专利名称：连杆欠驱动机械手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种具有形状自适应的欠驱动机械手指装置的结构设计。
背景技术：
与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。设计连杆欠驱动机械手指装置能够更好地实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状和尺寸的物体时具有较强的自适应性这三个目标。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1365875A，含有第一指段、第二指段和欠驱动关节，欠驱动关节含有主动板、欠驱动关节轴和多级齿轮增速机构。外力使主动板绕欠驱动关节轴转动，由多级齿轮增速机构实现第二指段大幅度转动后扣紧物体。
该装置的不足之处为该装置采用多级齿轮传动，在关节处为一个齿轮箱，体积较大；其主动板作转动运动，致使其远离关节的一端距离第一指段表面过远，造成手指一端比另一端粗许多，与人手差别较大；该装置虽然模仿拇指是基本可行的，但不适合模仿除拇指外的其他手指，而且，若将多个该装置连接起来构成食指、中指、无名指和小指，外观将与人手差别过大。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1410223A，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段，欠驱动关节含有主动滑块、关节轴和齿轮齿条机构。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，同时固接在主动滑块上的齿条向第一指段内运动，带动与齿条啮合的齿轮绕关节轴转动，实现第二指段转动并扣紧物体。
该装置的不足之处为该装置采用齿轮齿条传动，装置比较复杂，手掌的质量较大，能耗较高。为了实现良好的欠驱动效果，即实现第二指段较大角度的转动，所采用的齿轮半径必须很小，加工难度大、成本高。且齿轮齿条机构需要良好的润滑和密封，使用成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种连杆欠驱动机械手指装置。使该机械手指装置具有体积小、质量轻、易于加工和维护等特点，从而进一步降低加工难度和维护成本，使机械手指的外形与人手手指更相似。
本发明采用如下技术方案一种连杆欠驱动机械手指装置，含有第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节，所述的欠驱动关节含有主动滑块、关节轴和套设在关节轴上的扭簧，所述的关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的扭簧的一端与第一指段固连，扭簧的另一端与第二指段固连，其特征在于所述的欠驱动关节还含有连杆机构，所述的连杆机构由主动杆和从动杆组成，主动杆一端与第一指段铰接，另一端与从动杆铰接，从动杆的另一端与第二指段铰接，该铰接点轴线相对于关节轴轴线平行；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的主动杆相接触。
本发明的技术特征还在于所述的关节轴由左关节半轴和右关节半轴组成，所述的左关节半轴和右关节半轴共轴安装在第一指段上。
本发明的另一技术特征还在于所述欠驱动关节的各部分的结构参数符合以下关系设主动杆长度为L1，从动杆长度为L2，从动杆与第二指段铰接点轴线到关节轴轴线间的距离为L3，主动滑块与主动杆的接触线到主动杆一端与第一指段铰接点轴线的垂直距离为h，则L1∶h＝1.5～2.5∶1；L2∶h＝3～5∶1；L3∶h＝0.6～1.2∶1。
本发明所述的第一指段由第一指段骨架、背面板和主动滑块挡板组成，三者固接在一起。所述的主动滑块由滑块体和固接在滑块体表面上的滑块表面罩组成，所述的滑块表面罩采用工业橡皮材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果该装置利用连杆机构传动实现第二指段转动，在尺寸设计合理的情况下，主动滑块很短的运动距离可带来第二指段大角度的转动。该装置仅采用主动杆和从动杆两根连杆传动，连杆数目少，结构简单、可靠，减小了装置的体积和质量，仅需较低的控制系统要求，使该机械手指装置具有体积小、质量轻，易于加工和维护等特点，从而可以使机械手指的外形与人手手指更相似，进一步降低了加工难度和维护成本。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高形状适应性和高欠驱动的手指，还可以用多个这样的高欠驱动手指组合构成高欠驱动的机器人拟人手，用以达到机器人拟人手高自由度、高自适应性的效果。
图1是本发明提供的连杆欠驱动机械手指装置实施例的正视图。
图2是图1的右视图。
图3是图1的A-A剖视图。
图4是本实施例去掉滑块表面罩11后的正视图。
图5是本实施例中主动滑块的安装示意图。
图6是本实施例的爆炸视图。
图7是将关节轴设计为由左关节半轴和右关节半轴组成时的爆炸视图。
图8是本实施例手指第二指段转动后的侧面剖视图。
图9、10、11、12是第一指段固定于手掌上的本实施例手指抓握物体的示意图。
图13、14、15、16是第一指段与主动关节连接后的本实施例手指抓握物体的示意图。
图17是应用了本实施例的欠驱动双关节手指的正视图。
图18是应用了本实施例的欠驱动双关节手指的右视图。
图19是应用了本实施例的欠驱动双关节手指在两个欠驱动关节转动下抓握大尺寸物体的示意图，其根部指段与主动关节相连接。
图20是应用了本实施例的机器人拟人多指手的正视图。
在图1至图20中1.第一指段， 2.第二指段， 3.欠驱动关节，4.主动滑块， 5.连杆机构， 6.第一指段骨架，7.背面板， 8.主动滑块挡板，9.背面板凹槽， 10.滑块体， 11.滑块表面罩，12.凸台， 13.将凸台铆接于第一指段骨架的铆钉，14.主动杆，15.从动杆，16.用于铰接凸台12与主动杆14的根部铰接轴，17.用于铰接主动杆14与从动杆15的中间铰接轴，18.用于铰接从动杆15与第二指段2的末端铰接轴，19.关节轴，19(a).左关节半轴， 19(b).右关节半轴，20.扭簧， 21.第一指段骨架6两侧的主动滑块滑槽，22.滑块体10两侧的滑块体突起，23.根部指段， 24.中部指段，25.末端指段，26.根部主动滑块， 27.中部主动滑块，28.中部欠驱动关节，29.末端欠驱动关节，30.手掌，31.拇指，32.食指， 33.中指，34.无名指，35.小指， 36.拇指根部关节，37.拇指末端欠驱动关节，38.食指根部关节，39.食指中部欠驱动关节，40.食指末端欠驱动关节，41.中指根部关节， 42.中指中部欠驱动关节，43.中指末端欠驱动关节，44.无名指根部关节，45.无名指中部欠驱动关节， 46.无名指末端欠驱动关节，47.小指根部关节， 48.小指中部欠驱动关节，49.小指末端欠驱动关节。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。
本发明设计的一种连杆欠驱动机械手指装置实施例，外形如图1、2所示，原理如图3、4、5、6、7所示。该装置含有第一指段1、第二指段2和设置在两者之间的欠驱动关节3，所述的欠驱动关节3含有主动滑块4、关节轴19、连杆机构5和套设在关节轴上扭簧20。所述的关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上；所述的扭簧的一端与第一指段固连，扭簧的另一端与第二指段固连；所述的连杆机构由主动杆14和从动杆15组成，主动杆一端与第一指段铰接，另一端与从动杆铰接；从动杆的另一端与第二指段铰接，该铰接点轴线相对于关节轴轴线平行；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的主动杆相接触。
所述的关节轴19有两种设计方案第一种为设计成一根整轴，这种设计的爆炸视图如图6所示；为了避免从动杆在运动中与关节轴发生运动干涉，第二种方案将关节轴设计为由左关节半轴19a和右关节半轴19b组成，左关节半轴和右关节半轴共轴安装在第一指段上，这种设计的爆炸视图如图7所示。
为了更好地实现由主动滑块小位移的滑动引起第二指段大角度的转动这一欠驱动功能，本连杆欠驱动机械手指装置的欠驱动关节各部分的结构参数需要满足以下关系设主动杆长度为L1，从动杆长度为L2，从动杆与第二指段铰接点轴线到关节轴轴线间的距离为L3，主动滑块÷与主动杆的接触线到主动杆一端与第一指段铰接点轴线的垂直距离为h，则L1∶h＝1.5～2.5∶1；L2∶h＝3～5∶1；L3∶h＝0.6～1.2∶1。
所述的第一指段由第一指段骨架6、背面板7和主动滑块挡板8组成，三者固接在一起。为了将主动滑块嵌入第一指段，在第一指段骨架上开有主动滑块滑槽21，所述的主动滑块挡板盖住所述的主动滑块滑槽，用以防止主动滑块脱离第一指段。
为了便于将所述的主动杆铰接在第一指段上，本实施例中，在第一指段骨架上用铆钉13铆接有凸台12，所述的主动杆一端用根部铰接轴16与凸台铰接。
主动杆另一端用中间铰接轴17与所述的从动杆一端铰接，从动杆的另一端用末端铰接轴18与第二指段铰接。
所述的主动滑块由滑块体10和滑块表面罩11组成，滑块表面罩采用有适当弹性的工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。所述的滑块体两侧有滑块体凸起22，滑块体突起嵌入第一指段骨架上的主动滑块滑槽，起到定位及导向的作用，以保证主动滑块的运动方向为沿着主动滑块滑槽的方向。
所述的扭簧20套设关节轴上，一端与第一指段固接，另一端与第二指段固接。其功能是自然状态下保持第二指段正直；放开物体时，将第二指段带回自然位置，带动连杆机构回复初始位置，从而将第一指段内的主动滑块推回自然位置。
本实施例的工作原理，叙述如下(1)如果将本实施例的第一指段1固定于机器人拟人手的手掌上，本实施例的工作原理，如图9、10、11、12所示，叙述如下当机器人拟人手不接触物体时，手指处于自由状态，此时扭簧20的扭矩使得第二指段2不发生转动，手指保持伸直状态。
当机器人拟人手抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压主动滑块4，主动滑块沿垂直手指表面的方向向第一指段1里平移一定的位移d，同时压迫主动杆14以根部铰接轴16为轴向第一指段内转动，带动从动杆15运动，进而带动第二指段2绕关节轴19大角度转动角度α，直到第二指段接触物体为止，因而该机器人拟人手将具有对物体大小、形状的自动适应性。本实施例手指抓取物体后，连杆机构的位置变化如图8所示。为了防止第二指段转动时连杆机构与背面板7发生运动干涉，背面板上开有背面板凹槽9。
将主动滑块4与主动杆14的接触线到主动杆一端与第一指段铰接点轴线的垂直距离设为h。本实施例中h较小，因而主动滑块平移一个小位移d即可使得主动杆转过一个较大的角度，从而带动从动杆15、第二指段2运动，最终实现第二指段转过较大的角度α。这使得第二指段转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的。
当机器人拟人手放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块4，扭簧20将带动第二指段2绕关节轴19转回初始位置，带动连杆机构5回复自然状态，进而将主动滑块4压回到初始位置。由于主动滑块滑槽21外侧盖有主动滑块挡板8，可防止主动滑块脱离第一指段。
(2)如果将本实施例的第一指段1根部套接在一个由驱动器驱动的主动关节上，本实施例的工作原理，如图13、14、15、16所示，叙述如下当机器人拟人手抓取物体时，套有第一指段1的主动关节在驱动力矩M作用下转动，使得整个欠驱动手指绕根部的主动关节转动，直到主动滑块4接触物体，由于物体在其他手指的作用下不能离开，所以，当主动关节继续转动时，主动滑块4在物体的阻挡下沿垂直手指表面的方向向第一指段里平移，其后抓取过程与(1)类似。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指如图17、18所示。
应用本发明实施例的欠驱动双关节手指由根部指段23、中部指段24、末端指段25、中部欠驱动关节28和末端欠驱动关节29组成。
该应用本发明实施例的欠驱动双关节手指用两个欠驱动关节转动抓取物体的原理如图19所示。当机器人拟人手抓取物体时，物体在其他手指的作用下压迫根部主动滑块26(如果此欠驱动双关节手指的根部指段23套设在一个主动关节上，则此欠驱动双关节手指在根部主动关节的主动转动下，压迫物体，物体受到其他手指的阻碍不能离开，于是反作用于根部主动滑块26)，此时根部主动滑块沿垂直手指表面的方向向根部指段里运动，使得中部指段24、末端欠驱动关节29、末端指段25绕中部欠驱动关节28快速转动，仿佛在中部欠驱动关节中有电机等驱动器主动驱动一般，直到中部主动滑块27接触物体。中部主动滑块受到物体阻碍不再运动，此时物体继续压迫根部主动滑块26，造成中部指段24、末端欠驱动关节28、末端指段25继续绕中部欠驱动关节快速转动，由于此时中部指段(在转动)相对于中部主动滑块(不动)运动，带动末端指段绕末端欠驱动关节快速转动，仿佛在末端欠驱动关节有电机等驱动器主动驱动一般，直到末端指段接触物体。该欠驱动双关节手指具有对不同形状、尺寸的物体的自动适应性。
应用本实施例的机器人拟人多指手如图20所示。
应用本实施例的机器人拟人多指手包括手掌30、拇指31、食指32、中指33、无名指34、小指35、拇指根部关节36、拇指末端欠驱动关节37、食指根部关节38、食指中部欠驱动关节39、食指末端欠驱动关节40、中指根部关节41、中指中部欠驱动关节42、中指末端欠驱动关节43、无名指根部关节44、无名指中部欠驱动关节45、无名指末端欠驱动关节46、小指根部关节47、小指中部欠驱动关节48和小指末端欠驱动关节49。
其中，拇指31应用了单个本实施例结构、食指32、中指33、无名指34、小指35均分别应用了两个本实施例结构。各手指的根部关节均为由电机驱动的主动关节。各手指的中部关节和末端关节均为不带驱动器的欠驱动关节，即应用了本实施例的结构。
权利要求
1.一种连杆欠驱动机械手指装置，含有第一指段(1)、第二指段(2)和设置在两者之间的欠驱动关节(3)，所述的欠驱动关节含有主动滑块(4)、关节轴(19)和套设在关节轴上的扭簧(20)，所述的关节轴安装在第一指段上，所述的第二指段套设在关节轴上，所述的扭簧的一端与第一指段固连，扭簧的另一端与第二指段固连，其特征在于所述的欠驱动关节还含有连杆机构(5)，所述的连杆机构由主动杆(14)和从动杆(15)组成，主动杆一端与第一指段铰接，另一端与从动杆铰接，从动杆的另一端与第二指段铰接，该铰接点轴线相对于关节轴轴线平行；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，且与所述的主动杆相接触。
2.如权利要求1所述的连杆欠驱动机械手指装置，其特征在于所述的关节轴(19)由左关节半轴(19a)和右关节半轴(19b)组成，所述的左关节半轴和右关节半轴共轴安装在第一指段上。
3.如权利要求1或2所述的连杆欠驱动机械手指装置，其特征在于所述欠驱动关节的各部分的结构参数符合以下关系设主动杆长度为L1，从动杆长度为L2，从动杆与第二指段铰接点轴线到关节轴轴线间的距离为L3，主动滑块与主动杆的接触线到主动杆一端与第一指段铰接点轴线的垂直距离为h，则L1∶h＝1.5～2.5∶1；L2∶h＝3～5∶1；L3∶h＝0.6～1.2∶1。
4.如权利要求1所述的连杆欠驱动机械手指装置，其特征在于所述的第一指段由第一指段骨架(6)、背面板(7)和主动滑块挡板(8)组成，三者固接在一起。
5.如权利要求1所述的连杆欠驱动机械手指装置，其特征在于所述的主动滑块由滑块体(10)和固接在滑块体表面上的滑块表面罩(11)组成，所述的滑块表面罩采用工业橡皮材料。
6.一种采用如权利要求1所述装置的高欠驱动机械手指装置，其特征在于该装置包括两个以上的指段，在每相邻两指段之间设有所述的欠驱动关节。
全文摘要
连杆欠驱动机械手指装置，属拟人机器人技术领域。该装置含有第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节。欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、连杆机构、扭簧；关节轴安装在第一指段上，第二指段套设在关节轴上；连杆机构包括主动杆、从动杆，主动杆一端与第一指段铰接，另一端与从动杆一端铰接，从动杆的另一端与第二指段铰接，该铰接点轴线相对与关节轴轴线平行；主动滑块镶嵌在第一指段中，且与主动杆相接触；扭簧套设在关节轴上，一端与第一指段固接，另一端与第二指段固接。该装置结构简单可靠，体积小、重量轻，易于加工和维护，可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高形状适应性和高欠驱动的手指。
文档编号B25J15/08GK101049696SQ20071009937
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者张文增, 郝莉, 陈强, 都东, 孙振国 申请人:清华大学