CN107186743A - 一种基于网状联动结构的仿生机械手掌 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，包括拇指、食指、中指、无名指、小指、以及手掌。操作者将特制数据手套佩戴在手上，并将数据发送模块用弹性尼龙绑带绑于小臂位置，数据手套内部集成有弯曲传感器，实时读取操作者每根手指的弯曲角度，并将信号传输至手套端的处理器进行合并处理，数据手套将指令无线传输至仿生机械手掌端，从而实现人手对该仿生机械手掌的实时控制。

Description

一种基于网状联动结构的仿生机械手掌

技术领域

本发明涉及仿生机械手掌，具体涉及一种基于网状联动结构的仿生机械手掌。

背景技术

随着机器人的普及，工业机械臂已经代替了许多工人，并在工厂里占据了半壁江山，工业机械臂是拟人手臂、手腕和手功能 的机械电子装置。它可把任一物件或工具按空间位姿（位置和姿态）的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车车体进行了点焊或弧焊；搬运压铸或冲压成型的零件或构件；进行激光切割；喷涂；装配机械零部件等等。工业机械臂的优点在于走位精准，稳定性高，能够精确地重复执行或简单或复杂的制造、加工以及安装等任务。但其缺点则是笨重，机动性能差，可控制自由度与人的手臂、手掌不一致从而使实时控制变得非常困难，而基于仿生设计的机械手掌能够完美地解决这个问题，使实时操控的效率达到最高。

仿生机械手掌多用于实时同步操控，具有灵活，可操控性好，效率高的优点。主要应用于人机协作领域，可代替人手接触危险物品，并在恶劣环境下进行作业，有效削减恶劣环境下的意外伤亡，如高温、剧毒、核辐射和灾后救灾的环境。目前仿生机械手指的驱动多用伺服电机配合线拉、气动、液动、或人造肌肉等方式进行驱动。其中气动、液动对设备技术成熟度要求较高，所以成本也高，且在保证输出力矩的情况下很难兼顾精度。人造肌肉虽然技术先进，但是制造成本也极高。 线拉驱动在保证输出力矩的情况下同时兼顾了走位精度，但是由于内部构造复杂，装配起来费时费力，且稳定性不佳。如公开号为CN 105583829A的专利介绍了一种基于钢丝拉动的仿真机械手指，其同时兼备高精度，输出力矩高的优点，但是由于其基于线拉原理，动力装置务必嵌入在手臂之内，从而导致手腕处不够灵活的缺憾。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，可用于实时精确体感操控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种网状联动结构，应用于机械手指，所述手指是指拇指、食指、中指、无名指、小指中的一种，该网状联动结构包括伺服电机、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述伺服电机驱动指节一、指节二、指节三绕关节点转动。

一种基于网状联动结构的仿生机械拇指，包括三台伺服电机、连接件、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中两台伺服电机分别安装在指节一、指节二、指节三形成的两个关节点处，该两台伺服电机的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸；所述连接件与指节一铰接，所述连接件与另一台伺服电机转轴连接，该连接件转动的方向与拇指屈伸的方向垂直。

一种基于网状联动结构的仿生机械手指，该手指是指拇指以外的手指，所述手指包括伺服电机摇臂、连轴杆、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一、指节二、指节三分别安装有传动连杆，所述传动连杆彼此相连形成传动结构，所述指节一的传动连杆与连轴杆连接，所述连轴杆与伺服电机摇臂连接，所述伺服电机摇臂与伺服电机转轴连接。

进一步的，所述指节一、指节二与传动连杆分别形成四连杆结构，所述指节三与传动连杆形成三连杆结构。

一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，包括手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指，所述拇指包括三台伺服电机、连接件、拇指指节一、拇指指节二、拇指指节三，所述拇指指节一、拇指指节二、拇指指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中伺服电机一、伺服电机二分别安装在拇指指节一、拇指指节二、拇指指节三形成的两个关节点处，伺服电机一、伺服电机二的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸，所述连接件固定在手掌上并与拇指指节一铰接，该连接件与伺服电机三转轴连接，连接件转动的方向与拇指屈伸的方向垂直；

所述食指、中指、无名指、小指的结构完全相同，包括伺服电机四、伺服电机摇臂一、连轴杆、指节一、指节二、指节三、手指薄片，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一、指节二、指节三分别安装有传动连杆，所述传动连杆彼此相连形成传动结构，指节一的传动连杆与连轴杆连接，所述连轴杆与伺服电机摇臂连一接，所述伺服电机摇臂一与伺服电机四转轴连接，所述伺服电机四安装在手掌上，所述指节一与手指薄片铰接，手指薄片活动安装在手掌上；

还包括伺服电机五、伺服电机摇臂二、连轴杆一、连轴杆二，所述伺服电机五安装在手掌上的食指处并与伺服电机摇臂二连接，伺服电机摇臂二连接连轴杆一，连轴杆一连接连轴杆二，连轴杆二与小指的手指薄片固定连接，通过伺服电机五控制食指与小指之间的开合。

进一步的，所述手掌设置有控制器以及信号接收装置，还包括套在操作者手上的数据手套、所述数据手套内集成有弯曲传感器、处理器、通信模块，所述弯曲传感器实时读取操作者每一根手指的弯曲角度并将数据传递给处理器，处理器生成控制指令通过通信模块将指令发送给信号接收装置，控制器从而控制手掌做出与操作者一模一样的动作。

进一步的，所述的拇指、食指、中指、无名指、小指的所有指节上均安装有压力传感器，所述压力传感器与控制器连接。

进一步的，所述拇指、食指、中指、无名指、小指的关节点均设置有限位片，限位片用于限制指节的最大弯曲角度。

进一步的，所述关节点的松紧度由杯头螺丝和防松螺母配合决定，同一手指的关节点由手掌向指尖逐渐变紧。

进一步的，所述食指、中指、无名指、小指的伺服电机四交叉错落安装在手掌上。

本发明的有益效果是： （1）操作者将特制数据手套佩戴在手上，并将数据发送模块用弹性尼龙绑带绑于小臂位置。（2）数据手套内部集成有弯曲传感器，实时读取操作者每根手指的弯曲角度，并将信号传输至手套端的处理器进行合并处理。（3）数据手套将指令无线传输至仿生机械手掌端，从而实现人手对该仿生机械手掌的实时控制。与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果，例如性能的提高、可靠性的提高、成本的降低、工艺的简化、节能环保等。 本发明的结构十分简单，易于装配，灵活可靠，所用零件均可通过传统加工工艺加工而成，也可使用3D打印技术成型。其结构上的优点体现在食指、中指、无名指、小指均只由一个伺服电机进行单独驱动，且能够自适应所抓取物体的尺寸，在保证精度的前提下兼顾了力度，能够牢牢抓取物体。 且本发明的食指与小指能够进行横向的开合摆动，能够做出更多相应的手势。

附图说明

图1是本发明除拇指以外的手指结构示意图；

图2 是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明食指和小指开合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1-3所示，

一种网状联动结构，应用于机械手指，所述手指是指拇指、食指、中指、无名指、小指中的一种，该网状联动结构包括伺服电机、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述伺服电机驱动指节一、指节二、指节三绕关节点转动。

一种基于网状联动结构的仿生机械拇指，包括三台伺服电机、连接件、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中两台伺服电机分别安装在指节一、指节二、指节三形成的两个关节点处，该两台伺服电机的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸；所述连接件与指节一铰接，所述连接件与另一台伺服电机转轴连接，该连接件转动的方向与拇指屈伸的方向垂直。

一种基于网状联动结构的仿生机械手指，该手指是指拇指以外的手指，所述手指包括伺服电机摇臂、连轴杆、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一、指节二、指节三分别安装有传动连杆，所述传动连杆彼此相连形成传动结构，所述指节一的传动连杆与连轴杆连接，所述连轴杆与伺服电机摇臂连接，所述伺服电机摇臂与伺服电机转轴连接。

进一步的，所述指节一、指节二与传动连杆分别形成四连杆结构，所述指节三与传动连杆形成三连杆结构。

一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6，所述拇指包括三台伺服电机、连接件24、拇指指节一21、拇指指节二22、拇指指节三23，所述拇指指节一21、拇指指节二22、拇指指节三23首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中伺服电机一26、伺服电机二27分别安装在拇指指节一21、拇指指节二22、拇指指节三23形成的两个关节点处，伺服电机一26、伺服电机二27的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸，所述连接件24固定在手掌1上并与拇指指节一21铰接，该连接件24与伺服电机三28转轴连接，连接件24转动的方向与拇指屈伸的方向垂直。

所述食指3、中指4、无名指5、小指6的结构完全相同，包括伺服电机四31、伺服电机摇臂一32、连轴杆33、指节一34、指节二35、指节三36、手指薄片37，所述指节一34、指节二35、指节三36首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一34、指节二35、指节三36分别安装有传动连杆38，所述传动连杆38彼此相连形成传动结构，指节一34的传动连杆38与连轴杆33连接，所述连轴杆33与伺服电机摇臂连一32接，所述伺服电机摇臂一32与伺服电机四31转轴连接，所述伺服电机四31安装在手掌1上，所述指节一34与手指薄片37铰接，手指薄片37活动安装在手掌1上。

还包括伺服电机五41、伺服电机摇臂二42、连轴杆一43、连轴杆二44，所述伺服电机五41安装在手掌1上的食指3处并与伺服电机摇臂二42连接，伺服电机摇臂二42连接连轴杆一43，连轴杆一43连接连轴杆二44，连轴杆二44与小指6的手指薄片37固定连接，通过伺服电机五41控制食指3与小指6之间的开合。

进一步的，所述手掌设置有控制器以及信号接收装置，还包括套在操作者手上的数据手套、所述数据手套内集成有弯曲传感器、处理器、通信模块，所述弯曲传感器实时读取操作者每一根手指的弯曲角度并将数据传递给处理器，处理器生成控制指令通过通信模块将指令发送给信号接收装置，控制器从而控制手掌做出与操作者一模一样的动作。

进一步的，所述的拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6的所有指节上均安装有压力传感器，所述压力传感器与控制器连接。

进一步的，所述拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6的关节点均设置有限位片，限位片用于限制指节的最大弯曲角度。

进一步的，所述关节点的松紧度由杯头螺丝和防松螺母配合决定，同一手指的关节点由手掌向指尖逐渐变紧。

进一步的，所述食指3、中指4、无名指5、小指6的伺服电机四31交叉错落安装在手掌1上。

【实施例1】

一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，包括拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6、以及手掌1。

所述食指3由三个指节组成，整体从侧面观察呈网状结构，整个食指通过一根连轴杆33由一个伺服电机四31控制。伺服电机四31推动连轴杆33后食指3最靠近手掌1的指节一34将首先弯曲，在触碰到障碍物后该指节将自动锁定，相邻指节会在连轴杆33的带动下继续包裹障碍物，当再次触碰到障碍物时该指节也会自动锁定，最后一个指节指节三36在连轴杆33的带动下也会同理完成相同步骤，从而完成对障碍物的全方位包裹，且能够自适应任意规格的障碍物。

上述中指4、无名指5、小指6基本结构和驱动原理与食指一致。但在具体零件的尺寸上有所差异。

所述拇指2由三个伺服电机组成，一共包含两个自由度，三个伺服电机首尾相连，使其能够在两个维度内自由摆动，用于辅助其他四根手指进行抓取，具体的拇指指节一21、拇指指节二22、拇指指节三23首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中伺服电机一26、伺服电机二27分别安装在拇指指节一21、拇指指节二22、拇指指节三23形成的两个关节点处，伺服电机一26、伺服电机二27的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸，所述连接件24固定在手掌1上并与拇指指节一21铰接，该连接件24与伺服电机三28转轴连接，连接件24转动的方向与拇指屈伸的方向垂直。。

所述手掌1用于承载伺服电机。食指3、中指4、无名指5、小指6后端都各有一根手指薄片37延伸至手掌1末端并使用螺丝固定。中指4、无名指5被另一套螺丝锁定在手掌1上，而食指3、小指6可围绕该固定点进行转动。这样的设计使得食指3和小指6除了能够完成弯曲、伸直抓取物体外还能横向开合，完成一些基本手势。该横向开合自由度由集成在小指6后端手指薄片37上的伺服电机五41驱动，并由一根连接在食指3和小指6之间的连轴杆二44进行小指3与食指4的联动开合。

如图2所示：

从左至右依次是拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6。其中拇指2由三个伺服电机首尾相连而成，前段两个伺服电机为拇指第一个自由度，用于驱动拇指的屈伸，从而辅助其余手指抓取物体。与手掌1相连的伺服电机三28为拇指第二个自由度，用于调整第一个自由度的空间位置，从而辅助抓取物体以及做出相应手势。分别用于驱动食指3、中指4、无名指5、小指6的伺服电机四31被固定在手掌1背面，相邻两个伺服电机四31之间错开放置，从而最大限度节省空间。对于除大拇指2外的每根手指而言，伺服电机的转动将会带动连轴杆向前推动，从而带动相应的手指弯曲。用于驱动食指3与小指6横向开合摆动的伺服电机五41固定在小指6后端的手指薄片37上，该伺服电机五41通过推动一根隐藏在手掌1前段的连轴杆二44从而实现驱动食指3与小指6横向开合摆动。

如图1所示：

以食指3为例说明其动作原理：伺服电机四31的转动可以带动伺服电机摇臂一32转动，从而推动连轴杆33，使整根食指3弯曲。指节一34、指节二35、指节三36的三处关节分别设计有限位片，当某一指节伸直或者弯曲至最大限度时，限位片都能固定住相邻指节，从而使手指伸直或者握紧。如图所示，指节一34、指节二35已弯曲至最大限度，此时限位片已锁死，因此若此时推动连轴杆33，指节三36将会绕关节进行转动，最终握紧或者抓紧物体。关节处分别用杯头螺丝与防松螺母进行松配合固定，其中指节三36的关节的螺丝最松，指节二35的螺丝其次，指节一34的螺丝最紧，其余连接处均使用杯头螺丝与防松螺母进行允许转动的松配合固定。这样设计是为了而保证手指每次弯曲都能有效抓取物体。食指3的后端设计有连接食指3与手掌1的手指薄片37，手指薄片37与手掌1进行松配合固定，滑动小孔中有一对不旋紧的杯头螺丝与防松螺母用于在允许手指薄片37与手掌1滑动的情况下防止手指薄片37脱离手掌1。手指薄片37中部设计有限位结构39，用于限制食指3与小指6开合时角度的控制。本发明中中指4、无名指5、小指6进行弯曲或伸直的驱动原理与食指一致，仅伺服电机安装位置与连轴杆尺寸有差异，这样设计是为了压缩伺服电机占用的空间，提高空间利用率。

如图3所示：

食指与小指横向开合原理：其中伺服电机四31用于驱动小指3的弯曲与伸直，伺服电机五41用于驱动食指3与小指6的开合。7处使用螺丝与防松螺母进行允许转动的松配合固定，8处为中指薄片上用于限制连轴杆二44的结构，设计该结构的目的为将连轴杆二44的移动限制在“推”和“拉”两个动作，避免由于连轴杆二44的错位而使得食指3与小指6不能展开的情况发生。图3为食指3与小指6合拢的状态，需要展开时，伺服电机五41转动，带动伺服电机摇臂二42进而推动连轴杆一43，连轴杆一43进而推动接连轴杆二44，接连轴杆二44再推动食指3，从而实现小指6与食指3的展开。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种网状联动结构，应用于机械手指，所述手指是指拇指、食指、中指、无名指、小指中的一种，其特征在于：该网状联动结构包括伺服电机、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述伺服电机驱动指节一、指节二、指节三绕关节点转动。

2.一种基于网状联动结构的仿生机械拇指，其特征在于：包括三台伺服电机、连接件、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中两台伺服电机分别安装在指节一、指节二、指节三形成的两个关节点处，该两台伺服电机的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸；所述连接件与指节一铰接，所述连接件与另一台伺服电机转轴连接，该连接件转动的方向与拇指屈伸的方向垂直。

3.一种基于网状联动结构的仿生机械手指，该手指是指拇指以外的手指，其特征在于：所述手指包括伺服电机摇臂、连轴杆、指节一、指节二、指节三，所述指节一、指节二、指节三首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一、指节二、指节三分别安装有传动连杆，所述传动连杆彼此相连形成传动结构，所述指节一的传动连杆与连轴杆连接，所述连轴杆与伺服电机摇臂连接，所述伺服电机摇臂与伺服电机转轴连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于网状联动结构的仿生机械手指，其特征在于：所述指节一、指节二与传动连杆分别形成四连杆结构，所述指节三与传动连杆形成三连杆结构。

5.一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，包括手掌（1）、拇指（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）、小指（6），其特征在于：所述拇指包括三台伺服电机、连接件（24）、拇指指节一（21）、拇指指节二（22）、拇指指节三（23），所述拇指指节一（21）、拇指指节二（22）、拇指指节三（23）首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，其中伺服电机一（26）、伺服电机二（27）分别安装在拇指指节一（21）、拇指指节二（22）、拇指指节三（23）形成的两个关节点处，伺服电机一（26）、伺服电机二（27）的转轴分别与关节点的铰接转轴连接用于控制拇指的屈伸，所述连接件（24）固定在手掌（1）上并与拇指指节一（21）铰接，该连接件（24）与伺服电机三（28）转轴连接，连接件（24）转动的方向与拇指屈伸的方向垂直；

所述食指（3）、中指（4）、无名指（5）、小指（6）的结构完全相同，包括伺服电机四（31）、伺服电机摇臂一（32）、连轴杆（33）、指节一（34）、指节二（35）、指节三（36）、手指薄片（37），所述指节一（34）、指节二（35）、指节三（36）首尾依次铰接，其铰接点作为关节点，所述指节一（34）、指节二（35）、指节三（36）分别安装有传动连杆（38），所述传动连杆（38）彼此相连形成传动结构，指节一（34）的传动连杆（38）与连轴杆（33）连接，所述连轴杆（33）与伺服电机摇臂连一（32）接，所述伺服电机摇臂一（32）与伺服电机四（31）转轴连接，所述伺服电机四（31）安装在手掌（1）上，所述指节一（34）与手指薄片（37）铰接，手指薄片（37）活动安装在手掌（1）上；

还包括伺服电机五（41）、伺服电机摇臂二（42）、连轴杆一（43）、连轴杆二（44），所述伺服电机五（41）安装在手掌（1）上的食指（3）处并与伺服电机摇臂二（42）连接，伺服电机摇臂二（42）连接连轴杆一（43），连轴杆一（43）连接连轴杆二（44），连轴杆二（44）与小指（6）的手指薄片（37）固定连接，通过伺服电机五（41）控制食指（3）与小指（6）之间的开合。

6.根据权利要求5所述的一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，其特征在于：所述手掌设置有控制器以及信号接收装置，还包括套在操作者手上的数据手套、所述数据手套内集成有弯曲传感器、处理器、通信模块，所述弯曲传感器实时读取操作者每一根手指的弯曲角度并将数据传递给处理器，处理器生成控制指令通过通信模块将指令发送给信号接收装置，控制器从而控制手掌做出与操作者一模一样的动作。

7.根据权利要求6所述的一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，其特征在于：所述的拇指（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）、小指（6）的所有指节上均安装有压力传感器，所述压力传感器与控制器连接。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，其特征在于：所述的拇指（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）、小指（6）的关节点均设置有限位片，限位片用于限制指节的最大弯曲角度。

9.根据权利要求8所述的一种基于网状联动结构的仿生机械手掌，其特征在于：所述关节点的松紧度由杯头螺丝和防松螺母配合决定，同一手指的关节点由手掌向指尖逐渐变紧。

10.根据权利要求9所述的一种基于网状联动结构的手掌，其特征在于：所述食指（3）、中指（4）、无名指（5）、小指（6）的伺服电机四（31）交叉错落安装在手掌（1）上。