CN109968338B - 一种由气动肌肉驱动的18自由度的仿人灵巧手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由气动肌肉驱动的18自由度的仿人灵巧手装置，具有与人类相似的五指结构，即拇指、食指、中指、无名指和小指。其中，拇指的远指节和近指节配置有屈曲伸展自由度，并且具有独立运动能力；食指、中指、无名指和小指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，除了中指的掌骨没有内收外展自由度外，其他四指(拇指、食指、无名指和小指)都具有独立的内收外展自由度，这种设计的主要原因是人类其余四指(拇指、食指、无名指和小指)的内收外展运动都是以中指为轴进行运动。灵巧手的每个自由度是由一根气动肌肉和复位弹簧进行驱动，使用绳索进行传动。本发明的尺寸大小具有较强的类人性，仿人程度更高。

Description

一种由气动肌肉驱动的18自由度的仿人灵巧手
技术领域
本发明设计了一种气动肌肉驱动的18自由度仿人灵巧手，属于机器人领域、仿生学领域。
背景技术
在传统工业技术领域机器人的末端执行器主要为两指或三指等简单夹持器，对于不同的夹持对象需要换用不同的末端执行器，因此对于这种简单的夹持器已经不能满足生产以及发展需要。为了克服末端执行器灵活性低，夹持方式单一等不足，灵巧机械手应运而生。灵巧手能够像人手一样根据所抓取物体的不同形状改变抓取策略，实现抓取的稳定性。
研究人员为了能够复制人手的灵活性，早在20世纪60年代以前就展开了对灵巧手的研究，经过几十年的发展，灵巧手的设计和功能在进一步完善，其中以 Shadow机器人公司设计的五指仿人灵巧手为代表，外形上接近人手，采用气动肌肉作为驱动元件，共有19个自由度；日本Gifu大学研制的GifuⅡ型灵巧手，其拥有5个手指，16个自由度，每个手指有3个自由度，末端的两个指节通过连杆进行耦合运动。
发明内容
本发明的目的是在于研制一种机械结构简单，传动系统简单，抓取刚度大，抓取力大，仿人程度高的灵巧手装置。
本发明所采用的技术方案如下：
一种由气动肌肉驱动的18自由度的灵巧手，该灵巧手由拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌组成，手掌包括掌骨和掌根；该灵巧手共有18个自由度，其中拇指有三个自由度，食指有四个自由度，中指有三个自由度，无名指有四个自由度，小指有四个自由度。
拇指的掌骨有内收外展自由度，由于采用M型外螺纹杆关节轴承使得拇指掌骨具有一定的内旋外旋自由度，远指节和近指节都具有屈曲伸展自由度；食指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，食指掌骨具有内收外展自由度，并且与拇指掌根部拥有同样的机械结构，进而食指掌骨具有一定程度的内旋外旋自由度；中指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，中指掌骨为固定结构设计不具有内收外展自由度和内旋外旋自由度；无名指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，无名指掌骨也具有与拇指、食指相同的机械结构设计同样具有内收外展自由度，也拥有一定程度的内旋外旋自由度；小指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，小指掌骨同样具有内收外展自由度和一度程度的内旋外旋自由度。
本发明为了简化所设计的机械灵巧手的机械结构，食指、中指、无名指、小指、拇指和掌骨均采用模块化的结构设计方式，即小指、无名指和食指的掌骨采用相同的结构以及尺寸设计；中指和无名指的近指节采用相同的结构以及尺寸设计；拇指、中指和无名指的中指节采用相同的结构和尺寸设计；中指和无名指的远指节采用相同的尺寸和结构设计。在设计灵巧手的过程中采用大量的标准件，方便后续的加工和组装，节约成本。
小指、无名指、中指和食指的远指节、中指节和近指节以及拇指的远指节和近指节的机械结构相同，所以在此以食指的远指节为例对其进行说明。食指的远指节由指节轴，GB/T 1096-200普通A型平键、指节转轮、食指远指节中板、食指远指节侧压板和指甲组成。
食指远指节的指节轴通过两个开槽球面大圆柱头螺钉将其固定在食指中指节末端，在食指远指节的指节轴适当位置开有凹槽，在凹槽内部放置GB/T 1096-200普通A型平键并高出凹槽一定距离。
远指节中板的远指节转轴内开有与GB/T 1096-200普通A型平键相吻合的凹槽，并远指节中板套接在远指节指节轴的GB/T 1096-200普通A型平键位置处。指节转轮在其轴内也同样开有与GB/T 1096-200普通A型平键吻合的凹槽，也将指节转轮套接在指节轴的GB/T1096-200普通A型平键位置处与远指节指节中板的轴面平行放置，进而形成屈曲伸展自由度。
远指节转轮和远指节中板的轴长与GB/T 1096-200普通A型平键的总长度相吻合。食指远指节指节轴上没有安装GB/T 1096-200普通A型平键的位置需要套接上扭簧对食指远指节进行限位以及复位操作，从而形成食指远指节的屈曲伸展自由度。
食指远指节的指节侧压板通过四个开槽球面大圆柱头螺钉进行紧固，食指远指节的指甲在灵巧机械手的背面通过一个开槽球面大圆柱头螺钉进行紧固。由于食指中指节与近指节的指节结构与远指节类似，所以在此只进行简要说明。
食指中指节的指节侧压板套接在食指远指节的指节轴上，食指中指节的指节中板固定在指节侧压板上，食指中指节的指节中板、指节轴以及GB/T 1096-200 普通A型平键套接在食指中指节的指节轴上。
食指近指节的指节侧压板固定在近指节中板上，并且近指节的指节侧压板套接在中指节的指节轴上，近指节的指节中板、指节转轮以及GB/T 1096-200普通 A型平键套接在食指掌骨轴上。
中指的掌骨为固定安装，不具有内收外展自由度以及内旋外旋自由度，即通过两个开槽盘头螺钉将中指掌骨固定在掌骨背面的凹槽内。除了中指的掌骨为固定安装外，其他四指(食指、无名指、小指和拇指)的掌骨的机械结构相同，并且具有内收外展自由度以及一定程度的内旋外旋自由度。
掌骨的机械结构除中指外都相同，在此还是以食指的掌骨为例对其进行说明，利用M型外螺纹杆端关节轴承自带的螺纹杆将其与掌根固定，将M型外螺纹杆端关节轴承套接在靠近掌根的U型掌骨内，并运用掌骨轴以及开槽球面大圆柱头螺钉进行固定，在安装M型外螺纹杆端关节轴承的掌骨位置有一定弧度的凸台，目的是使食指掌骨不但具有内收外展的自由度，而且还具有一定程度的内旋外旋自由度。
本发明的五指(食指、中指、无名指、小指和拇指)之间留有一定距离，使得五指能够拥有内收外展自由度和内旋外旋自由度以及拇指屈曲伸展自由度的运动空间，拇指在抓取物体的时候扮演着重要角色，其能够保证在抓取过程中的力封闭特性。拇指与其余四指具有一定角度，拇指与掌骨的水平夹角呈60度，垂直夹角呈40度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.由于电机的输出功率与电机的体积成正比关系，即与电机驱动的灵巧机械手相比，具有结构紧凑，体积小巧，安装方便的特点；
2.采用气动肌肉作为驱动单元，可以实现手指运动的柔顺特性和运动的类人性；
3.机械灵巧手的设计完全是以类人性为前提条件，具有五个手指，18个自由度；
4.可以利用支架上的活节螺栓对气动肌肉进行紧固。
附图说明
图1为气动肌肉驱动的灵巧手正面结构图；
图2为气动肌肉驱动的灵巧手背面结构图；
图3为气动肌肉驱动的灵巧手的食指整体结构图；
图4为气动肌肉驱动的灵巧手的食指分离式结构图；
图5为气动肌肉驱动的灵巧手的食指掌骨分离式结构图；
图6为气动肌肉驱动的灵巧手的中指掌骨分离式结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。
本发明采用的技术方案为一种气动肌肉驱动的18自由度的仿人灵巧手，如图1和图2所示，本装置由支架(1)，气动肌肉固定支架(2)，掌根(3)，大拇指(5)及大拇指掌骨(4-1)，食指(6)及食指掌骨(4-2)，中指(7)及中指掌骨(4-3)，无名指(8)及无名指掌骨(4-4)，小指(9)及小指掌骨(4-5)组成。本发明通过开槽盘头螺钉a(10)、开槽盘头螺钉b(11)将支架(1)与掌根(3)固定，气动肌肉支架(2)通过开槽盘头螺钉c(12)、开槽盘头螺钉d (13)固定在支架(1)上，气动肌肉安装在支架(2)上并用活节螺栓(14)进行紧固。
本发明的机械灵巧手为结构化设计，各个手指的远指节、中指节、近指节在结构上相似，只有尺寸上的不同，所以以食指的结构设计为例对其进行说明。如图3所示，食指(6)由远指节(6-1)、中指节(6-2)、近指节(6-3)以及食指掌骨(4-2)组成。
具体细节通过图4说明，指甲(6-1.1)通过开槽球面大圆柱头螺钉a(6-1.2) 将指甲(6-1.1)固定在远指节(6-1)的指节中板(6-1.3)，远指节的指节侧压板 a(6-1.4)、指节侧压板b(6-1.5)通过开槽球面大圆柱头螺钉b(6-1.6)、开槽球面大圆柱头螺钉c(6-1.7)、开槽球面大圆柱头螺钉d(6-1.8)、开槽球面大圆柱头螺钉e(6-1.9)固定在远指节(6-1)的指节中板(6-1.3)。在远指节中板(6-1.3) 的指关节位置处开有U型凹槽(6-1.10)，指节转轮a(6-1.11)在内圆面位置开有与指节中板(6-1.3)大小相同的U型凹槽(6-1.12)，并且在指节转轮a(6-1.11) 上切有平面(6-1.13)，在平面(6-1.13)内有圆柱形孔(6-1.14)，其为柔索传动在指端关节预留的紧固孔位。在指节轴a(6-1.15)上开有椭圆形凹槽(6-1.16)，将GB/T 1096-200普通A型平键a(6-1.17)放入食指远端指节轴a(6-1.15)上的椭圆形凹槽(6-1.16)内，并且GB/T 1096-200普通A型平键a(6-1.17)高出椭圆形凹槽(6-1.16)一定距离，此距离与指节转轮a(6-1.11)上U型凹槽(6-1.12) 的深度相同，使得指节中板(6-1.3)和指节转轮a(6-1.11)恰好套接在指节轴a (6-1.15)的GB/T 1096-200普通A型平键a(6-1.17)上，使得食指的远端指节拥有屈曲伸展的自由度，通过开槽球面大圆柱头螺钉f(6-1.18)、开槽球面大圆柱头螺钉g(6-1.19)将食指的远端指节轴a(6-1.15)固定在食指中指节(6-2)上。由于食指的中指节(6-2)和近指节(6-3)的机械结构与食指的远指节(6-1) 机械结构类似，只有尺寸上的不同，所以就在此进行简要说明。食指的中指节侧压板a(6-2.1)、侧压板b(6-2.2)分别利用开槽球面大圆柱头螺钉f(6-1.18)、开槽球面大圆柱头螺钉g(6-1.19)进行固定，套接在食指远端指节的指节轴a (6-1.15)上，食指中指节的指节中板(6-2.7)利用开槽球面大圆柱头螺钉h(6-2.3)、开槽球面大圆柱头螺钉i(6-2.4)、开槽球面大圆柱头螺钉j(6-2.5)、开槽球面大圆柱头螺钉k(6-2.6)固定在食指中指节(6-2)的指节侧压板a(6-2.1)、指节侧压板b(6-2.2)上。GB/T 1096-200普通A型平键b(6-2.8)放置在食指中指节(6-2)的指节轴b(6-2.11)的U型凹槽(6-2.9)内，食指中指节(6-2) 的指节中板(6-2.7)、食指中指节(6-2)的指节转轮b(6-2.10)套接在食指中指节(6-2)的指节轴b(6-2.11)上，并通过开槽球面大圆柱头螺钉l(6-2.12)、开槽球面大圆柱头螺钉m(6-2.13)进行紧固。食指近指节(6-3)的指节侧压板 a(6-3.1)、指节侧压板b(6-3.2)套接在食指中指节(6-2)的指节轴b(6-2.11)，并通过开槽球面大圆柱头螺钉l(6-2.12)、开槽球面大圆柱头螺钉m(6-2.13) 进行紧固。食指近指节(6-3)的指节中板(6-3.7)通过开槽球面大圆柱头螺钉 n(6-3.3)、开槽球面大圆柱头螺钉o(6-3.4)、开槽球面大圆柱头螺钉p(6-3.5)、开槽球面大圆柱头螺钉q(6-3.6)固定在食指近指节(6-3)的指节侧压板a(6-3.1)、指节侧压板b(6-3.2)上。食指近指节(6-3)的指节中板(6-3.7)、指节转轮c (6-3.8)、GB/T 1096-200普通A型平键c(6-3.9)套接在食指掌骨(4-2)上，并用开槽球面大圆柱头螺钉r(6-3.11)、开槽球面大圆柱头螺钉s(6-3.12)进行紧固。
本发明的掌骨(除中指外)在机械结构上相似，在此分别以食指掌骨(4-2) 以及中指掌骨(4-3)进行说明。首先以食指掌骨为例，如5，食指掌骨(4-2) 在位置(4-2.1)(4-2.2)处设计有凸台，将M型外螺纹杆端关节轴承(4-2.3) 的凸台套接在食指掌骨(4-2)的凸台处。将食指掌骨(4-2)和M型外螺纹杆端关节轴承(4-2.3)套接在掌骨轴(4-2.4)上，并用开槽球面大圆柱头螺钉t(4-2.5) 进行紧固。M型外螺纹杆端关节轴承(4-2.3)安装在掌根(3)的孔位(3-1)内。其次以中指掌骨为例，如图6所示，中指掌骨(4-3)嵌入掌根(3)背面的凹槽(3-2)内，并用开槽球面大圆柱头螺钉u(4-3.1)、开槽球面大圆柱头螺钉v(4-3.2) 进行紧固。
表1为灵巧手的各个手指的指节长度(mm)
拇指 食指 中指 无名指 小指
远指节 35 25 30 30 25
中指节 —— 35 40 40 30
近指节 40 55 60 60 50
掌骨 60 80 90 90 70

Claims (3)

1.一种由气动肌肉驱动的18自由度的灵巧手，其特征在于：该灵巧手由拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌组成，手掌包括掌骨和掌根；该灵巧手共有18个自由度，其中拇指有三个自由度，食指有四个自由度，中指有三个自由度，无名指有四个自由度，小指有四个自由度；
拇指的掌骨有内收外展自由度，由于采用V型外螺纹杆端关节轴承使得拇指掌骨具有一定的内旋外旋自由度，远指节和近指节都具有屈曲伸展自由度；食指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，食指掌骨具有内收外展自由度，并且与拇指掌根部拥有同样的机械结构，进而食指掌骨具有一定程度的内旋外旋自由度；中指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，中指掌骨为固定结构设计不具有内收外展自由度和内旋外旋自由度；无名指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，无名指掌骨也具有与拇指、食指相同的机械结构设计同样具有内收外展自由度，也拥有一定程度的内旋外旋自由度；小指的远指节、中指节和近指节都具有屈曲伸展自由度，小指掌骨同样具有内收外展自由度和一度程度的内旋外旋自由度；
食指、中指、无名指、小指、拇指和掌骨均采用模块化的结构设计方式，即小指、无名指和食指的掌骨采用相同的结构以及尺寸设计；中指和无名指的近指节采用相同的结构以及尺寸设计；拇指、中指和无名指的中指节采用相同的结构和尺寸设计；中指和无名指的远指节采用相同的尺寸和结构设计；
小指、无名指、中指和食指的远指节、中指节和近指节以及拇指的远指节和近指节的机械结构相同；食指的远指节由指节轴，GB/T 1096-200普通A型平键、指节转轮、食指远指节中板、食指远指节侧压板和指甲组成；
食指远指节的指节轴通过两个开槽球面大圆柱头螺钉将其固定在食指中指节末端，在食指远指节的指节轴适当位置开有凹槽，在凹槽内部放置GB/T1096-200普通A型平键并高出凹槽一定距离；
远指节中板的远指节转轴内开有与GB/T 1096-200普通A型平键相吻合的凹槽，并远指节中板套接在远指节指节轴的GB/T 1096-200普通A型平键位置处；指节转轮在其轴内也同样开有与GB/T 1096-200普通A型平键吻合的凹槽，也将指节转轮套接在指节轴的GB/T1096-200普通A型平键位置处与远指节指节中板的轴面平行放置，进而形成屈曲伸展自由度；
远指节转轮和远指节中板的轴长与GB/T 1096-200普通A型平键的总长度相吻合；食指远指节指节轴上没有安装GB/T 1096-200普通A型平键的位置需要套接上扭簧对食指远指节进行限位以及复位操作，从而形成食指远指节的屈曲伸展自由度；
食指远指节的指节侧压板通过四个开槽球面大圆柱头螺钉进行紧固，食指远指节的指甲在灵巧机械手的背面通过一个开槽球面大圆柱头螺钉进行紧固；食指中指节、近指节的指节结构与远指节相同；
食指中指节的指节侧压板套接在食指远指节的指节轴上，食指中指节的指节中板固定在指节侧压板上，食指中指节的指节中板、指节轴以及GB/T 1096-200普通A型平键套接在食指中指节的指节轴上；
食指近指节的指节侧压板固定在近指节中板上，并且近指节的指节侧压板套接在中指节的指节轴上，近指节的指节中板、指节转轮以及GB/T 1096-200普通A型平键套接在食指掌骨轴上；
中指的掌骨为固定安装，不具有内收外展自由度以及内旋外旋自由度，即通过两个开槽盘头螺钉将中指掌骨固定在掌骨背面的凹槽内；除了中指的掌骨为固定安装外，食指、无名指、小指和拇指的掌骨的机械结构相同，并且具有内收外展自由度以及一定程度的内旋外旋自由度。
2.根据权利要求1所述的一种由气动肌肉驱动的18自由度的灵巧手，其特征在于：掌骨的机械结构除中指外都相同，食指的掌骨利用V型外螺纹杆端关节轴承自带的螺纹杆将其与掌根固定，将V型外螺纹杆端关节轴承套接在靠近掌根的U型掌骨内，并运用掌骨轴以及开槽球面大圆柱头螺钉进行固定，在安装V型外螺纹杆端关节轴承的掌骨位置有一定弧度的凸台。
3.根据权利要求1所述的一种由气动肌肉驱动的18自由度的灵巧手，其特征在于：食指、中指、无名指、小指和拇指之间留有一定距离，使得五指能够拥有内收外展自由度和内旋外旋自由度以及拇指屈曲伸展自由度的运动空间，拇指在抓取物体的时，能够保证在抓取过程中的力封闭特性；拇指与其余四指具有一定角度，拇指与掌骨的水平夹角呈60度，垂直夹角呈40度。
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