一种欠驱动灵巧手手指的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种欠驱动灵巧手手指。

背景技术：

随着社会的发展，机器人正逐步走进人们的日常生活之中，尤其是在护理机器人领域，此时对机器人末端执行器的灵活性提出了较高的要求。机器人灵巧手便是能达到这一要求的很好实现方式，灵巧手的拟人性赋予其更加精细的操作能力。

现有的灵巧手按照驱动方式可以分为全驱式灵巧手和欠驱式灵巧手，其中欠驱动灵巧手为节省手指内部空间，以便将灵巧手做的更加小巧拟人，最常见的传动方式是采用腱绳传动。腱绳传动时需要考虑其合理的布置方式以实现其预紧的要求，使其在灵巧手的长期使用过程中保证腱绳时刻处于张紧状态。陈玉瑜在文献《浅析多指仿生灵巧手结构设计》中指出腱绳传动型机器人灵巧手的绳索长期使用时会有绳索松弛情况出现，需要进行重新预紧且拆装灵巧手过程复杂。范大鹏在文献《精密柔索传动技术研究现状及分析》中提出的四种绳索预紧的实现方式较为复杂，不易实现，而且内部采用固定式滑轮的形式来作为腱绳传动轨道时占用了较大的手指内部空间。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种欠驱动灵巧手手指。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种欠驱动灵巧手手指，其特征在于该手指包括远指节、远端转动关节、中指节、中间转动关节、近指节、近端转动关节、基座、弹性回复绳和腱绳；

所述远指节包括远指节左端指骨、远指节右端指骨和指尖压力传感器；所述远端转动关节包括一号阶梯轴和一号弹簧；所述中指节包括中指节前端指骨、中指节左端指骨、中指节后端指骨、中指节右端指骨、中指节压力传感器、一号预紧调节块和一号预紧螺母；所述中间转动关节包括二号阶梯轴和二号弹簧；所述近指节包括近指节前端指骨、近指节左端指骨、近指节后端指骨、近指节右端指骨、近指节压力传感器、二号预紧调节块和二号预紧螺母；所述近端转动关节包括三号阶梯轴和三号弹簧；所述基座包括左瓣基座和右瓣基座；

所述远指节左端指骨与远指节右端指骨固定连接；指尖压力传感器固定于远指节的外表面；所述一号阶梯轴的一端有键，与远指节左端指骨的带键槽孔通过键槽配合连接，此端伸出远指节左端指骨外，与中指节左端指骨上侧的无键槽孔配合；一号阶梯轴的另一端设有轴向圆形凹槽，一号弹簧放置于轴向圆形凹槽中；所述一号阶梯轴设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳；所述一号阶梯轴的另一端设置有圆孔；中指节右端指骨上侧的轴穿过远指节右端指骨的通孔与一号阶梯轴另一端的圆孔配合，实现一号阶梯轴绕中指节右端指骨上侧的轴的转动；

所述中指节前端指骨的一侧紧固在中指节左端指骨上，另一侧紧固在中指节右端指骨上；所述中指节后端指骨的一侧紧固在中指节左端指骨上，另一侧紧固在中指节右端指骨上；所述中指节前端指骨内部开有阶梯孔；所述一号预紧调节块由细部和粗部构成；一号预紧调节块卡装于中指节前端指骨的阶梯孔中，一号预紧调节块的形状与阶梯孔的形状相配合，两者不能相对旋转，一号预紧调节块能沿阶梯孔直线滑动；一号预紧调节块的细部伸出中指节前端指骨，端部开有弧形通孔；一号预紧调节块的粗部位于中指节前端指骨内部；一号预紧螺母与中指节前端指骨配合连接，通过中指节前端指骨内部的阶梯孔和一号预紧螺母实现对一号预紧调节块的紧固和限位；所述中指节压力传感器固定于中指节外表面；

所述二号阶梯轴的一端有键，与中指节左端指骨下侧的带键槽孔通过键槽配合连接，此端伸出中指节左端指骨外，与近指节左端指骨上侧的无键槽孔配合；二号阶梯轴的另一端设有轴向圆形凹槽，二号弹簧放置于轴向圆形凹槽中；所述二号阶梯轴设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳；所述二号阶梯轴的另一端设置有圆孔；近指节右端指骨上侧的轴穿过中指节右端指骨的通孔与二号阶梯轴另一端的圆孔配合，实现二号阶梯轴绕近指节右端指骨上侧的轴的转动；

所述近指节前端指骨的一侧紧固在近指节左端指骨上，另一侧紧固在近指节右端指骨上；所述近指节后端指骨的一侧紧固在近指节左端指骨上，另一侧紧固在近指节右端指骨上；所述近指节前端指骨内部开有阶梯孔；所述二号预紧调节块由细部和粗部构成；二号预紧调节块卡装于近指节前端指骨的阶梯孔中，二号预紧调节块的形状与阶梯孔的形状相配合，两者不能相对旋转，二号预紧调节块能沿阶梯孔直线滑动；二号预紧调节块的细部伸出近指节前端指骨，端部开有弧形通孔；二号预紧调节块的粗部位于近指节前端指骨内部；二号预紧螺母与近指节前端指骨配合连接，通过近指节前端指骨内部的阶梯孔和二号预紧螺母实现对二号预紧调节块的紧固和限位；所述近指节压力传感器固定于近指节外表面；

所述三号阶梯轴的一端有键，与左瓣基座的带键槽孔通过键槽配合连接，此端伸出左瓣基座外，与近指节左端指骨下侧的无键槽孔配合；三号阶梯轴的另一端设有轴向圆形凹槽，三号弹簧放置于轴向圆形凹槽中；所述三号阶梯轴设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳；所述三号阶梯轴的另一端设置有圆孔；近指节右端指骨下侧的轴穿过右瓣基座的通孔与三号阶梯轴另一端的圆孔配合，实现三号阶梯轴绕近指节右端指骨下侧的轴的转动；

左瓣基座与右瓣基座紧固连接；

所述弹性回复绳的一端固定于远指节内部，依次穿过远指节的通孔、中指节后端指骨的通孔、近指节后端指骨的通孔和基座的通孔后，另一端固定于基座上；

所述腱绳一端固定于远指节内部，穿过远指节的通孔、放置于一号阶梯轴的径向圆形凹槽中、穿过一号预紧调节块的弧形通孔、放置于二号阶梯轴的径向圆形凹槽中、穿过二号预紧调节块的弧形通孔、放置于三号阶梯轴的径向圆形凹槽中、穿过基座的通孔后，另一端与外部电机连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)集成在指节中的预紧调节块可以通过预紧螺母调节实现腱绳的后期多次预紧。初始预紧安装时，留有预紧空间，后期使用过程中腱绳松弛时通过预紧螺母调节预紧调节块，不必拆装灵巧手使得腱绳再次预紧，避免因腱绳松弛而出现较大的运动传递误差，解决了腱绳传动型灵巧手长期使用过程中腱绳松弛的问题。

2)采用预紧调节块的弧形通孔来代替固定式滑轮的整个圆周，进一步节省了手指内部空间，使得灵巧手手指的尺寸进一步缩小，并且通过使用弧形通孔来代替滑轮的整个圆周增大了腱绳传动轨道的可调节范围。

3)该手指采用欠驱动方式以及分离式结构，结构简单，质量轻，装配方便，体积小，进一步节省手指内部空间。

4)灵巧手手指的腱绳布置采用非缠绕式，有效减小了绳子传动过程中的摩擦力，进而增大了手指抓握过程中的指尖力。

5)阶梯轴的径向圆形凹槽即腱绳轨道采用部分凸起设计，减少腱绳脱离轨道的可能性，使手指的动作更加稳定。

附图说明

图1为本发明整体结构立体示意图；

图2为本发明整体结构分解图；

图3为本发明整体结构剖面示意图；

图4为本发明中指节前端指骨轴测示意图；

图5为本发明中指节前端指骨剖面示意图；

图6为本发明一号预紧调节块立体示意图；

图7为本发明一号阶梯轴立体示意图；

图8为本发明远指节左端指骨立体示意图；

图9为本发明中指节右端指骨立体示意图；

图10为本发明基座结构示意图；

图中：1、远指节；11、远指节左端指骨；12、远指节右端上指骨；13、远指节右端下指骨；14、指尖压力传感器；

2、远端转动关节；21、一号阶梯轴；22、一号弹簧；

3、中指节；31、中指节前端指骨；32、中指节左端指骨；33、中指节后端指骨；34、中指节右端指骨；35、中指节压力传感器；36、一号预紧调节块；37、一号预紧螺母；

4、中间转动关节；41、二号阶梯轴；42、二号弹簧；

5、近指节；51、近指节前端指骨；52、近指节左端指骨；53、近指节后端指骨；54、近指节右端指骨；55、近指节压力传感器；56、二号预紧调节块；57、二号预紧螺母；

6、近端转动关节；61、三号阶梯轴；62、三号弹簧；

7、基座；71、左瓣基座；72、右瓣基座；

8、弹性回复绳；81、一号弹性回复绳；82、二号弹性回复绳；

9、腱绳。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种欠驱动灵巧手手指(简称手指，参见图1-10)，其特征在于该手指包括远指节1、远端转动关节2、中指节3、中间转动关节4、近指节5、近端转动关节6、基座7、弹性回复绳8和腱绳9；

所述远指节1包括远指节左端指骨11、远指节右端指骨和指尖压力传感器14；所述远端转动关节2包括一号阶梯轴21和一号弹簧22；所述中指节3包括中指节前端指骨31、中指节左端指骨32、中指节后端指骨33、中指节右端指骨34、中指节压力传感器35、一号预紧调节块36和一号预紧螺母37；所述中间转动关节4包括二号阶梯轴41和二号弹簧42；所述近指节5包括近指节前端指骨51、近指节左端指骨52、近指节后端指骨53、近指节右端指骨54、近指节压力传感器55、二号预紧调节块56和二号预紧螺母57；所述近端转动关节6包括三号阶梯轴61和三号弹簧62；所述基座7为两瓣式结构，包括左瓣基座71和右瓣基座72；

所述远指节左端指骨11通过螺钉与远指节右端指骨固定连接；指尖压力传感器14固定于远指节1外表面；所述一号阶梯轴21的一端(细端)有键，与远指节左端指骨11的带键槽孔通过键槽配合连接；此端(细端)伸出远指节左端指骨11的带键槽孔外，与中指节左端指骨32上侧的无键槽孔配合；一号阶梯轴21的另一端(粗端)设有轴向圆形凹槽，一号弹簧22放置于轴向圆形凹槽中，使一号阶梯轴21与远指节右端指骨保持一定距离，以减小转动时的摩擦；所述一号阶梯轴21设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳9，为腱绳9的安装定位；所述一号阶梯轴21的另一端(粗端)设置有圆孔；中指节右端指骨34上侧的轴穿过远指节右端指骨的通孔与一号阶梯轴21另一端(粗端)的圆孔配合，实现一号阶梯轴21绕中指节右端指骨34上侧的轴的转动；

所述中指节前端指骨31的一侧通过紧固螺钉紧固在中指节左端指骨32上，另一侧通过紧固螺钉紧固在中指节右端指骨34上；所述中指节后端指骨33的一侧通过紧固螺钉紧固在中指节左端指骨32上，另一侧通过紧固螺钉紧固在中指节右端指骨34上；所述中指节前端指骨31内部开有阶梯孔；所述一号预紧调节块36由细部和粗部构成；一号预紧调节块36卡装于中指节前端指骨31的阶梯孔中，一号预紧调节块36的形状与阶梯孔的形状相配合，两者不能相对旋转，一号预紧调节块36只能沿阶梯孔一自由度直线滑动；一号预紧调节块36的细部伸出中指节前端指骨31，端部开有弧形通孔；一号预紧调节块36的粗部位于中指节前端指骨31内部；一号预紧螺母37与中指节前端指骨31配合连接，通过中指节前端指骨31内部的阶梯孔和一号预紧螺母37实现对一号预紧调节块36的紧固和限位；所述中指节压力传感器35固定于中指节3外表面；

所述二号阶梯轴41的一端(细端)有键，与中指节左端指骨32下侧的带键槽孔通过键槽配合连接；此端(细端)伸出中指节左端指骨32的带键槽孔外，与近指节左端指骨52上侧的无键槽孔配合；二号阶梯轴41的另一端(粗端)设有轴向圆形凹槽，二号弹簧42放置于轴向圆形凹槽中，使二号阶梯轴41与中指节右端指骨34保持一定距离，以减小转动时的摩擦；所述二号阶梯轴41设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳9，为腱绳9的安装定位；所述二号阶梯轴41的另一端(粗端)设置有圆孔；近指节右端指骨54上侧的轴穿过中指节右端指骨34下侧的通孔与二号阶梯轴41另一端(粗端)的圆孔配合，实现二号阶梯轴41绕近指节右端指骨54上侧的轴的转动；

所述近指节前端指骨51的一侧通过紧固螺钉紧固在近指节左端指骨52上，另一侧通过紧固螺钉紧固在近指节右端指骨54上；所述近指节后端指骨53的一侧通过紧固螺钉紧固在近指节左端指骨52上，另一侧通过紧固螺钉紧固在近指节右端指骨54上；所述近指节前端指骨51内部开有阶梯孔；所述二号预紧调节块56由细部和粗部构成；二号预紧调节块56卡装于近指节前端指骨51的阶梯孔中，二号预紧调节块56的形状与阶梯孔的形状相配合，两者不能相对旋转，二号预紧调节块56只能沿阶梯孔一自由度直线滑动；二号预紧调节块56的细部伸出近指节前端指骨51，端部开有弧形通孔；二号预紧调节块56的粗部位于近指节前端指骨51内部；二号预紧螺母57与近指节前端指骨51配合连接，通过近指节前端指骨51内部的阶梯孔和二号预紧螺母57实现对二号预紧调节块56的紧固和限位；所述近指节压力传感器55固定于近指节5外表面；

所述三号阶梯轴61的一端(细端)有键，与左瓣基座71的带键槽孔通过键槽配合连接；此端(细端)伸出左瓣基座71的带键槽孔外，与近指节左端指骨52下侧的无键槽孔配合；三号阶梯轴61的另一端(粗端)设有轴向圆形凹槽，三号弹簧62放置于轴向圆形凹槽中，使三号阶梯轴61与右瓣基座72保持一定距离，以减小转动时的摩擦；所述三号阶梯轴61设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳9，为腱绳9的安装定位；所述三号阶梯轴61的另一端(粗端)设置有圆孔；近指节右端指骨54下侧的轴穿过右瓣基座72的通孔与三号阶梯轴61另一端(粗端)的圆孔配合，实现三号阶梯轴61绕近指节右端指骨54下侧的轴的转动；

左瓣基座71与右瓣基座72紧固连接；所述左瓣基座71与右瓣基座72均留有安装孔；

所述弹性回复绳8的一端通过打结固定于远指节1内部，依次穿过远指节1的通孔、中指节后端指骨33的通孔、近指节后端指骨53的通孔和基座7的通孔后，另一端通过打结固定于基座7上(外侧)；通过弹性回复绳8的弹力实现手指弯曲后的回复动作；

所述腱绳9采用非缠绕式布置，一端通过打结固定于远指节1内部，穿过远指节1的通孔、放置于一号阶梯轴21的径向圆形凹槽中、穿过一号预紧调节块36的弧形通孔、放置于二号阶梯轴41的径向圆形凹槽中、穿过二号预紧调节块56的弧形通孔、放置于三号阶梯轴61的径向圆形凹槽中、穿过基座7的通孔后，另一端与外部电机连接，带动手指运动。

优选地，一号阶梯轴21、二号阶梯轴41和三号阶梯轴61的径向圆形凹槽均设置有部分凸起，以防止安装时腱绳9脱离径向圆形凹槽。

优选地，一号预紧调节块36和二号预紧调节块56均由细部和粗部构成；细部和粗部中的至少一个采用非圆柱体形状，本实施例是细部为带圆角的长方体形，粗部为圆柱体形；这样的设计可以保证一号预紧调节块36和二号预紧调节块56的弧形通孔与腱绳9的通道在同一方向。

优选地，所述中指节压力传感器35的一端插入中指节右端指骨34的矩形槽内，另一端粘接于中指节前端指骨31中；近指节压力传感器55一端插入近指节右端指骨54的矩形槽内，另一端粘接于近指节前端指骨51中。

优选地，左瓣基座71设有矩形长槽，右瓣基座72设有与左瓣基座71的矩形长槽结构相同的凸起，通过左瓣基座71的矩形长槽与右瓣基座72的凸起相互配合以及螺钉实现左瓣基座71和右瓣基座72的紧固连接；所述左瓣基座71和右瓣基座72在远离手指尖的一侧均留有安装孔。

优选地，所述远指节右端指骨由远指节右端上指骨12和远指节右端下指骨13构成；所述远指节左端指骨11分别与远指节右端上指骨12和远指节右端下指骨13固定连接；指尖压力传感器14固定于远指节左端指骨11和远指节右端上指骨12的外表面的凹槽中；一号阶梯轴21的另一端设有轴向圆形凹槽，一号弹簧22放置于轴向圆形凹槽中，使一号阶梯轴21与远指节右端下指骨13保持一定距离，以减小转动时的摩擦；所述一号阶梯轴21的另一端设置有圆孔；中指节右端指骨34上侧的轴穿过远指节右端下指骨13的通孔与一号阶梯轴21另一端的圆孔配合，实现一号阶梯轴21绕中指节右端指骨34上侧的轴的转动。

优选地，所述弹性回复绳8包括一号弹性回复绳81和二号弹性回复绳82；一号弹性回复绳81的一端通过打结固定于远指节左端指骨11内，依次穿过远指节左端指骨11后侧的通孔、中指节后端指骨33的左侧通孔、近指节后端指骨53的左侧通孔和左瓣基座71的通孔后，另一端通过打结固定于左瓣基座71上(外侧)；二号弹性回复绳82的一端通过打结固定在远指节右端上指骨12内，依次穿过远指节右端上指骨12后侧的通孔、远指节右端下指骨13后侧的通孔、中指节后端指骨33的右侧通孔、近指节后端指骨53的右侧通孔和右瓣基座72的通孔后，另一端通过打结固定于右瓣基座72上(外侧)。或者将从基座7伸出来的一号弹性回复绳81的另一端和二号弹性回复绳82的另一端打结在一起，实现固定基座7上(外侧)。

优选地，所述腱绳9的一端固定于远指节右端上指骨12内部，穿过远指节右端下指骨13的通孔、放置于一号阶梯轴21的径向圆形凹槽中、穿过一号预紧调节块36的弧形通孔、放置于二号阶梯轴41的径向圆形凹槽中、穿过二号预紧调节块56的弧形通孔、放置于三号阶梯轴61的径向圆形凹槽中、穿过右瓣基座72内的通孔后，另一端与外部电机连接，带动手指运动。

优选地，当手指为拇指时，该手指包括远指节1、远端转动关节2、近指节5、近端转动关节6、基座7、弹性回复绳8和腱绳9；所述一号阶梯轴21的一端(细端)有键，与远指节左端指骨11的带键槽孔通过键槽配合连接；此端(细端)伸出远指节左端指骨11的带键槽孔外，与近指节左端指骨52上侧的无键槽孔配合；一号阶梯轴21的另一端(粗端)设有轴向圆形凹槽，一号弹簧22放置于轴向圆形凹槽中，使一号阶梯轴21与远指节右端指骨保持一定距离，以减小转动时的摩擦；所述一号阶梯轴21设有径向圆形凹槽，用于放置腱绳9，为腱绳9的安装定位；所述一号阶梯轴21的另一端(粗端)设置有圆孔；近指节右端指骨54上侧的轴穿过远指节右端指骨的通孔与一号阶梯轴21另一端(粗端)的圆孔配合，实现一号阶梯轴21绕近指节右端指骨54上侧的轴的转动。

本发明的工作原理和工作流程是：

使用时，将本手指通过基座7底部的安装孔分别安装于灵巧手手掌的食指、中指、无名指和小指的相应位置上。将本手指的中指节3和中间转动关节4这两部分删掉，直接将远指节1连接到近指节5即可得到对应的拇指。在外部电机的驱动下，腱绳9传动带动三个转动关节产生旋转，使手指产生弯曲抓取的动作，此时弹性回复绳8被拉伸，产生沿弹性回复绳8方向的拉力。在完成抓握动作之后，外部电机回转，腱绳9在放松的同时，弹性回复绳8拉动手指恢复伸直状态。

本手指在长期的运动过程中，在拉力的作用下难免会造成腱绳9的松弛，使其脱离预定的轨道。通过调节一号预紧螺母37和二号预紧螺母57以实现腱绳9的时刻张紧状态，避免其脱离预定轨道。

本发明未述及之处适用于现有技术。