一种模块化灵巧手机械结构的制作方法

1.本实用新型属于机器人技术领域，具体是一种模块化灵巧手机械结构。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，人们越来越渴望从单一重复的机械劳动中解脱出来，在传统劳动密集型生产工作中使用机器人或者部分使用机器人的需求越来越强烈。在机器人研究领域，一个重要的研究方向就是灵巧手的结构设计，也是目前研究的热点。人手上分布着多达20个以上的自由度，如果全部采用电机驱动的方式控制，不但成本昂贵，而且实时控制的要求很高，即使抓取一个简单的物体也需要复杂的传感和控制。为了减小控制的难度，并且保证抓握仍然稳定可靠，一种方法是减少同时工作的电机数量，以保证抓取物体的实时性，但是在减少电机的同时会削弱灵巧手的拟人化效果，难以保证抓取动作的稳定可靠。
3.目前大多数灵巧手使用腱传动这种欠驱动形式，腱驱动只能实现包络式抓握这种柔性抓握方式，适用于体积较大的物体，难以实现指尖捏取和抓取薄片状的物体，而且存在抓握不稳定以及需要预紧的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种模块化灵巧手机械结构。
5.本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：
6.一种模块化灵巧手机械结构，包括手掌、拇指、三根或四根手指；其特征在于，所述拇指包括拇指舵机、拇指基座、拇指基关节、拇指基关节电机、拇指近指节连接座、拇指基关节蜗轮、拇指基关节蜗杆、拇指近指节关节轴、拇指近指节、拇指耦合连接轴一、拇指耦合连接轴二、拇指耦合传动连杆、拇指远指节关节轴和拇指远指节；
7.拇指舵机固定在手掌中部的槽口内，拇指基座的一端固定在拇指舵机的输出轴上，另一端具有折弯部，在拇指舵机的作用下拇指基座能绕着与拇指舵机输出轴的连接点转动；拇指基指节固定在拇指基座的折弯部上，拇指基关节电机嵌在拇指基指节上，拇指基关节电机的输出轴与拇指基关节蜗杆的一端固连；拇指近指节连接座固定在拇指基座的折弯部上，拇指近指节的下端通过拇指近指节关节轴与拇指近指节连接座转动连接，拇指基关节涡轮固定在拇指近指节关节轴上，拇指基关节涡轮与拇指基关节蜗杆啮合；拇指远指节的下端通过拇指远指节连接轴与拇指近指节的上端转动连接；拇指耦合传动连杆的上端转动连接有拇指耦合连接轴二，拇指耦合连接轴二与拇指远指节的下端固连，拇指耦合传动连杆的下端转动连接有拇指耦合连接轴一，拇指耦合连接轴一与拇指近指节连接座固连；拇指近指节关节轴与拇指耦合连接轴一之间、拇指近指节关节轴与拇指远指节连接轴之间、拇指耦合连接轴二与拇指远指节连接轴之间、以及拇指耦合传动连杆共同构成耦合四连杆机构。
8.所述手指包括手指基关节、手指基关节连接座、手指基关节电机、手指基关节蜗
轮、手指基关节蜗杆、近指节关节轴、手指近指节、手指近指节电机、手指近指节蜗轮、手指近指节蜗杆、手指中指节、中指节关节轴、手指远指节、远指节关节轴、手指耦合连接轴一、手指耦合连接轴二和手指耦合传动连杆；
9.所述手指基关节安装在手掌上部，手指基关节电机嵌在手指基关节内，手指基关节连接座固定在手指基关节的上端；手指基关节蜗杆与手指基关节电机的输出轴固连；手指近指节的下端通过近指节关节轴与手指基关节连接座转动连接，手指基关节涡轮固定在近指节关节轴上，手指基关节涡轮与手指基关节蜗杆啮合；
10.手指近指节电机固定在手指近指节上，手指近指节蜗杆与手指近指节电机的输出轴固连；手指中指节的下端通过中指节关节轴与手指近指节的上端转动连接，手指近指节涡轮固定在中指节关节轴上，手指近指节涡轮与手指近指节蜗杆啮合；手指远指节的下端通过远指节关节轴与手指中指节的上端转动连接；手指耦合传动连杆的下端转动连接有手指耦合连接轴一，手指耦合连接轴一与手指中指节的上端固连；手指耦合传动连杆的上端转动连接有手指耦合连接轴二，手指耦合连接轴二与手指远指节的下端固连；中指节关节轴与手指耦合连接轴一之间、中指节关节轴与远指节关节轴之间、远指节关节轴与手指耦合连接轴二之间、以及手指耦合传动连杆共同构成耦合四连杆机构。
11.所述手指基关节电机、手指近指节电机以及拇指基关节电机均采用空心杯电机。
12.所述手指基关节蜗轮、手指基关节蜗杆、手指近指节蜗轮、手指近指节蜗杆、拇指基关节蜗轮、拇指基关节蜗杆的模数均为0.3，手指基关节蜗杆、手指近指节蜗杆和拇指基关节蜗杆的头数为均1，蜗轮蜗杆的减速比均为20。
13.手指近指节长度为30
‑
50mm，手指远指节的长度为22
‑
25mm，手指中指节的长度为手指远指节的1～1.2倍，手指的总长度不超过100mm；各手指直径为18～25mm；拇指远指节的长度为25
‑
45mm，拇指近指节的长度为拇指远指节的1～1.2倍。
14.手指远指节和手指中指节、拇指近指节和拇指远指节之间的传动比均为1：1，中指节关节轴与手指耦合连接轴一之间的中心距离以及远指节关节轴与手指耦合连接轴二之间的中心距离均为5
‑
8mm。
15.该机械结构能够实现拇指指尖与食指中部相配合的捏取、拇指指尖与任意手指指尖相配合的捏取以及整体结构的包络式抓取。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
17.1)灵巧手体积小：本实用新型采用体积较小的空心杯电机，并将驱动指节的电机安装在手掌或相邻的指节内，利用耦合四连杆机构实现远指节的转动，大大减小了灵巧手的体积，本实用新型所述灵巧手机械结构与成年人手大小相当，同时减少了电机的数量。
18.2)灵巧手更加灵活，拟人效果好：本实用新型在手指主动关节(近指节关节)处安装驱动电机，增加灵巧手自由度，使灵巧手可以完成对更多复杂物体的抓握动作。
19.3)灵巧手抓握稳定：在抓握过程中，由手指近指节先靠近抓握对象，手指近指节接触抓握对象后，手指基关节电机停止运行，手指近指节电机开始运行，并带动耦合传动连杆转动，完成对抓握物体的包络动作，抓握范围大，抓握稳定。
20.4)灵巧手实用性强：本实用新型采用模块化设计，拇指部分和手指部分均为独立部分，均可独立装配、驱动，可配合完成侧位捏取、正位捏取、包络式抓握等多种动作，可以实现薄片状、小体积以及较大体积物体的抓握，适用范围更广，而且可根据实际情况调整手
指数量，实用性强。
21.5)手指中指节与手指远指节之间采用连杆传动，控制方便、抓握稳定，传动比可根据实际情况进行调整。本实用新型的灵巧手可以实现抓握、捏取等日常动作，拟人效果好，而且成本低质量轻、实用性强等优点，从而提高灵巧手的商业潜能，满足实际情况的需要。
附图说明
22.图1是本实用新型的整体结构示意图；
23.图2是本实用新型去掉手指盖的结构示意图；
24.图3是本实用新型的拇指沿轴向的剖视图；
25.图4是本实用新型的手指沿轴向的剖视图；
26.图5是本实用新型实现侧位捏取动作的状态示意图；
27.图6是本实用新型实现正位捏取动作的状态示意图；
28.图7是本实用新型实现包络式抓取动作的状态示意图；
29.图中：1
‑
手掌；2
‑
拇指；3
‑
手指；
30.11
‑
支撑基体；12
‑
手掌盖；
31.21
‑
拇指舵机；22
‑
拇指基座；23
‑
拇指基指节；24
‑
拇指基关节电机；25
‑
拇指近指节连接座；26
‑
拇指基关节蜗轮；27
‑
拇指基关节蜗杆；28
‑
拇指近指节关节轴；29
‑
拇指近指节；210
‑
拇指耦合连接轴一；211
‑
拇指耦合连接轴二；212
‑
拇指耦合传动连杆；213
‑
拇指远指节关节轴；214
‑
拇指远指节；
32.31
‑
手指基关节；32
‑
手指基关节连接座；33
‑
手指基关节电机；34
‑
手指基关节蜗轮；35
‑
手指基关节蜗杆；36
‑
近指节关节轴；37
‑
手指近指节；38
‑
手指近指节电机；39
‑
手指近指节蜗轮；310
‑
手指近指节蜗杆；311
‑
手指中指节；312
‑
中指节关节轴；313
‑
手指远指节；314
‑
远指节关节轴；315
‑
手指耦合连接轴一；316
‑
手指耦合连接轴二；317
‑
手指耦合传动连杆。
具体实施方式
33.下面结合具体附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细介绍，并不用于限定本技术的保护范围。
34.本实用新型为一种模块化灵巧手机械结构(简称灵巧手，参见图1
‑
7)，包括手掌、拇指、三根或四根手指；包括三根手指时，分别为食指、中指和无名指，由于手在完成抓握或捏取等动作时，小指只是起到辅助作用，就实现机械手的基本功能而言，省略小指可以降低成本；包括四根手指时，分别为食指、中指、无名指和小指；
35.所述拇指包括拇指舵机21、拇指基座22、拇指基指节23、拇指基关节电机24、拇指近指节连接座25、拇指基关节蜗轮26、拇指基关节蜗杆27、拇指近指节关节轴28、拇指近指节29、拇指耦合连接轴一210、拇指耦合连接轴二211、拇指耦合传动连杆212、拇指远指节关节轴213和拇指远指节214；
36.拇指舵机21固定在手掌1上，拇指舵机21的输出端位于手掌1中部的槽口内；拇指基座22的一端固定在拇指舵机21的输出轴上，另一端具有折弯部，折弯部伸出手掌1的槽口外；拇指基指节23固定在拇指基座22的折弯部上，拇指基关节电机24嵌在拇指基指节23上，
拇指基关节电机24的输出轴通过顶丝与拇指基关节蜗杆27的一端固连；拇指近指节连接座25固定在拇指基座22的折弯部上，拇指近指节29的下端通过拇指近指节关节轴28与拇指近指节连接座25转动连接，拇指基关节涡轮26固定在拇指近指节关节轴28上，拇指基关节涡轮26与拇指基关节蜗杆27啮合；拇指远指节214的下端通过拇指远指节连接轴213与拇指近指节29的上端转动连接；拇指耦合传动连杆212的上端转动连接有拇指耦合连接轴二211，拇指耦合连接轴二211与拇指远指节214的下端固连，拇指耦合传动连杆212的下端转动连接有拇指耦合连接轴一210，拇指耦合连接轴一210与拇指近指节连接座25固连；拇指近指节关节轴28与拇指耦合连接轴一210之间、拇指近指节关节轴28与拇指远指节连接轴213之间、拇指耦合连接轴二211与拇指远指节连接轴213之间、以及拇指耦合传动连杆212共同构成耦合四连杆机构，在拇指近指节29转动的同时，通过拇指耦合传动连杆212被动带动拇指远指节214转动；
37.通过拇指舵机21带动拇指基座22在水平面上转动，实现拇指相对于手掌的转动；拇指基关节电机24通过拇指基关节涡轮26和拇指基关节蜗杆27使拇指近指节关节轴28转动，实现拇指近指节29相对于拇指基指节23的转动，由于拇指耦合传动连杆212的两端均为固定连接，因此当拇指近指节29转动到一定角度后，带动拇指远指节214转动，实现拇指远指节214的被动运动；
38.所述手指3包括手指基关节31、手指基关节连接座32、手指基关节电机33、手指基关节蜗轮34、手指基关节蜗杆35、近指节关节轴36、手指近指节37、手指近指节电机38、手指近指节蜗轮39、手指近指节蜗杆310、手指中指节311、中指节关节轴312、手指远指节313、远指节关节轴314、手指耦合连接轴一315、手指耦合连接轴二316和手指耦合传动连杆317；
39.所述手指基关节31安装在手掌1上部，手指基关节电机33嵌在手指基关节31内，手指基关节连接座32固定在手指基关节31的上端；手指基关节蜗杆35通过顶丝与手指基关节电机33的输出轴固连；手指近指节37的下端通过近指节关节轴36与手指基关节连接座32转动连接，手指基关节涡轮34固定在近指节关节轴36上，手指基关节涡轮34与手指基关节蜗杆35啮合；
40.手指近指节电机38固定在手指近指节37上，手指近指节蜗杆310通过顶丝与手指近指节电机38的输出轴固连；手指中指节311的下端通过中指节关节轴312与手指近指节37的上端转动连接，手指近指节涡轮39固定在中指节关节轴312上，手指近指节涡轮39与手指近指节蜗杆310啮合；
41.手指远指节313的下端通过远指节关节轴314与手指中指节311的上端转动连接；手指耦合传动连杆317的下端转动连接有手指耦合连接轴一315，手指耦合连接轴一315与手指中指节311的上端固连；手指耦合传动连杆317的上端转动连接有手指耦合连接轴二316，手指耦合连接轴二316与手指远指节313的下端固连；中指节关节轴312与手指耦合连接轴一315之间、中指节关节轴312与远指节关节轴314之间、远指节关节轴314与手指耦合连接轴二316之间、以及手指耦合传动连杆317共同构成耦合四连杆机构，在手指中指节311转动的同时，通过手指耦合传动连杆317被动实现手指远指节313的转动；
42.手指基关节电机33通过手指基关节蜗杆35和手指基关节蜗轮34实现手指近指节37的转动；手指近指节电机38通过手指近指节蜗杆310和手指近指节蜗轮39实现手指中指节311转动，由于手指耦合传动连杆317的两端均为固定连接，因此在手指中指节311转动到
一定角度后，带动手指远指节313转动，实现手指远指节313的被动运动。
43.所述手掌1包括支撑基体11和手掌盖12，手掌盖12与支撑基体11通过螺纹连接；支撑基体11的中部设有槽口，拇指舵机21和手指基关节31均固定在支撑基体11上；各个电机的控制导线从支撑基体11的导线孔中引出。
44.本实施例中，所述手指基关节电机33、手指近指节电机38以及拇指基关节电机24均采用直径为φ10的空心杯电机。
45.本实施例中，所述手指基关节蜗轮34、手指基关节蜗杆35、手指近指节蜗轮39、手指近指节蜗杆310、拇指基关节蜗轮26、拇指基关节蜗杆27的模数均为0.3，手指基关节蜗杆35、手指近指节蜗杆310和拇指基关节蜗杆27的头数为均1，蜗轮蜗杆的减速比均为20；头数为1的蜗杆具有自锁性，使得手指运动更加可靠。
46.本实施例中，所述近指节关节轴36、中指节关节轴312、远指节关节轴314、拇指近指节关节轴28、拇指远指节关节轴23均采用长度为20mm，直径为2mm的光轴。
47.本实施例中，所述手指耦合连接轴一315、手指耦合连接轴二316、拇指耦合连接轴一24和拇指耦合连接轴二25均采用长度为15mm，直径为2mm的光轴。
48.本实施例中，根据人手手指各指节的长度得出该灵巧手机械结构各指节长度为：手指近指节37长度为30
‑
50mm，手指远指节313的长度为22
‑
25mm，手指中指节311的长度为手指远指节313的1～1.2倍，手指的总长度不超过100mm；各手指直径为18～25mm；拇指远指节214的长度为25
‑
45mm，拇指近指节29的长度为拇指远指节214的～1.2倍。
49.由于人手完成抓握动作时，手指远指节和手指中指节的传动比为1：1，手指远指节313与手指中指节311以及拇指近指节29与拇指远指节214之间的相对转动均采用连杆传动，传动比均为1:1，然后根据手指远指节313和手指中指节311的长度和直径确定中指节关节轴312与手指耦合连接轴一315之间的中心距离以及远指节关节轴314与手指耦合连接轴二316之间的中心距离均为5
‑
8mm，最后计算手指耦合传动连杆317，使得手指结构的拟人化程度更高。
50.本实用新型的工作原理和工作流程是：
51.手指初始状态：拇指舵机21位于0度位置(不工作)，拇指近指节29与手掌1共面，手指近指节37与手掌1之间的夹角为180
°
，手指中指节311与手指远指节313的夹角为180
°
，且手指中指节311与手指近指节37呈170度夹角(人体手指自然伸长时中指节与近指节之间存在夹角)。
52.侧位捏取动作：作为食指的手指工作，手指近指节电机38转动，带动手指近指节蜗杆310一起运动，带动手指近指节涡轮39转动，进而带动手指中指节311正向转动(以朝向手掌内侧为正)，此时手指中指节311为主动杆，带动手指耦合传动连杆317正向运动，驱动手指远指节313绕远指节关节轴314转动，实现手指远指节313的正向转动；同时，保持拇指舵机21在0度位置，驱动拇指基关节电机24转动，带动拇指基关节蜗杆27转动，使拇指基关节蜗轮26转动，使拇指近指节29绕拇指近指节关节轴28正向转动，此时拇指近指节29为主动杆，带动拇指耦合传动连杆212正向转动，驱动拇指远指节214绕拇指远指节关节轴23正向转动，直到捏紧被抓握对象，完成利用拇指指尖和食指中部实现的捏取动作，此动作可以捏取薄片状物体。
53.正位捏取动作：作为食指的手指工作，手指基关节电机33开始转动，带动手指基关
节蜗杆35一起转动，使手指基关节蜗轮34转动，进而带动手指近指节37绕近指节关节轴36转动，带动整根手指正向转动；同时手指近指节电机38转动，带动手指近指节蜗杆310一起运动，使手指近指节涡轮39转动，带动手指中指节311正向运动，此时手指中指节311为主动杆，带动手指耦合传动连杆317正向运动，驱动手指远指节313绕远指节关节轴314转动，实现手指远指节313的正向转动，直到手指远指节313的指尖与被抓握对象接触；同时，根据被抓握物体的形状与大小驱动拇指舵机21的输出轴朝向手掌心的方向转动至合适位置，驱动拇指基关节电机24转动，带动拇指基关节蜗杆27转动，使拇指基关节蜗轮26转动，带动拇指近指节29绕拇指近指节关节轴28正向转动，此时拇指近指节29为主动杆，带动拇指耦合传动连杆212正向转动，驱动拇指远指节214绕拇指远指节关节轴23正向转动，直到拇指远指节214捏紧目标对象，完成利用拇指指尖和食指指尖实现的捏取动作，此动作可以捏取较小物体。
54.包络式抓握动作：所有手指都工作，手指基关节电机33开始转动，带动手指基关节蜗杆35一起转动，使手指基关节蜗轮34转动，进而带动手指近指节37绕近指节关节轴36转动，当手指近指节37接触被抓握对象后，手指基关节电机33停止转动；然后手指近指节电机38转动，带动手指近指节蜗杆310一起运动，使手指近指节涡轮39转动，带动手指中指节311正向运动，此时手指中指节311为主动杆，带动手指耦合传动连杆317正向运动，驱动手指远指节313绕远指节关节轴314转动，实现手指远指节313的正向转动，直到手指远指节313也接触被抓握物体，保证抓握稳定；同时，根据被抓握物体的形状与大小驱动拇指舵机21的输出轴朝向手掌心的方向转动至合适位置，驱动拇指基关节电机24转动，带动拇指基关节蜗杆27转动，使拇指基关节蜗轮26转动，带动拇指近指节29绕拇指近指节关节轴28正向转动，此时拇指近指节29为主动杆，带动拇指耦合传动连杆212正向转动，驱动拇指远指节214绕拇指远指节关节轴23正向转动，直到握紧被抓握物体，实现整个手的包络式抓握动作，完成较大物体的抓握。
55.本实用新型未述及之处适用于现有技术。