CN110520256A - 欠致动机器人手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拟人机器人手，其包括：手掌(00)和掌骨(10)，所述掌骨构造成围绕旋转轴线(180)相对于所述手掌旋转；四个对齐手指和与所述四个对齐手指对生的对生手指，所述四个对齐手指大致对齐并约束到所述手掌，所述对齐手指中的每一个包括至少近侧指骨(21、31、41、51)、中间指骨(22、32、42、52)和远侧指骨(23、33、43、53)，并且所述对生手指包括近侧指骨(11)和远侧指骨(13)，所述对齐手指中的每一个的近侧指骨(21、31、41、51)在相应的旋转轴线(240、340、440、540)上铰接到所述手掌(00)，并且所述对生手指的近侧指骨(11)在相应的旋转轴线(140)上铰接到所述掌骨(10)；马达(100)；多个锥齿轮差动级，所述多个锥齿轮差动级将来自所述马达(100)的运动传递到所述对齐手指和所述对生手指，其中所述多个锥齿轮差动级包括第一差动级，所述第一差动级的行星齿轮架(04)通过所述马达(100)而运动，并且所述第一差动级的太阳齿轮(05、06)使第二差动级(14)的行星齿轮架和第五差动级(44)的行星齿轮架运动，所述第二差动级的太阳齿轮(15、16)与第三差动级的行星齿轮架和第四差动级的行星齿轮架(24、34)成一体，所述第三差动级的太阳齿轮和第四差动级的太阳齿轮(26、25、36、35)构造成使得它们分别与在所述手掌(00)和所述对齐手指的近侧指骨(21、31、41、51)之间具有与所述相应的旋转轴线(240、340、440、540)重合的轴线的四个齿轮(210、310、410、510)接合，并且所述第五差动级的太阳齿轮(45、46)构造成分别使所述掌骨(10)以及在所述掌骨(10)和所述对生手指的近侧指骨(11)之间具有与所述相应旋转轴线(140)重合的轴线的齿轮(110)旋转。

Description

欠致动机器人手

技术领域

本发明涉及一种欠致动机器人手。

“机器人手”的定义涉及具有拟人灵感的末端执行器。由于人手的复杂性，创建能够准确再现其功能的机制是非常具有挑战性的。

文献中提出的机器人手可以根据其自由度(DOF)的数量和它们的致动程度(DOA)分为三个主要类别：完全致动、欠致动和冗余致动。

完全致动的机器人手具有的自由度的数量等于致动程度的数量。欠致动的机器人手具有的自由度的数量高于致动程度的数量。冗余致动的机器人手具有的自由度的数量比致动程度的数量低。

完全致动的机器人手，虽然能够有效抓握，但是非常复杂，这导致高成本和整体缺乏稳健性。对于冗余致动的机器人手尤其如此。这就是为什么最近可以找到对欠致动设计越来越感兴趣的主要原因。

机器人抓取中的欠致动的基本思想是使用机械系统，通过弹簧和机械限制等被动元件，可以自动适应被抓物体的特定形状，以便所需的致动器的数量低于操纵器DOF的数量。这导致更简单的控制系统并降低操纵器成本。

获得欠致动机构的方式之一是使用差动系统，该系统自动将一个输入分配到多个输出，这些输出之间的比率由它们的运动状态和机构本身的设计参数来限定。

具体地，根据国际机制和机器理论联合会的术语，差动机构是一种“自由度为二且可以接受两个输入以产生一个输出或者可以解决单个输入两个输出的机构”。

为了获得两个以上的输出，可以使用多个差动模块，根据需要串联或并联配置，每个模块向系统添加1个DOF。通常，需要(n-1)个差动级来获得n个输出。

背景技术

具体地，根据现有技术，存在已知的欠致动机器人手，其使用一个或多个差动级来将运动传递到各个手指。文献KR100848179中描述了一个例子。在JP2001277175中描述了另一个示例，其中描述了机器人手，其由所述文献提取的运动方案在图1中示出。从文献中包含的描述可以理解，所示机构允许通过仅借助于一个马达使用三个差动级来使手的四个手指(从食指到小指)运动。然而，这种机构有许多缺点，与以下事实有关：不可能用相同的马达使拇指运动，并且系统的结构使用过量的齿轮和带轮，因此它受到太多的反弹和摩擦影响。此外，在故障的情况下，手指不能容易地替换，并且即使它们起作用，它们也仅呈现两个指骨，而不是在人手中出现的三个指骨。

现有技术中已知的另一个例子是Zappatore等人的出版物(2017)(亚当的手)：欠致动的机器人末端执行器，在意大利机构科学的进步；机构和机器科学，第47卷，Springer,Cham(在下文中也表示为D1)，其中描述了一种欠致动的拟人手，其中所有五个手指和掌骨通过一系列差动级仅通过一个马达进行运动。然而，在该公开中描述的机构中，驱动轴直接连接到差动级的行星齿轮架，该行星齿轮架将运动传递到四个对齐手指并且传递到使掌骨运动的差动级的太阳齿轮。机构的这种配置导致一系列问题，其中最明显的是如果四个平行手指由于它们抓住物体或者它们已达到其机械极限而被停止，那么这意味着马达必须停止并因此拇指也必须停止，即使它还没有抓住物体。

所引用的出版物中描述的机构的另一个缺点是，马达和第四级之间以及第四和第五级之间的联接分别通过将马达(M2)连接到下一级的太阳齿轮(S4，R)并且通过将前一个太阳齿轮(S4，L)连接到下一级的太阳齿轮(S5，R)而发生，而不是连接到下一级的行星齿轮架(在两种情况下分别为P4和P5)。在某些情况下，这意味着不希望的运动组合使得抓握动作不可能，例如手指2、3、4和5在伸展拇指时弯曲，反之亦然，或者拇指同时弯曲和外展。

所引用的出版物中的机构的另一个缺点是在手指内部使用空转齿轮系以在指骨之间传递运动。这防止了实现被动内收/外展自由度，因为手指必须保持彼此之间和手掌基本上对齐，并且容易地修改指骨长度，因为这样做应该修改齿轮数和模块。因此，基本上，应该为每个不同的用户重新设计手指，使设备昂贵，或者作为替代方案，仅应设计少量标准“尺寸”，如同其它现有假体一样。

现有技术中已知的与同一问题相关的另一文献是CN87103848，其描述了一种机器人手，其运动方案包括一系列差动级，其在机器人手的各种元件中分配来自马达的输入中的运动，其中各个手指也由差动级组成。显然，使用锥齿轮差动级实现具有手指的拟人手在重量和尺寸方面存在问题，并且最重要的是，它不允许容易地修改手指尺寸。此外，在该文献中，从功能的观点来看，没有提及用于改善机器人手与人手的相似性的措施，也没有从构造观点示出实施例。

发明内容

因此，仍然没有解决的问题是提供一种欠致动的机器人手，该机器人手克服了与现有技术相关的缺点，并且特别是允许通过仅一个马达驱动包括拇指的所有手指，这是坚固和紧凑的，并且例如在故障的情况下允许简单地替换手指。

另一个技术问题是提供一种高度欠致动的机器人手，其具有基于齿轮和齿形带的机构，并且不使用单向致动装置，例如肌腱。

此外，本发明提供了一种仅由一个马达控制的欠致动机器人手，其中即使其它四个手指都抓住物体，拇指的运动也可以继续。

本发明解决的另一个技术问题是通过减少有源部件(马达)的数量来提供具有与正常肢体相当的尺寸和重量的拟人手，以减轻装置的重量并增加它的可用性。

根据本发明的手解决的另一个问题是提供一种欠致动的机器人手，其机构允许尽可能精确地模仿人手功能，并且尤其允许在各种手指之间不同地分配张紧扭矩，如发生在人手中的那样。

最后，本发明解决的技术问题是提供一种欠致动的机器人手，其手指指骨尺寸、它们的外形和它们的材料可以被修改而无需重新设计该机构。

本发明的目的是达到预定目的，因为它是一种拟人机器人手，包括：手掌和掌骨，掌骨构造成相对于所述手掌围绕旋转轴线旋转；四个对齐手指和对生手指，所述四个对齐手指大致对齐并约束到所述手掌，所述手指中的每一个被约束到手掌，包括至少近侧指骨、中间指骨和远侧指骨，并且所述对生手指包括近侧指骨和远侧指骨，每个所述对齐手指的近侧指骨在相应的旋转轴线上铰接到所述手掌，并且所述对生手指的近侧指骨在相应的旋转轴线上铰接到所述掌骨；马达；多个锥齿轮差动级，其将来自所述马达的运动传递到所述对齐手指和所述对生手指，其特征在于，所述多个差动级包括第一差动级，其行星齿轮架通过所述马达进行运动并且其太阳齿轮使第二和第五差动级的行星齿轮架运动，

所述第二差动级的太阳齿轮与第三和第四差动级的行星齿轮架成一体，所述第三和第四差动级的太阳齿轮构造成使得它们分别与具有与所述对齐手指的近侧指骨与所述手掌之间的所述相应旋转轴线重合的轴线的四个齿轮啮合。

值得注意的是，“大致对齐”的定义是指从食指到小指的四个手指(约束在人手的手掌上)的位置，即使不一定彼此平行，也仍然具有它们是平行的静止位置并且在手水平面上具有有限的角度偏移。

附图说明

图1示出了JP2001277175中描述的装置的运动方案；图2示出了根据本发明的装置的运动方案的优选实施例；图3-a和3-b详细示出了优选地实现手指内收/外展运动的方式；图4示出了根据本发明的为拟人手的各种部件提供的自由度配置的方案；图5、6和7示出了根据本发明的手的可能构造方法的视图。

图8示出了根据本发明的装置的第二优选实施例的运动方案。图9示出了由引用的公开提取的根据现有技术已知的实施例。图10示意性地示出了具有不同直径的太阳齿轮的锥齿轮差动级。图11示出了将运动传递到对齐手指的三个差动级的两个实施例，其中分别为太阳齿轮的旋转轴线对齐以及太阳齿轮的旋转轴线相互倾斜。在图12和13中示出了具有倾斜轴线的可能实施例的两个轴测图。图14和15示出了可与根据本发明的装置一起使用的手指的优选实施例。

具体实施方式

在下面描述的实施例中，该机构具有20个自由度，其中15个可通过所提供的唯一一个马达(100)主动地和双向地控制，其中5个是被动的并且可以在某些限制中适应于被抓物体的形状，但不能主动控制。

由于该机构的复杂性，因此认为根据指定的命名法引入标准是有用的。

五个锥齿轮差动级的元件表示如下：0到4之间的数字(识别级)，后面跟随的是行星齿轮架的数字4、右太阳齿轮的数字5和左太阳齿轮的数字6。因此，例如，第三级的行星齿轮架用附图标记(24)表示。

指骨表示如下：1到5之间的数字(识别手指)，后面跟随的是近侧指骨的数字1、中间指骨的数字2、远侧指骨的数字3、以及在拇指的情况下掌骨的数字0。因此，例如，无名指的中间指骨用附图标记(42)表示，拇指的近侧指骨用附图标记(11)表示，等等。

此外，对于每个手指，第一带轮和连接下一带轮的齿形带用手指后面跟随10和11的附图标记表示。类似地，第二带轮和连接下一带轮的齿形带用手指后面跟随20和21的附图标记表示，对于第三带轮后面跟随30。

例如，中指的第二带轮用附图标记(320)表示。

此外，对于每个手指，附图标记40表示旋转轴线x(弯曲/伸展)，附图标记41表示作用在这样的旋转轴线上的制动器，而附图标记60表示旋转轴线z(外展/内收)。因此，根据该标准，小指的轴线x用(540)表示，相应的制动器用(541)表示。掌骨相对于手掌的旋转轴线用(80)表示，作用在该旋转轴线上的制动器用(81)表示。

在指定附图标记的分配标准之后，现在可以描述该机构的优选实施例，其运动方案如图2所示。

从手背可以看出它是右手。显然，左手可以实现相同的机构。

在所示的实施例中，它再现了拟人机器人手的功能，其设置有从食指到小指的四个对齐手指，并且设置有与四个对齐手指对生的对生手指(拇指)。整个机构通过唯一的一个马达(100)进行运动，并且运动通过多个差动级分配到手指。

第一差动级的行星齿轮架(04)直接通过马达(100)进行运动，第一差动级通过右太阳齿轮(05)将运动传递到使四个对齐手指运动的差动级，并通过左太阳齿轮(06)将运动传递到使拇指运动的差动级。为简单起见，左右太阳齿轮的定义也用于第一和第五级，表示左太阳齿轮是图中底部的太阳齿轮。

应当观察到，在根据本发明的运动学方案中，第一差动级的行星齿轮架(04)是直接通过马达进行运动的唯一齿轮，不同于现有技术中已知的机构，例如图9中所示的机构(由D1提取)，其中马达直接使级1的行星齿轮架P1和级4的太阳齿轮S4R运动。

从运动方案开始对四个对齐手指的运动进行分析，注意到第一差动级的右太阳齿轮(05)与第二差动级的行星齿轮架(14)啮合。第二差动级将运动分配到以下两个级，这两个级分别执行食指和中指的运动以及无名指和小指的运动。

因此，运动通过第一差动级的右太阳齿轮(05)传递到行星齿轮架(14)，然后借助于太阳齿轮(15、16)将其分到下一个差动级。

为了优化机构可靠性和尺寸，第二级的左太阳齿轮(16)和第三级的行星齿轮架(24)彼此是一体的。对于第二级的右太阳齿轮(15)也是如此，其与第四级的行星齿轮架(34)是一体的。

需要明确的是，第二级的太阳齿轮(15、16)与下一级的行星齿轮架(24、34)是一体的(而不是通过齿形联轴器连接它们，例如JP2001277175中的情况)，以允许减小机构尺寸并且首先减小其间隙和摩擦。

根据另一个实施例，如图11所示，通过在相应的连接轴上插置万向节(161、151)，第三和第四级的行星齿轮架(24、34)的旋转轴线可以安装成倾斜于第二级的太阳齿轮(16、15)的轴，该万向节允许在相互倾斜的轴之间传递旋转。不需要相互倾斜角(α，β)相同。这样，在弯曲运动期间，手指2(食指)和3(中指)朝向手指4(无名指)和5(小指)会聚，改善了与人手的相似性(改进的拟人性)并使其能够在两个手指3和4之间抓住薄物体，这在日常生活的许多活动中是有用的抓握。

可以认为，即使在图11中示出了手的水平面上的视图，插置万向节(151、16)也可以允许：

第二和第三级之间的相关倾斜角γ也在垂直于手的水平面的平面中，该平面穿过万向节(161)的中心并且相对于手的前平面倾斜角度α。

第二和第四级之间的相关倾斜角δ也可以处于垂直于手的水平面的平面中，该平面穿过万向节(151)的中心并且相对于手的前平面倾斜角度β。

例如，如图12所示，如果手掌的结构是通过沿着属于手的水平面、穿过万向节(151)的中心并相对于手的中间平面倾斜角度β的轴线(600)借助于万向节(151)铰接的两个部分(01)和(02)中实现的，那么在抓握动作期间无名指和小指(4、5)除了弯曲之外将与手掌的右侧部分一起朝向手的中间平面会聚，围绕旋转轴线(600)旋转，与拇指相对，从而改善某些类型的抓握和假体拟人化。

以这种方式增加的自由度(手掌的右部和左部之间的铰接)可以通过第二致动器主动地管理并且通过使用弹簧被动地管理。

从构造观点来看，如图7和8所示，到目前为止所描述的差动级优选是锥齿轮差动级。如上所述，通过第三和第四差动级将运动传递到对齐手指。

在描述运动的传递之前，首先参考四个对齐手指来描述单个手指的优选实施例是有用的。

每个手指由三个指骨组成，这三个指骨围绕相关的旋转轴线相互铰接。手指1的近侧指骨围绕相关旋转轴线铰接到掌骨(10)，而从食指到无名指的手指的近侧指骨和掌骨(10)围绕相关旋转轴线铰接到手的手掌。部件(指骨、掌骨和手掌)的形状使得围绕所有相应旋转轴线允许的旋转被限制为类似于人手的各个部件的生理旋转的值。

在没有这种限制本发明的目的的情况下，根据优选实施例，对齐手指(从食指到小指)相对于具有完全伸展的手指的基本配置，可以使近侧指骨弯曲在大约90°至110°之间，使中间指骨弯曲在90°至135°之间，使远侧指骨弯曲在85°至90°之间。相反对于拇指，总是作为粗略的指导，近侧指骨弯曲可以达到约70°，远侧指骨弯曲约75°，而掌骨可以有约90°的内收。

应指明，所指示的运动和角度是可主动控制的运动和角度，如下面详细解释的那样。优选地而不是限制性地，为了进一步改善与人手的相似性，根据本发明的装置可以实现为至少一部分机械限制不是刚性的，特别是参考关于手指超伸展的限制。对于这些机械限制，可以使用弹性材料，其刚度足够高，以便当手指仅通过马达致动时阻止手指伸展超出基本位置，同时其特征在于当手指被动受压时具有足够的顺应性。为了解释上面描述的内容，可以对人手的手指的超伸展运动进行解释，这是我们无法主动控制的，但是例如当我们将手指倚靠在桌子上并向内弯曲手掌时会发生这种情况。因此，关节处的机械限制具有不足以在马达施加最大耦合时变形的刚度，但是当假体手指倚靠在桌子上并且手掌向内弯曲时它们是可变形的。

在解释手指的主动控制运动的同时，为了简单起见，现在将参考食指，开始的前提是，除了明显的尺寸差异之外，其它手指以相同的方式实现。食指在近侧指骨(21)和手掌(00)之间的旋转轴线(240)处铰接到手的手掌。第一齿形带轮(210)定位在该轴线处，与第三差动级的左太阳齿轮(26)接合并且相对于其旋转轴线是惰轮。可以认为，从构造观点来看，每个手指(140、240、340、440和540)的第一齿形带轮方便地由与齿形带轮一体的齿轮构成。齿轮与锥齿轮差动级的相应的太阳齿轮啮合，而齿形带轮通过齿形带连接到随后的带轮。

第一带轮(210)通过齿形带(211)连接到第二齿形带轮(220)，第二齿形带轮相对于食指的近侧指骨(21)和中间指骨(22)之间的相关旋转轴线(250)是惰轮。该后一个带轮(220)也通过第二齿形带(221)连接到第三齿形带轮(230)，该第三齿形带轮的轴线与中间指骨(22)和远侧指骨(23)之间的相关旋转轴线重合，并且它与远侧指骨是一体的。

由于前两个带轮(210、220)相对于它们的相关轴线是惰轮，所以第二差动级的左太阳齿轮(26)的运动(为简单起见省略了摩擦)直接传递到与食指的远侧指骨(23)成一体的带轮(230)，而近侧指骨(21)和中间指骨(22)不运动。一旦远侧指骨(23)与待抓取的物体接触或达到其机械极限，其运动就被阻挡，并且与远侧指骨成一体的第三带轮(230)不再能够旋转。由于借助于齿形带(221)的连接，即使第二带轮(220)也不能相对于中间指骨(22)旋转，因此中间指骨开始相对于近侧指骨旋转。当中间指骨(22)也与被抓物体接合或达到其机械极限时，第一带轮(210)也由于通过齿形带(211)与第二带轮(220)的连接而停止。因此，它变成与近侧指骨(21)成一体，近侧指骨被迫相对于手掌旋转。

当后者被抓住的物体阻挡时(或者其达到其机械极限)，第二差动级的左太阳齿轮(26)停止，因此行星齿轮架(24)的所有驱动扭矩都被释放在右太阳齿轮(25)上，该右太阳齿轮以绝对相似的方式将运动传递到中指。

如果中指也停止(因为它与被抓物体接触或因为所有旋转都达到了它们的机械极限)，那么即使第三差动级的相关太阳齿轮(25)也不能旋转，因此，相关行星齿轮家(24)也停止。

无名指和小指的功能类似，它们分别借助于左太阳齿轮(36)和右太阳齿轮(35)通过第四差动级而运动。

当从食指到小指的手指与物体接触(或达到其机械极限)时，将运动传递到它们的第二差动级的行星齿轮架(14)也会强制停止，从而也停止与其接合的第一差动级的右太阳齿轮(05)。在这种情况下，第一级的行星齿轮架(04)将由马达(100)传递的所有驱动扭矩释放在左太阳齿轮(06)上，该左太阳齿轮控制拇指的运动。

第一差动级的左太阳齿轮(06)与第五差动级的行星齿轮架(44)接合，其在拇指的弯曲/伸展(由右太阳齿轮45控制)和内收/外展运动(由左太阳齿轮46控制)之间分配扭矩。

左太阳齿轮(46)与掌骨(10)是一体的，因此当它被致动时，整个掌骨(10)围绕轴线(180)旋转，进行内收/外展运动。该轴线(180)不一定必须与级0的旋转轴线重合，如图2所示，但是它可以相对于该旋转轴线具有相关倾斜角度，目的是使操纵器更类似于人的手。在这种情况下，显然，太阳齿轮06和行星齿轮架44将是锥形齿轮，易于与所述相关倾斜角度接合。

右太阳齿轮(45)与齿轮(47)啮合，齿轮(47)又将运动传递给带轮110，从而允许拇指弯曲/伸展。

当掌骨(10)和拇指的指骨(11、13)也与被抓物体接触(或达到其机械极限)时，马达(100)被迫停止。通过电流控制马达，确定施加的最大扭矩，并且以这种方式确定传递到手指的最大扭矩，这确定了抓握力。另外，可以利用编码器(200)对马达速度进行控制，以控制执行抓握的速度。

因此，刚才描述的机构的一些优点是清楚的：通过仅控制一个马达，假体使用者仅需要一个运动来打开手且仅需要一个运动来闭合手，而不管待抓取的物体的形状如何。

另外，可以通过电流控制马达来执行抓握力控制，并且这可以以多种方式容易地完成。

例如，可以根据控制电极在预定时间段内读取的信号数量来控制电流(例如：弱抓握的1秒内1个信号，中等强度抓握的1秒内2个信号，强抓握的1秒内3个信号)。

作为替代方案，通过以直接成比例的方式或根据要定义的其它校准原则，马达吸收的电流(以及因此其施加的确定抓握力的扭矩)可以作为电极检测到的信号强度的函数来控制。

机构紧凑性还允许将控制板(300)定位在操纵器内部，从而获得更高程度的模块化。当具有不同截肢水平的人使用时，这尤其有用：例如，在经桡动脉截肢的情况下，可以将“腕”模块和“前臂”模块添加到操纵器模块，而在手腕以下截肢的情况下，操纵器模块可以单独使用。

总之，首先在拇指和其它四个手指之间划分电机转矩(从第一个差动级)。这使得在稳定状态下由拇指施加的扭矩可以等于由其它手指施加的扭矩的总和，这是执行需要拇指与其它手指相对的抓握的最佳条件。传递到拇指的扭矩在内收/外展和弯曲/伸展运动之间被细分(从第五差动级)，而传递到其它四个手指的扭矩首先(从第二差动级)在一侧上的食指和中指之间以及在另一侧上的无名指和小指之间被细分，最后(从第三和第四差动级)分配到单个手指。根据刚刚描述的运动方案自动分配扭矩使得即使仅使用单个命令(1个致动程度)，手指也可以自动适应被抓物体的形状，始终形成最稳定的抓握。

从刚才讨论的机制描述中也可以清楚地看出，对于手闭合和打开运动而言，功能完全相同。实际上，所有使用的连接都是双向的(齿轮和齿形带)，没有使用单向元件(筋腱、拉杆......)，它们的限制还在于它们不能施加很大的力，并且与齿轮元件相比它们具有更高的内部摩擦力。

使用锥齿轮差动级的另一个优点是太阳齿轮相对于其运动位置施加的力的独立性。锥齿轮差动级是全向力各向同性的，因此独立于手指的运动位置，它们施加恒定的力，从而确保整个工作空间的恒定性能。通过使用齿形带驱动器在手指内部扩展了这种优点，其特征在于传递的力独立于带轮轴距和指骨的相关倾斜角度。

对于其它类型的传动装置也不会发生同样的情况，例如那些基于电缆的传动装置，其中施加的力根据指骨的相关倾斜角度显示出变化的图案。

在理解了先前运动学方案中解释的运动分配的概念之后，下面描述了用于优化机构功能的一些构造措施。

优选地，在所有指骨旋转轴线处和在掌骨旋转轴线处设置有弹簧，所述弹簧优选地在手闭合方向上在各个铰接元件之间施加弹性扭矩。

弹簧的存在，即使不是必不可少的，也可以获得一系列优势。首先，弹簧允许限定不同手指之间以及同一手指的不同指骨之间的相关初始位置。这在组装装置时特别有用：设置马达的起始位置会很复杂，通过将所有接头保持在正确位置而不需要自动完成的弹簧的贡献来对应手完全闭合。

显然，在弹簧安装在手打开方向上的情况下，可以将装置组装在完全打开的手的起始位置。

此外，由于齿轮系中不可避免地存在间隙，如果没有弹簧，则在使手指运动之前，马达将仅空转以恢复所述间隙。相反，在存在弹簧的情况下，齿轮总是由弹簧带到意味着无间隙的位置。

此外，在每个单个手指内的各个旋转轴线中使用的弹簧的刚度之间的比率决定了指骨的闭合顺序。具体地，为了对待抓握的物体进行正确的抓握，重要的是旋转的第一指骨是近侧指骨，然后是中间指骨，并且仅在结束时旋转远侧指骨。

如已经说过的，近侧指骨相对于手掌围绕相关旋转轴线铰接。显然，从构造观点来看，在该轴线上存在轴。

优选地，近侧指骨不与该轴直接接触，但是与轴(240)同轴的圆柱体插置在指骨和轴之间，如图3所示，以食指为例，该圆柱体以弹性材料形成，这允许手指的一定程度的内收/外展。

重要的是要注意，这个弹性圆柱体(290)既不在手掌中(或在拇指的情况下在掌骨中)也不在轴的中心区域中延伸，因此手掌(或在拇指的情况下掌骨)和相对于近侧指骨的空转齿轮与轴直接接触。当手指内收发生时，如图3b所示，近侧指骨(21)(与所有其它指骨和相应的带轮一起)旋转，而相对于近侧指骨的齿轮(21)和手掌(00)将保持不动。因此，近侧指骨的齿轮(210)和相关的太阳齿轮(26)将毫无问题地接合，因为它们的轴将始终平行并且相距固定距离，因此它们将始终通过突出而接合。

但是，相对于近侧指骨的齿轮(210)和相对于中间指骨的齿轮(220)之间发生倾斜。然而，这些通过齿形带连接，因此通过考虑大约10°的最大倾斜角度，它们的接合不会受到损害。

在应用该措施时，本领域技术人员显然将使用所有这些设计预防措施，其允许排除各个部件之间的干扰，例如相对于齿轮(210)和指骨(21)之间的轴线(240)在轴向方向上预先设定某个间隙。

此外，需要强调的是弹性机械限制，保证被动自由度存在的弹性圆柱体、之前描述的设置在手指内部的弹簧以及保证手掌的左侧部分(01)和右侧部分(02)之间的额外的相关旋转自由度的最终弹簧，旨在消除装置的不期望的冲击，从而增加其顺应性并在手指和手掌之间形成“缓冲区”，从而保证使用过的部件的更长的寿命。

根据另一个优选实施例，可以实现本发明的欠致动拟人手，以便可以单独控制每个手指。实际上，如所解释的，马达(100)的运动被传递到所有手指，直到这些手指被抓住的物体或其机械限制阻挡，并且不可能单独地控制每个手指。

然而，由于如所解释的那样停止每个手指(在伸展和弯曲期间)，通过在每个所述轴线处引入制动器(141、241、341、441、541)，足以使其与障碍物接触，该障碍物阻止近侧指骨相对于手掌(或者在拇指的情况下相对于掌骨)的旋转，所述制动器可以模拟障碍物或机械极限的存在，并阻止手指的弯曲/伸展。

具体地，在每个手指处，制动器必须阻挡第一空转带轮，或者等效地，阻挡将运动传递到手指的太阳齿轮。

由于对于拇指而言拇指相对于手的手掌具有三个主动自由度(两个弯曲/伸展，一个内收/外展，此外另一个内收/外展的被动自由度)，所以需要第二制动器(181)来阻止拇指(掌骨相对于手掌)的外展/内收。

作为示例，如果从张开手的构造开始，必须闭合第四和第五手指(无名指和小指)，则相对于其它手指致动制动器(141、181、241、341)并且在旋转方向上致动马达(100)就足够了，这将向手施加闭合运动，从而获得所需的构造。

根据另一个实施例变型，手指可以如图14和15所示实现，其中示出了根据本发明的装置的一个手指的实施例的分解图。

如图14所示，并且可以理解已经描述的机构，可以通过使用在与指骨的相关旋转轴线相对应的轴线上彼此铰接的三个部件(701、702、703)来实现手指。这些部件，优选地由铝、钢、钛或具有合适结构强度的塑料材料实现，可以通过施加几种较软材料的表面(7011、7012、7013、7014、7021、7022、7023、7024、7031)来封装，例如硅树脂或橡胶，使得根据本发明的手在功能方面与人手的相似性得到改善，例如手指和被抓物体之间的较高摩擦力以及更好地适应它们的形状和尺寸。

在图14和图15中，示出了这些表面通过带有螺钉和螺纹孔的联接器而约束到指骨结构，但是其它类型的联接也是可能的，例如通过合适的约束或粘合剂来进行联接。这些元件也构成了指骨之间相对旋转的机械限制，因此为了修改相对旋转的最小和最大角度，改变这些表面的形状就足够了，一旦组装，就不需要重新设计或拆卸元件(701、702、703)。

在图14和15中，还示出了弹簧(704、705、706)和用于获得手指(707)的被动内收/外展的弹性圆柱体的位置，其功能已经被描述。

封装元件的夹紧螺钉具有安装弹簧的座部，因此通过拧紧或拧松这种螺钉，可以实现弹簧的精确预加载。封装元件还可用于包含对假体功能有用的或向用户提供反馈的传感器。

根据另一个实施例变型，该装置可以通过在相同的差动级内使用具有不同直径的太阳齿轮来实现。在锥齿轮差动级中使用具有不同直径的太阳齿轮如图10中示意性地示出。

从构造观点来看，具有不同直径的太阳齿轮意味着需要倾斜蜘蛛齿轮的轴线，但允许在太阳齿轮之间以及因此通过它们致动的手指之间不同地分配扭矩，从而增加与人手相似的程度。优选地，太阳齿轮的不同直径可以配置成使得传递到四个对齐手指的扭矩大致细分如下所示：手指2和4为25％，手指3为35％，手指5为15％。

该机构的另一种变型在图8中示出，其中根据本发明的欠致动手实现为级零的太阳齿轮(05、06)的旋转轴线与处于伸展位置的四个对齐手指的方向正交。

级零的太阳齿轮(05、06)的旋转轴线的这个方向意味着一些结构上的优点：首先，它允许通过正齿轮而不是锥形齿轮或端面齿轮在级零的太阳齿轮(05)和级1的行星齿轮架(14)之间获得耦合，具有由此产生的所有技术简化(更小尺寸、更高精度和部件构造性、以及实现简单性)。此外，差动级零的这种布置允许通过使用蜗轮减速器来执行马达和差速器0之间的联接，这由于尺寸限制而难以在其它构造中获得。除了作为执行马达减速/扭矩增加的极其紧凑的方式之外，这也是一种不可反向驱动的机构：通过作用在手指上，这些手指不能重新打开，因为不可能从将运动从级零的行星齿轮架传递到马达，因此一旦达到手指的完全闭合，就可以关闭马达(从而节省电池自主性)，因为手指保持稳定，因为手指不能被动地重新打开，除非在危险情况下使用安全装置。可获得的另一个优点是，掌骨(180)的旋转轴线与差动级4的太阳齿轮(45、46)的旋转轴线重合，具有清晰的运动学、动力学和尺寸优势。

显然，所示的运动学方案是一个例子，并不限制本发明的目的。要指明的是，作为示例，可以通过根据需要改变齿轮模块、带轮的齿数或齿形带的长度来修改肢体的尺寸，同时可以通过改变第一和第二锥齿轮差动级(齿轮05和14)之间或第一和第五锥齿轮差动级(齿轮06和44)之间的传动比，来改变拇指和其它手指之间的速度比例(在没有外部负荷的情况下，因为在负荷下，手所采用的构造由与被抓物体交换的力决定)。通过改变齿轮45和与其垂直的齿轮(47)之间的传动比，相反可以改变拇指的内收和弯曲之间的速度比。

在图4中，示出了手的自由度的方案。具有附图标记“1”的节点指的是可主动控制的自由度。报告附图标记“1+1”的节点是指其中一个自由度可被主动控制(伸展/弯曲)而另一个是被动的节点，并且只能适应被抓物体的形状(内收/外展)。

根据另一个实施例(图中未示出)，通过向拇指添加另一个小指骨，可以增加根据本发明的欠致动拟人手的自由度的数量。因此，对于弯曲/伸展运动而言，拇指将被实现和致动与其它手指所描述的完全相同。

Claims (13)

1.一种拟人机器人手，其包括：

-手掌(00)和掌骨(10)，所述掌骨构造成围绕旋转轴线(180)相对于所述手掌旋转；

-四个对齐手指和与所述四个对齐手指对生的对生手指，所述四个对齐手指大致对齐并约束到所述手掌，所述对齐手指中的每一个包括至少近侧指骨(21、31、41、51)、中间指骨(22、32、42、52)和远侧指骨(23、33、43、53)，并且所述对生手指包括近侧指骨(11)和远侧指骨(13)，所述对齐手指中的每一个的近侧指骨(21、31、41、51)在相应的旋转轴线(240、340、440、540)上铰接到所述手掌(00)，并且所述对生手指的近侧指骨(11)在相应的旋转轴线(140)上铰接到所述掌骨(10)；

-马达(100)；

-多个锥齿轮差动级，所述多个锥齿轮差动级将来自所述马达(100)的运动传递到所述对齐手指和所述对生手指，

其特征在于

所述多个锥齿轮差动级包括第一差动级，所述第一差动级的行星齿轮架(04)通过所述马达(100)而运动，并且所述第一差动级的太阳齿轮(05、06)使第二差动级(14)的行星齿轮架和第五差动级(44)的行星齿轮架运动，

所述第二差动级的太阳齿轮(15、16)与第三差动级的行星齿轮架和第四差动级的行星齿轮架(24、34)成一体，

所述第三差动级的太阳齿轮和第四差动级的太阳齿轮(26、25、36、35)构造成使得它们分别与在所述手掌(00)和所述对齐手指的近侧指骨(21、31、41、51)之间具有与所述相应的旋转轴线(240、340、440、540)重合的轴线的四个齿轮(210、310、410、510)接合，

并且所述第五差动级的太阳齿轮(45、46)构造成分别使所述掌骨(10)以及在所述掌骨(10)和所述对生手指的近侧指骨(11)之间具有与所述相应旋转轴线(140)重合的轴线的齿轮(110)旋转。

2.根据权利要求1所述的拟人机器人手，其特征在于

-所述差动级是锥齿轮差速器；

-通过所述马达(100)进行运动的差动级的太阳齿轮(05、06)的旋转轴线与处于伸展位置的四个对齐手指所取的方向正交；

-通过正齿轮获得第一级的太阳齿轮(05)和第二级的行星齿轮架(14)之间的联接；

-通过使用蜗轮减速器实现马达和第一级的差速器的行星齿轮架之间的联接。

3.根据权利要求1或2所述的拟人机器人手，其特征在于，在所述多个锥齿轮差动级中的至少一个锥齿轮差动级内，太阳齿轮具有不同的直径，使得张紧扭矩不均匀地分配到所述对齐手指。

4.根据权利要求3所述的拟人机器人手，其特征在于，所述太阳齿轮的所述直径被配置成使得传递到四个对齐手指的扭矩被细分如下：食指和无名指25％，中指35％，小指15％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的拟人机器人手，其特征在于，通过在相应的连接轴上插置万向节(161、151)，第三级的行星齿轮架的旋转轴线和第四级的行星齿轮架(24、34)的旋转轴线能够安装成倾斜于第二级的太阳齿轮(16、15)的轴，所述万向节允许在相互倾斜的轴之间传递旋转。

6.根据前述权利要求中任一项所述的拟人机器人手，其特征在于，所述对齐手指中的每一个包括第一齿形带轮(210、310、410、510)、第二齿形带轮(220、320、420、520)和第三齿形带轮(230、330、430、530)，这些齿形带轮的旋转轴线分别与所述近侧指骨(21、31、41、51)和所述手掌(00)之间、所述中间指骨(22、32、42、52)和所述近侧指骨(21、31、41、51)之间以及所述远侧指骨(23、33、43、53)和所述中间指骨(22、32、42、52)之间的相关旋转轴线重合，所述第一齿形带轮(210，310、410、510)和第二齿形带轮(220、320、420、520)相对于它们的相关旋转轴线是惰轮并且通过齿形带(211、311、411、511)彼此连接，所述第三齿形带轮(230、330、430、530)各自与它们各自的远侧指骨(23、33、43、53)成一体并通过齿形带(221、321、421、521)连接到所述第二齿形带轮(220、320、420、520)。

7.根据权利要求6所述的拟人机器人手，其特征在于，每个手指的所述第一齿形带轮(210、310、410、510)方便地由与齿形带轮成一体的一个齿轮构成。

8.根据权利要求6或7所述的拟人机器人手，其特征在于，所述掌骨(10)的所述指骨(11、12、21、22、23、31、32、33、41、42、43、51、52、53)和所述手掌(00)的形状使得围绕所有相应的旋转轴线允许的旋转被限制为类似于人手的各个部件的生理旋转的值，并且优选地近侧指骨在90°至110°之间、中间指骨在90°至135°之间、远侧指骨在85°至90°之间。

9.根据权利要求6、7或8所述的拟人机器人手，其特征在于，所述对生手指的近侧指骨(11)的弯曲能够达到约70°，所述对生手指的远侧指骨(13)的弯曲能够达到约75°，并且所述掌骨(10)能够旋转约90°。

10.根据权利要求8或9所述的拟人机器人手，其特征在于，使用弹性材料实现限定各个部件之间的旋转角度的至少一部分机械限制。

11.根据前述权利要求中任一项所述的拟人机器人手，其特征在于，在指骨之间的所有相关的旋转轴线(140、160、240、250、260、340、350、360、440、450、460、540、550)处以及在掌骨(10)的旋转轴线(180)处设置有弹簧，所述弹簧优选地在手闭合的方向上在各个铰接元件之间施加弹性扭矩。

12.根据前述权利要求中任一项所述的拟人机器人手，其还包括制动器(141、241、341、441、551)，所述制动器能够对应于所述近侧指骨和所述手掌之间以及所述掌骨和所述手掌之间的所述相关的旋转轴中的每一个而独立地致动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的拟人机器人手，其特征在于，在所述近侧指骨与所述近侧指骨所铰接的轴之间插置有与所述轴(240)同轴的由弹性材料形成的圆柱体，这允许手指的一定程度的内收/外展。