CN107972022B - 仿人机械手骨架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿人机械手骨架，涉及机械装置技术领域，本发明相比现有技术中的连杆机械手，更加贴近自然手，动作自然。本发明包括：指节组件、掌差动铰链、舵机，所述指节组件上开设线槽，牵动线一端固定于所述指节组件的末端，穿过线槽贯穿所述指节组件连接舵机，舵机通过收紧或者释放牵引线来实现手部动作控制。

Description

仿人机械手骨架

技术领域

本发明涉及机械装置技术领域，尤其涉及仿人机械手骨架。

背景技术

目前大多数仿生机械手采用集成于假手之中的微型电机来驱动，通过连杆，齿轮，牵引线等机械结构来实现各手指的运动,例如利用连杆驱动的Southampton Remedi-Hand、利用3D打印的Flexy-hand假手，以及三只碳纤维TRhand。

大多数机械手使用高度集成的电机来驱动，其大多以刚性结构或柔性绳索远距离传动为主。然而它们在引入机械结构简化人手的同时，丢失了许多显著的生物力学特征，从而造成了其抓握动作不协调、手指运动轨迹与人手差距较大、外形上与自然手相差较大、自由度单一，自适应差的问题。

发明内容

本发明提供了仿人机械手骨架，更加贴近自然手，动作自然。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

仿人机械手骨架，包括：指节组件、掌差动铰链、舵机，指节组件上开设线槽，牵引线一端固定于指节组件的末端，穿过线槽贯穿指节组件连接舵机，指节组件包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指。拇指、食指、中指安装的第一安装座上，无名指和小拇指安装在第二安装座上，第一安装座和第二安装座通过掌差动铰链铰接。数据手套采集用户手势，将所述数据手套的动作信息传输至舵机，舵机根据所述动作信息收紧或者释放牵引线，从而控制所述指节组件动作。舵机拉动牵引线，不仅拉动指节组件的指骨做握紧动作,指节组件的掌骨也会产生向中心靠拢的动作，从而实现仿人机械手的握紧动作，舵机释放牵引线，指节组件恢复伸展的初始状态。

进一步的，指节组件包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指，拇指包括两个指骨和一个掌骨，食指、中指、无名指、小拇指均包括三个指骨和一个掌骨，各个关节处使用铰链连接，完全模仿了人手的骨骼结构。

进一步的，拇指的指骨和掌骨连接关节处，设置固定点，牵引线一端固定于固定点，贯穿线槽连接舵机，拇指的初始状态在水平方向上张开，拉伸连接固定点的牵引线，拇指在水平方向上向靠近食指的方向位移，实现拇指的平动。

进一步的，指节组件中的每个手指均由一条牵引线贯穿，每条牵引线连接一个舵机，分别控制每个手指的屈伸。

进一步的，指节组件上安装了类腱元装置。

进一步的，类腱元装置安装在指节组件的手指内侧面。

进一步的，类腱元装置在与指节组件的关节处对应的地方设置圆形通孔，关节卡在圆形通孔中,因此能够防止类腱元装置在拉伸时挤压出褶皱，并使类腱元装置产生的弹性力矩高效的作用在指节组件上。

进一步的，动作信息包括：关节点参数、运动姿态参数、运动速度。

进一步的，指节组件的指尖处安装压力传感器，检测仿人机械手骨架的握力大小，从而通过舵机对握力大小进行调节。

本发明的有益效果是：本发明采用铰链和牵引线结合的方式连接和牵引机械手的各个骨节，使得机械手的动作更加自然；机械手的手指内侧附加了类腱元装置，具有弹性，模仿了手的肌腱元，使得手部动作更加的流畅，并且在抓握动作中具有更好的自适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为舵机的结构示意图；

图3为类腱元装置的结构示意图；

图4为类腱元装置的工作示意图；

图5为类腱元装置安装在指节组件上的结构示意图。

其中，1-线槽、2-集成线槽、3-掌差动铰接、4-第二安装座、5-手掌支架、6-舵机支架、7-舵机、8-类腱元装置、9-第一安装座、71-通孔、72-线槽、73-空槽。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供了仿人机械手骨架，如图1所示。

舵机支架6上固定六个舵机7，舵机支架6的顶端按照手掌支架5，手掌支架5上设置集成线槽2，牵引线通过集成线槽2通向舵机7。手掌支架5上设置第一安装座9和第二安装座4，第一安装座9和第二安装座4通过掌差动铰链5连接，通过掌差动铰链5,在牵引线收紧时手指可以握紧,掌骨也会产生向中心靠拢的动作，从而实现仿人机械手的握紧动作。指节组件包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指，其中，拇指、食指、中指安装在第一安装座9上，无名指和小拇指安装在第二安装座4上。指节组件上设置线槽1，牵引线一端固定在指节组件的顶端，牵引线通过线槽1贯穿，连接舵机7，拉伸牵引线，即可弯曲手指。指节组件的指尖处安装压力传感器，检测仿人机械手骨架的握力大小，握力大于设定值时，放松舵机7对指节组件的牵引；握力小于设定值时，控制舵机7收紧对指节组件的牵引，从而通过舵机7对握力大小进行调节。

舵机7的舵盘上设置空槽73，空槽73与舵机摇臂配合装配，舵盘的圆周方向外缘上设置线槽72，牵引线一端通过通孔71系紧，如图2所示。牵引线缠在线槽72上，舵机7转动的长度和牵引线的拉伸长度相同，因此，牵引线的拉伸长度和舵机7的转动角度呈线性关系。

拇指上连接两根牵引线，一根牵引线固定于拇指顶端，舵机7拉伸牵引线，可以弯曲拇指；一跟牵引线固定于拇指掌骨和指骨的关节处，舵机7拉伸牵引线，拇指在水平方向移动。

指节组件的手背侧，还安装了类腱元装置8，结构如图3所示，通过钉子安装在指节组件的手背侧，如图5所示，当手指弯曲时，如图4所示，类腱元装置8采用弹性的乳胶材质，类腱元装置8在与指节组件的关节处对应的地方设置圆形通孔作为拉力导向孔，关节与拉力导向孔正对。

类腱元装置8能够不断调整拉动指节所造成的力矩，从而使手部动作变得流畅，并且使得本设计具有良好的自适应性，可以模拟出自然手的运动轨迹。

在牵引线拉伸过程中，指节组件的各指关节受到牵引线的拉力矩以及类腱元装置8的阻力矩。当拉力矩小于阻力矩时，该指节不发生转动。类腱元装置8的拉力导向孔的大小来改变类腱元装置8在发生形变时产生的阻力大小，从而控制在相同拉力下指节的转动幅度。类腱元装置8的拉力导向孔可以有效地防止材料在拉伸过程中发生褶皱，并材料形变使产生的的弹性力矩能够高效的作用在骨架上。

本发明仿人机械手骨架的欠驱动效果主要是依靠各关节处的牵引线牵引以及类腱元装置8的回弹共同来实现。因此，类腱元装置8的形变量与弹力直接影响灵巧手的运动特性以及抓握物体时的稳定性。本发明对于仿人机械手骨架的静态构型分析，主要研究指节组件在保持静力平衡的前提下，牵引线提供的拉力与指节组件各关节转角之间的数学关系。从而为类腱元装置8的长度以及材质的选取提供理论依据。

根据仿人机械手骨架的欠驱动原理，指节组件的静态构型受到牵引线的拉力以及类腱元装置8的弹力，因此可得各关节处的驱动力矩为:

τ₁＝Fr₁

τ₂＝Fr₂

其中，F表示牵引线的拉力，r₁,r₂表示关节处铰链的转动半径。

在指节组件弯曲阶段，关节1处的指节绕着关节1旋转的过程中，当关节2的驱动转矩大于类腱元装置8的起始转矩，即τ₂＝Fr₂＞k₂θ₀₂，则关节2将和关节3作耦合运动，此时牵引线张力在各关节上的分布为：

M₁＝Fr₁-k₁(θ₁+θ₀₁)+k₂(θ₂+θ₀₂)+k₃(θ₃+θ₀₃)

M₂＝Fr₂-k₂(θ₂+θ₀₂)+k₃(θ₃+θ₀₃)

因为指节组件处于静态构型各关节处的力矩平衡，即M_i＝0，由此可得牵引线张力与关节转角之间关系为：

当关节3处的驱动转矩大于类腱元装置8的起始转矩，即τ₃＝Fr₃＞k₃θ₀₃，则关节3将和关节1,2一起耦合运动，同理可得：

M₃＝Fr₃-k₃(θ₃+θ₀₃)

由此可知，在手指弯曲过程中，牵引线所受的拉力F与手指θ各关节转角之间的关系满足一定线性关系，从而为类腱元装置8的初始长度以及材质的选取提供理论依据。

使用时，用户将手置于数据手套中，数据手套采集手的动作信息。数据手套将动作信息发送至主控制模块，主控制模块按照映射算法建立人手的运动姿态和机械手的姿态之间的对应关系，最终得到控制指令，发送至舵机7。

本发明的有益效果是：

本发明采用铰链和牵引线结合的方式连接和牵引机械手的各个骨节，使得机械手的动作更加自然；

机械手的手指内侧附加了类腱元装置，具有弹性，模仿了手的肌腱元，使得手部动作更加的流畅，并且在抓握动作中具有更好的自适应性；

指节组件依据激光扫描后的骨骼参数制造，与人手骨的形状高度匹配；

本发明通过映射算法解决了传感器只能获取部分姿态信息，无法适用于高自由度的机械手的不足，极大程度上减少了生产成本；

本发明在神经义肢和肢体再生等新兴领域上也有许多潜在优势，因为对义肢的控制主要依赖于人脑，所以本设计与人手生物学特征的高度匹配使得人脑更容易直接控制；

本发明与人手运动学高度匹配，因此，用户可以在没有任何力反馈的情况下通过体感控制对手进行复杂的操作，有效简化设计并降低成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.仿人机械手骨架，其特征在于，包括：指节组件、掌差动铰链(3)、舵机(7)、数据手套，所述指节组件上开设线槽(1)，牵引线一端固定于所述指节组件的末端，另一端穿过线槽(1)贯穿所述指节组件连接舵机(7)，所述指节组件包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指,拇指包括两个指骨和一个掌骨，食指、中指、无名指、小拇指均包括三个指骨和一个掌骨，拇指的各个关节、食指的各个关节、中指的各个关节、无名指的各个关节、小拇指的各个关节处均使用铰链连接；所述拇指、所述食指、所述中指均安装在第一安装座(9)上，所述无名指和所述小拇指均安装在第二安装座(4)上，第一安装座(9)和第二安装座(4)通过掌差动铰链(3)连接；所述拇指的背侧、食指的背侧、中指的背侧、无名指的背侧和小拇指的背侧都安装了类腱元装置(8)；所述类腱元装置(8)在与所述拇指的各个关节处对应的地方设置圆形通孔，所述类腱元装置(8)在与所述食指的各个关节处对应的地方设置圆形通孔,所述类腱元装置(8)在与所述中指的各个关节处对应的地方设置圆形通孔,所述类腱元装置(8)在与所述无名指的各个关节处对应的地方设置圆形通孔,所述类腱元装置(8)在与所述小拇指的各个关节处对应的地方设置圆形通孔，所述圆形通孔作为拉力导向孔，各个关节与拉力导向孔正对；所述类腱元装置(8)采用有弹性的乳胶材料制成；用户将手置于数据手套中，数据手套采集手的动作信息，数据手套将动作信息发送至主控制模块，主控制模块按照映射算法建立手的运动姿态和机械手骨架的姿态之间的对应关系，最终得到控制指令，发送至舵机，舵机(7)根据所述控制指令收紧或者释放牵引线，从而控制所述指节组件动作；

根据仿人机械手骨架的欠驱动原理，指节组件的静态构型受到牵引线的拉力以及类腱元装置(8)的弹力，因此可得各关节处的驱动力矩为:

τ₁＝Fr₁

τ₂＝Fr₂

其中，F表示牵引线的拉力，r₁，r₂表示关节处铰链的转动半径；

在指节组件弯曲阶段，第一关节处的指骨绕着第一关节旋转的过程中，当第二关节的驱动转矩大于类腱元装置(8)的起始转矩，即τ₂＝Fr₂＞k₂θ₀₂，则第二关节将和第三关节作耦合运动，此时牵引线张力在各关节上的分布为：

M₁＝Fr₁-k₁(θ₁+θ₀₁)+k₂(θ₂+θ₀₂)+k₃(θ₃+θ₀₃)

M₂＝Fr₂-k₂(θ₂+θ₀₂)+k₃(θ₃+θ₀₃)

因为指节组件处于静态构型各关节处的力矩平衡，即M_i＝0，由此可得牵引线张力与关节转角之间关系为：

当第三关节处的驱动转矩大于类腱元装置(8)的起始转矩，即τ₃＝Fr₃＞k₃θ₀₃，则第三关节将和第一关节及第二关节一起耦合运动，可得：

M₃＝Fr₃-k₃(θ₃+θ₀₃)

在指节组件弯曲过程中，牵引线所受的拉力F与指节组件各关节转角之间的关系满足一定线性关系。

2.根据权利要求1所述的仿人机械手骨架，其特征在于，所述拇指的指骨和掌骨连接关节处，设置固定点，所述牵引线一端固定于所述固定点，另一端贯穿线槽(1)连接舵机(7)。

3.根据权利要求2所述的仿人机械手骨架，其特征在于，所述拇指、食指、中指、无名指、小拇指均由一条所述牵引线贯穿，每条所述牵引线连接一个舵机(7)。

4.根据权利要求1或2所述的仿人机械手骨架，其特征在于，所述动作信息包括：关节点参数、运动姿态参数和运动速度。

5.根据权利要求1或2所述的仿人机械手骨架，其特征在于，所述拇指的指尖、食指的指尖、中指的指尖、无名指的指尖、小拇指的指尖处都安装压力传感器。