一種腱-連桿混合傳動的三自由度機械手指及控制方法技術

本發明專利技術公開了一種腱?連桿混合傳動的三自由度機械手指及控制方法，運用腱驅動方式對手指各關節進行驅動，能夠實現驅動電機的后置，避免在手指的狹窄空間下布置驅動電機；能夠在相同的結構尺寸限制下，提供比齒輪、鏈、帶傳動等傳統傳動方式更高的驅動力；指節通過連桿耦合驅動遠指節，實現了遠指節與中指節的連動，使得遠指節與中指節之間具有確定的相對運動關系，使用一個電機實現了中指節和遠指節中兩個關節的控制。既實現了手指的抓取，又節省了驅動電機數量；采用四個驅動源實現手指的彎曲展開和側偏等三個自由度，該驅動方式省去了腱驅動中的張緊機構，簡化了手指結構，降低了成本，提高了可靠性。

A hybrid drive linkage tendon three degrees of freedom manipulator and control method

The invention discloses a hybrid transmission link tendon three degrees of freedom robotic fingers and control method, using the tendon driving drive finger joints, can realize the rear drive motor, the drive motor to avoid arrangement in the narrow space of the fingers; in the same structure and size restrictions, provide the driving force of higher ratio of gear, chain, belt and other traditional transmission mode; driving away through the connecting rod coupling knuckle knuckle, the linkage with the knuckle knuckle far, makes the relative motion relationship established between the knuckle and the far in knuckles, using a motor control is realized in two joints and knuckles in the far knuckles. Not only to achieve the finger grasping, and save the driving motor number; using four bending fingers and realize the driving source side and three degrees of freedom, the driving mode saves the tendon driven tensioning mechanism, simplifies the finger structure, reduce the cost, improve the reliability of the.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于工業機器人
，具體涉及一種腱-連桿混合傳動的三自由度機械手指及控制方法。
技術介紹
機械手指是機械手的核心組成部分，而機械手是工業領域或空間領域實施抓取操作的重要執行機構，機械手能夠執行精細操作、靈巧操作，完成抓握、旋擰、插拔、移動、對準等典型的操作，這些操作在地面和空間任務中都具有代表性。當機械手指應用于工業生產和空間環境時，機械手指應盡可能結構簡單、性能穩定可靠、具有實現抓取操作所需的傳感器等。目前機械手指的驅動方式多以電機直接驅動關節為主，該種方式中電機置于機械手指內部，由于受到手指空間的限制，電機體積較小，導致手指的抓取力較小；目前機械手指的傳感器以位置傳感器為主，也有部分手指具有指尖力傳感器，腱驅動手指中能夠測量驅動力的手指更少；本專利技術提供了一種能夠測量關節位置、速度、指尖力、腱驅動力功能的腱-連桿混合驅動機械手指，該手指的驅動電機置于外部，驅動電機的選擇不受手指尺寸的限制，具有傳感器豐富、結構簡單、指尖出力大、可靠性高、操作性強等優點。專利US8459711B2中設計了一種液壓驅動的五指機械手，該手的手指采用液壓驅動，每個手指具有三個彎曲關節，三個關節之間采用連桿形成耦合傳動形成一個彎曲自由度，該手指具有出力大的優點。該手指的缺點表現為自由度較少，由于是液壓驅動因此空間環境適應性較差。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的是提供一種腱-連桿混合傳動的三自由度機械手指及控制方法,采用驅動腱驅動手指各關節運動，驅動源置于手指外部，使得手指具有了結構簡單、體積和質量小的特點，多傳感器又使得手指具有多種感知能力，提高了手指的可操控性，使得手指具備了實現高級控制所需的硬件基礎。一種機械手指，包括四根驅動腱J1、J2、J3、J4以及順次相連的基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)和遠指節(5)；所述基座(1)為整個機械手指的支架，基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)、與遠指節(5)的相鄰兩部件之間形成轉動副；所述遠指節(5)還與近指節(3)之間采用連桿進行連接，以產生遠指節(5)與中指節(4)之間的耦合運動；驅動腱J1和驅動腱J2的一端均固定在近指節(3)上，另一端分別引至基座(1)處；驅動腱J1和驅動腱J2分別用于驅動近指節(3)繞基指節(2)的彎曲和展開運動；驅動腱J3和驅動腱J4的一端均固定在中指節(4)上，另一端分別引至基座(1)處，驅動腱J3和驅動腱J4用于驅動中指節(4)繞近指節(3)的彎曲和展開運動。進一步的，所述基座(1)包括基座支架(1-6)，旋轉軸(1-7)，軸承(1-8)，旋轉軸(1-9)，滑輪(1-10)和(1-11)，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)；其中，滑輪(1-10)和(1-11)上、下安裝在旋轉軸(1-9)上，并置于基座支架(1-6)的內部；旋轉軸(1-7)經軸承(1-8)安裝于基座支架(1-6)上，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)從下至上共軸安裝于旋轉軸(1-7)上，并安裝于基座支架(1-6)的內部；所述基指節(2)包括基指節殼體(2-1)，驅動輪(2-2)，旋轉軸(2-3)，壓緊塊(2-4)，軸承(2-6)，滑輪(2-7)和(2-8)；旋轉軸(2-3)經軸承(2-6)安裝于基指節殼體(2-1)上；驅動輪(2-2)、滑輪2-8和2-7從右至左安裝于旋轉軸(2-3)上，其中，驅動輪(2-2)與近指節殼體(3-3)固連；滑輪(2-7)和(2-8)可繞旋轉軸(2-3)轉動；壓緊塊(2-4)位于驅動輪(2-2)的前側，并與近指節殼體(3-3)固連，用于壓緊所述驅動腱J1和驅動腱J2的端頭；所述近指節(3)包括滑輪(3-1)和(3-2)，近指節殼體(3-3)，軸承(3-4)，驅動輪(3-5)，壓緊塊(3-7)，近指節蓋(3-8)，旋轉軸(3-9)；滑輪(3-1)和(3-2)共軸安裝于近指節殼體(3-3)上，并位于滑輪(2-7)和(2-8)的前側；旋轉軸(3-9)經軸承(3-4)安裝于近指節殼體(3-3)上；驅動輪(3-5)安裝于中指節殼體(4-1)的左側，并與其固連；壓緊塊(3-7)位于驅動輪(3-5)的前側，并與中指節殼體(4-1)固連；驅動腱J3和J4的端頭經壓緊塊(3-7)與中指節殼體(4-1)連接；所述中指節(4)包括中指節殼體(4-1)，軸承(4-2)，連桿(4-3)以及旋轉軸(4-5)；旋轉軸(4-5)經軸承(4-2)安裝于中指節殼體(4-1)上，連桿(4-3)一端與近指節殼體(3-3)連接，另一端與遠指節殼體5-1連接，連桿(4-3)使得中指節殼體(4-1)與近指節殼體(3-3)的運動存在耦合；遠指節殼體5-1可繞旋轉軸(4-5)相對于中指節殼體(4-1)轉動；所述驅動腱J1繞過驅動輪(2-2)下邊緣，并依次在滑輪(1-14)和滑輪(1-10)上分別繞一圈后，引至基座(1)上；驅動腱J2繞過驅動輪(2-2)上邊緣，并依次在滑輪(1-17)和滑輪(1-11)上分別繞一圈后，引至基座(1)上；驅動腱J3經壓緊塊(3-7)與近中節殼體(4-1)固連，驅動腱J3依次繞過驅動輪(3-5)上邊緣，滑輪(3-2)下邊緣，以及滑輪(2-8)的上邊緣，然后在滑輪(1-16)上繞一圈，最后引至基座上；驅動腱J4經壓緊塊(3-7)與近中節殼體(4-1)固連，驅動腱J4依次繞過驅動輪(3-5)下邊緣，滑輪(3-1)下邊緣，以及滑輪(2-7)的上邊緣，然后在滑輪(1-15)上繞一圈，最后引至基座(1)上。進一步的，所述基座(1)還包括四個拉力傳感器(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)和傳感器支架(1-5)；傳感器支架(1-5)安裝在基座支架(1-6)上，所述四個拉力傳感器安裝在傳感器支架(1-5)上；所述驅動腱J1、J2、J3和J4引至基座(1)后，分別一一對應地穿過四個拉力傳感器。進一步的，旋轉軸(1-7)、旋轉軸(2-3)、旋轉軸(3-9)的轉動角度和角速度采用編碼器測量。進一步的，所述遠指節(5)包括遠指節殼體(5-1)，六維力傳感器(5-2)以及遠指節蓋(5-3)；六維力傳感器安裝于遠指節殼體(5-1)上，用于測量指尖的受力；遠指節蓋(5-3)安裝于六維力傳感器(5-2)頂部，當手指抓取物體時，手指的受力經遠指節蓋(5-3)傳遞于六維力傳感器(5-2)。一種機械手指的控制方法，對驅動腱J1和J2施加大小和方向相同的拉力，對驅動腱J3和J4也施加大小和方向相同的拉力；控制驅動腱J1和J2所受拉力的合力與驅動腱J3和J4所受拉力的合力不同，則實現手指繞旋轉軸(1-7)的側偏運動。本專利技術具有如下有益效果：(1)本專利技術運用腱驅動方式對手指各關節進行驅動，能夠實現驅動電機的后置，避免在手指的狹窄空間下布置驅動電機。(2)本專利技術運用腱驅動系統對手指各關節進行驅動，能夠在相同的結構尺寸限制下，提供比齒輪、鏈、帶傳動等傳統傳動方式更高的驅動力。(3)本專利技術中指節通過連桿耦合驅動遠指節，實現了遠指節與中指節的連動，使得遠指節與中指節之間具有確定的相對運動關系，使用一個電機實現了中指節和遠指節中兩個關節的控制。既實現了手指的抓取，又節省了驅動電機數量。(4)本專利技術采用四個驅動源實現本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機械手指，其特征在于，包括四根驅動腱J1、J2、J3、J4以及順次相連的基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)和遠指節(5)；所述基座(1)為整個機械手指的支架，基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)、與遠指節(5)的相鄰兩部件之間形成轉動副；所述遠指節(5)還與近指節(3)之間采用連桿進行連接，以產生遠指節(5)與中指節(4)之間的耦合運動；驅動腱J1和驅動腱J2的一端均固定在近指節(3)上，另一端分別引至基座(1)處；驅動腱J1和驅動腱J2分別用于驅動近指節(3)繞基指節(2)的彎曲和展開運動；驅動腱J3和驅動腱J4的一端均固定在中指節(4)上，另一端分別引至基座(1)處，驅動腱J3和驅動腱J4用于驅動中指節(4)繞近指節(3)的彎曲和展開運動。

【技術特征摘要】
1.一種機械手指，其特征在于，包括四根驅動腱J1、J2、J3、J4以及順次相連的基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)和遠指節(5)；所述基座(1)為整個機械手指的支架，基座(1)、基指節(2)、近指節(3)、中指節(4)、與遠指節(5)的相鄰兩部件之間形成轉動副；所述遠指節(5)還與近指節(3)之間采用連桿進行連接，以產生遠指節(5)與中指節(4)之間的耦合運動；驅動腱J1和驅動腱J2的一端均固定在近指節(3)上，另一端分別引至基座(1)處；驅動腱J1和驅動腱J2分別用于驅動近指節(3)繞基指節(2)的彎曲和展開運動；驅動腱J3和驅動腱J4的一端均固定在中指節(4)上，另一端分別引至基座(1)處，驅動腱J3和驅動腱J4用于驅動中指節(4)繞近指節(3)的彎曲和展開運動。2.如權利要求1所述的一種機械手指，其特征在于，所述基座(1)包括基座支架(1-6)，旋轉軸(1-7)，軸承(1-8)，旋轉軸(1-9)，滑輪(1-10)和(1-11)，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)；其中，滑輪(1-10)和(1-11)上、下安裝在旋轉軸(1-9)上，并置于基座支架(1-6)的內部；旋轉軸(1-7)經軸承(1-8)安裝于基座支架(1-6)上，滑輪(1-14)、(1-15)、(1-16)和(1-17)從下至上共軸安裝于旋轉軸(1-7)上，并安裝于基座支架(1-6)的內部；所述基指節(2)包括基指節殼體(2-1)，驅動輪(2-2)，旋轉軸(2-3)，壓緊塊(2-4)，軸承(2-6)，滑輪(2-7)和(2-8)；旋轉軸(2-3)經軸承(2-6)安裝于基指節殼體(2-1)上；驅動輪(2-2)、滑輪2-8和2-7從右至左安裝于旋轉軸(2-3)上，其中，驅動輪(2-2)與近指節殼體(3-3)固連；滑輪(2-7)和(2-8)可繞旋轉軸(2-3)轉動；壓緊塊(2-4)位于驅動輪(2-2)的前側，并與近指節殼體(3-3)固連，用于壓緊所述驅動腱J1和驅動腱J2的端頭；所述近指節(3)包括滑輪(3-1)和(3-2)，近指節殼體(3-3)，軸承(3-4)，驅動輪(3-5)，壓緊塊(3-7)，近指節蓋(3-8)，旋轉軸(3-9)；滑輪(3-1)和(3-2)共軸安裝于近指節殼體(3-3)上，并位于滑輪(2-7)和(2-8)的前側；旋轉軸(3-9)經軸承(3-4)安裝于近指節殼體(3-3)上；驅動輪(3-5)安裝于中指節殼體(4-1)的左側，并與其固連；壓緊塊(3-7)位于驅動輪(3-5)的前側，并與中指節殼體...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙志軍，高升，王耀兵，王捷，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：北京;11