CN106938465A - 多自由度仿生手以及机械手臂 - Google Patents

Abstract

一种多自由度仿生手以及机械手臂，属于仿生学领域。多自由度仿生手包括：手掌、多个拉索，多个手指。其中，手掌具有分别独立的多个连接体。多个手指分别一一对应连接于多个连接体，每个手指包括相互匹配的多个指段和多个关节，相邻的两个指段通过关节转动连接；多个拉索被配置为一一对应驱动多个手指作多自由度运动，多自由度运动包括弯曲运动、伸直运动以及旋转运动中的一种或多种。多自由度仿生手具有结构简单、重量轻，易于维护。

Description

多自由度仿生手以及机械手臂

技术领域

本发明涉及仿生学领域，具体而言，涉及一种多自由度仿生手以及机械手臂。

背景技术

随着时代的进步，智能仿生手技术也得到了迅速的发展。从最初工具手，美容性假肢到单自由度肌电仿生手，再到多自由度肌电仿生手。目前国内对于能实现简单张开闭合动作的三手指仿生手研究比较成熟，相关产品已实现产业化，而对于多自由度五手指的仿生手研究还停留在初期阶段。即使是国外的多自由度仿生手，由于售价高昂，重量大，后期维护不便等，没有在残疾患者中得到普遍的应用。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了一种多自由度仿生手，其结构简单、使用和维护难度小。

本发明是这样实现的：

一种多自由度仿生手，包括：

被配置为提供连接点的手掌，手掌具有分别独立的多个连接体；

被配置为接受驱动以分别独立地运动的方式连接于手掌的多个手指，多个手指分别一一对应连接于多个连接体，每个手指包括相互匹配的多个指段和多个关节，相邻的两个指段通过关节转动连接；

多个拉索，多个拉索被配置传递动力源的驱动作用力并一一对应驱动多个手指作多自由度运动，多自由度运动包括弯曲运动、伸直运动以及旋转运动中的一种或多种。

在较佳的一个示例中，多个手指包括具有由弯曲运动、伸直运动以及旋转运动构成的两自由度的拇指，拇指包括拇指基座，拇指基座连接于手掌，拇指基座包括可相互转动地链接的固定体和转动体，对应于拇指的指段连接于转动体。

在较佳的一个示例中，手掌设置有分别一一对应于多个连接体的多个连接腔，多个连接体分别位于多个连接腔内。

在较佳的一个示例中，连接腔为台阶孔。

在较佳的一个示例中，手掌相互可拆卸连接的掌面和掌背，掌面和掌背限定多个连接腔。

在较佳的一个示例中，拉索由钢材、碳纤维、尼龙中的任一种制作而成。

在较佳的一个示例中，拉索包括内芯和包裹于内芯的外的外芯，内芯由金属材料制作而成，外芯由塑料或树脂制作而成。

在较佳的一个示例中，手掌内限定相互隔离的多个通道，多个通道被配置为一一对应容纳多个拉索的部分长度段。

多自由度仿生手还包括被配置提供驱动力以驱动拉索的动力件。

一种机械手臂，包括如上述的多自由度仿生手。

在较佳的一个示例中，机械手臂还包括用于驱动所述多自由度仿生手的拉索的动力件。

上述方案的有益效果：本发明实施例提供的多自由度仿生手具有结构简单、重量轻、便于使用和维护的优点，因此，可有效降低其应用成本。相比于现有的仿生手，本发明实施例提供的装置手为欠驱动的索控式多自由仿生手。其中，手指及其关节采用拉索驱动，再通过其他的外部动力源驱动拉索，进而实现手指的活动。本发明实施例提供的仿生手未在其手指上设置结构复杂、使用和维护成本较高的驱动装置——如电动机或发动机以及减速机——而是通过拉索的运动被带动进行曲、张以及旋转动作，从而可以降低其制造难度和成本，并且稳定性更高，使用寿命更长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的多自由度仿生手的结构示意图；

图2示出了图1提供的多自由度仿生手中的掌面的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的多自由度仿生手中的拇指内部结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的多自由度仿生手中的食指内部结构示意图。

图标：1-大拇指；2-食指；3-中指；4-无名指；5-小拇指；6-掌面；7-掌背；8-第三指段；9-第三关节；10-第二指段；11-第二关节；12-第一指段；13-第一关节；14-第四指段；15-拇指基座；16-钢索；17-钢索；18-钢索；19-钢索；20-钢索；21-第四指段；22-钢索；23-钢索；24-钢索；100-多自由度仿生手；101-手掌；102-手指；103-缺口；104-通道；401-第三指段；402-第三关节；403-第二指段；404-第二关节；405-第一指段；406-第一关节；501-转动体；502-固定体；601-连接腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

现有的仿生手多采用驱动原件进行动作以实现手指102的曲张等动作，这导致仿生手的结构复杂度提高，制作和使用成本也不断攀升，其维护也变得更加困难。基于前述的问题，本发明人提出了一种欠驱动的仿生手，其手指102的运动由采用被动式驱动的方式来实现，通过受驱动的绳索经过牵引的方式带动手指102进行动作。由于摒弃了体积大、结构复杂以及成本高企的驱动原件，从而使得仿生手的结构得以简化、使用成本下降。

图1本发明实施例提供的多自由度仿生手100的结构示意图。如图1所示，多自由度仿生手100，包括：手掌101、多个手指102以及多个拉索。

其中，手掌101是作为多自由度仿生手100的主体被提供。仿生手动作时，其与手指102配合形成握持物体的空间的接触面。手掌101根据人体生理学结构进行设计，形状与常人手掌101相似，尺寸可以根据使用场景进行适应性的调整。

可以是由柔性材料如硅胶、橡胶；或者，手掌101也可以有金属材料制作而成，例如采用不锈钢、铝合金、钛合金等等。

在本发明的一些示例中，手掌101可以整体的结构设计，例如，注塑成型。在本发明的另一些示例中，手掌101也可以是分体结构设计。

采用分体结构设计可以降低手掌101的制造难度，更易于流水线、批量生产，提高生产效率。其次，由手掌101具有分体结构，其更易于进行维护，并且更易于与手指102结合。

作为一种实现方式，手掌101由两部分构成。其中，两部分可以是固定连接，或者也可以是可拆卸连接，作为较优的选择，组成手掌101的两部分以可拆卸的方式连接。在本发明的实施例中，手掌101包括分体设计的两个部分，即掌背7和如图2所示的掌面，且掌面6和掌背7通过螺栓和螺帽配合进行可拆卸的连接。当然，掌面6和掌背7还可以通过其他方式进行可拆卸相连，例如卡扣。或者，掌面6和掌背7相互面对的表面分别设置凹槽和与凹槽匹配的凸柱，凸柱与凹槽卡合。

进一步地，掌面6和掌背7相互面对的表面共同限定一个空间，该空间可以用于容纳多自由度仿生手100的一些必要或非必要的零部件。即掌面6和掌背7共同构成一个具有内部空腔的壳体。作为一种可选的方案，掌面6和掌背7也可以面面贴合的方式组合而成，掌面6和掌背7之间并不存在一个裸眼可视的足够容纳多自由度仿生手100的足够多的空腔。

由于手掌101与手指102连接，在本发明实施例中，手掌101具有连接体。连接体用于手指102与手掌101连接。连接体的数量具体有多个，即具有一个连接体、或两个连接体、或三个连接体、或四个连接体，或五个连接体，甚至更多个的连接体。多个连接体可以是作为手掌101的一部分存在，即连接体与手掌101一体成型。或者，连接体也可作为独立的原件被提供，例如螺钉。例如，连接体通过粘合、焊接、螺栓固定等等方式与手掌101连接。

作为一种优选的方案，手掌101设置有用于容纳连接体的连接腔601。当手掌101为一体结构设计时，连接腔601可以是通过在手掌101开设槽腔而得。当手掌101是由掌背7和掌面6组合而成的壳体状的分体结构时，连接腔601可以是通过分别在掌背7开设缺口，以及在掌面6开设缺口103，然后通过前述两个缺口组合而成。对应对于连接体，连接腔601也有多个，即多个连接腔601分别一一对应位于多个连接腔601内。在其他一些示例中，连接腔601和连接体的数量相对应，连接腔601与连接体的数量相同；或者连接腔601的数量少于连接体的数量，即其中一部分的连接体位于连接腔601内，另一部分的连接体直接连接于手掌101。

作为一种可选的方案，前述连接腔601可以为台阶孔，或直孔，或斜孔。台阶孔可以是由至少两个同轴设置的孔，两个孔的端部连接的形式构成。连接腔601的形状也可以有多种选择，例如圆柱孔、棱柱孔等等。

多自由度仿生手100还包括多个手指102。多个手指102连接于手掌101，且被配置为接受驱动而分别独立地运动。独立地运动可以是指多个手指102中的任意一个手指102的运动，并不会不利地影响其他手指102的运动。以多自由度仿生手100具有两个手指102为例进行说明，独立地运动的两个手指102的运动状态可以包括以下几种：第一个手指102运动，第二手指102静止；第一手指102静止，第二手指102静止；第一个手指102静止，第二手指102运动。多个手指102的运动可以是手指102的指腹与手掌101(例如，掌面6)接触，或者手指102向靠近手掌101方向运动。

本发明实施例中，多个手指102连接于手掌101的方式是通过对应连接于多个连接体而实现。其中，一个手指102对应连接于一个连接体。本发明实施例中，作为优选的方案，多个手指102的数量为五个，且具体为大拇指1，食指2，中指3，无名指4、小拇指5。

进一步地，每个手指102包括相互匹配的多个指段和多个关节，并且相邻的两个指段通过关节转动连接。例如，两个指段通过一个关节连接；三个指段通过两个关节连接，且相邻两个指段之间具有一个关节；四个指段通过三个关节连接，且相邻两个指段之间具有一个关节。其中，转动连接可以是有阻尼的转动连接，或者无阻尼的转动连接。在有阻尼的转动连接状态下，当外界驱动源停止提供驱动力时，弯曲的手指102可以在一定的限度内保持弯曲状态，或者保持部分的弯曲状态。在无阻尼的转动连接状态下，当外界驱动源停止提供驱动力时，弯曲的手指102恢复原有的常态(伸直或收缩)。

基于人体生理结构，本发明实施例中，五个指段中的任意一个指段包括三个关节以及与之匹配的四个指段。在本发明的其他一些示例中，五个指段中的任意一个指段也可以包括两个关节以及与之匹配的三个指段。各个手指102所具有的关节和指段的数量可以相同，也可以不同，需要根据多自由度仿生手100的使用场景以及对手指102的灵活性要求进行适应性的选择，本发明不对其做具体限定。

其中，各个手指102的自由度可以有多种，即手指102具有多种运动方式或运动状态。例如，手指102可以具有弯曲、伸直或者转动三种运动状态，或手指102可以具有弯曲、伸直两种运动状态，或手指102可以具有弯曲、转动两种运动状态，或手指102可以具有伸直、弯曲两种运动状态。

作为一种优选的方案，本发明实施例的五个手指102中，大拇指1具有弯曲运动、伸直运动以及旋转运动三种运动状态，即大拇指1具有两个自由度。食指2，中指3，无名指4、小拇指5具有相同的运动状态——弯曲运动、伸直运动。换言之，食指2，中指3，无名指4、小拇指5均具有一个自由度。进一步地，在本发明实施例中，食指2，中指3，无名指4、小拇指5的结构相同，受驱动的方式相同，主要区别在于具体结构的尺寸大小，以及连接于手掌101的位置、以及运动的程度。

作为一种可选方案，大拇指1的两个自由度运动中的转动运动可以通过以下方式实现：大拇指1设置有连接于手掌101的拇指基座15。其中，拇指基座15包括可相互转动地链接的固定体502和转动体501，对应于大拇指1的指段连接于转动体501。其中的一种示例是，固定体502连接在手掌101对应于大拇指1的连接体上，并且固定体502与连接体或手掌101保持相对的静止，通过驱动转动体501进行旋转运动，进而驱动连接于转动体501的大拇指1运动，更具体而言是驱动连接于转动体501的指段(属于大拇指1的指段)，从而也驱动整个大拇指1转动。

多自由度仿生手100还包括多个拉索。其中，拉索是以传递驱动力而牵引手指102运动的方式被提供。即，拉索能够承受一定的拉扯作用力，以便可以在驱动手指102运动的同时，保持其自身不被轻易拉扯而断裂，或不被拉扯伸长而减弱对手指102的驱动作用力，进而也不会降低多自由度仿生手100的握持作用力。本发明实施例中，拉索是以钢制绳索的表现形式被提供的。每个单独的拉索可以是一个钢制绳索或多根钢制绳索构成。

具体地，多个拉索被配置为传递动力源的驱动作用力并一一对应驱动多个手指102作多自由度运动。其中，多自由度运动包括中的一种或多种。换言之，被驱动的手指102可以弯曲运动、伸直运动以及旋转运动中的任一种或几种方式进行运动。

由于拉索的设置，为提高多自由度仿生手100整体结构的紧凑性，并且避免拉索受到干扰，多自由度仿生手100还可以适应性地设置容纳拉索的结构体。作为一种实现方案，多自由度仿生手100中的手掌101设置容纳拉索的结构体。本实施例中，手掌101内限定有相互隔离的多个通道104，并且多个通道104被配置为一一对应容纳多个拉索的部分长度段。部分长度段是指拉索的一部分。例如，将拉索分为第一段和第二段，其中，第一段容纳于手指102，第二段(即部分长度段)容纳在通道104内。在另一些示例中，拉索分为第一段和第二段以及第三段，其中，第一段容纳于手指102，第二段(即部分长度段)容纳在通道104内，第三段延伸出手掌101外，并与驱动源(电动机、发动机、减速机等)连接的部分。

通道104可以是在掌面6开设的沟槽，或者是在掌背7开设的沟槽，进一步地，还可以是由分别设置在掌面6的凸起和设置在掌背7的凸起组成而成的沟槽。需要说明的是，用于容纳拉索的通道104优选设置在手掌101内部，即通道104以非暴露于手掌101的外表面的形式被设置。

拉索作为传递驱动力的部件，因而，优选具有一定的抗拉伸和抗机械疲劳性能的材料制作而成。例如，拉索采用钢材、碳纤维、尼龙中的任一种制作而成，或者还可以是前述材料中的两种或多种的结合，但是并不限定于前述列举的材料。另外，拉索材质的选择还可以根据具体的实际需求进行选择。

在本发明的较佳实施例中，拉索包括内芯和包裹于内芯的外的外芯。其中，内芯由金属材料制作而成，外芯由塑料或树脂制作而成。例如，拉索内芯是0.5mm(毫米)的不锈钢，外部进行包塑处理。

所述的拉索直径为0.5毫米，内部不锈钢材质，外层包塑。

为更清楚地阐明，拉索与手指102设置关系和相对位置，以下结合附图1至图4进行说明。

图1所示，是本发明的多自由度仿生手100的结构示意图。由两自由度的大拇指1，一个自由度的食指2，中指3，无名指4以及小拇指5，掌面6，掌背7组成。

手指102(大拇指1，食指2，中指3，无名指4、小拇指5)采用模块化设计理念，可以自由安装和拆卸。大拇指1通过拇指基座15和手掌101的卡位固定，食指2，中指3，无名指4以及小拇指5均通过螺钉固定在手掌101上。大拇指1，食指2，中指3，无名指4、小拇指5在舵机驱动和拉索牵引下，可实现单独弯曲伸直动作或者组合动作。

图3为本发明提供的多自由度仿生手100中的大拇指1拆去外壳的内部结构图。大拇指1具有两个自由度，能够进行二维运动，分别实现弯曲伸直和侧向旋转两个动作。

其中，钢索16一端固定在第三指段8，穿过第三关节9和第二关节11，固定在第一指段12。其中，钢索17穿过第三关节9和第二关节11后，两端都固定在第一指段12。其中，钢索18固定在拇指基座15上，提供大拇指1侧向旋转的驱动力。其中，钢索19穿过第二关节11，第一关节13和第四指段14后，两端固定在动力件(舵机，图中未示出)上。钢索19驱动大拇指1弯曲。其中，钢索20一端固定在舵机上，先后穿过第一关节13和第二关节11，固定在第二指段10。钢索20驱动大拇指1伸直。

图4为本发明提供的多自由度仿生手100中的食指2拆去外壳的内部结构图。本仿生手的食指2、中指3、无名指4和小拇指5的结构相同，因此仅以食指2为例说明，并且与大拇指1相同的穿线部分也不做累述。

食指2包括第一指段405、第二指段403、第三指段401、第四指段21，以及用于连接各指段的关节，即第一关节406、第二关节404、第三关节402。

钢索22穿过第一关节406，两端都固定在舵机上。钢索22驱动食指2伸直。钢索24从上往下穿过第二关节404，绕过(穿过)第一关节406，穿过第四指段21，再穿过第一关节406和第二关节404，两端固定在第二指段403上。钢索23先后穿过第一关节406、第二关节404、第三关节402，从第四指段21下部穿出，两端固定到舵机上。钢索23驱动食指2弯曲。

大拇指1，食指2，中指3，无名指4和小拇指5的最大弯曲极限位，由各自的内部结构确定，且各自的外壳形状，大小比例符合人手形状。

在本发明的一些示例中，多自由度仿生手100还包括被配置提供驱动力以驱动拉索的动力件，例如舵机、电机等。进一步地，多自由度仿生手100还可以设置与动力件配合的电源(如电池)、电路板等等。基于需要，多自由度仿生手100还可以设置容纳盒，且将动力件、电源、电路板等设置在容纳盒内。容纳盒则可以装载于背包、手提袋等物品中。

基于前述的多自由度仿生手100，本实施例还提供了一种机械手臂。机械手臂包括上臂和下臂，以及连接上臂和下臂的活动连接手肘，多自由度仿生手100连接在下臂的自由端。多自由度仿生手100的动力件，以及相关部件，即舵机、电池、电路板等可以集中于容纳盒内，再通过将容纳盒固定在上臂或下臂而实现对动力组件的固定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度仿生手，其特征在于，包括：

被配置为提供连接点的手掌，所述手掌具有分别独立的多个连接体；

被配置为接受驱动以分别独立地运动的方式连接于所述手掌的多个手指，所述多个手指分别一一对应连接于所述多个连接体，每个所述手指包括相互匹配的多个指段和多个关节，相邻的两个所述指段通过所述关节转动连接；

多个拉索，所述多个拉索被配置为传递动力源的驱动作用力并一一对应驱动所述多个手指作多自由度运动，所述多自由度运动包括弯曲运动、伸直运动以及旋转运动中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述多个手指包括具有由弯曲运动、伸直运动以及旋转运动构成的二自由度的拇指，所述拇指还包括拇指基座，所述拇指基座连接于所述手掌，所述拇指基座包括可相互转动地连接的固定体和转动体，对应于所述拇指的指段连接于所述转动体。

3.根据权利要求1所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述手掌设置有分别一一对应于所述多个连接体的多个连接腔，所述多个连接体分别位于所述多个连接腔内。

4.根据权利要求3所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述连接腔为台阶孔。

5.根据权利要求3或4所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述手掌相互可拆卸连接的掌面和掌背，所述掌面和所述掌背限定所述多个连接腔。

6.根据权利要求1所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述拉索由钢材、碳纤维以及尼龙中的任一种制作而成。

7.根据权利要求6所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述拉索包括内芯和包裹于所述内芯外的外芯，所述内芯由金属材料制作而成，所述外芯由塑料或树脂制作而成。

8.根据权利要求1或6或7所述的多自由度仿生手，其特征在于，所述手掌内限定相互隔离的多个通道，所述多个通道被配置为一一对应容纳所述多个拉索的部分长度段。

9.一种机械手臂，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的多自由度仿生手。

10.根据权利要求9所述的机械手臂，其特征在于，所述机械手臂还包括用于驱动所述多自由度仿生手的拉索的动力件。