CN101045300A - 气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构 - Google Patents

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Abstract

一种气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，主要由拇指骨(1)，食指骨(2)，中指骨(3)，无名指骨(4)，小指骨(5)，拇指连接掌(6)，中间掌(7)，小指连接掌(8)和人工腱(9)组成，其中，除拇指骨(1)稍有不同以外，其他四指结构形式相同，皆由远指单元体(A)，中指单元体(B)和近指单元体(C)组成；四指与指掌连接件(71)相连接，再通过横向运动关节(72)与中间掌(7)和小指连接掌(8)相连接；拇指骨(1)通过拇近指关节(14)与拇指连接掌(6)连接；手骨总计有21个关节，17个自由度，可实现手指骨的屈伸和外展动作，拇指骨(1)与食指骨(2)间呈20度角，四指骨中心线距为20mm，拇指横向运动0度至60度，四指横向运动负15度至正15度，关节运动范围为0度至90度。本发明与气动人工肌肉配套使用，手指运动空间大，具有很强的亲和力，结构简单，使用维护修理简易。

Description

气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构
技术领域
本发明涉及一种仿人灵巧手，具体的说是涉及气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构。
技术背景
随着机器人技术的日臻成熟，其应用领域不断扩大。困扰仿人机械手发展的一大因素正是驱动器。关节间的旋转运动使人们自然而然的想到用同样输出旋转运动的电机作为机械手的动力源。基于电机驱动的思想势必给机械手的机构设计带来巨大的困难，其尺寸大于人手、握持力小、机构复杂等。以生物肌肉运动原理为蓝图而设计开发出来的驱动器——气动人工肌肉，以其简单的设计、低廉的成本、独特的仿生性、很高的输出力/重量比和良好的柔顺性等特点近年来在机器人领域得到了越来越广泛的重视。气动人工肌肉是迄今为止人类发明的一种最接近于生物肌肉特性、性能价格比最高的驱动器之一。基于气动人工肌肉设计的机械手结构紧凑、输出力/重量比高、适合于柔顺控制作业等。
世界各国研究工作者对气动人工肌肉驱动仿人机械手的开发都投入了极大的热情。
德国卡尔斯鲁厄研究中心(RESEARCH CENTER OF KARLSRUHE)2001年为残疾人使用的假肢手而研制的KARLSRUHE超轻型机械手，KARLSRUHE机械手具有手掌和5个手指，18个关节，13个自由度(腕部3个)，该手可以像人手一样灵活地抓持物体，甚至可以实现向上抛球、接球等具有一定难度的动作。
德国柏林技术大学2004年研制的第5代ZAR机械手以德国FESTO公司的Mckibben型人工肌肉为驱动器，不计腕部在内一共12个自由度。
英国SHADOW机器人公司在人工假肢方面也做了大量的工作，到2005年，SHADOW公司已开发出第三代机器人机械手SHANDOWHANDC。该手具有酷似人手的外形，具有手掌和5个手指共23个关节，19个自由度。驱动器采用SHADOW公司自己的Mckibben型人工肌肉，固定于前臂上，通过腱-滑轮传动将驱动力传递到各个指关节。手指上装有力传感器，可以完成各种抓取、握持动作。
东京大学1999年研制的机械手具有手掌和5个手指，16个关节，12个自由(腕部1个)。采用Mckibben型人工肌肉作为外置执行器。
中国人口结构日趋老龄化，老龄人口正以每年3.2％的速度增长，到下世纪中叶，我国老龄人口将可能占到总人口的四分之一以上，这对我国的经济腾飞和社会稳定将带来不可估量的影响，全社会要未雨绸缪，早做准备。护理机器人能在一定程度内代替人，为高龄老人喝水、送药、进食等作一些护理工作，被科学家公认为一种解决人口老龄化社会问题的有效措施。从护理机器人的工作性质来看，护理机器人必须要具有服务化、人性化和亲和力，这除了要求护理机械手具有人手一般大小外，还需要它具有充分的自由度和柔顺性。因此，研制开发仿人护理柔性机械手是解决未来老龄化社会问题的有效措施，具有广阔的应用前景。
综合上述作为机器人意向的执行部件—机械手的结构组成的重要性，它执行的准确与否，有力与否除了驱动源的操纵与控制非常关键之外，机械手的手骨结构的组成也是非常关键的部件，为此设计出达到灵巧手要求的仿人机械手骨结构乃当务之急。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种仿人灵巧手结构，具有拇指骨、食指骨、中指骨、无名指骨、小指骨、拇指连接掌、中间掌、小指连接掌和人工腱，手骨总计有21个关节，17个自由度，可实现手指骨的屈伸和外展动作；拇指骨远指关节、中指关节可做屈伸运动，拇指骨近指关节可做横向运动；四指指骨远指关节、中指关节和近指关节可做屈伸运动，指掌连接关节可做横向运动；手掌外侧的两个部分可向手心靠拢，在每个关节处均通过简单的结构限制其运动范围，五指指骨的屈伸运动范围在0到90度，它们的横向运动范围在-15度到+15度间。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，主要由拇指骨(1)，食指骨(2)，中指骨(3)，无名指骨(4)，小指骨(5)，拇指连接掌(6)，中间掌(7)，小指连接掌(8)和人工腱(9)组成，其中：食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)均由结构形式相同的远指单元体(A)，中指单元体(B)和近指单元体(C)组成，其中食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)的指长相同，由于组成小指骨(5)近指单元体(C)指长略短，故小指骨(5)指长稍短；食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)通过近指单元体(C)与指掌连接件(71)相连接，再通过横向运动关节(72)与中间掌(7)和小指连接掌(8)相连接；拇指骨(1)由拇远指(11)、拇中指(12)和拇近指(13)组成，并通过拇近指关节(14)与拇指连接掌(6)连接；手骨总计有21个关节，17个自由度，可实现手指骨的屈伸和外展动作，平时拇指骨(1)与食指骨(2)间呈20度角，四指骨并拢时平行，其中心线距为20mm，拇指横向运动范围为0度至60度，四指横向运动范围在负15度至正15度，关节运动范围为0度至90度，手腕接口(73)用于连接仿人机械臂的前臂；由人工腱(9)向手骨结构传递动力，人工腱(9)的移动量转变为关节的旋转量，人工腱(9)在手掌中由人工腱挡件(75)限位，远指关节(A2)和中指关节(B2)，由人工腱(9)耦合，实现联动，远指骨(A1)近端伸出部分(A11)、中指骨(B1)近端伸出部(B11)、近指骨(C1)远端伸出部(C11)和近端伸出部(C12)开U型槽(91)，U型槽(91)旁边有一垂直通孔(92)垂直指骨表面，人工腱A(93)通过远指骨(A1)的垂直通孔(92)、远指骨(A1)的近端U型槽(91)、中指骨(B1)轴向通孔(96)、近指骨(C1)远端U型槽(91)、近指骨(C1)远端绕成8字型，人工腱A(93)在远指骨(A1)垂直通孔(92)及远指骨(A1)远端U型槽(91)处绕两圈到三圈，人工腱A(93)两端交叉穿过近指骨(C1)远端伸出部(C11)垂直通孔(92)捆缚在螺钉(C3)上，达到远指关节(A2)和近指关节(B2)运动耦合在一起，人工腱B(94)固定在中指骨(B1)近端伸出部(B11)，以U型槽(91)和近指骨(C1)通孔(97)为通道引导至手腕处，人工腱B(94)两端分别连接到气动人工肌肉，人工腱C(95)固定在近指骨(C1)的近端伸出部C(12)，通过U型槽(91)处的通道导引到手腕处，人工腱C的两端分别与气动人工肌肉连接。
远指单元体(A)的远指骨(A1)远端上表面制有指甲槽(A0)，其近端伸出部(A11)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)；中指单元体(B)的中指骨(B1)，其近端伸出部(B11)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)和轴向通孔(96)；近指单元体(C)的近指骨(C1)，其远端伸出部(C11)和近端伸出部(C12)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)和通孔(97)，远指单元体(A)、中指单元体(B)、近指单元体(C)和指掌连接件(71)通过连接轴(22)与微型轴承(21)的连接组成食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)。
拇指骨(1)的结构组成与其他四指骨的结构形式和连接方式相似，只是直接通过拇近指骨(1 3)近端拇近指关节(14)中的微型轴承(21)和连接轴(22)与拇指连接掌(6)连接。
手骨结构的手掌由拇指连接掌(6)，中间掌(7)和小指连接掌(8)组成，其中拇指连接掌(6)由拇指连接掌上片(61)和拇指连接掌下片(62)组成，中间掌(7)由中间掌上片(701)和中间掌下片(702)组成，小指连接掌(8)由小指连接掌上片(81)和小指连接掌下片(82)组成，上述的连接掌上片和连接掌下片通过多个人工腱挡件(75)彼此上下相互连接，拇指连接掌(6)和小指连接掌(8)通过靠掌连接件A(76)和靠掌连接件B(77)与中间掌(7)相互连接组成手掌骨的整体。
人工腱D(96)、人工腱E(97)一端分别固定在指掌连接件(71)对称中心线两侧的通孔(711)上，并经人工腱挡件(75)或经横向运动挡件(74)引导到手腕部(78)，其另外一端分别与气动人工肌肉(79)连接，人工腱B(94)和人工腱C(95)一端经人工腱挡件引导到手腕部(78)处另一端与气动人工肌肉(79)连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：
1、本发明拇指指骨远指关节、中指关节可做屈伸运动，近指关节可做横向运动，四指指骨远指关节、中指关节、近指关节可做屈伸运动，指掌连接关节可做横向运动，关节运动范围限制的结构形式简单，五指指骨屈伸可达0到90度，横向运动可达-15度到+15度之间，拇指骨与食指骨的表面间呈20度角，四指骨并拢时四指骨平行，其中心线间距为20mm，拇指横向运动可达0度到60度，实现了仿生性的机构设计，使得手指运动空间大，且具有很强的亲和力。
2、本发明与气动人工肌肉配套使用，输出力大，且具有很强的柔顺性。
3、本发明采用人工腱为柔索传动，使整体结构简单，使用维护修理简易。
附图说明
图1A为本发明仿人机械灵巧手手背向整体结构示意图
图1B为本发明仿人机械灵巧手手心向整体结构示意图
图2A为本发明四指结构的剖视示意图
图2B为本发明四指的远指骨、中指骨连接传动示意图
图2C为本发明四指的中指骨、近指骨连接传动示意图
图2D为本发明四指的近指骨连接传动示意图
图2E为本发明拇指骨结构整体立体示意图
图3为本发明拇指骨、小指骨与指掌连接，指掌与中间掌连接示意图
图4A为本发明手掌剖视示意图
图4B为本发明人工腱在手掌内分布示意图
具体实施方式
由图示出，一种气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，主要由拇指骨1，食指骨2，中指骨3，无名指骨4，小指骨5，拇指连接掌6，中间掌7，小指连接掌8和人工腱9组成，其中：食指骨2、中指骨3、无名指骨4和小指骨5均由结构形式相同的远指单元体A，中指单元体B和近指单元体C组成，其中食指骨2、中指骨3、无名指骨4的指长相同，由于组成小指骨5的近指单元体C的指长略短，故小指骨5指长稍短；食指骨2、中指骨3、无名指骨4和小指骨5通过近指单元体C与指掌连接件71相连接，再通过横向运动关节72与中间掌7和小指连接掌8相连接；拇指骨1由拇远指11、拇中指12和拇近指1 3组成，并通过拇近指关节14与拇指连接掌6连接；手骨总计有21个关节，17个自由度，可实现手指骨的屈伸和外展动作，平时拇指骨1与食指骨2间呈20度角，四指骨并拢时平行，其中心线距为20mm，拇指横向运动范围为0度至60度，四指横向运动范围在负15度至正15度，关节运动范围为0度至90度，手腕接口73用于连接仿人机械臂的前臂；由人工腱9向手骨结构传递动力，人工腱9的移动量转变为关节的旋转量，人工腱9在手掌中由人工腱挡件75限位，远指关节A2和中指关节B2，由人工腱9耦合，实现联动，远指骨A1近端伸出部分A11、中指骨B1近端伸出部B11、近指骨C1远端伸出部C11和近端伸出部C12开U型槽91，U型槽91旁边有一垂直通孔92垂直指骨表面，人工腱A93通过远指骨A1的垂直通孔92、远指骨A1的近端U型槽91、中指骨B1轴向通孔96、近指骨C1远端U型槽91、近指骨C1远端绕成8字型，人工腱A93在远指骨A1垂直通孔92及远指骨A1远端U型槽91处绕两圈到三圈，人工腱A93两端交叉穿过近指骨C1远端伸出部C11垂直通孔92捆缚在螺钉C3上，达到远指关节A2和近指关节B2运动耦合在一起的目的，人工腱B94固定在中指骨B1近端伸出部B11，以U型槽91和近指骨C1通孔97为通道引导至手腕处，人工腱B94两端分别连接到气动人工肌肉，人工腱C95固定在近指骨C1的近端伸出部C12，通过U型槽91处的通道导引到手腕处，人工腱C的两端分别与气动人工肌肉连接。
远指单元体A的远指骨A1远端上表面制有指甲槽A0，其近端伸出部A11安装有微型轴承21，并制有垂直通孔92；中指单元体B的中指骨B1，其近端伸出部B11安装有微型轴承21，并制有垂直通孔92和轴向通孔96；近指单元体C的近指骨C1，其远端伸出部C11和近端伸出部C12安装有微型轴承21，并制有垂直通孔92和通孔97，远指单元体A、中指单元体B、近指单元体C和指掌连接件71通过连接轴22与微型轴承21的连接组成食指骨2、中指骨3、无名指骨4和小指骨5。
拇指骨1的结构组成与其他四指骨的结构形式和连接方式相似，只是直接通过拇近指骨13近端拇近指关节14中的微型轴承21和连接轴22与拇指连接掌6连接。
手骨结构的手掌，由拇指连接掌6，中间掌7和小指连接掌8组成，其中拇指连接掌6由拇指连接掌上片61和拇指连接掌下片62组成，中间掌7由中间掌上片701和中间掌下片702组成，小指连接掌8由小指连接掌上片81和小指连接掌下片82组成，上述的连接掌上片通过多个人工腱挡件75彼此上下相互连接，拇指连接掌6和小指连接掌8通过靠掌连接件A76和靠掌连接件B77与中间掌7相互连接组成手掌骨的整体。
人工腱D96、人工腱E97一端分别固定在指掌连接件71对称中心线两侧的通孔711上，并经人工腱挡件75或经横向运动挡件74引导到手腕部78，其另外一端分别与气动人工肌肉79连接，人工腱B94和人工腱C95一端经人工腱挡件引导到手腕部78处另一端与气动人工肌肉79连接。
又知，四指骨平行其中心线间距为20mm，给佩戴人工皮肤留下足够的空间。
远指骨A1近端伸出部A11，中指骨B1近端伸出部B11，近指骨C1远端伸出部C11和近端伸出部C12开U型槽91用以限制人工腱A93、人工腱B94、人工腱C95的运动，并防止它们侧向滑动。
人工腱A93捆缚在螺钉C3上与近指骨C1的固定是达到固定人工腱A93在近指骨C1上的作用，即可达到远指关节A2和近指关节B2运动的耦合。
横向运动挡件74用来限制横向运动关节72在正负15度之间运动。
人工腱挡件75起到限制人工腱9的活动范围，也为人工腱9提供一个有效通道，同时也起到连接手掌上下片的作用。
由图3示出，以小指骨5通过指掌连接件71与小指连接掌8的连接和通过靠掌连接件A76与靠掌连接件B77，小指连接掌8与中间掌7的连接为例，说明小指骨5和拇指骨1与中间掌7的连接状况。

Claims (5)

1、一种气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，主要由拇指骨(1)，食指骨(2)，中指骨(3)，无名指骨(4)，小指骨(5)，拇指连接掌(6)，中间掌(7)，小指连接掌(8)和人工腱(9)组成，其特征在于：食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)均由结构形式相同的远指单元体(A)，中指单元体(B)和近指单元体(C)组成，其中食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)的指长相同，由于组成小指骨(5)的近指单元体(C)的指长略短，故小指骨(5)指长稍短；食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)通过近指单元体(C)与指掌连接件(71)相连接，再通过横向运动关节(72)与中间掌(7)和小指连接掌(8)相连接；拇指骨(1)由拇远指(11)、拇中指(12)和拇近指(13)组成，并通过拇近指关节(14)与拇指连接掌(6)连接；手骨总计有21个关节，17个自由度，可实现手指骨的屈伸和外展动作，平时拇指骨(1)与食指骨(2)间呈20度角，四指骨并拢时平行，其中心线距为20mm，拇指横向运动范围为0度至60度，四指横向运动范围在负15度至正15度，关节运动范围为0度至90度，手腕接口(73)用于连接仿人机械臂的前臂；由人工腱(9)向手骨结构传递动力，人工腱(9)的移动量转变为关节的旋转量，人工腱(9)在手掌中由人工腱挡件(75)限位，远指关节(A2)和中指关节(B2)，由人工腱(9)耦合，实现联动，远指骨(A1)近端伸出部分(A11)、中指骨(B1)近端伸出部(B11)、近指骨(C1)远端伸出部(C11)和近端伸出部(C12)开U型槽(91)，U型槽(91)旁边有一垂直通孔(92)垂直指骨表面，人工腱A(93)通过远指骨(A1)的垂直通孔(92)、远指骨(A1)的近端U型槽(91)、中指骨(B1)轴向通孔(96)、近指骨(C1)远端U型槽(91)、近指骨(C1)远端绕成8字型，人工腱A(93)在远指骨(A1)垂直通孔(92)及远指骨(A1)远端U型槽(91)处绕两圈到三圈，人工腱A(93)两端交叉穿过近指骨(C1)远端伸出部(C11)垂直通孔(92)捆缚在螺钉(C3)上，达到远指关节(A2)和近指关节(B2)运动耦合在一起，人工腱B(94)固定在中指骨(B1)近端伸出部(B11)，以U型槽(91)和近指骨(C1)通孔(97)为通道引导至手腕处，人工腱B(94)两端分别连接到气动人工肌肉，人工腱C(95)固定在近指骨(C1)的近端伸出部C(12)，通过U型槽(91)处的通道导引到手腕处，人工腱C的两端分别与气动人工肌肉连接。
2、根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，其特征在于：远指单元体(A)的远指骨(A1)远端上表面制有指甲槽(A0)，其近端伸出部(A11)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)；中指单元体(B)的中指骨(B1)，其近端伸出部(B11)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)和轴向通孔(96)；近指单元体(C)的近指骨(C1)，其远端伸出部(C11)和近端伸出部(C12)安装有微型轴承(21)，并制有垂直通孔(92)和通孔(97)，远指单元体(A)、中指单元体(B)、近指单元体(C)和指掌连接件(71)通过连接轴(22)与微型轴承(21)的连接组成食指骨(2)、中指骨(3)、无名指骨(4)和小指骨(5)。
3、根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，其特征在于：拇指骨(1)的结构组成与其他四指骨的结构形式和连接方式相似，只是直接通过拇近指骨(13)近端拇近指关节(14)中的微型轴承(21)和连接轴(22)与拇指连接掌(6)连接。
4、根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，其特征在于：手骨结构的手掌，由拇指连接掌(6)，中间掌(7)和小指连接掌(8)组成，其中拇指连接掌(6)由拇指连接掌上片(61)和拇指连接掌下片(62)组成，中间掌(7)由中间掌上片(701)和中间掌下片(702)组成，小指连接掌(8)由小指连接掌上片(81)和小指连接掌下片(82)组成，上述的连接掌上片和连接掌下片通过多个人工腱挡件(75)彼此上下相互连接，拇指连接掌(6)和小指连接掌(8)通过靠掌连接件A(76)和靠掌连接件B(77)与中间掌(7)相互连接组成手掌骨的整体。
5、根据权利要求1和4所述的气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构，其特征在于：人工腱D(96)、人工腱E(97)一端分别固定在指掌连接件(71)对称中心线两侧的通孔(711)上，并经人工腱挡件(75)或经横向运动挡件(74)引导到手腕部(78)，其另外一端分别与气动人工肌肉(79)连接，人工腱B(94)和人工腱C(95)一端经人工腱挡件引导到手腕部(78)处另一端与气动人工肌肉(79)连接。
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