CN110142791B - 高集成的仿生机械手 - Google Patents

Abstract

一种高集成的仿生机械手，包括手掌，其中手掌包括手背骨架和手心骨架，手背骨架和手心骨架形成容纳腔，容纳腔内设有手指驱动电机族，手指驱动电机族包括食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机，食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机的输出轴分别对准各自对应的手指；力输出线与手指驱动电机的输出轴固定；近指节‑掌骨关节的一个导线轴位于近指节、另一个导线轴位于手掌内。手指驱动电机族全部集成于手掌和、或手指内，整个机械式的尺寸接近成人手的尺寸，高度集成，手指驱动电机族的信号线和电源线从手掌引出，可以做到即插即用。

Description

高集成的仿生机械手

技术领域

本发明涉及一种仿生机械，特别涉及一种高集成的仿生机械手。

背景技术

仿生机械研究的主要领域有生物力学，控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学，生体流体力学和身体机械力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。

据统计，手是最容易受到损伤的人体器官之一，由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错，一旦受损，治疗难度很大，治疗后功能恢复也不理想。并且，不但是手本身受损会影响其运动功能，大脑、脊柱、手臂等受损，也会在不影响手的肌体时使手的运动功能丧失。

仿生手是目前日益发达的仿生机器人的关键功能性部件，现有的仿生手主要包含以下两类，第一类，功能相对灵活，但外观明显机械化，主要由刚性的连杆和铰链组成，通过连杆传动或者拉线方式实现指节之间的联动。这种仿生手的优点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。使用连杆传动方式的仿生手输出的力比较大，但是连杆机构的刚度大，柔性低，重量大，外观与自然人手外观差距较大。拉线式的仿生手，其柔性高，但是输出的指力小，且拉线容易断，容易出现功能失效。第二类是外观颜色和质感都跟人手高度接近的硅胶手，这种手通过真人手倒模，再用硅胶灌注制成。但是这种手只有装饰功能，没有实质的运动功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外形接近人体肢体或者能够跟丧失运动机能的人体肢体相结合，同时又兼顾柔性和运动自由度，能够输出大指力的仿生机械。

一种仿生机械，具有至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定。

驱动电机输出的扭矩传递至力输出线，力输出线相互缠绕或者相互松开，力输出线的长度发生改变，从而使牵引部位移，整个被牵引的结构弯曲或者伸直。当力输出线抵住导线轴时，力输出线从被抵住的导线轴处转弯，也带动被牵引机构弯曲。

本发明的第一方面，其目的在于提供一种实现对机构运动的和谐生物力传递，实现符合生物力学的自然运动，避免出现违反自然生物运动的动作的导线轴位置和弹簧刚度优化方法。

该导线轴位置优化方法可用于丧失运动功能的人手和、或手臂，以连杆和弹簧重建的机械手、机械臂等。本文中将这些结构统称为被牵引机构。被牵引机构虚拟为具有连杆和弹性铰链的连杆模型。对于机械手和机械臂而言，以机械手、机械臂的连杆为连杆，机械手、机械臂的关节为弹性铰链。对于丧失运动功能的人手、手臂而言，以手骨作为连杆，以关节作为弹性铰链。

作为优选的方案，获得自然肢体运动数据库，对自然肢体建立运动模型，自然肢体的运动模型中，骨骼作为连杆，关节作为弹性铰链，肌腱作为力输出线，每个关节的参数包括肌腱长度l和关节的刚度，利用正逆运动学获得自然肢体肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系l＝f(θ_i)；使用PCA算法，获得自然肢体的第一主成分的维度方向，以及在该维度方向下肌腱运动量△l与关节角度θ的关系、以及当有多个关节时、多个关节角度之间的比例关系；

建立被牵引结构的运动模型，将运动模型的运动自由度约束在第一主成分的维度方向，运动模型包括连杆、相邻连杆之间的弹性铰链和力输出线，每个弹性铰链的参数包括两个插入点的位置和弹簧的刚度，两个插入点之间的力输出线长度表示肌腱长度；

将弹簧刚度和肌腱长度作为输入，将每个关节的角度作为输出，以运动模型中肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系与自然肢体中肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系差距最小作为目标，不断调整插入点位置和弹簧刚度，迭代计算，直到目标达成；输出插入点位置和弹簧刚度，导线轴位置和弹簧刚度优化完成。

本方法的核心是将每个关节虚拟为两个插入点和一个关节的刚度值；插入点的具体表示肌腱长度。

进一步，正逆运动学模型获得肌腱运动量△l与关节角度θ的关系，正运动学模型为：

其中，J表示旋转变换矩阵、

表示肌腱在该维度的运动量；

逆运动学模型为：

J⁺＝(J^TJ+λ²W^TW)^-1，J⁺表示加权后的旋转变换矩阵，加权的权值为W弹簧刚度；当

得到肌腱运动量与关节角度的关系。

进一步，有多个关节时、多个关节角度之间的比例关系的获取方法是：肌腱运动量△l与关节角度θ的关系建立曲线图，以肌腱长度l作为横坐标，以角度值作为纵坐标，每个关节角度在该坐标系下具有一条关节角度根据肌腱长度变化的曲线；

选定一个关节作为基准关节，建立以基准关节的角度为横坐标，角度值为纵坐标的二维坐标系，获得每个关节相对基准坐标的曲线，曲线的斜率表示该关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系。关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系越趋近PCA分析获得的角度比例关系，则说明该运动模型越接近自然肢体的运动。若关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系越远离PCA分析获得的角度比例关系，则以逼近PAC主成分分析获得的结果为目标，调整插入点的相对位置。

作为优选的方案，被牵引机构为手指，建立手指运动模型，手指包括近指节-掌骨关节MCP，近指节-中指节关节PIP和中指节-远指节关节DIP，每个关节具有各自的两个插入点。

将手指或仿生机械手简化为手指连杆模型，连杆模型中，以骨(比如指骨，手骨，指骨模型等)为连杆，相邻骨之间的关节为弹性铰链。此处的手指和手柄可以是自热人体中丧失运动功能的手指和手臂，也可以是使用机械结构复建的假肢和假手。

应用于机械手的手指结构时，作为优选的方案，刚度W为扭簧的刚度，刚度作为可变量，与插入点位置一起作为可变输入值。丧失手指运动功能的患者，比如中风病人，手指的运动不再受大脑控制，手指关节处的肌肉僵硬，同一个患者的同一根手指的不同关节处的肌肉僵硬程度不同，因此在进行手套的导线轴插入点优化时，生物力学模型中的关节刚度W各不相同。

应用于丧失运动机能的人手的手指结构时，作为优选的方案，刚度W是手指关节的实际刚度；刚度W作为固定值输入，仅插入点位置作为可变输入值。在优化计算之前，对患者的每个手指刚度进行测量。人手关节的刚度可以通过给定已知的力、测量获得关节的角度，计算获得关节刚度W，通过已知力和角度计算刚度的方式采用现有技术。

进一步，应用于丧失运动机能的人手康复时，手指除了丧失主动抓握能力，通常也伴随丧失主动伸展的能力，因此，康复工具中还会设置使手指伸张的机构，以弹性件作为手指伸张的机构时，力输出线牵引手指抓握时，关节刚度为复合了弹性件作用的关节等效刚度。也就是说，在弹性件处于工作状态时，进行手指关节刚度测试。

作为优选的方案，被牵引机构为手臂，手臂运动模型包括肘关节；肘关节包括两个插入点和一个关节刚度。

手臂运动模型包括肩关节，肩关节为万向节，先确定肩关节的运动方向，若肩关节与肘关节的运动方向一致，手臂运动模型的输入值包括一对肩关节插入点、肩关节刚度，和一对肘关节插入点和肘关节刚度。

本发明的第二方面，提供一种能够实现仿人手自然抓握，且抓握力大的仿生机械手的结构。

一种仿生机械手，具有手掌、拇指、食指、中指、无名指和小指，食指、中指、无名指和小指分别具有各自的近指节、中指节和远指节，近指节与手掌铰接；每个关节具有各自的一对导线轴和位于插入点之间的弹簧；每个手指具有各自的驱动电机和力输出线，每个力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，每个力输出线依次经过手指上的导线轴、远端与远指节上的导线轴固定，线段的另一端与电机输出端固定。

电机输出扭矩时，线段相互缠绕形成绞线，线段的长度变短从而对指尖形成拉力，手指的各个指节之间出现相对运动，进而实现手指弯曲，实现手的抓握运动。手指结构中，除了指骨、铰链和弹簧以外，无需设置

插入点和弹簧的刚度由上述的优化方法确定，驱动电机作为PCA分析法获得的第一主成分方向的驱动器。PCA分析法的作用在于将自然肢体的运动进行维度分析，之后，在进行仿生机械设计时，针对PCA分析法获得的主成分方向设置驱动器。驱动器越多，复原的自然肢体运动越全面。

每个手指上设有容纳力输出线的线槽，沿线槽设有导线轴，导线轴的两端分别与线槽固定；力输出线穿过导线轴与线槽之间空间。

根据人手的生理结构，将手指的运动学简化为由力输出线驱动的连杆机构，手指骨被认为是刚性连杆，连接手指骨之间的韧带和肌腱被认为是有刚度的弹性铰链，一系列的导线轴插入点的位置和力输出线的固定点的位置决定力输出线带动手指如何运动。因此，需要对力输出线和导线轴进行建模，以弄清楚力输出线的长度与手指运动状态之间的关系。

导线轴的位置经插入点和刚度优化计算后确定，且位置稳定，从而使机械手在制作完成后，可以通过计算力输出线的长度来控制手指的弯曲程度，实现对手指弯曲、手的抓握动作的精确控制。

导线轴包括芯轴和耐磨套筒，耐磨套筒套在芯轴外。芯轴与所在的指节固定，耐磨套筒与芯轴紧配合。耐磨套筒降低力输出线受到的摩擦力，并且对力输出线起到润滑作用，尽量降低力输出线的磨损、断裂，延长力输出线的使用寿命。

关节包括一对插入点和套装在销轴内扭簧。扭簧包括螺旋弹簧部和两端向外延伸的支脚，每个支脚分别固定于对应的指节。扭簧的刚度作为关节的刚度，扭簧安装方便。

和、或，近指节和手掌之间的关节处设有第一簧片，近指节和中指节之间的关节处设有第二簧片，中指节和远指节之间的关节处设有第三簧片；每个簧片上设有传感器。以簧片和传感器采集关节角度的方法和结构，采用现有技术。

电机输出轴设有过线孔，力输出线是穿过过线孔的绳环。以绳环与电机输出轴结合的一端作为近端，绳环的最远端与远指节固定，电机输出转矩时，绳环形成双绞线，力输出线的长度改变。

力输出线一根穿过过线孔的绳子，绳子的两个端头结合使力输出线形成一个闭环，绳子的两个端头固定于远指节。

过线孔是固定在电机输出轴上的环，或者是开设在电机输出轴上的通孔。

远指节上通过压紧件将力输出线固定在远指节；或者，远指节上设置远端导线轴，绳环绕过远端导线轴。力输出线以双绞线的形式承担拉力，绳环直接受到的拉伸形变较小，不容易断裂，且输出力大。

远指节、中指节和近指节分别由各自的骨架和柔性垫组成，相邻的骨架由弹性铰链连接，线槽开设于骨架上，柔性垫覆盖在骨架上，柔性垫遮盖住线槽。骨架相当于指骨，柔性垫相当于手指上的肌肉。柔性垫遮住线槽，防止异物进入线槽而对力输出线造成影响。

力输出线上有润滑油、或润滑脂、或胶体，和、或保护膜，和、或保护层。在力输出线上涂上一点油，能增强力输出线的韧性，延长使用寿命。

力输出线穿过过线孔后形成的绳环在靠近电机输出轴的部位，绳环的线段捆扎在一起。比如，力输出线穿过过线孔后，过线孔两侧的线段打结。这样，电机输出扭矩时，每次线段缠绕的起点是相同的，并且，避免了过线孔两侧的线段的自然分开趋势对扭矩传递的影响，提高电机扭矩的有效利用率，进而提高通过控制电机来对力输出线长度的控制。

在实验过程中发现，以绞线的形式作为力输出线时，手指会出现抖动的情况。

本发明的第三方面，其目的在于提供一种对于使用绞线形式的力输出线的仿生机械手防止手指抖动的结构。

作为优选的方案，力输出线的通过的路径上设有分束件，力输出线缠绕的线段在分束件处分离。电机输出的扭矩使力输出线的线段缠绕在一起，进而使力输出线的长度变化，使远指节与手掌之间的距离发生变化，因此手指发生弯曲。线段的缠绕会使手指在运动时产生抖动，不利于抓握。

分束件设置于近指节；或者分束件设置于手掌，每个手指具有各自的分束件，分束件为刚性件。经过试验后发现，设置分束件之后，分束件将电机扭矩作用集中分束件到电机这一段，分束件中断了电机扭矩使线段的主动缠绕趋势，隔离了线段缠绕的扭矩对中指节、远指节的影响，避免了手指抖动。本文中所指的刚性件，是指形态稳定，不容易发生形变；而并非绝对的刚度或硬度。

每个手指上设有容纳力输出线的线槽，分束件位于近指节的线槽内，分束件与线槽的槽壁之间有空隙。该空隙允许力输出线通过，力输出线的线段经过分束件的分隔后，在分束件的远端继续以自然缠绕方式形成绞线，自然缠绕的绞线应力分布自然，手指不会因电机输出的扭矩而抖动。

分束件是跟线槽的轴向中线对中的流线体隔板。分束件既能分离缠绕在一起的线段，又不会阻滞力的传递。

分束件的远端和近端分别呈圆滑的曲面。分束件的近端和远端均为圆顶。圆滑的曲面既能够对力输出线圆滑的导向，还是避免分束件与力输出线之间相互切割，保障力输出线的使用寿命。

近指节的线槽内具有两个导线轴，分束件位于两个导线轴之间。远指节的长度充裕，分束件放在两个导线轴之间比放在手掌内空间合适。并且，力输出线对扭矩的传递距离也有要求，若分束件放在手掌内，受电机扭矩影响的力输出线较短，容易出现力输出线绞断的问题。将分束件放在近指节中，力输出线受电机扭矩的长度适合，既能有效传递电机的扭矩，又降低力输出线绞断的问题。

分束件与两个导线轴的距离相等，或者分束件靠近近端的导线轴。如此，分束件对转矩传递的影响最小，且手指不发生抖动。

近指节和分束件一体，分束件高于导线轴。分束件的高度需要足够高，从而导线轴将力输出线限制在低于分束件的区域，避免力输出线脱离分束件。

本发明的第四方面，目的在于提供一种能够将驱动电机全部集成于手掌内的高度集成的仿生机械手。

作为优选的方案，手掌包括手背骨架和手心骨架，手背骨架和手心骨架形成容纳腔，容纳腔内设有手指驱动电机族，手指驱动电机族包括食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机，食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机的输出轴分别对准各自对应的手指；力输出线与手指驱动电机的输出轴固定；近指节-掌骨关节的一个导线轴位于近指节、另一个导线轴位于手掌内。

从人的手掌骨的解剖结构可知，人的手掌内具有5个掌骨，每个掌骨与各自对应的手指骨连成通过关节铰接的线，掌骨与近指节通过关节相连。将食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机按照掌骨的方向相对各自的手指设置，也就是在手掌模型中，手指驱动电机选用微型低速减速电机。

电机输出轴与力输出线的固定部作为近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴。如此，手掌内的导线轴位置经过优化计算确定后，手指驱动电机的位置也确定下来。这种方案，力输出线的穿线简单，但对手指驱动电机的定位精度要求高。

或者，近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴位于手指驱动电机和近指节-掌骨关节之间。也就是说，手指驱动电机的位置与近指节-掌骨关节的导线轴无关，只需要力输出线穿过该导线轴即可，降低对手指驱动电机的定位精度要求。

容纳腔内有食指电机安装位、中指电机安装位、无名指电机安装位和小指电机安装位，每个电机安装位固定对应手指驱动电机，每个电机安装位设有允许电机输出轴通过且自由转动的通孔。每个电机安装位包括各自的一对侧板和远端挡板，通孔设置于远端挡板，电机安装位的近端为敞口。

食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机分别设有限位组件，电机安装于电机安装位时，限位组件限制电机相对电机安装位自转。比如，通过紧固件、粘接等方式将电机与电机安装位固定，则紧固件、粘接结构也可以作为限位组件。食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机具有减速机构，减速机构的基架具有与电机安装位匹配的止动面。比如，减速机构为齿轮减速器，齿轮减速器的基架呈长方体或正方体，齿轮减速器和手指驱动电机组合在一起、放入电机安装位中，齿轮减速器的基架的侧面分别与电机安装位的侧板贴合，限制手指驱动电机相对电机安装位自转。将电机安装位的近端设置为敞口，便于将电机放入电机安装位内。

手掌与食指、中指、无名指和小指之间需要实现铰接，因此手掌上需要设置与食指、中指、无名指和小指的连接部位。本发明中提供以下手掌与手指连接的结构方案：

第一种手掌与手指连接的结构方案为：手背骨架上设有与手指铰接的连接部，手心骨架上设有与连接部对应的手指槽；手心骨架上设有力输出线的骨架导线轴，骨架导线轴位于手指驱动电机与对应的手指之间。手心骨架上的手指槽提供手指活动所需的空间，并且，手心骨架上的手指槽，也对手指运动的极限位置进行限制，阻止手指出现不符合生物规律的过运动。

连接部设置于手背骨架的远端，相邻的连接部之间设有远端板，远端板与手背骨架的远端边缘齐平；手指槽设置于手心骨架的远端，相邻的手指槽之间设有分隔部，手背骨架和手心骨架组合时，分隔部与远端板将各手指槽分隔。

所有电机安装位设置于手背骨架，手心骨架与手背骨架通过螺钉固定；手心骨架上设置沉头螺孔，手背骨架内设置螺孔柱，螺孔柱与沉头螺孔一一对应。这种结构配合手指驱动电机的位置与近指节-掌骨关节的导线轴无关的方案使用，手背骨架和手心骨架均是从边缘向内开槽，提供手指的活动空间，这种开槽方式简单，并且手掌骨架和手心骨架的外表面平整，美观。但是它的缺点在于，手掌上需要设置力输出线的导线轴，在实现力输出线的穿线时，需要穿过手掌上的导线轴，穿线略显复杂。

第二种手掌与手指连接的结构方案为：这种方案配合电机输出轴与力输出线的固定部作为近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴的方案使用。手心骨架上设有与手指铰接的连接块，连接块为从手心骨架的远端向远延伸的凸块，连接块之间有距离，连接块的远端设置铰链，连接块上设有限位面；手心骨架上开设导线孔，每个连接块对应一个导线孔。

连接块的远端与手指铰接，手指运动到接触限位面后，近指节无法再向靠近手掌的方向运动，限位面阻止手指发生过运动，使机械手的运动符合人体工学。力输出线从电机输出轴引出后，穿过导线孔，再因此穿过手指上的导线轴。电机输出轴上的过线孔的位置和导线孔的位置，也可以作为导线轴列入前述优化分配方案中计算最优位置，以获得高仿生度、符合生物力学和生物运动形态的手指控制。连接块与对应的手指驱动电机形成掌骨模型。

手心骨架形成容纳手指驱动电机族的容纳腔，手背骨架为盖板，手心骨架的背面设有与手背骨架匹配的容纳腔开口，连接块与手心骨架之间呈台阶，导线孔设置于台阶上。也就是说，连接块低于手心面；当近指节接触到限位面时，近指节与手心骨架之间仍然有间隙，给近指节的软垫留下空间。

限位面为斜面，限位面的远端相比近端更靠近手背。手指运动到与限位面接触时，手指略微倾斜，符合自然人手指的运动。

近指节的远端和中指节的远端分别设置指节限位面，指节限位面呈远低近高的斜面。以靠近手背为低，靠近手心为高。指节限位面的目的也是使指节在弯曲极限时，呈略微倾斜的状态，符合人体工学和生物力学。

近指节的铰接部位于连接块的铰接部内，两个铰接部间隙配合，两个铰接部贯穿有销轴，销轴上套接扭簧；连接块的铰接部边缘呈圆弧形。圆弧形的边缘避免在铰链活动过程中发生干涉。

食指驱动电机的电机安装位，中指驱动电机的电机安装位，无名指驱动电机的电机安装位和小指驱动电机的电机安装位分别与各自的连接块对中，每个电机安装位的位置作为电机输出轴的位置，在导线轴优化分配时、电机安装位作为近指节-掌骨关节在掌内的导线轴列入优化分配方案中。电机安装位作为力输出线上的导线轴，通过位置分配优化后，确保能通过力输出线的长度精确控制手指的弯曲动作，并且，手指的弯曲形态在优化分配的过程中已确定，从而避免手指出现不符合生物力学的不和谐运动。

每个电机安装位包括各自的一对侧板和远端挡板，侧板垂直于手心骨架并与手心骨架相连，通孔设置于远端挡板，电机安装位的近端为敞口；手指驱动电机与侧板紧配合。

手指驱动电机族均使用带减速器的电机，减速器具有方形的支架，电机安装位与减速器的支架紧配合。

这种手指和手掌的结构方案的优点是：只需要将手指驱动电机安装位，力输出线直接穿过手心骨架上的导线孔，再依次穿过导线轴与手指骨架之间即可，力输出线的布置简单。

本发明的第五方面，提供一种能够实现手指弯曲和大拇指掌骨摆动的高集成度拇指的结构。

作为优选的方案，拇指具有拇指手指和手舟骨，拇指手指包括拇指掌骨，近指节和远指节，拇指掌骨与近指节通过弹性铰链铰接，近指节与远指节通过弹性铰链铰接；拇指手指上设有导线轴，拇指手指有对应的拇指驱动电机，力输出线从拇指驱动电机引出后依次经过导线轴，力输出线的远端固定于远指节；手舟骨与手掌铰接，手舟骨具有手舟骨驱动电机。

手舟骨驱动电机使手舟骨绕其铰链轴转动，从而实现拇指向其他四指靠近的动作，拇指与其他手指配合，实现抓握动作。

手舟骨的力输出线的近端穿过手舟骨驱动电机的输出轴，远端设置在手舟骨上；手心骨架上设置开口，拇指在该开口的区域内。手舟骨驱动电机使力输出线相互缠绕或相互松开，从而改变力输出线之间的距离，达到调整手舟骨的角度，实现控制拇指相对手掌运动角度的目的。这种结构的优点是，结构简单，手舟骨电机可以继承于手掌内，对电机的要求相对较低，采用跟手指驱动电机同一型号的电机即可。

或者，手舟骨电机的输出轴作为手舟骨与手掌的铰链销轴。手掌上设置固定座，固定座与手舟骨电机外壳固定；手舟骨靠近固定座的一端设置通孔，该通孔与手舟骨电机外壳间隙配合；手舟骨的另一端与手舟骨电机的输出轴固定。这样，用手舟骨电机的外壳被固定座固定，固定座与手掌固定，手舟骨电机的输出轴输出转矩，实现手舟骨相对手掌的转动。控制手舟骨电机输出的转动角度即可控制拇指相对靠近或远离手掌的角度，控制简单、精确，但是对电机的体积要求高，必须选用能够集成手掌上的电机。

手心骨架上的开口提供拇指的活动空间。拇指的骨结构中，包括近指节和远指节，以及位于手掌内的拇指掌骨。但是拇指掌骨与其他四指的掌骨不同，在自然的手掌中，拇指掌骨具有运动功能，因此，本方案中，将拇指掌骨设置在手掌之外，以实现拇指掌骨的生物运动功能。拇指驱动电机通过力输出线驱动拇指靠近或远离手心的摆动，以及拇指的弯曲运动。

手心骨架上的开口上覆盖有软垫。软垫相当于手掌肌肉，起到防滑和缓冲的作用。

拇指掌骨通过手舟骨与手背骨架相连，手背骨架上设有手舟骨连接座，手舟骨包括与手舟骨连接座铰接的第一连接部和与拇指掌骨铰接的第二连接部，手舟骨的力输出线绑在第二连接部上。

第一种手舟骨的方案：第一连接部中的销轴轴向与第二连接部中的销轴轴向呈夹角。第一连接部朝向四指的方向，第二连接部朝向手心的方向，因此手舟骨驱动电机控制力输出线的长度，实现拇指向四指靠拢的动作。

手舟骨连接座包括底座和跟手舟骨连接的铰接部，铰接部位于底座的基面上，基面呈外低内高的斜面。外是指靠近手心边缘。斜面使得拇指具有一个自然的斜度。

第二种手舟骨的方案，手背骨架上设置手舟骨连接座的第一部分，手背骨架上设置手舟骨连接座的第二部分，舟骨连接座的第一部分、第二部分和手舟骨的第一连接部通过销轴铰接，销轴上设有扭簧；手掌内设置手舟骨驱动电机。通过手舟骨驱动电机控制手舟骨实现靠近或远离手心的动作，实现抓握。自然状态下，拇指与四指基本齐平，类似人手的自然张开状态。

拇指掌骨内设有拇指驱动电机的容腔。拇指手指的力输出线从拇指驱动电机引出后，依次经过导线轴，最后固定于远指节。拇指驱动电机集成在拇指内，实现拇指手指的弯曲运动。

这种手舟骨的设置方案，通过手舟骨驱动电机和拇指驱动电机的配合，将所有力集中在拇指向手心方向，大大提升了拇指输出的指尖力和整只手上的抓握力。

手舟骨连接座与手舟骨铰接的销轴朝向四指方向，手舟骨与拇指掌骨铰接的销轴跟拇指掌骨与近指节铰接的销轴平行。这样手舟骨实现向手心方向靠拢，如果将拇指驱动电机集成于掌内，则拇指驱动电机能够控制拇指向四指并拢以及弯曲，实现抓握，提升抓握力。

本发明的优点在于：

1、本发明将每个关节简化为两个插入点和一个刚度值，通过插入点和刚度值和力输出线的优化配置，实现将仿生机械在给定的自由度方向上复原自然肢体的自然运动，机构的结构简洁，轻便，体积小。

2、利用绞线式的力输出线驱动手指弯曲，将电机的扭矩转换位力输出线的长度变化，力输出线承受的拉力小，不容易断，且输出力大。

3、手指驱动电机族全部集成于手掌和、或手指内，整个机械式的尺寸接近成人手的尺寸，高度集成，手指驱动电机族的信号线和电源线从手掌引出，可以做到即插即用。

4、正逆运动学的计算速度快，能够满足生物学能量最小原理，满足力平衡条件，避免奇异性。

附图说明

图1是以一根手指为例、力输出线从驱动电机引出穿过所有导向轴后与远指节上的导线轴固定的示意图。

图2是手指运动模型、处于初始状态时的示意图。

图3是手指运动模型弯曲时的示意图。

图4是几种现有的PCA算法对机械手的分析结果比对。

图5是线性拟合之前的力输出线长度和关节角度之间的离散点图，每个关节对应一条离散点曲线。

图6是经过线性拟合后的力输出线与关节角度之间的对应关系图。

图7是本发明的机械手与自然人手、bebionic品牌机械手在自身质量相同的情况下的力输出性能对比。

图8是第一种械手从手心看的示意图。

图9是第一种机械手的食指与手背骨架相连的示意图。

图10是第一种机械手的拇指与手心骨架相连的示意图。

图11是第一种机械手的手掌的示意图。

图12是第一种机械手的手心骨架的示意图。

图13是第二种机械手从手心方向看的示意图。

图14是第二种机械手从手背方向看的示意图。

图15是第二种机械手去除手背骨架后的示意图。

图16是第二种机械手的手心骨架与食指相连的示意图。

图17是第二种机械手的手心骨架与拇指相连的示意图。

图18是第二种机械手的手心骨架与拇指相连、从手背方向看的示意图。

图19是第二种机械手的手心骨架与拇指相连的立体图。

图20是第三种机械手从手心方向看的示意图。

图21是第三种机械手从手背方向看的示意图。

图22是第三种机械手的立体图。

图23是第三种机械手的手心骨架从手背方向看的示意图。

图24是第三种机械手的手心骨架从手心方向看的示意图。

图25是第三种机械手的食指与手心骨架相连的示意图。

图26是第三种机械手的拇指与手心骨架相连的示意图。

图27是第三种机械手的拇指与手心骨架相连的立体图。

图28是第三种机械手的手背骨架。

图29是以食指为代表的四指的结构。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明，如果没有特别指明，按照本领域的通用的一般属于进行理解和解释。

PCA主成分分析法

principal component analysis(PCA)主成分分析法是一种数学变换的方法,它把给定的一组相关变量通过线性变换转成另一组不相关的变量，这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列。在数学变换中保持变量的总方差不变，使第一变量具有最大的方差，称为第一主成分，第二变量的方差次大，并且和第一变量不相关，称为第二主成分，依次类推。

力输出线

力输出线指的是与驱动电机相连的绞线，绞线至少有两段，电机输出的扭矩使两段绞线相互缠绕或相互松开，进而改变力输出线的实际长度，实现对被牵引机构的牵引动作。每段绞线具体有几股线，只要能顺利安装到仿生机械上、满足柔性要求即可。

仿生机械

模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。本文中的仿生机械指的是用于复建人的自然肢体运动，包括但不限于：机械手，手指，机械臂，可以戴在丧失运动机能的人手上驱动手指运动的康复手套，驱动丧失运动机能的手臂运动的手臂康复用品等。

一种仿生机械，如图1所示，具有至少一个驱动电机R，每个驱动电机R具有各自的牵引部，驱动电机R和牵引部之间设置力输出线B和多个导线轴A，力输出线B包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线B一端与牵引部固定、另一端与驱动电机R的输出端固定。

驱动电机R输出的扭矩传递至力输出线B，力输出线B相互缠绕或者相互松开，力输出线B的长度发生改变，从而使牵引部位移，整个被牵引的结构弯曲或者伸直。当力输出线B抵住导线轴A时，力输出线B从被抵住的导线轴A处转弯，也带动被牵引机构弯曲。

基于关节插入点的仿生机械运动学优化方法

该优化方法的目的在于提供一种实现对机构运动的和谐生物力传递，实现符合生物力学的自然运动，避免出现违反自然生物运动的动作的导线轴A位置和弹簧刚度优化方法。

该导线轴A位置优化方法可用于丧失运动功能的人手和、或手臂，以连杆和弹簧重建的机械手、机械臂等。本文中将这些结构统称为被牵引机构。被牵引机构虚拟为具有连杆和弹性铰链的连杆模型。对于机械手和机械臂而言，以机械手、机械臂的连杆为连杆，机械手、机械臂的关节为弹性铰链。对于丧失运动功能的人手、手臂而言，以手骨作为连杆，以关节作为弹性铰链。

具体方案包括：获得自然肢体运动数据库，如图2和图3所示，对自然肢体建立运动模型，自然肢体的运动模型中，骨骼作为连杆，关节C作为弹性铰链，肌腱作为力输出线B，每个关节的参数包括肌腱长度l和关节C的刚度，利用正逆运动学获得自然肢体肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系l＝f(θ_i)。

使用PCA算法，获得自然肢体的第一主成分的维度方向，以及在该维度方向下肌腱运动量△l与关节C角度θ的关系、以及当有多个关节C时、多个关节C角度之间的比例关系。如图4所示，PCA算法是一种现有算法，不同的PCA算法对仿生机械运动的三个主成分方向的分析结果基本一致。如图5所示，获得每个关节C角度与力输出线B之间关系的离散曲线图。图6是将图5的离散点经过线性回归拟合成直线。

建立被牵引结构的运动模型，将运动模型的运动自由度约束在第一主成分的维度方向，运动模型包括连杆、相邻连杆之间的弹性铰链和力输出线B，每个弹性铰链的参数包括两个插入点的位置和弹簧12的刚度，两个插入点之间的力输出线B长度表示肌腱长度；

将弹簧刚度和肌腱长度作为输入，将每个关节C的角度作为输出，以运动模型中肌腱运动量△l与关节C角度θ之间的关系与自然肢体中肌腱运动量△l与关节C角度θ之间的关系差距最小作为目标，不断调整插入点位置和弹簧刚度，迭代计算，直到目标达成；输出插入点位置和弹簧刚度，导线轴A位置和弹簧刚度优化完成。如图1所示，导线轴A位置确定，力输出线B依次经过所有导线轴A。

本方法的核心是将每个关节虚拟为两个插入点和一个关节的刚度值；插入点的具体表示肌腱长度。

正逆运动学模型获得肌腱运动量△l与关节角度θ的关系，正运动学模型为：

其中，J表示旋转变换矩阵、

表示肌腱在该维度的运动量；

逆运动学模型为：

J⁺＝(J^TJ+λ²W^TW)^-1，J⁺表示加权后的旋转变换矩阵，加权的权值为W弹簧刚度；当

得到肌腱运动量与关节角度的关系。

有多个关节C时、多个关节C角度之间的比例关系的获取方法是：肌腱运动量△l与关节C角度θ的关系建立曲线图，以肌腱长度l作为横坐标，以角度值作为纵坐标，每个关节角度在该坐标系下具有一条关节C角度根据肌腱长度变化的曲线；

选定一个关节作为基准关节C，建立以基准关节的角度为横坐标，角度值为纵坐标的二维坐标系，获得每个关节C相对基准坐标的曲线，曲线的斜率表示该关节C的角度与基准关节C的角度之间的比例关系。关节C的角度与基准关节C的角度之间的比例关系越趋近PCA分析获得的角度比例关系，则说明该运动模型越接近自然肢体的运动。若关节的角度与基准关节C的角度之间的比例关系越远离PCA分析获得的角度比例关系，则以逼近PAC主成分分析获得的结果为目标，调整插入点的相对位置。

在一些实施例中，被牵引机构为手指的情况，建立手指运动模型，手指包括近指节-掌骨关节MCP，近指节-中指节关节PIP和中指节-远指节关节DIP，每个关节具有各自的两个插入点。

以手指为例，详细优化过程：

如图2和图3所示，将手指简化成指骨-关节模型，以指骨作为连杆，以近指节-掌骨关节为MCP，近指节-中指节关节为PIP，中指节-远指节关节为DIP；每个关节模型包括两个插入点[x_i,y_i]，关节刚度w_i；

正运动学模型为

其本质是泰勒展开取一次项；

逆运动学模型为

其中

表示Jdθ与

逼近，min(λ²||dθ||)表示避免模型的奇异性；将逆运动学模型代入权重，改写为：

当

得到肌腱运动量与关节C角度的关系。

优化过程为：以弹簧12处于自然状态、力输出线B的自然延伸的状态为初始状态，以初始状态的关节角度

作为输入值，以力输出线B长度和插入点位置(L_i,[x_i,y_i])作为可变输入量，以关节C的实际角度

作为输出值，输入正逆运动模型中，当||dl||>ε是，使

不断更新以力输出线B长度和插入点位置(L_i,[x_i,y_i])，直到||dl||≤ε，输出当前插入点位置。

将手指或仿生机械手简化为手指连杆模型，连杆模型中，以骨(比如指骨，手骨，指骨模型等)为连杆，相邻骨之间的关节为弹性铰链。此处的手指和手柄可以是自热人体中丧失运动功能的手指和手臂，也可以是使用机械结构复建的假肢和假手。

在一些实施例中，应用于机械手的手指结构时，刚度W为扭簧的刚度，刚度作为可变量，与插入点位置一起作为可变输入值。从图7中可以看出，bebionic品牌机械手、自然人手和本发明的机械手的单位重量和力输出性能基本位于同一条性能曲线上，力输出性能基本一致。

在一些实施例中，丧失手指运动功能的患者，比如中风病人，手指的运动不再受大脑控制，手指关节处的肌肉僵硬，同一个患者的同一根手指的不同关节处的肌肉僵硬程度不同，因此在进行手套的导线轴A插入点优化时，生物力学模型中的关节刚度W各不相同。

应用于丧失运动机能的人手的手指结构时，刚度W是手指关节的实际刚度；刚度W作为固定值输入，仅插入点位置作为可变输入值。在优化计算之前，对患者的每个手指刚度进行测量。人手关节的刚度可以通过给定已知的力、测量获得关节C的角度，计算获得关节刚度W，通过已知力和角度计算刚度的方式采用现有技术。

应用于丧失运动机能的人手康复时，手指除了丧失主动抓握能力，通常也伴随丧失主动伸展的能力，因此，康复工具中还会设置使手指伸张的机构，以弹性件作为手指伸张的机构时，力输出线B牵引手指抓握时，关节刚度为复合了弹性件作用的关节C等效刚度。也就是说，在弹性件处于工作状态时，进行手指关节刚度测试。

在一些实施例中，被牵引机构为手臂，手臂运动模型包括肘关节；肘关节包括两个插入点和一个关节刚度。

手臂运动模型包括肩关节，肩关节为万向节，先确定肩关节的运动方向，若肩关节与肘关节的运动方向一致，手臂运动模型的输入值包括一对肩关节插入点、肩关节刚度，和一对肘关节插入点和肘关节刚度。

机械手

该实施例的目的在于提供一种形状和结构接近人手，并且能够实现仿人手自然抓握，抓握力大的仿生机械手的结构。

如图8所示，一种仿生机械手，具有手掌、拇指1、食指2、中指3、无名指44和小指5。食指2、中指3、无名指4和小指5的结构一致，分别具有各自的近指节J、中指节Z和远指节Y，如图29所示，近指节J与手掌铰接；每个关节具有各自的一对导线轴A和位于插入点之间的弹簧；每个手指具有各自的驱动电机R和力输出线B，每个力输出线B包括至少两段能够相互缠绕的线段，每个力输出线B依次经过手指上的导线轴A、远端与远指节Y上的导线轴A固定，线段的另一端与电机输出端固定。

电机输出扭矩时，线段相互缠绕形成绞线，线段的长度变短从而对指尖形成拉力，手指的各个指节之间出现相对运动，进而实现手指弯曲，实现手的抓握运动。手指结构中，除了指骨、铰链和弹簧以外，无需设置

插入点和弹簧的刚度由上述的优化方法确定，驱动电机作为PCA分析法获得的第一主成分方向的驱动器。PCA分析法的作用在于将自然肢体的运动进行维度分析，之后，在进行仿生机械设计时，针对PCA分析法获得的主成分方向设置驱动器。驱动器越多，复原的自然肢体运动越全面。

如图29所示，每个手指上设有容纳力输出线B的线槽11，沿线槽11设有导线轴A，导线轴A的两端分别与线槽11固定；力输出线B穿过导线轴A与线槽11之间空间。

根据人手的生理结构，将手指的运动学简化为由力输出线B驱动的连杆机构，手指骨被认为是刚性连杆，连接手指骨之间的韧带和肌腱被认为是有刚度的弹性铰链，一系列的导线轴A插入点的位置和力输出线B的固定点的位置决定力输出线B带动手指如何运动。因此，需要对力输出线B和导线轴A进行建模，以弄清楚力输出线B的长度与手指运动状态之间的关系。

导线轴A的位置经插入点和刚度优化计算后确定，且位置稳定，从而使机械手在制作完成后，可以通过计算力输出线B的长度来控制手指的弯曲程度，实现对手指弯曲、手的抓握动作的精确控制。

如图8所示，导线轴A包括芯轴和耐磨套筒，耐磨套筒套在芯轴外。芯轴与所在的指节固定，耐磨套筒与芯轴紧配合。耐磨套筒降低力输出线B受到的摩擦力，并且对力输出线B起到润滑作用，尽量降低力输出线B的磨损、断裂，延长力输出线B的使用寿命。

如图9所示，关节包括一对插入点和套装在销轴内扭簧12。扭簧12包括螺旋弹簧部和两端向外延伸的支脚，每个支脚分别固定于对应的指节。扭簧的刚度作为关节的刚度，扭簧安装方便。

如图10所示，近指节J和手掌之间的关节处设有第一簧片，近指节J和中指节Z之间的关节处设有第二簧片，中指节Z和远指节Y之间的关节处设有第三簧片；每个簧片上设有传感器。以簧片和传感器采集关节角度的方法和结构，采用现有技术。

电机输出轴设有过线孔，力输出线B是穿过过线孔的绳环。以绳环与电机输出轴结合的一端作为近端，绳环的最远端与远指节Y固定，电机输出转矩时，绳环形成双绞线，力输出线B的长度改变。

力输出线B一根穿过过线孔的绳子，绳子的两个端头结合使力输出线B形成一个闭环，绳子的两个端头固定于远指节Y。

过线孔是固定在电机输出轴上的环，或者是开设在电机输出轴上的通孔。

远指节Y上通过压紧件将力输出线B固定在远指节Y；或者，远指节Y上设置远端导线轴A，绳环绕过远端导线轴A。力输出线B以双绞线的形式承担拉力，绳环直接受到的拉伸形变较小，不容易断裂，且输出力大。

远指节Y、中指节Z和近指节J分别由各自的骨架和柔性垫13组成，相邻的骨架由弹性铰链连接，线槽11开设于骨架上，柔性垫13覆盖在骨架上，柔性垫遮盖住部分线槽11。骨架相当于指骨，柔性垫13相当于手指上的肌肉。柔性垫13遮住线槽11，防止异物进入线槽11而对力输出线B造成影响。

力输出线B上有润滑油、或润滑脂、或胶体，和、或保护膜，和、或保护层。在力输出线B上涂上一点油，能增强力输出线B的韧性，延长使用寿命。

力输出线B穿过过线孔后形成的绳环在靠近电机输出轴的部位，绳环的线段捆扎在一起。比如，力输出线B穿过过线孔后，过线孔两侧的线段打结。这样，电机输出扭矩时，每次线段缠绕的起点是相同的，并且，避免了过线孔两侧的线段的自然分开趋势对扭矩传递的影响，提高电机扭矩的有效利用率，进而提高通过控制电机来对力输出线B长度的控制。

无抖动的仿生机械手

在实验过程中发现，以绞线的形式作为力输出线B时，手指会出现抖动的情况。本实施例的目的在于提供一种对于使用绞线形式的力输出线B的仿生机械手防止手指抖动的结构。

如图27所示，力输出线B的通过的路径上设有分束件6，力输出线B缠绕的线段在分束件6处分离。电机输出的扭矩使力输出线B的线段缠绕在一起，进而使力输出线B的长度变化，使远指节Y与手掌之间的距离发生变化，因此手指发生弯曲。线段的缠绕会使手指在运动时产生抖动，不利于抓握。

如图25所示，分束件6设置于近指节J；或者分束件6设置于手掌7，每个手指具有各自的分束件6，分束件6为刚性件。经过试验后发现，设置分束件6之后，分束件6将电机扭矩作用集中分束件6到电机这一段，分束件6中断了电机扭矩使线段的主动缠绕趋势，隔离了线段缠绕的扭矩对中指节Z、远指节Y的影响，避免了手指抖动。本文中所指的刚性件，是指形态稳定，不容易发生形变；而并非绝对的刚度或硬度。

每个手指上设有容纳力输出线B的线槽11，分束件6位于近指节J的线槽11内，分束件6与线槽11的槽壁之间有空隙。该空隙允许力输出线B通过，力输出线B的线段经过分束件6的分隔后，在分束件6的远端继续以自然缠绕方式形成绞线，自然缠绕的绞线应力分布自然，手指不会因电机输出的扭矩而抖动。

分束件6是跟线槽11的轴向中线对中的流线体隔板。分束件6既能分离缠绕在一起的线段，又不会阻滞力的传递。

分束件6的远端和近端分别呈圆滑的曲面。分束件6的近端和远端均为圆顶。圆滑的曲面既能够对力输出线B圆滑的导向，还是避免分束件6与力输出线B之间相互切割，保障力输出线B的使用寿命。

近指节J的线槽11内具有两个导线轴A，分束件6位于两个导线轴A之间。远指节Y的长度充裕，分束件6放在两个导线轴A之间比放在手掌内空间合适。并且，力输出线B对扭矩的传递距离也有要求，若分束件6放在手掌内，受电机扭矩影响的力输出线B较短，容易出现力输出线B绞断的问题。将分束件6放在近指节J中，力输出线B受电机扭矩的长度适合，既能有效传递电机的扭矩，又降低力输出线B绞断的问题。

分束件6与两个导线轴A的距离相等，或者分束件6靠近近端的导线轴A。如此，分束件6对转矩传递的影响最小，且手指不发生抖动。

近指节J和分束件6一体，分束件6高于导线轴A。分束件6的高度需要足够高，从而导线轴A将力输出线B限制在低于分束件6的区域，避免力输出线B脱离分束件6。

高集成的仿生机械手

本方案的目的在于提供一种能够将驱动电机全部集成于手掌内的高度集成的仿生机械手。

如图20和图23所示，手掌7包括手背骨架71A和手心骨架72A，手背骨架和手心骨架形成容纳腔，容纳腔内设有手指驱动电机族，手指驱动电机族包括食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机，食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机的输出轴分别对准各自对应的手指；力输出线B与手指驱动电机的输出轴固定；近指节-掌骨关节的一个导线轴A位于近指节J、另一个导线轴A位于手掌内。

从人的手掌骨的解剖结构可知，人的手掌内具有5个掌骨，每个掌骨与各自对应的手指骨连成通过关节铰接的线，掌骨与近指节J通过关节相连。将食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机按照掌骨的方向相对各自的手指设置，也就是在手掌模型中，手指驱动电机选用微型低速减速电机。

如图18和图19所示，容纳腔内有食指电机安装位1-1、中指电机安装位2-1、无名指电机安装位3-1和小指电机安装位4-1，每个电机安装位固定对应手指驱动电机，每个电机安装位设有允许电机输出轴通过且自由转动的通孔K。每个电机安装位包括各自的一对侧板14和远端挡板15，通孔K设置于远端挡板15，电机安装位的近端为敞口。食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机分别设有限位组件，电机安装于电机安装位时，限位组件限制电机相对电机安装位自转。

比如，通过紧固件、粘接等方式将电机与电机安装位固定，则紧固件、粘接结构也可以作为限位组件。食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机具有减速机构，减速机构的基架具有与电机安装位匹配的止动面。比如，减速机构为齿轮减速器，齿轮减速器的基架呈长方体或正方体，齿轮减速器和手指驱动电机组合在一起、放入电机安装位中，齿轮减速器的基架的侧面分别与电机安装位的侧板贴合，限制手指驱动电机相对电机安装位自转。将电机安装位的近端设置为敞口，便于将电机放入电机安装位内。

手掌7与食指2、中指3、无名指4和小指5之间需要实现铰接，因此手掌7上需要设置与食指2、中指3、无名指4和小指5的连接部位。

第一种方案的高集成仿生机械手

在一些具体的实施例中，近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴位于手指驱动电机和近指节-掌骨关节之间。也就是说，手指驱动电机的位置与近指节-掌骨关节的导线轴A无关，只需要力输出线B穿过该导线轴A即可，降低对手指驱动电机的定位精度要求。

手背骨架上设有与手指铰接的连接部，手心骨架72A上设有与连接部对应的手指槽74；手心骨架上设有力输出线B的骨架导线轴A，骨架导线轴A位于手指驱动电机与对应的手指之间。手心骨架72A上的手指槽提供手指活动所需的空间，并且，手心骨架72A上的手指槽74，也对手指运动的极限位置进行限制，阻止手指出现不符合生物规律的过运动。

如图11所示，连接部75设置于手背骨架71A的远端，相邻的连接部75之间设有远端板，远端板与手背骨架的远端边缘齐平；手指槽74设置于手心骨架的远端，相邻的手指槽之间设有分隔部76，手背骨架和手心骨架组合时，分隔部75与远端板将各手指槽分隔。

如图12所示，所有电机安装位设置于手背骨架，手心骨架与手背骨架通过螺钉固定；手心骨架上设置沉头螺孔77，手背骨架内设置螺孔柱78，螺孔柱78与沉头螺孔77一一对应。这种结构配合手指驱动电机的位置与近指节-掌骨关节的导线轴A无关的方案使用，手背骨架和手心骨架均是从边缘向内开槽，提供手指的活动空间，这种开槽方式简单，并且手掌骨架和手心骨架的外表面平整，美观。但是它的缺点在于，手掌上需要设置力输出线B的导线轴A，在实现力输出线B的穿线时，需要穿过手掌上的导线轴A，穿线略显复杂。

第二种方案的高集成仿生机械手

在一些实施例中，电机输出轴与力输出线B的固定部作为近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴A。如此，手掌内的导线轴A位置经过优化计算确定后，手指驱动电机的位置也确定下来。这种方案，力输出线B的穿线简单，但对手指驱动电机的定位精度要求高。

这种方案配合电机输出轴与力输出线B的固定部作为近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴A的方案使用。手心骨架72A上设有与手指铰接的连接块，连接块为从手心骨架的远端向远延伸的凸块，连接块之间有距离，连接块的远端设置铰链，连接块上设有限位面；手心骨架上开设导线孔，每个连接块对应一个导线孔。

连接块的远端与手指铰接，手指运动到接触限位面后，近指节J无法再向靠近手掌的方向运动，限位面阻止手指发生过运动，使机械手的运动符合人体工学。力输出线B从电机输出轴引出后，穿过导线孔，再因此穿过手指上的导线轴A。电机输出轴上的过线孔的位置和导线孔的位置，也可以作为导线轴A列入前述优化分配方案中计算最优位置，以获得高仿生度、符合生物力学和生物运动形态的手指控制。连接块与对应的手指驱动电机形成掌骨模型。

如图13所示，手心骨架形成容纳手指驱动电机族的容纳腔，手背骨架为盖板，手心骨架的背面设有与手背骨架匹配的容纳腔开口，连接块与手心骨架之间呈台阶，导线孔设置于台阶上。也就是说，连接块低于手心面；当近指节J接触到限位面时，近指节J与手心骨架之间仍然有间隙，给近指节J的软垫留下空间。

限位面为斜面，限位面的远端相比近端更靠近手背。手指运动到与限位面接触时，手指略微倾斜，符合自然人手指的运动。

如图14所示，近指节J的远端和中指节Z的远端分别设置指节限位面，指节限位面呈远低近高的斜面。以靠近手背为低，靠近手心为高。指节限位面的目的也是使指节在弯曲极限时，呈略微倾斜的状态，符合人体工学和生物力学。

近指节J的铰接部位于连接块的铰接部内，两个铰接部间隙配合，两个铰接部贯穿有销轴，销轴上套接扭簧；连接块的铰接部边缘呈圆弧形。圆弧形的边缘避免在铰链活动过程中发生干涉。

如图15和图16所示，食指驱动电机的电机安装位，中指3驱动电机的电机安装位，无名指4驱动电机的电机安装位和小指5驱动电机的电机安装位分别与各自的连接块对中，每个电机安装位的位置作为电机输出轴的位置，如图17所示，在导线轴A优化分配时、电机安装位作为近指节-掌骨关节在掌内的导线轴A列入优化分配方案中。如图18所示，电机安装位作为力输出线B上的导线轴A，通过位置分配优化后，确保能通过力输出线B的长度精确控制手指的弯曲动作，并且，手指的弯曲形态在优化分配的过程中已确定，从而避免手指出现不符合生物力学的不和谐运动。

如图19所示，每个电机安装位包括各自的一对侧板14和远端挡板15，侧板垂直于手心骨架并与手心骨架相连，通孔K设置于远端挡板15，电机安装位的近端为敞口；手指驱动电机与侧板14紧配合。

手指驱动电机族均使用带减速器的电机，减速器具有方形的支架，电机安装位与减速器的支架紧配合。

这种手指和手掌的结构方案的优点是：只需要将手指驱动电机安装位，力输出线B直接穿过手心骨架上的导线孔K，再依次穿过导线轴A与手指骨架之间即可，力输出线B的布置简单。

拇指结构

本实施例的目的在于提供一种能够实现手指弯曲和大拇指1掌骨摆动的高集成度拇指1的结构。

如图20所示，拇指1具有拇指手指和手舟骨，拇指手指包括拇指1掌骨，近指节J和远指节Y，拇指1掌骨与近指节J通过弹性铰链铰接，近指节J与远指节Y通过弹性铰链铰接；拇指手指上设有导线轴A，拇指手指有对应的拇指1驱动电机，力输出线B从拇指1驱动电机引出后依次经过导线轴A，力输出线B的远端固定于远指节Y；手舟骨与手掌7铰接，手舟骨具有手舟骨驱动电机。

手舟骨驱动电机使手舟骨绕其铰链轴转动，从而实现拇指1向其他四指靠近的动作，拇指1与其他手指配合，实现抓握动作。

手心骨架上的开口上覆盖有软垫。软垫相当于手掌肌肉，起到防滑和缓冲的作用。

拇指1掌骨通过手舟骨与手背骨架71A相连，手背骨架71A上设有手舟骨连接座，手舟骨包括与手舟骨连接座铰接的第一连接部和与拇指1掌骨铰接的第二连接部，手舟骨的力输出线B绑在第二连接部上。

第一种拇指与手掌相连的结构，如图21所示，手舟骨驱动电机的方案为：手舟骨的力输出线B的近端穿过手舟骨驱动电机的输出轴，远端设置在手舟骨上；手心骨架72A上设置开口，拇指1在该开口的区域内。手舟骨驱动电机使力输出线B相互缠绕或相互松开，从而改变力输出线B之间的距离，达到调整手舟骨的角度，实现控制拇指1相对手掌运动角度的目的。这种结构的优点是，结构简单，手舟骨电机可以继承于手掌内，对电机R的要求相对较低，采用跟手指驱动电机同一型号的电机即可。

手背骨架71A上设置手舟骨连接座的第一部分，手背骨架71A上设置手舟骨连接座的第二部分，舟骨连接座的第一部分、第二部分和手舟骨的第一连接部通过销轴铰接，销轴上设有扭簧12；手掌7内设置手舟骨驱动电机。通过手舟骨驱动电机控制手舟骨实现靠近或远离手心的动作，实现抓握。自然状态下，拇指1与四指基本齐平，类似人手的自然张开状态。

如图26所示，拇指1掌骨内设有拇指1驱动电机的容腔。拇指1手指的力输出线B从拇指1驱动电机引出后，依次经过导线轴A，最后固定于远指节Y。拇指1驱动电机集成在拇指1内，实现拇指手指的弯曲运动。

这种手舟骨的设置方案，通过手舟骨驱动电机和拇指1驱动电机的配合，将所有力集中在拇指1向手心方向，大大提升了拇指1输出的指尖力和整只手上的抓握力。

手舟骨连接座与手舟骨铰接的销轴朝向四指方向，手舟骨与拇指1掌骨铰接的销轴跟拇指1掌骨与近指节J铰接的销轴平行。这样手舟骨实现向手心方向靠拢，如果将拇指1驱动电机集成于掌内，则拇指1驱动电机能够控制拇指1向四指并拢以及弯曲，实现抓握，提升抓握力。

第二种拇指与手掌相连的结构，在一些实施例中，手舟骨与手掌的连接结构：第一连接部中的销轴轴向与第二连接部中的销轴轴向呈夹角。第一连接部朝向四指的方向，第二连接部朝向手心的方向，因此手舟骨驱动电机控制力输出线B的长度，实现拇指1向四指靠拢的动作。

手舟骨连接座包括底座和跟手舟骨连接的铰接部，铰接部位于底座的基面上，基面呈外低内高的斜面。外是指靠近手心边缘。斜面使得拇指1具有一个自然的斜度。

第三种拇指1与手掌7相连的结构在一些实施例中，手舟骨驱动电机还有一种方案为：手舟骨电机的输出轴作为手舟骨与手掌的铰链销轴。手掌7上设置固定座，固定座与手舟骨电机外壳固定；手舟骨靠近固定座的一端设置通孔K，该通孔K与手舟骨电机外壳间隙配合；手舟骨的另一端与手舟骨电机的输出轴固定。这样，用手舟骨电机的外壳被固定座固定，固定座与手掌7固定，手舟骨电机的输出轴输出转矩，实现手舟骨相对手掌7的转动。控制手舟骨电机输出的转动角度即可控制拇指1相对靠近或远离手掌7的角度，控制简单、精确，但是对电机R的体积要求高，必须选用能够集成手掌上的电机。

手心骨架上的开口提供拇指1的活动空间。拇指1的骨结构中，包括近指节J和远指节Y，以及位于手掌内的拇指1掌骨。但是拇指1掌骨与其他四指的掌骨不同，在自然的手掌中，拇指1掌骨具有运动功能，因此，本方案中，将拇指1掌骨设置在手掌之外，以实现拇指1掌骨的生物运动功能。拇指1驱动电机通过力输出线B驱动拇指1靠近或远离手心的摆动，以及拇指1的弯曲运动。

在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。

本文中所述或记载的文章、专利、专利申请以及所有其他文献和以电子方式可得的信息的内容在某种程度上全文包括在此以作参考，就如同每个单独的出版物被具体和单独指出以作参考一样。申请人保留把来自任何这种文章、专利、专利申请或其他文献的任何及所有材料和信息结合入本申请中的权利。

Claims (16)

1.一种高集成的仿生机械手，包括手掌，其特征在于：手掌包括手背骨架和手心骨架，手背骨架和手心骨架形成容纳腔，容纳腔内设有手指驱动电机族，手指驱动电机族包括食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机，食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机的输出轴分别对准各自对应的手指，力输出线指的是与驱动电机相连的绞线，绞线至少有两段，电机输出的扭矩使两段绞线相互缠绕或相互松开；力输出线与手指驱动电机的输出轴固定；近指节-掌骨关节的一个导线轴位于近指节、另一个导线轴位于手掌内；近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴位于手指驱动电机和近指节-掌骨关节之间。

2.如权利要求1所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：容纳腔内有食指电机安装位、中指电机安装位、无名指电机安装位和小指电机安装位，每个电机安装位固定对应手指驱动电机，每个电机安装位设有允许电机输出轴通过且自由转动的通孔。

3.如权利要求2所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：每个电机安装位包括各自的一对侧板和远端挡板，通孔设置于远端挡板，电机安装位的近端为敞口。

4.如权利要求3所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：食指电机、中指电机、无名指电机和小指电机分别设有限位组件，电机安装于电机安装位时，限位组件限制电机相对电机安装位自转。

5.如权利要求1所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：手背骨架上设有与手指铰接的连接部，手心骨架上设有与连接部对应的手指槽；手心骨架上设有力输出线的骨架导线轴，骨架导线轴位于手指驱动电机与对应的手指之间。

6.如权利要求5所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：连接部设置于手背骨架的远端，相邻的连接部之间设有远端板，远端板与手背骨架的远端边缘齐平；手指槽设置于手心骨架的远端，相邻的手指槽之间设有分隔部，手背骨架和手心骨架组合时，分隔部与远端板将各手指槽分隔。

7.如权利要求6所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：所有电机安装位设置于手背骨架，手心骨架与手背骨架通过螺钉固定；手心骨架上设置沉头螺孔，手背骨架内设置螺孔柱，螺孔柱与沉头螺孔一一对应。

8.如权利要求1所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：电机输出轴与力输出线的固定部作为近指节-掌骨关节位于手掌内的导线轴。

9.如权利要求1所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：手心骨架上设有与手指铰接的连接块，连接块为从手心骨架的远端向远延伸的凸块，连接块之间有距离，连接块的远端设置铰链，连接块上设有限位面；手心骨架上开设导线孔，每个连接块对应一个导线孔。

10.如权利要求9所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：手心骨架形成容纳手指驱动电机族的容纳腔，手背骨架为盖板，手心骨架的背面设有与手背骨架匹配的容纳腔开口，连接块与手心骨架之间呈台阶，导线孔设置于台阶上。

11.如权利要求9所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：限位面为斜面，限位面的远端相比近端更靠近手背。

12.如权利要求11所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：近指节的远端和中指节的远端分别设置指节限位面，指节限位面呈远低近高的斜面。

13.如权利要求9所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：近指节的铰接部位于连接块的铰接部内，两个铰接部间隙配合，两个铰接部贯穿有销轴，销轴上套接扭簧；连接块的铰接部边缘呈圆弧形。

14.如权利要求1所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：食指驱动电机的电机安装位，中指驱动电机的电机安装位，无名指4驱动电机的电机安装位和小指驱动电机的电机安装位分别与各自的连接块对中，每个电机安装位的位置作为电机输出轴的位置，在导线轴优化分配时、电机安装位作为近指节-掌骨关节在掌内的导线轴列入优化分配方案中。

15.如权利要求14所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：每个电机安装位包括各自的一对侧板和远端挡板，侧板垂直于手心骨架并与手心骨架相连，通孔设置于远端挡板，电机安装位的近端为敞口；手指驱动电机与侧板紧配合。

16.如权利要求15所述的高集成的仿生机械手，其特征在于：手指驱动电机族均使用带减速器的电机，减速器具有方形的支架，电机安装位与减速器的支架紧配合。

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