CN109352670A - 一种仿生软体灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生软体灵巧手，包括手掌和五指，食指、中指、无名指和小指上在手掌侧均设有多个掌侧椭圆形槽口，食指、无名指和小指在朝向中指一侧的指跟处均设有一个侧向椭圆形槽口，拇指在虎口侧设有掌侧椭圆槽口，在指跟处设有一个侧向椭圆形槽口，掌侧椭圆形槽口及侧向椭圆形槽口处均为柔性铰链，并设有过线孔，过线孔内穿入牵引线，牵引线的一端固定于指尖，另一端汇聚于掌心并绕过设于掌心的过线块后从手腕处引出，通过牵引线的拉伸引起柔性铰链形变，实现五指侧向或向掌心的弯曲运动。与现有技术相比，本发明通过手指间的配合，实现抓、握、捏和夹等手部物体操作动作及释放，刚柔软结合，控制简便。

Description

一种仿生软体灵巧手

技术领域

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种仿生软体灵巧手。

背景技术

目前，机器人技术已经在工业、军事、公安、医疗、家政等多个领域和行业得到了广泛的应用。随着机器人技术对人类生活越来越广泛的深入，人们对人机交互安全性的要求也越来越高。这便要求机器人末端操作手具有类生物体的柔顺、灵巧特性。作为机械手的仿生原型，人手具有20多个自由度，由34个生物马达通过耦合方式驱动。这使得直接用传统刚性材料模仿人手的结构设计和控制操作都非常复杂，难以实现，而主体为柔性材料的软体机构拥有比刚性材料更多的运动自由度，这为它带来了传统刚体机构所没有的灵活性、适应性和人机交互安全性，与此同时，越来越受欢迎的3D打印技术为软体灵巧手提供了一个低成本、高效率的制造途径，极大地提高了其设计制造的灵活度。软体灵巧手作为软体机器人的一个重要分支，其天然优势使得它在工业、服务、医疗等多个领域都具有广泛的应用价值。

中国专利CN108214520A公开了一种欠驱动轻质仿人五指灵巧手，包括手掌；五指，包括通过固定座依次安装在手掌上的拇指、食指、中指、无名指及小指；五个手指屈伸驱动机构，分别安装在五个固定座上，分别用于对个手指的屈伸提供动力；五个绳传动机构，分别安装在五个手指内、且与相对应的手指屈伸驱动机构相连接，手指屈伸驱动机构通过绳传动机构驱动手指屈伸，形成欠驱动；拇指旋转驱动机构，安装在手掌内，用于驱动拇指的旋转运动，但该类专利灵巧手采用传统刚性材料，在人机交互安全性方面不及软体材料的灵巧手，且结构复杂，零部件繁多，在结构设计、制备和控制方面的复杂度高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种仿生软体灵巧手。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种仿生软体灵巧手，包括手掌和五指，所述五指为拇指、食指、中指、无名指及小指，均为软体圆柱状，所述食指、中指、无名指和小指上在手掌侧均设有多个掌侧椭圆形槽口，所述食指、无名指和小指在朝向中指一侧的指跟处均设有一个侧向椭圆形槽口，所述拇指在虎口侧设有掌侧椭圆槽口，在指跟处设有一个侧向椭圆形槽口，所述掌侧椭圆形槽口及侧向椭圆形槽口处均为柔性铰链，并设有过线孔，过线孔内穿入牵引线，所述牵引线的一端固定于指尖，另一端汇聚于掌心并绕过设于掌心的过线块后从手腕处引出，通过牵引线的拉伸引起柔性铰链形变，实现五指侧向或向掌心的弯曲运动，牵引线松弛后，柔性铰链及手指恢复原状。

进一步地，所述牵引线连接在驱动电机上，并由驱动电机牵引其运动。

进一步地，所述过线块固定在掌心的过线块凹槽内，所述过线块上设有多个改变牵引线方向的过线柱。

进一步地，所述过线柱为圆柱棒，端部直径较细并嵌入过线块盖板。

进一步地，所述过线孔内安装有微细弹簧。

进一步地，所述微细弹簧采用线径为0.1-0.3mm的钢丝材料制得。

进一步地，所述手掌和五指采用弹性模量为0.6-0.8MPa的硅胶材料制得。

进一步地，该仿生软体灵巧手采用3D打印方式制得。

进一步地，所述牵引线采用弹性模量为1.4-1.6GPa的尼龙材料制得，所述过线孔的直径为1-3mm。

进一步地，所述拇指与手掌平面呈30-40°夹角，其余四指与手掌在同一平面，所述食指、中指、无名指和小指，相邻手指之间的夹角为10-20°。

本发明克服现有设计和控制的困难，提供一种仿生软体灵巧手，在牵引线的拉伸下，柔性手指上的椭圆形柔性铰链弯曲形变，五指能弯曲而抓、握物体，拇指能分别与其余四指指尖相对而捏取物体，除拇指外的其余四指能侧向并拢而夹取物体；牵引线放松时，手指在椭圆形柔性铰链作用下自动恢复原状，这样便能在牵引线的调控下，实现抓、握、捏和夹等手部物体操作动作及释放，满足仿生软体灵巧手的运动需求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、结构简单，实现方便。相较于现有的仿生手，本发明主体结构采用3D打印方式实现，设计、制备和安装容易，通过沿手腕引出的平行牵引线调控手指运动，控制简便。

2、与现有仿生手采用单独的运动恢复牵引线或者弹簧不同，本发明在手指结构自身上设计有椭圆柔性铰链，利用其可绕回转中心产生可逆弹性弯曲的特点，实现手指关节的弯曲和形变的自动恢复，节约运动恢复牵引线的控制自由度和复位弹簧的安装复杂度，且关节弯曲形变程度和变形恢复特性可通过柔性铰链几何尺寸的调整而实现，设计方便。

3、本发明的仿生手采用刚柔软结合的方式实现，与现有仿生手相比，更符合人类手掌的生物学特性，人机交互安全，在医疗及家居服务等领域具有更广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明手部的结构图；

图2为本发明过线块的结构图；

图3为本发明盖板的结构图；

图中：1-手指，2-手掌侧椭圆柔性铰链，3-侧向柔性铰链，4-过线孔，5-过线块凹槽，6-微细弹簧，7-掌侧牵引线，8-侧向牵引线，9-缠绕处，10-过线柱，11-过线柱安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种仿生软体灵巧手，包括手掌和五指，五指为拇指、食指、中指、无名指及小指，均为软体圆柱状，食指、中指、无名指和小指上在手掌侧均设有3个掌侧椭圆形槽口，食指、无名指和小指在朝向中指一侧的指跟处均设有一个侧向椭圆形槽口，拇指在虎口侧设有2个掌侧椭圆槽口，在指跟处设有一个侧向椭圆形槽口，掌侧椭圆形槽口及侧向椭圆形槽口处均为柔性铰链，并设有过线孔4，过线孔4内穿入牵引线，牵引线的一端固定于指尖，另一端汇聚于掌心并绕过设于掌心的过线块后从手腕处引出，通过牵引线的拉伸引起柔性铰链形变，实现五指侧向或向掌心的弯曲运动，牵引线松弛后，柔性铰链及手指恢复原状。

如图1所示，牵引线是本发明的主要动力传递机构：图1中的微细弹簧6穿入过线孔4，过线孔4贯穿手掌侧椭圆柔性铰链2和侧向柔性铰链3，掌侧牵引线7经过弹簧6穿入手掌侧椭圆柔性铰链2，侧向牵引线8经过弹簧6穿入侧向柔性铰链3。

如图1所示，牵引线一端固定于柔性铰链顶端，另一端经过线柱10，通过缠绕，在缠绕处9调整方向后沿手腕引出；牵引线引出后连接在电机上，电机拉伸牵引线引起柔性铰链形变而导致手指1朝掌侧或侧向弯曲；电机运动停止后，牵引线保持拉伸，柔性铰链保持形变，手指1保持弯曲；电机运动恢复原位后，牵引线松弛，柔性铰链利用自身弹性恢复原状，手指1恢复伸直。

如图1所示，五指自然微张，掌侧牵引线7拉伸五指向手掌弯曲，可实现五指同时的整手抓、握动作；单独控制每根手指的掌侧牵引线7和拇指的侧向牵引线8，可控制拇指与其他任意四指的指尖接触，而实现捏取的动作。

如图1所示，食指、无名指和小指在朝向中指的手指侧设计有侧向柔性铰链3；通过同时拉伸食指、无名指和小指的侧向牵引线8可实现食指、中指、无名指和小指的并拢，配合五指的掌侧牵引线以及拇指的侧向牵引线，可实现手掌不同侧向张合程度的抓、握动作；通过单独控制食指、无名指和小指的侧向牵引线8可实现该三指与相邻手指指尖的夹取动作。

如图1所示，过线孔4中穿入微细弹簧6，保护柔性手部材料不在运动中被牵引线切割损坏。如图1和2所示，过线块安装于手掌的过线块凹槽5处，牵引线通过缠绕过线柱10调整方向，统一经手腕引出，便于驱动电机的安装和牵引线的运动控制。如图2和3所示，过线柱10的直径在顶端减小，以便嵌入过线柱安装孔11，安装过线块盖板。

本发明的3D打印仿生软体灵巧手可以在牵引线简单拉伸和松弛的调控下，实现抓、握、捏和夹等手部物体操作动作和释放；柔性铰链在外力撤销后可自行恢复原状，释放操作物体，降低了动作释放的控制复杂度；硅胶材料柔软有弹性，人机及环境交互安全性高；3D打印方式，易于设计实现，且方便个性化设计。

本实施例中手部采用弹性模量为0.7MPa的硅胶材料。拇指与手掌平面呈35°夹角，其余四指与手掌在同一平面，食指、无名指和小指与中指的夹角分别为15°、20°和40°。手掌尺寸为80*70*17mm；手指为椭圆柱尺寸为18*14mm，拇指长60mm，其余四指长95mm。各指上掌心侧柔性铰链尺寸为14*8mm，均匀分布于手指长度方向上；侧向柔性铰链尺寸为12*6mm，位于指根且方向垂直于掌心柔性铰链；椭圆柔性铰链的轴线与手指边线重合。

本实施例中的过线块和盖板采用弹性模量为2GPa的PLA材料，尺寸为30*25mm。过线块上设计有7个垂直于过线块平面的小圆柱，其直径为2mm，高为9mm；盖板在圆柱相应位置设计有尺寸相应的凹槽，与过线块嵌入固定。

本实施例中的过孔直径为2mm，贯通柔性铰链且圆心距手指边线3mm。

本实施例中的牵引线采用弹性模量为1.5GPa的尼龙材料。

本实施例中的微细弹簧采用线径为0.2mm的钢丝材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生软体灵巧手，包括手掌和五指，所述五指为拇指、食指、中指、无名指及小指，均为软体圆柱状，

其特征在于，所述食指、中指、无名指和小指上在手掌侧均设有多个掌侧椭圆形槽口，所述食指、无名指和小指在朝向中指一侧的指跟处均设有一个侧向椭圆形槽口，所述拇指在虎口侧设有掌侧椭圆槽口，在指跟处设有一个侧向椭圆形槽口，所述掌侧椭圆形槽口及侧向椭圆形槽口处均为柔性铰链，并设有过线孔，过线孔内穿入牵引线，所述牵引线的一端固定于指尖，另一端汇聚于掌心并绕过设于掌心的过线块后从手腕处引出，通过牵引线的拉伸引起柔性铰链形变，实现五指侧向或向掌心的弯曲运动，牵引线松弛后，柔性铰链及手指恢复原状。

2.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述牵引线连接在驱动电机上，并由驱动电机牵引其运动。

3.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述过线块固定在掌心的过线块凹槽内，所述过线块上设有多个改变牵引线方向的过线柱。

4.根据权利要求3所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述过线柱为圆柱棒，端部直径较细并嵌入过线块盖板。

5.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述过线孔内安装有微细弹簧。

6.根据权利要求5所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述微细弹簧采用线径为0.1-0.3mm的钢丝材料制得。

7.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述手掌和五指采用弹性模量为0.6-0.8MPa的硅胶材料制得。

8.根据权利要求7所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，该仿生软体灵巧手采用3D打印方式制得。

9.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述牵引线采用弹性模量为1.4-1.6GPa的尼龙材料制得，所述过线孔的直径为1-3mm。

10.根据权利要求1所述的一种仿生软体灵巧手，其特征在于，所述拇指与手掌平面呈30-40°夹角，其余四指与手掌在同一平面，所述食指、中指、无名指和小指，相邻手指之间的夹角为10-20°。