專利名稱：一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿人假肢手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
目前，為了減少驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目，目前研制的仿人假肢手指主要有耦合手指、自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指(常稱欠驅(qū)動(dòng)手指)，以及耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指。各種機(jī)器人手指的優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)介如下耦合手指的特點(diǎn)是通常只具有一個(gè)自由度，手指的各個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并按一定的比例同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是各關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)彎曲的過(guò)程與人手指抓取物體的過(guò)程類·似，即具有擬人化的特征；不足之處在于，當(dāng)手指的某一個(gè)指節(jié)接觸到物體后，其余指節(jié)不能再進(jìn)一步地彎曲以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的包絡(luò)抓取，即不具備自適應(yīng)性。自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指的特點(diǎn)是當(dāng)手指未接觸物體時(shí)，手指的各個(gè)指節(jié)作為一個(gè)直立的整體由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，而當(dāng)靠近根部的指節(jié)接觸物體后，后續(xù)指段能繼續(xù)被驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)彎曲……直到末端指節(jié)包絡(luò)物體。如美國(guó)發(fā)明專利US5762390A，巧妙地采用四連桿機(jī)構(gòu)加彈性元件的方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手指的欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)功能特點(diǎn)。其應(yīng)用的彈性元件既能保證手指在無(wú)動(dòng)作時(shí)具有穩(wěn)定的初始形態(tài)，又能暫時(shí)地約束四連桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)自由度，使手指的各個(gè)指節(jié)在動(dòng)作過(guò)程中接觸物體前能夠?qū)崿F(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)，接觸物體后其余指節(jié)又能完成對(duì)被抓物體的自適應(yīng)包絡(luò)抓取。但是，這種欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)械手指裝置不具備擬人化的運(yùn)動(dòng)特征手指的各個(gè)指節(jié)在未接觸物體時(shí)作為一個(gè)“僵硬”的整體被驅(qū)動(dòng)，不具有耦合運(yùn)動(dòng)功能，不能完成人手的空手“握拳”等動(dòng)作。耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指融合了耦合手指和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指的特點(diǎn)當(dāng)手指未接觸物體時(shí)，各個(gè)指節(jié)間可耦合運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)一個(gè)擬人化的運(yùn)動(dòng)特征，且能加快靠近物體的速度；當(dāng)手指的某個(gè)指節(jié)碰觸物體后，后續(xù)指節(jié)可繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到包絡(luò)物體、實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的穩(wěn)定抓取。已有的一種耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，如中國(guó)發(fā)明專利CNlO 1722514B，能較好地實(shí)現(xiàn)人手指的耦合自適應(yīng)特征。但其不足之處在于耦合的時(shí)候難以實(shí)現(xiàn)人手一樣大(三個(gè)指節(jié)可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90° )的運(yùn)動(dòng)空間,尤其是當(dāng)近指節(jié)和中指節(jié)在一開(kāi)始運(yùn)動(dòng)就被物體阻擋時(shí)，遠(yuǎn)指節(jié)很難運(yùn)動(dòng)到極限位置以完成對(duì)物體的包絡(luò)抓取，會(huì)引發(fā)抓取不穩(wěn)定問(wèn)題。再者，已有的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手裝置，手指都只采用連桿機(jī)構(gòu)/電機(jī)或者滑輪繩索/電機(jī)等單一的機(jī)械傳動(dòng)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這些裝置由于機(jī)械延遲等問(wèn)題，具有對(duì)外界刺激響應(yīng)不夠靈敏的缺點(diǎn)，工作過(guò)程中，當(dāng)受到瞬間的外界干擾，例如抓握桌子上的杯子，突然拿起時(shí)，由于受到重力影響，容易出現(xiàn)抓取失穩(wěn)的問(wèn)題，即普通機(jī)械手不具備人手手指的防滑快速抓取功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置。該裝置擁有主、次兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)和連桿超越機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)擬人化抓取運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)配合彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)耦合欠驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)的多模式抓取動(dòng)作，極大的提高了仿人假肢手的抓取運(yùn)動(dòng)空間。次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由該裝置特有的微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)仿人手指裝置的快速反射。當(dāng)包絡(luò)抓取的物體受到外部干擾時(shí)，快速地輸出一個(gè)指向被抓物體內(nèi)部的抓取力，補(bǔ)償主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力與位移的輸出，直到主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做出調(diào)整。次運(yùn)動(dòng)具有毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，總體可以實(shí)現(xiàn)擬人化的快速反射運(yùn)動(dòng)、防滑穩(wěn)定抓取功能。此外，特有連桿超越機(jī)構(gòu)，保證了遠(yuǎn)指節(jié)的抓取空間。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置由基座、近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)組成，特有主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)和連桿超越機(jī)構(gòu)。一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器、小傘齒輪、大傘齒輪、近關(guān)節(jié)軸、中關(guān)節(jié)軸、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸以及近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指 節(jié)中的連桿、軸和彈性元件；所述的電機(jī)與基座固接，電機(jī)的輸出軸與所述的減速器的輸入軸連接，減速器的輸出軸與所述的小傘齒輪連接，小傘齒輪與所述大傘齒輪嚙合，大傘齒輪與所述的近關(guān)節(jié)軸采用鍵連接，所述的近指節(jié)與基座通過(guò)近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)與近指節(jié)通過(guò)中關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近關(guān)節(jié)軸、中關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的軸線相互平行。該具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)中的連桿、軸和彈性元件還包括近關(guān)節(jié)連桿、近關(guān)節(jié)連桿軸、近指節(jié)傳動(dòng)連桿、中關(guān)節(jié)連桿、中關(guān)節(jié)連桿軸、中指節(jié)傳動(dòng)連桿、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸、近指節(jié)彈性耦合連桿、近指節(jié)耦合桿軸、剛性耦合桿軸、中指節(jié)剛性耦合連桿、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸、鎖死機(jī)構(gòu)、近關(guān)節(jié)扭簧、中關(guān)節(jié)扭簧、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧。所述的近關(guān)節(jié)連桿一端與近關(guān)節(jié)軸固接，近關(guān)節(jié)連桿的另一端通過(guò)近關(guān)節(jié)連桿軸與所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，近指節(jié)傳動(dòng)連桿的另一端通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸與所述的中關(guān)節(jié)連桿一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中關(guān)節(jié)連桿的另一端與所述的中關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近指節(jié)彈性耦合連桿一端與基座通過(guò)近指節(jié)耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，近指節(jié)彈性耦合連桿的另一端與中關(guān)節(jié)連桿通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿一端與中關(guān)節(jié)連桿通過(guò)過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)傳動(dòng)連桿的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的中指節(jié)剛性耦合連桿一端與近指節(jié)上的剛性耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)剛性耦合連桿的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)上的半圓滑槽通過(guò)遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的近關(guān)節(jié)扭簧的兩端分別連接近指節(jié)和近關(guān)節(jié)連桿，所述的中關(guān)節(jié)扭簧的兩端分別連接中指節(jié)和中關(guān)節(jié)連桿，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧兩端分別連接遠(yuǎn)指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)稱合桿軸。所述的近關(guān)節(jié)軸、近關(guān)節(jié)連桿軸、中關(guān)節(jié)軸、中關(guān)節(jié)連桿軸、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、近指節(jié)耦合桿軸、剛性耦合桿軸、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸的軸線相互平行，且滿足如下的位置關(guān)系設(shè)近關(guān)節(jié)軸軸線與中關(guān)節(jié)軸軸線所在平面為A，中關(guān)節(jié)軸軸線與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸軸線所在平面為B，則近關(guān)節(jié)連桿軸和中關(guān)節(jié)連桿軸在平面A的同側(cè),近指節(jié)稱合桿軸位于平面A的另一側(cè)；中關(guān)節(jié)連桿軸和剛性耦合桿軸分別位于平面B的兩側(cè)。本發(fā)明所述的近關(guān)節(jié)扭簧、中關(guān)節(jié)扭簧，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧，也可以采用拉簧、壓簧、片簧或板簧；所述的近關(guān)節(jié)扭簧的剛度較小，用以維持手指動(dòng)作前各指節(jié)的初始形態(tài)；所述的耦合連桿拉簧的剛度比近關(guān)節(jié)扭簧的剛度稍大。所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧的剛度也較小，僅用于促使遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸回位。本發(fā)明所述的彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)包含了近指節(jié)彈性耦合連桿、鎖死機(jī)構(gòu)、伸縮滑槽、彈性滑槽和耦合連桿拉簧。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，普通連桿可以在伸縮滑槽中自由滑動(dòng)，即耦合連桿拉簧失效，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式，只有在近指節(jié)碰到物體時(shí)后，中指節(jié)才會(huì)相對(duì)于近指節(jié)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)工作時(shí)，普通連桿只能在耦合連桿拉簧的作用下在彈性滑槽中滑動(dòng)，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式。本發(fā)明所述的連桿超越機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)指節(jié)、中指節(jié)傳動(dòng)連桿、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸、中指節(jié)剛性耦合連桿、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸以及遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧組成。所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸在特定狀態(tài)下可接觸到遠(yuǎn)指節(jié)上的擋塊，中指節(jié)剛性耦合連桿與遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸的另一端固定在遠(yuǎn)指節(jié)的半圓滑槽中。遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧安裝在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，兩端分別連接中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧的作用是提供彈力保持遠(yuǎn)指節(jié)形態(tài)和復(fù)位。 所述的耦合桿軸安裝在遠(yuǎn)指節(jié)的半圓滑槽中，可以推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)往抓握方向旋轉(zhuǎn)。連桿超越機(jī)構(gòu)可以克服普通耦合欠驅(qū)動(dòng)手的不足，當(dāng)中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)未碰到物體時(shí)，中指節(jié)剛性耦合連桿比中指節(jié)傳動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)速度快，中指節(jié)傳動(dòng)連桿接觸不到擋塊，即形成中指節(jié)剛性耦合連桿的超越，帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)耦合運(yùn)動(dòng)；當(dāng)近指節(jié)和中指節(jié)碰到物體而遠(yuǎn)指節(jié)未碰到物體，此時(shí)中指節(jié)剛性耦合連桿被卡死，而中指節(jié)傳動(dòng)連桿會(huì)繼續(xù)繞中關(guān)節(jié)連桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸觸碰到遠(yuǎn)指節(jié)上的擋塊，繼而推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)對(duì)物體的進(jìn)一步包絡(luò)抓取動(dòng)作，即形成中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的超越。該具有一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，特別涉及一種具有快速反應(yīng)、防滑抓取功能的次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。抓握是否穩(wěn)定由安裝于中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)上的滑動(dòng)傳感器檢測(cè)判斷，微驅(qū)動(dòng)器安裝于近指節(jié)傳動(dòng)連桿以及中指節(jié)傳動(dòng)連桿中，若手指與物體有相對(duì)滑動(dòng)，則微驅(qū)動(dòng)器工作快速伸長(zhǎng)或縮短。由于電機(jī)具有自鎖功能，近指節(jié)傳動(dòng)連桿中的微驅(qū)動(dòng)器輸出的力全部作用于中關(guān)節(jié)連桿軸上使其快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)快速地輸出一個(gè)指向被抓物體內(nèi)部的抓取力或者位移，形成對(duì)物體的進(jìn)一步自適應(yīng)包絡(luò)抓取，補(bǔ)償主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力與位移的輸出。同理，當(dāng)中指節(jié)傳動(dòng)連桿推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)上的擋塊時(shí)，中指節(jié)傳動(dòng)連桿中的微驅(qū)動(dòng)器也可快速輸出一個(gè)力作用于遠(yuǎn)指節(jié)上的擋塊，帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)快速輸出一個(gè)指向被抓物體內(nèi)部的力或者位移，補(bǔ)償遠(yuǎn)指節(jié)端抓取的力或位移輸出。微驅(qū)動(dòng)器可以單獨(dú)安裝在近指節(jié)傳動(dòng)連桿中，此時(shí)中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)具備快速反射功能；也可安裝在近指節(jié)傳動(dòng)連桿和近指節(jié)傳動(dòng)連桿中，此時(shí)反射運(yùn)動(dòng)效果最好，同時(shí)可以增大手指的力輸出，提高假肢手的抓取力。所述的微驅(qū)動(dòng)器可采用記憶合金、靜電、超磁致伸縮、壓電陶瓷或者其他微驅(qū)動(dòng)元件制造，在通電狀態(tài)下，可以輸出一定的位移與較大的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器是超磁致伸縮等工作時(shí)伸長(zhǎng)的材料時(shí)，可直接嵌入在傳動(dòng)連桿中。當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器是記憶合金絲等工作時(shí)縮短長(zhǎng)度的材料時(shí)，所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿以及中指節(jié)傳動(dòng)連桿涉及一種微驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)?；钊着c傳動(dòng)連桿的一端固定，另一端傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)滑塊在活塞缸中滑動(dòng)，滑塊上綁定微驅(qū)動(dòng)器的一端，而微驅(qū)動(dòng)器另一端固定在活塞缸靠近伸長(zhǎng)滑塊傳動(dòng)連桿的末端。當(dāng)微驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器縮短的長(zhǎng)度即為活塞缸移動(dòng)的距離，亦是傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)位移量。本發(fā)明所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，所述的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或者其他帶有自鎖裝置的電機(jī)，并在所述的電機(jī)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)編碼器。本發(fā)明所述的近關(guān)節(jié)連桿和中關(guān)節(jié)連桿上安裝有力矩/轉(zhuǎn)角傳感器。所述的滑覺(jué)傳感器安裝在中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的前蓋板上。本發(fā)明所述的鎖死機(jī)構(gòu)，可以由微驅(qū)動(dòng)器與放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可以由電磁鐵等其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果本發(fā)明的彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)在近指節(jié)彈性耦合連桿上安裝有鎖死機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置抓取的多模式化。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)抓取模式，有利于大平面物體的抓握。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)手指接觸物體前三個(gè)指節(jié)間的擬人化耦合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有利于包絡(luò)物體，并可以對(duì)物體實(shí)現(xiàn)捏持抓取；·當(dāng)手指的前級(jí)指節(jié)接觸物體后，由于近指節(jié)彈性耦合連桿的可彈性拉伸功能，后續(xù)指節(jié)可采用欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)方式抓取物體，自動(dòng)適應(yīng)被抓物體的形狀和大小，可對(duì)物體進(jìn)行完全包絡(luò)握持抓取，實(shí)現(xiàn)了手指耦合欠驅(qū)動(dòng)抓取和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)抓取融為一體的功能，這極大的提高了仿人假肢手的抓取運(yùn)動(dòng)空間。本發(fā)明在近指節(jié)傳動(dòng)連桿和中指節(jié)傳動(dòng)連桿中安裝有微驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)被主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包絡(luò)抓取的物體受到外部干擾時(shí)，快速地輸出一個(gè)指向被抓物體內(nèi)部的抓取力或者位移，對(duì)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，直到主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做出調(diào)整，由于微驅(qū)動(dòng)器擁有毫秒級(jí)的快速響應(yīng)輸出，可以實(shí)現(xiàn)擬人化的反射運(yùn)動(dòng)、防滑穩(wěn)定抓取功能。


圖I是本發(fā)明具體實(shí)施方案的三維外觀圖。圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方案的側(cè)視圖(隱去右側(cè)蓋板、前后蓋板，局部剖視傳動(dòng)連桿和近指節(jié)彈性耦合連桿)，也是也是圖I彎曲狀態(tài)的右視圖。圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方案的側(cè)視圖(隱去左側(cè)蓋板、前后蓋板和基座)，也是圖I彎曲狀態(tài)的左視圖。圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方案的側(cè)視圖，也是圖I的正視5A是本發(fā)明具體實(shí)施方案的連桿超越機(jī)構(gòu)的三維立體圖(中指節(jié)剛性耦合連桿超越時(shí))。圖5B是本發(fā)明具體實(shí)施方案的連桿超越機(jī)構(gòu)的三維立體圖(中指節(jié)傳動(dòng)連桿超越時(shí))。圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方案的微驅(qū)動(dòng)器活塞結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程示意圖(半剖活塞缸)。圖7是本發(fā)明具體實(shí)施方案自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式抓取過(guò)程的示意圖(未觸碰物體時(shí))。圖8是本發(fā)明具體實(shí)施方案自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式抓取過(guò)程的示意圖(碰到物體時(shí))。圖9是本發(fā)明具體實(shí)施方案耦合欠驅(qū)動(dòng)模式抓取過(guò)程的示意圖(未觸碰物體時(shí))。圖10是本發(fā)明具體實(shí)施方案抓取物體過(guò)程的示意圖(遠(yuǎn)指節(jié)先碰觸物體時(shí))。
圖11是本發(fā)明具體實(shí)施方案抓取物體過(guò)程的示意圖(中指節(jié)先碰觸物體時(shí))。圖12是本發(fā)明具體實(shí)施方案抓取物體過(guò)程的示意圖(近指節(jié)先碰觸物體時(shí))。圖13是本發(fā)明具體實(shí)施方案切換抓取模式的示意圖(從自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)抓取模式切換到耦合欠驅(qū)動(dòng)抓取模式)。圖14是本發(fā)明具體實(shí)施方案捏持抓取示意圖(自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式)圖15是本發(fā)明具體實(shí)施方案握持抓取示意圖(耦合欠驅(qū)動(dòng)模式)圖16是本發(fā)明具體實(shí)施方案防滑抓取過(guò)程示意圖(快速反射時(shí))。

圖17是本發(fā)明具體實(shí)施方案放開(kāi)物體過(guò)程示意圖。圖18是是本發(fā)明具體實(shí)施方案控制原理圖。圖I至圖18中，各數(shù)字與構(gòu)件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下1.基座2.近指節(jié)3.中指節(jié)4.遠(yuǎn)指節(jié)5.電機(jī)6.減速器7.小傘齒輪8.大傘齒輪9.近關(guān)節(jié)軸10.近關(guān)節(jié)連桿11.近關(guān)節(jié)連桿軸12.近指節(jié)傳動(dòng)連桿13.中關(guān)節(jié)軸14.中關(guān)節(jié)連桿15.中關(guān)節(jié)連桿軸16.中指節(jié)傳動(dòng)連桿17.遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸18.遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸19.近指節(jié)彈性耦合連桿20.近指節(jié)耦合桿軸21.剛性耦合桿軸22.中指節(jié)剛性耦合連桿23.遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸24.伸縮滑槽25.彈性滑槽26.鎖死機(jī)構(gòu)27.微驅(qū)動(dòng)器28.活塞缸29.近關(guān)節(jié)扭簧30.中關(guān)節(jié)扭簧31.遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧32.耦合連桿拉簧33.旋轉(zhuǎn)編碼器34.力矩/轉(zhuǎn)角傳感器35.滑覺(jué)傳感器36.半圓滑槽37.擋塊38.主控板39.微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)板40.仿人手指裝置41.物體。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的實(shí)施例，其具體結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)三維圖、側(cè)視圖、正視圖如圖I至圖4所示。本實(shí)施例由基座I、近指節(jié)2、中指節(jié)3、遠(yuǎn)指節(jié)4組成，擁有主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)和連桿超越機(jī)構(gòu)。其中主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)5、減速器6、小傘齒輪7、大傘齒輪8、近關(guān)節(jié)軸9、中關(guān)節(jié)軸13、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18以及近指節(jié)2、中指節(jié)3、遠(yuǎn)指節(jié)4中的連桿、軸和彈性元件；所述的電機(jī)5與基座I固接，電機(jī)5的輸出軸與所述的減速器6的輸入軸連接，減速器6的輸出軸與所述的小傘齒輪7連接，小傘齒輪7與所述大傘齒輪8嚙合，大傘齒輪8與所述的近關(guān)節(jié)軸9采用鍵連接，所述的近指節(jié)2與基座I通過(guò)近關(guān)節(jié)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)3與近指節(jié)2通過(guò)中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)3與遠(yuǎn)指節(jié)4通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近關(guān)節(jié)軸9、中關(guān)節(jié)軸13和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18的軸線相互平行。近指節(jié)2、中指節(jié)3、遠(yuǎn)指節(jié)4中的連桿、軸和彈性元件還包括近關(guān)節(jié)連桿10、近關(guān)節(jié)連桿軸11、近指節(jié)傳動(dòng)連桿12、中關(guān)節(jié)連桿14、中關(guān)節(jié)連桿軸15、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、近指節(jié)彈性耦合連桿19、近指節(jié)耦合桿軸20、剛性耦合桿軸21、中指節(jié)剛性耦合連桿22、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23、伸縮滑槽24、彈性滑槽28、近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31、耦合連桿拉簧32、旋轉(zhuǎn)編碼器33、力矩/轉(zhuǎn)角傳感器34、滑覺(jué)傳感器35。本實(shí)施例中，所述的近關(guān)節(jié)連桿10 —端與近關(guān)節(jié)軸9固接,近關(guān)節(jié)連桿10的另一端通過(guò)近關(guān)節(jié)連桿軸11與所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿12的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接,近指節(jié)傳動(dòng)連桿12的另一端通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15與所述的中關(guān)節(jié)連桿16 —端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中關(guān)節(jié)連桿16的另一端與所述的中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近指節(jié)彈性耦合連桿19 一端與基座I通過(guò)近指節(jié)耦合桿軸20轉(zhuǎn)動(dòng)連接，近指節(jié)彈性耦合連桿19的另一端與中關(guān)節(jié)連桿14通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿16 —端與中關(guān)節(jié)連桿14通過(guò)過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)4通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17轉(zhuǎn)動(dòng)連接,所述的中指節(jié)剛性耦合22連桿一端與近指節(jié)2上的剛性耦合桿軸21轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)剛性耦合連桿22的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)4上的半圓滑槽36通過(guò)遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的近關(guān)節(jié)扭簧29的兩端分別連接近指節(jié)2和近關(guān)節(jié)連桿10，所述的中關(guān)節(jié)扭簧30的兩端分別連接中指節(jié)3和中關(guān)節(jié)連桿14,所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31兩端分別連接遠(yuǎn)指節(jié)4和遠(yuǎn)指節(jié)f禹合桿軸23。本實(shí)施例中，所述的近關(guān)節(jié)軸9、近關(guān)節(jié)連桿軸11、中關(guān)節(jié)軸13、中關(guān)節(jié)連桿軸15、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18、近指節(jié)耦合桿軸20、剛性耦合桿軸21、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23的軸線相互平行，且滿足如下的位置關(guān)系設(shè)近關(guān)節(jié)軸9軸線與中關(guān)節(jié)軸13軸線所在平面為A，中關(guān)節(jié)軸13軸 線與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18軸線所在平面為B，則近關(guān)節(jié)連桿軸11和中關(guān)節(jié)連桿軸15在平面A的同偵牝近指節(jié)耦合桿軸20位于平面A的另一側(cè)；中關(guān)節(jié)連桿軸15和剛性耦合桿軸21分別位于平面B的兩側(cè)。本實(shí)施例中的近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31，也可以采用拉簧、壓簧、片簧或板簧；所述的近關(guān)節(jié)扭簧29的剛度較小，用以維持手指動(dòng)作前各指節(jié)的初始形態(tài)；所述的耦合連桿拉簧32的剛度比近關(guān)節(jié)扭簧29的剛度稍大。所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31的剛度也較小，僅用于促使遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23回位。本實(shí)施例中，所述的彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)包含了近指節(jié)彈性耦合連桿19、鎖死機(jī)構(gòu)
26、伸縮滑槽24、彈性滑槽25和耦合連桿拉簧32。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26不工作時(shí)，普通連桿可以在伸縮滑槽26中自由滑動(dòng)，即耦合連桿拉簧22失效，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式，只有在近指節(jié)2碰到物體41時(shí)，中指節(jié)3才會(huì)相對(duì)于近指節(jié)2旋轉(zhuǎn)；當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26工作時(shí)，普通連桿只能在耦合連桿拉簧32的作用下在彈性滑槽25中滑動(dòng)，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式。本實(shí)施例中，所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，所述的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或者其他帶有自鎖裝置的電機(jī)，并在所述的電機(jī)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)編碼器。本實(shí)施例中，所述的近關(guān)節(jié)連桿10和中關(guān)節(jié)連桿14上安裝有力矩/轉(zhuǎn)角傳感器34。所述的滑覺(jué)傳感器35安裝在中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4前蓋板上。本實(shí)施例中，所述的鎖死機(jī)構(gòu)26，可以由微驅(qū)動(dòng)器27與放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可以由電磁鐵等其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖5A、圖5B所示為本發(fā)明具體實(shí)施方案的連桿超越機(jī)構(gòu)的三維立體圖，所述的連桿超越機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)指節(jié)4、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、中指節(jié)剛性耦合連桿22、遠(yuǎn)指節(jié)稱合桿軸23以及遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31組成。所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿16通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17在特定狀態(tài)下可接觸到遠(yuǎn)指節(jié)4上的擋塊28，中指節(jié)剛性耦合連桿22與遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23轉(zhuǎn)動(dòng)連接，遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23的另一端固定在遠(yuǎn)指節(jié)4的半圓滑槽27中。遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31安裝在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18上，兩端分別連接中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31的作用是提供彈力保持遠(yuǎn)指節(jié)4形態(tài)和復(fù)位。所述的耦合桿軸23安裝在遠(yuǎn)指節(jié)4的半圓滑槽27中，可以推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4往抓握方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4未碰到物體41時(shí)，中指節(jié)剛性耦合連桿22運(yùn)動(dòng)速度比中指節(jié)傳動(dòng)連桿16快，此時(shí)中指節(jié)傳動(dòng)連桿16接觸不到擋塊28，即形成中指節(jié)剛性耦合連桿22的超越，帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4的耦合運(yùn)動(dòng)，即圖5A所示。當(dāng)近指節(jié)2和中指節(jié)3碰到物體41而遠(yuǎn)指節(jié)4未碰到物體41,此時(shí)中指節(jié)剛性稱合連桿22被卡死，而中指節(jié)傳動(dòng)連桿16會(huì)繼續(xù)繞中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17觸碰到遠(yuǎn)指節(jié)4上的擋塊28，繼而推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4對(duì)物體41的進(jìn)一步包絡(luò)抓取動(dòng)作，即形成中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的超越，如圖5B所示。本發(fā)明所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的實(shí)施例特有的次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括近指節(jié)傳動(dòng)連桿12、中指節(jié)傳動(dòng)連桿15、微驅(qū)動(dòng)器27和活塞缸
27。所述的微驅(qū)動(dòng)器27可采用記憶合金、靜電、超磁致伸縮、壓電陶瓷或者其他微驅(qū)動(dòng)元件制造，在通電狀態(tài)下，可以輸出一定的位移與較大的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器27是超磁致伸縮等工作時(shí)會(huì)伸長(zhǎng)的材料時(shí)，可直接嵌入在傳動(dòng)連桿中。當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器27是記憶合金絲等工作時(shí)會(huì)縮短的材料時(shí)，所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿12以及中指節(jié)傳動(dòng)連桿16涉及 一種微驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)，如圖6所不?；钊?7與傳動(dòng)連桿的一端固定,另一端傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)滑塊在活塞缸27中滑動(dòng)，滑塊上綁定微驅(qū)動(dòng)器27的一端，而微驅(qū)動(dòng)器27另一端固定在活塞缸27靠近伸長(zhǎng)滑塊傳動(dòng)連桿的末端。當(dāng)微驅(qū)動(dòng)器27工作時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器縮短長(zhǎng)度Λ，活塞缸移動(dòng)移動(dòng)了 Λ，即為傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)位移量為Λ。本發(fā)明所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的實(shí)施例，其工作過(guò)程結(jié)合圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15闡述如下當(dāng)所述的鎖死機(jī)構(gòu)26不工作時(shí)，此時(shí)耦合連桿拉簧32失效，仿人手裝置即為自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式。此時(shí)，若仿人手裝置不碰物體41，近指節(jié)2、中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4以一個(gè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7所示，此時(shí)近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31均不發(fā)生變形。若碰到物體41，本發(fā)明所述的仿人手裝置抓取過(guò)程如圖8所示。當(dāng)近指節(jié)2接觸物體41后，電機(jī)5繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)近關(guān)節(jié)扭簧29被壓縮,近關(guān)節(jié)連桿10通過(guò)近指節(jié)傳動(dòng)連桿12推動(dòng)中關(guān)節(jié)連桿15繞中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，由于中關(guān)節(jié)扭簧30會(huì)保持原有形態(tài)，以及中指節(jié)剛性率禹合連桿22的存在,帶動(dòng)中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4以稱合的方式相對(duì)于近指節(jié)2旋轉(zhuǎn)。當(dāng)中指節(jié)20也接觸到物體41后，中關(guān)節(jié)扭簧30開(kāi)始?jí)嚎s，近指節(jié)2和中指節(jié)3都被固定，此時(shí)中指節(jié)剛性稱合連桿22失效,但由于連桿超越機(jī)構(gòu)的作用,遠(yuǎn)指節(jié)4會(huì)在中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到遠(yuǎn)指節(jié)碰到物體，完成對(duì)被抓物體的包絡(luò)，這個(gè)過(guò)程中，近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30進(jìn)一步壓縮變形。當(dāng)所述的當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26工作時(shí)，仿人手裝置為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式。此時(shí)，若仿人手裝置不碰物體41，手指的三個(gè)指節(jié)以耦合的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，即中指節(jié)3相對(duì)于近指節(jié)2有所轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)指節(jié)3同時(shí)相對(duì)于中指節(jié)2又有轉(zhuǎn)動(dòng)，使手指既具有擬人化的運(yùn)動(dòng)特征，又利于對(duì)物體的包絡(luò)抓取，如圖9所示，這個(gè)過(guò)程中近指節(jié)彈性耦合連桿19、相對(duì)于近指節(jié)耦合桿軸20轉(zhuǎn)動(dòng)，由于耦合連桿拉簧32的剛度比近關(guān)節(jié)扭簧29的剛度要大，耦合連桿拉簧32不發(fā)生變形，近關(guān)節(jié)扭簧29產(chǎn)生壓縮變形。如圖10所示為為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式下遠(yuǎn)指節(jié)4率先接觸物體41，此時(shí)遠(yuǎn)指節(jié)4會(huì)因受限制而無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、中關(guān)節(jié)連桿軸15、中關(guān)節(jié)連桿14、近指節(jié)傳動(dòng)連桿12、近指節(jié)彈性稱合連桿19限制近關(guān)節(jié)連桿11的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。該過(guò)程中，近關(guān)節(jié)扭簧29和中關(guān)節(jié)扭簧30產(chǎn)生變形，近指節(jié)彈性耦合連桿19中的耦合連桿拉簧32不發(fā)生變形。在這種情況下，手指可通過(guò)與拇指的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體41捏持抓取。如圖11所示為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式下中指節(jié)3先碰到物體41，此時(shí)中指節(jié)3受限制無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)中關(guān)節(jié)軸13限制近指節(jié)2進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)中指節(jié)剛性稱合連桿22也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于近指節(jié)彈性耦合連桿19的可彈性拉伸特點(diǎn)，近關(guān)節(jié)連桿10會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)近指節(jié)傳動(dòng)連桿12、近指節(jié)彈性耦合連桿19、中關(guān)節(jié)連桿14、第二傳動(dòng)連桿13和第中指節(jié)傳動(dòng)連桿16帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),直到遠(yuǎn)指節(jié)4接觸被抓物體41,近關(guān)節(jié)連桿10停止轉(zhuǎn)動(dòng)。該過(guò)程中，近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30、耦合連桿拉簧32都發(fā)生變形。在這種情況下，手指可通過(guò)與拇指的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)物體41的握持抓取。如圖12所示為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式下近指節(jié)2先碰到物體41，電機(jī)2通過(guò)減速機(jī)6繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)近指節(jié)2因受限制而無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，近關(guān)節(jié)連桿10繼續(xù)繞近關(guān)節(jié)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)，近指節(jié)彈性耦合連桿19被拉伸，并同時(shí)繞近指節(jié)耦合桿軸20轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中關(guān)節(jié)連桿14繞中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，中指節(jié)3相對(duì)于近指節(jié)2繞中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)；由于中指節(jié)剛性耦合連桿22的作用，帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4同樣以耦合方式相對(duì)于中指節(jié)3轉(zhuǎn)動(dòng)，近關(guān)節(jié)扭簧29進(jìn)一步被壓縮，中關(guān)節(jié)扭簧25不變形。直到中指節(jié)3也接觸到物體41后，中關(guān)節(jié)扭簧30開(kāi)始?jí)嚎s，·近指節(jié)2和中指節(jié)3都被固定，此時(shí)中指節(jié)剛性耦合連桿22失效，但由于連桿超越機(jī)構(gòu)的作用，遠(yuǎn)指節(jié)4會(huì)在中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直到遠(yuǎn)指節(jié)碰到物體,完成對(duì)被抓物體的包絡(luò)，這個(gè)過(guò)程中，近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30和耦合連桿拉簧32進(jìn)一步變形。如圖13是本發(fā)明具體實(shí)施方案切換抓取模式的示意圖，左一和左二中，仿人手指裝置是自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)抓取模式。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26工作時(shí)，耦合連桿拉簧32開(kāi)始起作用，仿人手指裝置立馬切換到耦合欠驅(qū)動(dòng)抓取模式，如左三至右一。本發(fā)明所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置可根據(jù)不同的物體41實(shí)施不同的抓取模式，甚至允許在抓取工程中切換抓取模式，這極大的提高了仿人假肢手的抓取運(yùn)動(dòng)空間。如圖14是在自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式下，本發(fā)明具體實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的捏持抓取。如圖15是在耦合欠驅(qū)動(dòng)模式下，本發(fā)明具體實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的握持抓取，抓取穩(wěn)定而迅速，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榻腹?jié)2或者中指節(jié)4擠跑物體41的現(xiàn)象。當(dāng)手指對(duì)物體41完成包絡(luò)抓取后，如圖14左一所示，如果物體41受到某個(gè)突然的外界干擾而有從手中滑落的趨勢(shì)時(shí)，由安裝于中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4內(nèi)蓋表面的滑動(dòng)傳感器35檢測(cè)到相對(duì)微小滑動(dòng)，微驅(qū)動(dòng)器27會(huì)快速工作，此時(shí)安裝于近指節(jié)傳動(dòng)連桿12和中指節(jié)傳動(dòng)連桿16會(huì)快速伸長(zhǎng)，由于電機(jī)5具有自鎖功能，近指節(jié)傳動(dòng)連桿12中的微驅(qū)動(dòng)器27輸出的力全部作用于中關(guān)節(jié)軸13上使其快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)手指的中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4快速地輸出一個(gè)指向被抓物體41內(nèi)部的抓取力，形成對(duì)物體41的進(jìn)一步自適應(yīng)包絡(luò)抓取，補(bǔ)償主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力與位移的輸出。同理，當(dāng)中指節(jié)連桿16通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17觸碰到遠(yuǎn)指節(jié)4上的擋塊28時(shí)，中指節(jié)傳動(dòng)連桿16中的微驅(qū)動(dòng)器27也可快速輸出一個(gè)力作用于遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17,帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4快速輸出一個(gè)指向被抓物體41內(nèi)部的力,補(bǔ)償遠(yuǎn)指節(jié)4端抓取的力和位移輸出。由于輸出的位移較小，以及關(guān)節(jié)扭簧的緩沖效果，該反作用力不會(huì)破壞主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原有的抓取形態(tài)，與拇指配合，可防止物體41滑落，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的抓取，如圖14的左二所示。直到主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)5作出調(diào)整后，微驅(qū)動(dòng)器7才同步回位調(diào)整。本實(shí)施例中，當(dāng)手指需要放開(kāi)物體，工作過(guò)程如圖15所示。
如圖16所示為一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置的實(shí)施例的控制原理圖。圖的上半部分為主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括主控板38、電機(jī)5、旋轉(zhuǎn)編碼器33、力矩/轉(zhuǎn)角傳感器34和鎖死機(jī)構(gòu)26。主控板38接受人體的肌電或者腦電信號(hào)，并實(shí)時(shí)反饋仿人手指裝置40的信號(hào)。主控板38通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器33對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)5閉環(huán)控制，并通過(guò)力矩/轉(zhuǎn)角傳感器34實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)5和鎖死機(jī)構(gòu)26狀態(tài)，保證抓取穩(wěn)定可靠。圖的下半部分為次運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括主控板38、微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)板39、滑覺(jué)傳感器35和微驅(qū)動(dòng)器27。在抓取過(guò)程中。若滑覺(jué)傳感器35檢測(cè)到中指節(jié)3或遠(yuǎn)指節(jié)4與物體之間有相對(duì)滑動(dòng)，微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器39根據(jù)滑動(dòng)傳感器27信號(hào)做出迅速響應(yīng)不必通過(guò)主控板38直接驅(qū)動(dòng)微驅(qū)動(dòng) 器27，提升了響應(yīng)時(shí)間。此時(shí)微驅(qū)動(dòng)器27輸出一個(gè)指向被抓物體41內(nèi)部的抓取力，對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)5提供的抓取力與位移進(jìn)行補(bǔ)償，防止物體41滑落，具有毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，具有擬人化的反射運(yùn)動(dòng)特征，防止物體滑落，直到主控板38協(xié)調(diào)電機(jī)5和微驅(qū)動(dòng)器27協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即主次運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)抓取，增加了抓取的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，包括主、次兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)和連桿超越機(jī)構(gòu)。所述的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括其中主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)5、減速器6、小傘齒輪7、大傘齒輪8、近關(guān)節(jié)軸9、中關(guān)節(jié)軸13、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18以及近指節(jié)2、中指節(jié)3、遠(yuǎn)指節(jié)4中的連桿、軸和彈性元件。所述的次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括近指節(jié)傳動(dòng)連桿12和中指節(jié)傳動(dòng)連桿14中的微驅(qū)動(dòng)器27。所述的彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)包含了近指節(jié)彈性耦合連桿19、鎖死機(jī)構(gòu)26、伸縮滑槽24、彈性滑槽25和耦合連桿拉簧32。所述的連桿超越機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)指節(jié)4、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、中指節(jié)剛性耦合連桿22、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23以及遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31組成。
2.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征在于 所述的電機(jī)5與基座I固接，電機(jī)5的輸出軸與所述的減速器6的輸入軸連接，減速器6的輸出軸與所述的小傘齒輪7連接，小傘齒輪7與所述大傘齒輪8嚙合，大傘齒輪8與所述的近關(guān)節(jié)軸9采用鍵連接，所述的近指節(jié)2與基座I通過(guò)近關(guān)節(jié)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)3與近指節(jié)2通過(guò)中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)3與遠(yuǎn)指節(jié)4通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近關(guān)節(jié)軸9、中關(guān)節(jié)軸13和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18的軸線相互平行。近指節(jié)2、中指節(jié)3、遠(yuǎn)指節(jié)4中的連桿、軸和彈性元件包括近關(guān)節(jié)連桿10、近關(guān)節(jié)連桿軸11、近指節(jié)傳動(dòng)連桿12、中關(guān)節(jié)連桿14、中關(guān)節(jié)連桿軸15、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、近指節(jié)彈性耦合連桿19、近指節(jié)耦合桿軸20、剛性耦合桿軸21、中指節(jié)剛性耦合連桿22、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23、伸縮滑槽24、彈性滑槽28、近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31、耦合連桿拉簧32、旋轉(zhuǎn)編碼器33、力矩/轉(zhuǎn)角傳感器34、滑覺(jué)傳感器35。
所述的近關(guān)節(jié)連桿10 —端與近關(guān)節(jié)軸9固接，近關(guān)節(jié)連桿10的另一端通過(guò)近關(guān)節(jié)連桿軸11與所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿12的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，近指節(jié)傳動(dòng)連桿12的另一端通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15與所述的中關(guān)節(jié)連桿16 —端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中關(guān)節(jié)連桿16的另一端與所述的中關(guān)節(jié)軸13轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的近指節(jié)彈性耦合連桿19 一端與基座I通過(guò)近指節(jié)耦合桿軸20轉(zhuǎn)動(dòng)連接，近指節(jié)彈性耦合連桿19的另一端與中關(guān)節(jié)連桿14通過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿16 —端與中關(guān)節(jié)連桿14通過(guò)過(guò)中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)4通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的中指節(jié)剛性耦合22連桿一端與近指節(jié)2上的剛性耦合桿軸21轉(zhuǎn)動(dòng)連接，中指節(jié)剛性耦合連桿22的另一端與遠(yuǎn)指節(jié)4上的半圓滑槽36通過(guò)遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述的近關(guān)節(jié)扭簧29的兩端分別連接近指節(jié)2和近關(guān)節(jié)連桿10,所述的中關(guān)節(jié)扭簧30的兩端分別連接中指節(jié)3和中關(guān)節(jié)連桿14,所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31兩端分別連接遠(yuǎn)指節(jié)4和遠(yuǎn)指節(jié)稱合桿軸23。
所述的近關(guān)節(jié)軸9、近關(guān)節(jié)連桿軸11、中關(guān)節(jié)軸13、中關(guān)節(jié)連桿軸15、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18、近指節(jié)耦合桿軸20、剛性耦合桿軸21、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23的軸線相互平行，且滿足如下的位置關(guān)系設(shè)近關(guān)節(jié)軸9軸線與中關(guān)節(jié)軸13軸線所在平面為A，中關(guān)節(jié)軸13軸線與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18軸線所在平面為B，則近關(guān)節(jié)連桿軸11和中關(guān)節(jié)連桿軸15在平面A的同側(cè)，近指節(jié)耦合桿軸20位于平面A的另一側(cè)；中關(guān)節(jié)連桿軸15和剛性耦合桿軸21分別位于平面B的兩側(cè)。
所述的近關(guān)節(jié)扭簧29、中關(guān)節(jié)扭簧30，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31，也可以采用拉簧、壓簧、片簧或板簧；所述的近關(guān)節(jié)扭簧29的剛度較小，用以維持手指動(dòng)作前各指節(jié)的初始形態(tài)；所述的耦合連桿拉簧32的剛度比近關(guān)節(jié)扭簧29的剛度稍大。所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31的剛度也較小，僅用于促使遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23回位。
3.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征在于所述的微驅(qū)動(dòng)器27可采用記憶合金、靜電、超磁致伸縮、壓電陶瓷或者其他微驅(qū)動(dòng)元件制造，當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器27是超磁致伸縮等工作時(shí)伸長(zhǎng)的材料時(shí)，可直接嵌入在傳動(dòng)連桿中。當(dāng)采用的微驅(qū)動(dòng)器27是記憶合金絲等工作時(shí)縮短長(zhǎng)度的材料時(shí)，所述的近指節(jié)傳動(dòng)連桿12以及中指節(jié)傳動(dòng)連桿16涉及一種微驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)?；钊?8與傳動(dòng)連桿的一端固定，另一端傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)滑塊在活塞缸28中滑動(dòng)，滑塊上綁定微27的一端，而微驅(qū)動(dòng)器27另一端固定在活塞缸28靠近伸長(zhǎng)滑塊傳動(dòng)連桿的末端。當(dāng)微驅(qū)動(dòng)器27工作時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器28縮短的長(zhǎng)度即為活塞28移動(dòng)的距離，亦是傳動(dòng)連桿的伸長(zhǎng)位移量。
4.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)的特征在于所述的彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)包含了近指節(jié)彈性耦合連桿19、鎖死機(jī)構(gòu)26、伸縮滑槽24、彈性滑槽25和耦合連桿拉簧32。當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26不工作時(shí)，普通連桿可以在伸縮滑槽26中自由滑動(dòng)，即耦合連桿拉簧22失效，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)模式，只有在近指節(jié)2碰到物體41后，中指節(jié)3才會(huì)相對(duì)于近指節(jié)2旋轉(zhuǎn)；當(dāng)鎖死機(jī)構(gòu)26工作時(shí)，普通連桿只能在耦合連桿拉簧32的作用下在彈性滑槽25中滑動(dòng)，此時(shí)欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置為耦合欠驅(qū)動(dòng)模式。
5.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其連桿超越機(jī)構(gòu)的特征在于所述的連桿超越機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)指節(jié)4、中指節(jié)傳動(dòng)連桿16、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17、中指節(jié)剛性耦合連桿22、遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23以及遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31組成。所述的中指節(jié)傳動(dòng)連桿16通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17在特定狀況下可接觸到遠(yuǎn)指節(jié)4上的擋塊28，中指節(jié)剛性耦合連桿22與遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23轉(zhuǎn)動(dòng)連接，遠(yuǎn)指節(jié)耦合桿軸23的另一端固定在遠(yuǎn)指節(jié)4的半圓滑槽27中。遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31安裝在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸18上，兩端分別連接中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)扭簧31的作用是提供彈力保持遠(yuǎn)指節(jié)4形態(tài)和復(fù)位。所述的耦合桿軸23安裝在遠(yuǎn)指節(jié)4的半圓滑槽27中,可以推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4往抓握方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4未碰到物體41時(shí)，中指節(jié)剛性稱合連桿22運(yùn)動(dòng)速度比中指節(jié)傳動(dòng)連桿16快,此時(shí)中指節(jié)傳動(dòng)連桿16接觸不到擋塊28,即形成中指節(jié)剛性稱合連桿22的超越,帶動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4的率禹合運(yùn)動(dòng)。當(dāng)近指節(jié)2和中指節(jié)3碰到物體41而遠(yuǎn)指節(jié)4未碰到物體41,此時(shí)中指節(jié)剛性耦合連桿22被卡死，而中指節(jié)傳動(dòng)連桿16會(huì)繼續(xù)繞中關(guān)節(jié)連桿軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)連桿軸17觸碰到遠(yuǎn)指節(jié)4上的擋塊28，繼而推動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)4對(duì)物體41的進(jìn)一步包絡(luò)抓取動(dòng)作，即形成中指節(jié)傳動(dòng)連桿16的超越。
6.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其特征在于所述的微驅(qū)動(dòng)器27可以單獨(dú)安裝在近指節(jié)傳動(dòng)連桿12中，此時(shí)中指節(jié)3和遠(yuǎn)指節(jié)4具備快速反射功能；也可安裝在近指節(jié)傳動(dòng)連桿12和近指節(jié)傳動(dòng)連桿16中,此時(shí)反射運(yùn)動(dòng)效果最好，同時(shí)可以增大手指的力輸出，提高假肢手的抓取力。
7.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其特征在于所述的電機(jī)5為步進(jìn)電機(jī)或者其他帶有自鎖裝置的電機(jī)，并在所述的電機(jī)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)編碼器35。
8.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其特征在于中指節(jié)20底和遠(yuǎn)指節(jié)21接觸物體的表面上設(shè)有滑動(dòng)傳感器28。
9.如權(quán)利要求I所述的一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，其次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征在于所述的鎖死機(jī)構(gòu)26，可以由微驅(qū)動(dòng)器27與放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可以由電磁鐵等其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種具有快速反射抓取功能的多模式欠驅(qū)動(dòng)仿人手指裝置，它涉及一種殘疾人假肢手上的仿人手指裝置。該裝置擁有主、次兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)和連桿超越機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)擬人化抓取運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)配合彈性耦合連桿機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)耦合欠驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)的多模式抓取動(dòng)作，極大的提高了仿人假肢手的抓取運(yùn)動(dòng)空間。次運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由特有的微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)仿人手指裝置的快速反射抓取。當(dāng)包絡(luò)抓取的物體受到外部干擾時(shí)，快速地輸出一個(gè)指向被抓物體內(nèi)部的抓取力，補(bǔ)償主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力與位移的輸出，直到主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做出調(diào)整。次運(yùn)動(dòng)具有毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，可以實(shí)現(xiàn)擬人化的快速反射運(yùn)動(dòng)、防滑穩(wěn)定抓取功能。特有的連桿超越機(jī)構(gòu)，保證了遠(yuǎn)指節(jié)的抓取空間。該手指裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，輸出力大，在外觀與動(dòng)作上都具有擬人特性，特別適合應(yīng)用在殘疾人假肢手上。
文檔編號(hào)B25J17/02GK102873689SQ20121040868
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者鄧華, 張翼, 段小剛 申請(qǐng)人:中南大學(xué)