具有包括幾個能夠彼此相對移動的部件的手掌單元的機器人手的製作方法

2023-05-01 05:06:06 3

專利名稱：：具有包括幾個能夠彼此相對移動的部件的手掌單元的機器人手的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種與人手功能極為相似的變形機器人手。特別地，該機器人手包括高度可靠然而簡單的部件，所述部件能夠實現連接在變形手掌殼體上的多個柔性手指的所需運動和功能。該機器人手還可以移動模式使用以在表面上行走。
背景技術：
：人手的靈巧性使其能夠執行複雜和靈活的運動。因此人手的模擬運動要求實現具有與人手相似自由度的方向運動。人手運動的機器人模擬實踐中受到所需模擬運動的部件的尺寸和重量的限制。通常為了獲得所需運動犧牲了機器人手的尺寸，並且在仍然具有有限能力的複雜機構中才能實現所需的手指和拇指的靈巧性。這些部件的動作不能嚴格逼近人手的所需的動作，由此通過「智能手套」對機器人手的控制很不精確。機器人手往往屬於兩個分類中的一個它們是人形式或機械手式，前者是指上面提到的被研製用於整形用途，但對於其他用途應用有限，因為它們使用和操作笨重且複雜；後者與廣泛用於工業應用中但具有有限移動範圍並缺乏靈活性的工業機械爪相似。模擬人手運動的機器人裝置為了其他所需的模擬功能經常要犧牲一個或多個所需模擬功能。許多機器人手裝置主要模擬人手的總體外觀和運動，同時忽略了同等重要的特徵例如機器人裝置的尺寸、重量、靈活性和控制。因此常規機器人裝置相對比較複雜、龐大、笨重並難以使用。常規機器人裝置的複雜性還導致機器人手製造昂貴並且維修同樣昂貴。在美國專利4,986,723、5,447,403和6,244,644中描述了這種類型的機器人手。在之前的擬人機器人手中，手指連接在手掌上並且手指上具有關節；通常存在相對的拇指或手指，所以在模擬人手時手指可以移動並抓緊和提升物品。手掌作為手指的基礎不執行任何其他功能操作。在現有的機器人手中，在自由度和運動精確度之間存在折衷。出於運動範圍和複雜操縱考慮則兩個或多個自由度會取得更好的效果，但出於運動精度和更多控制考慮則一個運動自由度會取得更好的效果。現在我們已經提出一種改進的機器人手，其中手掌可以獨立於手指移動並且自由度可以改變。
發明內容根據本發明，提供一種機器人手，其包括手掌單元和多個柔性手指，所述柔性手指在手掌單元的部分能夠相對彼此移動或彎曲的位置可移動地連接在手掌單元上。優選地，手掌單元能夠繞中心位置移動或彎曲。該結構能夠在不移動任何手指關節的情況下使手指繞手掌單元的中心位置移動。這樣使手掌能夠有助於利用手指夾緊物體。「中心位置」並不意味著準確的中心點而是手掌單元的一個位置通常是幾何中心附近。優選地，手掌單元包括多個鉸鏈連接的杆，並且更優選地手掌單元可以被構造成是由與安裝在杆上的手指鉸鏈連接在一起的彎曲杆形成的網狀物；所述杆優選構成球面的一部分。杆可以通過任何構造被鎖定在適當位置，使得移動範圍可以受到限制。當需要兩個或多個自由度時，杆繞其鉸鏈關節完全獨立地自由移動；當為了更好的控制或運動精確度而減少自由度時，相鄰杆被鎖定在一起，從而減少了自由度。當杆彼此處於任何相對取向時可以將杆鎖定在一起並且兩個或多個杆可以被鎖定在一起。在優選構造中，手掌單元包括在關節處連接在一起的五個杆並且這能夠使結構具有兩個自由度。在ASME的機械設計學報1999年第12卷375頁-382頁的文章「MobilityInMetamorphicMechanismsOfFoldable/ErectableKinds」中給出了對這種結構的自由度分析。優選地，每個杆上連接有手指，所以手指可以隨著杆移動並且可選擇地每個手指可以被鎖定在杆上的任何位置。優選地，有五個杆連接在一起並且存在五個手指，優選地，有一或兩個手指與其他手指相對置以便於物體的夾緊。備選地，有三個手指連接在最長的杆上，並且兩個相鄰的杆和最長的杆構成固定連杆。在一種實施方式中，一個杆覆蓋手掌的基本上180度或更多，例如達到手掌的210度，並且兩個或多個手指連接在該杆上並與另一部分上的單個手指相對作用；這與人手的拇指和手指的操作類似。優選地，每個手指包括多個鉸鏈連接的節，每個手指的至少一個節可操作地與同一手指的另一節相連。通常，手指具有與人手指類似的三個節並且它們可以由能夠控制手指移動的驅動電機和電子裝置操作。在本發明的一種實施方式中，每個手指可以通過滑輪機構操作，在所述滑輪機構中兩個電纜連接在手指的節優選是末端節上，並且電纜經由滑輪裝置直到電機。當一條電纜被緊固時，節在一個方向上移動，並且當另一電纜被緊固時，節在另一方向上移動。電纜的協調操作與人手指或手上肌肉和腱的操作類似。根據應用可以每個節具有一對電纜或者每個手指具有一對電纜。可採用的電機包括模擬電機、步進電機等等。電機可以被安裝在與裝置相連的適當容器內，具有它們自身的電源例如電池組或通過電纜與電源相連。為了移動裝置的手掌單元，優選具有連接在兩個杆之間的至少一個關節上的電機，使得電機的操作使杆彼此相對移動並由此促使手掌彎曲。手優選包括一個或多個主要用於操縱物體的手指以及一個或多個主要用於保持對物體穩定夾緊的夾緊手指。這些手指在功能上可以與人手上的手指相似。節傳感器可以連接在相應手指的每個鉸鏈連接的節上以在手指節相對於手掌殼體彎曲時感應手指節的相對位置。減震器可以定位在手掌和相應手指之間，用於在震動傳向手掌殼體時，亦或在手指處於張開(伸長或伸直)位置或手指處於閉合(彎曲或抓緊)位置的同時減緩傳遞到手指上的應力。該裝置的部件可以由金屬例如鋁或硬塑性材料或複合材料製成。節的形狀並不是關鍵，但優選每個節具有橢圓形橫截面。本發明的特徵是機器人手的變形手掌可以由具有兩個自由度的手掌變為具有一個自由度的手掌，從而可以獲得靈活性與精度和準確度的結合。另外或備選地，手掌可以進一步變為具有零自由度的手掌，使得手掌變為剛性結構；這可以通過在從具有兩個自由度的手掌變為具有一個自由度的手掌時重疊並鎖定兩個杆來實現。另一方式是採用當達到一定旋轉角度時可以鎖定兩個相鄰杆的旋轉鎖定關節。該裝置可以用於通過採用適當功率的電機施加相當大的夾緊力並且該力可以大大超過可以由一般人手施加的力。可以具有連接在手指夾緊末端的傳感器，使得施加的壓力大小可以得到監測和控制；這一點在處理易碎或精密物體時尤為重要。電機可以具有不同電力，使得大幅度的移動可以通過例如控制手掌單元操作的電機控制，更小且更靈敏的移動通過控制手指的電機控制。在本發明的優選實施方式中，用於操作手指和杆部分的電機由微處理器控制，所述微處理器可以通過電纜或電連接在例如作為計算機一部分的控制器上。這樣操作者可以控制裝置的操作。可以使控制機構通過連接在人手上的傳感器被操作，從而當人手手掌和手指移動時，裝置的手指和手掌相應移動。該裝置可以大範圍地移動，能夠抓緊和操縱大小和尺寸變化範圍很大的物體，並且該裝置可以在大量操作中代替人手的操作，包括在遠程和難以接近的位置。該裝置還可以用於例如在農業操作中代替人力，例如水果採摘、收割等等。本發明的裝置還可以用於移動模式，也就是它可以在表面上行走。當該裝置被用於移動模式時，每個「手指」可以與地面接觸，「手掌」位於手指上方；每個手指可以相對其他手指獨立作用，手指一起或相繼移動以產生更平滑的運動。可以有任何結構或連接件連接在裝置上，例如平臺或機器人等等。本發明的裝置可以移動的範圍使該裝置能夠在不平和處於不同水平的表面區域上行進，以及能夠以更小的傾斜或搖擺完成移動例如爬樓梯等等。這是因現有機器人結構固有的移動範圍有限而至今在機器人上仍然存在的問題。本發明的裝置的應用特別包括工作在危險或環境有害的狀態例如在遭受高能輻射的區域，或者在存在病菌例如細菌和病毒的地方，例如在研究所或在汙染區。該裝置還可以用於在危險結構，例如地震後或當存在火災險情時面臨坍塌危險的建築物中進行搜尋和營救操作。該裝置還可以用於空間操作或在其他星球上的操作，其中必須要在非常大範圍的表面上移動。在這些操作中，兩個或多個裝置可以連接在一起，一個裝置用於移動模式，另一裝置用於拾取物體並用於操縱物體等等。該裝置還可以例如以五桿實施方式作為挖掘機使用，三個夾緊器的姿勢可以由5桿連接的變化進行調節以適應不同材料，例如原木、石頭、鋼、麵粉袋等等。其他應用可以是軍事操作，例如用於排雷和用於拆除危險裝置。本發明在附圖中示出，其中圖1是形成手掌單元的連接件的示意圖；圖2是手掌單元不同構造的示意圖；圖3a和3b是杆取向的示意性表示；圖4表示手掌處於張開位置的手；圖5表示手掌處於閉合位置的手；以及圖6表示旋轉鎖定關節。具體實施例方式參照圖1，手掌單元由鉸鏈連接在關節(1)，(2)，(3)，(4)和(5)上的五個彎曲杆(1，2)；(2，3)；(3，4)；(4，5)；(5，1)構成。該手掌單元作為五桿球面連接件並具有兩個自由度。可以通過例如繞關節移動改變所述構造，參照圖2，當關節(4)移動到其極限使得杆(4，5)與杆(5，1)重疊時獲得一種新的構造，杆(4，5)和杆(5，1)可以相連或者可以自連接以形成一種使結構成為四桿球面連接件的連接。關節(1)，(2)，(3)，(4)和(5)可以被鎖定以減少自由度。參照圖3a，其表示具有不同連接杆長度的結構以及圖3b表示該結構的相對視圖。參照圖4和5，手掌由相互鉸鏈連接的五個金屬杆(16)，(17)，(13)，(19)和(20)組成，並且示出了鉸鏈(14)，(15)和(17)。有三個手指(10)，(11)和(12)具有分別安裝在杆(19)，(20)和(16)上的鉸鏈節(10a)，(10b)；(11a)，(11b)和(12a)，(12b)。手指節可以彼此相對移動以夾緊物體等等。手指節的移動通過如圖所示經由滑輪的成對電纜(10c)，(11c)和(12c)來操作。每條電纜的一端連接在末端手指節上，一條電纜連接在(10d)，(11d)和(12d)，並且另一條電纜連接在相對的點(未示出)上。在每個手指中，一條電纜連接在末端節的一側並且另一條電纜連接在相對一側。實踐中由於操作原因每條電纜至少經過滑輪一次。同樣在節之間的每個關節上進行滑輪和電纜布置，使得拉動一條電纜使手指在一個方向上移動，拉動另一條電纜使手指在相反方向上移動。為了易於操作，連接件(14)，(15)是埋頭銷。為了從張開位置到達閉合位置，杆繞鉸鏈關節移動以從圖4所示的手掌具有兩個自由度的張開取向達到圖5所示的杆被鎖定在適當位置並且手掌具有一個自由度的閉合取向。手指可以用於操縱容納在手掌中的物體等等。參照圖6，用於在從具有一個自由度的手掌變換到具有零自由度的手掌時將兩個相鄰杆(21)和(22)的末端鎖定在一起的旋轉關節包括在一個杆上的槽(23)和另一桿上的銷(24)。可以看到，當銷(24)處於所示位置時，兩個杆被鎖定在一起，並且當銷在槽中處於不同位置時，可以在杆之間形成自由移動。當達到杆之間的一定旋轉角度時杆被鎖定。權利要求1.一種機器人手，其包括手掌單元和多個柔性手指，所述柔性手指在手掌單元的部分能夠彼此相對移動或彎曲的位置可移動地連接在手掌單元上。2.如權利要求1所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元能夠繞中心位置彎曲或移動。3.如權利要求1或2所述的機器人手，其特徵在於，所述手指包括多個鉸鏈連接在一起的節。4.如權利要求3所述的機器人手，其特徵在於，有三個節。5.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手指可以在不移動任何手指關節的情況下繞手掌單元的中心位置移動。6.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元包括多個鉸鏈連接的杆。7.如權利要求4所述的機器人手，其特徵在於，所述杆形成球面的一部分。8.如權利要求6或7所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元被構造成是由與安裝在杆上的手指鉸鏈連接在一起的彎曲杆形成的網狀物。9.如權利要求6-8中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述杆可以被鎖定在彼此相對的位置。10.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元可以通過鎖定機構被鎖定在固定位置。11.如權利要求10所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元可以通過鎖定機構的操作從具有兩個自由度變換為具有一個自由度。12.如權利要求10所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元可以通過鎖定機構的操作從具有一個自由度變換為具有零自由度。13.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手掌單元被構造成是由鉸鏈連接在一起的五個彎曲杆形成的網狀物，並且手掌的五個杆中有三個杆上連接有手指，最長杆作為固定連杆並且手指連接在最長杆和相鄰兩桿上。14.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手指被安裝成使得三個手指可以抓緊物體以形成力鎖合，從而對抓緊的物體施加完全限制。15.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，所述手指包括多個節並且每個手指的至少一個節與一對電纜相連，電纜連接在節的相對兩側，從而當一條電纜被拉動時，節在一個方向上移動，當另一條電纜被拉動時，節在相反方向上移動。16.如權利要求15所述的機器人手，其特徵在於，每個節有一對電纜。17.如權利要求15所述的機器人手，其特徵在於，每個連接在末端節上的手指具有一對電纜。18.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，具有操作手指和手掌移動的電機。19.如權利要求18所述的機器人手，其特徵在於，電機安裝在連接於裝置上的容器內。20.如在前權利要求中任意一項所述的機器人手，其特徵在於，手指和杆的節由與控制器相連的微處理器控制。21.適於以移動模式使用的如在前權利要求中任意一項所述的機器人手。全文摘要一種改進的機器人手，其中手掌單元使該機器人手能夠利用高精度和控制能力大範圍地移動。手掌單元由多個能夠彼此相對移動或彎曲的部件組成。優選地，其被構造成是具有兩個自由度的五桿球面連接件。文檔編號B25J15/00GK1964822SQ200580018189公開日2007年5月16日申請日期2005年4月29日優先權日2004年4月29日發明者戴建生申請人:倫敦國王學院