直线驱动主动二十二自由度仿人五指灵巧手

本公开涉及机器人，尤其涉及一种直线驱动主动二十二自由度仿人五指灵巧手。

背景技术：

1、仿人灵巧手是外形、自由度和操作能力接近人手的机器人末端执行器，能够完成抓握、捏取、对掌、操作工具以及适应复杂曲面物体等任务，可应用于人形机器人、遥操作机器人、工业服务机器人、假肢以及危险环境作业设备等领域。

2、现有仿人灵巧手常采用腱绳驱动、连杆驱动、齿轮驱动、同步带驱动或欠驱动机构。腱绳驱动能够将驱动器布置于手掌或手腕之外，但腱绳容易出现松弛、磨损、预紧变化和传动迟滞，且多根腱绳在手掌和手腕中的布线复杂，维护难度较高。欠驱动机构可减少驱动器数量，但远端关节通常与近端关节耦合运动，难以实现每个关节自由度的独立控制。

3、对于高自由度仿人五指灵巧手而言，既需要在有限的人手尺寸包络内布置足够数量的驱动器，又需要使各指节和各关节保持接近人手的骨骼比例和转轴位置。若采用传统旋转电机串联、齿轮组或连杆机构，容易导致关节处结构尺寸增大、传力路径曲折或输出效率降低；若采用腱绳远程驱动，又会引入布线、解耦和预紧维护等问题。

4、因此，需要一种新的仿人五指灵巧手结构，使其在仿人尺寸内实现二十二个主动自由度，并通过独立的直线驱动组件直接驱动各关节输出件，以减少中间传动环节，提高控制独立性、响应速度和机械可靠性。

5、现有灵巧手还常将手腕、手掌和手指作为相对独立的机械模块进行堆叠，驱动器、关节和手掌支撑结构未必符合人手腕部、掌部和手指部的连续运动链关系，容易导致结构臃肿、姿态覆盖不足、拇指对掌支撑不足以及多指协同稳定性不足。

6、现有灵巧手的手掌通常主要用作手指和驱动器的固定安装基体，掌面轮廓相对固定，未能充分模拟人手大鱼际区域在拇指对掌和握持过程中的支撑作用。当拇指需要与不同手指形成对掌或操作不同形状物体时，固定手掌难以主动改变掌面支撑形态，限制了可实现的手势姿态和稳定接触区域。

7、此外，现有灵巧手的掌指关节附近多采用刚性壳体或刚性连接结构。掌指关节屈伸时，刚性掌面难以随关节运动发生连续变形，容易在手掌与物体之间形成悬空区域，使手掌在包络抓握和适应不规则物体外形方面的作用不能得到充分发挥。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本公开提供了以下技术方案：

2、第一方面，提供一种直线驱动主动二十二自由度仿人五指灵巧手，包括手掌单元、手腕单元和设置在所述手掌单元的大拇指、食指、中指、无名指和小指；所述手腕单元与所述手掌单元连接；所述大拇指、所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指均具有四个主动自由度，所述手腕单元具有两个主动自由度，以使所述仿人五指灵巧手具有二十二个主动自由度；

3、所述仿人五指灵巧手的每一主动自由度配置有独立的直线驱动组件，以将直线推拉运动转化为对应关节输出件的转动，且任意两个主动自由度的驱动行程相互独立。

4、在一实施例中，所述大拇指的四个主动自由度包括一个侧摆自由度、两个屈伸自由度和一个对掌旋转自由度，所述对掌旋转自由度用于驱动所述大拇指相对于所述手掌单元进行对掌运动。

5、在一实施例中，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指均包括近节、中节和远节；所述近节是指靠近所述手掌单元的指节；所述远节是指远离所述手掌单元的指节；所述中节是指位于所述近节和所述远节之间的指节；

6、所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指中的任一手指各自的四个主动自由度包括位于指根处的一个侧摆自由度以及沿手指延伸方向依次设置的三个屈伸自由度。

7、在一实施例中，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指中各个手指的指根处分别设置有一组尾对尾布置的直线驱动组件；该一组尾对尾布置的直线驱动组件分别用于驱动对应手指的指根侧摆自由度和指根屈伸自由度。

8、在一实施例中，所述直线驱动组件包括无框力矩电机、滚珠丝杠、输出端、滚动滑块和滚道；所述无框力矩电机用于驱动所述滚珠丝杠运动，所述滚珠丝杠用于驱动所述输出端进行直线推拉运动，所述输出端与所述滚动滑块配合，所述滚动滑块与所述滚道配合并带动对应关节输出件转动。

9、在一实施例中，所述直线驱动组件的输出端具有包裹状槽片；所述包裹状槽片为半圆状槽片或弧形槽片；所述滚动滑块与所述滚道之间形成滚动摩擦配合，使所述直线驱动组件通过滚动滑块和滚道将直线运动转化为对应关节输出件的转动。

10、在一实施例中，每一主动自由度的直线驱动组件对应手指的仿人骨骼延伸方向排布，并布置在对应指节或掌骨的外形包络内；所述手腕单元、所述手掌单元和五个手指共同形成连续仿生运动链。

11、在一实施例中，所述直线驱动组件沿接近仿生肌肉或肌腱作用线的方向布置，并以模拟肌肉牵引关节的方式驱动对应关节输出件转动，使所述直线驱动组件的直线推拉方向与对应关节转动方向之间通过包裹状槽片、滚动滑块和滚道形成受约束的力传递路径，以减少传动偏移和无效侧向分力。

12、在一实施例中，所述手腕单元包括万向节结构和两个直线驱动组件；所述两个直线驱动组件的输出端分别与所述万向节结构的不同受力部位配合，所述两个直线驱动组件通过各自的直线推拉运动驱动所述万向节结构绕两个不同方向转动，以实现所述手掌单元相对于前臂连接端的两自由度腕部运动，并为五指抓握、对掌和包络抓取提供近端姿态基础。

13、所述大拇指、所述食指、所述中指、所述无名指、所述小指和所述手腕单元的各主动自由度直接由指向驱动单元驱动。

14、在一实施例中，所述手掌单元包括手掌基体和位于所述大拇指根部一侧的可运动大鱼际掌区；所述手掌基体形成用于承载五个手指的直线驱动模组的中掌支撑结构，并与所述手腕单元共同为所述五个手指的输出力和姿态调整提供近端支撑；

15、所述可运动大鱼际掌区能够相对于所述手掌基体运动，以改变所述手掌单元掌面侧的支撑形态；在所述大拇指进行对掌运动时，所述可运动大鱼际掌区朝向掌心侧形成支撑面，用于与被操作物体接触，以扩大所述大拇指的对掌姿态范围和所述手掌单元的有效抓握区域。

16、在一实施例中，所述大拇指、所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指中的至少一个手指的指尖设置有力传感器或用于安装力传感器的安装部。

17、在一实施例中，所述手掌单元还包括设置于至少一个掌指关节处的柔性掌区，所述柔性掌区由弹性体材料制成，并跨设于所述手掌基体与对应手指根部之间；所述柔性掌区被配置为随对应掌指关节的屈伸运动发生拉伸变形和皱褶变形，以形成随掌指关节姿态变化的柔性接触表面，并在抓握过程中贴合被抓物体的外表面，以增加手掌单元与被抓物体的接触面积、辅助包络抓握并适应不同被抓物体的外形。

18、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

19、本公开实施例提供的直线驱动主动二十二自由度仿人五指灵巧手，包括手掌单元、手腕单元和设置在所述手掌单元的大拇指、食指、中指、无名指和小指；所述手腕单元与所述手掌单元连接；所述大拇指、所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指均具有四个主动自由度，所述手腕单元具有两个主动自由度，以使所述仿人五指灵巧手具有二十二个主动自由度；所述仿人五指灵巧手的每一主动自由度配置有独立的直线驱动组件，以将直线推拉运动转化为对应关节输出件的转动，且任意两个主动自由度的驱动行程相互独立。本实施例中，可以采用直线驱动组件来替代腱绳、连杆、同步带或齿轮组传动，可减少腱绳松弛、磨损、迟滞、预紧变化以及复杂布线带来的维护问题；或者，相较于蜗轮蜗杆、齿轮组或多级连杆传动，该方式传力路径更直接，能够减少传动偏移和无效侧向分力，可以提高传动效率和响应速度。

20、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。