[发明专利]一种仿人机械灵巧手装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿人机械灵巧手装置。 

背景技术

在我们不断开拓自己活动空间的现状下，出现了一些我们自身无法进入的危险的、未知的场合，比如机器人宇航员、核设备检修、排爆等应用场合。机器人末端操作器的活动能力和作业水平对机器人工作任务的完成具有十分重要的意义。 

传统的机器人末端操作器由于其面向特定的形状的被操作物体的，大部分只有很少的关节和自由度，这样就限制了其应用范围。它们存在通用性差和不满足力封闭，因此难于达到对不同形状物体的抓取精度、稳定性和可靠性。面向更广泛的应用，多手指、多关节、具有一定感知功能的现代意义的仿人灵巧手应运而生。现代意义的仿人机械手是以仿人手、多自由度、多感知、智能化等为标志的。目前为止，研究成果较好的灵巧手有：多伦多大学TBM手、德国Fluidic手、英国i-Limb手、意大利SmartHand手、哈尔滨工业大学HIT/DLR手等等。 

目前，一种仿人机械灵巧手装置的研究主要集中在以下几方面。第一是手指结构设计以及手指的布置结构，包括灵巧手各部分的几何尺寸、手指数目、关节数目、自由度分配，驱动元件、传动方式的选择等决定了它所能达到的灵巧程度，是灵巧手系统的基础；第二是传感器系统，传感器提高灵巧手的操作性能和操作精度具有极其重要的意义；第三是运动学和动力学，灵巧手对抓取的灵巧性和稳定性需要灵巧手在自由度和运动范围上有很大提高，并使得多指 手运动学和动力学的分析难度大大增加；第四是灵巧手的控制系统，灵巧手的系统结构、模型参数的未知、控制过程的不定因素以及操作对象的多样性、不确定性等，增大了控制系统的研究难度。 

发明内容

本发明的目的在于研制一种结构简单紧凑、抓取刚度大、抓取力大、其尺寸大小和体积相当于成人手的仿人机械灵巧手，应用于太空机器人宇航员、排爆、核设备检测、残疾人等场合；同时，也可为大学和科研院所提供研究动力学及其控制等方面的教学仪器。 

本发明的一种仿人机械灵巧手装置，由五个手指、手掌和机械接口构成，其中五个手指分别是大拇指、食指、中指、无名指、小指，各手指与手掌的布置与人手相似。每个手指具有三个关节，即基关节、中关节、远关节，关节间通过四连杆耦合运动，食指、中指、无名指、小指各具有一个自由度，大拇指基关节传动系统具有侧摆和屈曲两个自由度。手掌上具有安装螺钉和安装定位凸台，大拇指由定位凸台定位，由螺钉穿过手背螺钉孔固定，其余四指安装方式一致，以无名指为例，通过凸台定位，由螺钉穿过手心螺钉孔固定，为避免运动干涉，手指间均设有一合适的间距。整只灵巧手由六个微型直流电机驱动，大拇指由两个电机驱动，其余四指各一个，每个电机固定在基关节的电机固定板上，在手背上由凸台支撑，手掌内部空间具有足够空间用于布置电路和线路，由机械接口引出，机械接口通过定位凸台和螺钉连接机械手臂和灵巧手。控制系统由驱动器、控制卡、编码器、软件、计算机和传感器组成。 

所述一种仿人机械灵巧手装置的食指、中指、无名指、小指具有相同的结构，均具有三个指节和三个关节，食指的三个指节分别为近指节、中指节、远指节，各指节的长度比例为2∶1.35∶1，与人手类似，且手指总长度接近正常人 手，三个关节分别为基关节、中关节、远关节，近指节与手掌通过基关节连接；基关节由一个电机驱动，经手掌内置的五级行星减速器和一级伞齿轮及耦合四连杆机构将运动和力传至指尖，当手指抓握物体时，基关节、中关节、远关节以近似于1∶1∶1的速率同基关节耦合运动。 

所述的一种仿人机械灵巧手装置的耦合四连杆机构由基关节、驱动杆、近指节连杆、近指节、中关节驱动杆、中关节、中指节连杆、中指节、远关节驱动杆、远关节、指尖组成。驱动杆与大伞齿轮及基关节轴通过轴孔平面接触传动，可视为固连，近指节连杆前端经连杆固定凸台铰接于基关节，末端与中指节驱动杆铰接。中关节驱动杆前端与近指节连杆铰接，末端与中指节及中关节轴通过轴孔平面接触传动，中关节连杆前端经中关节连杆轴和定位套筒铰接于近指节，末端铰接于远指节驱动杆。远关节驱动杆前端与中指节连杆铰接，末端与远指节及远关节轴通过轴孔平面接触传动。各关节轴分别由6个一样规格的轴承承载。近指节连杆和中指节连杆传递运动和力，从而实现指节的耦合运动。