具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的製作方法
2023-11-03 20:30:37 1
專利名稱：具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的製作方法
技術領域：
本發明涉及仿人靈巧手，具體涉及具有可變形狀手掌的仿人靈巧手。
背景技術：
過去30年，機器手出現以來極大地彌補了傳統的末端執行器的不足。典型的機器 手設計包括3手指的Manford/JPL機械手、4手指的Utah/MIT機械手、5手指的Belgrade/ USC機械手。此外，仿人機械手如i-Limb、SmartHand, DARPA仿人手、DLR/HIT仿人手以及 Siadow仿人手等的出現不但增加了不同工作環境中的可操作性，而且加強了對於被抓物體 完成細微調整的能力。研究表明，對一個具有剛性手指的機器手而言，理論上的自由度至少 是9才能具有靈巧性。典型的靈巧手通常採用每個手指具2或3個轉動副的結構。然而， 在以往的機器手設計中，手掌通常是一個剛性體。不同手指之間夾角是固定的，這就限制了 一些手的靈巧性。特別地，通常手指的機構採用3個相互平行的轉動副以完成抓取動作，每 一個手指通常在一個平面內操作，加之剛性手掌使手指平面之間的角度固定，從而限制了 手指之間相互協作的能力。因此，以往設計的仿人機械手難以根據被抓物體所具有的不同 的幾何形狀而作出相應的調整以實現不同的抓取策略。以往的典型的機械手和人手的主要 在於是前者具有剛性的手掌，而後者的手掌是可變的。因此，開發一種新型的、具有可變結 構手掌的機械手，可以克服傳統仿人機械手手指之間相互位置不能變化的弱點；而且，通過 引入活動手掌，還可以提供比目前已有的機械手更大的運動空間和更高的靈活性。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧 手，該仿人靈巧手具有可變自由度和形狀的手掌並且結構簡單、體積小巧。本發明的具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，它包括手掌和與所述的手掌相連的 3-5個手指，所述的手掌由手掌連臂杆、手掌連杆I、手掌連杆II、手掌連杆III，手掌連杆IV 依次相連構成的封閉球面五連杆機構組成，所述的手掌連臂杆與前臂相連，其中手掌連杆 I、手掌連杆II，手掌連杆III和手掌連杆IV的相鄰端之間通過旋轉副轉動相連，在所述的 手掌連臂杆的兩端分別連接有一臺電機，其中的一臺電機的輸出軸與手掌連杆I的一端固 定相連並且另一臺電機的輸出軸與手掌連杆IV的一端固定相連，全部旋轉副的旋轉軸線 以及兩臺電機的輸出軸線交與一點，每一個手指包括手指座、手指連座杆，手指中間連杆和 手指末端，手指座、手指連座杆，手指中間連杆和手指末端的相鄰端之間通過旋轉軸依次轉 動相連，各旋轉軸彼此之間平行設置，所述的手指座固定連接在組成手掌的連杆上，每個手 指上的三個旋轉軸與旋轉驅動裝置相連，在旋轉驅動裝置的驅動下手指連座杆、手指中間 連杆和手指末端能夠繞三個旋轉軸的各自旋轉軸線轉動並且每個手指與與其相連的組成 手掌的連杆俯仰轉動相連。與現有的機械手和仿人機械手相比，本發明提出的具有可變形狀手掌的仿人靈巧 手具有以下有益效果
1.本發明通過引入可變自由度和形狀的活動手掌，與現有技術相比，它能夠在很 大程度上提高機械手的操作空間。2.本發明通過引入可變自由度和形狀的活動手掌，可以提供機械手操作的靈活 性，能夠實現現有技術所不具有的搓、捻，及相鄰手指之間的靠近和遠離動作。2.本發明專利的手掌採用空心設計，大大減少了靈巧手的重量，與現有仿人機械 手相比更能體現輕巧的特點。3.本發明的手指可以採用欠驅動方案，由於可變自由度和形狀活動手掌的引入， 本發明同樣可以實現幾乎所有人手的動作。與現有技術相比，該發明的製作成本要低很多。4.由於活動手掌的引入，本發明的手指需要更少的自由度，便可以實現與現有技 術類似的操作能力。5.本發明專利的手掌具有可摺疊特性，當手掌和手指處於摺疊狀態時，本發明可 穿過現有操作手不能通過的夾縫或其他受限制區域，這使得本發明在地震、搶險等場合有 很大的應用潛力。
圖1為本發明的一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的總體結構示意圖；圖2為一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的各組成部分的示意圖；圖3為本發明可變形手掌部分的結構示意圖；圖4為本發明可變形手掌變化為單自由度時的結構圖；圖5-1、5_2和5-3為本發明可變形手掌部分為兩個自由度時所具有的幾種不同的 運動形式；圖6為本發明可變形手掌部分為單自由度時的運動形式；圖7為本發明的手指部分採用欠驅動時的傳動方式；圖8為本發明所採用的一種扭轉彈簧形式；圖9、10和圖11為本發明所特有的幾種典型動作形式。其中1-包含前臂的手掌部分2-拇指部分3-食指部分4-中指部分5-無名指部 分6-小拇指部分7-球體8-圓柱9-小球體10-香菸11-前臂12-手掌連臂 杆 13-手掌連杆114-手掌連杆II 15-手掌連杆III 16-手掌連杆IV 131-中指座 132-無名指座 133-小拇指座 141-食指座 151-拇指旋轉軸 152-拇指座 1001-扭 轉彈簧 1002-牽引鋼絲1002e-牽引鋼絲驅動端 1003-牽引鋼絲導向管 1004-手指 末端 1005-手指中間連杆1006-手指連座杆 1007-各手指座 1008-手指關節絲輪 1009-手指連杆導向輪
具體實施例方式下面結合具體的實施例，並參照附圖，對本發明做進一步的說明本發明基於變胞機構原理，提高了現有機械手的靈活度和工作空間。如圖所示的本發明的具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，它包括手掌和與所述的手 掌相連的3-5個手指，所述的手掌由手掌連臂杆12、手掌連杆113、手掌連杆1114、手掌連杆11115，手掌連杆IV16依次相連構成的封閉球面五連杆機構組成，所述的手掌連臂杆與 前臂相連，其中手掌連杆I、手掌連杆II，手掌連杆III和手掌連杆IV的相鄰端之間通過旋 轉副轉動相連，在所述的手掌連臂杆的兩端分別連接有一臺電機，其中的一臺電機的輸出 軸與手掌連杆I的一端固定相連並且另一臺電機的輸出軸與手掌連杆IV的一端固定相連， 全部旋轉副的旋轉軸線以及兩臺電機的輸出軸線交與一點，每一個手指包括手指座、手指 連座杆，手指中間連杆和手指末端，手指座、手指連座杆，手指中間連杆和手指末端的相鄰 端之間通過旋轉軸依次轉動相連，各旋轉軸彼此之間平行設置，所述的手指座固定連接在 組成手掌的連杆上，每個手指上的三個旋轉軸與旋轉驅動裝置相連，在旋轉驅動裝置的驅 動下手指連座杆、手指中間連杆和手指末端能夠繞三個旋轉軸的各自旋轉軸線轉動並且每 個手指與與其相連的組成手掌的連杆俯仰轉動相連。所述的旋轉副的結構可以採用現有的 結構如連接在相鄰杆端一端上的軸，在另一桿端上安裝有套在所述的軸上的軸承。所述的 旋轉軸可以連接在相鄰的手指杆端的一端上，另一手指杆端通過其上開有的孔與旋轉軸轉 動相連。優選的所述的手指為5個，在所述的手掌連杆I上依次固定連接有中指座131、無 名指座132和小拇指座133，在所述的手掌連杆II上固定連接有食指座141 ；在手掌連杆 III上固定安裝有拇指旋轉軸151，拇指座152旋轉地安裝在所述的拇指旋轉軸上。所述的旋轉驅動裝置可以包括安裝在各旋轉軸中間的手指關節絲輪，在所述的各 旋轉軸上安裝有扭轉彈簧1001，所述的扭轉彈簧1001的中間部分套在各旋轉軸上並且其 兩端分別固定在由所述的各旋轉軸連接的手指的相鄰連杆上，在各手指座、手指連座杆、手 指中間連杆上設置有手指連杆導向輪1009，對應每個手指設置的牽引鋼絲的一端固定在所 述的手指末端的外壁上，並依次通過各手指關節絲輪、各手指連杆導向輪，再穿過一端連接 在所述的手指座上並且其另一端連接在前臂上的牽引鋼絲導向管，經由前臂上的開孔與牽 引鋼絲的電機相連；或者所述的旋轉驅動裝置可以包括安裝在各旋轉軸上的兩個手指關節 絲輪1008，在各手指座、手指連座杆、手指中間連杆上分別與每一個手指關節絲輪相對應 的設置有手指連杆導向輪，對應每一個手指設置的兩個牽引鋼絲的一端各自固定在所述的 手指末端的相對側的外壁上，並且每一個牽引鋼絲依次通過與其對應設置的各手指關節絲 輪、各手指連杆導向輪，再穿過一端連接在所述的手指座上並且其另一端連接在前臂上的 牽引鋼絲導向管，經由前臂上的開孔與牽引鋼絲的電機相連。下面再結合每一附圖對本發明的最佳實施方式加以詳細說明圖1、圖2分別為本發明一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的總體結構示意圖 和各組成部分的示意圖。本發明由包含前臂的手掌部分1、拇指部分2、食指部分3、中指部 分4、無名指部分5和小拇指部分6等組成。拇指部分2、食指部分3、中指部分4、無名指部 分5和小拇指部分6的結構相同，與人手一致，尺寸上有差異。圖3所示為本發明可變形手掌部分的結構示意圖。包含前臂的手掌部分1包含前 臂11，與所述前臂11固定連接的手掌連臂杆12。手掌連杆113的一端通過電機的輸出軸 與所述的手掌連臂杆12的一端固定相連，手掌連杆1114的一端與所述的手掌連杆113的 另一端通過旋轉副相連。手掌連杆III15的一端通過旋轉副與所述的手掌連杆1114的另 一端通過旋轉副相連。手掌連杆IV16的一端通過旋轉副與所述的手掌連杆III15的另一 端相連。所述的手掌連杆IV16的另一端與所述的手掌連臂杆12的另一端通過電機的輸出軸固定相連。手掌連臂杆12、手掌連杆113、手掌連杆1114、手掌連杆11115、手掌連杆IV16 構成封閉的球面五連杆機構。圖3所示狀態下的構成所述包含前臂的手掌部分I的所述的 五連杆機構具有2個活動自由度，這是與現有技術採用無活動自由度的固定手掌的機械手 的最大不同。手掌連杆113和手掌連杆IV16可以在分別安裝於所述的手掌連臂杆12的兩個旋 轉關節內的電機的驅動下運動。為了清晰表達手掌的運動情況，在圖5-1、圖5-2、圖5-3中 未包含本發明的各手指部分，僅示出了包含前臂的手掌部分1的運動情況。可以看出，通過 引入活動手掌可以在很大程度上增加機械手的運動空間和運動靈活性，這是本發明相對於 現有技術的一個優勢。本發明一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧手的包含前臂的手掌部分1還具有變 自由度的功能，這使得本發明能夠滿足更多應用場合的需求。與圖3所示的包含前臂的手 掌部分1的各組成部分的布置不同，圖4所示的為手掌連杆III15和手掌連杆IV16重合的 情況。此時，手掌連臂杆12、手掌連杆113、手掌連杆1114、手掌連杆11115、手掌連杆IV16 構成封閉機構變化為具有一個自由度的球面四連杆機構。圖4和圖6示出了包含前臂的手 掌部分1的自由度變為1時的運動情況。該自由度的變化功能是本發明的另一個重要特點。如圖2、圖3所示，在所述的手掌連杆113上依次固定連接有中指座131、無名指座 132和小拇指座133 ；在所述的手掌連杆1114上固定連接有食指座141 ；在手掌連杆III15 上固定安裝有拇指旋轉軸151，拇指座152旋轉地安裝在所述的拇指旋轉軸151上。這樣， 不考慮各手指內部的運動情況下食指部分3相對於所述的手掌連杆1114僅有俯仰運動； 中指部分4、無名指部分5、小拇指部分6相對於所述的手掌連杆113僅有俯仰運動；拇指部 分2相對於手掌連杆III15除俯仰運動外還具有繞所述的拇指旋轉軸151的旋轉運動。一種通過欠驅動方式實現的本發明的手指形式如圖7所示。由於本發明的各手指 的結構相同，因此圖7所示的為一個通用的手指驅動形式，對本發明的5個手指均適用。手 指座1007的一端安裝於所述的包含前臂的手掌部分1上。手指連座杆1006的一端通過旋 轉軸與所述的手指座1007的另一端轉動相連。手指中間連杆1005的一端通過旋轉軸與所 述的手指連座杆1006的另一端轉動相連。手指末端1004的一端通過旋轉軸與所述的手指 中間連杆1005的另一端轉動相連。手指關節絲輪1008安裝於上述各旋轉軸的中間，在所 述的手指座1007、手指連座杆1006、手指中間連杆1005中設置有手指連杆導向輪1009。牽 引鋼絲1002的一端固定於所述的手指末端1004的背面，並依次通過各手指關節絲輪1008 和各手指連杆導向輪1009，並在所述的手指座1007上進入具有一定剛性的牽引鋼絲導向 管1003，最後通過所述前臂11上的小孔到達牽引鋼絲的驅動端，由電機牽引鋼絲驅動端 1002e。在所述的各旋轉軸上還安裝有扭轉彈簧1001，其結構如圖8所述。所述的扭轉彈簧 1001的中間部分套在所述的旋轉軸上，其兩端分別固定在由所述的各旋轉軸連接的手指的 相鄰連杆上。這樣，當所述的牽引鋼絲1002在電機的作用下拉緊時，手指會做出彎曲動作； 而當電機釋放所述的牽引鋼絲1002時，手指部分會在所述的扭轉彈簧1001的彈簧力作用 下伸直。鋼絲的驅動部分不屬於本發明的範疇，在此不再贅述。本發明一種具有可變形狀手掌的仿人靈巧手由具有可變形的手掌部分和手指部 分組成，由於手掌的變形功能使得本發明的機械手能夠做出現有的具有固定手掌的機械手 所不能完成的動作，如搓、捻，及相鄰手指之間的靠近和遠離動作等。圖9為利用本發明抓
6舉一個球體7，通過手掌運動將食指部分3和中指部分4遠離，並利用所述的食指部分3和 中指部分4與拇指部分2配合，可以形成在球體7周圍均勻分布的三個託舉點，有利於保證 託舉的穩定。圖10所示為本發明握住一圓柱體8的同時，食指部分3在手掌的運動下，可 以與拇指部分2配合，完成對小球體的抓持操作。圖11所示為利用本發明所具有的食指部 分3和中指部分4的靠近動作完成對香菸的夾持動作。當然，本發明能夠完成現有技術所 不具有的動作遠不止這些。 以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所 示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的技術人 員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，採用其它形式的傳動、驅動裝置以及連接 方式不經創造性的設計與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，其特徵在於它包括手掌和與所述的手掌相連的 3-5個手指，所述的手掌由手掌連臂杆、手掌連杆I、手掌連杆II、手掌連杆III，手掌連杆IV 依次相連構成的封閉球面五連杆機構組成，所述的手掌連臂杆與前臂相連，其中手掌連杆 I、手掌連杆II，手掌連杆III和手掌連杆IV的相鄰端之間通過旋轉副轉動相連，在所述的 手掌連臂杆的兩端分別連接有一臺電機，其中的一臺電機的輸出軸與手掌連杆I的一端固 定相連並且另一臺電機的輸出軸與手掌連杆IV的一端固定相連，全部旋轉副的旋轉軸線 以及兩臺電機的輸出軸線交與一點，每一個手指包括手指座、手指連座杆，手指中間連杆和 手指末端，手指座、手指連座杆，手指中間連杆和手指末端的相鄰端之間通過旋轉軸依次轉 動相連，各旋轉軸彼此之間平行設置，所述的手指座固定連接在組成手掌的連杆上，每個手 指上的三個旋轉軸與旋轉驅動裝置相連，在旋轉驅動裝置的驅動下手指連座杆、手指中間 連杆和手指末端能夠繞三個旋轉軸的各自旋轉軸線轉動並且每個手指與與其相連的組成 手掌的連杆俯仰轉動相連。
2.根據權利要求1所述的具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，其特徵在於所述的手指 為5個，在所述的手掌連杆I上依次固定連接有中指座、無名指座和小拇指座，在所述的手 掌連杆II上固定連接有食指座；在手掌連杆III上固定安裝有拇指旋轉軸，拇指座旋轉地 安裝在所述的拇指旋轉軸上。
3.根據權利要求1或2所述的具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，其特徵在於所述的 旋轉驅動裝置包括安裝在各旋轉軸中間的手指關節絲輪，在所述的各旋轉軸上安裝有扭轉 彈簧，所述的扭轉彈簧的中間部分套在各旋轉軸上並且其兩端分別固定在由所述的各旋轉 軸連接的手指的相鄰連杆上，在各手指座、手指連座杆、手指中間連杆上設置有手指連杆導 向輪，對應每個手指設置的牽引鋼絲的一端固定在所述的手指末端的外壁上，並依次通過 各手指關節絲輪、各手指連杆導向輪，再穿過一端連接在所述的手指座上並且其另一端連 接在前臂上的牽引鋼絲導向管，經由前臂上的開孔與牽引鋼絲的電機相連。
4.根據權利要求1或2所述的具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，其特徵在於所述的 旋轉驅動裝置包括安裝在各旋轉軸上的兩個手指關節絲輪，在各手指座、手指連座杆、手指 中間連杆上分別與每一個手指關節絲輪相對應的設置有手指連杆導向輪，對應每一個手指 設置的兩個牽引鋼絲的一端各自固定在所述的手指末端的相對側的外壁上，並且每一個牽 引鋼絲依次通過與其對應設置的各手指關節絲輪、各手指連杆導向輪，再穿過一端連接在 所述的手指座上並且其另一端連接在前臂上的牽引鋼絲導向管，經由前臂上的開孔與牽引 鋼絲的電機相連。
全文摘要
本發明公開了具有可變形狀手掌的仿人靈巧手，它包括手掌和與手掌相連的3-5個手指，手掌由手掌連臂杆、手掌連杆I、手掌連杆II、手掌連杆III，手掌連杆IV依次相連構成的封閉球面五連杆機構組成，每一個手指包括手指座、手指連座杆，手指中間連杆和手指末端，手指座、手指連座杆，手指中間連杆和手指末端的相鄰端之間通過旋轉軸依次轉動相連，所述的手指座固定連接在組成手掌的連杆上，每個手指上的三個旋轉軸與旋轉驅動裝置相連，在旋轉驅動裝置的驅動下手指連座杆、手指中間連杆和手指末端能夠繞三個旋轉軸的各自旋轉軸線轉動。本手具有可變自由度和形狀的手掌並且結構簡單、體積小巧。
文檔編號B25J13/00GK102092049SQ20111002600
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者戴建生, 李建民, 王樹新, 羅振軍, 羅海風, 魏國武 申請人:天津大學