[发明专利]一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置

说明书

所属技术领域

本发明属于仿人假肢手技术领域，特别涉及一种具有主次运动分治耦合功能欠驱动仿人机械手指装置的结构设计。

技术背景

仿人假肢手是人体康复工程领域的一个重要研究方向，主要用于对物体的抓持和空间移动，为上肢缺失残疾人的日常生活提供便利。目前现有的灵巧手虽然控制比较灵活，但是传感器、驱动器数量很多，控制结构也相当复杂，与此同时所带来的体积大、质量重、制造与维护成本高等问题，限制了它在现实生活中的实用性与产品化。在这样的背景下，自适应欠驱动机械手由于传感、驱动系统相对简单，易于控制，并且能较好地抓取常见物体，已成为近年来发展和研究的热点。但是，欠驱动机械手指这种驱动器数目少于手指自由度、各个关节间采用机械耦合的结构，也带来了抓取不稳定等问题。

较早的一种欠驱动自适应机械手指装置如美国发明专利US5762390A，巧妙地采用四连杆机构加弹性元件的方式，实现了机械手指的欠驱动自适应功能特点。其应用的弹性元件既能保证手指在无动作时具有稳定的初始形态，又能暂时地约束四连杆机构的一个自由度，使手指的各个指节在动作过程中接触物体前能够欠驱动，接触物体后其余指节又能完成对被抓物体的自适应包络抓取。但是，这种欠驱动自适应机械手指装置不具备拟人化的运动特征：手指的各个指节在未接触物体时作为一个“僵硬”的整体被驱动，不具有耦合运动功能，不能完成人手的空手“握拳”等动作。

另一种欠驱动耦合传动式手指装置如中国发明专利CN101190528A，在一定程度上克服了上述类型机械手指的不足：在中指节和远指节之间采用一根耦合连杆，当手指动作过程中未接触到物体时，近指节、中指节和远指节作为一个整体被驱动，具有欠驱动特性；当近指节接触到物体后，中指节和远指节能够在耦合连杆的作用下实现对物体的快速包络抓取。但是，该类机械手指仍然不具有拟人化的运动特征，不能完成人手的空手“握拳”等动作，而且在实现对物体进行包络抓取时也存在缺陷：当手指的中指节率先接触到被抓物体后，远指节不能再进一步运动实现对物体的完全包络抓取，在手指以握持方式抓取过程，容易导致抓取不稳定等问题。

再者，已有的欠驱动机械手装置，手指都只采用连杆机构/电机或者滑轮绳索/电机等单一的机械传动/驱动系统。这些装置由于机械延迟等问题，具有对外界刺激响应不够灵敏的缺点，工作过程中，当受到瞬间的外界干扰，例如抓握桌子上的杯子，突然拿起时，由于受到重力影响，容易出现抓取失稳的问题，即普通机械手不具备人手手指的防滑快速抓取功能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种由电机和微驱动器联合驱动主、次两套运动机构，具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指设计方案。其主运动机构能实现手指的拟人化耦合运动特性以及对物体的自适应完全包络抓取；其特有的次运动能够在被主运动机构包络抓取的物体受到外部干扰时，快速地输出一个指向被抓物体内部的抓取力，补偿主运动机构的力与位移的输出，直到主运动机构做出调整，次运动具有毫秒级的响应速度，可以实现拟人化的快速反射运动、防滑稳定抓取功能。

本发明采用如下技术方案：

一种具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置，其主运动机构包括电机、减速器、基座、小伞齿轮、大伞齿轮、近指节、中指节、远指节、近关节轴、中关节轴、远关节轴；所述的电机与基座固接，电机的输出轴与所述的减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与所述的小伞齿轮连接，小伞齿轮与所述大伞齿轮啮合，大伞齿轮与所述的近关节轴采用键连接，所述的近指节与基座通过近关节轴转动连接，中指节与近指节通过中关节轴转动连接，中指节与远指节通过远关节轴转动连接，所述的近关节轴、中关节轴和元关节轴的轴线相互平行。

该具有快速反射抓取功能的耦合自适应欠驱动仿人手指装置的主运动机构还包括近关节连杆、第一传动连杆、第一连杆轴、第一耦合弹性连杆、第一耦合弹性连杆轴、中关节连杆、第二传动连杆、第二连杆轴、第二耦合弹性连杆、第二耦合弹性连杆轴、第三连杆轴、近关节扭簧、中关节扭簧。