CN109227586B - 一种仿生手及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生手及其制备方法，包括手掌机构、大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构，大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构内均设置有多个支撑块和拉线，拉线分别贯穿支撑块后与步进电机连接用于实现手指机构的控制。本发明制造成本低，制作周期短，且完全实现定制化。

Description

一种仿生手及其制备方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿生手及其制备方法。

背景技术

仿生手是目前日益发达的仿真机器人的关键功能性部件，也是广大手臂残缺的残疾人的强烈需求。现有的仿生手主要包括以下两类：

第一类，功能相对灵活，但外观明显机械化，如科幻片中的智能机器人的手。这类手主要依据人类手的外形，通过计算机建模软件，将手进行结构拆分，将人手的不规则生物关节用标准化设计的机械关节进行替代。这种实现方式的优势是可以将人手所有活动关节进行拆分，从而实现更多的自由度，以尽可能多的接近人手的功能和灵活度，同时可以实现标准化批量生产。然而由于各部件之间必须采取硬连接装配，因此，手的外观生硬。

第二类，外观颜色、质感与人手高度接近但没有功能，如艺术馆里展示的硅像，几乎很难通过肉眼区分与真手还是假手，质感也接近人手比较柔软。这种手是通过真人手倒模，再用硅胶灌注制成，如果要在内部包入有机械功能的骨骼必须要确保足够的硅胶壁厚才能在实现手指弯曲时像真人手的变形，而不会出现硅胶的物理扭曲。而人的指头的直径有限，尤其是女性手指偏细，特别是小指。因此外观质感高仿真的手仅仅具有装饰功能，无任何实质功能可言。

而缺少功能灵活且外观质感高度仿真的仿生手，是制约仿生机器人被大众接受的重要因素之一。也是制约手部残缺的残障人士工作生活的主要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种仿生手及其制备方法，同时将硅胶手的制造工艺和机械手关节的设计结构相结合。完全保障了硅胶手的高仿真度，也实现了机械手的活动功能。从而让仿生手更加有亲和力。

本发明采用以下技术方案：

一种仿生手，包括手掌机构、大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构，大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构内均设置有多个支撑块和拉线，拉线分别贯穿支撑块后与步进电机连接用于实现手指机构的控制。

更进一步的，本发明的特点还在于：大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构内的指尖处均设置有指端固定片，拉线的一端与指端固定片连接，另一端依次经过多个支撑块与步进电机连接。

其中，支撑块为消失模蜡块，采用低熔点石蜡经消失模铸造方式制成。

其中，消失模蜡块分别位于大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构的关节处。

其中，大拇指机构内设置有两个消失模蜡块，食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构内均设置有三个消失模蜡块。

其中，拉线外部套装有拉线管。

其中，支撑块之间的拉线管长度为对应指节的骨骼长度。

其中，手掌机构、大拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构和小拇指机构采用硅胶材料注胶制成。

本发明的另一技术方案是，一种仿生手的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备硅胶手模具；

S2、依据手上每个关节的大小用低熔点石蜡为每个关节制作出关节消失蜡模；

S3、依据手指每段指节骨骼长度截取内部拉线管；

S4、将拉线和支撑铁丝依据对应指节骨骼长度的拉线管及关节消失模蜡块的对应位置关系依次穿过，并按照手指的中心线折好，在每根指头上依据对应指头相应位置的直径插上定位铁丝构成手指的内部骨架；

S5、将步骤S4制备的内部骨架分别安放在步骤S1制备的硅胶手模具中并固定；

S6、注入硅胶，固化定型后取出；

S7、控制加热温度为50～70℃，对步骤S6制备的硅胶手进行加热处理，使关节消失蜡模熔化，抽出支撑铁丝以及定位铁丝，倒出熔化的蜡水，制成仿生手。

更进一步的，本发明的特点还在于：所述仿生手内部为机械结构，外部设置硅胶。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种仿生手，完全保留了现有仿生手的逼真外观与质感，同时结合机械手原理使其具备了手的活动功能，省掉了机械手的设计工作，而保留了机械手的活动原理，从而通过制造工艺实现了机械设计的活动功能，关节控制电机后，既可以安装到仿生机器人的主体实现机器人的手部功能，也可以增加肌肉控制电路单元安装在手部残缺的残疾人士上肢代替缺失的手部。

进一步的，设置消失蜡模，在硅胶模定型后加热融化蜡模并将其倒出。

进一步的，将消失蜡模设置在关节处可以使手指关节部位留空间，同时减少关节处的硬度易于弯曲变形，最大限度模拟人手关节变形状态。

进一步的，拉线管可以较小拉线与内部通道的摩擦，使手指弯曲以及伸直动作更加顺畅灵活。

进一步对，拉线管长度为对应指节的骨骼长度设置的目的或好处在于拉线管有一定的硬度及强度，避免每个指节因拉线拉力而弯曲或发生弹性压缩变形。

本发明还公开了一种仿生手的制备方法，利用铁丝支撑，既确保注胶时拉线管在手指及手掌内部的准确位置，又确保拉线管后续在手指活动时不发生随意移位；巧妙地借鉴了二次失蜡制造工艺，将需要活动的关节部位留出压缩空间，确保手在活动时只在应该弯曲的关节部位弯曲，并确保弯曲变形像人手关节弯曲肌肉变形一样自然。

综上所述，本发明制造成本低，制作周期短，且完全实现定制化。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

请参阅图1，本发明提供了一种仿生手，采用定制化注胶模具，包括手掌机构和手指机构，手指机构分别为大拇指机构A、食指机构B、中指机构C、无名指机构D和小拇指机构E，每个手指机构内均设置有指端固定片、低熔点石蜡和拉线，拉线的一端与位于手指机构指尖处的指端固定片连接，另一端延伸至仿生手外部与步进电机连接，多个低熔点石蜡间隔设置在拉线上，位于手指机构的关节处，拉线套装在拉线管内。

大拇指机构A内设置有大拇指拉线A2、大拇指指端固定片A3、大拇指第一拉线管A41、大拇指第二拉线管A42、大拇指第三拉线管A43、大拇指第一关节消失模蜡块A51、大拇指第二关节消失模蜡块A52，大拇指拉线A2的一端与大拇指指端固定片A3连接，另一端依次贯穿大拇指第一关节消失模蜡块A51和大拇指第二关节消失模蜡块A52后伸出至仿生手外部与步进电机连接，大拇指第一拉线管A41设置在大拇指指端固定片A3与大拇指第一关节消失模蜡块A51之间，大拇指第二拉线管A42设置在大拇指第一关节消失模蜡块A51与大拇指第二关节消失模蜡块A52之间，大拇指第三拉线管A43设置在大拇指第二关节消失模蜡块A52与手掌机构之间。

食指机构B内设置有食指拉线B2、食指指端固定片B3、食指第一拉线管B41、食指第二拉线管B42、食指第三拉线管B43、食指第四拉线管B44、食指第一关节消失模蜡块B51、食指第二关节消失模蜡块B52、食指第三关节消失模蜡块B53，食指拉线B2的一端与食指指端固定片B3连接，另一端依次贯穿食指第一关节消失模蜡块B51、食指第二关节消失模蜡块B52和食指第三关节消失模蜡块B53后伸出至仿生手外部与步进电机连接，食指第一拉线管B41设置在食指指端固定片B3与食指第一关节消失模蜡块B51之间，食指第二拉线管B42设置在食指第一关节消失模蜡块B51与食指第二关节消失模蜡块B52之间，食指第三拉线管B43设置在食指第二关节消失模蜡块B52和食指第三关节消失模蜡块B53之间，食指第四拉线管B44设置在食指第三关节消失模蜡块B53与手掌机构之间。

中指机构C内设置有中指拉线C2、中指指端固定片C3、中指第一拉线管C41、中指第二拉线管C42、中指第三拉线管C43、中指第四拉线管C44、中指第一关节消失模蜡块C51、中指第二关节消失模蜡块C52、中指第三关节消失模蜡块C53，中指拉线C2的一端与中指指端固定片C3连接，另一端依次贯穿中指第一关节消失模蜡块C51、中指第二关节消失模蜡块C52、中指第三关节消失模蜡块C53后伸出至仿生手外部与步进电机连接，中指第一拉线管C41设置在中指指端固定片C3与中指第一关节消失模蜡块C51之间，中指第二拉线管C42设置在中指第一关节消失模蜡块C51与中指第二关节消失模蜡块C52之间，中指第三拉线管C43设置在中指第二关节消失模蜡块C52和中指第三关节消失模蜡块C53之间，中指第四拉线管C44设置在中指第三关节消失模蜡块C53与手掌机构之间。

无名指机构D内设置有无名指拉线D2、无名指指端固定片D3、无名指第一拉线管D41、无名指第二拉线管D42、无名指第三拉线管D43、无名指第四拉线管D44、无名指第一关节消失模蜡块D51、无名指第二关节消失模蜡块D52、无名指第三关节消失模蜡块D53，无名指拉线D2的一端与无名指指端固定片D3连接，另一端依次贯穿无名指第一关节消失模蜡块D51、无名指第二关节消失模蜡块D52、无名指第三关节消失模蜡块D53后伸出至仿生手外部与步进电机连接，无名指第一拉线管D41设置在无名指指端固定片D3与无名指第一关节消失模蜡块D51之间，无名指第二拉线管D42设置在无名指第一关节消失模蜡块D51与无名指第二关节消失模蜡块D52之间，无名指第三拉线管D43设置在无名指第二关节消失模蜡块D52和无名指第三关节消失模蜡块D53之间，无名指第四拉线管D44设置在无名指第三关节消失模蜡块D53与手掌机构之间。

小拇指机构E内设置有小拇指拉线E2、小拇指指端固定片E3、小拇指第一拉线管E41、小拇指第二拉线管E42、小拇指第三拉线管E43、小拇指第四拉线管E44、小拇指第一关节消失模蜡块E51、小拇指第二关节消失模蜡块E52、小拇指第三关节消失模蜡块E53，小拇指拉线E2的一端与小拇指指端固定片E3连接，另一端依次贯穿小拇指第一关节消失模蜡块E51、小拇指第二关节消失模蜡块E52、小拇指第三关节消失模蜡块E53后伸出至仿生手外部与步进电机连接，小拇指第一拉线管E41设置在小拇指指端固定片E3与小拇指第一关节消失模蜡块E51之间，小拇指第二拉线管E42设置在小拇指第一关节消失模蜡块E51与小拇指第二关节消失模蜡块E52之间，小拇指第三拉线管E43设置在小拇指第二关节消失模蜡块E52和小拇指第三关节消失模蜡块E53之间，小拇指第四拉线管E44设置在小拇指第三关节消失模蜡块E53与手掌机构之间。

本发明一种仿生手的制备方法，采用机械设计与硅胶注塑结合，包括以下步骤：

S1、先利用现有工艺制备硅胶手模具；

S2、依据手上每个关节的大小用低熔点石蜡为每个关节制作出关节消失蜡模；

S3、依据手指每段指节骨骼长度截取内部拉线管；

S4、内部拉线和支撑铁丝依据对应指节骨骼长度的拉线管及关节消失模蜡块的对应位置关系依次穿过，并将其形状按照相应手指的中心线折好，并在每根指头的合适位置依据对应指头相应位置的直径插上定位铁丝，这就是五根手指的内部骨架；

大拇指机构A内设置有大拇指支撑铁丝A1、食指机构B内设置有食指支撑铁丝B1、中指机构C内设置有中指支撑铁丝C1，无名指机构D内设置有无名指支撑铁丝D1、小拇指机构E内设置有小拇指支撑铁丝E1。

S5、将上面的内部骨架分别准确安放在硅胶手模具中，并固定好相对位置；

S6、注入硅胶，并静置直至固化定型，取出完整的硅胶手；

S7、将上面的硅胶手至于烘箱中设置合适的温度使关节消失蜡模熔化，抽出支撑铁丝以及定位铁丝，倒出熔化的蜡水；

低熔点石蜡的熔点为20～50℃。

S8、分别拉动每根手指的拉线，检验每根手指的活动情况；

S9、给硅胶手表面上色，一个高仿真仿生手整个制作过程完成。

本发明还可以机械制造好机械手骨骼后，外部穿戴硅胶作为仿真皮肤。

本发明可拓展性强，另外针对只需要仿生手的场合，如下棋机器人，玩石头、剪刀、布的游戏的机器人等。

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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。

1)以大拇指A为例，首先将支撑铁丝A1与大拇指拉线A2一头连接在大拇指指端固定片A3上，其中支撑铁丝A1与固定片A3为临时连接(即后续注胶固化后可以抽掉)，大拇指拉线A2与固定片A3为永久连接；然后依次将拉线管及关节消失模蜡块A41、A51、A42、A52、A43穿过支撑铁丝A1与大拇指拉线A2，注意拉线管的端部及与关节消失模蜡块连接处要插入拉中，同时关节消失模蜡块相对位置与方向(位于关节中间且厚侧朝向手心一侧)。其它手指支撑铁丝、拉线、指端固定片、拉线管、关节消失模蜡块连接方式如大拇指A。

2)以上所有的手指内部管线结构连接好后分别将其插入整体手模腔Q，并固定好相对位置。

3)向整体手模腔Q中注入硅胶，待硅胶固化后取出硅胶手模型，抽掉支撑铁丝。

4)将硅胶手模型在烘箱中50℃加热，将关节消失模蜡块融化，再从拉线管倒出。

5)对硅胶手模型进行着色，一个高仿真仿生手整个制作过程完成。

本发明充分发挥了现有硅胶手的完美外观与质感，同时又兼具机械手的活动功能。而且省去了复杂的结构拆分设计。大大降低了制造成本，缩短了制作周期，且完全实现定制化。这将大大提升现有仿真机器人的亲和力，有利于人们与机器人直接交互。同时，感官真实的仿生手也最大限度为手部残缺的残疾人实现了拥有完美双手的愿望，提升他(她)们的自信心，从而进一步提升他们的生活质量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种仿生手的制备方法，其特征在于，仿生手包括手掌机构、大拇指机构(A)、食指机构(B)、中指机构(C)、无名指机构(D)和小拇指机构(E)，大拇指机构(A)、食指机构(B)、中指机构(C)、无名指机构(D)和小拇指机构(E)内均设置有拉线，拉线分别与步进电机连接用于实现手指机构的控制，具体步骤如下：

S1、制备硅胶手模具；

S2、依据手上每个关节的大小用低熔点石蜡为每个关节制作出关节消失蜡模；

S3、依据手指每段指节骨骼长度截取内部拉线管；

S4、将拉线和支撑铁丝依据对应指节骨骼长度的拉线管及关节消失蜡模的对应位置关系依次穿过，并按照手指的中心线折好，在每根指头上依据对应指头相应位置的直径插上定位铁丝构成手指的内部骨架；

S5、将步骤S4制备的内部骨架分别安放在步骤S1制备的硅胶手模具中并固定；

S6、注入硅胶，固化定型后取出；

S7、控制加热温度为50～70℃，对步骤S6制备的硅胶手进行加热处理，使关节消失蜡模熔化，抽出支撑铁丝以及定位铁丝，倒出熔化的蜡水，制成仿生手。

2.根据权利要求1所述仿生手的制备方法，其特征在于，所述仿生手内部为机械结构，外部设置硅胶。

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