專(zhuān)利名稱(chēng)：牽拉式仿生機(jī)器人手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人仿生手結(jié)構(gòu)，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)器人手是機(jī)器人領(lǐng)域里必不可少的一部分，在近年得到了很大的重視與發(fā)展， 目前一些靈巧手已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)人手的部分復(fù)雜操作功能，但是靈巧手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度高，并不適用于如導(dǎo)覽、家居等普通機(jī)器人的簡(jiǎn)單操作。一些簡(jiǎn)單的機(jī)器人手通常具有三至五個(gè)可以彎曲的手指，通過(guò)多個(gè)手指的配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的抓取動(dòng)作。在結(jié)構(gòu)上，目前的機(jī)器人手指關(guān)節(jié)通常采用鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)兩個(gè)部分的轉(zhuǎn)軸同軸，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于機(jī)器人手指空間小，不便安裝電機(jī)，且在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在摩擦阻力及磨損等問(wèn)題，這對(duì)機(jī)器人手的工作效率及操作精度有很大的影響。同時(shí)隨著高仿真技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人表面通常會(huì)設(shè)計(jì)成仿真硅膠表皮，這對(duì)機(jī)械電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又增加了難度。因此迫切需要一種結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡(jiǎn)單的機(jī)器人手指結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式，若能采用仿生設(shè)計(jì)理念及間接驅(qū)動(dòng)的方式，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的簡(jiǎn)單操作功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡(jiǎn)單的機(jī)器人手。該機(jī)器人手的手指采用仿生設(shè)計(jì)理念及間接驅(qū)動(dòng)方式，保證機(jī)器人手完成簡(jiǎn)單的操作功能。本發(fā)明的牽拉式仿生機(jī)器人手有五個(gè)手指，其中大拇指與手掌成夾角并相對(duì)固定，其他四個(gè)手指為可運(yùn)動(dòng)手指，每一個(gè)都具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可運(yùn)動(dòng)手指的第一指節(jié)通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手掌相連，第二指節(jié)通過(guò)第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第一指節(jié)相連，第三指節(jié)通過(guò)第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第二指節(jié)相連，可運(yùn)動(dòng)手指靠近掌心側(cè)有一根牽拉鋼絲穿過(guò)各指節(jié)上的線孔與電機(jī)相連，鋼絲另一端在第三指節(jié)末端固定，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使手心側(cè)鋼絲的長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使手指發(fā)生彎曲。所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的兩部分分別由一個(gè)半圓弧面構(gòu)成，在裝配時(shí)兩圓弧面相切?？蛇\(yùn)動(dòng)手指的每個(gè)手指都具有沿手指節(jié)縱向分布的三條線槽，在三條線槽中分別有左連線、中連線和右連線，在關(guān)節(jié)處三條連線交叉連接，使關(guān)節(jié)兩半圓的軸線在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持相對(duì)位置固定不變。所述左、中和右連線為具有一定彈性的尼龍線?？蛇\(yùn)動(dòng)手指由第一指節(jié)、第二指節(jié)和第三指節(jié)組成，指節(jié)間通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)，第一指節(jié)上包括三條線槽，用于嵌入固定關(guān)節(jié)用的連線，第一指節(jié)手掌側(cè)靠近關(guān)節(jié)半圓附近有兩個(gè)突起圓孔為固定引導(dǎo)牽拉鋼絲的線孔。第二指節(jié)的長(zhǎng)度較第一指節(jié)短，包括三條線槽、兩端對(duì)稱(chēng)的關(guān)節(jié)半圓及兩個(gè)線孔用于穿過(guò)牽拉鋼絲，第三指節(jié)較第二指節(jié)短，與第二指節(jié)相連的一端為關(guān)節(jié)半圓，另一端作為手指末端是一個(gè)半球形。在第三指節(jié)的表面有三條線槽，并且在線槽靠手指末端處有三個(gè)固定孔配合螺釘用于固定左連線、中連線、右連線及牽拉鋼絲的線端，在第三指節(jié)前后面
3有兩個(gè)線孔用于穿過(guò)牽拉鋼絲。在所述機(jī)器人手外側(cè)套一層按照人手比例設(shè)計(jì)的硅膠表皮。機(jī)器人手的手掌與每個(gè)可運(yùn)動(dòng)手指相連處為關(guān)節(jié)半圓，手掌上對(duì)應(yīng)有12條線槽， 并且在每條線槽靠近手掌端有固定孔配合螺釘用于固定左連線、中連線和右連線，在手掌掌心面靠近關(guān)節(jié)處共有四個(gè)用于固定引導(dǎo)牽拉鋼絲的線孔16。前后牽引鋼絲13的末端與電機(jī)相連。在本發(fā)明中，手指關(guān)節(jié)采用了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)的兩部分分別由一個(gè)半圓弧面構(gòu)成，在裝配時(shí)兩圓弧面相切，并且通過(guò)三根彈性尼龍線以十字交叉式固定。本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡(jiǎn)單的機(jī)器人手指結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式，采用了仿生設(shè)計(jì)理念及間接驅(qū)動(dòng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的簡(jiǎn)單操作功能。


圖1為本發(fā)明的機(jī)械原理圖的三維實(shí)體圖；圖2為本發(fā)明的仿生關(guān)節(jié)正視圖及沿指節(jié)上左中右三條線槽的關(guān)節(jié)剖面左示圖；圖3為本發(fā)明的手指三維實(shí)體圖；圖4為本發(fā)明的第一指關(guān)節(jié)三維實(shí)體圖；圖5為本發(fā)明的第二指關(guān)節(jié)三維實(shí)體圖；圖6為本發(fā)明的第三指關(guān)節(jié)三維實(shí)體圖；圖7為本發(fā)明的手掌三維實(shí)體圖；圖8為本發(fā)明的硅膠表皮三維實(shí)體圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明中的機(jī)器人手有五個(gè)手指，其中大拇指與手掌成夾角并相對(duì)固定，無(wú)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其他四個(gè)手指相同，分別具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。本發(fā)明中可運(yùn)動(dòng)手指的第一指節(jié)通過(guò)第一關(guān)節(jié)與手掌相連，第二指節(jié)通過(guò)第二關(guān)節(jié)與第一指節(jié)相連，第三指節(jié)通過(guò)第三關(guān)節(jié)與第二指節(jié)相連；手指靠近掌心側(cè)有一根牽拉鋼絲穿過(guò)各指節(jié)上的線孔與電機(jī)相連，鋼絲另一端在第三指節(jié)末端螺孔固定，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)手心側(cè)鋼絲變短，從而使手指發(fā)生彎曲；在機(jī)械結(jié)構(gòu)外面套有一層高仿真機(jī)器人手硅膠表皮。牽拉式仿生機(jī)器人手除拇指1外四個(gè)手指分別有一個(gè)動(dòng)力輸入單元，通過(guò)鋼絲牽拉實(shí)現(xiàn)手指屈伸。機(jī)器人活動(dòng)手指的各個(gè)指節(jié)由仿生式關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)兩部分可以沿相切的兩個(gè)圓弧面18旋轉(zhuǎn)。圖1為本發(fā)明機(jī)器人手機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維示意圖。參照?qǐng)D1，圖中大拇指1與手掌6固定成夾角，食指2、中指3、無(wú)名指4和小指5都是具有三個(gè)指節(jié)(第一指節(jié)7、第二指節(jié)8和第三指節(jié)9)及仿生關(guān)節(jié)17的可控手指，每個(gè)手指通過(guò)牽拉鋼絲13與一個(gè)電機(jī)19相連，由電機(jī)19轉(zhuǎn)動(dòng)控制屈伸。牽拉鋼絲13穿過(guò)各指節(jié)上的線孔與電機(jī)相連，鋼絲的一端靠近手掌處，另一端在第三指節(jié)末端螺孔固定，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)手心側(cè)鋼絲變短，從而使手指發(fā)生彎曲，牽拉鋼絲13通過(guò)靠近手掌側(cè)的一端與電機(jī)19相連。圖2為手指仿生關(guān)節(jié)17靠手心側(cè)的正視圖及沿指節(jié)上左中右三條線槽15的關(guān)節(jié)剖面左示圖，圖中兩個(gè)半圓分別是關(guān)節(jié)的兩個(gè)部分。仿生手指關(guān)節(jié)是模仿人體關(guān)節(jié)處骨骼結(jié)構(gòu)即膝關(guān)節(jié)十字韌帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩個(gè)指節(jié)在關(guān)節(jié)處相連的兩部分設(shè)計(jì)成兩個(gè)半圓弧型， 在三條線槽15中分別由左連線10、中連線11和右連線12按圖2中所示交叉連接，即左連線10 —端在第三指節(jié)9頂端固定孔14處固定，然后沿第三指節(jié)9的手心面的左側(cè)線槽15 繞至第三指節(jié)9的關(guān)節(jié)半圓18處，接著與第二指節(jié)8的關(guān)節(jié)半圓18相連，左連線10沿第二指節(jié)8的手背面的左側(cè)線槽15繞至第二指節(jié)8的另一端關(guān)節(jié)半圓18處，再與第一指節(jié) 7的關(guān)節(jié)半圓18相連，左連線10沿第一指節(jié)7的手心面的左側(cè)線槽15繞至第一指節(jié)7的另一端關(guān)節(jié)半圓18處，最后與手掌6的關(guān)節(jié)半圓18相連，左連線10沿手掌6的手背面的左側(cè)線槽15繞至手掌6上的固定孔14處固定沖連線11與左連線10相反，中連線11 一端在第三指節(jié)9頂端固定孔14處固定，然后沿第三指節(jié)9的手背面的中間線槽15繞至第三指節(jié)9的關(guān)節(jié)半圓18處，再沿第二指節(jié)8的手心面的中間線槽15繞至第二指節(jié)8的另一端關(guān)節(jié)半圓18處，接著沿第一指節(jié)7的手背面的中間線槽15繞至第一指節(jié)7的另一端關(guān)節(jié)半圓18處，最后沿手掌6的手心面的中間線槽15繞至手掌6上的固定孔14處固定； 右連線12的繞法與左連線10相同。這種連接方法可使關(guān)節(jié)兩半圓的軸線在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持相對(duì)位置固定不變，從而能夠保證手指順利屈伸，關(guān)節(jié)處無(wú)運(yùn)動(dòng)阻力及磨損，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)三條連線緊貼圓弧面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生銳角折疊，避免了反復(fù)折疊造成疲勞斷裂，從而可以保證連線的壽命及關(guān)節(jié)的可靠性。圖中的左連線10、中連線11和右連線12為具有一定彈性的尼龍線，在安裝時(shí)具有一定的預(yù)緊力，以保證關(guān)節(jié)的緊密配合。圖3為可控手指(食指2、中指3、無(wú)名指4和小指5)的三維示意圖。手指是由第一指節(jié)7、第二指節(jié)8和第三指節(jié)9組成，指節(jié)間通過(guò)手指仿生關(guān)節(jié)17串聯(lián)。第一指節(jié)7的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其尺寸按人手比例設(shè)計(jì)，圖中所示三條線槽15 用于嵌入固定關(guān)節(jié)用的連線，兩端對(duì)稱(chēng)的為關(guān)節(jié)半圓18，第一指節(jié)7手掌側(cè)靠近關(guān)節(jié)半圓 18附近有兩個(gè)突起圓孔為固定引導(dǎo)牽拉鋼絲13的線孔16。第二指節(jié)8的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其長(zhǎng)度較第一指節(jié)7短，形狀與第一指節(jié)7相似，包括三條線槽15、兩端對(duì)稱(chēng)的關(guān)節(jié)半圓18及兩個(gè)線孔16。第三指節(jié)9的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其長(zhǎng)度較第二指節(jié)8短，如圖所示第三指節(jié)9 與第二指節(jié)8相連的一端為關(guān)節(jié)半圓18，另一端作為手指末端是一個(gè)半球形，在第三指節(jié)9 的表面有三條線槽15，并且在線槽靠手指末端處有三個(gè)固定孔14配合螺釘用于固定左連線10、中連線11、右連線12及牽拉鋼絲13的線端，在第三指節(jié)9前后面有兩個(gè)線孔16。圖7為手掌6的三維示意圖，手掌6與食指2、中指3、無(wú)名指4和小指5相連處為關(guān)節(jié)半圓18，上面對(duì)應(yīng)有12條線槽15，并且在每條線槽15靠近手掌端有固定孔14配合螺釘用于固定左連線10、中連線11和右連線12。在手掌掌心面靠近關(guān)節(jié)處共有四個(gè)用于固定引導(dǎo)牽拉鋼絲13的線孔16。前后牽引鋼絲13的末端與電機(jī)相連，四個(gè)可移動(dòng)手指分別連接一個(gè)電機(jī)。圖8為機(jī)器人手的高仿真硅膠表皮20三維示意圖，硅膠表皮20在制作時(shí)按照人手比例設(shè)計(jì)，厚度為1. 5mm，初始狀態(tài)為拇指1與手掌6成夾角，其他四個(gè)手指伸直。 當(dāng)電機(jī)19驅(qū)動(dòng)可控手指(食指2、中指3、無(wú)名指4和小指5)彎曲時(shí)，由于與電機(jī)19相連的牽拉鋼絲13位于可控手指的手心一側(cè)，電機(jī)19轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致?tīng)坷摻z13縮短，可控手指將會(huì)彎向有牽拉鋼絲13的一側(cè)，此時(shí)電機(jī)克服硅膠表皮20的彈性阻力實(shí)現(xiàn)手指的彎曲，當(dāng)電機(jī)19松開(kāi)時(shí)手指在硅膠表皮20的恢復(fù)彈力作用下實(shí)現(xiàn)伸直。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，該機(jī)器人手有五個(gè)手指，其中大拇指與手掌成夾角并相對(duì)固定，其他四個(gè)手指為可運(yùn)動(dòng)手指，每一個(gè)手指都具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可運(yùn)動(dòng)手指的第一指節(jié)通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手掌相連，第二指節(jié)通過(guò)第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第一指節(jié)相連，第三指節(jié)通過(guò)第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第二指節(jié)相連，可運(yùn)動(dòng)手指靠近掌心側(cè)有一根牽拉鋼絲穿過(guò)各指節(jié)上的線孔與電機(jī)相連，鋼絲另一端在第三指節(jié)末端固定，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使手心側(cè)鋼絲的長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使手指發(fā)生彎曲。
2.如權(quán)利要求1所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的兩部分分別由一個(gè)半圓弧面構(gòu)成，在裝配時(shí)兩圓弧面相切。
3.如權(quán)利要求2所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，可運(yùn)動(dòng)手指的每個(gè)手指都具有沿手指節(jié)縱向分布的三條線槽，在三條線槽中分別有左連線、中連線和右連線，在關(guān)節(jié)處三條連線交叉連接，使關(guān)節(jié)兩半圓的軸線在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持相對(duì)位置固定不變。
4.如權(quán)利要求3所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，所述左、中和右連線為具有一定彈性的尼龍線。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，可運(yùn)動(dòng)手指由第一指節(jié)、第二指節(jié)和第三指節(jié)組成，指節(jié)間通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)，第一指節(jié)上包括三條線槽，用于嵌入固定關(guān)節(jié)用的連線，第一指節(jié)手掌側(cè)靠近關(guān)節(jié)半圓附近有兩個(gè)突起圓孔為固定引導(dǎo)牽拉鋼絲的線孔。
6.如權(quán)利要求5所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，第二指節(jié)的長(zhǎng)度較第一指節(jié)短，包括三條線槽、兩端對(duì)稱(chēng)的關(guān)節(jié)半圓及兩個(gè)線孔用于穿過(guò)牽拉鋼絲，第三指節(jié)較第二指節(jié)短，與第二指節(jié)相連的一端為關(guān)節(jié)半圓，另一端作為手指末端是一個(gè)半球形
7.如權(quán)利要求6所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，在第三指節(jié)的表面有三條線槽，并且在線槽靠手指末端處有三個(gè)固定孔配合螺釘用于固定左連線、中連線、右連線及牽拉鋼絲的線端，在第三指節(jié)前后面有兩個(gè)線孔用于穿過(guò)牽拉鋼絲。
8.如權(quán)利要求7所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，在所述機(jī)器人手外側(cè)套一層按照人手比例設(shè)計(jì)的硅膠表皮。
9.如權(quán)利要求8所述的牽拉式仿生機(jī)器人手，其特征在于，機(jī)器人手的手掌與每個(gè)可運(yùn)動(dòng)手指相連處為關(guān)節(jié)半圓，手掌上對(duì)應(yīng)有12條線槽，并且在每條線槽靠近手掌端有固定孔配合螺釘用于固定左連線、中連線和右連線，在手掌掌心面靠近關(guān)節(jié)處共有四個(gè)用于固定引導(dǎo)牽拉鋼絲的線孔，牽引鋼絲的末端與電機(jī)相連。
全文摘要
一種牽拉式仿生機(jī)器人手。該機(jī)器人手有五個(gè)手指，其中大拇指與手掌成夾角并相對(duì)固定，其他四個(gè)手指為可運(yùn)動(dòng)手指，每一個(gè)都具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可運(yùn)動(dòng)手指的第一指節(jié)通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手掌相連，第二指節(jié)通過(guò)第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第一指節(jié)相連，第三指節(jié)通過(guò)第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第二指節(jié)相連，可運(yùn)動(dòng)手指靠近掌心側(cè)有一根牽拉鋼絲穿過(guò)各指節(jié)上的線孔與電機(jī)相連，鋼絲另一端在第三指節(jié)末端固定，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使手心側(cè)鋼絲的長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使手指發(fā)生彎曲。該發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡(jiǎn)單的機(jī)器人手指結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式，采用了仿生設(shè)計(jì)理念及間接驅(qū)動(dòng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的簡(jiǎn)單操作功能。
文檔編號(hào)B25J15/08GK102294698SQ20111022935
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者李成榮, 趙旦譜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所