專利名稱：一種多自由度欠驅動機械手的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械手，尤其涉及一種多自由度欠驅動機械手。
背景技術：
近幾十年來，關于機器人靈巧手的研究很多，也取得了不錯的成果，機械手一般具有2到5個手指，每個手指有2到4個指節。機械手的形式主要有全驅動機械手和欠驅動機械手，全驅動機械手的驅動數等于自由度數，欠驅動機械手的驅動數少于自由度數，目前欠驅動機械手的研究已經占據了主流。機械手的驅動元件主要有電機、液壓、氣動、記憶合金等幾種方式，通過一些傳動機構來帶動機械手各個指節的運動。作為機器人手臂的執行部件，機械手主要用來抓取物體，具有體積小、靈巧性高、自由度多、控制復雜等特點。一方面， 希望設計的機械手具有較多的自由度，驅動器數相應增加，另一方面，為了減輕機械手的體積、重量以及控制難度，又需要減少驅動器數，這兩者之間存在著一定的矛盾，本發明就是在這種情況下設計的，具有驅動器少、體積小、重量輕、控制簡單、加工簡單、自適應性強等特點。

發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種多自由度欠驅動機械手， 具有自由度多、驅動元件少、控制簡單、加工簡單、體積小、重量輕等特點，為達到上述目的， 本發明采用下述技術方案
一種多自由度欠驅動機械手，包括手掌、拇指、食指、中指、無名指、小指、導繩輪、驅動腱，其特征在于所述食指、中指、無名指、小指通過軸與手掌鉸接，可繞軸轉動。每個手指由 3個指節構成，拇指包括近拇指節、中拇指節、遠拇指節，食指包括近食指節、中食指節、遠食指節，中指包括近中指節、中中指節、遠中指節，無名指包括近無名指節、中無名指節、遠無名指節，小指包括近小指節、中小指節、遠小指節，每個手指的各個指節之間通過一細長簧片連接，簧片通過螺釘固定。腱A與電機輸出軸相連，并穿過第1、第15導繩輪與第2導繩輪固接，腱C 一端與第2導繩輪固接，另一端繞過第7導繩輪并穿過大拇指各指節與遠拇指節固接，腱B —端套在第2導繩輪上，被分成兩段，一段繞過第4、6、5導繩輪與第8導繩輪固接，另一段繞過第3、14導繩輪與第13導繩輪固接，腱D、E套在第7、13導繩輪上經第9、 10、11、12導繩輪穿過各指節并與遠指節固接，大拇指基座與手掌立柱固接。所述手掌內部各導繩輪的布局是基于驅動拇指的力要比較大，在不計較摩擦的情況下，腱C上的力等于電機驅動力，腱B上的力為驅動力的一半，腱D、E上的力為腱B上的一半。所述第1、2、3、4、 5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15導繩輪中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導繩輪連接。 所述手掌形狀為一個無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽以便第8、13、2導繩輪，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節長度相仿，在其間滑動改變行程從而帶動各個指節運動。所述腱D、E不通過各關節的旋轉中心，腱D、E的張力對各關節產生力矩，驅動各指節向安裝有腱D、E的一側彎曲。所述簧片為一細長薄片，所述腱A、B、C、D、E為鋼絲或繩索。所述簧片是在每個指節上放置一個墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、 增加強度。所述第8、13、2導繩輪能夠在各自滑槽內移動，導繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節、中指節和遠指節的端部小孔并最終與遠指節固接。所述各個指節和手掌均為鋁合金或注塑成品。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著進步本發明與現有機械手相比不需要在指節關節處加扭簧。該欠驅動機械手具有傳動機構簡單、 驅動數較少、自由度較多、重量輕、體積小、操作簡單、加工簡單、自適應性較強等優點。


圖1為欠驅動機械手的軸視圖； 圖2為欠驅動機械手的主剖圖3為欠驅動機械手中指主視圖； 圖4為欠驅動機械手大拇指主視圖； 圖5為欠驅動機械手大拇指側視圖。
具體實施例方式下面結合附圖及優選實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構及工作原理。實施例一參見圖1-5，本多自由度欠驅動機械手，包括手掌(37)、拇指(44)、食指 (45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)、導繩輪(2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32， 34，36)、驅動腱(1，6，8，11，四)，其特征在于所述食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指 (48)通過軸(16)與手掌(37)鉸接，可繞軸(16)轉動。每個手指由3個指節構成，拇指(44) 包括近拇指節(39)、中拇指節(40)、遠拇指節(41)，食指(45)包括近食指節(15)、中食指節(18)、遠食指節(21)，中指(46)包括近中指節(19)、中中指節(20)、遠中指節(22)，無名指(47)包括近無名指節(26)、中無名指節(25)、遠無名指節(23)，小指(48)包括近小指節 ( )、中小指節(27)、遠小指節(24)，每個手指的各個指節之間通過一細長簧片連接，簧片通過螺釘固定。腱A (1)與電機輸出軸相連，并穿過第1、第15導繩輪(2，36)與第2導繩輪(3)固接，腱C (8) —端與第2導繩輪(3)固接，另一端繞過第7導繩輪(10)并穿過大拇指各指節與遠拇指節(41)固接，腱B (6) 一端套在第2導繩輪(3)上，被分成兩段，一段繞過第4、6、5導繩輪(5，9，7)與第8導繩輪(11)固接，另一段繞過第3、14導繩輪(4，34)與第13導繩輪(32)固接，腱D、E (11,29)套在第7、13導繩輪(11，32)上經第9、10、11、12 導繩輪(12，14，30,31)穿過各指節并與遠指節固接，大拇指基座與手掌立柱(38)固接。實施例二 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
所述手掌內部各導繩輪的布局是基于驅動拇指的力要比較大，在不計較摩擦的情況下，腱C (8)上的力等于電機驅動力，腱B (6)上的力為驅動力的一半，腱D、E (11，29)上的力為腱 B (6)上的一半。所述第 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 導繩輪(2,3, 4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導繩輪連接。所述手掌(37)形狀為一個無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽(13，33，36)以便第8、 13、2導繩輪(11，32，3)，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節長度相仿，在其間滑動改變行程從而帶動各個指節運動。所述腱D、E (11、29)不通過各關節的旋轉中心，腱D、E (11、29)的張力對各關節產生力矩，驅動各指節向安裝有腱D、E (11、29)的一側彎曲。所述簧片 (43，44)為一細長薄片，所述腱A、B、C、D、E (1，6，8，17，29)為鋼絲或繩索。所述簧片是在每個指節上放置一個墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、增加強度。所述第8、13、2導繩輪(11，32，3)能夠在各自滑槽內移動，其他導繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節、中指節和遠指節的端部小孔并最終與遠指節固接。 所述各個指節(15，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，39，40，41)和手掌(37)均為鋁合金或注塑成品。 本實施例的工作原理，如圖2所示，敘述如下
初始位置如圖(1)所示，此時食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)的各個指節呈一直線，相當于人的手指的伸直狀態。當使用該實施例的機械手抓取物體時，電機(未畫出)轉動帶動驅動腱A (1)，驅動腱A (1)帶動第2導繩輪(3)在滑槽(35)移動，第2導繩輪(3)帶動腱C、B (8，6)，腱C (8)由于一端固定在第2導繩輪(3)上，另一端固定在遠指節 (41)上，將驅動大拇指的各個指節(39、40、41)彎曲，腱B (6)帶動第8、13導繩輪(12，32) 在滑槽(13，33)移動并將力差分給食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)，由于驅動腱D、E (11，29)的一端與第8、13導繩輪(12，32)直接相連，另一端與各手指遠指節固接， 當驅動腱D、E (11，29)在拉力作用下，將克服簧片的作用力，帶動各個指節繞著相應的關節運動，當手指近指節與被抓物體接觸時，近指節將不再轉動，中指節和遠指節將在驅動腱的拉力作用下繼續轉動，當中指節與物體接觸時，中指節不再轉動，遠指節將繼續轉動，直到所有指節都與物體接觸時，對物體形成一個包絡，實現對物體的自適應抓取。當電機反轉時，各驅動腱松弛，各個指節在簧片的作用力下回到伸直狀態。
權利要求
1. 一種多自由度欠驅動機械手，包括手掌(37)、拇指(44)、食指(45)、中指(46)、 無名指(47)、小指(48)、導繩輪(2，3，4，5，7，9，10，11，12，14，30，31，32，34，36)、驅動腱 (1,6,8, 11，四)，其特征在于所述食指(45)、中指(46)、無名指(47)、小指(48)通過軸 (16)與手掌(37)鉸接，可繞軸(16)轉動；每個手指由3個指節構成，拇指(44)包括近拇指節(39)、中拇指節(40)、遠拇指節 (41)，食指(45)包括近食指節(15)、中食指節(18)、遠食指節(21)，中指(46)包括近中指節 (19)、中中指節(20)、遠中指節(22)，無名指(47)包括近無名指節(26)、中無名指節(25)、 遠無名指節(23)，小指(48)包括近小指節(28)、中小指節(27)、遠小指節(24)，每個手指的各個指節之間通過一細長簧片連接，簧片通過螺釘固定；腱A (1)與電機輸出軸相連，并穿過第1、第15導繩輪(2，36)與第2導繩輪(3)固接， 腱C (8) 一端與第2導繩輪(3)固接，另一端繞過第7導繩輪(10)并穿過大拇指各指節與遠拇指節(41)固接，腱B (6) 一端套在第2導繩輪(3)上，被分成兩段，一段繞過第4、6、 5導繩輪(5，9，7)與第8導繩輪(11)固接，另一段繞過第3、14導繩輪(4，34)與第13導繩輪(32)固接，腱D、E (11,29)套在第7、13導繩輪(11，32)上經第9、10、11、12導繩輪 (12，14，30,31)穿過各指節并與遠指節固接，大拇指基座與手掌立柱(38)固接。
2.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述手掌內部各導繩輪的布局是基于驅動拇指的力要比較大，在不計較摩擦的情況下，腱C (8)上的力等于電機驅動力，腱B (6)上的力為驅動力的一半，腱D、E (11，29)上的力為腱B (6)上的一半。
3.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述第1、2、3、4、5、6、 7、8、9、10、11、12、13、14、15 導繩輪(2,3,4,5,7,9,10，11，12，14，30，31，32，34，36)中間外部開有小槽，能夠使腱更好地與導繩輪連接。
4.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述手掌(37)形狀為一個無蓋中空的盒子，手掌底部開有滑槽(13，33，36)以便第8、13、2導繩輪(11，32，3)，滑槽行程在20-35mm之間，與人手指節長度相仿，在其間滑動改變行程從而帶動各個指節運動。
5.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述腱D、E(11,29) 不通過各關節的旋轉中心，腱D、E (11、29)的張力對各關節產生力矩，驅動各指節向安裝有腱D、E (11、29)的一側彎曲。
6.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述簧片(43，44)為一細長薄片，所述腱A、B、C、D、E (1，6，8，17，29)為鋼絲或繩索。
7.據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于各個簧片是在每個指節上放置一個墊塊，然后通過螺釘將墊塊固定至簧片上，墊塊能夠緊固簧片、增加強度。
8.據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于除第8、13、2導繩輪 (11，32，3)能夠在各自滑槽內移動，導繩輪通過鉚釘與手掌固接，各腱在手掌外部依次穿過近指節、中指節和遠指節的端部小孔并最終與遠指節固接。
9.根據權利要求1所述的多自由度欠驅動機械手，其特征在于所述各個指節(15，18， 19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，39，40，41)和手掌(37)均為鋁合金或注塑成品。
全文摘要
本發明涉及一種多自由度欠驅動機械手，它包括手掌、拇指、中指、食指、無名指、小指、導繩輪、簧片、驅動腱等。拇指、食指、中指、無名指、小指等都包括3個指節，各個指節通過簧片連接，簧片通過螺釘與墊塊一起固定在各個指節的背面。各指節由一個電機驅動，通過腱及導繩輪帶動各指節彎曲。該發明具有高度擬人化、自適應性強、重量輕、體積小、結構緊湊、驅動元件少、自由度多、控制容易、加工簡單等優點。
文檔編號B25J15/10GK102528815SQ201210001610
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者何小林, 何斌, 呂海峰, 宋偉, 徐新虎, 曹進濤, 王延剛 申請人:上海大學