基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010308418.4 (22)申请日 2020.04.18 (71)申请人 郑州蓝智枫智能科技有限公司 地址 450000 河南省郑州市河南自贸试验 区郑州片区 （郑东） 商都路100号建正 东方 (72)发明人 李玉枫蔡路张俊鹏张勇 赵雨航 (74)专利代理机构 郑州芝麻知识产权代理事务 所(普通合伙) 41173 代理人 董晓勇 (51)Int.Cl. B25J 15/00(2006.01) B25J 15/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于绳子缠绕的。

2、欠驱动机器人手指装 置 (57)摘要 本发明公开了一种基于绳子缠绕的欠驱动 机器人手指装置， 克服了现有技术中拟人机器人 手指仍需改进的问题。 该发明含有基座外壳、 第 一指中壳体、 第二指中壳体和指末壳体之间依次 铰接， 铰接处均设有松手复位弹簧， 基座外壳的 一端连接机械臂， 另一端上设有握紧控制电机、 第一万向节、 握紧调节驱动轮、 握紧调节弹簧、 拉 绳和拉绳缠绕装置、 拉绳直套管和弧形拉绳定位 套管； 第一指中壳体和第二指中壳体的铰接处设 有第二万向节、 第一握紧调节从动轮； 第二指中 壳体和指末壳体的铰接处设有第三万向节、 第二 握紧调节从动轮。 该技术使用两条拉绳缠绕产生 竖直方。

3、向长度缩短产生拉力来模拟肌肉的拉伸 的效果。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 111331624 A 2020.06.26 CN 111331624 A 1.一种基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置， 其特征在于： 含有基座外壳、 第一指中 壳体、 第二指中壳体和指末壳体、 其中基座外壳和第一指中壳体的一端铰接， 第一指中壳体 的另一端和第二指中壳体的一端铰接， 第二指中壳体的另一端和指末壳体的一端铰接， 其 中铰接处均设有松手复位弹簧， 基座外壳的一端连接机械臂， 另一端上设有握紧控制电机、 第一万向节、 握紧调节驱动轮、 握紧调节弹簧、 拉绳和拉绳缠绕装置、 拉绳直套管和弧形拉 。

4、绳定位套管； 第一指中壳体和第二指中壳体的铰接处设有第二万向节、 第一握紧调节从动 轮； 第二指中壳体和指末壳体的铰接处设有第三万向节、 第二握紧调节从动轮； 握紧控制电 机通过齿轮传动连接第一万向节的一端和握紧调节驱动轮， 第一万向节、 握紧调节驱动轮 的一端均通过转轴套接在握紧控制电机输出端的一侧， 第一万向节的另一端和握紧调节驱 动轮上均对称连接有两条拉绳， 第一万向节上的两条拉绳套接在拉绳直套管内再连接第一 指中壳体和第二指中壳体铰接处的第二万向节； 握紧调节驱动轮上设有两条拉绳， 握紧调 节弹簧的内或外环面上设有多个弧形拉绳定位套管， 弧形拉绳定位套管沿着握紧调节弹簧 平行分布， 两。

5、条拉绳套接在弧形拉绳定位套管内， 末端连接在第一指中壳体上； 第三万向节 的一端通过第二握紧调节从动轮和拉绳连接在指末壳体的一端， 另一端通过两条拉绳连接 第二万向节的一端。 2.根据权利要求1所述的基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置， 其特征在于： 所述其 中弧形拉绳定位套管的数量为10-30个， 其为双曲线式变径管。 3.根据权利要求1所述的基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置， 其特征在于： 所述第 一指中壳体、 第二指中壳体和指末壳体的内侧握紧面上均设有防滑垫， 第一指中壳体和第 二指中壳体的两两中轴线， 第二指中壳体指中壳体和指末壳体的两两中轴线之间的活动范 围夹角为 ， 其中0 90。

6、 。 4.根据权利要求1所述的基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置， 其特征在于： 所述拉 绳的材质为锦纶尼龙绳， 直径为1-1.5mm。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111331624 A 2 一种基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置 技术领域 0001 本发明涉及机器人手技术领域， 特别是涉及一种基于绳子缠绕的欠驱动机器人手 指装置。 背景技术 0002 与人类似， 拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现， 因而手部结构是拟人 机器人的重要组成部分， 其设计是拟人机器人的关键技术之一。 为了增加手部的拟人化， 手 部要设计较多的关节自由度， 然而， 为了减轻拟人机器人手部的控制难度， 。

7、以及减小手部的 体积、 重量， 需要减少驱动器数目， 这两者有一定的矛盾， 另外， 为了更好地抓取物体， 还需 要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。 本发明提供的机器人拟人手指欠驱动装置能够 更好的实现较多关节自由度、 较少驱动器数目、 抓取不同形状、 尺寸的物体时的较强的自适 应性这三个目标。 0003 在工业生产中， 机器人已经成为了不可或缺的中坚力量。 随着工业的发展， 对于机 器人的要求逐渐提高， 机器人手作为机器人末端的功能性单元， 简单的开合抓取已经难以 满足任务需求。 现有的机器人手主要分为两大类， 拟人手和非拟人手， 二者都有非常广泛的 用途。 目前的拟人机器人手主要分为工业。

8、夹持器、 灵巧手和欠驱动手。 由于人的手非常灵 活,功能强大,在仿生学上有很大的研究学习价值,拟人机器人手的开发有很大的前景。 发明内容 0004 本发明克服了现有技术中， 拟人机器人手指仍需改进的问题， 提供一种结构合理、 成本较低、 使用维修方便的基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置。 0005 本发明的技术解决方案是， 提供一种具有以下结构的基于绳子缠绕的欠驱动机器 人手指装置： 含有基座外壳、 第一指中壳体、 第二指中壳体和指末壳体， 其中基座外壳和第 一指中壳体的一端铰接， 第一指中壳体的另一端和第二指中壳体的一端铰接， 第二指中壳 体的另一端和指末壳体的一端铰接， 其中铰接处均设有松。

9、手复位弹簧， 基座外壳的一端连 接机械臂， 另一端上设有握紧控制电机、 第一万向节、 握紧调节驱动轮、 握紧调节弹簧、 拉绳 和拉绳缠绕装置、 拉绳直套管和弧形拉绳定位套管； 第一指中壳体和第二指中壳体的铰接 处设有第二万向节、 第一握紧调节从动轮； 第二指中壳体和指末壳体的铰接处设有第三万 向节、 第二握紧调节从动轮； 握紧控制电机通过齿轮传动连接第一万向节的一端和握紧调 节驱动轮， 第一万向节、 握紧调节驱动轮的一端均通过转轴套接在握紧控制电机输出端的 一侧， 第一万向节的另一端和握紧调节驱动轮上均对称连接有两条拉绳， 第一万向节上的 两条拉绳套接在拉绳直套管内再连接第一指中壳体和第二指中。

10、壳体铰接处的第二万向节； 握紧调节驱动轮上设有两条拉绳， 握紧调节弹簧的内或外环面上设有多个弧形拉绳定位套 管， 弧形拉绳定位套管沿着握紧调节弹簧平行分布， 两条拉绳套接在弧形拉绳定位套管内， 末端连接在第一指中壳体上； 第三万向节的一端通过第二握紧调节从动轮和拉绳连接在指 末壳体的一端， 另一端通过两条拉绳连接第二万向节的一端。 说明书 1/4 页 3 CN 111331624 A 3 0006 所述其中弧形拉绳定位套管的数量为10-30个， 其为双曲线式变径管。 0007 所述第一指中壳体、 第二指中壳体和指末壳体的内侧握紧面上均设有防滑垫， 第 一指中壳体和第二指中壳体的两两中轴线， 第。

11、二指中壳体指中壳体和指末壳体的两两中轴 线之间的活动范围夹角为 ， 其中0 90 。 0008 所述拉绳的材质为锦纶尼龙绳， 直径为1-1.5mm。 0009 与现有技术相比， 本发明基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置具有以下优点： 使用两条拉绳缠绕产生竖直方向长度缩短产生拉力来模拟肌肉的拉伸的效果， 更加符合真 实情况， 且拉力释放的过程更加线性， 符合真实肌肉拉伸时的情况， 从而使得放生手指更加 生动逼真。 握紧控制电机通过齿轮传动连接第一万向节的一端和握紧调节驱动轮， 分别通 过两组双拉绳的缠绕在拉绳直套管和弧形拉绳定位套管的限定下， 不会产生过度缠绕而打 结， 避免拉绳扭断。 同时又实。

12、现了力矩的传递。 0010 第二万向节的另一端将拉绳传递过来的扭矩传递到指末壳体实现弯曲运动， 另一 部分通过齿轮传递到握紧调节从动轮的一端， 将扭矩通过其上的拉绳传递到第二指中壳体 的一端； 从而实现多级连接时的扭矩和位移变化的传动。 发明中使用的线绳缠绕拉伸驱动 实质是一种将旋转运动转换为竖直运动的机构。 0011 基座外壳和第一指中壳体之间除了第一万向节配合扭转的拉绳传递拉力和扭矩 外， 还设有辅助性的握紧调节弹簧的拉力。 第二指中壳体和指末壳体之间除了第二万向节 配合扭转的拉绳传递过来的拉力和扭矩外， 还设有辅助性的握紧调节从动轮带来的反馈速 度快的拉力和扭矩， 实现指末壳体的收卷速度。

13、。 整个受力及传动过程所涉及的工作部件有 主有次， 共同分担牵拉负荷， 更加稳定可靠地实现传动。 附图说明 0012 图1是本发明的侧视结构示意图； 0013 图2是本发明的正向剖视结构示意图； 0014 图3是本发明中图2中标号Q处的放大结构示意图； 0015 图4是本发明中图2中标号P处的放大结构示意图； 0016 图5是本发明中弧形拉绳定位套管的结构示意图。 0017 附图说明中标号1是基座外壳， 2是第一指中壳体， 3是第二指中壳体， 4是指末壳 体， 5是松手复位弹簧， 6是拉绳直套管， 7是铰接轴， 8是握紧调节弹簧， 9是握紧控制电机， 10 是第一握紧调节从动轮， 10 是第二。

14、握紧调节从动轮， 11是第一万向节， 12是拉绳缠绕电机， 13是拉绳， 14是弧形拉绳定位套管， 15是第二万向节， 16是第三万向节， 17是握紧调节驱动 轮。 具体实施方式 0018 下面结合附图和具体实施方式对本发明基于绳子缠绕的欠驱动机器人手指装置 作进一步说明： 如图所示， 本实施例中含有基座外壳1、 第一指中壳体2、 第二指中壳体3和指 末壳体4、 其中基座外壳1、 第一指中壳体2、 第二指中壳体3和指末壳体4依次铰接， 按照人手 指的外形和运动原理进行组装， 其中铰接处均设有松手复位弹簧5， 是机器人手指能够及时 弹回， 实现再次抓取的关键， 铰接处的活动范围均小于180度， 。

15、且活动方向均朝一个相同的 说明书 2/4 页 4 CN 111331624 A 4 方向， 达到和人手指的高度仿真性。 本发明一端固定在灵活摆动的机械臂上， 通过机械臂的 定位后， 实现物体的待抓取， 基座外壳1的一端连接机械臂， 另一端上设有握紧控制电机9、 第一万向节11、 握紧调节驱动轮17、 握紧调节弹簧8、 拉绳13和拉绳缠绕装置、 拉绳直套管6 和弧形拉绳定位套管14； 第一指中壳体2和第二指中壳体3的铰接处设有第二万向节15和第 一握紧调节从动轮10； 第二指中壳体3和指末壳体4的铰接处设有第三万向节16和第二握紧 调节从动轮10 ； 0019 握紧控制电机9通过齿轮传动连接第一。

16、万向节11的一端和握紧调节驱动轮17， 第 一万向节11、 握紧调节驱动轮17的一端均通过转轴套接在握紧控制电机9输出端的一侧， 第 一万向节11的一端在握紧控制电机9的带动下实现旋转， 在其另一端的对称设置的两条拉 绳13会缠绕扭转， 其在拉绳直套管6的限定下， 不会产生过度缠绕而打结， 避免拉绳13扭断， 拉绳13在旋转缠绕以后在竖直方向上的长度会缩短， 从而产生了拉伸的行程， 产生了拉力。 第一万向节11上的两条拉绳13套接在拉绳直套管6内再连接第一指中壳体2和第二指中壳 体3铰接处的第二万向节15； 0020 握紧调节驱动轮17上设有两条拉绳13， 握紧调节弹簧8的内或外环面上设有多个。

17、 弧形拉绳定位套管14， 弧形拉绳定位套管14沿着握紧调节弹簧8平行分布， 两条拉绳13套接 在弧形拉绳定位套管14内， 末端连接在第一指中壳体2上； 第三万向节16的一端通过第二握 紧调节从动轮10 和拉绳13连接在指末壳体4的一端， 另一端通过两条拉绳13连接第二万向 节15的一端。 0021 握紧调节驱动轮17在握紧控制电机9的带动下实现旋转， 在其一侧对称设置的两 条拉绳13会缠绕扭转， 其在握紧调节弹簧8侧面设置的弧形拉绳定位套管14的限定下， 不会 产生过度缠绕而打结， 避免拉绳13扭断， 同时还能因为绳子受到拉直的趋势， 而将握紧调节 弹簧8带动为要展开的趋势， 从而通过握紧调节。

18、弹簧8实现握紧力的增强， 减轻第一万向节 11处拉绳13的拉力。 0022 握紧调节弹簧8这种辅助性的牵拉结构， 根据抓取的需求可以有可以没有。 0023 第二万向节15的一端套接在第二指中壳体3上， 第一握紧调节从动轮10套接在第 一指中壳体2内， 其中第二万向节15的一端通过第二握紧调节从动轮10 和拉绳13连接在指 末壳体4的一端， 第二万向节15的另一端通过齿轮连接第一握紧调节从动轮10的一端， 第一 握紧调节从动轮10的另一端通过对称设置的两条拉绳13连接第二指中壳体3的一端； 0024 第二万向节15的一端将第一万向节11处拉绳13传递过来的扭矩， 通过拉绳再传递 到指末壳体4的一。

19、端， 第二万向节15的拉绳传递过来的扭矩， 通过齿轮传递到第一握紧调节 从动轮10的一端， 第一握紧调节从动轮10通过另一端对称设置的拉绳13连接第二指中壳体 3的一端； 实现第一指中壳体2、 第二指中壳体3之间的辅助性牵引， 提高第一指中壳体2、 第 二指中壳体3之间的牵引反馈速度， 实现指末壳体4的收卷速度。 0025 第三万向节16和第二握紧调节从动轮10 的配合运动关系， 等同于上述第二万向 节15和第一握紧调节从动轮10的工作原理和过程。 0026 所述其中弧形拉绳定位套管14的数量为10-30个， 其为独特的双曲线式变径管或 接近双曲线型的变径管， 可以通过在普通直管的两端用双曲线。

20、式尖头进行冲压扩孔得出， 该结构能够适应拉绳13在其内运动时， 随着握紧调节弹簧8的形变， 不会在形拉绳定位套管 的管口处出现磨损现象。 说明书 3/4 页 5 CN 111331624 A 5 0027 所述第一指中壳体2、 第二指中壳体3和指末壳体4的内侧握紧面上均设有防滑垫， 加强对物体的抓紧可靠度， 第一指中壳体2和第二指中壳体3， 第二指中壳体3指中壳体和指 末壳体4两两之间的活动范围夹角均为 ， 其中0 90 。 0028 所述拉绳13的材质为锦纶尼龙绳， 直径为1-1.5mm。 0029 本发明中传动处使用了类似差速器的设计， 使用一个齿轮， 一个带齿万向节以及 握紧驱动盘构成差。

21、速器的设计。 例如指末壳体4收到阻力停止运动时， 齿轮和万向节依然可 以转动， 从而使得第二指中壳体3的运动得到保证， 当第二指中壳体3的运动达到极限不能 继续运动时， 第一指中壳体2的运动依然能继续。 0030 整个机械手的运动过程： 当手指握紧收缩， 或抓取物体时， 握紧控制电机9转动带 动握紧调节驱动轮17， 握紧调节弹簧8中的绳子收缩产生拉力， 拉动关节， 第一万向节11转 动通过套在拉绳直套管6中的绳子来把扭矩传输到下一个关节， 万向节一段带齿， 通过齿轮 传动将动力传到下一个第一握紧调节从动轮10， 此驱动轮中的绳子使用两股或多股绳子缠 绕， 行程缩短， 产生拉力拉动关节， 剩下一。

22、关节驱动原理相同。 0031 两个关节处产生拉力使用了两种方案， 一种使用了握紧调节弹簧8， 其核心是两股 或多股绳子缠绕通过行程缩短产生拉力配合弹簧来拉动关节， 另外两关节处的拉力是直接 由两股或多股绳子缠绕， 行程缩短产生拉力， 拉动关节。 两种方案使用目的是为了更加真实 模拟人手指关节弯曲时的运动过程， 不会出现三个关节同时以一定弯曲速度弯曲， 不符合 人手的真实情况。 使用握紧调节弹簧8产生的拉力更加缓慢， 因此三个关节处的转动的速度 不同， 这样设计会使得机器手的运动更加符合人体工学。 0032 指末壳体4受到到阻力减缓弯曲的速度， 由于差速器的设计， 第二指中壳体3中依 然可以弯曲， 同理第二指中壳体3收到阻力的时候第一指中壳体2依然可以弯曲， 以达到整 个关节弯曲抓取物体的效果。 0033 物体握力的大小与电机扭矩有关， 在重载情况下可选择让两关节中的驱动连接部 件的连接位置更改。 说明书 4/4 页 6 CN 111331624 A 6 图1 说明书附图 1/4 页 7 CN 111331624 A 7 图2 说明书附图 2/4 页 8 CN 111331624 A 8 图3 图4 说明书附图 3/4 页 9 CN 111331624 A 9 图5 说明书附图 4/4 页 10 CN 111331624 A 10 。