CN105415394A - 基于fpa驱动的多指灵巧手 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPA驱动的多指灵巧手，包括五根手指和一个手掌，手掌包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，拇指安装座用来固定拇指，转轴部分可转动地安装在食指掌块上；各掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座；手指安装座上安装手指，手掌身的左右两侧面具有倾斜角，安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供凸台插入的装配空间，转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，凸台固定在转轴销轴上。本发明简化结构、柔顺性良好、适用性较好。
Description
技术领域
[0001]本发明属于执行器领域，涉及一种多指灵巧手。
背景技术
[0002]传统的末端执行器大多采用夹持式或者平移式的单自由度结构，这种传统的末端执行器操作任务简单，不需要复杂的控制系统，针对特定场合而定制，比如焊枪、吸盘、装配中的夹持器等。这种末端执行器通用性差，极大地限制了机器人的作业范围。虽然操作的稳定性较好，依然存在着以下的缺点:(1)夹持方式单一，互换性差，影响了整体的作业效率；
[2]夹持过程中接触点少，缺乏灵巧性；(3)缺乏对力的可控性，没有对应的传感系统，无法精确反应抓取的位置和力反馈，这样将导致此类末端执行器只能用于夹持力要求不高的场合；
[0003]随着智能机器人的出现，传统的机器人应用趋于饱和，机器人的应用领域从工业领域延伸到农业、航空航天、深海探测、服务娱乐、医疗康复、远程操作等，因此受到了国内外众多研究者的关注。针对如此复杂多样的工作环境，对机器人的配置、适应性、灵巧性等方面有了更高的要求，促使了国内外的学者研发出了新一代末端执行器。机器人多指灵巧手以人手为原型，结合了人手的结构和运动规律，具有3-5个手指以及多个自由度，可以实现对不同形状的物体进行抓持和操作，相对于传统的夹持器就显得高效灵活，从而扩大了应用的领域。
[0004]目前已经检索到的国内外出现的灵巧手，大多采用电机驱动，少数采用气动人工肌肉驱动，采用电机驱动多指灵巧手，优点在于电机可以实现准确定位，控制精度相对较高。对于输出力不大的场合可以选用微型电机安装于手内，但是一般的输出力都不会太小，所以目前大多采用电机与柔索传动装置配合，这样会使灵巧手结构变得复杂，尺寸难于小型化，而且柔索装置在传递动力的过程中会有摩擦、松弛、振颤等现象，不仅效率低下，而且影响灵巧手控制精度、提高了控制难度。采用气动人工肌肉驱动的机器人多指灵巧手，比如Shadow Hand，虽然结构简单，但同样存在两点不足:(1)驱动器和机械手分离，通过人工腱驱动各个关节运动，腱传动系统存在的摩擦、松弛以及能量损耗的问题无法避免；(2)过多的气动人工肌肉使得多指灵巧手的前臂粗大臃肿，给灵巧手与其他机器人系统的配合应用带来不便。
发明内容
[0005]为了克服已有机器人灵巧手的结构复杂、柔顺性较差、适应性差的不足，本发明提供了一种简化结构、柔顺性良好、适用性较好的基于FPA(Flexible Pneumatic Actuator，气动柔性驱动器)的多指灵巧手。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007] —种基于FPA驱动的多指灵巧手，包括五根手指和一个手掌，五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指，所述手掌包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，所述转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。
[0008]进一步，所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。
[0009 ]再进一步，所述转轴部分包括转轴和用以带动转轴转动地微型电机。
[0010]更进一步，所述托物盘是一块凹形方块。
[0011 ]所述拇指安装座与手掌成75ο夹角。当然，也可以为其他角度。
[0012]所述拇指、食指、中指、无名指和小指分别有3个关节、4个指节和1个指尖，所述3个关节就是手指的弯曲关节;所述4个指节分别对应着远指节、中指节和近指节和掌骨节;所述远指节上端与传感器相连，下端与第一弯曲关节上端连接;所述第一弯曲关节下端与中指节上端连接;所述中指节下端与第二弯曲关节上端连接;所述第二弯曲关节下端与近指节上端连接;所述近指节下端与第三弯曲关节上端连接;所述第三弯曲关节下端与掌骨节连接;所述掌骨节末端将安装于手掌安装座;所述指尖与传感器连接在一起。
[0013]所述第一弯曲关节、第二弯曲关节和第三弯曲关节均包括FPA驱动器、铰链转动副、转动轴销以及两个定位板，所述铰链转动副将两个定位板固定连接，并能够围绕转动轴销弯曲，FPA驱动器的前后端盖与定位板固定连接;所述FPA驱动器是弹性的橡胶管，橡胶管壁内嵌入弹簧;橡胶管两端与端盖密封连接，其中一端的端盖上安装管接头;所述前后端盖上分别设有台阶轴，气动柔性驱动器通过前后两个端盖上的台阶轴安装在两个固定板的中间；所述前后端盖上分别设有台阶轴，刚性连接件上分别在左右对称的地方设有两个定位孔，所述定位孔和气动柔性驱动器前后端盖上的定位台阶轴配合，弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节的上端、第二远指节、第二中指节和第二近指节呈一体。
[0014]所述食指、中指、无名指以及小指四指之间的间距为10mm，并且相对于手掌根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小指高15mm，拇指与食指的夹角为75度。
[0015]本发明的有益效果主要表现在:(1)具有类人手的结构和尺寸，五根手指和一个手掌，具有20个自由度，能够进行弯曲和侧摆，基本实现人手的动作。(2)采用FPA直接驱动，不需要附加的传动减速机构，摩擦力小，能量损耗小，外加结构简单，加工安装方便，大大减少了成本。(3)采用气动驱动器使得灵巧手具有较好的柔顺性和适应性，同时能够输出较大的力，且易于控制操作。
附图说明
[0016]图1是多指灵巧手的三维实体图，其中，拇指掌身与手掌平行。
[0017]图2是多指灵巧手的三维实体，其中，拇指位与手掌平行。
[0018]图3是多指灵巧手装配工程图。
[0019]图4是多指灵巧手三维实体图，其中，拇指掌身与手掌垂直。
[0020]图5是多指灵巧手装配工程图，其中，拇指掌身与手掌垂直。
[0021]图6是手指三维实体图。
[0022]图7是手指二维图。
[0023]图8是弯曲原理结构图。
[0024]图9是弯曲结构剖视图。
[0025] 图10是手掌工程图。
[0026] 图11是手掌三维图。
[0027]图12是食指掌身二维图。
[0028]图13是食指掌身三维图。。
[0029]图14是拇指掌身三维图
[0030]图15是手背主视的中指掌身三维图。
[0031 ]图16是手掌主视的中指掌身三维图。
[0032]图17是无名指与手掌配合三维图。
[0033]图18是以手掌主视的自适应弯曲一定角度三维图。
[0034]图19是以手背主视的手掌自适应弯曲一定角度三维图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0036] 参照图1〜图19，一种基于FPA驱动的多指灵巧手，包括五根手指和一个手掌，五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指，所述手掌包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，所述转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。
[0037]进一步，所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。
[0038]再进一步，所述转轴部分包括转轴和用以带动转轴转动地微型电机。
[0039]更进一步，所述托物盘是一块凹形方块。
[0040]所述拇指安装座与手掌成75ο夹角。当然，也可以为其他角度。
[0041]所述拇指、食指、中指、无名指和小指分别有3个关节、4个指节和1个指尖，所述3个关节就是手指的弯曲关节;所述4个指节分别对应着远指节、中指节和近指节和掌骨节;所述远指节上端与传感器相连，下端与第一弯曲关节上端连接;所述第一弯曲关节下端与中指节上端连接;所述中指节下端与第二弯曲关节上端连接;所述第二弯曲关节下端与近指节上端连接;所述近指节下端与第三弯曲关节上端连接;所述第三弯曲关节下端与掌骨节连接;所述掌骨节末端将安装于手掌安装座;所述指尖与传感器连接在一起。
[0042]所述第一弯曲关节、第二弯曲关节和第三弯曲关节均包括FPA驱动器、铰链转动副、转动轴销以及两个定位板，所述铰链转动副将两个定位板固定连接，并能够围绕转动轴销弯曲，FPA驱动器的前后端盖与定位板固定连接;所述FPA驱动器是弹性的橡胶管，橡胶管壁内嵌入弹簧;橡胶管两端与端盖密封连接，其中一端的端盖上安装管接头;所述前后端盖上分别设有台阶轴，气动柔性驱动器通过前后两个端盖上的台阶轴安装在两个固定板的中间；所述前后端盖上分别设有台阶轴，刚性连接件上分别在左右对称的地方设有两个定位孔，所述定位孔和气动柔性驱动器前后端盖上的定位台阶轴配合，弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节的上端、第二远指节、第二中指节和第二近指节呈一体。
[0043]所述食指、中指、无名指以及小指四指之间的间距为10mm，并且相对于手掌根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小指高15mm，拇指与食指的夹角为75度。
[0044]本实施例中，所述托物盘是一块凹形方块用来托住物体方便手指抓取;所述拇指安装座用来固定拇指，而且拇指安装座与手掌成75ο夹角，这样拇指与其它四指就形成了一定的倾斜角，这样更能够保证抓取物体的稳定性;所述转轴的部分与食指一侧相配合，并且可以围绕食指一侧旋转，旋转角度都可以再0ο—90ο内变化，使得拇指能够像人手一样自由的转动一定的角度，这里可以采用微型电机控制转动一定的角度。所述其他四个手掌模块结构基本类似，由手掌身、两侧配有与其他手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座；所述手掌身由梯形截面拉伸而来，两侧面具有10度的倾斜角，在其他手掌安装座处的转轴旋转下，手掌能够弯曲一定的角度，更适用于抓取物体，而且这个弯曲的部分不需要控制，能够自适应进行弯曲相应的角度;手指安装座由一个圆孔和腰形槽组成，这样手指能够进行侧摆运动，由于我们实验中抓取物体的时候，手指的侧摆很微小，但是抓取不同形状的物体时确实是有点差异的，所以此处我们根据抓取的物体的形状实时进行人工调整合适的侧摆距离。这样多指灵巧手既能够弯曲一定的角度，又能通过调整手指的侧摆选择更合理的抓取姿态。
[0045]所述弯曲关节中，压缩气体可以从这个管接头进入FPA内腔。当压缩气体从管接头充入FPA内部时，由于气体压力和弹簧的作用，圆柱形橡胶管拉伸变长，整个结构表现为轴向伸长；当驱动器内部气体压力减小时，在橡胶管及弹簧的作用下，整个结构收缩变短，恢复原状。
[0046]本实施例的手指的整体尺寸和形状基本类似于人手的结构，五根手指和一个手掌，具有20个自由度。相对于其他的灵巧手结构更简单，具有很好的柔性和较大的抓持力等特点。采用FPA直接驱动，不需要柔索传动装置，减小了摩擦力和能量损耗等缺陷，具有广泛的应用前景。
[0047]本实施例中，图1为多指灵巧手从手背方向看的三维实体图，图2为从手背方向看的二维工程图；参照图3以手掌为主视图基本说明灵巧手的基本布置方案，食指(2)、中指
(3)、无名指(4)、小指(5)采用平行布置，指间间距为10mm，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5_，食指比小指高15mm，拇指(1)与手掌有75度的夹角。图4和图5分别为灵巧手的拇指与其它四指相对的三维图，这也是抓取物体应用最广泛的抓取手势。图中还标明了手掌的各个模块儿，分别为拇指掌身(6)、食指掌身(7)、中指掌身(8)、无名指掌身(9)、小指掌身
(10)。从这几张图中可以看出设计的灵巧手的形状和尺寸基本接近人手。之后将整体图分解为各个模块儿，后面将逐一介绍每个不同的模块。
[0048]图6和图7分别为手指的三维实体图和二维视图结构，图中详细的介绍了手指的基本组成，分别包括了指尖(12)、传感器(13)、远指节(14)、定位板(15、18、21、25、26、29)、FPA驱动器(16、22、27)、管接头(19)、弯曲关节1(17)、中指节(20)、弯曲关节11(23)、近指节
(24)、弯曲关节111(28)、掌骨节(30)等组成。所述其余手指的结构也基本相同，从图7的手指工程图看出手指分别有3个关节、4个指节、1个指尖组成，所述3个关节就是手指的弯曲关节1(17)、弯曲关节11(23)、弯曲关节111(28)组成，分别对应人手的三个弯曲关节;所述4个指节，分别对应着远指节(14)、中指节(20)和近指节(24)和掌骨节(30)，远指节的上端与传感器(13)相连，远指节下端和中指节上端通过第一弯曲关节形成铰链结构，能够进行弯曲操作;所述中指节下端和近指节上端与第二弯曲关节形成铰链结构;所述近指节下端和掌骨节(30)上端与第三弯曲关节形成铰链结构能够进行弯曲运动，所述掌骨节末端将安装于手掌安装座;第一驱动器FPA( 16)上端与远指节定位板(15)连接，下端与中指节定位板(21)连接；第二驱动器FPA(22)通过中指节定位板(21)与近指节定位板(25)固定；第三驱动器FPA通过近指节定位板(26)与掌骨节定位板(29)固定，每个FPA末端都有类似管接头(19)进行通气驱动。多指灵巧手在实施抓取的过程中，除了关节要求能够准确定位外，还需要手指与目标物体之间的接触作用力，通过对各个手指指力的综合分析判断抓取操作是否稳定而又不破坏目标物体。因此，多指灵巧手指尖配置力/力矩传感器，可以实时检测力/力矩输出，并反馈至关节控制器进行闭环控制。我们在指尖和远指节之间安装了一种小型化的五维力传感器，该五维力传感器是委托合肥中科院传感器智能研究所设计制作，采用一种新型的E型模片弹性体结构，将指尖力转换为电信号，经过滤波、放大、解耦处理后，以CAN总线方式传输给上位机。
[0049]图8和图9所示，所述弯曲关节是由一个FPA、两个连杆(14、20)、两个定位板(15、18)以及一个转轴(17)组成。其中，连杆与连接件通过螺纹连接，也可一体化加工做成一体；FPA的端盖(31、35)与定位板固定连接。所述FPA驱动器(16)的主要部分是弹性的橡胶管
(33)，橡胶管壁内嵌入弹簧(34);橡胶管两端与端盖密封连接，其中一端的端盖上安装管接头(36)，压缩气体可以从这个管接头进入FPA内腔。弯曲关节的工作原理是:压缩空气通过FPA的管接头进入FPA的内腔，在气体压力作用下，FPA发生轴向伸长，进而推动连接件带动连杆绕转轴转动一个角度。当FPA内腔气体压力释放时，FPA恢复原状，带动连杆转动，使得关节恢复原状。通过调节FPA内腔气体的压力可以控制关节转动角度的大小。
[0050]图10〜图19为手掌的整体装配图、三维图、手掌的各个摸块、手掌与掌身的侧摆结构、手掌微小弯曲结构等有了详细的介绍，下面面逐一解释设计的理念。从图10、11从手掌背部和底部两个方向给出了手掌的基本组成部分，基本上由五个模块儿组成，分别是拇指掌块(6)、食指掌块(7)、中指掌块(8)、无名指掌块(9)、小指掌块(10)。结合图11和14所示，所述手掌的拇指掌块包括了托物盘(37)、拇指安装座(38)以及可绕食指旋转的转轴部分
(39)，所述托物盘是一块凹形方块用来托住物体方便手指抓取;所述拇指安装座用来固定拇指，而且拇指安装座与手掌成75ο夹角，这样拇指与其它四指就形成了一定的倾斜角，这样更能够保证抓取物体的稳定性;所述转轴部分与食指一侧(46、47)相配合，并且可以围绕食指一侧旋转，旋转角度可以在0ο—90ο内变化，使得拇指能够像人手一样自由的转动一定的角度，这里可以采用微型电机适时转动一定的角度。通过图12-14所示，介绍了拇指掌身和食指掌身，图12-13分别代表食指掌身的二维图和三维图，图12中食指手掌包括了手指安装座和与凸台对应的定位挡板(44-47)，手指安装座由定位销孔(42)和腰圆型槽位(43)组成，由于抓取过程中相同物体的抓取侧摆很微小，所以此处采用人工调节侧摆距离的方法，如图17所示为手指与手掌连接情况，并且手指相对于手掌侧摆了一定的位移。图12和13基本对应，在这幅图中能够清晰地了解食指掌块的结构，定位凸台1(44、45)将于中指的旋转凸台(49)相配合，配合转轴就能够进行旋转弯曲，另一个定位凸台(46、47)将于拇指旋转凸台(39)相配合，使得拇指能在0-90度内旋转变化，极大地模拟了人手的拇指结构。
[0051]图15-16为中指掌身的结构图，基本组成包括了手掌安装座(48)、旋转凸台(49)、定位凸台(50、51)，旋转凸台和食指的定位凸台配合，定位凸台和无名指的旋转凸台配合，从而与其他手掌连接在一起。尤其指出手掌上表面和下表不等宽导致侧面形成了一定的倾斜角，这样对扭转关节扭转的角度有一定的限制，相邻手掌块之间有一个很小的弯折活动范围，而且这样的设计使得手掌的弯折是自适应的，它会根据抓取物体的形状，在抓取力的带动下自适应调整手掌的弯曲弧度。另外的无名指掌身和小指掌身和中指结构类似，都是通过旋转凸台与定位凸台配合，在手掌连接处冗余倾斜面的限位配合适当的弯曲一定的角度。在图18-19看出在抓取物体过程中由于接触力的影响使得手掌能够自适应的弯曲一定的角度。从这几幅图中看出手掌弯曲成一定的弧度成包络状态，同时手指能够侧摆一定的距离，这样更能够实时稳定地抓取。
[0052]上述所有整体和各个部分清晰讲述了手的所有结构的设计，模拟人手的结构和运动特征设计而成，机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌。所述的五个手指包括拇指、食指、中指、无名指以及小指。本发明的机器人多指灵巧手的手指布局以人手结构为依据，食指、中指、无名指以及小指相互平行且间距为10mm，给手指佩戴人工皮肤留下充足空间，同时这四指指尖相对于手掌根部的高度不同，其中中指比食指高15mm，比无名指高10，而无名指比小指高20;拇指与食指之间的角度呈75度。本手的驱动系统与控制测量系统包括气栗、控制卡、工控机、五维力传感器以及计算机软件，其中五维力传感器是由合肥中科院机器人智能研究所根据使用要求研制。将所有的装置安装完成之后就能够进行抓取物体，采用气动驱动很大的程度上能够柔顺稳定的抓取。
Claims (8)
1.一种基于FPA驱动的多指灵巧手，包括五根手指和一个手掌，五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指，其特征在于:所述手掌包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定大拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，所述转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。
2.如权利要求1所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。
3.如权利要求1或2所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述转轴部分包括转轴和用以带动转轴转动地微型电机。
4.如权利要求1或2所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述托物盘是一块凹形方块。
5.如权利要求1或2所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述拇指安装座与手掌成75°夹角。
6.如权利要求1或2所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述拇指、食指、中指、无名指和小指分别有3个关节、4个指节和1个指尖，所述3个关节就是手指的弯曲关节;所述4个指节分别对应着远指节、中指节和近指节和掌骨节;所述远指节上端与传感器相连，下端与第一弯曲关节上端连接;所述第一弯曲关节下端与中指节上端连接;所述中指节下端与第二弯曲关节上端连接;所述第二弯曲关节下端与近指节上端连接;所述近指节下端与第三弯曲关节上端连接;所述第三弯曲关节下端与掌骨节连接;所述掌骨节末端将安装于手掌安装座;所述指尖与传感器连接在一起。
7.如权利要求1或2所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述第一弯曲关节、第二弯曲关节和第三弯曲关节均包括FPA驱动器、铰链转动副、转动轴销以及两个定位板，所述铰链转动副将两个定位板固定连接，并能够围绕转动轴销弯曲，FPA驱动器的前后端盖与定位板固定连接;所述FPA驱动器是弹性的橡胶管，橡胶管壁内嵌入弹簧;橡胶管两端与端盖密封连接，其中一端的端盖上安装管接头;所述前后端盖上分别设有台阶轴，气动柔性驱动器通过前后两个端盖上的台阶轴安装在两个固定板的中间;所述前后端盖上分别设有台阶轴，刚性连接件上分别在左右对称的地方设有两个定位孔，所述定位孔和气动柔性驱动器前后端盖上的定位台阶轴配合，弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节的上端、第二远指节、第二中指节和第二近指节呈一体。
8.如权利要求7所述的基于FPA驱动的多指灵巧手，其特征在于:所述食指、中指、无名指以及小指四指之间的间距为10mm，并且相对于手掌根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小指高15mm，拇指与食指的夹角为75度。
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