CN103284820A - 仿人型假手 - Google Patents

Abstract

本发明公开的仿人型假手，包括手腕(2)、手指(4)、与手腕(2)连接承载和固定手指的手掌(3)，为假手提供动力及控制信号的控制系统(1)；采用每根手指一个自由度的抓取方式，构成手指的六连杆耦合机构进行手指弯曲动作的模拟，使得手指开合速度快，抓握过程更接近人手；将假手的控制系统集成到假手内部，传感器系统嵌入到手指机构内部，实现了假手的机电一体化设计，使得假手体积小、重量轻。

Description

仿人型假手

技术领域

本发明涉及手部假肢技术领域。

背景技术

随着科技水平的不断发展和人们对残疾人福利事业的关注程度日益上升，陆续出现了基于各种原理的残疾人假手。其中包括实际应用最广泛的德国OttoBock单自由度假手，采用绳驱动的Stanford大学假手，采用腱驱动的西班牙Manus假手、意大利ARTS实验室假手、采用欠驱动技术的英国南安普顿大学假手和四国联合研制的CyberHand等。

多伦多大学TBM假手采用了连杆机构，是一种为7～11岁年龄段儿童设计的试验性多手指假手。四指（食指、中指、无名指和小指）分别有三个指节，每个手指有一个自由度，运动轨迹仿人；四指结构完全相同，均由六根杆件构成，零件的互换性很高。拇指具有弯曲/伸展与内收/外展两个自由度，由四根杆件构成。其中内收/外展自由度是被动自由度，需借助人手或其他外力进行调整，内收/外展自由度与其他四指一起由一个电机驱动。该手结构小巧，刚性较好，能够实现被动适应性抓取。但由于五个手指都依靠一个电机驱动，因此出现了抓取力不平衡的问题。

Limb手是由英国“仿生接触”（Touch Bionics）公司研制的商用多自由度假手，在英国的市场占有率达到67%。它是利用两路EMG输入控制五个电机驱动五个手指独立运动；四指各具有两个活动关节，基关节靠蜗轮蜗杆传动，中关节靠同步带与基关节耦合运动；拇指在基关节处增加了一个被动自由度，可以通过外力调节拇指的内收/外展运动。该手能够在四种动作模式间切换，可以顺利完成开锁端盘子等各种动作。外壳材料采用了轻型塑料，重量轻于人的自然手。外表包装了人工皮肤，外观仿人。Limb手的问世标志着多自由度假手开始应用于临床。

在电机驱动、直接传动类的灵巧手中，日本岐阜大学和几家公司合作开发的Gifu-II（手是在尺寸和形状上和人手最为接近的，整手尺寸接近人手的二倍。它采用的是集成在手掌和手指中的微驱动器直接驱动。Gifu手有五个模块化的手指，共20个关节16个自由度。其中拇指有四个关节四个自由度，其它手指有四个关节三个自由度，除拇指外的其它四指的后两个关节通过连杆实现联动。整个手上装有丰富的触觉传感器，包括关节位置传感器、关节力矩传感器、指端六维力/力矩传感器、手掌触觉传感器，共有859个探测点。

清华大学在研究德国Otto Bock假手的基础上，研制了带有新型自适应增力机构的肌电控制假手。全手共有拇指、食指和中指三个手指，其中食指和中指固连为一体，采用一个电机通过螺旋和连杆传动。针对Otto Bock假手结构复杂，加工制造困难的问题，设计了双螺旋自动切换增力机构。该机构由不同螺距的两个螺旋串联组成，在手指接触物体前通过大螺旋快速传动推动工作头，接触物体后通过小螺旋传动增力。该假手指端出力50～100N，100mm开手时间1～1.5s，噪音小于42dB，没有回弹，可靠性高，但由于自由度少，结构简单，对被抓取物体形状的适应性较差。

哈尔滨工业大学研制了HIT多指灵巧手，该手采用直流电机驱动，由伞齿轮、连杆等实现传动。HIT/DLR-I手采用模块化、集成化设计，四个相同的手指，每个手指有四个关节三个自由度；拇指设计了一个旋转的自由度，可以通过配置拇指的相对位置来满足不同的抓取要求。HIT/DLR-I手的指尖布置了六维力/力矩传感器。但是受伞齿轮和直流电机的限制，手指基关节的尺寸略大。

综上，现有技术提供的假手存在着体积、重量大，耗能较大，外观和运动形式仿人化程度不好等缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明创造所要解决的技术问题是提供一种手指结构紧凑、尺寸小，开合速度快，抓握过程接近人手的仿人型假手。

本发明创造为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明创造的仿人型假手，包括手腕、手指、与手腕连接承载和固定手指的手掌，为假手提供动力及控制信号的控制系统；

所述手腕包括盘形底座、手掌固定盘、连接盘形底座和手掌固定盘的连接轴，固定在盘形底座内的伺服电机，伺服电机上装配有曲柄，连接曲柄和手掌固定盘的连杆；

所述手掌设置在手腕的上方，包括前手面、后手面及连接两者的侧板，所述后手面上设有手指固定孔，所述前手面的对应位置处设有凹槽，凹槽和手指固定孔用来装配手指；

所述手指包括连接在手掌上的基座、设置在基座内驱动手指的伺服电机、伺服电机驱动的曲柄连杆结构及与连杆连接的指节，所述指节与连杆构成耦合形式；所述基座连接在后手面上的手指固定孔处，与前手面上的凹槽一一对应；

所述控制系统集成在手掌内部，包括中央处理模块、电随动模块、角位移传感模块、力矩传感模块及显示模块；所述电随动模块包括主动模块和随动模块；主动模块用于经使用者控制产生位移信号，中央处理模块处理该信号并控制随动模块执行相应的动作；角位移传感和力矩传感器用于实时测得手指的旋转角度及手指根部所受力矩的大小，中央处理模块处理后，传递到显示模块中便于使用者控制。

进一步的，所述耦合形式的指节与连杆，指节包括近指节、中指节及远指节，所述连杆包括连杆一、连杆二及连杆三；连杆一一端与设置在伺服电机输出轴上的曲柄连接，连杆一另一端与近指节下端相连，近指节下端通过连接轴设置在基座上，近指节通过曲柄和连杆一的驱动绕基座进行旋转；中指节下端与近指节上端相连，中指节下端同时与连杆二的一端连接，连杆二的另一端连接在基座上；中指节的运动通过近指节和连杆二的耦合作用确定；远指节下端与中指节上端相连，远指节下端同时与连杆三一端连接，连杆三另一端与近指节上端相连；远指节的运动通过中指节和连杆三的耦合作用确定。

进一步的，所述后手面为曲面，后手面边缘线的法线在两边缘线所确定的平面内，两法线的夹角为155°。

进一步的，所述前手面为曲面，且前手面和后手面上任一对应的两点等距。

进一步的，所述前手面上凹槽大小相等、形状相同。

进一步的，前手面上上端凹槽的中心分布在同一个圆周上，互成10°夹角；前手面上侧边凹槽与最相邻的凹槽的夹角为60°。

进一步的，所述角位移传感器设置在伺服电机的后部，力矩传感器设置在手指的根部。

由于采用了上述技术方案，本发明创造具有如下有益效果：

1、摒弃传统的整手仅有一个自由度的抓取方式，采用每根手指一个自由度的抓取方式。整手仅有一个自由度的抓取方式仅能通过将除了大拇指外的四个手指并为一个，通过伺服电机带动与大拇指发生相对运动，模仿人的抓握姿态。而每个手指一个自由度的抓取方式不仅能完成上述功能，在控制系统和使用者的操作下，还能完成大拇指与食指配合的捏取，大拇指与食指、中指配合的三点抓取，五个手指相互配合进行肢体语言的表达。

2、摒弃传统整个手指内部没有任何自由度的机构，采用六连杆耦合机构进行手指弯曲动作的模拟，即固定在基座上的伺服电机通过曲柄、连杆一将运动传递到近指节上，使近指节绕基座进行旋转；中指节通过连杆二连接在基座上，中指节与近指节连接，中指节的运动通过近指节和连杆二的耦合作用确定；远指节连接到中指节上，远指节通过连杆三连接到近指节上，远指节的运动通过中指节和连杆三的耦合作用确定。

3、手指各个指节的尺寸采用统计得来的数据求的加权平均数，适应大部分的人群。

4、将假手的控制系统集成到假手内部，传感器系统嵌入到手指机构内部，实现了假手的机电一体化设计，使得假手体积小、重量轻，采用的集成式智能控制器系统又使得假手的多自由度复杂控制功能成为可能。

附图说明

图1为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手的整体结构示意图；

图2为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手手腕的结构示意图；

图3为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手手掌的结构示意图；

图4为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手手指连杆的结构示意图；

图5为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手手指连杆的连接示意图；

图6为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手控制系统的原理框图。

图7为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手的整体结构应用状态示意图一；

图8为本发明创造优选实施例基于耦合连杆的仿人型假手的整体结构应用状态示意图二；

具体实施方式

如图1，本实施例的基于耦合连杆的仿人型假手，包括手腕2，与手腕2连接承载和固定五个手指的手掌3，手指4，为假手提供动力及控制信号的控制系统1。

如图2，手腕2包括盘形底座201、手掌固定盘202、连接盘形底座和手掌固定盘的连接轴203，固定在盘形底座内的伺服电机，伺服电机上装配有曲柄，连接曲柄和手掌固定盘202的连杆204。

如图3，手掌设置在手腕的上方，包括前手面301和后手面303，后手面上有五组手指固定孔304，前手面上对应于手指固定孔304处有五个大小相等、形状相同的凹槽，凹槽和手指固定孔304用来装配五个手指；前手面301与后手面303通过侧板302连接。后手面303设置为曲面，后手面边缘线的法线在两边缘线所确定的平面内，两法线的夹角为155°。前手面301设置为与后手面303形状相同的曲面。前手面301上上端四个凹槽的中心分布在同一个圆周上，互成10°夹角；前手面上侧边凹槽与最相邻的凹槽的夹角为60°。

手的抓取分为精确抓取和强力抓取，其中精确抓取是指尖与物体之间的接触，对于手掌结构的要求不高；而强力抓取是手掌和手指对物体大面积性的空间包络，这种抓取需要手掌与物体间有良好的接触才能保证抓取的稳定性，所以仿人假手的手掌设计对整手性能有很大影响。在人手抓取尺寸大的球形、椭球形和形状复杂的物体时，手掌和手指紧贴物体的外形，这样抓取才能牢固。因此可知人手的手掌在抓取的时候具有空间的包络性，即将手掌设计为具有曲面的立体结构。

如图4和图5，手指4包括连接在手掌3上的基座401、设置在基座内驱动手指的伺服电机、伺服电机驱动的曲柄连杆结构及与连杆连接的指节，指节与连杆构成耦合形式。其中，基座401通过紧固侧板连接在后手面上的手指固定孔304处，与前手面上的凹槽一一对应。手指的连接采用耦合方式，连杆一407一端与设置在伺服电机输出轴上的曲柄408连接，连杆一407另一端通过轴一410与近指节402下端相连，近指节402下端通过轴二410设置在基座401上，近指节402通过曲柄408和连杆一407的驱动绕基座401进行旋转；中指节403下端通过轴三412与近指节402上端相连，中指节403下端通过轴四414同时与连杆二406的一端连接，连杆二406的另一端通过轴五409连接在基座401上；中指节403的运动通过近指节402和连杆二406的耦合作用确定；远指节404下端通过轴六415与中指节403上端相连，远指节404下端通过轴七416同时与连杆三405一端连接，连杆三405另一端通过轴八413与近指节402上端相连；远指节404的运动通过中指节403和连杆三405的耦合作用确定。

结合图1和图6，控制系统1集成在手掌内部，包括电随动控制模块、伺服电机、角位移传感、力矩传感器及显示模块；角位移传感器设置在伺服电机的后部，力矩传感器设置在近指节的根部。电随动控制模块包括主动模块和随动模块；使用者通过控制主动模块使随动模块执行相应的动作，手指的旋转角度及手指根部所受力矩的大小通过角位移传感和力矩传感器实时传递到显示模块中便于使用者控制。

结合图1和图6，控制系统1集成在手掌内部，包括中央处理模块、电随动模块、角位移传感模块、力矩传感模块及显示模块；角位移传感模块设置在伺服电机的后部，力矩传感模块设置在近指节的根部，电随动模块包括主动模块和随动模块；使用者通过控制主动模块产生位移信号，经过中央处理模块处理后，使随动模块执行相应的动作；手指的实际旋转角度及手指根部所受力矩的大小通过角位移传感和力矩传感器实时测得，经中央处理模块处理后，一部分与从主动模块传来的信号进行比对进行适当的微调，另一部分传递到显示模块中便于使用者控制。

结合图7和图8，采取PWM脉宽调制对驱动手指的各个减速伺服电机进行控制，采用闭环式控制方案实时采集各个手指的受力信息，及时的调整控制信号，提高控制的精度，以实施仿人型假手的各种动作。

Claims (7)

1.仿人型假手，其特征是：包括手腕(2)、手指(4)、与手腕(2)连接承载和固定手指的手掌(3)，为假手提供动力及控制信号的控制系统(1)；

所述手腕(2)包括盘形底座(201)、手掌固定盘(202)、连接盘形底座和手掌固定盘的连接轴(203)，固定在盘形底座内的伺服电机，伺服电机上装配有曲柄，连接曲柄和手掌固定盘(202)的连杆(204)；

所述手掌(3)设置在手腕的上方，包括前手面(301)、后手面(303)及连接两者的侧板(302)，所述后手面上设有手指固定孔(304)，所述前手面的对应位置处设有凹槽，凹槽和手指固定孔(304)用来装配手指；

所述手指(4)包括连接在手掌(3)上的基座(401)、设置在基座内驱动手指的伺服电机、伺服电机驱动的曲柄连杆结构及与连杆连接的指节，所述指节与连杆构成耦合形式；所述基座(401)连接在后手面上的手指固定孔(304)处，与前手面上的凹槽一一对应；

所述控制系统(1)集成在手掌内部，包括中央处理模块、电随动模块、角位移传感模块、力矩传感模块及显示模块；所述电随动模块包括主动模块和随动模块；主动模块用于经使用者控制产生位移信号，中央处理模块处理该信号并控制随动模块执行相应的动作；角位移传感和力矩传感器用于实时测得手指的旋转角度及手指根部所受力矩的大小，中央处理模块处理后，传递到显示模块中便于使用者控制。

2.根据权利要求1所述的仿人型假手，其特征是：所述耦合形式的指节与连杆，指节包括指节一(402)、指节二(403)及指节三(404)，所述连杆包括连杆一(407)、连杆二(406)及连杆三(405)；连杆一(407)一端与设置在伺服电机输出轴上的曲柄(408)连接，连杆一(407)另一端与指节一(402)下端相连，指节一(402)下端通过连接轴设置在基座(401)上，指节一(402)通过曲柄(408)和连杆一(407)的驱动绕基座(401)进行旋转；指节二(403)下端与指节一(402)上端相连，指节二(403)下端同时与连杆二(406)的一端连接，连杆二(406)的另一端连接在基座(401)上；指节二(403)的运动通过指节一(402)和连杆二(406)的耦合作用确定；指节三(404)下端与指节二(403)上端相连，指节三(404)下端同时与连杆三(405)一端连接，连杆三(405)另一端与指节一(402)上端相连；指节三(404)的运动通过指节二(403)和连杆三(405)的耦合作用确定。

3.根据权利要求1所述的仿人型假手，其特征是：所述后手面(303)为曲面，后手面边缘线的法线在两边缘线所确定的平面内，两法线的夹角为155°。

4.根据权利要求1或3所述的仿人型假手，其特征是：所述前手面(301)为曲面，且前手面和后手面上任一对应的两点等距。

5.根据权利要求1所述的仿人型假手，其特征是：所述前手面(301)上凹槽大小相等、形状相同。

6.根据权利要求1或5所述的仿人型假手，其特征是：所述前手面(301)上上端凹槽的中心分布在同一个圆周上，互成10°夹角；前手面上侧边凹槽与最相邻的凹槽的夹角为60°。

7.根据权利要求1所述的仿人型假手，其特征是：所述角位移传感器设置在伺服电机的后部，力矩传感器设置在手指(4)的根部。

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