CN101486188B

CN101486188B - 仿生机器人手四指侧展装置

Info

Publication number: CN101486188B
Application number: CN2009100094775A
Authority: CN
Inventors: 张文增; 谭圣琦; 陈强; 都东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: CN101486188A

Abstract

仿生机器人手四指侧展装置，属于拟人机器人技术领域。该装置包括食指、中指、无名指、小指、手掌、电机、主动转轴和第一传动机构。第一传动机构包括主动转盘、第一连杆、食指转盘、食指转轴、第二连杆、无名指转盘、无名指转轴、第三连杆、小指转盘和小指转轴。该装置采用单电机驱动和连杆传动机构综合实现了机器人手四指侧展与并拢运动，使机器人手在抓取物体时可以采用并拢或侧展某角度的抓取姿态，抓取物体时达到更好的包络抓取效果，抓取物体更稳定，能完成更多拟人化手势；无论机器人手抓取物体还是完成手势都更接近于人手。该装置结构简单、紧凑，制造成本低，控制容易，适用于拟人机器人手。

Description

仿生机器人手四指侧展装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种仿生机器人手四指侧展装置的结构设计。

背景技术

人们在对智能机器人的研究中，把拟人机器人作为机器人研究的最高境界，也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。而同人类本身一样，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。

现有的灵巧手(如美国Robonaut手、英国Shadow公司的V5手、中德合作研发的HIT/DLR手和北航BH手等)多数采用非常复杂的多齿轮传动机构实现在食指、中指、无名指和小指根部的弯曲和侧展两个主动自由度运动，而且该弯曲和侧展转动中心线相互垂直。其不足在于：该装置结构复杂，成本昂贵，同时由于主动驱动的电机数量过多，加重了实时控制的难度。

对于人手的研究表明，人手的食指、中指、无名指和小指的侧展自由度运动非常重要，在抓取常见物体(尤其是球状物体)及完成一些常见手势动作(例如“V”字形手势、“OK”手势等)时，经常需要四指的侧展运动。但是多数时候，四指的侧展运动是同时进行的，少有单独一个手指的侧展运动。因而灵巧手所具备的每个手指均单独完成侧展运动看似更加“灵巧”，但却大大增加了控制难度和制造成本。四指的侧展运动能够在抓取物体时实现一种更加立体化的包络抓取效果，使得抓取更加稳定。

一种已有的带轮欠驱动机器人手装置(中国发明专利CN101214653A)，具有采用6个电机驱动的手掌和5个手指，每个手指均采用电机驱动的带轮欠驱动机构实现；拇指有3个自由度：一个是拇指与手掌之间的侧摆关节，另两个是拇指中间的弯曲自由度；食指、中指、无名指和小指结构相同、尺寸不同，分别具有3个弯曲自由度，其中包括一个手指的根部与手掌之间的手指弯曲自由度。其不足之处在于：该机器人手的食指、中指、无名指和小指不具备手指侧展运动，导致抓取常见物体时难以实现更好的立体包络抓取效果，抓取物体还不够稳定，同时难以完成像“V”字形手势、“OK”手势等常见手势。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种仿生机器人手四指侧展装置。该装置实现机器人手的食指、中指、无名指和小指的并拢和侧展运动，使得机器人手在抓取物体时更多点接触，具有更好的立体包络抓取效果，抓取物体和做手势时的动作更接近人手，同时采用较少的电机实现多个手指的共同侧展，以降低控制难度和制造成本，适用于拟人机器人手。

本发明采用如下技术方案：

一种仿生机器人手四指侧展装置，包括食指、中指、无名指、小指和手掌；其特征在于：

该仿生机器人手四指侧展装置还包括设置在手掌中的电机、主动转轴和第一传动机构；所述的第一传动机构包括主动转盘、第一连杆、食指转盘、食指转轴、第二连杆、无名指转盘、无名指转轴、第三连杆、小指转盘和小指转轴；

所述的手掌包括手掌前板和手掌背板，手掌前板和手掌背板固接成为中空的盒子状；所述的电机与手掌固接；所述的中指的根部与手掌固接，所述的食指、无名指、小指的根部分别通过食指转轴、无名指转轴、小指转轴与手掌连接；所述的电机与主动转轴相连，主动转轴的两端分别套设在手掌前板和手掌背板中；

所述的食指转轴的一端套设在手掌背板中，食指转轴的另一端与食指的根部固接；所述的无名指转轴的一端套设在手掌背板中，无名指转轴的另一端与无名指的根部固接；所述的小指转轴的一端套设在手掌背板中，小指转轴的另一端与小指的根部固接；所述的主动转轴、食指转轴、无名指转轴和小指转轴相互平行；所述的食指转盘、无名指转盘和小指转盘分别套固在食指转轴、无名指转轴和小指转轴上；

所述的主动转盘套固在主动转轴上，所述的第一连杆的一端与主动转盘铰接，第一连杆的另一端与食指转盘、无名指转盘或小指转盘铰接；所述的食指转盘与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与无名指转盘铰接；所述的无名指转盘与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小指转盘铰接。

本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置，其特征在于：所述的食指转轴的中心点与第二连杆和食指转盘的铰接点确定的线段称为第一线段，所述的第二连杆分别与食指转盘和无名指转盘的铰接点确定的线段称为第二线段，所述的第二连杆和无名指转盘的铰接点与无名指转轴的中心点确定的线段称为第三线段，所述的第一线段、第二线段和第三线段形成“Z”字形或“S”字形；

所述的无名指转轴的中心点与第三连杆和无名指转盘的铰接点确定的线段称为第四线段，所述的第三连杆分别与无名指转盘和小指转盘的铰接点确定的线段称为第五线段，所述的第三连杆和小指转盘的铰接点与小指转轴的中心点确定的线段称为第六线段，所述的第四线段、第五线段和第六线段形成“C”字形。

本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置，其特征在于：包括食指支撑柱、无名指支撑柱、小指支撑柱；

所述的食指支撑柱的一端固接在食指的根部，食指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第一滑槽中，该第一滑槽是以食指转轴的中心线为圆心、食指支撑柱的中心线与食指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

所述的无名指支撑柱的一端与无名指的根部固接，无名指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第二滑槽中，该第二滑槽是以无名指转轴的中心线为圆心、无名指支撑柱的中心线与无名指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

所述的小指支撑柱的一端固接在小指的根部，小指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第三滑槽中，该第三滑槽是以小指转轴的中心线为圆心、小指支撑柱的中心线与小指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

所述的食指支撑柱、无名指支撑柱和小指支撑柱相互平行，中心线方向均由手掌的掌心指向手掌的后背。

本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置，其特征在于：所述的电机通过第二传动机构与主动转轴相连，所述的第二传动机构包括减速器、第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述的减速器的输入端与输出端分别连接电机和第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮套固在主动转轴上。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置采用单电机驱动和连杆传动机构综合实现了机器人手食指、无名指和小指相对中指的侧展与并拢运动效果。该装置使机器人手在抓取物体时可以采用并拢或侧展某角度的抓取姿态，使机器人手抓取物体时达到更好的包络抓取效果，抓取物体更加稳定，同时能够完成更多拟人化的手势；无论机器人手抓取物体还是完成手势都更接近于人手；该装置结构简单、紧凑，制造成本低，控制容易，适用于拟人机器人手。

附图说明

图1是本发明提供的仿生机器人手四指侧展装置的一种实施例的手背剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面，从手掌背面观察，此时食指、无名指和小指已展开。

图2是图1所示实施例的侧面局部剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面。

图3是图2所示实施例的I部分的放大图。

图4是图2所示实施例的II部分的放大图。

图5是图1所示实施例的手背外观图，此时拇指已摆动到手掌的侧面，从手掌背面观察。

图6是图1所示实施例的手掌外观图，此时拇指已摆动到手掌的侧面。

图7是图1所示实施例的手背剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面，从手掌背面观察，此时食指、无名指和小指已并拢、未展开。

图8是本发明提供的仿生机器人手四指侧展装置的另一种实施例的手背剖视图，此时拇指已摆动到手掌的侧面，第二传动机构中的连接方式采用另外一种方式，即第一连杆的一端与小指转盘铰接，该图为从手掌背面观察，此时食指、无名指和小指已并拢、未展开。

在图1至图8中：

1-手掌， 11-手掌前板， 12-手掌背板，

2-拇指， 3-食指， 4-中指，

5-无名指， 6-小指，

711-电机， 712-主动转轴， 731-食指转轴，

732-食指支撑柱， 751-无名指转轴， 752-无名指支撑柱，

761-小指转轴， 762-小指支撑柱，

8-第一传动机构，

81-减速器， 811-第一齿轮， 812-第二齿轮，

9-第二传动机构， 91-主动转盘，

911-第一连杆， 912-第二连杆， 913-第三连杆，

93-食指转盘， 95-无名指转盘， 96-小指转盘，

111-第一滑槽， 112-第二滑槽， 113-第三滑槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括食指3、中指4、无名指5、小指6和手掌1。

该实施例还包括设置在手掌中的电机711、主动转轴712和第一传动机构9；所述的第一传动机构9包括主动转盘91、第一连杆911、食指转盘93、食指转轴731、第二连杆912、无名指转盘95、无名指转轴751、第三连杆913、小指转盘96和小指转轴761。

所述的手掌1包括手掌前板11和手掌背板12，手掌前板11和手掌背板12固接成为中空的盒子状；所述的电机711与手掌1固接；所述的中指4的根部与手掌1固接；所述的食指3、无名指5、小指6的根部分别通过食指转轴731、无名指转轴751、小指转轴761与手掌1连接；所述的电机711与主动转轴712相连，主动转轴712的两端分别套设在手掌前板11和手掌背板12中。

所述的食指转轴731的一端套设在手掌背板12中，食指转轴731的另一端与食指3的根部固接；所述的无名指转轴751的一端套设在手掌背板12中，无名指转轴751的另一端与无名指5的根部固接；所述的小指转轴761的一端套设在手掌背板12中，小指转轴761的另一端与小指6的根部固接；所述的主动转轴712、食指转轴731、无名指转轴751和小指转轴761相互平行，四个轴的中心线方向均由手掌1的掌心指向手掌1的后背；所述的食指转盘93、无名指转盘95和小指转盘96分别套固在食指转轴、无名指转轴和小指转轴上。

所述的主动转盘91套固在主动转轴712上，所述的第一连杆911的一端与主动转盘91铰接，第一连杆911的另一端与食指转盘93、无名指转盘95或小指转盘96的铰接，本实施例中，第一连杆911与食指转盘93铰接，如图1所示。本发明的另一种实施例如图8所示，在该实施例中，第一连杆911与小指转盘96铰接。

所述的食指转盘93与第二连杆912的一端铰接，第二连杆912的另一端与无名指转盘95铰接，所述的无名指转盘95与第三连杆913的一端铰接，所述的第三连杆913的另一端与小指转盘96铰接。

本实施例中，所述的食指转轴731的中心点与第二连杆912和食指转盘93的铰接点确定的线段称为第一线段，所述的第二连杆912分别与食指转盘93和无名指转盘95的铰接点确定的线段称为第二线段，所述的第二连杆912和无名指转盘95的铰接点与无名指转轴951的中心点确定的线段称为第三线段，所述的第一线段、第二线段和第三线段形成“Z”字形或“S”字形。

所述的无名指转轴751的中心点与第三连杆913和无名指转盘95的铰接点确定的线段称为第四线段，所述的第三连杆913分别与无名指转盘95和小指转盘96的铰接点确定的线段称为第五线段，所述的第三连杆913和小指转盘96的铰接点与小指转轴761的中心点确定的线段称为第六线段，所述的第四线段、第五线段和第六线段形成“C”字形。

本实施例还包括食指支撑柱732、无名指支撑柱752、小指支撑柱762。

所述的食指支撑柱732的一端固接在食指3的根部，食指支撑柱732的另一端镶嵌在手掌前板11的第一滑槽111中，该第一滑槽111是以食指转轴731的中心线为圆心、食指支撑柱732的中心线与食指转轴731的中心线间距离为半径的圆弧滑槽。

所述的无名指支撑柱752的一端与无名指5的根部固接，无名指支撑柱752的另一端镶嵌在手掌前板11的第二滑槽112中，该第二滑槽112是以无名指转轴751的中心线为圆心、无名指支撑柱752的中心线与无名指转轴751的中心线间距离为半径的圆弧滑槽。

所述的小指支撑柱762的一端固接在小指6的根部，小指支撑柱762的另一端镶嵌在手掌前板11的第三滑槽113中，该第三滑槽113是以小指转轴761的中心线为圆心、小指支撑柱762的中心线与小指转轴761的中心线间距离为半径的圆弧滑槽。

所述的食指支撑柱732、无名指支撑柱752和小指支撑柱762相互平行，中心线方向均由手掌1的掌心指向手掌1的后背。

所述的电机711通过第二传动机构8与主动转轴712相连，所述的第二传动机构8包括减速器81、第一锥齿轮811和第二锥齿轮812。所述的减速器81的输入端与输出端分别连接电机711和第一锥齿轮811，第一锥齿轮811与第二锥齿轮812啮合，所述的第二锥齿轮812套固在主动转轴712上。

下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7叙述本实施例的工作原理。

机器人手指需要侧展时，电机711正转，通过减速器81带动第一齿轮811转动，第二齿轮812转动，主动转轴712转动，主动转盘91转动，通过第一连杆911拉动食指转盘93转动，食指转轴731转动，食指3绕食指转轴731的中心线侧展运动(偏离中指4)，同时食指转盘93将通过第二连杆912拉动无名指转盘95转动，无名指转轴751转动，无名指5绕无名指转轴751的中心线侧展运动(偏离中指4)。由于食指转盘93、第二连杆912和无名指转盘95之间的连接形成“Z”字形，因此，无名指5转动方向与食指3运动方向相反。同时，无名指转盘95通过第三连杆913拉动小指转盘96转动，小指转轴761转动，小指6绕小指转轴761的中心线侧展运动。由于无名指转盘95、第三连杆913和小指转盘96之间的连接形成“C”字形，小指6转动方向与无名指5相同。手指完全侧展开来的情形如图1所示。

机器人手指需要并拢时，电机711反转，通过第一传动机构8，主动转轴712反转，通过第一连杆911拉动食指3并拢，同时通过第二连杆912和第三连杆913，将拉动无名指5、小指6同时并拢运动，直到手指均完全并拢，机器人手并拢后的情形如图7所示。

由于人手的食指、中指、无名指和小指实现侧展运动时，其中指可以作为固定参照物，因而对人手的四指侧展运动的模仿只需要实现食指、无名指和小指相对中指的相向转动或背向转动即可。本发明所述的仿生机器人手四指侧展装置实现了该技术。本发明装置采用单电机驱动和连杆传动机构综合实现了机器人手食指、无名指和小指相对中指的侧展与并拢运动效果。该装置使机器人手在抓取物体时可以采用并拢或侧展某角度的抓取姿态，使机器人手抓取物体时达到更好的包络抓取效果，抓取物体更加稳定，同时能够完成更多拟人化的手势；无论机器人手抓取物体还是完成手势都更接近于人手；该装置结构简单、紧凑，制造成本低，控制容易，适用于拟人机器人手。

Claims

1.一种仿生机器人手四指侧展装置，包括食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和手掌(1)；其特征在于：

该仿生机器人手四指侧展装置还包括设置在手掌中的电机(711)、主动转轴(712)和第一传动机构(9)；所述的第一传动机构包括主动转盘(91)、第一连杆(911)、食指转盘(93)、食指转轴(731)、第二连杆(912)、无名指转盘(95)、无名指转轴(751)、第三连杆(913)、小指转盘(96)和小指转轴(761)；

所述的手掌包括手掌前板(11)和手掌背板(12)，手掌前板和手掌背板固接成为中空的盒子状；所述的电机与手掌固接；所述的中指的根部与手掌固接，所述的食指、无名指、小指的根部分别通过食指转轴、无名指转轴、小指转轴与手掌连接；所述的电机与主动转轴相连，主动转轴的两端分别套设在手掌前板和手掌背板中；

所述的主动转盘套固在主动转轴上，所述的第一连杆的一端与主动转盘铰接，第一连杆的另一端与食指转盘、无名指转盘或小指转盘铰接；所述的食指转盘与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与无名指转盘铰接；所述的无名指转盘与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小指转盘铰接；

所述的食指转轴的中心点与第二连杆和食指转盘的铰接点确定的线段称为第一线段，所述的第二连杆分别与食指转盘和无名指转盘的铰接点确定的线段称为第二线段，所述的第二连杆和无名指转盘的铰接点与无名指转轴的中心点确定的线段称为第三线段，所述的第一线段、第二线段和第三线段形成“Z”字形或“S”字形；

2.如权利要求1所述的仿生机器人手四指侧展装置，其特征在于：包括食指支撑柱(732)、无名指支撑柱(752)、小指支撑柱(762)；

所述的食指支撑柱的一端固接在食指的根部，食指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第一滑槽(111)中，该第一滑槽是以食指转轴的中心线为圆心、食指支撑柱的中心线与食指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

所述的无名指支撑柱的一端与无名指的根部固接，无名指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第二滑槽(112)中，该第二滑槽是以无名指转轴的中心线为圆心、无名指支撑柱的中心线与无名指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

所述的小指支撑柱的一端固接在小指的根部，小指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第三滑槽(113)中，该第三滑槽是以小指转轴的中心线为圆心、小指支撑柱的中心线与小指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；

3.如权利要求1所述的仿生机器人手四指侧展装置，其特征在于：所述的电机通过第二传动机构与主动转轴相连，所述的第二传动机构包括减速器(81)、第一锥齿轮(811)和第二锥齿轮(812)；所述的减速器的输入端与输出端分别连接电机和第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮套固在主动转轴上。