超聲電機驅動的五指靈巧手的製作方法

2023-07-17 00:56:01

專利名稱：超聲電機驅動的五指靈巧手的製作方法
技術領域：
超聲電機驅動的五指靈巧手，屬機器人領域。
背景技術：
隨著科技水平的不斷進步和新興交叉學科不斷湧現，如太空探索、核能開發、 醫療器械等都對機器人技術提出了更高的要求，而傳統的工業機器人末端夾持器 有一些缺點，如靈活性差，感知能力低下，力的控制精度不高等。近二十幾年來， 多指靈巧手的研究工作得到了迅速的發展，並已逐漸成為一個專門的研究領域。多指靈巧手依照驅動器的位置分為兩類內置型和外置型。內置型多指靈巧 手的手部關節的轉動是由安裝在手指或手掌內的驅動器驅動。典型的內置型多指靈巧手有WENDY靈巧手和DLR II靈巧手。內置型靈巧手的最大優勢在於由於採用獨立的手部結構，靈巧手可以安裝在各種類型的機器人手臂上。但它也存在 著不足，其中尺寸上的限制尤為突出。外置型多指靈巧手的驅動器全部被放置在靈巧手之外。典型的外置型多指靈巧手有NASA robonaut靈巧手和Utah/MIT靈巧手。外置的驅動器通過腱驅動 關節轉動。其優勢在於可以利用高功率的驅動器產生非常大的驅動力，如氣壓 驅動；驅動器的外置可以使手指結構變得簡單，從而使得多關節多自由度的靈巧 手成為可能，然而，由於驅動器的外置，這種靈巧手很難和各種機器人手臂相聯， 而且手的工作空間變得有限，工作靈活性降低。超聲電機具有低速大扭矩，不需減速齒輪可直接驅動負載；超聲電機體積小 和重量輕等特點使其適合作為機構受到約束的靈巧手的驅動器；超聲電機的自鎖 力矩大，可以實現斷電後仍然可以抓住物體。這些都是傳統電磁電機所無法比擬 的。採用超聲電機，可以像內置型靈巧手那樣，將超聲電機全部置於手掌內，形 成獨立的手部結構；同時可以借鑑外置型靈巧手的方式，採用彈性線驅動方式使 手指結構變得更加簡單，從而使靈巧手可以和普通人手一般大小，獲得與人手一 樣多的關節和自由度。

發明內容
本發明的目的在於研製一種手部獨立、結構簡單、具有與人手一樣多的自由 度且體積相當於成人手大小的由超聲電機驅動的五指靈巧手、應用於太空探索、 核能開發、醫療器械等領域。一種超聲電機驅動的五指靈巧手，包括拇指、食指、中指、無名指、小指五 個手指、底座和手掌面。食指、中指、無名指、小指分別固定在底座和手掌面上， 拇指固定在底座上。其特徵在於，所述的食指、中指、無名指、小指的結構相同，分別具有遠端 指節、近端指節、掌骨指節和掌骨體及四個關節和四個自由度。四個關節是從指 根向外分別是掌指關節MPI、 MPII，近端指間關節PIP及遠端指間關節DIP，每 個關節具有一個相對應的自由度。遠端指節通過遠端指間關節DIP連於近端指 節，近端指節再通過近端指間關節PIP連於掌骨指節，掌骨指節再通過掌指關節 MPII連於掌骨體。所述的遠端指節包括指尖帽、遠端指節體、遠端指間DIP關節軸及遠端從動 輪和測量遠端指間關節DIP轉角的電位計。指尖帽與遠端指節體以螺紋連接，遠 端指節體通過遠端指節體支撐架固定在遠端指間DIP關節軸上，遠端從動輪固定 在遠端指節體支撐架左邊的遠端指間DIP關節軸上並與遠端指節體支撐架固連， 在遠端指節體支撐架右邊遠端指間DIP關節軸安裝有測量遠端指間關節DIP轉角 的電位計。所述的近端指節包括近端指節體、近端指間PIP關節軸、近端從動輪、近端 過渡輪、測量近端指間關節PIP轉角的電位計。近端指節體通過近端指節體支撐 架固定在近端指間PIP關節軸上，近端從動輪固定在近端指節體支撐架左邊的近 端指間PIP關節軸上並與近端指節體支撐架固連,近端過渡輪通過軸承安裝在近 端指節體支撐架右邊的近端指間PIP關節軸上，近端指間PIP關節軸的右端安裝有測量近端指間關節PIP轉角的電位計，該電位計置於近端過渡輪的右邊。遠端 指間關節DIP關節軸通過一對軸承安裝在近端指節的指節體上。所述掌骨指節包括掌骨指節體、左掌骨指節側板、右掌骨指節側板、帶動掌 骨關節MPI運動的從動輪、帶動掌骨關節MPII運動的從動輪、掌骨過渡輪、驅動 遠端指間關節DIP的主動輪、驅動遠端指間關節DIP的超聲電機、上立柱板、下 立柱板、測量掌骨關節MPII轉角的電位計、測量掌骨關節MPI轉角的電位計。驅 動遠端指間關節DIP的超聲電機輸出軸通過軸承安裝在右掌骨指節側板上，驅動 遠端指間關節DIP的主動輪固連在驅動遠端指間關節DIP的超聲電機輸出軸上， 掌骨過渡輪和掌骨指節體通過軸承安裝在驅動遠端指間關節DIP的超聲電機輸 出軸上，掌骨過渡輪置於驅動遠端指間關節DIP的主動輪的左側，掌骨指節體置 於掌骨過渡輪的左側、裝在驅動遠端指間關節DIP的超聲電機輸出軸末端。帶動掌骨關節MPI運動的從動輪通過螺釘與掌骨指節體固連，其右端設計有一體 軸，軸上安裝有測量掌骨關節MPI轉角的電位計並通過軸承安裝在左掌骨關節側 板上。左掌骨指節側板、右掌骨指節側板、上立柱板、下立柱板通過螺釘連接成 起支撐作用的長方形結構。上立柱板軸上安裝有測量掌骨關節MPII轉角的電位計 和帶動MPII關節運動的從動輪。近端指間PIP關節軸安裝在掌骨指節體上。所述的掌骨體包括左掌骨面板、右掌骨面板、掌骨上板、掌骨下板、驅動掌 骨關節MPI的超聲電機、驅動近端指間關節PIP的超聲電機、驅動掌骨關節MPII 的超聲電機、驅動掌骨關節MPI的主動輪、驅動掌骨關節MPII的主動輪、驅動近 端指間關節PIP的主動輪。其中左掌骨面板和右掌骨面板與掌骨上板和掌骨下板 通過螺釘連接成起支撐作用的長方形結構，右掌骨面板上分別安裝有驅動近端指 間關節PIP的的超聲電機和驅動掌骨關節MPI的超聲電機，驅動近端指間關節 PIP的主動輪固連在驅動近端指間關節PIP的超聲電機的軸上;驅動掌骨關節MPI 的主動輪固連在驅動掌骨關節MPI的超聲電機的軸上，掌骨上板上安裝有驅動掌 骨關節MPII的超聲電機，驅動掌骨關節MPII的主動輪固連在驅動掌骨關節MPII的超聲電機的軸上；所述掌骨指節中的上立柱板和下立柱板通過軸承分別安裝在掌 骨上板和掌骨下板上。食指、中指、無名指、小指的掌骨體固定在底座及手掌面上連成一體。所述的食指、中指、無名指、小指的遠端指節由安裝在右掌骨指節側板上的 超聲電機驅動，超聲電機帶動超聲電機軸上的主動輪經彈性線帶動近端過渡輪， 近端過渡輪經彈性線帶動遠端從動輪實現遠端指節的彎曲-伸展運動；近端指節 由安裝在右掌骨面板上的超聲電機帶動主動輪轉動經彈性線帶動掌骨過渡輪，掌 骨過渡輪經彈性線帶動近端從動輪實現彎曲-伸展運動；掌骨關節MPI由安裝在 右掌骨面板上的超聲電機帶動主動輪經彈性線驅動從動輪實現彎曲-伸展運動；掌骨關節MPII由安裝在掌骨上板上的超聲電機帶動主動輪經彈性線驅動從動輪 實現內收-外展運動。所述的拇指具有三個指節四個關節，三個指節為拇指遠端指節、拇指近端指 節和拇指掌骨指節，四個關節為拇指根關節TMI和TMII、掌指關節MP、指間關 節IP，四個關節對應四個自由度，拇指根關節TMI和掌指關節MP和指間關節IP 為彎曲-伸展運動；拇指根關節TMII為內收-外展運動。拇指遠端指節通過指間 關節IP連於拇指近端指節；拇指近端指節通過掌指關節MP連於拇指掌骨指節。 拇指遠端指節體、驅動指間關節IP的從動輪與IP關節軸固連且驅動指間關節IP的從動輪通過螺釘與拇指近端指節固連，IP關節軸上安裝有用於測量指間關 節IP轉角的電位計，驅動指間關節IP運動的超聲電機安裝在拇指掌骨指節左側 板上，驅動指間關節IP的主動輪與驅動指間關節IP的超聲電機軸固連，經彈性 線驅動指間關節IP上從動輪，拇指近端指節通過軸承安裝在驅動指間關節IP 的超聲電機軸上，帶動拇指近端指節運動的從動輪通過螺釘與拇指近端指節固 連，其右端設計有一體軸，軸上安裝有測量掌指關節MP轉角的電位計並通過軸 承安裝在拇指掌骨指節右側板上，驅動掌指關節MP的超聲電機安裝在拇指掌骨 指節右側板上，驅動掌指關節MP的主動輪與驅動掌指關節MP的超聲電機軸固連 經彈性線驅動帶動拇指近端指節的從動輪，拇指根關節TMII由安裝在拇指掌骨 指節根部的超聲電機驅動，拇指根關節TMII的主動輪固定在驅動拇指根關節 TMII的超聲電機軸上，經彈性線驅動從動輪，拇指根關節TMI由安裝在連接板 上的超聲電機驅動，驅動拇指根關節TMI主動輪固定在驅動拇指根關節TMI的超 聲電機軸上經彈性線驅動從動輪，TMII關節和TMI關節軸上分別固定從動輪和 從動輪並各安裝有一個測量關節轉角的電位計，拇指通過連接板與底座連成一 體。本發明的優點是由於採用了超聲電機，靈巧手不需減速裝置，斷電後仍可抓持物體，具有獨立的手部結構，響應快，操作靈活，和普通人手一般大小，獲 得與人手一樣多的關節和自由度。


圖1是超聲電機驅動五指靈巧手的整體結構示意圖。圖2(a、 b、 c)是靈巧手食指、中指、無名指、小指結構示意圖。圖3是靈巧手食指、中指、無名指、小指的遠端指節結構示意圖。圖4是圖3的側視圖。圖5是靈巧手食指、中指、無名指、小指的近端指節結構示意圖。 圖6是圖5的側視圖。圖7是靈巧手食指、中指、無名指、小指的掌骨骨節結構示意圖。圖8是是圖7的俯視圖。圖9是圖7的局部視圖。圖10是靈巧手食指、中指、無名指、小指掌骨體結構示意圖。圖11是圖10的俯視圖。圖12 (a、 b、 c)是靈巧手拇指結構示意圖。圖13靈巧手控制系統硬體結構框圖 圖14靈巧手控制軟體流程中1.食指 2.中指 3.無名指 4.小指 5.拇指 6.底座 7.手掌面 8.遠端指節 9.近端指節 10.掌骨指節 11.掌骨體 12. DIP關節 13. PIP關節 14. MPI關節 15. MPII關節 16.指間帽 17.指節體 18. DIP關節軸 19.從動輪 20.電位計 21.指節體 22. PIP關節軸 23.從動輪 24.過渡輪 25.電位計 26.超聲電機 27.右掌骨指節側板 28.主動輪 29.從動輪 30.左掌骨指節側板 31.過渡輪 32.指節體 33.下立柱板 34.上立柱板 35.從動輪 36.電位計 37.電位計 38.掌骨上板 39.左掌骨面板 40.掌骨下 板 41.主動輪 42.主動輪 43.右掌骨面板 44.主動輪 45.超聲 電機 46.超聲電機 47.超聲電機 48.拇指遠端指節 49.拇指近端 指節 50.拇指掌骨指節 51. IP關節 52. MP關節 53. TMII關節54. TMI關節 55.從動輪 56. IP關節軸 57.超聲電機 58.拇指掌骨指節 左側板 59.主動輪 60.從動輪 61.主動輪 62.拇指掌骨指節右側 板 63.超聲電機 64.超聲電機 65.超聲電機 66.拇指根部 67. 連接板。68.主動輪69.主動輪70.從動輪71.從動輪
具體實施例方式下面將結合附圖對超聲電機驅動的五指靈巧手作進一步的說明。 一種超聲電機驅動的五指靈巧手，如圖1所示，包括拇指5、食指l、中指 2、無名指3、小指4五個手指、底座6和手掌面7。食指l、中指2、無名指3、 小指4分別固定在底座6和手掌面7上，拇指5固定在底座6上。其特徵在於，所述的食指l、中指2、無名指3、小指4的結構相同，如圖2 (a)、 (b)所示，分別具有遠端指節8、近端指節9、掌骨指節10和掌骨體11 及四個關節和四個自由度。四個關節從指根向外分別是掌指關節MPI14、 MPIU5， 近端指間關節PIP13及遠端指間關節DIP12，每個關節具有一個相對應的自由度。 遠端指節8通過遠端指間關節DIP12連於近端指節9，近端指節9再通過近端指 間關節PIP13連於掌骨指節10，掌骨指節10再通過掌指關節MPII15連於掌骨體 11。所述的遠端指節8，如圖3、圖4所示，包括指尖帽16、遠端指節體17、遠 端指間DIP關節軸18及遠端從動輪19和測量遠端指間關節DIP轉角的電位計20。指尖帽16與遠端指節體17以螺紋連接，遠端指節體17通過遠端指節體支 撐架固定在遠端指間DIP關節軸18上，遠端從動輪19固定在遠端指節體支撐架 左邊的遠端指間DIP關節軸18上並與遠端指節體支撐架固連，在遠端指節體支 撐架右邊遠端指間DIP關節軸18安裝有測量遠端指間關節DIP12轉角的電位計 20。所述的近端指節9，如圖5、圖6所示，包括近端指節體21、近端指間PIP 關節軸22、近端從動輪23、近端過渡輪24、測量近端指間關節PIP轉角的電位 計25。近端指節體21通過近端指節體支撐架固定在近端指間PIP關節軸18上， 近端從動輪23固定在近端指節體支撐架左邊的近端指間PIP關節軸22上並與近 端指節體支撐架固連，近端過渡輪24通過軸承安裝在近端指節體支撐架右邊的 近端指間PIP關節軸22上，近端指間PIP關節軸22的右端安裝有測量近端指間 關節PIP13轉角的電位計25，該電位計25置於近端過渡輪24的右邊。遠端指 間關節DIP關節軸18通過一對軸承安裝在近端指節9的指節體21上。所述掌骨指節IO，如圖7、圖8、圖9所示，包括掌骨指節體32、左掌骨指 節側板30、右掌骨指節側板27、帶動掌骨關節MPI14運動的從動輪29、帶動掌 骨關節MPII15運動的從動輪35、掌骨過渡輪31、驅動遠端指間關節DIP12的主 動輪28、驅動遠端指間關節DIP12的超聲電機26、上立柱板34、下立柱板33、 測量掌骨關節MPII15轉角的電位計36、測量掌骨關節MPI14轉角的電位計37。 驅動遠端指間關節DIP12的超聲電機26輸出軸通過軸承安裝在右掌骨指節側板 27上，驅動遠端指間關節DIP12的主動輪28固連在驅動遠端指間關節DIP12的 超聲電機26輸出軸上，掌骨過渡輪31和掌骨指節體32通過軸承安裝在驅動遠 端指間關節DIP12的超聲電機26輸出軸上，掌骨過渡輪31置於驅動遠端指間關 節DIP12的主動輪28的左側，掌骨指節體32置於掌骨過渡輪31的左側、驅動 遠端指間關節DIP12的超聲電機26輸出軸末端。帶動掌骨關節MPI14運動的從 動輪29通過螺釘與掌骨指節體32固連，其右端設計有一體軸，軸上安裝有測量 掌骨關節MPI14轉角的電位計37並通過軸承安裝在左掌骨關節側板30上。左掌 骨指節側板30、右掌骨指節側板27、上立柱板34、下立柱板33通過螺釘連接 成起支撐作用的長方形結構。上立柱板34軸上安裝有測量掌骨關節MPII15轉角 的電位計36和帶動MPII關節15運動的從動輪35。近端指間PIP關節軸22安裝 在掌骨指節體32上。所述的掌骨體ll，如圖IO、圖11所示，包括左掌骨面板39、右掌骨面板43、掌骨上板38、掌骨下板40、驅動掌骨關節MPI14的超聲電機45、驅動近端 指間關節PIP13的超聲電機46、驅動掌骨關節MPII的超聲電機47、驅動掌骨關 節MPI14的主動輪41、驅動掌骨關節MPII的主動輪42、驅動近端指間關節PIP13 的主動輪44。其中左掌骨面板39和右掌骨面板43與掌骨上板38和掌骨下板40 通過螺釘連接成起支撐作用的長方形結構，右掌骨面板43上分別安裝有驅動近 端指間關節PIP13的的超聲電機46和驅動掌骨關節MPI14的超聲電機45，驅動 近端指間關節PIP13的主動輪44固連在驅動近端指間關節PIP13的超聲電機46 的軸上；驅動掌骨關節MPI14的主動輪41固連在驅動掌骨關節MPI14的超聲電 機45的軸上，掌骨上板38上安裝有驅動掌骨關節MPII15的超聲電機47,驅動 掌骨關節MPII15的主動輪42固連在驅動掌骨關節MPII的超聲電機47的軸上;所 述掌骨指節10中的上立柱板34和下立柱板33通過軸承分別安裝在掌骨上板38 和掌骨下板40上。食指1、中指2、無名指3、小指4的掌骨體11固定在底座6 及手掌面7上連成一體。所述的食指l、中指2、無名指3、小指4的遠端指節8由安裝在右掌骨指 節側板27上的超聲電機26驅動，超聲電機26帶動超聲電機26軸上的主動輪 28經彈性線帶動近端過渡輪24，近端過渡輪24經彈性線帶動遠端從動輪19實 現遠端指節8的彎曲-伸展運動；近端指節9由安裝在右掌骨面板43上的超聲電 機46帶動主動輪44轉動經彈性線帶動掌骨過渡輪31，掌骨過渡輪31經彈性線 帶動近端從動輪23實現彎曲-伸展運動；掌骨關節MPI14由安裝在右掌骨面板 43上的超聲電機45帶動主動輪41經彈性線驅動從動輪29實現彎曲-伸展運動； 掌骨關節MPII15由安裝在掌骨上板38上的超聲電機47帶動主動輪42經彈性線 驅動從動輪35實現內收-外展運動。所述的拇指5，如圖12 (a)、 (b)所示，具有三個指節四個關節，三個指節 為拇指遠端指節48、拇指近端指節49和拇指掌骨指節50，四個關節為拇指根關 節TMI54和TMI153、掌指關節MP52、指間關節IP51，四個關節對應四個自由度， 拇指根關節TMI54和掌指關節MP52和指間關節IP51為彎曲-伸展運動；拇指根 關節TMII53為內收-外展運動。拇指遠端指節48通過指間關節IP51連於拇指近 端指節49;拇指近端指節49通過掌指關節MP52連於拇指掌骨指節50。拇指遠 端指節體48、驅動指間關節IP51的從動輪55與IP關節軸56固連且驅動指間 關節IP51的從動輪55通過螺釘與拇指近端指節49固連，IP關節軸56上安裝 有用於測量指間關節IP51轉角的電位計，驅動指間關節IP51運動的超聲電機57安裝在拇指掌骨指節左側板58上，驅動指間關節IP51的主動輪59與驅動指 間關節IP51的超聲電機57軸固連，經彈性線驅動指間關節IP51上從動輪55， 拇指近端指節49通過軸承安裝在驅動指間關節IP51的超聲電機57軸上，帶動 拇指近端指節49運動的從動輪60通過螺釘與拇指近端指節49固連，其右端設 計有一體軸，軸上安裝有測量掌指關節MP52轉角的電位計並通過軸承安裝在拇 指掌骨指節右側板62上，驅動掌指關節MP52的超聲電機63安裝在拇指掌骨指 節右側板62上，驅動掌指關節MP52的主動輪61與驅動掌指關節MP52的超聲電 機63軸固連經彈性線驅動帶動拇指近端指節49的從動輪60，拇指根關節TMII53 由安裝在拇指掌骨指節根部66的超聲電機64驅動，拇指根關節TMII53的主動 輪68固定在驅動拇指根關節TMII53的超聲電機64軸上，經彈性線驅動從動輪 70，拇指根關節TMI54由安裝在連接板67上的超聲電機65驅動，驅動拇指根關 節TMI54主動輪69固定在驅動拇指根關節TMI54的超聲電機65軸上經彈性線驅 動從動輪71， TMII關節53和TMI關節54軸上分別固定從動輪70和從動輪71 並各安裝有一個測量關節轉角的電位計，拇指5通過連接板67與底座6連成一 體。本發明超聲電機驅動的五指靈巧手兼顧了內置型和外置型靈巧手的優點，由 於採用了超聲電機作為驅動器，使得本發明沒用減速裝置，做到即小又巧、響應 迅速控制性能好、斷電自鎖安全性高、不受電磁場幹擾，在未來的太空探索、核 能開發、醫療器械等領域中有著巨大的應用前景。驅動和控制系統如圖13所示，由超聲電機、驅動器、DSP、 CPLD和計算機 及控制軟體組成，如圖14所示，測量系統由力傳感器、電位計構成。超聲電機 選用的是南京航空航天大學精密驅動研究所研製的TRUM-30型超聲電機，驅動器 由南京航空航天大學精密驅動研究所與超聲電機配套提供；計算機用於靈巧手軌 跡規劃及向下位機DSP發送控制數據，計算機和DSP之間採用RS232進行通訊； DSP選用的是TI公司的TMS320F2812， DSP完成全部關節運動控制算法和控制量 的給定，實現靈巧手各關節協調運動；CPLD選用Atral公司的MAX7000S系列的 EPM7192S， CPLD實現超聲電機正反轉控制及電路邏輯控制；通過調節DAC7724 施加在驅動器壓頻轉換器上電壓來改變超聲電機的工作頻率實現對其運行速度 的調節；使用AD公司AD7874和DSP2812片內A/D檢測傳感器信息；電位計選用 的是村田製作所SV01A型，用於檢測各關節轉角；力傳感器由南京航空航天大學 根據要求研製；採用PID控制實現了靈巧手位置反饋控制。
權利要求
1. 一種超聲電機驅動的五指靈巧手，包括拇指(5)、食指(1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)五個手指、底座(6)和手掌面(7)，食指(1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)分別固定在底座(6)和手掌面(7)上，拇指(5)固定在底座(6)上，其特徵在於，所述的食指(1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)的結構相同，分別具有遠端指節(8)、近端指節(9)、掌骨指節(10)和掌骨體(11)及四個關節和四個自由度，四個關節是從指根向外分別是掌指關節MPI(14)、MPII(15)，近端指間關節PIP(13)及遠端指間關節DIP(12)，每個關節具有一個相對應的自由度，遠端指節(8)通過遠端指間關節DIP(12)連於近端指節(9)，近端指節(9)再通過近端指間關節PIP(13)連於掌骨指節(10)，掌骨指節(10)再通過掌指關節MPII(15)連於掌骨體(11)；所述的遠端指節(8)包括指尖帽(16)、遠端指節體(17)、遠端指間DIP關節軸(18)及遠端從動輪(19)和測量遠端指間關節DIP轉角的電位計(20)，指尖帽(16)與遠端指節體(17)以螺紋連接，遠端指節體(17)通過遠端指節體支撐架固定在遠端指間DIP關節軸(18)上，遠端從動輪(19)固定在遠端指節體支撐架左邊的遠端指間DIP關節軸(18)上並與遠端指節體支撐架固連，在遠端指節體支撐架右邊遠端指間DIP關節軸(18)安裝有測量遠端指間關節DIP(12)轉角的電位計(20)；所述的近端指節(9)包括近端指節體(21)、近端指間PIP關節軸(22)、近端從動輪(23)、近端過渡輪(24)、測量近端指間關節PIP轉角的電位計(25)，近端指節體(21)通過近端指節體支撐架固定在近端指間PIP關節軸(18)上，近端從動輪(23)固定在近端指節體支撐架左邊的近端指間PIP關節軸(22)上並與近端指節體支撐架固連，近端過渡輪(24)通過軸承安裝在近端指節體支撐架右邊的近端指間PIP關節軸(22)上，近端指間PIP關節軸(22)的右端安裝有測量近端指間關節PIP(13)轉角的電位計(25)，該電位計(25)置於近端過渡輪(24)的右邊，遠端指間關節DIP關節軸(18)通過一對軸承安裝在近端指節(9)的指節體(21)上；所述掌骨指節(10)包括掌骨指節體(32)、左掌骨指節側板(30)、右掌骨指節側板(27)、帶動掌骨關節MPI(14)運動的從動輪(29)、帶動掌骨關節MPII(15)運動的從動輪(35)、掌骨過渡輪(31)、驅動遠端指間關節DIP(12)的主動輪(28)、驅動遠端指間關節DIP(12)的超聲電機(26)、上立柱板(34)、下立柱板(33)、測量掌骨關節MPII(15)轉角的電位計(36)、測量掌骨關節MPI(14)轉角的電位計(37)，驅動遠端指間關節DIP(12)的超聲電機(26)輸出軸通過軸承安裝在右掌骨指節側板(27)上，驅動遠端指間關節DIP(12)的主動輪(28)固連在驅動遠端指間關節DIP(12)的超聲電機(26)輸出軸上，掌骨過渡輪(31)和掌骨指節體(32)通過軸承安裝在驅動遠端指間關節DIP(12)的超聲電機(26)輸出軸上，掌骨過渡輪(31)置於驅動遠端指間關節DIP(12)的主動輪(28)的左側，掌骨指節體(32)置於掌骨過渡輪(31)的左側、裝在驅動遠端指間關節DIP(12)的超聲電機(26)輸出軸末端，帶動掌骨關節MPI(14)運動的從動輪(29)通過螺釘與掌骨指節體(32)固連，其右端設計有一體軸，軸上安裝有測量掌骨關節MPI(14)轉角的電位計(37)並通過軸承安裝在左掌骨關節側板(30)上，左掌骨指節側板(30)、右掌骨指節側板(27)、上立柱板(34)、下立柱板(33)通過螺釘連接成起支撐作用的長方形結構，上立柱板(34)軸上安裝有測量掌骨關節MPII(15)轉角的電位計(36)和帶動MPII關節(15)運動的從動輪(35)，近端指間PIP關節軸(22)安裝在掌骨指節體(32)上；所述的掌骨體(11)包括左掌骨面板(39)、右掌骨面板(43)、掌骨上板(38)、掌骨下板(40)、驅動掌骨關節MPI(14)的超聲電機(45)、驅動近端指間關節PIP(13)的超聲電機(46)、驅動掌骨關節MPII的超聲電機(47)、驅動掌骨關節MPI(14)的主動輪(41)、驅動掌骨關節MPII的主動輪(42)、驅動近端指間關節PIP(13)的主動輪(44)，其中左掌骨面板(39)和右掌骨面板(43)與掌骨上板(38)和掌骨下板(40)通過螺釘連接成起支撐作用的長方形結構，右掌骨面板(43)上分別安裝有驅動近端指間關節PIP(13)的的超聲電機(46)和驅動掌骨關節MPI(14)的超聲電機(45)，驅動近端指間關節PIP(13)的主動輪(44)固連在驅動近端指間關節PIP(13)的超聲電機(46)的軸上；驅動掌骨關節MPI(14)的主動輪(41)固連在驅動掌骨關節MPI(14)的超聲電機(45)的軸上，掌骨上板(38)上安裝有驅動掌骨關節MPII(15)的超聲電機(47)，驅動掌骨關節MPII(15)的主動輪(42)固連在驅動掌骨關節MPII的超聲電機(47)的軸上；所述掌骨指節(10)中的上立柱板(34)和下立柱板(33)通過軸承分別安裝在掌骨上板(38)和掌骨下板(40)上，食指(1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)的掌骨體(11)固定在底座(6)及手掌面(7)上連成一體；所述的食指(1)、中指(2)、無名指(3)、小指(4)的遠端指節(8)由安裝在右掌骨指節側板(27)上的超聲電機(26)驅動，超聲電機(26)帶動超聲電機(26)軸上的主動輪(28)經彈性線帶動近端過渡輪(24)，近端過渡輪(24)經彈性線帶動遠端從動輪(19)實現遠端指節(8)的彎曲-伸展運動；近端指節(9)由安裝在右掌骨面板(43)上的超聲電機(46)帶動主動輪(44)轉動經彈性線帶動掌骨過渡輪(31)，掌骨過渡輪(31)經彈性線帶動近端從動輪(23)實現彎曲-伸展運動；掌骨關節MPI(14)由安裝在右掌骨面板(43)上的超聲電機(45)帶動主動輪(41)經彈性線驅動從動輪(29)實現彎曲-伸展運動；掌骨關節MPII(15)由安裝在掌骨上板(38)上的超聲電機(47)帶動主動輪(42)經彈性線驅動從動輪(35)實現內收-外展運動；所述的拇指(5)具有三個指節和四個關節，三個指節為拇指遠端指節(48)、拇指近端指節(49)和拇指掌骨指節(50)，四個關節為拇指根關節TMI(54)和TMII(53)、掌指關節MP(52)、指間關節IP(51)，四個關節對應四個自由度，拇指根關節TMI(54)和掌指關節MP(52)和指間關節IP(51)為彎曲-伸展運動；拇指根關節TMII(53)為內收-外展運動，拇指遠端指節(48)通過指間關節IP(51)連於拇指近端指節(49)；拇指近端指節(49)通過掌指關節MP(52)連於拇指掌骨指節(50)，拇指遠端指節體(48)、驅動指間關節IP(51)的從動輪(55)與IP關節軸(56)固連且驅動指間關節IP(51)的從動輪(55)通過螺釘與拇指近端指節(49)固連，IP關節軸(56)上安裝有用於測量指間關節IP(51)轉角的電位計，驅動指間關節IP(51)運動的超聲電機(57)安裝在拇指掌骨指節左側板(58)上，驅動指間關節IP(51)的主動輪(59)與驅動指間關節IP(51)的超聲電機(57)軸固連，經彈性線驅動指間關節IP(51)的從動輪(55)，拇指近端指節(49)通過軸承安裝在驅動指間關節IP(51)的超聲電機(57)軸上，帶動拇指近端指節(49)運動的從動輪(60)通過螺釘與拇指近端指節(49)固連，其右端設計有一體軸，軸上安裝有測量掌指關節MP(52)轉角的電位計並通過軸承安裝在拇指掌骨指節右側板(62)上，驅動掌指關節MP(52)的超聲電機(63)安裝在拇指掌骨指節右側板(62)上，驅動掌指關節MP(52)的主動輪(61)與驅動掌指關節MP(52)的超聲電機(63)軸固連經彈性線驅動帶動拇指近端指節(49)的從動輪(60)，拇指根關節TMII(53)由安裝在拇指掌骨指節根部(66)的超聲電機(64)驅動，拇指根關節TMII(53)的主動輪(68)固定在驅動拇指根關節TMII(53)的超聲電機(64)軸上，經彈性線驅動從動輪(70)，拇指根關節TMI(54)由安裝在連接板(67)上的超聲電機(65)驅動，驅動拇指根關節TMI(54)主動輪(69)固定在驅動拇指根關節TMI(54)的超聲電機(65)軸上經彈性線驅動從動輪(71)，TMII關節(53)和TMI關節(54)軸上分別固定從動輪(70)和從動輪(71)並各安裝有一個測量關節轉角的電位計，拇指(5)通過連接板(67)與底座(6)連成一體。
全文摘要
一種超聲電機驅動的五指靈巧手，屬機器人領域。它由結構獨立的五個手指、連接組件構成。五個手指分別是拇指、食指、中指、無名指、小指，布局上與人手相仿。五個手指每個各具有四個關節和四個自由度，由超聲電機作為驅動單元，彈性線作為傳動裝置，帶動各關節的轉動。電機全部置於掌內，掌內設有供電纜引出的走線孔。連接組件包括底座、手掌面。底座和手掌面上設有安裝孔，食指、中指、無名指、小指分別固定在底座和手掌面上，拇指固定在底座上。驅動和控制系統由超聲電機、驅動器、DSP、CPLD和計算機及控制軟體組成，測量系統由力傳感器、電位計構成。
文檔編號B25J15/00GK101214648SQ20081001929
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者周麗平, 孫志峻, 語 郭 申請人:南京航空航天大學