CN102862160A - 基于电磁肌肉和筋腱驱动的仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机械手，主要部分由手掌（1）、拇指（2）、手指（3）、肌肉（4）、筋腱（5）、驱动电机（6）、齿轮（7）、带齿轮转动轮（8）、手面（9），筋腱位置固定环（10）、肌肉固定环（11)组成。筋腱(5)绕过转动轮(8)两端分别接在手指(3)上下两面的端点处。转动轮(8)转动带动上下表面筋腱(5)使之长度不同，通过筋腱位置固定环(10)的约束带动手指各段弯曲。在单纯做动作时，只要筋腱(5)驱动就可以了；在要抓握物体时，筋腱(5）驱动与肌肉（4）驱动协调工作（可以依靠压力传感器把握时机）。抓握时，通过关节类型二的手指（2）与手掌（1）的球铰连接和两侧肌肉（4）收缩力调整手指（3）张合实现对物体外形的适应。拇指（2）依靠前后左右四个方向的肌肉（4）收缩实现多方向运动。

Description

基于电磁肌肉和筋腱驱动的仿生机械手

技术领域

本发明是涉及一种仿生机械手，具体地说是涉及一种基于电磁肌肉与筋腱驱动的仿生机械手。

背景技术

人形机器人是当前机器人研究中的热点，而人体结构中以手部的结构的复杂最为突出。当前研究中，人们普遍使用气动、液压等直线驱动作为驱动方式，这种驱动方式的机械手结构设计较成熟，但基于电磁肌肉可以在弯曲状态下收缩提供拉力的特点而设计的机械手结构还几乎没有。同时，人手筋腱收缩带动弯曲动作的仿生特征在实际应用中也很少涉及，更不用说筋腱和肌肉协调工作的机械手了。随着超导材料的发展，必然会带动电磁肌肉效率的提高，于是基于电磁肌肉驱动的设计也会相应增多。当前这个方面研究虽然并不突出，但还是有很大前景的。同时随着仿生肌肉的日益发展，其他具有柔软特性可弯曲收缩的仿生肌肉也将相继问世，针对这样的肌肉驱动方式，也应当有一定的机械手结构去适应。而筋腱与肌肉的协调驱动可以更好的模仿人的动作，因此也值得研究发展。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种基于电磁肌肉与筋腱协调驱动的仿生机械手。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

本发明主要部分由手掌1、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驱动电机6、齿轮7、带齿轮转动轮8、手面9，筋腱位置固定环10、肌肉固定环11组成。其特征在于由骨骼支架作支撑，肌肉4、筋腱5协调驱动；同时具有三种关节类型：用于手指3不同段之间联系的铰接关节类型一、用于手指3与手掌1之间的球铰关节类型二、用于拇指2与手掌之间联系的球铰关节类型三。

具体工作方式如下：手指3的弯曲有两种驱动，一种是肌肉4驱动，一种是筋腱5驱动。正常做弯曲动作时，筋腱5在驱动电机带动的转动轮8的旋转带动下，手指3下端的筋腱5缩短，拉动手指3各段向内侧弯曲；做舒张动作时反之即可。在需要抓握物体时，由于筋腱5提供的力量有限，借由肌肉4收缩带动力量的加大，以提供足够的摩擦力抓住物体。为了把握启动肌肉4时机，可在手指3指端加装压力传感器，在压力为零时，肌肉4不启动，压力变大时，肌肉4启动。

总结来说，在单纯做动作时，只要筋腱5驱动就可以了；在要抓握物体时，筋腱5驱动与肌肉4驱动协调工作（可以依靠压力传感器把握时机）。抓握时，通过关节类型二的手指2与手掌1的球铰连接和两侧肌肉4收缩力调整实现对物体外形的适应。拇指2依靠前后左右四个方向的肌肉4收缩实现多方向运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

借助电磁肌肉柔软特性与筋腱、肌肉协调驱动，使得仿生机械手可以灵活运动的同时，更大限度的模仿人手的动作。连接了相应的控制系统后，可以更好的代替人手发挥作用。由于电磁肌肉柔软可以适应一定的收缩路径变化，可以不必刻意考虑预留收缩路径的问题。筋腱肌肉协调驱动既增大了整体手的力度，又是一种双保险。

附图说明

图1是本发明一种仿生机械手的整体结构示意图一

图2是本发明一种仿生机械手的整体结构示意图二

图3是本发明一种仿生机械手的铰接关节类型一示意图

图4是本发明一种仿生机械手的球铰关节类型二示意图

图5是本发明一种仿生机械手的球铰关节类型三示意图

图6是本发明一种仿生机械手的筋腱驱动动力部分示意图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1、图2所示的一种仿生机械手主要部分由手掌1、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驱动电机6、齿轮7、带齿轮转动轮8、手面9，筋腱位置固定环10、肌肉固定环11组成。手指3包括食指、中指、无名指、小指，由于结构类似，均作手指3介绍。手掌1包含四个供手指3连接用的球铰支座1-1、供拇指2连接的球铰支座1-2以及隔板1-3。

本发明特征在于由骨骼支架作支撑，肌肉4、筋腱5协调驱动；同时具有三种关节类型：用于手指3不同段之间联系的铰接关节类型一、用于手指3与手掌1之间的球铰关节类型二、用于拇指2与手掌之间联系的球铰关节类型三。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从指端下部的筋腱位置固定环10开始开始，依次穿过接下来的数个筋腱位置固定环10，绕过位于手掌1内部的转动轮8表面后再绕回手指3上部，穿过位于手指3各段上部的筋腱位置固定环10，在手指3指端部位固定结束。整个筋腱5呈现“U”字形，借助转动轮8转动带动上下表面筋腱5长度不同，通过筋腱位置固定环10的约束带动手指各段弯曲。通过设计可以使弯曲时下面筋腱5减少的距离等于上面筋腱5增长的距离，驱动电机6通过齿轮7传动带动转动轮8作法线垂直于轴线的转动，以便于拉动上下筋腱5，带动弯曲。

拇指2上的筋腱5为特殊情况，由于拇指2活动范围大，无法以转动轮8驱动，故以弹性材料制成，用以与拇指2弯曲内侧的肌肉4相拮抗。在肌肉4无力时带动拇指2复原。

肌肉布置有以下特征：在手指3段与段之间，以铰接连接，左右各有一根肌肉4以收缩带动弯曲。若是只有一根也可以起到相同效果；手指3与手掌1之间以球铰连接，同时左右也以两根肌肉4连在手掌1上，这样两根肌肉4收缩不同则可以带动手指2左右略偏移，以适应要抓握的物体外形。

在拇指2与手掌1之间以球铰连接，同时前后左右四个方向上各布置一根肌肉4，以带动拇指2向各个方向移动，灵活自由，同时也可以协调控制实现更多动作。

图3所示是本发明关节类型一的示意图，其肌肉4收缩，带动手指3绕铰接轴转动，上下筋腱运动方向相反，也起到带动弯曲作用。

图4所示是本发明关节类型二的示意图，手指3根部借助球铰连接在手掌1上，由于球铰的特性使其可以左右略偏移的转动，而不像铰接那样方向固定。借助手指3根部左右两侧肌肉4的不同收缩力引导手指3偏移，以适应物体。

图5所示是本发明关节类型三的示意图，拇指2根部的铰接较手指3更为自由。拇指2前后左右四个方向上各布置一根肌肉4连在手掌1上，以带动拇指2向各个方向移动，灵活自由，同时也可以协调控制实现更多动作。

图6所示是本发明筋腱驱动动力部分的示意图，主要由驱动电机6、齿轮7、转动轮8构成。借助齿轮7改变原本转动方向，以适应拉动筋腱5的作用。

以上内容中肌肉不只局限于电磁肌肉，其他有柔软特性的肌肉也同样适用。肌肉4两端依靠肌肉位置固定环11连在骨骼支架上。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.  一种基于仿生机械手，其结构包括手掌（1）、拇指（2）、手指（3）、肌肉（4）、筋腱（5）、驱动电机（6）、齿轮（7）、带齿轮转动轮（8）、手面（9），筋腱位置固定环（10）、肌肉固定环（11)，其特征是:所述机械手由骨骼支架作支撑，肌肉4、筋腱5协调驱动；所述机械手具有三种关节类型：用于手指（3）不同段之间联系的铰接关节类型一、用于手指（3）与手掌（1）之间的球铰关节类型二、用于拇指（2）与手掌之间联系的球铰关节类型三。

2.  根据权利要求1所述的筋腱与肌肉协调驱动，其特征是:所述筋腱(5)绕过转动轮(8)两端分别接在手指(3)上下两面的端点处,转动轮(8)转动带动上下表面筋腱(5)使之长度不同，通过筋腱位置固定环(10)的约束带动手指各段弯曲；所述机械手正常做弯曲动作时，筋腱（5）在驱动电机带动的转动轮（8）的旋转带动下，手指（3）下端的筋腱（5）缩短，拉动手指（3）各段向内侧弯曲；所述机械手做舒张动作时反之即可；所述机械手在需要抓握物体时，借由肌肉（4）收缩带动力量的加大，以提供足够的摩擦力抓住物体；所述机械手为了把握启动肌肉（4）时机，可在手指（3）指端加装压力传感器，在压力为零时，肌肉（4）不启动，压力变大时，肌肉（4）启动。

3.  根据权利要求1所述的铰接关节类型一，其特征是:所述肌肉（4）收缩，则可带动手指（3）绕铰接轴转动，上下筋腱（5）运动方向相反，也起到带动弯曲作用。

4.  根据权利要求1所述的球铰关节类型二，其特征是：所述手指（3）左右两侧各有一根肌肉（4）；所述手指（3）借助球铰预收帐（1）连接；所述左右肌肉（4）施加力不同可带动手指向不同方向偏移弯曲以适应抓握时物体形状改变。

5.  根据权利要求1所述的球铰关节类型三，其特征是：所述拇指（2）前后左右四个方向上各布置一根肌肉（4）连在手掌（1）上，以带动拇指（2）向各个方向移动。

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