CN106488833B - 提供于类人机器人上的手的致动 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提供于类人机器人上的手。该手包括手掌和多根手指(12、13、14)。每根手指(12、13、14)相对于手掌在静置位置和收缩位置之间是可以移动的，静置位置通过弹簧效应保持，收缩位置通过驱动使用手掌抵抗弹簧效应的联接部件(22、23、24)而保持，所述手的特征在于其包括马达驱动的轴(20)，连接到每根手指(12、13、14)的联接部件(22、23、24)，并配置成以便通过分别在第一旋转方向和相反方向上旋转马达驱动的轴(20)，将至少一个第一手指(12)以及至少一个第二手指(13)从静置位置分别移动到压缩位置。

Description

提供于类人机器人上的手的致动

技术领域

本发明涉及一种旨在用于类人机器人的手。更特别地，涉及一种手，其中手指可以通过单个致动器从静置位置移动到两个不同位置。

背景技术

人手是人体极其复杂的部分。人手包括了多根绕着手的手掌关节连接的手指。此外，每根手指具有多个相互关节连接的指骨。每个关节连接借助于肌肉可以活动。手的不同关节连接允许抓握不同形状的物体。手指和手掌的相对位置也使得能够产生能够传递消息的信号或者符号，比如食指延伸以指向物体或者方向，拇指延伸以表达赞同等。因此控制手的手指的运动对于增强机器人类人属性和其互动能力是特别有意义的。一种困难在于需要大量的致动器来确保手指运动的独立控制。

独立驱动手的每个手指的每个指骨的运动用于物体的抓握和用于视觉消息的通信是不现实的。实践中的目标是利用最少量的致动器来给出尽可能最大量的运动。如已知的，当可驱动的致动器A的数量小于自由度的数量N，即当N>A时，机构被称为欠致动的。欠致动的程度继而被限定为差值(N-A)。比如欠致动的手是已知的，在欠致动的手中，四根具有三个指骨的手指以及一根具有两个指骨的手指可以通过单个致动器闭合。通过借助于单个致动器经由十四枢转联接件使可能驱动十四个自由度，这样手呈现出高程度的欠致动。

已经作出努力来提高控制手的能力，同时保持手的高程度欠致动。比如设置在致动器和手指之间从而将抓握力分配到每根手指上的隔撑件(spreader)的实施例是已知的。因此手可以通过单个致动器抓握不同形状的物体。然而，手可以仅仅在张开位置和闭合位置之间驱动，每根手指根据所抓握物体的形状处于闭合位置中的各自位置。如果没有物体插入手指之间，手指闭合直到表示关闭点的位置。

为了增强机器人的类人属性及其互动能力，仍然需要增加用于控制手的运动的可能性，同时保持高程度的欠致动。显然，解决方案必须能够适应机器人的结构和功能环境。

发明内容

为此目的，本发明的主题是旨在用于类人机器人的手，该手包括手掌和多根手指，每根手指能够相对于手掌在由弹簧效应保持的静置位置和通过驱动所述手指和手掌之间的联接部件所获得的压缩位置之间、抵抗着弹簧效应地移动。该手进一步包括马达驱动的轴，所述马达驱动的轴联接到每根手指的联接部件、并配置为通过使得马达驱动的轴分别在第一旋转方向上和相反方向上的旋转，将至少一根第一手指和至少一根第二手指从静置位置分别移动到收缩位置。

有利地，轴包括第一和第二径向轮廓，分别在轴的圆周的第一和第二部分上，被配置为当轴分别在第一方向上和相反旋转方向上旋转时而驱动手指的联接部件。

有利地，手的一根手指通过轴仅在两个旋转方向之一上的旋转而移动。

有利地，手指在静置位置上与手掌一起形成了张开的手。

有利地，两根手指位于手掌中，以便分别像拇指和食指，拇指或食指当轴在第一方向上旋转时保持在静置位置中，并且其中轴在相反方向上旋转时，手的所有手指移动到收缩位置从而与手掌一起表示闭合的手。

有利地，手指之一的联接部件包括缆线，缆线在一侧联接到手指以及在另一侧通过容纳在轴的空腔中的夹压件联接到轴；缆线通过联接空腔和径向轮廓之一的端部的导管而径向穿过轴，使得轴在一个旋转方向上的旋转将缆线卷绕在所述径向轮廓上，通过牵拉缆线驱动手指的移动。

有利地，手指之一的径向轮廓在接近以轴的旋转轴线为中心的半圆形的圆周的一部分上大体上是圆的，且所述手指的缆线可以卷绕在径向轮廓上；径向轮廓的直径确定了缆线的行程以及静置位置和收缩位置之间手指的移动的幅度。

有利地，手指之一的联接部件包括安装为在以轴的旋转轴线为中心的空腔中的自由旋转的夹压件；导管被配置为允许缆线都沿着径向轮廓径向穿过轴，使得手指在轴的旋转时保持在静置位置中。

有利地，轴具有多个第一和第二径向轮廓，根据轴的旋转轴线依次设置，用于同时移动多根手指。

有利地，手包括两个相同的手指，所述手指通过相同长度的两根缆线以及两个相同的夹压件而联接到轴。轴包括在距离轴的旋转轴线为两个不同的距离处的两个形成在轴中的容纳空腔，使容纳空腔能够在距离轴的旋转轴线为两个不同的距离处将两个手指定位在手掌中。

有利地，手指之一的联接部件是刚性的，并且在联接部件中，轴包括第一和第二凸轮；刚性联接部件借助于第一和第二凸轮通过轴分别在第一方向上和相反方向上的旋转而被分别移动。

本发明也涉及类人机器人，安装有具有前述特征的手。

阅读了在下面附图中通过示例给出的实施例的详细说明后，本发明将被更好地理解，且其它优点将变得显而易见。

附图说明

图1a和1b，显示了类人机器人的两个示例，类人机器人安装有根据本发明的两个手，

图2a、2b和2c显示了类人机器人手的示例，该手包括手掌和手指，定位成以便表示手位于“张开手”、“闭合手”、以及“伸开食指”的结构，

图3a和3b显示类人机器人手指的示例，手指包括多个指骨，分别位于了“手指伸开”、以及“手指向下折叠”位置，

图4a和4b示出了根据本发明的，将手的手指从“张开手”结构分别运动到“闭合手”结构以及“食指伸出”结构的原理，

图5示出了在根据本发明的类人机器人手中应用的马达驱动的轴和联接部件，

图6a和6b通过两个视图，示出了轴和机器人的手的三个手指之间的马达驱动的轴和联接部件。

出于清楚起见，不同附图中的相同元件采用相同的附图标记。

具体实施方式

图1a和1b示出了由ALDEBARAN ROBOTIC^TM公司研发的类人机器人的两个示例。图1a中示出的类人机器人1包括头部10，躯体2，两个手臂3，两只手4，两条腿5和两只脚6。图1b中示出的类人机器人1’包括头部10，躯体2，两个手臂3，两只手4以及裙部7。本发明涉及手，这些类型的类人机器人可以安装有所述手。

本发明在下文记载了手的特定情况，其包括了位于手掌中的四根手指。三根由三个指骨构成的手指像食指、中指和无名指。由两个指骨构成的第四根手指像拇指。显然本发明不限于这个特定示例，但是更为广泛地覆盖包括手掌和多个马达驱动的手指的手，使能够以人类的方式相对于手掌移动手指。此外，本发明在手中实施以增强机器人的类人属性，比如通过允许改进的视觉沟通。应当理解，本发明可以根据相同的原理并且对于其他构件具有相同的益处而执行，比如，类人机器人脚或者动物属性机器人的爪。在下文中，术语手大体上指包括手掌和相对于手掌机动的/马达驱动的手指的构件。

图2a、2b和2c示出根据本发明的类人机器人手，其包括手掌和手指，手指被定位为以便表示手处于“张开手”、“闭合手”以及“食指伸出”结构。在附图中示出的示例中，手包括手掌15，三根由三个指骨构成的手指12、13和14，以及由两个指骨构成的一根手指11。通过它们在手的手掌中的形状和位置，手指11、12、13和14分别构成了手4的拇指、食指、中指和无名指。图2a示出手处于“张开手”结构，图2b示出处于“闭合手”结构，而图2c示出处于“食指伸出”结构。

图3a和3b表示类人机器人手指的示例，手指由多个分别位于“手指伸出”和“手指向下折叠”的位置的指骨构成。各种类型的欠致动的手是已知的，欠致动的手寻求通过有限数量的致动器驱动手的手指获得最大数量自由度。在附图示出的一种广泛使用的设计中，每根手指包括依次彼此联接的多个指骨。比如，手指12依次包括，联接到手掌15的近端指骨61、中间指骨62以及离手掌最远的远端指骨63。指骨被联接起来并通过具有一个或更多个自由度的比如枢转联接件的联接件与手掌联接。例如，手掌15和指骨61通过枢转联接件71a联接；指骨61和62通过枢转联接件72a联接；以及指骨62和63通过枢转联接件73a联接。在默认位置中，此后称为静置位置，手指的指骨通过弹簧效应保持在位置中。这种保持可以通过限制联接件的角度行程的机械抵接件以及将指骨定位在机械抵接件中的弹性机构在每个枢转联接件处获得。因此指骨61、62和63借助于绕枢转联接件71a、72a 和73a卷绕的螺旋弹簧71b、72b和73b而保持在表示伸出手指的静置位置中。

每根手指进一步包括了在手指和手掌之间的联接部件，联接部件被配置为通过施加与弹簧效应相抵抗的力而驱动手指相对于手掌从静置位置移动到另一个位置。例如，联接部件可以包括穿过手指指骨的缆线75，并且所述缆线例如借助于夹压件75a在一侧联接到远端指骨 63而在另一侧联接到手掌中的电致动器(未示出)。通过施加大于弹簧回程力的牵拉力，致动器驱动每个指骨的旋转，并将手指从其静置位置移动到如图3b中所示的称为收缩位置的极限位置。

在使致动器数量最小化的欠致动的手中，每根手指的缆线联接到单个致动器，单个致动器能够同时将所有手指从静置位置移动到收缩位置。为了允许抓握不同形状的物体，如前所述，也已经设想在致动器和每个手指的缆线之间插入隔撑件，从而分配传递给不同缆线的牵拉力。

现在跟随着根据本发明的欠致动手以下的说明，在这种特定情况下，手包括多根手指，每根手指包括通过弹簧机构和联接缆线保持在一个位置中的指骨，通过致动器的缆线牵拉使能够通过抵抗弹簧效应而旋转地驱动每个指骨。该实施方式并不限制本发明。也可以设想其他实施方式。手指比如可以包括单个指骨，单个指骨可以在两个极限位置之间移动。当手指包括多个指骨的时候，将手指保持在静置位置的弹簧效应可以借助于如由图3a和3b所示的与不同指骨的每个枢转联接件相配的螺旋弹簧组而获得，或者借助于由联接每个指骨的并且施加将所有指骨保持在静置位置的回程力的单个部件形成的弹簧机构而获得。类似地，手指和手掌之间的联接部件可以包括柔性缆线75、如金属缆线，柔性缆线联接马达驱动的致动器，马达驱动的致动器保证线缆到远端指骨的牵拉。还设想的是，由刚性机械部件构成的联接部件通过一端与马达驱动的致动器相接触，马达驱动的致动器包括了设有凸轮的轴，凸轮的旋转驱动刚性部件处于运动以移动手指。

此后，每个手指的静置位置对应于人手的伸出手指。所有的手指都在图2a中所示的“张开手”结构中的静置的位置中。每根手指的收缩位置对应于相对于手掌向下折叠的手指。所有的手指都在图2b中所示的“闭合手”结构中的收缩位置中。相对于手掌，每根手指用于静置位置和收缩位置的位置是按照惯例选择的；这种选择在马达耗能、使用寿命或者抗掉落的方面提供了某些优势。然而，在不偏离本发明范围的情况下，可以为一根或所有手指的静止位置选择手指或多根手指相对于手掌向下折叠的位置。马达驱动的致动器继而使能够张开手的一根或多根手指。

本发明的一般性构思在于增加了手的运动可能性，同时保持了欠致动的相同程度。本发明包括了通过在第一方向上旋转马达驱动的轴/ 机动轴从一根或多根手指的静置位置来驱动一根或多根手指以及通过在相反旋转方向上旋转马达驱动的轴来驱动一根或多根手指。本发明有利地利用了旋转致动器的两个马达能力以允许手的手指的来自相同的初始结构的两种不同运动。在附图所示的实施方式中，旋转致动器在第一方向上的旋转使能够从“张开手”结构切换到“闭合手”结构，在相反方向上的旋转使能够从“张开手”结构切换到“食指伸出”结构。如前所述，用于三种结构每根手指的位置是任意的。手可以适于使得每根手指在第一旋转方向上、在相反旋转方向上以及在两个旋转方向上旋转时或者在两个旋转方向都不旋转时而移动。一般来说，本发明涉及马达驱动的轴，马达驱动的轴被配置为通过马达驱动的轴分别在第一旋转方向上和在相反方向上的旋转将至少一根第一手指以及至少一根第二手指从它们的静置位置分别移动到到它们的收缩位置。

图4a和4b示出了根据本发明的手的手指从“张开手”结构分别移动到“闭合手”结构以及“食指伸出”结构的原理。两个图示出了手的三根手指，食指12、中指13以及无名指14。手掌和拇指未示出。在两个图的左部中，三根手指通过弹簧效应保持在其静置位置中。在图4a的右部中，三根手指在它们的收缩位置(“闭合手”结构)中。在图4b的右部中，中指13和无名指14在它们的收缩位置中，食指 12保持在静置位置(“食指伸出”结构)。

手包括马达驱动的轴20，马达驱动的轴通过联接部件22、23和 24联接到每根手指12、13和14，在此，联接部件包括在一侧联接到手指而在另一侧联接到马达驱动的轴20的柔性缆线。通过调整联接部件的长度，马达驱动的轴20可以位于手的手掌15中，或者否则位于机器人的前臂中，或者甚至位于机器人躯干中。在左部表示的初始结构中，联接缆线通过手指的弹簧所施加的回程力而拉伸。从这个初始结构开始，马达驱动的轴20可以在两个旋转方向上绕着用附图标记X 表示的主轴线被驱动。轴的旋转驱动缆线，缆线通过施加抵抗弹簧效应的牵拉力绕轴卷绕。手指通过从其静置位置移动到其收缩位置而向下折叠。有利地，轴可以具有第一径向轮廓，当在第一旋转方向上的旋转时，缆线卷绕在第一径向轮廓上；以及第二轮廓，当在相反方向上的旋转时，线缆卷绕在第二轮廓上。类似地，轴可以具有沿着主轴线X依次形成的多个第一和第二轮廓；每根手指具有与其相关联的第一和第二径向轮廓，每根手指的缆线卷绕至这些轮廓上。第一和第二径向轮廓的定义使得能够以极大的设计灵活性限定可以通过一个及同一致动器驱动手的两种运动。

图5示出手的示例中实施的马达驱动的轴和联接部件。图的左部通过分解视图显示了马达驱动的轴20和手指12的联接部件22，马达驱动的轴由上部20a和下部20b形成，手指的联接部件包括柔性缆线 122a和夹压件122b。通过容纳在轴20的空腔202中的夹压件122b，联接部件22在一侧联接到手指12，而在另一侧联接到轴20。

通过侧视图，图的中部显示轴20和手指12和14的联接部件22 和24。图的右部通过剖面A-A和B-B中的两个视图显示了相同的部件。如这些图中所示，缆线122a通过导管202a径向穿过轴，导管联接空腔202和第一径向轮廓32a的端部以及第二径向轮廓32b的端部。因此，根据轴的旋转的方向，食指12的缆线122a可以卷绕到剖面图 A-A中所示的两个径向轮廓32a或32b之一上。类似地，中指13和无名指14的缆线卷绕到剖面图B-B中所示的两个径向轮廓34a或34b 之一上。

注意到，对于每根手指来说，第一和第二径向轮廓在圆周的第一和第二部分上延伸。第一和第二径向轮廓具有共用的端部，对应于被缆线穿过的通道导管的端部。第一和第二径向轮廓大体上可以是圆形的，且在接近半圆形的圆周的某个部分上，如与手指13和14相关联的径向轮廓34a和34b的情况。第一和第二径向轮廓的直径继而确定了缆线的行程以及手指移动的幅度。这种选择不限于本发明，非圆形的径向轮廓也可以设想，使能够适应手指在轴旋转时的移动的速率。类似地，轴可以驱动以便覆盖径向轮廓的所有长度或者仅仅覆盖径向轮廓一部分。

也可以这样配置马达驱动的轴以便在马达驱动的轴旋转时将手指保持在静置位置。这特别是由图3b针对食指12所示的情况，尽管轴在第一旋转方向上旋转，但是食指保持在静置位置中。为此，联接部件22的夹压件122b为具有一个能够旋转轴线的形式，例如大体上是圆柱形或者球形的，并安装成在空腔202中绕着与轴的旋转主轴线合并的轴线自由旋转。此外，导管在第一径向轮廓圆周的整个部分上径向穿过轴。当这样配置时，缆线122a可在第一径向轮廓圆周的整个部分上径向穿过轴。轴在第一旋转方向的旋转驱动夹压件122b相对于其容纳空腔202的旋转，缆线122a通过弹簧效应保持拉密。手指在轴在第一方向上旋转时仍然保持在其静置位置。相反，轴在相反方向的旋转将缆线卷绕抵靠第二径向轮廓32b，驱动食指的移动。

有利地，第一和第二径向轮廓的限定为手的手指的两种运动提供了极大的设计灵活性。一些手指可有利地通过共用的径向轮廓联接到轴，使得手指根据相同的速率轮廓和相同的幅度移动。在所示示例中，这是中指13和无名指14的情况。

根据两个视图图6a和6b显示了在轴和机器人手的三根手指之间的马达驱动的轴和联接部件。

为了简化机器人的制造并减少其生产成本，本发明设想了实施多根严格相同的手指的手。在所示实例中，食指12、中指13以及无名指14是具有三个相同指骨的三根手指，并由相同部件构成。这三根手指仅仅通过它们在手的手掌中的位置来区分。为了增强手的类人属性，三根手指在大体上形成圆弧的三个点处联接到手的手掌；食指12和无名指14相对于中指13位于靠后设置。有利地，轴位于手的手掌中使得食指12和无名指14大体上距离轴的旋转轴线为一相同的距离。因此，可以为这两根手指实施两个严格相同的联接部件22和24。如图6a中所示，用于联接部件22和24的夹压件容纳在形成于轴中的轴的主轴线上的两个空腔202和204中。也可以为中指13实施相同的联接部件23。为此，联接部件23的夹压件容纳在空腔203中，空腔形成在距离轴的主轴线距离附图标记为“d”处。因此距离“d”对应于手掌中手指偏移的位置，因此形成前述的圆弧。尽管联接装置23和24 的容纳空腔在轴中距离轴的主轴线的两个不同距离处形成，由于径向轮廓是相同的，在旋转期间缆线的行程也是相同的。中指和无名指的移动因此是相同的。

有利地，联接装置可严格相同，显然联接缆线的长度也是；它们在马达驱动的轴上的不同位置允许在距离马达驱动的轴不同距离处的位置。

最终注意，可以设想联接手的所有手指到马达驱动的轴，并且特别地通过在图6b中所示的联接部件21联接到拇指。

如前所述，包括通过卷绕马达驱动的滑轮来驱动手指的移动的柔性缆线的联接部件的实施方式仅仅是一个具体示例。其他形式的联接部件也是可以设想的，例如，借助于轴的第一和第二凸轮通过轴在第一和第二方向上的旋转而驱动的刚性联接件。这些不同的实施方式有利地利用了旋转致动器的两种马达性能以在欠致动的手的手指上提供两种可能的运动。为此，这些不同实施方式具有下文中主要权利要求中记载的共同特定特征。

Claims (10)

1.一种旨在用于类人机器人的手，所述手(4)包括手掌(15)和多根手指，每根所述手指能够相对于所述手掌(15)在静置位置和收缩位置之间移动，所述静置位置通过弹簧效应保持，所述收缩位置通过抵抗着所述弹簧效应地驱动在所述手指以及所述手掌(15)之间的联接部件(22、23、24)所获得，

特征在于，所述手包括马达驱动的轴(20)，所述马达驱动的轴联接到每根手指的联接部件(22、23、24)，并被配置成以便通过所述马达驱动的轴(20)在第一旋转方向上的旋转将至少一根第一手指从所述静置位置移动到所述收缩位置并且通过所述马达驱动的轴(20)在相反于第一旋转方向的旋转方向上的旋转将至少一根第二手指从所述静置位置移动到所述收缩位置，其中所述轴(20)包括第一和第二径向轮廓，分别位于所述轴的圆周的第一和第二部分上，被配置为在所述轴(20)在第一旋转方向和相反于第一旋转方向的旋转方向旋转时分别驱动手指的所述联接部件(24)，并且其中所述手指之一的联接部件(22)包括缆线(122a)，所述缆线在一侧联接到所述手指以及在另一侧通过容纳在所述轴(20)中空腔(202)中的夹压件(122b)联接到所述轴(20)，所述缆线(122a)通过联接所述空腔(202)以及第一或第二径向轮廓的一端的导管(202a)径向穿过所述轴(20)，使得所述轴(20)在一个旋转方向上的旋转将所述缆线(122a)卷绕在所述第一或第二径向轮廓上，通过牵拉所述缆线(122a)驱动所述手指的移动。

2.如权利要求1所述的手，其中所述手指之一通过所述轴(20)仅在两个旋转方向之一上的旋转而移动。

3.如权利要求1或2之一所述的手，其中所述手指在静置位置中与手掌(15)一起呈现张开的手。

4.如权利要求3所述的手，其中所述手指中的两根手指位于所述手掌(15)中，以便分别像拇指(11)和食指(12)，所述食指(12)或所述拇指(11)在所述轴在第一旋转方向上的旋转时保持在静置位置中，且其中所述轴(20)在相反于第一旋转方向的旋转方向上的旋转将所述手(4)的所有手指移动到收缩位置以便与所述手掌(15)一起呈现闭合的手。

5.如权利要求1所述的手，其中所述第一和第二径向轮廓在接近以所述轴(20)的旋转轴线(X)为中心的半圆的圆周的一部分上大体上是圆形的，并且所述手指的缆线(122a)能够卷绕在所述第一或第二径向轮廓上；所述第一和第二径向轮廓的直径确定所述缆线(122a)的行程以及所述手指在静置位置和收缩位置之间的所述移动的幅度。

6.如权利要求1或5所述的手，其中所述手指之一的联接部件(22)包括夹压件(122b)，所述夹压件安装为在所述空腔(202)中以所述轴(20)的旋转轴线(X)为中心地自由旋转；所述导管(202a)被配置为允许所述缆线(122a)总是沿着所述第一或第二径向轮廓径向穿过所述轴(20)，使得所述手指在所述轴(20)旋转时保持在静置位置中。

7.如权利要求1或5所述的手，其中所述轴(20)具有多个根据所述轴(20)的旋转轴线(X)依次设置的第一和第二径向轮廓，用于同时移动多根手指。

8.如权利要求1或5所述的手，包括通过相同长度的两根缆线以及两个相同夹压件联接到所述轴的两根相同手指；所述轴(20)包括两个容纳空腔(203、204)，所述两个容纳空腔在距离所述轴(20)的旋转轴线(X)的两个不同距离(d)处而形成在所述轴(20)中，使能够将所述两根手指在所述手(4)的手掌(15)中定位在距所述轴(20)的旋转轴线(X)的两个不同的距离处。

9.如权利要求1或2所述的手，其中所述手指之一的联接部件是刚性的，并且其中所述轴包括第一和第二凸轮；所述刚性联接部件借助于所述第一和第二凸轮通过所述轴分别在第一旋转方向上和在相反于第一旋转方向的旋转方向上的旋转而分别移动。

10.一种类人机器人，安装有如前述任一项权利要求所述的手(4)。