一种人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构及力矩协同控制方法与流程
本发明涉及机器人末端执行器及机械传动，具体涉及一种人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构及力矩协同控制方法。
背景技术：
1、人形机器人灵巧手通常采用多个手指组件配合完成物体的靠拢、接触和包络抓握。为减少驱动器数量，多个手指或同一手指的不同关节可以共用输入腱绳，并通过差动传动结构将输入牵引分配至不同传动支路。
2、在抓握外形不规则或具有一定变形能力的物体时，手指的近指节可能先于远指节接触物体。若近端传动支路和远端传动支路的作用位置在抓握过程中保持不变，继续增加输入牵引可能使近指节接触压力增大，而远指节不能获得足够的继续包络能力，影响手指对物体的适应性。
3、此外，接触物体发生变形或相对移动时，接触状态可能出现短暂回落，容易造成传动状态不稳定，导致远指节的包络动作中断。物体释放后，传动支路、关节及保持结构还需要恢复至下一次抓握所需状态。
技术实现思路
1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构及力矩协同控制方法以解决现有仿生灵巧手在近指节先接触物体时近端接触负担较大、远指节难以继续包络，以及接触压力变化后传动结构容易中途回锁、释放后不易恢复的问题。
2、本发明采用以下技术方案：一种人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，包括掌部组件及与所述掌部组件连接的多个手指组件；所述掌部组件设有共同驱动组件，所述共同驱动组件通过输入腱绳向各所述手指组件提供牵引；所述手指组件通过指根座与所述掌部组件连接，近指节转动连接于所述指根座，远指节转动连接于所述近指节；所述指根座内设有差动传动组件，所述差动传动组件将所述输入腱绳的牵引分配至近端传动支路和远端传动支路，所述近端传动支路与所述近指节传力连接，所述远端传动支路与所述远指节传力连接；所述手指组件还设有沿所述近指节移动的传动位置调节结构，所述近端传动支路和所述远端传动支路的作用位置随所述传动位置调节结构移动而改变。
3、进一步地，所述传动位置调节结构为绳端滑块，所述绳端滑块沿设于所述近指节内的径向导轨移动；近端腱绳的终端与远端套管的出口共同固定于所述绳端滑块，所述终端与所述出口保持固定间距，所述远端套管的入口固定于所述指根座，远端传动支路中的远端腱绳穿过所述远端套管并连接设于所述远指节的远端驱动臂；所述绳端滑块沿所述径向导轨向所述指根座移动时，使近端有效力臂减小、远端有效力臂增大。
4、进一步地，所述近指节上转动设置有保持摇臂，所述保持摇臂上安装有支承滚轮，所述绳端滑块设有承载肩，所述支承滚轮与所述承载肩配合；所述近指节上设有触压指腹板，所述触压指腹板的推压部仅在所述触压指腹板向内压入时推动所述保持摇臂转动，使所述支承滚轮脱离所述承载肩；所述触压指腹板向外复位时与所述保持摇臂脱离接触。
5、进一步地，所述绳端滑块离开外端复位位置后，所述绳端滑块上的连续导向面与所述保持摇臂或所述支承滚轮形成阻挡配合，限制所述保持摇臂带动所述支承滚轮重新与所述承载肩形成保持配合；滑块复位簧使所述绳端滑块向外端偏置，摇臂复位簧使所述支承滚轮向所述承载肩偏置，指腹复位簧使所述触压指腹板向外偏置。
6、进一步地，所述指根座内设置有输入滑座，所述输入滑座连接所述输入腱绳，所述输入滑座上转动支承有均衡杆；近端输出滑座和远端输出滑座分别连接所述近端传动支路和所述远端传动支路，所述近端输出滑座和所述远端输出滑座沿相互平行的导向路径移动，所述均衡杆通过槽与分别设于所述近端输出滑座和所述远端输出滑座上的销或滚动件传力配合，使所述近端输出滑座和所述远端输出滑座产生不同位移，所述远端输出滑座具有供所述远端传动支路在张力作用下退让的位移余量。
7、进一步地，所述远端套管设有跨越所述近指节运动区域的柔性补偿弯段，所述远端腱绳能够相对所述远端套管双向滑动；所述径向导轨在所述近端腱绳的终端和所述远端套管的出口附近形成分布支承，以承接所述近端腱绳和所述远端套管传入的反力。
8、进一步地，闭合电机和限矩收绳轮组安装于掌架，所述闭合电机驱动所述限矩收绳轮组，所述限矩收绳轮组经设于所述掌部组件的指间均衡杆组向各所述手指组件传递所述输入腱绳的牵引；所述限矩收绳轮组的压紧部件由弹性预紧结构施加轴向预紧，所述压紧部件与轴向限位部位之间保留轴向间隙。
9、进一步地，所述掌部组件设有拇指根部侧摆组件，所述拇指根部侧摆组件的定子组件固定于掌架；中空转轴由轴套支承，根部承载件连接所述中空转轴，拇指指根座固定于所述根部承载件，所述中空转轴带动所述根部承载件绕侧摆轴线转动；固定导管与随动导管在所述中空转轴的轴线处交接，所述随动导管随所述根部承载件转动，拇指输入腱绳沿所述轴线穿过所述固定导管和所述随动导管。
10、本发明还提供一种利用上述机构进行自适应抓握的力矩协同控制方法。抓握时，控制所述共同驱动组件收绳，使所述输入腱绳牵引各所述手指组件向物体靠拢。当任一所述手指组件的所述近指节先接触物体时，该手指组件的所述触压指腹板受压并推动所述保持摇臂，使所述支承滚轮脱离所述承载肩。随后继续收绳，所述绳端滑块沿所述径向导轨向所述指根座移动，改变所述近端传动支路和所述远端传动支路的作用位置，使所述近端有效力臂减小、所述远端有效力臂增大，所述远端传动支路具有供所述远端腱绳在张力作用下退让的位移余量，所述远指节继续包络物体。
11、进一步地，释放物体时控制所述共同驱动组件反向放绳，近端关节复位簧和远端关节复位簧分别使所述近指节和所述远指节伸展，所述绳端滑块在所述滑块复位簧作用下向外端复位；只有在所述绳端滑块回到外端复位位置且所述触压指腹板解除压入时，所述保持摇臂才在所述摇臂复位簧作用下使所述支承滚轮重新与所述承载肩配合，所述触压指腹板持续受压时保持所述绳端滑块的释放状态。
12、本发明的有益效果为：本发明通过传动位置调节结构改变近端传动支路和远端传动支路的作用位置，使近指节先接触物体后，近端有效力臂减小、远端有效力臂增大，从而为远指节继续包络物体提供力矩分配条件。近端腱绳终端与远端套管出口共同固定于绳端滑块，能够通过同一移动结构同步调整两处作用位置。
13、此外，触压指腹板解除绳端滑块的保持，并利用连续导向面限制保持摇臂中途重新进入保持位置，使接触压力短暂回落时绳端滑块仍保持释放状态。物体释放后，只有在绳端滑块回到外端复位位置、触压指腹板解除压入两个条件同时满足时，支承滚轮才重新与承载肩配合，有利于提高传动状态的稳定性。
1.一种人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述传动位置调节结构为绳端滑块，所述绳端滑块沿设于所述近指节内的径向导轨移动；近端腱绳的终端与远端套管的出口共同固定于所述绳端滑块，所述终端与所述出口保持固定间距，所述远端套管的入口固定于所述指根座，远端传动支路中的远端腱绳穿过所述远端套管连接设于所述远指节的远端驱动臂；所述绳端滑块沿所述径向导轨向所述指根座移动时，使近端有效力臂减小、远端有效力臂增大。
3.根据权利要求2所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述近指节上转动设置有保持摇臂，所述保持摇臂上安装有支承滚轮，所述绳端滑块设有承载肩，所述支承滚轮与所述承载肩配合；所述近指节上设有触压指腹板，所述触压指腹板的推压部仅在所述触压指腹板向内压入时推动所述保持摇臂转动，使所述支承滚轮脱离所述承载肩。
4.根据权利要求3所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述绳端滑块离开外端复位位置后，所述绳端滑块上的连续导向面与所述保持摇臂或所述支承滚轮形成阻挡配合，限制所述保持摇臂带动所述支承滚轮重新与所述承载肩形成保持配合；滑块复位簧使所述绳端滑块向外端偏置，摇臂复位簧使所述支承滚轮向所述承载肩偏置，指腹复位簧使所述触压指腹板向外偏置。
5.根据权利要求1所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述指根座内设置有输入滑座，所述输入滑座连接所述输入腱绳，所述输入滑座上转动支承有均衡杆；近端输出滑座和远端输出滑座分别连接所述近端传动支路和所述远端传动支路，所述近端输出滑座和所述远端输出滑座沿相互平行的导向路径移动，所述均衡杆通过槽与分别设于所述近端输出滑座和所述远端输出滑座上的销或滚动件传力配合，使所述近端输出滑座和所述远端输出滑座产生不同位移，所述远端输出滑座具有供所述远端传动支路在张力作用下退让的位移余量。
6.根据权利要求2所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述远端套管设有跨越所述近指节运动区域的柔性补偿弯段，所述远端腱绳能够相对所述远端套管双向滑动；所述径向导轨在所述近端腱绳的终端和所述远端套管的出口附近形成分布支承，以承接所述近端腱绳和所述远端套管传入的反力。
7.根据权利要求1所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，闭合电机和限矩收绳轮组安装于掌架，所述闭合电机驱动所述限矩收绳轮组，所述限矩收绳轮组经设于所述掌部组件的指间均衡杆组向各所述手指组件传递所述输入腱绳的牵引；所述限矩收绳轮组的压紧部件由弹性预紧结构施加轴向预紧，所述压紧部件与轴向限位部位之间保留轴向间隙。
8.根据权利要求1所述的人形机器人仿生灵巧手自适应抓握机构，其特征在于，所述掌部组件设有拇指根部侧摆组件，所述拇指根部侧摆组件的定子组件固定于掌架；中空转轴由轴套支承，根部承载件连接所述中空转轴，拇指指根座固定于所述根部承载件，所述中空转轴带动所述根部承载件绕侧摆轴线转动；固定导管与随动导管在所述中空转轴的轴线处交接，所述随动导管随所述根部承载件转动，拇指输入腱绳沿所述轴线穿过所述固定导管和所述随动导管。
9.一种利用权利要求4所述的机构进行自适应抓握的力矩协同控制方法，其特征在于：
10.根据权利要求9所述的力矩协同控制方法，其特征在于，释放物体时控制所述共同驱动组件反向放绳，近端关节复位簧和远端关节复位簧分别使所述近指节和所述远指节伸展，所述绳端滑块在所述滑块复位簧作用下向外端复位；