一种基于磁流变轴承的刚柔耦合五指灵巧手

本发明涉及仿人型机器人，具体涉及一种基于磁流变轴承的刚柔耦合五指灵巧手。

背景技术：

1、上世纪六十年代起，仿生灵巧手的发展前景逐渐显现，出现了一批具有新结构、新设计的刚性灵巧手。刚性灵巧手有着难以安全抓取柔软物体的问题，因此柔性驱动的灵巧手逐渐产生。然而，这些柔性驱动的灵巧手响应速度相对较慢、手指协调能力相对较差，与真实人手的表现存在一定差距；因此，需要一款新型仿生灵巧手以实现具备高灵巧性、高响应速度、快速自适应能力。

2、cn201922323579.6公开了一种仿生手和仿生机器人，是通过多个电机进行驱动的纯刚性仿生手，该仿生手的结构得到简化，利于安装和拆卸，但是存在难以安全抓取柔软物体的问题，实际应用能力不足。

3、cn202110840216.9公开了一种气动模拟仿生手，通过记忆合金为手骨与仿生肌肉气囊实现仿生手的运动，可实现手指的抓握以五指并拢与张开的运动。由于柔性驱动的灵巧手存在响应速度相对较慢、手指协调能力相对较差的问题，难以实验真正的代替人手的作用。

4、因此，在抓取不同物件时，由于不同物件的材料不同，对仿生手的自适应抓取能力要求较高，需要一种具备高灵巧性、高响应速度、快速自适应能力且有效抓取不同物件的仿生灵巧手机器人，使得以假肢形式代替人手高效的完成人类基本生理功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于磁流变轴承的刚柔耦合五指灵巧手，该灵巧手采用磁流变轴承以及齿轮驱动柔索、柔索驱动手指的结构来实现刚柔耦合，代替了传统的刚性驱动结构。同时由于磁流变轴承的特性，使得该仿生手具备高灵巧性和高响应速度，又由于柔索驱动使得手指的抓握具有快速自适应能力。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括分别转动连接在手掌上的拇指、食指、中指、无名指及小指，所述的手掌由手掌底座及手掌盖对合而成，所述的拇指包括拇指近指节和拇指远指节，所述的食指、中指、无名指及小指结构相同，均分别包括近指节、中指节和远指节；所述的拇指近指节通过转向件与手掌转动连接，所述的转向件由拇指转向机构驱动其转动，所述的拇指转向机构驱使拇指绕手掌转动以改变拇指方向；还包括分别与拇指、食指、中指、无名指及小指相配合的拇指卷绳机构、食指卷绳机构、中指卷绳机构、无名指卷绳机构及小指卷绳机构，上述各卷绳机构分别驱使相对应的手指实现弯曲；

3、所述的拇指卷绳机构包括第一锥齿轮，所述的第一锥齿轮通过第一磁流变轴承固定在第一轴上，所述的第一轴通过第一深沟球轴承与手掌底座连接；还包括相互配合的第一蜗杆与第一蜗轮，所述的第一蜗杆与第一轴同心且固定在第一轴远离第一锥齿轮的端部，用于固定第一蜗轮的第一蜗轮轴通过第二深沟球轴承与手掌底座连接，且第一蜗轮轴上固定有第一卷筒；还包括第一柔索，所述第一柔索的一端与第一卷筒固定，第一柔索的另一端依次经过转向件和拇指近指节后与拇指远指节固定；

4、所述的食指卷绳机构、中指卷绳机构、无名指卷绳机构及小指卷绳机构结构相同且依次并列设置，均分别包括第一直齿轮，所述的第一直齿轮通过第二磁流变轴承固定在第二轴上，所述的第二轴通过第三深沟球轴承与手掌底座连接；还包括相互配合的第二蜗杆与第二蜗轮，所述的第二蜗杆与第二轴同心且固定在第二轴远离第一直齿轮的端部，用于固定第二蜗轮的第二蜗轮轴通过第四深沟球轴承与手掌底座连接，且第二蜗轮轴上固定有第二卷筒；还包括并列设置的两组第二柔索，所述第二柔索的一端与第二卷筒固定，所述第二柔索的另一端依次经过近指节、中指节后与远指节固定；

5、所述的拇指转向机构包括第二直齿轮，所述的第二直齿轮通过第三磁流变轴承固定在第三轴上，所述第三轴的一端与转向件固连，第三轴的另一端通过第十三深沟球轴承与手掌底座连接；

6、所述的手掌底座上设有伺服电机，所述的伺服电机通过传动齿轮组驱动第一锥齿轮、第一直齿轮、第二直齿轮转动。

7、所述的传动齿轮组包括并列设置的第一传动直齿轮、第二传动直齿轮、第三传动直齿轮，还包括与第二传动直齿轮同轴设置的第二锥齿轮、与第三传动直齿轮同轴的第四传动直齿轮；所述第一传动直齿轮的齿轮轴、第二传动直齿轮的齿轮轴、第三传动直齿轮的齿轮轴分别通过第五深沟球轴承、第六深沟球轴承、第七深沟球轴承与手掌底座连接，其中：第一传动直齿轮分别与小指卷绳机构和无名指卷绳机构中的第一直齿轮相啮合，且第一传动直齿轮与伺服电机的输出轴固连，第二传动直齿轮分别与无名指卷绳机构和中指卷绳机构中的第一直齿轮相啮合，第二锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；第三传动直齿轮分别与中指卷绳机构和食指卷绳机构中的第一直齿轮相啮合；第四传动直齿轮与第二直齿轮相啮合。

8、所述的转向件包括与手掌底座转动连接的第一连接部以及与拇指近指节转动连接的第二连接部，所述的第一连接部与第二连接部之间通过三角状的连接块连成一体；所述的拇指近指节通过第一连接轴、第九深沟球轴承、第一复位弹簧与第二连接部连接；所述的拇指远指节通过第二连接轴、第十深沟球轴承、第二复位弹簧与拇指近指节连接；所述的拇指近指节上设有与第一柔索相配合的第一张紧机构，所述的第一张紧机构包括固定在拇指近指节内部的第一张紧固定座，所述的第一张紧固定座由u型的第一底座及第一顶盖连接而成，所述第一底座的一侧侧壁上设置有第一滑轮组件。

9、所述的第一连接部为耳座结构，所述耳座的一侧筋板与第三轴相固定，所述耳座的另一侧筋板与第四轴固定，第四轴与第三轴同心设置且第四轴通过第八深沟球轴承与手掌底座连接；所述的第二连接部为柱状体结构，其外表面设有与第一柔索相配合的第一引导槽；所述的拇指近指节在其与拇指远指节相连的端部设有与第一柔索相配合的第二引导槽；

10、所述第一柔索的一端与第一卷筒相固定，第一柔索的另一端由第一连接部中两侧筋板的中间进入连接块内部的柔索通道后穿出，再绕经第一引导槽、第一滑轮组件后由第二引导槽引导进入拇指远指节，并与拇指远指节内部的第一固定块固定。

11、所述的第一滑轮组件包括上下方向平行布置的第一弹簧固定轴和第二弹簧固定轴，所述的第一弹簧固定轴与第二弹簧固定轴均为阶梯轴且两者反向设置，第一弹簧固定轴的小直径段的端部贯穿第一固定座且与第一固定座形成滑动配合，所述的第一固定座与第一底座的侧壁固连，第一弹簧固定轴的大直径段的端部固定有第一动滑轮，所述第一动滑轮的轮轴垂直于第一弹簧固定轴，所述第一弹簧固定轴的小直径段上套设有第一弹簧，第一弹簧的两端分别与第一固定座及第一弹簧固定轴的轴肩相抵靠；第二弹簧固定轴的小直径段的端部贯穿第二固定座且与第二固定座形成滑动配合，所述的第二固定座与第一底座的侧壁固连，第二弹簧固定轴的大直径段的端部固定有第二动滑轮，所述第二动滑轮的轮轴垂直于第二弹簧固定轴，所述第二弹簧固定轴的小直径段上套设有第二弹簧，第二弹簧的两端分别与第二固定座及第二弹簧固定轴的轴肩相抵靠；所述的第一滑轮组件还包括靠近第二固定座设置的第一定滑轮，所述第一定滑轮的轮轴固定在第一底座的侧壁上；第一柔索依次绕经第一动滑轮、第二动滑轮和第一定滑轮。

12、所述的近指节通过第四磁流变轴承、第三复位弹簧与手掌底座连接，所述的中指节通过第三连接轴、第十一深沟球轴承、第四复位弹簧与近指节连接，所述的远指节通过第四连接轴、第十二深沟球轴承、第五复位弹簧与中指节连接，所述的中指节在其与远指节相连的端部设有与第二柔索相配合的第三引导槽；

13、所述的近指节上设有与第二柔索相配合的第二张紧机构，所述的第二张紧机构包括固定在近指节内部的第二张紧固定座，所述的第二张紧固定座由u型的第二底座及第二顶盖连接而成，所述第二底座的两侧侧壁上对称设有第二滑轮组件；

14、所述第二柔索的一端与第二卷筒相固定，第二柔索的另一端由手掌底座上的柔索通道穿出，再绕经第二滑轮组件后进入中指节，从中指节穿出后经第三引导槽引导进入远指节，并与远指节内部的第二固定块固定。

15、所述的第二滑轮组件包括上下方向平行布置的第三弹簧固定轴和第四弹簧固定轴，所述的第三弹簧固定轴与第四弹簧固定轴均为阶梯轴且两者反向设置，第三弹簧固定轴的小直径段的端部贯穿第三固定座且与第三固定座形成滑动配合，所述的第三固定座与第二底座的侧壁固连，第三弹簧固定轴的大直径段的端部固定有第三动滑轮，所述第三动滑轮的轮轴垂直于第三弹簧固定轴，所述第三弹簧固定轴的小直径段上套设有第三弹簧，第三弹簧的两端分别与第三固定座及第三弹簧固定轴的轴肩相抵靠；第四弹簧固定轴的小直径段的端部贯穿第四固定座且与第四固定座形成滑动配合，所述的第四固定座与第二底座的侧壁固连，第四弹簧固定轴的大直径段的端部固定有第四动滑轮，所述第四动滑轮的轮轴垂直于第四弹簧固定轴，所述第四弹簧固定轴的小直径段上套设有第四弹簧，第四弹簧的两端分别与第四固定座及第四弹簧固定轴的轴肩相抵靠；所述的第二滑轮组件还包括靠近第四固定座设置的第二定滑轮，所述第二定滑轮的轮轴固定在第二底座的侧壁上，第二柔索依次绕经第三动滑轮、第四动滑轮和第二定滑轮。

16、所述的拇指远指节以及其余四指的远指节均在指腹位置设有指纹盖，所述指纹盖的外表面设有波浪形纹路。

17、所述第一磁流变轴承的内圈与第一轴连接，第一磁流变轴承的外圈与第一锥齿轮连接，所述的第一深沟球轴承设置在第一磁流变轴承的两侧，所述的第二深沟球轴承设置在第一蜗轮的两侧，所述的第一蜗轮、第一蜗轮轴及第一卷筒为一体结构，所述的第一卷筒设置一个且该第一卷筒位于第一蜗轮靠近四指的一侧；

18、所述第二磁流变轴承的内圈与第二轴连接，第二磁流变轴承的外圈与第一直齿轮连接，所述的第三深沟球轴承设置在第二磁流变轴承的两侧，所述的第四深沟球轴承设置在第二蜗轮的两侧，所述的第二蜗轮、第二蜗轮轴及第二卷筒为一体结构，所述的第二卷筒并列设置两组，两组第二卷筒分别位于第二蜗轮的两侧。

19、第一传动直齿轮的齿轮轴其一端与伺服电机的输出轴连接，另一端通过第五深沟球轴承与手掌底座连接；第二传动直齿轮的齿轮轴通过两组第六深沟球轴承与手掌底座连接，其中一组第六深沟球轴承位于远离第二锥齿轮的端部，另一组第六深沟球轴承位于第二锥齿轮靠近第二传动直齿轮的一侧；第三传动直齿轮的齿轮轴通过两组第七深沟球轴承与手掌底座连接，两组第七深沟球轴承分别位于第三传动直齿轮和第四传动直齿轮的外侧。

20、本发明的有益效果在于：

21、1、本发明是基于磁流变轴承的的刚柔耦合五指灵巧手，由于磁流变轴承的特性，使得该仿生手具备高灵巧性、高响应速度；又由于柔索驱动使得手指的抓握具有快速自适应能力。

22、2、本发明通过齿轮机构这一刚性结构以及柔索驱动手指这一柔性结构组成了刚柔耦合结构，使得该灵巧手通过刚性部件获得了足够的驱动力矩和响应速度，通过柔性部件获得了更好的韧性和自适应能力，减少了工作时的不利震动，增强了运动的流畅度。在抓取不同形状的物品时，能够自适应的使手指与物品贴合，更有利于抓取的完成度。

23、3、本发明中的每根柔索都绕过张紧机构，张紧机构保证了在非工作状态时各柔索也处于张紧状态，其特点是保持柔索在传动过程中可以拥有适当的张紧力，从而避免柔索脱落。

24、4、本发明的驱动设计使得该灵巧手具有10自由度，其中四指和拇指分别有2个自由度，大大的提高了灵巧手的工作效率和精度。

25、5、本发明与四指相配合的第二柔索为双柔索结构，提高了四指运动的稳定性；同时由于伺服电机的数量有限，双柔索的布置结构也为四指提供了更强的驱动力。

26、6、本发明是基于磁流变轴承的刚柔耦合五指灵巧手，由于磁流变轴承的特性，大大减少了电机数量。本发明仅设置一个伺服电机，极大的优化了仿生手内部空间，也减轻了仿生手的重量。