一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌

本发明涉及机械手，具体是一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌。

背景技术：

1、目前传统灵巧手的手掌大多是不可变形的，与具有可折叠和柔性手掌的人手相比，传统机器人手和拟人手不具有更多的通用性，特别是手指的常规设计具有三个平行关节并且手指通常在平面上操作，这是机器人手的主要限制，导致操纵受限并且难以使手适应被操纵对象的几何形状，这也限制了微调能力以及随后在假肢中使用机器人手。

2、变胞结构是一种变拓扑、变自由度、变结构的自适应智能结构，在传统机构基础上，结合变胞机构的一些元素便可设计出新的变胞机构。为了克服手掌柔韧性低对机械手的工作空间、操作性和灵巧性的不利影响，专利文献cn102092049b公开了一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手，应用了变胞机构来扩展手掌的自由度。变胞手的手掌基于闭环球面五杆机构，可以折叠和展开，手指安装在球形机构的杆件上，手掌的变形可以调节手指根部的位置，从而大大增加了手指的触及范围。但是此手掌手指固定在球面五连杆上，手掌在变形时，手指会随着连杆转动，手掌的连杆间的转动直接影响手指面的朝向，会导致不同连杆上的手指朝向不同方向，这就使两个根以上的手指无法同时达到一点，达到包络的姿态，这也就限制了机械手的抓取能力。

3、此外，目前机械手的研究主要集中在手指的设计和驱动方面，对于仿生的灵巧手手掌研究较少。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌，该手掌可装备4根手指，具有可变自由度，灵巧性好，工作空间大，适应性强等特点，同时可解决现有球面五连杆手掌手指只能随连杆转动，导致手指朝向变化从而影响抓取的问题。

2、本发明基于cn 102092049 b中提出的变胞闭环球面五连杆仿人灵巧手手掌的设计理念，针对其手掌变形时手指随手掌转动导致抓取面变化的问题，对手指在手掌折叠时手指的转向利用仿虎克铰进行了再定向，使所有手指在手掌变形时抓取面始终保持通过仿虎克铰的一条转轴。

3、本发明采用的技术方案是：

4、一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌，手掌是一个封闭链结构，由第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆依次通过铰接构成球面五连杆机构。相邻两个连杆之间使用铰接，铰接转动的轴线通过球面五连杆机构的球心；

5、其中第五杆连接外部底座，球面五连杆有两个自由度，所以需两个驱动源，为了结构简单和便于驱动，本实施例以第一杆和第四杆为驱动杆。

6、在第二、三、四杆上布置有旋转手指底座，旋转手指底座的旋转轴线需通过球心，所有手指底座的手指弯曲方向的面始终重合在一条转动轴线上。

7、进一步的，所述该手掌能装备四根手指，在第二杆上安装拇指旋转手指底座，第三杆上安装食指旋转手指底座，第四杆上安装中指手指底座和无名指旋转手指底座；除中指手指底座外，其他三个旋转手指底座通过z形连杆、u形轴和销轴连接在第五杆的球心，此球心同球面五连杆球心，以下所有的球心均为球面五连杆球心。优选地，中指手指底座的轴线安装在第四杆上时与第四杆与第五杆铰接处的转动轴线呈90°。

8、进一步地，在第五杆的球心处设置u形支撑，u形支撑上部为u形端；

9、每个旋转手指底座的轴端与z形连杆的一端固定在一起，z形连杆的另一端与u形轴的中部通过销连接在一起，u形轴的两端与第五杆的u形端通过销轴装配在一起；三个旋转手指底座连接的u形轴、z形连杆、销轴和第五杆的u形端构成三个仿虎克铰结构，三个仿虎克铰的轴心与球面五连杆的球心同心；三个旋转手指底座连接的u形轴的大小不同，手掌变形过程中相互之间不干涉。三个仿虎克铰结构的轴线相互重合。

10、中指手指底座的轴线安装在第四杆上时与第四杆与第五杆铰接处的转动轴线呈90°，从而第四杆转动时中指手指底座的手指弯曲面是始终通过仿虎克铰的一条转轴，因此中指手指底座无需旋转，并固定在第四杆上。

11、本发明的手掌通过两个驱动杆相互配合转动带动球面连杆转动，球面连杆的转动带动旋转手指底座移动，又因旋转手指底座通过仿虎克铰连接在球心，这就使旋转手指底座手指弯曲方向的面始终通过仿虎克铰的一条转动轴线。

12、两个驱动杆通过绳索连接两个驱动电机；第一杆(101)和第四杆(104)在与第五杆铰接位置处设置用于缠绕安装绳索的圆盘结构；在第五杆上设置有用于绳索走线的空槽，绳索穿过空槽与驱动电机连接，从而控制手掌的变形。

13、本发明还保护一种仿人灵巧手，所述仿人灵巧手使用所述的手掌，使所有手指在手掌变形时抓取面始终保持通过球心的一条轴线，实现捏、抓、拧、握姿态，同时可实现抓取不同直径柱状物体的动作。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1.本发明具有变胞结构的可重构拓扑结构和可变运动特性，多功能性、适应性和低成本的特点。

16、2.本发明可使每根手指弯曲始终都朝向过球心的一条轴线，可使所有手指在手掌变形任意位置时都可同时到达同一抓取点，增强抓取的包络性。

17、3.本发明采用绳驱方案，驱动电机可以布置在手掌外部，大大减小了手掌的尺寸，使手掌的集成度较高。

18、4.本发明可搭配不同种类的手指，通用性好。

技术特征：

1.一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌，手掌是一个封闭链结构，由第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆依次通过铰接构成球面五连杆机构；相邻两个连杆之间使用铰接，铰接转动的轴线通过球面五连杆机构的球心；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，所述该手掌能装备四根手指，在第二杆上安装拇指旋转手指底座，第三杆上安装食指旋转手指底座，第四杆上安装中指手指底座和无名指旋转手指底座；除中指手指底座外，其他三个旋转手指底座通过z形连杆、u形轴和销轴连接在第五杆的球心，此球心同球面五连杆球心；中指手指底座的轴线安装在第四杆上时与第四杆与第五杆铰接处的转动轴线呈90°。

3.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，每个手指底座上可安装手指。

4.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，在第五杆的球心处设置u形支撑，u形支撑上部为u形端；

5.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，所述手掌能使带动安装在其上的手指转动，并且每根手指的弯曲始终都朝向过球心的一条轴线，使所有手指在手掌变形任意位置时都能同时到达同一抓取点。

6.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，五杆处在平面位置状态下，第三杆(103)和第四杆(104)所占角度之和与第一杆(101)、第二杆(102)和第五杆所占角度之和相等，都等于180°。

7.根据权利要求1所述的手掌，其特征在于，球面五杆均为扇形，球面五杆的每个杆的角度具体分配分别为：第一杆(101)为25°；第二杆(102)为42°；第三杆(103)为68°；第四杆(104)为112°；第五杆(105)为113°；第一杆(101)和第四杆(104)为两个驱动杆。

8.根据权利要求7所述的手掌，其特征在于，两个驱动杆通过绳索连接两个驱动电机；第一杆(101)和第四杆(104)在与第五杆铰接位置处设置用于缠绕安装绳索的圆盘结构；在第五杆上设置有用于绳索走线的空槽，绳索穿过空槽与驱动电机连接，从而控制手掌的变形。

9.根据权利要求8所述的手掌，其特征在于，驱动电机布置在手掌外部。

10.一种仿人灵巧手，其特征在于，所述仿人灵巧手使用权利要求1-9任一所述的手掌，使所有手指在手掌变形时抓取面始终保持通过球心的一条轴线，实现捏、抓、拧、握姿态，同时可实现抓取不同直径柱状物体的动作。

技术总结本发明为一种基于变胞结构可定轴抓取的手掌，手掌是一个封闭链结构，由第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆依次通过铰接构成球面五连杆机构；相邻两个连杆之间使用铰接，铰接转动的轴线通过球面五连杆机构的球心；所述第五杆连接外部底座，球面五连杆包含两个自由度；在第二、三、四杆上布置有旋转手指底座，旋转手指底座的旋转轴线通过球面五连杆机构的球心；所有手指底座的手指弯曲方向的面始终重合在一条轴线上。使所有手指在手掌变形时抓取面始终保持通过球心的一条轴线，实现捏、抓、拧、握姿态，同时可实现抓取不同直径柱状物体的动作。技术研发人员：李洋,霍天亮,周赢,王海行,郭士杰受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14