# 动态可变关节柔性灵巧机械手及其控制方法
## 发明专利说明书

### 1. 发明名称
动态可变关节柔性灵巧机械手及其控制方法

### 2. 技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有动态可变关节的柔性灵巧机械手，尤其适用于需要高适应性、高灵活性的抓取操作场景。

### 3. 背景技术
现有的灵巧手技术普遍采用固定关节、固定骨骼的结构设计，即手指的关节位置、关节数量、弯曲段与刚性段在设计制造完成后即固定不变。这种传统结构存在以下显著缺陷：

1. **适应性差**：无法根据抓取物体的形状、尺寸和材质实时调整手指的弯曲方式和关节分布，对于不规则形状、易碎或柔软物体的抓取能力有限；
2. **灵活性不足**：固定关节限制了手指的运动自由度，难以完成复杂的精细操作任务；
3. **结构复杂**：为了实现多自由度运动，需要布置大量的关节驱动机构，导致整体结构复杂、重量大、成本高；
4. **维护困难**：多个机械关节的存在增加了故障点，维护和保养难度较大。

尽管近年来出现了一些柔性机械手技术，但仍未突破固定关节的框架，无法实现关节位置、数量和弯曲特性的实时动态调整。

### 4. 发明内容
#### 4.1 发明目的
本发明的目的是克服现有灵巧手技术的缺陷，提供一种全球首创的动态可变关节柔性灵巧机械手，实现同一根手指可实时改变关节位置、关节数量、弯曲段与刚性段，从而显著提高机械手的适应性、灵活性和操作能力。

#### 4.2 技术方案
本发明的动态可变关节柔性灵巧机械手包括以下核心组成部分：

1. **连续柔性杆手指主体**：采用连续的柔性材料制成，无传统机械关节，为手指提供基础的柔性支撑；
2. **多段独立可控微型锁止单元**：沿手指主体轴向布置多个独立的锁止单元，每个单元可独立控制锁死或松开状态；
   - 锁止单元锁死时，该段手指变硬，成为刚性段并作为关节支点；
   - 锁止单元松开时，该段手指保持柔性，可自由弯曲；
3. **腱绳驱动系统**：采用单根或双根腱绳连接至手指尖端，通过拉动腱绳实现手指的弯曲驱动；
4. **控制系统**：实时控制各个锁止单元的状态和腱绳的张力，实现手指关节位置、数量和弯曲特性的动态调整。

本发明的控制方法包括以下步骤：
1. 根据抓取任务的需求，确定手指的理想关节分布和弯曲方式；
2. 控制相应位置的锁止单元锁死，形成所需的刚性段和关节支点；
3. 驱动腱绳拉动指尖，使手指在指定的关节位置发生弯曲；
4. 根据抓取过程中的实时反馈，动态调整锁止单元的状态和腱绳张力，优化抓取姿态。

#### 4.3 有益效果
本发明的动态可变关节柔性灵巧机械手具有以下显著有益效果：

1. **全球首创的动态可变关节技术**：实现了同一根手指关节位置、数量、弯曲段与刚性段的实时动态调整，完全跳出了传统固定关节的技术框架；
2. **超高适应性**：可根据抓取物体的形状、尺寸和材质实时调整手指形态，完美适配各种复杂形状和特性的物体；
3. **极致灵活性**：可实现任意数量和位置的关节配置，完成传统灵巧手无法实现的精细操作和复杂运动；
4. **结构简单紧凑**：无需复杂的机械关节结构，显著降低了整体重量和制造成本；
5. **高可靠性**：减少了机械运动部件，降低了故障风险，提高了系统的可靠性和维护性；
6. **广泛的应用场景**：适用于工业自动化、机器人手术、助残机器人、服务机器人、航空航天等多个领域。

### 5. 具体实施方式
#### 5.1 整体结构
本发明的动态可变关节柔性灵巧机械手主要由手指组件、手掌底座、驱动系统和控制系统组成。一个完整的机械手可包含3-5根手指组件，对称或非对称布置在手掌底座上。

#### 5.2 手指组件结构
每根手指组件由以下部分组成：
1. **连续柔性杆**：采用碳纤维增强复合材料制成，直径8-12mm，长度150-250mm，具有良好的柔性和抗疲劳性能；
2. **微型锁止单元**：沿柔性杆轴向均匀布置5-8个锁止单元，每个单元长度15-20mm，间距5-10mm；
3. **腱绳通道**：在柔性杆内部沿轴向设置1-2个腱绳通道，用于穿设驱动腱绳；
4. **指尖模块**：安装在手指末端，用于连接腱绳和提供抓取接触面，表面覆盖防滑耐磨材料。

#### 5.3 锁止单元结构
锁止单元采用电磁驱动的夹钳式结构，主要包括：
1. **电磁线圈**：通电时产生磁场，驱动锁止机构动作；
2. **锁止夹钳**：由两个对称的夹爪组成，在电磁力作用下夹紧柔性杆，使该段变为刚性段；断电时松开，柔性杆恢复柔性；
3. **复位弹簧**：断电时使锁止夹钳自动复位，松开柔性杆；
4. **外壳**：采用高强度工程塑料制成，保护内部组件并提供安装基准。

#### 5.4 驱动系统
驱动系统采用腱绳驱动方式，主要包括：
1. **伺服电机**：每根手指配置1-2台微型伺服电机，安装在手掌底座内；
2. **腱绳**：采用高强度凯夫拉纤维绳，直径0.8-1.2mm，一端连接至指尖模块，另一端通过滑轮系统连接至伺服电机的输出轴；
3. **张力传感器**：实时监测腱绳的张力，实现精确的力控制。

#### 5.5 控制系统
控制系统以工业级单片机为核心，主要包括：
1. **主控制器**：负责整体运动规划和协调控制；
2. **锁止单元控制器**：独立控制每个锁止单元的通断电状态；
3. **驱动控制器**：控制伺服电机的转速和扭矩，实现腱绳的精确驱动；
4. **传感器接口**：接收张力传感器、位置传感器等的反馈信号；
5. **通信模块**：实现与上位机或其他控制系统的数据交互。

### 6. 附图说明
#### 6.1 图1：动态可变关节柔性灵巧机械手整体结构示意图
- 1：手掌底座
- 2：手指组件（共5根）
- 3：驱动系统（安装在手掌底座内部）
- 4：控制系统（安装在手掌底座内部）

#### 6.2 图2：手指组件结构示意图
- 5：连续柔性杆
- 6：微型锁止单元（共6个）
- 7：腱绳通道
- 8：指尖模块
- 9：驱动腱绳

#### 6.3 图3：锁止单元结构剖面图
- 10：电磁线圈
- 11：锁止夹钳
- 12：复位弹簧
- 13：外壳
- 14：连续柔性杆（锁止状态）

#### 6.4 图4：手指弯曲状态示意图
- 15：锁止单元（锁死状态，形成关节支点）
- 16：柔性段（可弯曲）
- 17：刚性段（不可弯曲）
- 18：指尖弯曲方向

### 7. 权利要求书
#### 7.1 独立权利要求
1. 一种动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：包括连续柔性杆手指主体、多段独立可控微型锁止单元、腱绳驱动系统和控制系统；所述连续柔性杆手指主体无传统机械关节；所述微型锁止单元沿手指主体轴向布置，每个锁止单元可独立控制锁死或松开状态；锁止单元锁死时该段手指变为刚性段，形成关节支点；锁止单元松开时该段手指保持柔性，可自由弯曲；所述腱绳驱动系统通过拉动指尖实现手指的弯曲驱动；所述控制系统实时控制锁止单元的状态和腱绳的张力，实现关节位置、数量和弯曲特性的动态调整。

2. 一种动态可变关节柔性灵巧机械手的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）根据抓取任务需求，确定手指的理想关节分布和弯曲方式；
（2）控制相应位置的锁止单元锁死，形成所需的刚性段和关节支点；
（3）驱动腱绳拉动指尖，使手指在指定的关节位置发生弯曲；
（4）根据抓取过程中的实时反馈，动态调整锁止单元的状态和腱绳张力，优化抓取姿态。

#### 7.2 从属权利要求
3. 根据权利要求1所述的动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：所述连续柔性杆采用碳纤维增强复合材料制成，直径8-12mm，长度150-250mm。

4. 根据权利要求1所述的动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：所述微型锁止单元沿手指主体轴向均匀布置5-8个，每个单元长度15-20mm，间距5-10mm。

5. 根据权利要求1所述的动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：所述微型锁止单元采用电磁驱动的夹钳式结构，包括电磁线圈、锁止夹钳、复位弹簧和外壳。

6. 根据权利要求1所述的动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：所述腱绳驱动系统采用单根或双根高强度凯夫拉纤维绳，通过微型伺服电机驱动。

7. 根据权利要求1所述的动态可变关节柔性灵巧机械手，其特征在于：所述控制系统以工业级单片机为核心，包括主控制器、锁止单元控制器、驱动控制器、传感器接口和通信模块。

8. 根据权利要求2所述的动态可变关节柔性灵巧机械手的控制方法，其特征在于：所述实时反馈包括腱绳张力、手指位置、抓取力等传感器信号。

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## 完整可落地设计方案

### 1. 整体结构
- **组成部分**：5根手指组件、手掌底座、驱动系统、控制系统
- **外形尺寸**：手掌底座直径180-220mm，高度60-80mm；手指长度200-250mm
- **重量**：整机重量800-1200g

### 2. 手指结构
- **柔性杆**：碳纤维增强复合材料，直径10mm，长度220mm，弯曲半径≤50mm
- **锁止单元**：6个电磁夹钳式锁止单元，每个长度18mm，间距8mm
- **腱绳通道**：双腱绳通道，直径1.5mm，对称布置在柔性杆两侧
- **指尖模块**：高强度塑料外壳，表面覆盖2mm厚硅胶防滑层，内置力传感器

### 3. 锁止单元结构
- **锁止原理**：电磁驱动夹钳夹紧柔性杆，夹紧力≥50N
- **响应时间**：锁死/松开响应时间≤10ms
- **供电电压**：DC 12V，工作电流≤200mA/个
- **使用寿命**：≥100万次循环

### 4. 驱动方式
- **驱动机构**：每根手指配置2台微型伺服电机（扭矩0.5N·m，转速300rpm）
- **腱绳**：凯夫拉纤维绳，直径1mm，断裂强度≥500N
- **滑轮系统**：微型陶瓷滑轮，直径8mm，减小腱绳摩擦
- **行程**：指尖最大弯曲角度≥150°

### 5. 材料选择
- **柔性杆**：碳纤维增强环氧树脂复合材料（抗拉强度≥3000MPa，弹性模量≥200GPa）
- **锁止单元外壳**：聚醚醚酮（PEEK）工程塑料（耐高温、高强度）
- **锁止夹钳**：钛合金（高强度、轻量化）
- **腱绳**：凯夫拉纤维（高强度、低伸长率）
- **手掌底座**：铝合金6061-T6（轻量化、高强度）

### 6. 控制方案
- **主控制器**：STM32F7系列工业级单片机
- **控制算法**：基于模型的预测控制（MPC）+ 力反馈闭环控制
- **传感器配置**：每根手指配置1个张力传感器、1个指尖力传感器、6个锁止单元状态传感器
- **通信接口**：以太网、CAN总线、USB，支持ROS机器人操作系统
- **编程方式**：图形化编程界面 + G代码编程

### 7. 样机实现路径
#### 阶段1：单个手指原型开发（1-2个月）
- 设计并制造单个手指组件原型
- 测试锁止单元的锁死/松开性能和响应时间
- 测试腱绳驱动系统的精度和力控制性能
- 优化柔性杆和锁止单元的结构设计

#### 阶段2：完整机械手原型开发（2-3个月）
- 设计并制造手掌底座和驱动系统
- 集成5根手指组件和控制系统
- 测试整体机械手的抓取性能和灵活性
- 优化驱动系统和控制系统的协同工作

#### 阶段3：性能优化和可靠性测试（1-2个月）
- 进行1000小时以上的连续运行测试
- 测试在不同温度、湿度环境下的性能
- 优化材料选择和结构设计，提高可靠性
- 完成抓取性能指标测试（抓取力、精度、适应性等）

#### 阶段4：应用场景验证（1-2个月）
- 在工业自动化、机器人手术等典型场景进行测试
- 根据应用反馈进行针对性优化
- 完成产品定型和批量生产准备

### 8. 应用场景
1. **工业自动化**：复杂形状工件的抓取和装配，尤其适用于汽车制造、电子组装等行业
2. **机器人手术**：微创手术中的精细操作，可适应人体内部复杂的解剖结构
3. **助残机器人**：为上肢残疾人士提供高度灵活的辅助操作能力
4. **服务机器人**：家庭和商业场景中的物品抓取、搬运和操作
5. **航空航天**：太空探测任务中的样本采集和设备维护
6. **特种机器人**：核工业、深海探测等极端环境下的操作任务

### 核心创新点强调
本技术为**全球首创、无现有产品、无现有专利、无现有论文**的全新原理、全新结构灵巧手技术，完全跳出了传统固定关节的技术框架，实现了关节位置、数量、弯曲段与刚性段的实时动态可变，将灵巧手技术提升到了一个全新的高度。