一种臂-腕-手一体化的灵巧手系统

本发明涉及灵巧手生产领域，尤其涉及一种臂-腕-手一体化的灵巧手系统。

背景技术：

1、机器人作为自动化与智能化工具的体现，源自于人类对提升生产力与解决复杂问题的持续探索。随着科技的飞速发展，机器人已经在多个领域广泛应用。随着智能化水平的逐步提高，机器人将在未来承担更加重要的角色，帮助人类解决更为复杂的挑战，推动社会和科技的持续发展。

2、机器人灵巧手相较于传统末端执行器，具有更高的自由度，能够实现更接近人手的功能，能够完成更复杂的任务，在工业领域和科学研究上具有更多的应用场景。其中，线驱动灵巧手是典型的灵巧手设计方案，通过线绳传动，将电机力传递到灵巧手关节，线驱动方案通过将电机后置，优化了灵巧手的空间结构，提升了其自由度，并扩展了灵巧手的应用潜力。如shadow hand、pisa hand等灵巧手都采用了线驱动设计，通过线绳将电机后置，从而减小单根手指体积，优化灵巧手空间结构。

3、当前，线驱动灵巧手存在一定问题，如shadow hand等灵巧手将电机后置于电机箱中，电机箱虽然缩小了灵巧手本身的体积和质量，但庞大的电机箱本身严重限制了灵巧手和机械腕、机械臂的配合。灵巧手体积较小的shadow hand由于电机箱过大，反而需要体积庞大的大功率机械臂来承载，无法完全发挥灵巧手小体积的优势。因此，研究臂-腕-手一体化的灵巧手，将电机箱设计与机械臂、机械腕设计结合起来具有重要意义。通过机械臂、机械腕与灵巧手的协同设计，消除了分体设计所导致的空间和质量浪费，从而实现了臂、腕、手在空间布局和质量分配上的优化。综上，设计臂-腕-手一体化的灵巧手系统具有很高的价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有21个主动自由度的，集成臂-腕-手的灵巧手系统。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，包括灵巧手、腕关节、小臂、肘关节、大臂和肩关节，若干电机安装在小臂处，每个电机通过两根线绳传动，灵巧手的每个关节对应一个电机，使得每个关节具备一个自由度，腕关节对应两个电机使得具备两个自由度，实现灵巧手系统运动。

3、进一步地，所述灵巧手具有15个主动自由度，包括食指、中指、无名指、大拇指4根手指以及线绳分线器，其中食指、中指、无名指均包括3个弯曲自由度和1个侧摆自由度 ，大拇指包括3个弯曲自由度。

4、进一步地，所述线绳分线器由若干开孔支撑薄片、滑轮、小轴和滑轮支撑件组成，滑轮、小轴和滑轮支撑件通过支撑薄片开孔固定，将滑轮及支撑件放置在孔内，并通过前后的薄片实心部分实现固定；

5、所述线绳分线器通过分线器滑轮组将手指线绳传动到对应位置，即同关节两根线绳相对于腕部中轴对称。

6、进一步地，所述腕关节包括腕部上底座、腕部下底座、腕关节传驱复合机构和跨关节线绳传换机构；

7、腕关节传驱复合机构包括4根腕部驱动线绳和4套腕部线绳传换滑轮单元，通过4根腕部驱动线绳与腕部线绳传换滑轮单元31配合，通过4根线绳运动实现腕关节末端的2自由度转动；

8、跨关节线绳传换机构由若干跨关节线绳转换滑轮单元和若干跨关节线绳组成，通过腕部上底座和腕部下底座进行支撑，将灵巧手跨关节线绳传递到跨关节线绳传换机构，再传递到灵巧手电机，实现线绳跨关节传递。

9、进一步地，所述小臂包括腕-手线绳张紧机构、小臂外壳、小臂中轴、中轴连接件以及电机；小臂中轴通过带有轴承的中轴连接件与小臂外壳连接；所述腕-手线绳张紧机构具有若干个线绳穿过的可调高度的张紧滑轮；通过调节张紧调节螺丝调节张紧滑轮高度，最终调节线绳长度，调节线绳张紧状态；

10、所述小臂处电机包括15台灵巧手电机、2台腕关节电机、1台肘关节旋转电机；电机环绕安装在小臂外壳处，通过螺丝与小臂外壳的螺纹孔固连实现固定。

11、进一步地，所述肘关节包括肘关节旋转齿轮组、肘关节弯曲滑轮，安装在肩关节处的肘关节弯曲电机；

12、所述肘关节旋转电机配合肘关节旋转齿轮组驱动小臂中轴旋转；从而实现转动自由度；

13、肩关节处的肘关节弯曲电机通过线牵机制驱动肘关节弯曲电机滑轮组从而驱动肘关节弯曲滑轮；

14、所述肘关节弯曲电机滑轮组包括两个同轴同步转动的第一滑轮和第二滑轮；肘关节弯曲电机缠绕线绳，线绳与第一滑轮连接；第二滑轮通过线绳，经过大臂的肘关节张紧机构与肘关节弯曲滑轮连接；肘关节弯曲滑轮与肘关节轴固连，通过转动肘关节弯曲滑轮实现肘关节转动。

15、进一步地，所述大臂，包括大臂中轴和肘关节张紧机构，其中，大臂中轴用于承力和传递线绳；所述肘关节张紧机构包括滑轮组、螺杆和支架，滑轮组通过带有内螺纹的滑轮组支撑件与螺杆连接，螺杆穿过支架通孔实现位置固定，螺杆旋进时带动具有内螺纹的滑轮组支撑件移动，肘关节线绳缠绕并通过与螺杆连接的滑轮，通过旋转螺杆改变滑轮位置，从而使线绳长度变化，实现对肘关节弯曲自由度对应线绳的张紧。

16、进一步地，所述肩关节包括肩关节旋转底座、肩关节旋转电机、肩关节弯曲电机、肩关节弯曲电机滑轮组、肘关节弯曲电机和肘关节弯曲电机滑轮组以及重力平衡机构；其中，肩关节旋转电机通过线绳驱动肩关节旋转底座转动，肩关节弯曲电机通过滑轮组和线绳配合实现肩关节弯曲控制。

17、进一步地，所述肘关节的弯曲自由度和肩关节的弯曲自由度通过重力平衡机构实现对小臂和大臂重力的抵消，

18、所述重力平衡机构是通过如下方式实现的，以肩关节弯曲关节为例：线绳缠绕摆臂滑轮上，摆臂滑轮与平移滑块连接，摆臂滑轮转动会牵引平移滑块平移运动，平移滑块和重力平衡机构钢丝绳连接，牵引重力平衡机构钢丝绳运动；重力平衡机构钢丝绳另一端与弹簧连接，弹簧固连在肩关节平台，受到弹簧弹力影响；当大臂下电时，大臂受重力下垂，肩关节弯曲关节旋转，依次传导摆臂滑轮、平移滑块和重力平衡机构钢丝绳运动，重力平衡机构钢丝绳受到更大的弹簧弹力，钢丝绳停止移动，从而保持肩关节弯曲关节停止旋转，达到平衡重力的目的。

19、本发明的有益效果：

20、第一：本发明通过电机后置的线驱动设计，实现了灵巧手系统小型化，优化了灵巧手系统的空间和质量布局。实现了臂、腕、手在空间布局与质量分配上的优化。

21、第二：本发明通过灵巧手关节、手掌处线绳分线器、腕关节传驱复合机构和跨关节线绳传换机构的线绳传动系统设计，实现了线传动机构的空间优化。

22、第三：本发明通过灵巧手线绳张紧机构设计，优化了灵巧手线绳预紧力机构。实现了较小空间内线绳的张紧工作。

23、第四：本发明通过灵巧手关节优化设计，优化了灵巧手耦合，实现了多关节耦合的线性化。

1.一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，包括灵巧手（1）、腕关节（2）、小臂（3）、肘关节（4）、大臂（5）和肩关节（6），若干电机安装在小臂（3）处，每个电机通过两根线绳传动，灵巧手（1）的每个关节对应一个电机，使得每个关节具备一个自由度，腕关节（2）对应两个电机使得具备两个自由度，实现灵巧手系统运动。

2.根据权利要求1所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述灵巧手（1）具有15个主动自由度，包括食指（7）、中指（8）、无名指（9）、大拇指（10）4根手指以及线绳分线器（12），其中食指（7）、中指（8）、无名指（9）均包括3个弯曲自由度和1个侧摆自由度 ，大拇指（10）包括3个弯曲自由度。

3.根据权利要求2所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述线绳分线器（12）由若干开孔支撑薄片、滑轮、小轴和滑轮支撑件组成，滑轮、小轴和滑轮支撑件通过支撑薄片开孔固定，将滑轮及支撑件放置在孔内，并通过前后的薄片实心部分实现固定；

4.根据权利要求1所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述腕关节（2）包括腕部上底座（39）、腕部下底座（40）、腕关节传驱复合机构（24）和跨关节线绳传换机构（23）；

5.根据权利要求1所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述小臂（3）包括腕-手线绳张紧机构（52）、小臂外壳（83）、小臂中轴（61）、中轴连接件（62）以及电机；小臂中轴（61）通过带有轴承的中轴连接件（62）与小臂外壳（83）连接；所述腕-手线绳张紧机构（52）具有若干个线绳穿过的可调高度的张紧滑轮（60）；通过调节张紧调节螺丝（59）调节张紧滑轮（60）高度，最终调节线绳长度，调节线绳张紧状态；

6.根据权利要求5所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述肘关节（4）包括肘关节旋转齿轮组（58）、肘关节弯曲滑轮（86），安装在肩关节处的肘关节弯曲电机（69）；

7.根据权利要求1所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述大臂（5），包括大臂中轴（64）和肘关节张紧机构（87），其中，大臂中轴（64）用于承力和传递线绳；所述肘关节张紧机构（87）包括滑轮组、螺杆和支架，滑轮组通过带有内螺纹的滑轮组支撑件与螺杆连接，螺杆穿过支架上的通孔实现位置固定，螺杆旋进时带动具有内螺纹的滑轮组支撑件移动，肘关节线绳缠绕并通过与螺杆连接的滑轮，通过旋转螺杆改变滑轮位置，从而使线绳长度变化，实现对肘关节弯曲自由度对应线绳的张紧。

8.根据权利要求1所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述肩关节（6）包括肩关节旋转底座（68）、肩关节旋转电机（67）、肩关节弯曲电机（65）、肩关节弯曲电机滑轮组（66）、肘关节弯曲电机（69）和肘关节弯曲电机滑轮组（70）以及重力平衡机构（77）；其中，肩关节旋转电机（67）通过线绳驱动肩关节旋转底座（68）转动，肩关节弯曲电机（65）通过滑轮组和线绳配合实现肩关节（6）弯曲控制。

9.根据权利要求8所述的一种集成臂-腕-手的一体化灵巧手系统，其特征在于，所述肘关节的弯曲自由度和肩关节的弯曲自由度通过重力平衡机构（77）实现对小臂和大臂重力的抵消，