：下指节(16)由指节体(35)、活动耳片(30、34)、电机(29)、电机齿轮(32)、电位器(31、33)构成，活动耳片(34)安装于指节体(35)上并通过一对轴承滚动，与指节体(35)共同支撑屈曲轴(27)，活动耳片(30)安装于指节体(35)上与指节体(35)共同支撑屈曲轴(37)，且与屈曲轴(37)、锥齿轮(45)相固连；电机(29)置于下指节(16)内，电机齿轮(32)同时驱动屈曲轴(27)上的锥齿轮(25)和锥齿轮(28)，锥齿轮(28)带动中指节(15)转动，锥齿轮(25)带动滚轮(24)，经钢丝绳传动于滚轮(21)并带动上指节(14)实现耦合运动。
6.根据权利要求2所述的机器人，其特征是：掌骨节(17)采用两自由度关节机构，同时具有屈曲和侧摆两个自由度，该机构由一个交叉轴、五个锥齿轮、两个驱动电机和指节体(39)构成，电机(40、42)安置于指节体(39)中，电机(40)通过电机齿轮(44)、驱动齿轮(43)、齿轮(45)与下指节(16)固连，齿轮(43)带动齿轮(45)和下指节(16)实现绕屈曲轴(37)的运动；电机(42)通过电机齿轮(47)、驱动齿轮(46)、齿轮(46)固连于侧摆轴(36)上，并带动下指节(16)实现绕侧摆轴(36)的运动。
7.根据权利要求2所述的机器人，其特征是：中指节(15)上的滚轮(24)、传动齿轮(25)连接成一体，以滚动轴承活套于屈曲轴(27)上，上、中指节通过滚轮(21)、滚轮(24)以钢丝绳相连接；屈曲轴(27)、锥齿轮(28)与中指节(15)相固连，中指节(15)与下指节(16)通过屈曲轴(27)相连接，屈曲轴(27)以轴承与下指节(16)和耳片(34)连接；下指节(16)通过屈曲轴(37)与掌骨节(17)相连接，屈曲轴(37)以轴承与下指节(16)和耳片(30)连接，屈曲轴(37)通过交叉轴与掌骨节(17)相连接。
8.根据权利要求1所述的机器人，其特征是：拇指(4)具有两个指节三个关节，两指节为下指节和上指节，三个关节为一个自转关节和两个屈曲关节，三个关节对应于三个自由度，下指节分别绕自转轴(56)和屈曲轴(61)运动，上指节绕屈曲轴(57)运动，拇指(4)以T形轴与手掌(5)连接，T形轴的两个垂直交叉轴为自转轴(56)和屈曲轴(61)，自转轴(56)垂直于手掌(5)，由一个卧放于手掌(5)中的电机单元通过一对锥齿轮驱动；屈曲轴由一个放于下指节中的电机(59)通过一对锥齿轮驱动；中指节驱动由下指节中另一电机(53)实现，拇指交叉轴交点与其余三指交叉轴交点共面，拇指通过转动可以实现与其余三指的对捏和抓握，拇指关节I(105)为自转运动，拇指关节II(106)和拇指关节III(107)为屈曲运动，拇指关节I(105)和拇指关节II(106)轴线垂直相交，拇指关节II(106)和拇指关节III(107)轴线平行。

机器人灵巧手机构\n技术领域\n本发明涉及一种机器人灵巧手，具体地说是指一种具有四指十二自由度的机器人灵巧手的机械结构。\n背景技术\n人类研究手及手功能开始于医学外科领域的残疾人义肢研制和伤残程度评定。随着现代科技的发展，各种类型的夹持器、机械手不断涌现。十九世纪六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni开发了第一只机械手，它有五个手指和五个自由度。七十年代末产生了多种通用夹持器的设计方案。八十年代，Salisbury，Jacobsen等人提出通用夹持器的设计应模拟人手的研究思想，并研制出样机，该类夹持器采用多指、多关节、多自由度结构，称为灵巧手。进入二十世纪，又有几种灵巧手问世，设计思想也有了新的发展，特别是在自由度个数的取值及自由度分布方面提出新思考。目前为止，较为著名的灵巧手有：Okada手、Belgrade/USC手、Stanford/JPL手、UTAH/MIT手、Barret手、U.B.手、NASA手、DLR手和Gifu手等。\n十九世纪八十年代末，北京航空航天大学机器人所开展了对灵巧手课题的研究，到2000年为止，分别完成了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4各型手的研制。\n发明内容\n本发明的目的是：以机器手代替人类手，在无法亲临环境或危险环境下进行工作，同时，为大学和科研院所提供研究运动控制的教学仪器。\n本发明的一种机器人灵巧手机构，由一个拟人手掌、四个手指和机械接口构成，四个手指分别是食指、中指、无名指和拇指，布局上拇指与其他三指相对。食指、中指、无名指每个手指各具有四个关节，前两个关节各自运动耦合，每个手指有三个自由度，拇指具有三个关节三个自由度。拟人手掌上设有安装槽，食指、中指、无名指分别固定安装在安装槽内，三指间距为5mm，避免三指发生运动干涉，拇指的旋转电机安装在安装槽内，手掌上设有供电缆引出的走线孔，电缆束线从拟人手掌的根部引出，同时，手掌内还设有强度加强筋板，供拇指自转轴支撑的轴架。机械接口用于连接手掌和机器人。驱动和控制系统由直流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成，测量系统由光电编码器、电位计、力传感器构成。\n所述灵巧手机构的食指、中指、无名指结构相同，分别具有四个指节和四个关节，四个指节为上指节、中指节、下指节和掌骨节，掌骨节安装在拟人手掌上，内含两个电机。四个关节为关节I、关节II、关节III和关节IV，四个关节中的前两个关节，即关节I、关节II利用钢丝绳传动运动耦合，关节I、关节II和关节III为屈曲运动，关节轴线相互平行，关节IV为侧摆运动，关节III和关节IV轴线垂直相交，关节III和关节VI运动耦合，抓握操作时可以解耦，每个手指有三个自由度，上指节和中指节屈曲耦合一个自由度、下指节屈曲和侧摆两个自由度。\n所述灵巧手机构的上指节由指尖帽、指节体、屈曲轴及滚轮构成，指尖帽内侧开有盲孔，指节体中间开有阶梯孔，指尖帽与指节体以螺纹连接，指节体、屈曲轴及滚轮相互固连。\n所述灵巧手机构的中指节由指节体、两个活动耳片、屈曲轴、滚轮、两个锥齿轮构成，一活动耳片安装于指节体上，与指节体共同支撑屈曲轴且与屈曲轴、锥齿轮相互固连，另一活动耳片安装于指节体上，并通过一对轴承滚动与指节体共同支撑屈曲轴，滚轮与锥齿轮固连，滚动轴承安装于屈曲轴上。\n所述灵巧手机构的下指节由指节体、两个活动耳片、电机、电机齿轮、两个电位器构成，一活动耳片安装于指节体上并通过一对轴承滚动，与指节体共同支撑屈曲轴，另一活动耳片安装于指节体上与指节体共同支撑屈曲轴，且与屈曲轴、锥齿轮相固连。电机置于下指节内，电机齿轮同时驱动屈曲轴上的两个锥齿轮，一锥齿轮带动中指节转动，另一锥齿轮带动滚轮，经钢丝绳传动于滚轮并带动上指节实现耦合运动。\n所述灵巧手机构的掌骨节采用两自由度关节机构，同时具有屈曲和侧摆两个自由度，该机构由一个交叉轴、五个锥齿轮、两个驱动电机和指节体构成，两个电机安置于指节体中，一电机通过电机齿轮、驱动齿轮、齿轮与下指节固连，齿轮带动齿轮和下指节实现绕屈曲轴的运动；另一电机通过电机齿轮、驱动齿轮、齿轮固连于侧摆轴上，并带动下指节实现绕侧摆轴的运动。\n所述灵巧手机构的中指节上的滚轮、传动齿轮连接成一体，以滚动轴承活套于屈曲轴上，上、中指节通过滚轮、滚轮以钢丝绳相连接；屈曲轴、锥齿轮与中指节相固连，中指节与下指节通过屈曲轴相连接，屈曲轴以轴承与下指节和耳片连接；下指节通过屈曲轴与掌骨节相连接，屈曲轴以轴承与下指节和耳片连接，屈曲轴通过交叉轴与掌骨节相连接。\n所述灵巧手机构的拇指具有两个指节三个关节，两指节为下指节和上指节，三个关节为一个自转关节和两个屈曲关节，三个关节对应于三个自由度，下指节分别绕自转轴和一个屈曲轴运动，上指节绕另一个屈曲轴运动，拇指以T形轴与手掌连接，T形轴的两个垂直交叉轴为自转轴和屈曲轴，自转轴垂直于手掌，由一个卧放于手掌中的电机单元通过一对锥齿轮驱动；屈曲轴由一个放于下指节中的电机通过一对锥齿轮驱动；中指节驱动由下指节中另一电机实现，拇指交叉轴交点与其余三指交叉轴交点共面，拇指通过转动可以实现与其余三指的对捏和抓握，拇指关节I为自转运动，拇指关节II和拇指关节III为屈曲运动，拇指关节I和拇指关节II轴线垂直相交，拇指关节II和拇指关节III轴线平行。\n本发明的优点是：结构紧凑，操作灵活，加工、装配及维护简便，成本较低。\n附图说明\n图1是本发明的整体结构示意图。\n图2是本发明的手掌结构示意图。\n图3(a、b)是本发明的食指、中指、无名指结构示意图。\n图4是本发明的上指节结构示意图。\n图5是图4的侧视图。\n图6是本发明的中指节结构示意图。\n图7是图6的侧视图。\n图8是本发明的下指节结构示意图。\n图9是图8的的侧视图。\n图10是本发明的掌骨节结构示意图。\n图11是图10的A-A视图。\n12(a、b)是本发明的拇指结构示意图。\n图中：1.食指    2.中指    3.无名指    4.拇指    5.拟人手掌6.机械接口    7.安装槽    8.安装槽    9.安装槽    10.安装槽11.走线孔    12.筋板    13.轴架    14.上指节    15.中指节    16.下指节    17.掌骨节    18.指尖帽    19.指节体    20.屈曲轴    21.滚轮22.指节体    23.活动耳片    24.滚轮    25.锥齿轮    26.活动耳片27.屈曲轴    28.锥齿轮    29.电机    30.活动耳片    31.电位器32.电机齿轮    33.电位器    34.活动耳片    35.指节体    36.侧摆轴37.屈曲轴    38.活动耳片    39.指节体    40.电机    41.安装板42.电机    43.齿轮    44.齿轮    45.齿轮    46.齿轮    47.齿轮48.电位器    49.指尖帽    50.指节体    51.齿轮    52.齿轮    53.电机54.指节体    55.齿轮    56.自转轴    57.屈曲轴    58.活动耳片59.电机    60.齿轮    61.屈曲轴    62.齿轮    63.电机    101.关节I102.关节II   103.关节III   104.关节IV  105.拇指关节I106.拇指关节II    107.拇指关节III具体实施方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。\n本发明的机器人灵巧手机构由一个拟人手掌5、四个手指和机械接口6构成，四个手指分别是食指1、中指2、无名指3和拇指4，布局上拇指4与其他三指相对，食指1、中指2、无名指3每个手指各具有四个关节，前两个关节各自运动耦合，每个手指有三个自由度，拇指有三个关节三个自由度，机械接口6用于连接手掌5和机器人(请参见图1所示)。驱动和控制系统由直流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成，测量系统由光电编码器、电位计、力传感器构成。\n如图2所示，手掌5上设有供手指固定的安装槽，食指1、中指2、无名指3分别固定安装在安装槽7、安装槽8、安装槽9内，三指间距为5mm，为避免三指发生运动干涉，拇指4的旋转电机53安装在安装槽10内，手掌5上设有供电缆引出的走线孔11，电缆束线从手掌5的根部引出。同时，手掌5内还设有强度加强筋板12，供拇指4上的自转轴56支撑的轴架13。\n如图3所示，食指1、中指2、无名指3三指的结构相同，分别具有四个指节和四个关节。四个指节是指上指节14、中指节15、下指节16和掌骨节17，掌骨节17安装在拟人手掌5中，内含两个电机40和42。四个关节是指关节I、关节II、关节III和关节IV，四个关节中的前两个关节，即关节I、关节II利用钢丝绳传动运动耦合。中指节15上的滚轮24、传动齿轮25连接成一体，以滚动轴承活套在屈曲轴27上，上、中指节通过滚轮21、滚轮24以钢丝绳相连接。屈曲轴27、锥齿轮28与中指节15相固连，中指节15与下指节16通过屈曲轴27相连接，屈曲轴27以轴承与下指节16和耳片34连接。下指节16通过屈曲轴37与掌骨节17相连接，屈曲轴37以轴承与下指节16和耳片30连接，屈曲轴37通过交叉轴与掌骨节17相连接。利用钢丝绳传动即上、中指节通过滚轮21、滚轮24以钢丝绳相连接，屈曲轴27、锥齿轮28与中指节相固连，电机29置于下指节内，电机齿轮32同时驱动屈曲轴27上的锥齿轮25和锥齿轮28，锥齿轮28带动中指节转动，锥齿轮25带动滚轮24，经钢丝绳传动于滚轮21，带动上指节实现耦合运动。关节I、关节II和关节III为屈曲运动，关节轴线相互平行，关节IV为侧摆运动，关节III和关节IV轴线垂直相交。关节III和关节VI运动耦合，抓握操作时可以解耦。每个手指有三个自由度，上指节和中指节屈曲耦合一个自由度，下指节屈曲和侧摆两个自由度。各关节转角范围见表1。\n表1  指关节运动范围\n如图4、图5所示，上指节14由指尖帽18、指节体19、屈曲轴20及滚轮21构成。指尖帽18内侧开有盲孔，指节体19中间开有阶梯孔。指尖帽18与指节体19以螺纹连接，指节体19、屈曲轴20及滚轮21相互固连。\n如图6、图7所示，中指节15由指节体22、活动耳片23、活动耳片26、屈曲轴27、滚轮24、锥齿轮25、锥齿轮28构成。活动耳片23安装于指节体上，与指节体22共同支撑屈曲轴27，且与屈曲轴27、锥齿轮28相固连。活动耳片26安装于指节体上，并通过一对轴承滚动，与指节体22共同支撑屈曲轴20。滚轮24与锥齿轮25固连，以滚动轴承安装于屈曲轴27上。\n如图8、图9所示，下指节16由指节体35、活动耳片30、34、电机29、电机齿轮32、电位器31、33构成。活动耳片34安装于指节体上，并通过一对轴承滚动，与指节体35共同支撑屈曲轴27，活动耳片30安装于指节体35上，与指节体35共同支撑屈曲轴37，且与屈曲轴37、锥齿轮45相固连。\n如图10、11所示，为使下指节16同时具有屈曲和侧摆两个自由度，采用两自由度关节机构，该机构由一个交叉轴、五个锥齿轮、两个驱动电机和指节体39构成。电机40、42安置于指节体39中，电机40通过电机齿轮44，驱动齿轮43，齿轮45与下指节16固连，齿轮43带动齿轮45和下指节16实现绕屈曲轴37的运动，电机42通过电机齿轮47，驱动齿轮46，齿轮46固连于侧摆轴36，带动下指节16实现绕侧摆轴36的运动。\n如图12所示，拇指4具有两个指节三个关节，两指节为下指节和上指节，三个关节为一个自转关节和两个屈曲关节，三个关节对应于三个自由度，下指节分别绕自转轴56和屈曲轴61运动，上指节绕另一个屈曲轴运动。拇指4以T形轴与手掌5连接，T形轴的两个垂直交叉轴为自转轴56和屈曲轴61。自转轴56垂直于手掌5，由一个卧放于手掌5中的电机单元通过一对锥齿轮驱动；屈曲轴由一个放于下指节16中的电机59通过一对锥齿轮驱动；中指节15驱动由下指节16中另一电机53实现。拇指4交叉轴交点与其余三指交叉轴交点共面。拇指4通过转动可以实现与其余三指的对捏和抓握。拇指关节I为自转运动，拇指关节II和拇指关节III为屈曲运动，拇指关节I和拇指关节II轴线垂直相交，拇指关节II和拇指关节III轴线平行。各关节转角范围件附表1。\n手指各关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。电机、减速器和码盘的参数见附表2。\n机器人灵巧手作为研究运动控制的平台，机械结构上应具有多指、多关节、多自由度的结构特征；代替人类手在无法亲临环境或危险环境下进行工作，要求灵巧手具有较高的工作灵活性和适应性，并能被很好地控制。\n机器人灵巧手按手指相对于手掌的分布，可分为拟人手和非拟人手。拟人手的手指和手掌布局与人手相似，非拟人手手掌布局与人手则有较大差别。本发明的机器人灵巧手机构是拟人手，由一个拟人掌、四个手指和机械接口构成，四个手指分别是食指、中指、无名指和拇指，布局上拇指与其他三指相对。考虑到加工装配的便利性，食指、中指、无名指采用同一摸块化设计，拇指结构及运动方式与另外三指差异较大，因而单独设计。食指、中指、无名指每个手指各具有四个关节，前两个关节各自运动耦合，每个手指三个自由度。拇指具有三个关节三个自由度。\n根据解剖学知识，人类手拇指与其余四指在结构及运动方式上具有较大差异，拇指有三个指节，至少有4个自由度。下指节包于掌中，具有屈曲和绕自身轴线转动两个自由度；中指节有一个屈曲自由度；上指节有一个屈曲自由度。结合设计要求和实际操作需要，对拇指的结构和运动自由度加以取舍：保留下指节屈曲和绕自身轴线转动两个自由度，保留中指节屈曲自由度，取消上指节。这样，构思出的拇指具有两个指节三个自由度。\n驱动和控制系统由直流伺服电机、驱动器、光电编码器、控制卡和计算机及控制软件组成。测量系统由光电编码器、电位计、力传感器构成。光电编码器由瑞士Maxon公司与伺服电机相配套提供；六维力传感器由燕山大学根据使用要求研制；电位计选择美国Bourns公司10k电位计。光码盘测量电机轴相对转角；电位计测量关节轴绝对转角；力传感器测量指端力和力矩。\n表2  电机单元选型