CN102294698A - 牵拉式仿生机器人手 - Google Patents
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Abstract
一种牵拉式仿生机器人手。该机器人手有五个手指,其中大拇指与手掌成夹角并相对固定,其他四个手指为可运动手指,每一个都具有三个旋转关节,可运动手指的第一指节通过第一旋转关节与手掌相连,第二指节通过第二旋转关节与第一指节相连,第三指节通过第三旋转关节与第二指节相连,可运动手指靠近掌心侧有一根牵拉钢丝穿过各指节上的线孔与电机相连,钢丝另一端在第三指节末端固定,通过电机的转动使手心侧钢丝的长度发生变化,从而使手指发生弯曲。该发明是一种结构紧凑、运动灵活、控制简单的机器人手指结构及驱动方式,采用了仿生设计理念及间接驱动的方式,可以实现机器人手的简单操作功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人仿生手结构,属于机器人技术领域。
背景技术
机器人手是机器人领域里必不可少的一部分,在近年得到了很大的重视与发展,目前一些灵巧手已经能够实现人手的部分复杂操作功能,但是灵巧手结构复杂、控制难度高,并不适用于如导览、家居等普通机器人的简单操作。一些简单的机器人手通常具有三至五个可以弯曲的手指,通过多个手指的配合实现机器人手的抓取动作。在结构上,目前的机器人手指关节通常采用铰链式关节,关节两个部分的转轴同轴,可以实现相对转动,但是由于机器人手指空间小,不便安装电机,且在旋转时存在摩擦阻力及磨损等问题,这对机器人手的工作效率及操作精度有很大的影响。同时随着高仿真技术的发展,机器人表面通常会设计成仿真硅胶表皮,这对机械电子结构的设计又增加了难度。因此迫切需要一种结构紧凑、运动灵活、控制简单的机器人手指结构及驱动方式,若能采用仿生设计理念及间接驱动的方式,以实现机器人手的简单操作功能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提出一种结构紧凑、运动灵活、控制简单的机器人手。该机器人手的手指采用仿生设计理念及间接驱动方式,保证机器人手完成简单的操作功能。
本发明的牵拉式仿生机器人手有五个手指,其中大拇指与手掌成夹角并相对固定,其他四个手指为可运动手指,每一个都具有三个旋转关节,可运动手指的第一指节通过第一旋转关节与手掌相连,第二指节通过第二旋转关节与第一指节相连,第三指节通过第三旋转关节与第二指节相连,可运动手指靠近掌心侧有一根牵拉钢丝穿过各指节上的线孔与电机相连,钢丝另一端在第三指节末端固定,通过电机的转动使手心侧钢丝的长度发生变化,从而使手指发生弯曲。
所述旋转关节的两部分分别由一个半圆弧面构成,在装配时两圆弧面相切。
可运动手指的每个手指都具有沿手指节纵向分布的三条线槽,在三条线槽中分别有左连线、中连线和右连线,在关节处三条连线交叉连接,使关节两半圆的轴线在运动时保持相对位置固定不变。所述左、中和右连线为具有一定弹性的尼龙线。
可运动手指由第一指节、第二指节和第三指节组成,指节间通过所述旋转关节串联,第一指节上包括三条线槽,用于嵌入固定关节用的连线,第一指节手掌侧靠近关节半圆附近有两个突起圆孔为固定引导牵拉钢丝的线孔。
第二指节的长度较第一指节短,包括三条线槽、两端对称的关节半圆及两个线孔用于穿过牵拉钢丝,第三指节较第二指节短,与第二指节相连的一端为关节半圆,另一端作为手指末端是一个半球形。在第三指节的表面有三条线槽,并且在线槽靠手指末端处有三个固定孔配合螺钉用于固定左连线、中连线、右连线及牵拉钢丝的线端,在第三指节前后面有两个线孔用于穿过牵拉钢丝。在所述机器人手外侧套一层按照人手比例设计的硅胶表皮。
机器人手的手掌与每个可运动手指相连处为关节半圆,手掌上对应有12条线槽,并且在每条线槽靠近手掌端有固定孔配合螺钉用于固定左连线、中连线和右连线,在手掌掌心面靠近关节处共有四个用于固定引导牵拉钢丝的线孔16。前后牵引钢丝13的末端与电机相连。在本发明中,手指关节采用了仿生结构设计,关节的两部分分别由一个半圆弧面构成,在装配时两圆弧面相切,并且通过三根弹性尼龙线以十字交叉式固定。本发明是一种结构紧凑、运动灵活、控制简单的机器人手指结构及驱动方式,采用了仿生设计理念及间接驱动的方式,可以实现机器人手的简单操作功能。
附图说明
图1为本发明的机械原理图的三维实体图;
图2为本发明的仿生关节正视图及沿指节上左中右三条线槽的关节剖面左示图;
图3为本发明的手指三维实体图;
图4为本发明的第一指关节三维实体图;
图5为本发明的第二指关节三维实体图;
图6为本发明的第三指关节三维实体图;
图7为本发明的手掌三维实体图;
图8为本发明的硅胶表皮三维实体图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
本发明中的机器人手有五个手指,其中大拇指与手掌成夹角并相对固定,无旋转关节,其他四个手指相同,分别具有三个旋转关节。本发明中可运动手指的第一指节通过第一关节与手掌相连,第二指节通过第二关节与第一指节相连,第三指节通过第三关节与第二指节相连;手指靠近掌心侧有一根牵拉钢丝穿过各指节上的线孔与电机相连,钢丝另一端在第三指节末端螺孔固定,当电机正转时手心侧钢丝变短,从而使手指发生弯曲;在机械结构外面套有一层高仿真机器人手硅胶表皮。
牵拉式仿生机器人手除拇指1外四个手指分别有一个动力输入单元,通过钢丝牵拉实现手指屈伸。机器人活动手指的各个指节由仿生式关节连接,关节两部分可以沿相切的两个圆弧面18旋转。
图1为本发明机器人手机械结构的三维示意图。
参照图1,图中大拇指1与手掌6固定成夹角,食指2、中指3、无名指4和小指5都是具有三个指节(第一指节7、第二指节8和第三指节9)及仿生关节17的可控手指,每个手指通过牵拉钢丝13与一个电机19相连,由电机19转动控制屈伸。牵拉钢丝13穿过各指节上的线孔与电机相连,钢丝的一端靠近手掌处,另一端在第三指节末端螺孔固定,当电机正转时手心侧钢丝变短,从而使手指发生弯曲,牵拉钢丝13通过靠近手掌侧的一端与电机19相连。
图2为手指仿生关节17靠手心侧的正视图及沿指节上左中右三条线槽15的关节剖面左示图,图中两个半圆分别是关节的两个部分。仿生手指关节是模仿人体关节处骨骼结构即膝关节十字韧带结构设计,两个指节在关节处相连的两部分设计成两个半圆弧型,在三条线槽15中分别由左连线10、中连线11和右连线12按图2中所示交叉连接,即左连线10一端在第三指节9顶端固定孔14处固定,然后沿第三指节9的手心面的左侧线槽15绕至第三指节9的关节半圆18处,接着与第二指节8的关节半圆18相连,左连线10沿第二指节8的手背面的左侧线槽15绕至第二指节8的另一端关节半圆18处,再与第一指节7的关节半圆18相连,左连线10沿第一指节7的手心面的左侧线槽15绕至第一指节7的另一端关节半圆18处,最后与手掌6的关节半圆18相连,左连线10沿手掌6的手背面的左侧线槽15绕至手掌6上的固定孔14处固定;中连线11与左连线10相反,中连线11一端在第三指节9顶端固定孔14处固定,然后沿第三指节9的手背面的中间线槽15绕至第三指节9的关节半圆18处,再沿第二指节8的手心面的中间线槽15绕至第二指节8的另一端关节半圆18处,接着沿第一指节7的手背面的中间线槽15绕至第一指节7的另一端关节半圆18处,最后沿手掌6的手心面的中间线槽15绕至手掌6上的固定孔14处固定;右连线12的绕法与左连线10相同。这种连接方法可使关节两半圆的轴线在运动时保持相对位置固定不变,从而能够保证手指顺利屈伸,关节处无运动阻力及磨损,同时这种结构在转动时三条连线紧贴圆弧面运动,不会发生锐角折叠,避免了反复折叠造成疲劳断裂,从而可以保证连线的寿命及关节的可靠性。图中的左连线10、中连线11和右连线12为具有一定弹性的尼龙线,在安装时具有一定的预紧力,以保证关节的紧密配合。
图3为可控手指(食指2、中指3、无名指4和小指5)的三维示意图。手指是由第一指节7、第二指节8和第三指节9组成,指节间通过手指仿生关节17串联。
第一指节7的详细结构如图4所示,其尺寸按人手比例设计,图中所示三条线槽15用于嵌入固定关节用的连线,两端对称的为关节半圆18,第一指节7手掌侧靠近关节半圆18附近有两个突起圆孔为固定引导牵拉钢丝13的线孔16。
第二指节8的详细结构如图5所示,其长度较第一指节7短,形状与第一指节7相似,包括三条线槽15、两端对称的关节半圆18及两个线孔16。
第三指节9的详细结构如图6所示,其长度较第二指节8短,如图所示第三指节9与第二指节8相连的一端为关节半圆18,另一端作为手指末端是一个半球形,在第三指节9的表面有三条线槽15,并且在线槽靠手指末端处有三个固定孔14配合螺钉用于固定左连线10、中连线11、右连线12及牵拉钢丝13的线端,在第三指节9前后面有两个线孔16。
图7为手掌6的三维示意图,手掌6与食指2、中指3、无名指4和小指5相连处为关节半圆18,上面对应有12条线槽15,并且在每条线槽15靠近手掌端有固定孔14配合螺钉用于固定左连线10、中连线11和右连线12。在手掌掌心面靠近关节处共有四个用于固定引导牵拉钢丝13的线孔16。前后牵引钢丝13的末端与电机相连,四个可移动手指分别连接一个电机。图8为机器人手的高仿真硅胶表皮20三维示意图,硅胶表皮20在制作时按照人手比例设计,厚度为1.5mm,初始状态为拇指1与手掌6成夹角,其他四个手指伸直。当电机19驱动可控手指(食指2、中指3、无名指4和小指5)弯曲时,由于与电机19相连的牵拉钢丝13位于可控手指的手心一侧,电机19转动导致牵拉钢丝13缩短,可控手指将会弯向有牵拉钢丝13的一侧,此时电机克服硅胶表皮20的弹性阻力实现手指的弯曲,当电机19松开时手指在硅胶表皮20的恢复弹力作用下实现伸直。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种牵拉式仿生机器人手,其特征在于,该机器人手有五个手指,其中大拇指与手掌成夹角并相对固定,其他四个手指为可运动手指,每一个手指都具有三个旋转关节,可运动手指的第一指节通过第一旋转关节与手掌相连,第二指节通过第二旋转关节与第一指节相连,第三指节通过第三旋转关节与第二指节相连,可运动手指靠近掌心侧有一根牵拉钢丝穿过各指节上的线孔与电机相连,钢丝另一端在第三指节末端固定,通过电机的转动使手心侧钢丝的长度发生变化,从而使手指发生弯曲。
2.如权利要求1所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,所述旋转关节的两部分分别由一个半圆弧面构成,在装配时两圆弧面相切。
3.如权利要求2所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,可运动手指的每个手指都具有沿手指节纵向分布的三条线槽,在三条线槽中分别有左连线、中连线和右连线,在关节处三条连线交叉连接,使关节两半圆的轴线在运动时保持相对位置固定不变。
4.如权利要求3所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,所述左、中和右连线为具有一定弹性的尼龙线。
5.如权利要求1至4任一项所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,可运动手指由第一指节、第二指节和第三指节组成,指节间通过所述旋转关节串联,第一指节上包括三条线槽,用于嵌入固定关节用的连线,第一指节手掌侧靠近关节半圆附近有两个突起圆孔为固定引导牵拉钢丝的线孔。
6.如权利要求5所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,第二指节的长度较第一指节短,包括三条线槽、两端对称的关节半圆及两个线孔用于穿过牵拉钢丝,第三指节较第二指节短,与第二指节相连的一端为关节半圆,另一端作为手指末端是一个半球形
7.如权利要求6所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,在第三指节的表面有三条线槽,并且在线槽靠手指末端处有三个固定孔配合螺钉用于固定左连线、中连线、右连线及牵拉钢丝的线端,在第三指节前后面有两个线孔用于穿过牵拉钢丝。
8.如权利要求7所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,在所述机器人手外侧套一层按照人手比例设计的硅胶表皮。
9.如权利要求8所述的牵拉式仿生机器人手,其特征在于,机器人手的手掌与每个可运动手指相连处为关节半圆,手掌上对应有12条线槽,并且在每条线槽靠近手掌端有固定孔配合螺钉用于固定左连线、中连线和右连线,在手掌掌心面靠近关节处共有四个用于固定引导牵拉钢丝的线孔,牵引钢丝的末端与电机相连。
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