一種機器人用多指擬人手的製作方法
2023-06-28 19:12:31 1
專利名稱：一種機器人用多指擬人手的製作方法
技術領域：
本發明涉一種機器人用多指擬人手，該手具有彈性的手掌，適用於仿人機器人的多指手抓取作業時達到擬人手的效果。
背景技術：
隨著工業化的發展，人類的生產活動已逐漸深入到一些特殊領域，比如在水下、地下、核輻射、空間站等環境下對設備進行檢查和維修；對一些大型物體的精確操作，比如汽車的組裝；醫療上的微創傷手術等等。這些工作或具有危險性，或難於完成，非常需要機器人來代替人來完成這些工作。這些複雜的工作需要機器人的手部裝置具有完成精細操作的能力，同時通過手指運動能快速地適應對幾何形狀複雜的物體的抓取。而當今實際應用中的機器人大多數使用 簡單的末端執行器夾持工件完成工作，具有缺少靈活性、夾持方式有限、效率不高、能耗大等缺點。多指靈巧手有助於解決上述問題，它使機器人更加靈活，也更通用。多指靈巧手由於具有自適應性，可以實現多種不同的夾持，無需更換末端執行器。從機器人手爪的研究進展來看，多指靈巧手仍然是研究最多的。全驅動多指靈巧手基於腱和滑輪(或是軟管)的傳動方式導致出力小、負載能力差、控制複雜，制約著其在機器人上的應用。而欠驅動手指通過欠驅動手指機構、機械限位和彈簧實現無動力關節對被抓取形狀的被動自適應，具有驅動元件少，抓取範圍廣泛、控制簡單、出力大、負載能力好等特點。但是，欠驅動機構中的彈性元件又給欠驅動手的精確控制，諸如精確的軌跡跟蹤，力控制等造成了一定的困難，尤其是國內的一些欠驅動手中，加上其傳感器數量的限制，難以實現複雜和準確的操作，限制了它的靈巧性。另外，由於現有的仿人手的手掌多由鋼板組成，彈性較差，在完成抓取操作時，手掌與被抓取物的接觸點少、接觸面積小，抓取不穩定。經過長時間的進化，人類的手非常靈活，不僅可以做出各種手勢，而且還能夠完成提起重物等操作。每隻手都由29塊骨頭作為支架構成，這些骨頭由123條韌帶聯繫在一起，由35條強勁的肌肉來牽引。因此，在人手抓取物體，做出各種姿勢時，動作非常柔和，並且可靠。在人手抓取物體時，不僅手指的各個關節都能夠與物體相接觸，而且手掌也有很大的面積可以接觸到物體。這樣，抓取比較穩定，物體不易滑落。但現有的機器人手，在做出手勢的時候，動作非常僵硬，不協調；手掌採用剛性材料製成，抓取物體時手掌與物體的接觸點較少，因此與物體之間的摩擦不大，容易滑落。由此，就需要使機器人多指手能夠在使用較少的驅動元件獲得足夠力的前提下，完成手的精確控制，並增強多指手抓取的穩定性。
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明實施例提供一種手掌具有彈性、手指彎曲更加自然的機器人多指手，以解決現有技術的問題。該多指手能夠在使用較少驅動元件的前提下，具有較強的帶負載能力，並且能夠進行比較精確的控制。靈巧手在完成抓取任務時，彈性手掌可以彎曲，增多手與物體的力的接觸點，增大接觸面積，使抓取更加穩定。當多指手進行擰螺絲等任務時，能夠很好得控制手的運動精度；當多指手握物體時，能夠抓取牢靠，不產生滑動。一種機器人用多指擬人手，包括手腕、手掌，以及連接到手掌上的多個手指，每個手指具有多個關節，其特徵在於，還包括多個彈簧，其分別設置於所述多個手指的每個關節，提供將手指保持在伸展狀態的力矩；驅動裝置，其置於所述擬人手內部，能夠分別為所述多個手指的每一個提供驅動力，所述驅動力使手指的關節克服所述彈簧的力矩作用，分別圍繞各個關節的軸發生轉動，從而轉變為握緊狀態；其中，在所述多個手指的每一個中，按照從掌端到指端的方向，各關節的彈簧的彈性係數逐漸增大，從而使手指能夠彎曲完成抓取動作。 優選地，所述多個手指中包括食指，所述食指具有近掌端關節、中指節和近指端關節，其中近掌端關節的彈簧彈性係數最小，近指端關節的彈簧彈性係數最大。優選地，所述多個手指中包括拇指，所述拇指具有近掌端關節和近指端關節，其中所述拇指的近掌端關節彈簧的彈性係數較小，所述拇指的近指端關節彈簧的彈性係數較大。優選地，所述手掌包括多個彈性係數很大的彈簧，以使得當進行抓取動作時，所述手掌微微彎曲，其彎曲程度與手指的抓取動作相適應。優選地，所述多個彈簧為拉伸彈簧、扭轉彈簧或彎曲彈簧。本發明的有益效果是，在保證抓取力較大的前提下，手指彎曲與人手更加類似，使仿人多指手的手掌具有彈性，抓取更加穩定；通過在同一根手指上採用不同彈性係數的彈簧，使手指在進行抓取時，各關節以不同角度進行彎曲，從而與人手更加類似；而採用彈簧為主體的手掌，可以在抓取時具有一定的彎曲度與柔性，能夠增加抓取的穩定性。
圖I是根據本發明的一種實施方式的多指擬人手。圖2是上述實施方式中的多指擬人手的拇指的構成示意圖。圖3是上述實施方式中的多指擬人手的手掌的構成示意圖。圖中各標記的含義如下I食指近指端關節2食指中指節 3食指近掌端關節4姆指近指端關節5姆指近掌端關節6手指7手掌8手腕
具體實施例方式圖I示出了根據本發明的一種實施方式的多指擬人手。該擬人手包括手掌7、手腕8，手掌7上連接有多個手指6，每個手指都具有多個關節。手指的每個關節處都設置有彈簧，用以提供將手指保持在伸展狀態的力矩。多指手內部設置有各個手指的驅動裝置，用於驅動各個手指的動作。當驅動裝置進行驅動時，驅動力使手指的關節克服彈簧的力矩作用，分別圍繞各個關節的軸發生轉動，從而轉變為握緊狀態。通過調整每個手指的各個關節的彈簧的彈性係數，可以使手指彎曲完成預定的抓取動作。例如，食指具有近掌端關節、中指節和近指端關節。其中，食指近掌端關節3的彈簧彈性係數最小(k3)，中指節2的彈簧彈性係數較大(k2)，近指端關節I的彈簧彈性係數最大(kl)。三個彈簧的彈性係數呈等差數列的關係kl = k2+k0 = k2+2*k0(k0為常數)。由於同一根手指的各個關節的驅動力是相同的，因此在進行驅動時，食指近指端關節I的轉動角度最小，中指節2轉動角度較小，近掌端關節3的轉動角度最大。因為三個指節的彈簧彈性係數呈等差數列，所以同一根手指的三個關節的轉動角度大小也為等差數列θ3= θ2+θ。= 01+20。(0。為常數)。除拇指外，其他三指均與食指情況相似。圖2示出了上述實施方式中的多指擬人手的拇指的構成。其中拇指具有近掌端關節，以及近指端關節。拇指的近掌端關節彈簧的彈性係數較小(k3)，近指端關節彈簧的彈性 係數較大(k2)。因此在進行驅動時，拇指近掌端關節5轉動角度較大，近指端關節4轉動角度較小。其彈簧係數和轉動角度關係與圖2的類似圖3示出了上述實施方式中的多指擬人手的手掌的構成。手掌7主要由多個彈性係數很大的彈簧構成。以使得當手掌進行包絡抓取時，彈簧進行微微彎曲，其彎曲程度與手指的抓取動作相適應，從而能夠增加手掌與物體的接觸點的個數，增大接觸面積，使包絡抓取更加穩定，達到設計效果。此外，除了以上各圖中示出的使用拉伸彈簧的實施例之外，還可以使用扭轉彈簧或彎曲彈簧為各個關節提供力矩，得到替代的實施方式。以上所述僅為本發明的幾種具體實施例，以上實施例僅用於對本發明的技術方案和發明構思做說明而非限制本發明的權利要求範圍。凡本技術領域中技術人員在本專利的發明構思基礎上結合現有技術，通過邏輯分析、推理或有限實驗可以得到的其他技術方案，也應該被認為落在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種機器人用多指擬人手，包括手腕、手掌，以及連接到手掌上的多個手指，每個手指具有多個關節，其特徵在於，還包括 多個彈簧，其分別設置於所述多個手指的每個關節，提供將手指保持在伸展狀態的力矩； 驅動裝置，其置於所述擬人手內部，能夠分別為所述多個手指的每一個提供驅動力，所述驅動力使手指的關節克服所述彈簧的力矩作用，分別圍繞各個關節的軸發生轉動，從而轉變為握緊狀態； 其中，在所述多個手指的每一個中，按照從掌端到指端的方向，各關節的彈簧的彈性係數逐漸增大(呈等差數列關係增大)，從而使手指能夠彎曲完成抓取動作。
2.根據權利要求I所述的多指擬人手，其特徵在於，所述多個手指中包括食指，所述食指具有近掌端關節、中指節和近指端關節，其中近掌端關節的彈簧彈性係數最小，近指端關節的彈簧彈性係數最大。
3.根據權利要求I所述的多指擬人手，其特徵在於，所述多個手指中包括拇指，所述拇指具有近掌端關節和近指端關節，其中所述拇指的近掌端關節彈簧的彈性係數較小，所述拇指的近指端關節彈簧的彈性係數較大；近掌端關節、中指節、近指端關節的彈簧係數呈遞增的等差數列。
4.根據權利要求1-3之一所述的多指擬人手，其特徵在於，所述手掌包括多個彈性係數很大的彈簧，以使得當進行抓取動作時，所述手掌微微彎曲，其彎曲程度與手指的抓取動作相適應。
5.根據權利要求1-3之一所述的多指擬人手，其特徵在於，所述多個彈簧為拉伸彈簧、扭轉彈簧或彎曲彈簧。
全文摘要
本發明公開了一種機器人用多指擬人手，包括手腕、手掌，以及連接到手掌上的多個手指，每個手指具有多個關節，還包括多個彈簧，其分別設置於所述多個手指的每個關節，提供將手指保持在伸展狀態的力矩。該多指擬人手通過在同一根手指上採用不同彈性係數的彈簧，使手指在進行抓取時，各關節以不同角度進行彎曲，從而與人手更加類似；而採用彈簧為主體的手掌，可以在抓取時具有一定的彎曲度與柔性，能夠增加抓取的穩定性。
文檔編號B25J15/08GK102814818SQ20111015474
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者蔣志宏, 魏博, 李洪傑, 黃強 申請人:北京理工大學