多自由度灵巧手大拇指结构及其控制方法与流程

本发明涉及机器人灵巧手，特别涉及一种多自由度灵巧手大拇指结构及其控制方法。

背景技术：

1、类人机器人灵巧手作为实现精细操作与人机交互的核心末端执行器，其大拇指的运动自由度配置与驱动集成度直接决定了整手的作业能力。目前，具备弯曲与侧摆复合运动功能的大拇指结构已成为行业主流技术路线，广泛应用于服务机器人、工业装配及康复辅助等领域。在常规设计方案中，大拇指通常采用多关节串联构型，各自由度的驱动源多以微型电机配合减速器、腱绳传动或连杆机构的形式布置于手掌或前臂端部，通过柔性传动介质将动力传递至指节关节处，以实现拇指的屈伸与侧向摆动动作。

2、然而，上述现有技术在实际应用中仍存在一些不足：一方面，外置驱动加远程传动的布局方式导致传动链路过长，腱绳或连杆在狭小空间内走线复杂，不仅增加了摩擦损耗与传动间隙，还使得大拇指根部的结构体积难以进一步缩减，限制了灵巧手整体尺寸的紧凑化设计；另一方面，现有拇指结构普遍缺少绕自身纵轴的整体旋转自由度，仅靠弯曲与侧摆两个自由度难以覆盖人手拇指的全部运动空间，在面对需要旋拧、多角度对捏等复杂操作任务时姿态适应能力有限；此外，多数方案未在指尖集成触觉传感单元，抓取过程中缺乏实时力反馈，控制器只能依赖预设参数进行开环力矩输出，难以根据物体实际接触状态自适应调整夹持力，易造成易碎物品损伤或刚性物体抓握不稳的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多自由度灵巧手大拇指结构及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种多自由度灵巧手大拇指结构，包括：

4、第一指节组件，其包括大拇指第一指节和第一指节灵巧手电缸，所述第一指节灵巧手电缸内置于所述大拇指第一指节中，所述第一指节灵巧手电缸的电机轴与大拇指第二指节连接，所述第一指节灵巧手电缸的电机轴构成第一指节旋转轴a，以驱动所述大拇指第一指节绕所述第一指节旋转轴a相对于所述大拇指第二指节旋转；

5、第二指节组件，其包括所述大拇指第二指节和第二指节灵巧手电缸，所述第二指节灵巧手电缸内置于所述大拇指第二指节中，所述第二指节灵巧手电缸的电机轴两侧分别与第一底座支架和第二底座支架连接，所述第二指节灵巧手电缸的电机轴构成第二指节旋转轴b，以驱动所述大拇指第二指节绕所述第二指节旋转轴b相对于所述第一底座支架和所述第二底座支架旋转；

6、侧摆驱动组件，其包括侧摆灵巧手电缸、第一旋转底座和第二旋转底座，所述侧摆灵巧手电缸的电机轴两侧分别与所述第一旋转底座和所述第二旋转底座连接，所述侧摆灵巧手电缸的电机轴构成侧摆轴c，以驱动所述大拇指第一指节和所述大拇指第二指节整体绕所述侧摆轴c相对于所述第一旋转底座和所述第二旋转底座旋转；

7、旋转驱动组件，其包括旋转灵巧手电缸、主驱齿轮和从动齿轮盘，所述主驱齿轮安装于所述旋转灵巧手电缸的电机轴上，所述主驱齿轮与所述从动齿轮盘上的齿轮啮合连接，所述旋转灵巧手电缸通过所述主驱齿轮驱动所述从动齿轮盘旋转，以带动所述大拇指第一指节、所述大拇指第二指节和所述侧摆驱动组件整体旋转；

8、其中，所述侧摆灵巧手电缸安装于所述从动齿轮盘上，所述第一底座支架和所述第二底座支架分别固定于所述第一旋转底座和所述第二旋转底座上，所述旋转灵巧手电缸安装于灵巧手主体。

9、在一些实施方式中，所述第一指节灵巧手电缸以倒装方式内置于所述大拇指第一指节中；

10、所述第二指节灵巧手电缸以倒装方式内置于所述大拇指第二指节中。

11、在一些实施方式中，所述大拇指第一指节的指尖处集成有触觉传感器。

12、在一些实施方式中，所述第二指节灵巧手电缸的电机轴两侧分别与所述第一底座支架和所述第二底座支架通过螺钉连接；

13、所述侧摆灵巧手电缸的电机轴两侧分别与所述第一旋转底座和所述第二旋转底座通过螺钉连接。

14、在一些实施方式中，所述主驱齿轮通过螺钉固定于所述旋转灵巧手电缸的电机轴上。

15、在一些实施方式中，所述从动齿轮盘的上方固定所述侧摆灵巧手电缸，所述从动齿轮盘下方的圆柱上过盈安装有轴承，所述从动齿轮盘通过所述轴承与灵巧手主体上的轴承孔转动连接，所述轴承用于作为旋转中心以及提供支撑。

16、第二方面，本发明提供了一种多自由度灵巧手大拇指结构的控制方法，应用于如上所述的多自由度灵巧手大拇指结构，包括：

17、控制所述第一指节灵巧手电缸工作，通过其电机轴驱动所述大拇指第一指节绕所述第一指节旋转轴a相对于所述大拇指第二指节旋转，实现第一指节弯曲运动；

18、控制所述第二指节灵巧手电缸工作，通过其电机轴驱动所述大拇指第二指节绕所述第二指节旋转轴b相对于所述第一底座支架和所述第二底座支架旋转，实现第二指节弯曲运动；

19、控制所述侧摆灵巧手电缸工作，通过其电机轴驱动所述大拇指第一指节和所述大拇指第二指节整体绕所述侧摆轴c相对于所述第一旋转底座和所述第二旋转底座旋转，实现大拇指侧摆运动；

20、控制所述旋转灵巧手电缸工作，通过其电机轴驱动所述主驱齿轮转动并带动所述从动齿轮盘旋转，实现大拇指整体旋转运动。

21、在一些实施方式中，所述方法还包括：

22、获取触觉传感器采集的触觉信号；

23、根据所述触觉信号，调整所述第一指节灵巧手电缸和/或所述第二指节灵巧手电缸的输出力矩。

24、在一些实施方式中，所述第一指节弯曲运动、所述第二指节弯曲运动、所述大拇指侧摆运动和所述大拇指整体旋转运动分别由所述第一指节灵巧手电缸、所述第二指节灵巧手电缸、所述侧摆灵巧手电缸和所述旋转灵巧手电缸独立驱动控制。

25、在一些实施方式中，所述方法还包括：

26、根据目标抓取姿态，确定所述第一指节灵巧手电缸、所述第二指节灵巧手电缸、所述侧摆灵巧手电缸和所述旋转灵巧手电缸各自的目标旋转角度；

27、分别控制所述第一指节灵巧手电缸、所述第二指节灵巧手电缸、所述侧摆灵巧手电缸和所述旋转灵巧手电缸的电机轴旋转至各自对应的目标旋转角度。

28、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

29、本技术方案通过在两个指节内分别倒装集成灵巧手电缸，由电机轴直驱相邻指节旋转，省去了腱绳、连杆等中间传动环节，消除了传动间隙与回程误差，各关节位置控制精度直接取决于电缸编码器分辨率，传动链短、响应快。同时，将侧摆电缸布置于从动齿轮盘上方、底座支架固定于旋转底座，使弯曲、侧摆、整体旋转三个层级的运动在结构上解耦，四个自由度互不干涉，可独立控制，拇指工作空间较仅具备弯曲与侧摆两自由度的常规方案显著扩大，整体旋转自由度使拇指更易与其余四指形成对指姿态，适应旋拧、多角度捏持等复杂操作。旋转驱动采用齿轮啮合方式将电缸置于灵巧手主体侧，避免在已紧凑的指节内再增设驱动源，兼顾了旋转力矩输出与指节径向尺寸的约束。指尖集成触觉传感器，为抓取力矩闭环提供实时反馈输入，使控制器可依据接触状态动态调节指节输出力矩，降低易碎物损伤与刚性物滑脱风险。