[發(fā)明專利]腱繩并聯(lián)靈巧欠驅(qū)動仿生機(jī)器人手指裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010138816.2
• 申請日: 2010-04-06
• 公開（公告）號: CN101797753A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 車德夢;張文增;孫海濤
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B25J15/08
• 分類號: B25J15/08;B25J17/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種腱繩并聯(lián)靈巧欠驅(qū)動仿生機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。?

背景技術(shù)

人們在對智能機(jī)器人的研究中，把擬人機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界，也一直把實現(xiàn)類人的行為作為夢寐以求的目標(biāo)。與人類似，擬人機(jī)器人的多數(shù)功能要通過手部操作來實現(xiàn)，因而手部結(jié)構(gòu)是擬人機(jī)器人的重要組成部分，其設(shè)計是擬人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。?

近30年來，靈巧手研究取得了豐碩的成果。靈巧手具有3～5個手指，每個手指2～4個關(guān)節(jié)自由度，絕大多數(shù)關(guān)節(jié)為電機(jī)、空氣肌肉、液壓等驅(qū)動的主動關(guān)節(jié)。靈巧手能做出人手的各種動作，包括抓取和操作兩種動作。例如國外研發(fā)出來的Hitachi手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手，國內(nèi)哈工大研發(fā)的HIT靈巧手和北航研發(fā)的BH靈巧手。靈巧手的主要優(yōu)點是可以靈活主動的抓取物體，并有很好的抓取穩(wěn)定性，其不足是不能實現(xiàn)抓取物體時對物體的形狀和尺寸自動適應(yīng)(自適應(yīng)抓取)，造成對傳感及控制系統(tǒng)要求高，系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、可靠性低。?

欠驅(qū)動機(jī)械手指可以克服靈巧手的純主動驅(qū)動多關(guān)節(jié)手指的一些不足，以此為主設(shè)計實現(xiàn)高欠驅(qū)動的機(jī)器人手在近十年來得到越來越多的重視。例如，以具有一個電機(jī)、兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的欠驅(qū)動手指為例，該手指裝置包括基座、近關(guān)節(jié)、中間指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)、末端指段，初始時刻，手指為伸直狀態(tài)，此時電機(jī)轉(zhuǎn)動，整個手指繞其近關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，當(dāng)中間指段碰觸到物體被阻擋不動后，電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動遠(yuǎn)關(guān)節(jié)和末端指段轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)一個電機(jī)依次驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的欠驅(qū)動目的。欠驅(qū)動機(jī)械手指的優(yōu)點是能夠自動適應(yīng)物體形狀和尺寸的大小，達(dá)到自適應(yīng)抓取的目的，降低了對傳感及控制系統(tǒng)的要求。但是欠驅(qū)動機(jī)械手指的不足為：其手指初始構(gòu)形是固定(伸直或呈某個彎曲角度)，這與人手抓取方式有較大不同，不夠擬人化，不便于對某些尺寸、形狀的物體進(jìn)行穩(wěn)定抓取。人手抓持不同尺寸物體時，手指在還未碰觸物體前就需要事先彎曲到某個角度，只有這樣才能更好的抓取。例如，在人手在捏持小尺寸物體之前，四指(即食指、中指、無名指和小指)中間關(guān)節(jié)要事先彎曲較大角度，直到四指末端與拇指末端相接近，之后再進(jìn)行抓取。而且手指所彎曲的角度對于不同尺寸的物體是需要調(diào)節(jié)的。而傳統(tǒng)的欠驅(qū)動手指沒法實現(xiàn)在碰觸物體之前的這種中間關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，因而難以實現(xiàn)更加擬人化抓取動作和更加穩(wěn)定地抓持物體效果。另外，當(dāng)沒有所抓物體而執(zhí)行單純的握拳動作時，整個手指只能呈伸直狀態(tài)繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，這與人手的可以繞中間關(guān)節(jié)彎曲的握拳動作相去甚遠(yuǎn)，影響了機(jī)器人手的擬人化動作效果。?

已有的一種帶輪欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，如中國發(fā)明專利CN101234489A，包括基座、?電機(jī)、減速器、近關(guān)節(jié)軸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、帶輪傳動機(jī)構(gòu)、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、末端指段和簧件。電機(jī)通過減速器、齒輪和帶輪傳動機(jī)構(gòu)使末端指段隨之轉(zhuǎn)動。由于簧件的約束作用使中部指段和末端指段在沒有碰觸物體前保持固定的伸直狀態(tài)(中部指段和末端指段之間的夾角為平角)，只有當(dāng)中部指段接觸物體被阻擋時，末端指段才隨遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手指彎曲包絡(luò)所抓取物體。該裝置的不足之處在于在接觸物體前，中部指段和末端指段只能呈伸直狀態(tài)，以一個整體繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，影響了抓取效果。?

也有傳統(tǒng)的具有剛性手指的機(jī)械手裝置，具有固定彎曲的手指構(gòu)型，它們模仿了人類抓取物體時的最常見手指姿態(tài)，但是這類裝置的手指彎曲狀態(tài)是固定不可以改變彎曲角度的，而且關(guān)節(jié)自由度數(shù)過少，不能適應(yīng)不同尺寸物體的抓取需求。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種腱繩并聯(lián)靈巧欠驅(qū)動仿生機(jī)器人手指裝置，該裝置在抓取前可以靈活彎曲手指中間關(guān)節(jié)以達(dá)到穩(wěn)定擬人的預(yù)彎曲姿態(tài)，在抓取時以自適應(yīng)欠驅(qū)動方式抓取物體。該裝置利用電機(jī)對欠驅(qū)動手初始位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了機(jī)械手指抓取不同尺寸、形狀物體的穩(wěn)定性和擬人化動作效果，實現(xiàn)機(jī)器人手指在較低控制系統(tǒng)要求下的靈活自適應(yīng)抓取，裝置外形與人的手指相似，可以作為擬人機(jī)器人手的手指使用。?

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：?