本發(fā)明涉及一種仿人靈巧手，特別是具有兩自由度的仿人靈巧手基關節(jié)機構，屬于機器人技術領域。

背景技術：

機器人需要一雙靈巧的雙手來完成各種各樣的任務，賦予其通用性。機器人也需要通過雙手，手眼配合，提升其智能程度，走進人類的生活，滲入到各個領域。隨著機器人科學技術的快速發(fā)展與進步，仿人靈巧手的設計面臨著小型化、輕型與控制更靈活的要求。

除大拇指以外，人類手指基關節(jié)均由兩個自由度組成，分別是實現(xiàn)手指在平行于手掌與垂直于手掌平面內擺動。大拇指基關節(jié)的運動最為復雜和靈活，可將其看成球鉸的連接方式。拇指基關節(jié)的運動可以分解為兩個正交自由度方向上的運動，即從手掌側面到正面的擺動運動以及拇指貼合手掌和遠離手掌的張合運動。

在實現(xiàn)手指基關節(jié)運動的機構中，主要使用齒輪或連桿傳動，如中國發(fā)明專利CN200810136803.4提供一種預緊和傳動間隙可調的機器人靈巧手手指基關節(jié)傳動機構；中國發(fā)明專利CN201110263577.8提供了一種球鉸連桿雙自由度拇指根部關節(jié)裝置，采用雙電機與螺紋連接和人字連桿機構等，綜合實現(xiàn)拇指根部的獨立擺動和貼合動作，但其只是實現(xiàn)了球鉸運動的特點而沒有在結構上模仿球鉸連接。中國發(fā)明專利CN201610371609.9提供一種基于絲杠連桿機構的五指靈巧手手指側擺與對掌機構，利用絲杠螺母與連桿系統(tǒng)實現(xiàn)手指基關節(jié)兩自由度的運動，但是運動空間有限。上述專利文獻所提出的基關節(jié)傳動方式，電機放置位置受被驅動對象限制大量占用手掌空間，增加手的重量降低靈活性，而且配合安裝復雜精度要求高，沒有驅動方式的通用性。

專利文獻1(US6379393B1)提供了一種基于繩傳動兩自由度球鉸機構，使用三根繩索牽引，其中的球狀部為運動部件，可繞其中心點實現(xiàn)兩自由度轉動，從而實現(xiàn)類似于肩關節(jié)的運動。然而其在控制時，需要三根繩索相互配合才能實現(xiàn)基關節(jié)運動，即控制復雜，并且導致驅動裝置增多。

非專利文獻1(“高仿真靈巧仿人手設計與驗證”，冀承駿，北京理工大學學位論文，2016年)公開了一種采用繩驅動的欠驅動機械靈巧手，驅動器使用電機推桿并將其放置于機械臂前臂中，通過繩傳動傳遞至手指，但其還是使用錐齒輪傳動。

現(xiàn)有技術中以差動齒輪系傳動機構實現(xiàn)基關節(jié)兩自由度運動為主，而齒輪系不能遠距離傳動，驅動裝置需要就近擺放，但是手掌尺寸空間小，不利于電機的擺放，從而導致整個手部體積增加，重量加大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種仿人靈巧手基關節(jié)機構，使用繩索傳動方式及球鉸機械結構來實現(xiàn)手指基關節(jié)運動，且該結構具有通用性即適用于所有手指基關節(jié)傳動。

本發(fā)明的技術方案是如下。

一種仿人靈巧手基關節(jié)機構，包括支撐桿、基關節(jié)，以及繩驅動裝置，其中：

所述支撐桿與基關節(jié)通過球鉸連接，所述基關節(jié)上有多個繩索固定裝置；

所述繩驅動裝置包括至少兩組驅動繩索，其中的每組驅動繩索包括兩段，分別通過所述繩索固定裝置基本對稱地固定在所述基關節(jié)(26)，從而使所述基關節(jié)實現(xiàn)至少兩個自由度的運動。

優(yōu)選地，所述基關節(jié)通過中間球窩與支撐桿上小球接觸，第一扣件與第二扣件通過螺釘將支撐桿與基關節(jié)連接在一起形成球鉸連接

優(yōu)選地，所述繩索固定裝置包括第二鋁套、第三鋁套、第四鋁套及第五鋁套，其中第五鋁套與第二鋁套相對，第三鋁套與第四鋁套相對，這些鋁套放置于基關節(jié)繩孔之上，每條繩索一端穿過基關節(jié)繩孔后再套上鋁套并捏扁用于固定繩索。

優(yōu)選地，所述繩驅動裝置的第一電機固定于第一法蘭盤處，其上固定連接第一繩輪，第二電機固連于第二法蘭盤處，其上固定連接第二錐齒輪；傳動軸通過軸承與第二法蘭盤連接，并能相對于第二法蘭盤轉動，其上固定連接第二繩輪與第一錐齒輪，第一錐齒輪與第二錐齒輪相互嚙合傳動，當?shù)诙姍C轉動時，其上第二錐齒輪帶動第一錐齒輪轉動，第一錐齒輪帶動傳動軸轉動，進而帶動第二帶輪轉動；

第一滑輪支座、第二滑輪支座、第三滑輪支座、第四滑輪支座分別固定于所述仿人靈巧手的手掌上，其上分別裝有第一滑輪、第二滑輪、第三滑輪、第四滑輪，并且各個繩輪能夠繞著固定軸線轉動，這些滑輪用于繩索空間變向。

優(yōu)選地，所述繩驅動裝置的第一段繩索其一端固定于第二鋁套上，經(jīng)第一滑輪底部穿出，固定第一繩輪上，第二段繩索一端固連在與第二鋁套相對的第一鋁套上，經(jīng)過第三滑輪底部，從支撐桿上的第二繩孔穿過連接于第一繩輪上；所述第一電機轉動時，能帶動基關節(jié)以第三鋁套和第四鋁套所在的直線為軸線執(zhí)行貼合或張開手掌方向上的運動。

優(yōu)選地，所述繩驅動裝置的第三段繩索其一端固定于第四鋁套上，經(jīng)第四滑輪底部穿出，固定于第二繩輪上，第四段繩索一端固定在第三鋁套上，經(jīng)過第二滑輪底部，從支撐桿上的第一繩孔穿過連接于第二繩輪上，這樣在第二電機轉動時，能帶動基關節(jié)以第一鋁套和第二鋁套所在的直線為軸線執(zhí)行從手掌側面到正面或從正面到側面的運動。

優(yōu)選地，所述第一繩輪上設置有第一鋁套，繩索穿過第一鋁套的內孔后壓扁所述第一鋁套使繩索與鋁套粘結在一起，把粘結頭內嵌到第一繩輪的凹槽中，當繩索受拉力時因有鋁套固定，從而阻止其從繩輪中脫落。

優(yōu)選地，所述的第一段繩索、第二段繩索、第三段繩索和第四段繩索可采用鋼絲繩、尼龍繩。

優(yōu)選地，所述的第一電機和第二電機可安裝于手掌內部或手掌19。

本發(fā)明還提供一種仿人靈巧手，包括手掌、指中、指尖，以及根據(jù)以上技術方案任一項所述的基關節(jié)機構。

所述指中通過旋轉副與所述基關節(jié)機構的基關節(jié)連接，所述指尖通過旋轉副與指中連接。

根據(jù)以上技術方案的仿人靈巧手基關節(jié)機構，應用繩索傳動方式實現(xiàn)人類手指基關節(jié)兩自由度運動且此基關節(jié)機構實現(xiàn)仿人手指在運動形式及機械結構上的球鉸連接。該機構利用球轉動時球心在空間中位置不變，以十字交叉軸為旋轉軸的傳動結構，從而實現(xiàn)兩自由度的運動方式。同時，該機構采用的傳動方式能夠靈活布置電機于手掌之內或者手掌之外，節(jié)省手部空間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于繩傳動的大拇指基關節(jié)機構的結構示意圖。

圖2是圖1中的手掌上拇指基關節(jié)固定方式與傳動裝置示意圖。

圖3是圖2的右視圖。

圖4是基關節(jié)與固定裝置配合方式示意圖。

圖5是繩輪上繩索固定端示意圖。

圖中各附圖標記的具體含義如下：

1-第一電機，2-第一法蘭盤，3-第一繩輪，4-第一滑輪，5-第一滑輪支座，6-支撐桿，7-第二滑輪，8-第二滑輪支座，9-第三滑輪，10-第三滑輪支座，11-第四滑輪支座，12-第四滑輪，13-第二繩輪，14-傳動軸，15-第一錐齒輪，16-第二錐齒輪，17-第二法蘭盤，18-第二電機，19-手掌，20-第一鋁套，21-第一繩孔，22-第二鋁套，23-第一扣件，24-第二扣件，25-第三鋁套，26-基關節(jié)，27-第四鋁套，28-指中，29-指尖，30-第二繩孔，31-第一段繩索，32-第四段繩索。

具體實施方式

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的仿人靈巧手基關節(jié)機構的基本結構主要由基關節(jié)、支撐桿、兩個扣件、四個鋁套、四個滑輪及支座、四段繩索、兩個繩輪及兩個電機驅動系統(tǒng)組成。

如圖2-4所示，基關節(jié)通過中間球窩與支撐桿上小球接觸，第一扣件與第二扣件通過螺釘將支撐桿與基關節(jié)連接在一起形成球鉸連接；基關節(jié)上有第一鋁套、第二鋁套、第三鋁套及第四個鋁套，其中第一鋁套與第二鋁套相對，第三鋁套與第四鋁套相對，這些鋁套放置于基關節(jié)固定點之上，繩端穿過鋁套后捏扁用于固定繩索兩端使繩索無法脫離。第一電機固定于第一法蘭盤處，其上固定連接繩輪，第二電機固連于第二法蘭盤處，其上固定連接第二錐齒輪。傳動軸通過軸承與第二法蘭盤連接，并能相對于法蘭盤轉動，其上固定連接第二繩輪與第一錐齒輪，第一錐齒輪與第二錐齒輪相互嚙合傳動，當?shù)诙姍C轉動時，其上第二錐齒輪帶動第一錐齒輪轉動，第一錐齒輪帶動傳動軸轉動，進而帶動第二帶輪轉動，以上形成第一、二電機驅動系統(tǒng)。第一滑輪支座、第二滑輪支座、第三滑輪支座、第四滑輪支座分別固定于手掌上，其上分別裝有第一滑輪、第二滑輪、第三滑輪、第四滑輪，并且各個繩輪能夠繞著固定軸線轉動，這些滑輪用于繩索空間變向。

基關節(jié)26通過中間球窩與支撐桿6上小球接觸，第一扣件23與第二扣件24通過螺釘將支撐桿6與基關節(jié)27連接在一起形成球鉸連接，基關節(jié)27上有第二鋁套22、第三鋁套25、第四鋁套27及未標出的第五鋁套，其中第五鋁套與第二鋁套22相對，第三鋁套25與第四鋁套27相對，這些鋁套放置于基關節(jié)26繩孔之上，鋼絲繩一端穿過基關節(jié)26繩孔后再套上鋁套并捏扁用于固定繩索。指中28通過旋轉副與基關節(jié)27連接，指尖29通過旋轉副與指中28連接。第一電機1固定于第一法蘭盤2處，其上固定連接第一繩輪3，第二電機18固連于第二法蘭盤17處，其上固定連接第二錐齒輪16。傳動軸14通過軸承與第二法蘭盤17連接，并能相對于第二法蘭盤17轉動，其上固定連接第二繩輪13與第一錐齒輪15，第一錐齒輪15與第二錐齒輪16相互嚙合傳動，當?shù)诙姍C18轉動時，其上第二錐齒輪16帶動第一錐齒輪15轉動，第一錐齒輪15帶動傳動軸14轉動，進而帶動第二帶輪13轉動。第一滑輪支座5、第二滑輪支座8、第三滑輪支座10、第四滑輪支座11分別固定于手掌19上，其上分別裝有第一滑輪4、第二滑輪7、第三滑輪9、第四滑輪12，并且各個繩輪能夠繞著固定軸線轉動，這些滑輪用于繩索空間變向。

本領域技術人員能夠理解，雖然以上實施例中的四個鋁套被基本均勻地設置在基關節(jié)的球窩的邊緣，但是可選地，所述四個鋁套在保持兩兩相對的條件下，可以根據(jù)運動自由度的需要非均勻地設置；以及可選地，所述四個鋁套還可以以同樣的方式被設置在基關節(jié)的其它位置。

第一段繩索31其一端固定于第二鋁套22上，經(jīng)第一滑輪4底部穿出，固定第一繩輪3上，第二段繩索一端固連在第一鋁套(與第二鋁套22相對)上，經(jīng)過第三滑輪9底部，從支撐桿6上的第二繩孔30穿過連接于第一繩輪3上。這樣在第一電機1轉動時，能帶動基關節(jié)26以第三鋁套25和第四鋁套27所在的直線為軸線執(zhí)行貼合或張開手掌方向上的運動。

第三段繩索其一端固定于第四鋁套27上，經(jīng)第四滑輪12底部穿出，固定于第二繩輪13上，第四段繩索32一端固定在第三鋁套25上，經(jīng)過第二滑輪7底部，從支撐桿6上的第一繩孔21穿過連接于第二繩輪13上，這樣在第二電機18轉動時，能帶動基關節(jié)26以第一鋁套和第二鋁套22所在的直線為軸線執(zhí)行從手掌側面到正面或從正面到側面的運動。

上述四段繩索中第二、三段繩索在圖中并未標出，所有繩索起始位置及運動過程中均處于拉緊狀態(tài)。

如圖5所示，第一繩輪3的一個端面上設置有一基本平行于其軸線方向的凹槽。所述凹槽在所述端面上的開口包括一較大的第一部分，以及一較狹長的第二部分。所述第二部分的一端與所述第一部分連通，另一端延伸到所述端面的邊緣，從而在所述繩輪的側面形成一狹長的開口。由此，本發(fā)明采用一種繩索與繩輪連接的方法。繩索穿過鋁套的內孔后壓扁鋁套使繩索與鋁套粘結在一起，把粘結頭內嵌到第一繩輪的凹槽中，當繩索受拉力時因有鋁套固定，從而阻止其從繩輪中脫落。

當基關節(jié)26做垂直于手掌面的貼合運動時，規(guī)定此時第一電機1旋轉方向為正轉。第一繩輪3將帶動固定于第一鋁套上的繩索段拉緊，而固定于第二鋁套22上的繩索段相對松弛，此時由于基關節(jié)26在第二鋁套22上所受拉力比在第一鋁套上所受拉力小，導致基關節(jié)26第二鋁套22上升、第一鋁套下降，以第三鋁套25和第四鋁套27所在直線為旋轉軸旋轉，從而表現(xiàn)為基關節(jié)26向手掌方向貼合運動。當?shù)谝浑姍C1反轉時，第一繩輪3將帶動固定于第二鋁套22上的繩索段拉緊，同理以第三鋁套25和第四鋁套27所在直線為旋轉軸旋轉，表現(xiàn)為基關節(jié)26張開運動。

當基關節(jié)26做從手掌側面到正面的擺動運動時，規(guī)定此時第二電機18旋轉方向為正轉。第二繩輪13將帶動固定于第四鋁套27的繩索段拉緊，此時由于基關節(jié)26在第三鋁套25所受的拉力比在第四鋁套27所受的拉力小，導致基關節(jié)26第三鋁套25上升、第四鋁套27下降，以第二鋁套22和第一鋁套所在直線為旋轉軸旋轉，從而表現(xiàn)為基關節(jié)26從手掌側面到正面的擺動運動。當?shù)诙姍C18反轉時，第二繩輪13將帶動固定于第三鋁套25的繩索段拉緊，同理第二鋁套22和第一鋁套所在直線為旋轉軸旋轉，表現(xiàn)為從手掌正面到側面的擺動運動。

當上述兩種運動同時作用時將實現(xiàn)大拇指基關節(jié)在以支撐桿6上端球心為頂點，以拇指基關節(jié)26為母線的錐體空間內轉動，從而實現(xiàn)人類大拇指基關節(jié)的球鉸連接方式及其運動特性。

當然，本發(fā)明還可以有多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明的公開做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明的權利要求的保護范圍。