CN106457574A - 用于设在仿人机器人上的手的致动 - Google Patents

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    • B25J15/08—Gripping heads and other end effectors having finger members
    • B25J15/10—Gripping heads and other end effectors having finger members with three or more finger members

Abstract

本发明涉及一种用于设在仿人机器人上的手。手(10)包括手掌(11)和相对于手掌(11)机动化的多个手指(13，14，15，16，17)。根据本发明，手(10)包括：一个致动器(101，102)，其由多个手指(14，15，16，17)共用；以及分布器(103，104)，其使得能够将致动器(101，102)施加的力分配到手指(14，15，16，17)上。

Description

用于设在仿人机器人上的手的致动
技术领域
本发明涉及用于仿人机器人的手。
背景技术
人手是人体的极其复杂的部分。人手包括绕手掌做关节式运动的多个手指。而且，每个手指具有多个相互做关节式运动的指骨。每个关节能够通过肌肉来移动。手的各关节尤其使得能够抓住各种形状的物体。在仿人机器人中做出了若干尝试来最佳地接近人的功能性。抓取功能是机器人系统最难以生成的功能之一，其需要大量的独立致动器来确保各种物体的抓取。从要提供的独立致动器的数量方面以及不得不以协调方式控制的这些不同致动器的驱动方面讲，这都增加了机器人的复杂度。
发明内容
本发明目的是提出一种仿人机器人的手，该手具有多个手指并且通过减少用于手的每个手指的独立致动器的数量而使得能够容易地适应各种物体的形状。
为此目的，本发明的一个主题是用于仿人机器人的手，该手包括手掌和相对于手掌机动化的多个手指，该手进一步包括多个手指共用的致动器以及使得能够将致动器施加的力朝向手指分配的分布器。
在本发明的有益的变型例中，在与致动器施加的力所取向的方向成直角的称为正面的平面中，限定了致动器施加的力在分布器上的施加点的投影以及手指施加的力在分布器上的施加点的投影。在正面中限定了与正面和称为水平面的平面的交叉线成直角的称为竖直方向的方向，所述称为水平面的平面包含了致动器所施加的力取向以及手的手掌主要延伸的方向。根据该竖直方向，致动器所施加的力在分布器上的施加点的投影基本定位在手指所施加的力在分布器上的施加点的投影的质心处，手指所施加的力在分布器上的施加点的投影不是全部重合。
术语分布器经常用于航空领域。类似地，分布器可理解为使得能够分配力的任何机械零件。分配是作为机械零件上的每个力的支承点的几何配置的函数而完成的。分配使得机械零件的平衡状态守恒。当施加到机械零件上的力缓慢地演进时，能够根据静态平衡等式来确定不同的力。在本发明中，分布器使得能够将来自单一致动器的力分配给多个手指。分布器的存在使得能够改善手对可能遇到的物体的形状的顺从性。手的顺从性应当被理解为是指其针对施加到它上面的应力和力进行调节的能力。
分布器的实现使得能够通过再现接近于人类的不固定的自然运动而使得手闭合。通过将单一致动器与分布器相关联，能够使与分布器连接的各手指的运动完全地同步。
包括根据本发明的手的仿人机器人也是本发明的主题。
仿人机器人应当被理解为显现出与人体的相似性的机器人。该仿人机器人可以是身体的上部，或者仅仅是与人手类似的末端有夹具的关节式运动臂。在本发明中，机器人的手的操作类似于人手。根据本发明的手使得能够借助其手指的运动以及它们施加到物体上的力来抓握物体。
附图说明
通过阅读作为实例给出的实施例的详细说明，本发明将被更好的理解，并且其它优点将变得显而易见，通过附图来对说明书进行解释说明，在附图中：
图1示出了用于仿人机器人的手的立体表示；
图2a，2b和2c在不同的平面图中表示出手的分布器；
图3a，3b和3c表示抓握物体的手；
图4表示抓握另一物体的手；
图5，图6和图7是手的多个变型例的立体表示；
图8表示从手掌侧看到的打开的手；
图9表示实现本发明的手的仿人机器人；
为了清晰，相同的元件将在不同的图中赋予相同的标识符。
具体实施方式
图1表示用于仿人机器人的手10。手10包括手掌11和五个手指13至17。手指关于手掌11做关节式运动从而允许物体抓取在手指13至17之间。类似人手，手指13是拇指。手所抓握的物体保持在拇指13与其它的手指14至17之间。本发明不限于具有五个手指的手。手指的数量能够减少以简化手的设计，并且甚至能够增加手指的数量以允许抓取特定的物体。
更一般地，本发明的手能够通过使得能够抓握物体的夹具形成。夹具包括至少两个关节式运动手指，允许与所抓握的物体有多点接触。与这些关节式运动手指相反，能够布置固定的手指或者甚至布置手的手掌。
根据本发明，手10包括为多个手指共用的致动器以及使得能够将致动器施加的力朝向手指分配的分布器。在图1所示的示例中，手10包括两个致动器101和102以及两个分布器103和104。致动器101通过连结杆105与分布器103连接，致动器102通过连结杆106与分布器104连接。分布器103能够分别经由连结杆107、108、109和110来施力于四个手指14至17上。类似地，分布器104能够分别经由连结杆117、118、119和120施力于四个手指14至17上。
致动器101和102可以是诸如气缸的直线式致动器。在本发明的上下文中能够实现任何其它类型的致动器，例如旋转式致动器或人工肌肉。
在图1表示的示例中，分布器103和104使得能够朝向表示食指14、中指15、无名指16和小指17的四个手指分配力。在分配中还可以包括拇指13。更一般地，一个分布器或多个分布器103和104使得能够将一个致动器或多个致动器101和102所施加的力朝向拇指13以及至少一个其它手指14至17分配。
两个分布器103和104各自主要在称为水平面的平面中延伸，该水平面包含一方向，关联的致动器施加的力取向在该方向上并且手10的手掌主要在该方向延伸。
手指能够通过两个连结杆致动，例如用于食指14的连结杆107和117，一个延伸手指14，另一个将其折叠。两个连结杆107和117随后以协调的方式作用。致动器101和102也以协调的方式作用。能够使用同时拉连结杆105或106中的一个以及推另一个的单一致动器。手10包括两个分布器103和104，使得能够将手指14、15、16和17中的每一个机动化。分布器103使得能够延长与其连接的手指且因此打开手10。分布器104使得能够折叠与其连接的手指且因此闭合手10。
限定了与手10的手掌11连接的参照系。手掌主要在称为水平面的平面125中延伸。当手指14至17完全展开或打开时，它们在平面125中延伸。在图1所示的构造中，分布器103和104主要在水平面125中延伸。连结杆105和106也在水平面125中延伸。因此，致动器101和102施加力的方向包含在平面125中。
限定了与水平面125成直角以及与致动器101和102施加的力所取向的方向成直角的正面126。
最后，称为竖直平面的第三平面127被限定，其与平面125和126成直角。当手指14至17闭合或伸展时，指骨基本上在竖直平面中移位。
图2a表示其中一个分布器，例如在正面中投影的分布器103。
图2b表示在水平面中投影的同一分布器103，图2c表示竖直平面中的分布器103。
分布器103主要在水平面中延伸。尽管如此，分布器可相对于该平面具有一定的曲率。该曲率在图2a中明显可见。该图显示出在正面中不同的力在分布器103上的施加点的投影。更具体地，连结杆105、107、108、109和110可以是其端部具有突出物(outgrowth)的线缆，突出物分别是卷曲或成型到线缆端部上的135、137、138、139和140。每个线缆的突出物保持在分布器103中产生的通道中。力的施加点是突出物与分布器103的接触点。致动器101施加到分布器103上的力标识为F5。手指14、15、16和17施加的力分别标识为F1、F2、F3和F4。致动器101经由连结杆105施加的力的施加点具有标识符145。通过连结杆107施加的力的施加点具有标识符147。通过连结杆108施加的力的施加点具有标识符148。通过连结杆109施加的力的施加点具有标识符149，并且通过连结杆110施加的力的施加点具有标识符150。
在正面126中，限定与正面126和水平面125的交叉线成直角的竖直方向142。致动器101所施加的力的施加点145的投影有益地位于大致在手指14至17所施加的力的施加点137至140的投影的质心处。
更具体地，在竖直方向142上，施加点145的投影的横坐标被限定为原点。施加点147至150的投影的横坐标之和是零。手指14至17施加的力F1至F4在分布器103上的施加点147至150在竖直方向142上的投影不全部重合。
力F1至F5在分布器103上的不同的施加点的该相对位置使得能够将分布器103的稳定位置保持在手10的手掌11中。实际上，手指施加在分布器103上的力F1至F4能够根据手10所抓握的物体的形状而演进。如此限定的力F1至F5在分布器103上的不同的施加点的相对位置使得能够将分布器103保持在相对于水平面125基本恒定的相对位置上。分布器103能够沿基本上由水平面125所包含的方向进行平移移位。
而且，限定了在图2b中可见的正面方向152。方向152平行于致动器101施加的力F5所取向的方向。根据正面方向152，致动器101施加的力F5在分布器103上的施加点145的投影被视为原点，并且致动器101拉分布器103的方向被视为正向。手指14至17施加的力F1至F4在分布器103上的施加点147至150的投影的横坐标都是负的。
力F1至F5在分布器103上的不同的施加点的该相对位置使得能够避免在手10的手掌11中分布器103的任何对接。
最后，能够限定与方向142和152成直角的第三方向162。根据方向162，通过致动器101所施加的力的施加点145的投影有益地定位在施加点1 48和149的投影的大体中部。类似地，仍根据方向162，施加点145的投影有益地定位在施加点147和150的投影的大体中部。换言之，根据方向162，将施加点145的投影与其它投影分开的多个距离被限定：L1用于点148的投影，L2用于点149的投影，L3用于点147的投影，L4用于点150的投影。有益地，L1＝L2且L3＝L4。
在两两手指的中间的施加点145的位置的观察使得能够将致动器101的力以平衡的方式朝向不同的手指14至17分配。换言之，对于致动器101施加的给定的拉力，施加到四个手指14至17中的每一个上的力等于致动器101所施加的力的四分之一。
无论与分布器103连接的手指的数量如何，都可以产生该布置。更具体地，根据方向162，致动器101所施加的力的施加点145的投影位于与分布器103连接的手指14至17所施加的力的施加点的投影的质心处。
与分布器连接的不同手指的力的平衡分配使得能够采用接近于人的抓取的所抓握物体的抓取，而无论物体的形状如何，甚至仅用单一致动器101。
图3a，3b和3c表示手10抓握矩形物体165，例如手机。五个手指13至17与物体165接触。物体165的形状需要与分布器103和104连接的手指14至17中的每一个以不同的方式折叠。更具体地，食指14略微折叠，相反，小指17大幅地折叠。在图1中，没有抓握物体，与分布器103和104连接的手指14至17基本上以相同的方式折叠。物体165的存在改变了手指14至17的折叠，同时保持了手指14至17中的每一个施加于物体165上的基本上恒定的力。
在分布器103与104之间施加旋转以适应物体165。该旋转能够在没有抓握物体的图1与抓握有物体165的图3a至3c之间看出。一个或两个分布器的存在使得手能够适应所抓握的物体的形状。
图4表示手10抓握圆形物体166，诸如例如烧杯。物体166仅由五个手指中的三个手指保持。物体166在一侧通过拇指13保持，而在另一侧由食指14和中指15保持。借助分布器103和104，其它两个手指16和17完全地折叠以与例如手10的手掌抵接。手指14至17所施加的力的相等性在比如烧杯166的物体的情况下不是完全的。尽管如此，不同的手指14至17的力比缺少分布器的情况下更平衡。
一般地，分布器的实现使得能够将与该分布器相关联的致动器所施加的力分配到不同的手指上。因此，不同的手指能够在手抓握的物体上施加大致恒定的力，即时物体的形状是可变的。
可选地，可以移离通过将致动器101的施加点145定位在与手指14至17连接的连结杆的施加点147至150的质心处所获得的平衡。例如，可以将施加点145朝向食指14移位并且因此向食指14分配更多的力。食指14将趋于在其它手指之前闭合。食指14随后比其它手指施加更大的力到所抓握的物体上。
在限值处，可以将手10的食指的施加点147与致动器101的施加点145对准。这使得能够确保物体仅抓取在拇指13与食指14之间。
图5表示手10的变型例，其中双作用致动器170作用于两个分布器103和104上。在图1的变型例中所表示的两个连结杆105和106由具有两端的线缆171来取代，每端都固定到分布器103和104中之一上。更具体地，线缆的一端由突出物135形成。线缆171的另一端在图5中不可见，其是类似的且固定到分布器104上。致动器170为两个分布器103和104所共用。致动器170是例如旋转式致动器，其驱动滑轮172旋转。线缆171缠绕到滑轮172上。滑轮172的旋转将线缆171移位，这拉动分布器103和104中之一且推另一个。
当两个分布器103和104基本上平行时，线缆171在滑轮172的直径的近似一半上与滑轮172接触。线缆171缠绕到滑轮172上使得能够传递作为与滑轮172接触的线缆171的长度的函数的转矩。所传递的转矩也是线缆171相对于滑轮172的摩擦系数的函数，因此是为线缆171以及为滑轮172选择的相接触的材料的性质的函数。能够限定这些材料以生成转矩限制器并且因此生成手指14至17上的力的限制器。例如，如果大的外力施加到手指14至17上，则能够允许线缆171相对于滑轮172滑动，尤其是保护致动器170。
可选地，存在避免线缆171相对于滑轮172的任何滑移的期望，尤其在致动器170设有位置传感器而使得能够确定手指14至17的位置的情况下。为避免任何滑移，例如能够将线缆171绕滑轮172缠绕多于一圈。还可以将线缆171相对于滑轮固定。
图6表示手10的另一变型例，仅具有由线缆175和双作用致动器176致动的单一分布器103。每个手指14至17均包括弹性元件，例如趋于将手指14至17保持在极端位置(或者是折叠或延伸)的弹簧。经由分布器103，致动器176允许每个手指移离它的极端位置。例如，通过弹簧而保持在延伸位置的手指14至17通过致动器176被折叠。
图7表示图6的变型例，其中复位弹簧是全部手指14至17所共用的。该变型例也具有两个分布器103和104。如在图6的变型例中，分布器103经由线缆175与致动器176连接。此外，分布器104经由弹簧178与手掌11的主体连接。因此，当致动器176拉分布器103时，为手指14至17共用的复位力借助分布器104来施加。复位力通过分布器104分配到手指14至17上。
另一构造包含使用两个分布器103和104，每个分布器作用于手指14至17的不同指骨上。两个致动器101和102则是独立的。
在图5，图6和图7所表示的变型例中，致动器170或176独立于一个或多个分布器103和104而施力于拇指13上。
为此目的，在图5的变型例中，致动器170旋转地驱动第二滑轮180，线缆181缠绕到该第二滑轮180上，使得能够对拇指13传递力。类似线缆171，线缆181使得能够折叠和延伸拇指13。能够提供两个自由滑轮182，线缆181压到自由滑轮182上以修正其在致动器170与拇指13之间的方向。各自与滑轮172和180相关联的线缆171和181被构造为通过同样旋转致动器170来折叠拇指13以及其它手指14至17。致动器170的反向旋转使得能够延伸拇指13以及其它手指14至17。因此，单一致动器使得能够闭合手10或者打开在抓握的物体上的手。
拇指13和其它四个手指14至17受相同的致动器控制的该构造能够调换成图6和图7的其它变型例。因此，在图6的变型例中，拇指13由与致动器176连接的线缆185独立于分布器103来致动。在图7的变型例中，复位力经由弹簧188施加到拇指13上。该复位力与线缆185施加的力相对。
有益地，手10包括限制一个或多个分布器103和104的位移的止挡件。止挡件161和162例如形成在手掌10中，在手指14和17的水平处。当对应的连结杆处于行程末端时，分布器103和104抵靠一个止挡件或者抵靠两个止挡件161和162。更具体地，当食指14延伸到期望的最大程度时，分布器104开始抵靠止挡件161。分布器104在止挡件161上的抵靠避免了食指14返回而超过其延伸位置。该返回将类似于人解剖结构中的指骨的关节之一的脱位。换言之，抵靠到止挡件上使得能够限制所涉及到的手指的关节的角行程。分布器104抵靠到止挡件162上使得能够以相同的方式来限制小指17的延伸。位于末位手指14和17的水平的两个止挡件161和162足以限制与分布器104相关联的全部手指的延伸。类似地，分布器103也能够支承到止挡件161和162上从而限制手指14至17的折叠。
图8表示出从手掌侧看到的打开的手。该视图使得能够规定与分布器连接的手指的施加点的位置以及手指的相互取向。更具体地，使用图2b，已经规定，相对于正面方向152，在分布器103上的施加点147至150的投影的横坐标均为负的。横坐标的原点是致动器所施加的力的施加点145的投影。通过对正面方向152上的施加点147至150的投影的不同横坐标求差分，能够更好地近似人的解剖结构。更具体地，作为绝对值，小指17所施加的力F4的施加点150的横坐标最小。作为绝对值，通过中指15所施加的力F2的施加点148的横坐标最大。作为绝对值，通过食指14和无名指16所施加的力F1和F3的施加点147和149的横坐标具有位于施加点148的横坐标与施加点150的横坐标之间的中间值。
有益地，与分布器连接的四个手指14至17是相同的。这使得能够通过标准化构成它们的机械零件来简化其制造。虽然手10的手指相同，在人手的情况下情况并非如此，通过将施加点147至150交错以及因此将手指附接到手掌11，手10能够在手指14至17的末端的配置方面近似人的解剖结构。
而且，可以将四个手指14至17在正面中进行不同地定向，使得当手指闭合时，每个手指的末端趋于朝向彼此移动。更具体地，相对于施加力F5的方向，随着所涉及到的手指的施加点移离力F5所施加的方向，与所涉及到的分布器连接的手指延伸的方向越来越大地成角度打开。当手指延伸时，手指延伸的方向应当理解为手指的主方向。在表示的示例中，中指和无名指在各自与力F5所施加的方向形成近似6°的角度的方向上延伸。无名指16和小指17沿着在它们之间形成近似12°的角度的方向而延伸。类似地，食指14和中指15沿着在它们之间形成近似12°的角度的方向上延伸。在闭合时，手指的末端朝向彼此移动，这利于抓取在四个手指14至17与拇指13之间。显然，这些角度值纯碎是以示例的方式给出的。其它值当然是可能的。
图8表示出具有两个手10的仿人机器人200。

Claims (13)

1.一种用于仿人机器人的手，所述手(10)包括手掌(11)和相对于手掌(11)机动化的多个手指(13，14，15，16，17)，进一步包括多个手指(13，14，15，16，17)所共用的致动器(101，102；170；176)以及使得能够朝向手指(14，15，16，17)分配致动器(101，102)所施加的力(F5)的分布器(103，104)，其中在与致动器(101，102)所施加的力取向的方向成直角的称为正面(126)的平面中，限定了致动器(101)所施加的力(F5)在分布器(103)上的施加点(145)的投影以及手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影，其中在所述正面(126)中限定了与正面和称为水平面(125)的平面的交叉线成直角的称为竖直方向(142)的方向，所述称为水平面的平面包含了致动器(101)所施加的力(F5)取向以及手(10)的手掌(11)主要延伸的方向，并且其中，根据该竖直方向(142)，致动器(101)所施加的力(F5)在分布器(103)上的施加点(145)的投影基本定位在手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影的质心处，手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影不是全部重合。
2.根据权利要求1所述的手，其中在包含了致动器(101)所施加的力(F5)取向以及手(10)的手掌(11)主要延伸的方向的称为水平面(125)的平面中，限定了致动器(101)所施加的力(F5)在分布器(103)上的施加点(145)的投影以及手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影，其中限定了与致动器(101)所施加的力(F5)所取向的方向平行的称为正面方向(152)的方向，并且其中，根据正面方向(152)，通过将致动器(101)所施加的力(F5)在分布器(103)上的施加点(145)的投影视为原点，以及将致动器(101)拉分布器(103)的方向视为正向，手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影的横坐标都是负的。
3.根据权利要求2所述的手，进一步包括与所述分布器(103，104)连接的四个手指(14，15，16，17)，其中第一个手指形成食指(14)，第二个手指形成中指(15)，第三个手指形成无名指(16)，第四个手指形成小指(17)，其中相对于正面方向(152)，以及作为绝对值，小指(17)所施加的力(F4)的施加点(150)的横坐标最小，中指(15)所施加的力(F2)的施加点(148)的横坐标最大，并且食指(14)和无名指(16)所施加的力(F1，F3)的施加点(147，149)的横坐标具有中间值。
4.根据权利要求3所述的手，其中与分布器(103，104)连接的四个手指(14，15，16，17)是相同的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的手，其中在包含致动器(101)所施加的力(F5)所取向的方向以及手(10)的手掌(11)主要延伸的方向的称为水平面(125)的平面中，限定了致动器(101)所施加的力(F5)在分布器(103)上的施加点(145)的投影以及手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)在分布器(103)上的施加点(147，148，149，150)的投影，其中根据与致动器(101)所施加的力(F5)所取向的方向成直角的水平面(125)的方向(162)，致动器(101)所施加的力的施加点(145)的投影位于与分布器(103)连接的手指(14，15，16，17)所施加的力(F1，F2，F3，F4)的施加点的投影的质心处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的手，其中所述分布器(103，104)主要在称为水平面(125)的平面中延伸，所述称为水平面的平面包含致动器(101)所施加的力(F5)所取向的方向以及手(10)的手掌(11)主要延伸的方向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手，其中致动器是双作用致动器(176)并且进一步包括与双作用致动器(176)连接的单一分布器(103)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的手，进一步包括使得能够通过双重作用将各手指(14，15，16，17)机动化的两个分布器(103，104)。
9.根据权利要求8所述的手，进一步包括两个分布器(103，104)共用的双作用致动器(170)。
10.根据权利要求9所述的手，其中两个分布器(103，104)共用的致动器(170)经由缠绕在滑轮(172)上的线缆(171)而作用于两个分布器(103，104)上，所述滑轮通过两个分布器(103，104)共用的致动器(170)驱动而旋转。
11.根据前述权利要求中任一项所述的手，进一步包括限制分布器(103，104)的位移的止挡件(161，162)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的手，进一步包括拇指(13)，并且其中致动器(170，176)独立于分布器(103，104)而对拇指(13)施力。
13.一种仿人机器人，进一步包括如前述权利要求中的一项中所述的手(10)。
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