專利名稱：基于電磁肌肉和筋腱驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種仿生機(jī)械手，具體地說是涉及一種基于電磁肌肉與筋腱驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)械手。
背景技術(shù)：
人形機(jī)器人是當(dāng)前機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)，而人體結(jié)構(gòu)中以手部的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜最為突出。當(dāng)前研究中，人們普遍使用氣動(dòng)、液壓等直線驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較成熟，但基于電磁肌肉可以在彎曲狀態(tài)下收縮提供拉力的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)還幾乎沒有。同時(shí)，人手筋腱收縮帶動(dòng)彎曲動(dòng)作的仿生特征在實(shí)際應(yīng)用中也很少涉及，更不用說筋腱和肌肉協(xié)調(diào)工作的機(jī)械手了。隨著超導(dǎo)材料的發(fā)展，必然會(huì)帶動(dòng)電磁肌肉效率的提高，于是基于電磁肌肉驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)也會(huì)相應(yīng)增多。當(dāng)前這個(gè)方面研究雖然并不 突出，但還是有很大前景的。同時(shí)隨著仿生肌肉的日益發(fā)展，其他具有柔軟特性可彎曲收縮的仿生肌肉也將相繼問世，針對(duì)這樣的肌肉驅(qū)動(dòng)方式，也應(yīng)當(dāng)有一定的機(jī)械手結(jié)構(gòu)去適應(yīng)。而筋腱與肌肉的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)可以更好的模仿人的動(dòng)作，因此也值得研究發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于電磁肌肉與筋腱協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)械手。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明主要部分由手掌I、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驅(qū)動(dòng)電機(jī)6、齒輪7、帶齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輪8、手面9，筋腱位置固定環(huán)10、肌肉固定環(huán)11組成。其特征在于由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)具有三種關(guān)節(jié)類型用于手指3不同段之間聯(lián)系的鉸接關(guān)節(jié)類型一、用于手指3與手掌I之間的球鉸關(guān)節(jié)類型二、用于拇指2與手掌之間聯(lián)系的球鉸關(guān)節(jié)類型三。具體工作方式如下手指3的彎曲有兩種驅(qū)動(dòng)，一種是肌肉4驅(qū)動(dòng)，一種是筋腱5驅(qū)動(dòng)。正常做彎曲動(dòng)作時(shí)，筋腱5在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輪8的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，手指3下端的筋腱5縮短，拉動(dòng)手指3各段向內(nèi)側(cè)彎曲；做舒張動(dòng)作時(shí)反之即可。在需要抓握物體時(shí)，由于筋腱5提供的力量有限，借由肌肉4收縮帶動(dòng)力量的加大，以提供足夠的摩擦力抓住物體。為了把握啟動(dòng)肌肉4時(shí)機(jī)，可在手指3指端加裝壓力傳感器，在壓力為零時(shí)，肌肉4不啟動(dòng)，壓力變大時(shí)，肌肉4啟動(dòng)?？偨Y(jié)來說，在單純做動(dòng)作時(shí)，只要筋腱5驅(qū)動(dòng)就可以了 ；在要抓握物體時(shí)，筋腱5驅(qū)動(dòng)與肌肉4驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)工作(可以依靠壓力傳感器把握時(shí)機(jī))。抓握時(shí)，通過關(guān)節(jié)類型二的手指2與手掌I的球鉸連接和兩側(cè)肌肉4收縮力調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)物體外形的適應(yīng)。拇指2依靠前后左右四個(gè)方向的肌肉4收縮實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
借助電磁肌肉柔軟特性與筋腱、肌肉協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，使得仿生機(jī)械手可以靈活運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，更大限度的模仿人手的動(dòng)作。連接了相應(yīng)的控制系統(tǒng)后，可以更好的代替人手發(fā)揮作用。由于電磁肌肉柔軟可以適應(yīng)一定的收縮路徑變化，可以不必刻意考慮預(yù)留收縮路徑的問題。筋腱肌肉協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)既增大了整體手的力度，又是一種雙保險(xiǎn)。


圖I是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)示意圖一 圖2是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)示意圖二
圖3是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的鉸接關(guān)節(jié)類 型一示意圖 圖4是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的球鉸關(guān)節(jié)類型二示意圖 圖5是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的球鉸關(guān)節(jié)類型三示意圖 圖6是本發(fā)明一種仿生機(jī)械手的筋腱驅(qū)動(dòng)動(dòng)力部分示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
圖I、圖2所示的一種仿生機(jī)械手主要部分由手掌I、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驅(qū)動(dòng)電機(jī)6、齒輪7、帶齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輪8、手面9，筋腱位置固定環(huán)10、肌肉固定環(huán)11組成。手指3包括食指、中指、無名指、小指，由于結(jié)構(gòu)類似，均作手指3介紹。手掌I包含四個(gè)供手指3連接用的球鉸支座1-1、供拇指2連接的球鉸支座1-2以及隔板1-3。本發(fā)明特征在于由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)具有三種關(guān)節(jié)類型用于手指3不同段之間聯(lián)系的鉸接關(guān)節(jié)類型一、用于手指3與手掌I之間的球鉸關(guān)節(jié)類型二、用于拇指2與手掌之間聯(lián)系的球鉸關(guān)節(jié)類型三。筋腱布置有以下特征手指3上筋腱5布置手指3上的筋腱5從指端下部的筋腱位置固定環(huán)10開始開始，依次穿過接下來的數(shù)個(gè)筋腱位置固定環(huán)10，繞過位于手掌I內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)輪8表面后再繞回手指3上部，穿過位于手指3各段上部的筋腱位置固定環(huán)10，在手指3指端部位固定結(jié)束。整個(gè)筋腱5呈現(xiàn)“U”字形，借助轉(zhuǎn)動(dòng)輪8轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上下表面筋腱5長度不同，通過筋腱位置固定環(huán)10的約束帶動(dòng)手指各段彎曲。通過設(shè)計(jì)可以使彎曲時(shí)下面筋腱5減少的距離等于上面筋腱5增長的距離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)6通過齒輪7傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪8作法線垂直于軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，以便于拉動(dòng)上下筋腱5，帶動(dòng)彎曲。拇指2上的筋腱5為特殊情況，由于拇指2活動(dòng)范圍大，無法以轉(zhuǎn)動(dòng)輪8驅(qū)動(dòng)，故以彈性材料制成，用以與拇指2彎曲內(nèi)側(cè)的肌肉4相拮抗。在肌肉4無力時(shí)帶動(dòng)拇指2復(fù)原。肌肉布置有以下特征在手指3段與段之間，以鉸接連接，左右各有一根肌肉4以收縮帶動(dòng)彎曲。若是只有一根也可以起到相同效果；手指3與手掌I之間以球鉸連接，同時(shí)左右也以兩根肌肉4連在手掌I上，這樣兩根肌肉4收縮不同則可以帶動(dòng)手指2左右略偏移，以適應(yīng)要抓握的物體外形。在拇指2與手掌I之間以球鉸連接，同時(shí)前后左右四個(gè)方向上各布置一根肌肉4，以帶動(dòng)拇指2向各個(gè)方向移動(dòng)，靈活自由，同時(shí)也可以協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)更多動(dòng)作。圖3所示是本發(fā)明關(guān)節(jié)類型一的示意圖，其肌肉4收縮，帶動(dòng)手指3繞鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，上下筋腱運(yùn)動(dòng)方向相反，也起到帶動(dòng)彎曲作用。
圖4所示是本發(fā)明關(guān)節(jié)類型二的示意圖，手指3根部借助球鉸連接在手掌I上，由于球鉸的特性使其可以左右略偏移的轉(zhuǎn)動(dòng)，而不像鉸接那樣方向固定。借助手指3根部左右兩側(cè)肌肉4的不同收縮力引導(dǎo)手指3偏移，以適應(yīng)物體。圖5所示是本發(fā)明關(guān)節(jié)類型三的示意圖，拇指2根部的鉸接較手指3更為自由。拇指2前后左右四個(gè)方向上各布置一根肌肉4連在手掌I上，以帶動(dòng)拇指2向各個(gè)方向移動(dòng)，靈活自由，同時(shí)也可以協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)更多動(dòng)作。圖6所示是本發(fā)明筋腱驅(qū)動(dòng)動(dòng)力部分的示意圖，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)6、齒輪7、轉(zhuǎn)動(dòng)輪8構(gòu)成。借助齒輪7改變?cè)巨D(zhuǎn)動(dòng)方向，以適應(yīng)拉動(dòng)筋腱5的作用。以上內(nèi)容中肌肉不只局限于電磁肌肉，其他有柔軟特性的肌肉也同樣適用。肌肉 4兩端依靠肌肉位置固定環(huán)11連在骨骼支架上。本發(fā)明中涉及的未說明部份與現(xiàn)有技術(shù)相同或采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于仿生機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)包括手掌(I)、拇指(2)、手指(3)、肌肉(4)、筋腱(5)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(6)、齒輪(7)、帶齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)、手面(9)，筋腱位置固定環(huán)(10)、肌肉固定環(huán)(11)，其特征是所述機(jī)械手由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)；所述機(jī)械手具有三種關(guān)節(jié)類型用于手指(3)不同段之間聯(lián)系的鉸接關(guān)節(jié)類型一、用于手指(3)與手掌(I)之間的球鉸關(guān)節(jié)類型二、用于拇指(2)與手掌之間聯(lián)系的球鉸關(guān)節(jié)類型三。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的筋腱與肌肉協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，其特征是所述筋腱(5)繞過轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)兩端分別接在手指(3)上下兩面的端點(diǎn)處，轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上下表面筋腱(5)使之長度不同，通過筋腱位置固定環(huán)(10)的約束帶動(dòng)手指各段彎曲；所述機(jī)械手正常做彎曲動(dòng)作時(shí)，筋腱(5)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，手指(3)下端的筋腱(5)縮短，拉動(dòng)手指(3)各段向內(nèi)側(cè)彎曲；所述機(jī)械手做舒張動(dòng)作時(shí)反之即可；所述機(jī)械手在需要抓握物體時(shí)，借由肌肉(4)收縮帶動(dòng)力量的加大，以提供足夠的摩擦力抓住物體；所述機(jī)械手為了把握啟動(dòng)肌肉(4)時(shí)機(jī)，可在手指(3)指端加裝壓力傳感器，在壓力為零時(shí)，肌肉(4)不啟動(dòng)，壓力變大時(shí)，肌肉(4)啟動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉸接關(guān)節(jié)類型一，其特征是所述肌肉(4)收縮，則可帶動(dòng)手指(3)繞鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，上下筋腱(5)運(yùn)動(dòng)方向相反，也起到帶動(dòng)彎曲作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球鉸關(guān)節(jié)類型二，其特征是所述手指(3)左右兩側(cè)各有一根肌肉(4);所述手指(3)借助球鉸預(yù)收帳(I)連接；所述左右肌肉(4)施加力不同可帶動(dòng)手指向不同方向偏移彎曲以適應(yīng)抓握時(shí)物體形狀改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球鉸關(guān)節(jié)類型三，其特征是所述拇指(2)前后左右四個(gè)方向上各布置一根肌肉(4)連在手掌(I)上，以帶動(dòng)拇指(2)向各個(gè)方向移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿生機(jī)械手，主要部分由手掌(1)、拇指(2)、手指(3)、肌肉(4)、筋腱(5)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(6)、齒輪(7)、帶齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)、手面(9)，筋腱位置固定環(huán)(10)、肌肉固定環(huán)(11)組成。筋腱(5)繞過轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)兩端分別接在手指(3)上下兩面的端點(diǎn)處。轉(zhuǎn)動(dòng)輪(8)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上下表面筋腱(5)使之長度不同，通過筋腱位置固定環(huán)(10)的約束帶動(dòng)手指各段彎曲。在單純做動(dòng)作時(shí)，只要筋腱(5)驅(qū)動(dòng)就可以了；在要抓握物體時(shí)，筋腱(5)驅(qū)動(dòng)與肌肉(4)驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)工作(可以依靠壓力傳感器把握時(shí)機(jī))。抓握時(shí)，通過關(guān)節(jié)類型二的手指(2)與手掌(1)的球鉸連接和兩側(cè)肌肉(4)收縮力調(diào)整手指(3)張合實(shí)現(xiàn)對(duì)物體外形的適應(yīng)。拇指(2)依靠前后左右四個(gè)方向的肌肉(4)收縮實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J15/00GK102862160SQ201210375640
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月4日
發(fā)明者高蓉 申請(qǐng)人:南京大五教育科技有限公司