CN110640774B - 一种六自由度五指机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度五指机械手，该机械手包括手掌壳体以及分别设置在手掌壳体上的大拇指壳体、食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体，手掌壳体与大拇指壳体之间设有大拇指旋转机构及大拇指屈伸机构，手掌壳体与食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体之间分别设有食指屈伸机构、中指屈伸机构、无名指屈伸机构、小拇指屈伸机构。与现有技术相比，本发明机械手包括五根手指，且每根手指都可以通过电机独立控制，能够允许各个手指单独移动，并且能够做出标准的抓握姿势，以便用来模拟真实假体的效果，具有多自由度、功能代偿性高等优点。

Description

一种六自由度五指机械手

技术领域

本发明属于机械手技术领域，涉及一种六自由度五指机械手。

背景技术

在人类进化发展的历程中，人类的手掌从最初的猿人时代的支撑着地的作用一直到如今，已经经过了不断的进化，现如今人类的手掌十分灵巧敏捷，并且可以帮助人们完成很多复杂的工作，成为人体最为重要的一部分。而针对于一些患者手部功能的缺失，机械手的研发设计成为当下的热门话题之一，同时人手的灵巧特性也成为了很多机械手所想要达成的最终目标。由于五指机械手整体结构和人手一样都是由5个手指和手心手背所组成的，因此相对于一般的机械手而言，它具有更好的功能性以及实用性，如今五指机械手已经完全可以代替人类手掌完成多种场合下的复杂作业，或者作为假肢手代替人手对一些日常作业进行辅助。因此，在医疗领域中，仿人手五指机械手的研发和应用，对于重建人体运动系统的功能方面和提升那些手部功能缺失的患者的生活水平方面具有着重要的意义。

如今，意外事故、中风、神经和肌肉骨骼系统的病变等问题都是造成人手功能丧失的重要原因。研究表明，截止2006年中国肢体残缺的残疾人数已增加至2412万，在中国总人口数的比例中高达1.83％，在这一类人群中截肢的患者达到了226万人次。而在当前的科学技术水平下还不足以实现断肢重生，所以这也就使得人们对于假肢相关技术的发展更为重视。基于工程学和人因工程学的假肢设计可以做到尽量满足人体日常活动并可以安装在残肢上，最终实现了对于人体手部缺失的功能的替代作用和其运动功能系统的重建。

对五指机械手的研究还可以补充中国高端医疗装备的缺失，目前中国康复和假肢市场被国外的一些知名公司所占据，例如Ottobock，Endolite，Protero等相关产品，虽然这些产品相对于国内自主研发的产品而言功能性较强，但是他们的产品价格较为昂贵，一般的家庭根本消受不起，限制了其进一步应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种六自由度五指机械手，本发明是在康复医疗学、机械设计和机器人技术学科的基础上，结合人因工程学理论，设计的一款六自由度机械手。首先，这款六自由度机械手的研发对象为人体的手部，基于仿生学理论进行设计，在人体功能需求方面做到实现原本人体手的基本生活需求；其次，本发明所设计的六自由度机械手其主要特点是廉价且能够保证基本生活需求，具有多自由度、功能代偿性高等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种六自由度五指机械手，该机械手包括手掌壳体以及分别设置在手掌壳体上的大拇指壳体、食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体，所述的手掌壳体与大拇指壳体之间设有大拇指旋转机构及大拇指屈伸机构，所述的手掌壳体与食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体之间分别设有食指屈伸机构、中指屈伸机构、无名指屈伸机构、小拇指屈伸机构。

进一步地，所述的手掌壳体包括相对设置的手掌外壳及手背外壳。

进一步地，所述的大拇指壳体包括与手掌壳体铰接的拇指连接壳、与拇指连接壳铰接的拇指手指壳以及设置在拇指连接壳上的限位壳。

进一步地，所述的大拇指旋转机构包括设置在手掌壳体内部的拇指旋转电机以及分别设置在手掌壳体上的第一拇指旋转轴及第二拇指旋转轴，所述的拇指连接壳设置在第二拇指旋转轴上，并通过第二拇指旋转轴与手掌壳体铰接。

进一步地，所述的拇指旋转电机与第一拇指旋转轴之间设有第二斜齿轮组，所述的第一拇指旋转轴与第二拇指旋转轴之间设有拇指正齿轮组。

进一步地，所述的大拇指屈伸机构包括设置在拇指连接壳与拇指手指壳之间的横向屈伸轴、设置在拇指手指壳内部的拇指屈伸电机以及设置在横向屈伸轴与拇指屈伸电机之间的第一斜齿轮组。

进一步地，所述的食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体均包括与手掌壳体铰接的近端手指壳以及与近端手指壳铰接的远端手指壳。

进一步地，所述的食指屈伸机构包括设置在手掌壳体内部的食指屈伸电机、设置在手掌壳体上的近端轴、设置在手掌壳体与近端手指壳之间的中间轴以及设置在近端手指壳与远端手指壳之间的远端轴，所述的食指屈伸电机与近端轴之间设有食指锥齿轮组，所述的近端轴与中间轴之间设有食指正齿轮组，所述的中间轴与远端轴之间设有同步带轮组。食指正齿轮组为1:2正齿轮组。食指锥齿轮组为1:3锥齿轮组。

进一步地，所述的同步带轮组包括一对分别套设在中间轴及远端轴上的同步带轮以及绕设在两同步带轮之间的同步带。

中指屈伸机构、无名指屈伸机构及小拇指屈伸机构的结构与食指屈伸机构相同。

本发明机械手是一只体外力源假肢，主要是利用电机驱动提供动力；转矩通过齿轮之间的配合传递。本发明的主要特点可以分为三部分：大拇指旋转机构、大拇指屈伸机构、食指屈伸机构(中指屈伸机构、无名指屈伸机构、小拇指屈伸机构与食指屈伸机构相同)。下面分别对这三部分内容进行详细说明。

首先对于拇指，其具体的工作原理可分为两部分，一部分控制屈伸方向的自由度，另一部分控制旋转方向的自由度。在屈伸方向上来说，它的具体工作原理为：拇指屈伸电机通过配合减速箱输出力矩到第一斜齿轮组上，第一斜齿轮组与横向屈伸轴相对固定，力矩传递到横向屈伸轴，横向屈伸轴与拇指手指壳相对固定，然后带动整体拇指手指壳、其内部的拇指屈伸电机和减速器、限位壳统一进行旋转，产生屈伸方向的运动。在旋转方向上来说，它的具体工作原理为：拇指旋转电机通过配合减速箱输出力矩到第二斜齿轮组上，第一拇指旋转轴和第二拇指旋转轴均固定在手掌外壳上，力矩从第二斜齿轮组上传递到第一拇指旋转轴上，带动拇指正齿轮组旋转，拇指正齿轮组带动第二拇指旋转轴进行旋转，从而带动拇指连接壳以及屈伸部分的整体拇指产生旋转方向的运行。拇指的屈伸驱动由一个带有齿轮头的拇指屈伸电机带动，微型电机和减速器位于拇指手指壳中，齿轮头旋转，将这种旋转传递给第一斜齿轮组。电机旋转使整个拇指手指壳旋转，带动整个大拇指进行屈伸方向的运动。如果在一个方向上驱动电机，手指将弯曲；如果将电机进行相反的方向的驱动，手指将会被展开。旋转驱动由水平安装在手掌壳体中的微型电机和减速器进行驱动，从减速器将扭矩传递给第二斜齿轮组，然后再传递给拇指正齿轮组，然后旋转拇指的底部。其中的一个斜齿轮固定在第一拇指旋转轴上，同轴还固定有一个正齿轮，其将第一拇指旋转轴的旋转传递到第二拇指旋转轴，配合的正齿轮在该第二拇指旋转轴上浮动。该第二正齿轮固定在拇指的底部，因此当拇指旋转电机开始运作时，整个拇指开始绕第二拇指旋转轴做旋转运动。

其次，对于食指屈伸运动，食指屈伸电机的位置与食指壳体完全未弯曲时处于一条直线上。小锥齿轮固定在有减速器的食指屈伸电机上，将动力传递给大锥齿轮。大锥齿轮通过近端轴、食指正齿轮组、中间轴带动近端手指壳旋转，导致食指的MCP关节启动。同时有一个大直齿轮固定在手掌上。当大直齿轮保持静止时，安装在中间轴上的小直齿轮由于近端手指壳相对于固定的大直齿轮的相对运动而旋转，形成一个行星轮系。小直齿轮与中间轴上的同步轮同步转动，直齿轮的运动由此传递到远端轴上的另一个同步带轮上。第二个同步带轮固定在远端手指壳上，同步带轮的旋转使PIP关节启动。因此，MCP关节和PIP关节是耦合的，如果在一个方向上驱动食指屈伸电机，食指将弯曲；如果在相反的方向驱动食指屈伸电机，食指将展开。中指、无名指、小拇指的工作原理与食指相同。

与现有技术相比，本发明机械手包括五根手指，且每根手指都可以通过电机独立控制，其中，大拇指有两个自由度，分别用于屈伸和旋转；食指、中指、无名指、小拇指各有一个自由度，均用于屈伸。食指、中指、无名指、小拇指除尺寸外，手指壳体结构和屈伸机构完全一致，这种设计能够允许各个手指单独移动，并且能够做出标准的抓握姿势，以便用来模拟真实假体的效果，具有多自由度、功能代偿性高等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的右视结构示意图；

图4为本发明的仰视结构示意图；

图5为本发明中大拇指屈伸机构的结构示意图；

图6为本发明中食指屈伸机构的结构示意图；

图中标记说明：

1—远端手指壳、2—近端手指壳、3—拇指手指壳、4—手背外壳、5—手掌外壳、6—拇指连接壳、7—限位壳、8—食指屈伸电机、9—拇指屈伸电机、10—拇指旋转电机、11—同步带轮、12—同步带、13—食指正齿轮组、14—食指锥齿轮组、15—第一斜齿轮组、16—拇指正齿轮组、17—第二斜齿轮组、18—横向屈伸轴、19—第一拇指旋转轴、20—第二拇指旋转轴、21—远端轴、22—中间轴、23—近端轴。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4所示的一种六自由度五指机械手，该机械手包括五根手指，且每根手指都可以通过电机独立控制。大拇指有两个自由度，食指、中指、无名指、小拇指各有一个自由度。大拇指的两个自由度分别用于屈伸和旋转；食指、中指、无名指、小拇指的一个自由度均用于屈伸。其中拇指部分主要包括：拇指手指壳3、限位壳7、横向屈伸轴18、第一拇指旋转轴19、第二拇指旋转轴20、拇指连接壳6、拇指屈伸电机9(在拇指手指壳3内部)、屈伸电机减速箱、拇指旋转电机10、旋转电机减速箱、一对1:1拇指正齿轮组16、第一斜齿轮组15、第二斜齿轮组17。食指、中指、无名指、小拇指除尺寸外，手指壳体和动力传动机构完全一致，这里以食指为例介绍；食指部分主要包括近端手指壳2、远端手指壳1、近端轴23、中间轴22、远端轴21、同步带12、同步带轮11、食指屈伸电机8(在手掌壳体内部)、齿轮头、一对3:1食指锥齿轮组14、一对2:1食指正齿轮组13。

构成拇指旋转运动的结构为：带有减速箱的拇指旋转电机10通过第二斜齿轮组17传递转矩，第二斜齿轮组17将转矩传递到第一拇指旋转轴19，同时改变转矩的方向，第一拇指旋转轴19通过1:1拇指正齿轮组16将转矩传递到第二拇指旋转轴20，完成上述驱动，拇指就完成了旋转运动。

构成拇指屈伸运动的结构为：在拇指手指壳3内部的带有减速箱的拇指屈伸电机9驱动，通过第一斜齿轮组15将转矩传递到横向屈伸轴18，第一斜齿轮组15改变了转矩的方向，使横向屈伸轴18转动，完成上述驱动，拇指就完成了屈伸运动。

构成食指屈伸运动的结构为：在手掌壳体内部带有齿轮头的食指屈伸电机8驱动3:1食指锥齿轮组14，食指锥齿轮组14改变了转矩的方向，同时将转矩传递到近端轴23，近端轴23带动2:1食指正齿轮组13转动，同时中间轴22也随之转动，即掌指关节(MCP)被驱动，中间轴22又通过同步带12和同步带轮11将转矩传递到远端轴21，远端轴21开始转动，即近端指关节(PIP)被驱动。这里每个手指上的远端指关节是固定的。这种设计会产生耦合的MCP和PIP运动。

实施例2：

如图1、图2、图3、图4所示的一种六自由度五指机械手，该机械手包括手掌壳体以及分别设置在手掌壳体上的大拇指壳体、食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体，手掌壳体与大拇指壳体之间设有大拇指旋转机构及大拇指屈伸机构，手掌壳体与食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体之间分别设有食指屈伸机构、中指屈伸机构、无名指屈伸机构、小拇指屈伸机构。

其中，手掌壳体包括相对设置的手掌外壳5及手背外壳4。大拇指壳体包括与手掌壳体铰接的拇指连接壳6、与拇指连接壳6铰接的拇指手指壳3以及设置在拇指连接壳6上的限位壳7。

大拇指旋转机构包括设置在手掌壳体内部的拇指旋转电机10以及分别设置在手掌壳体上的第一拇指旋转轴19及第二拇指旋转轴20，拇指连接壳6设置在第二拇指旋转轴20上，并通过第二拇指旋转轴20与手掌壳体铰接。拇指旋转电机10与第一拇指旋转轴19之间设有第二斜齿轮组17，第一拇指旋转轴19与第二拇指旋转轴20之间设有拇指正齿轮组16。

如图5所示，大拇指屈伸机构包括设置在拇指连接壳6与拇指手指壳3之间的横向屈伸轴18、设置在拇指手指壳3内部的拇指屈伸电机9以及设置在横向屈伸轴18与拇指屈伸电机9之间的第一斜齿轮组15。

食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体均包括与手掌壳体铰接的近端手指壳2以及与近端手指壳2铰接的远端手指壳1。

如图6所示，食指屈伸机构包括设置在手掌壳体内部的食指屈伸电机8、设置在手掌壳体上的近端轴23、设置在手掌壳体与近端手指壳2之间的中间轴22以及设置在近端手指壳2与远端手指壳1之间的远端轴21，食指屈伸电机8与近端轴23之间设有食指锥齿轮组14，近端轴23与中间轴22之间设有食指正齿轮组13，中间轴22与远端轴21之间设有同步带轮组。同步带轮组包括一对分别套设在中间轴22及远端轴21上的同步带轮11以及绕设在两同步带轮11之间的同步带12。

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 (2)

1.一种六自由度五指机械手，其特征在于，该机械手包括手掌壳体以及分别设置在手掌壳体上的大拇指壳体、食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体，所述的手掌壳体与大拇指壳体之间设有大拇指旋转机构及大拇指屈伸机构，所述的手掌壳体与食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体之间分别设有食指屈伸机构、中指屈伸机构、无名指屈伸机构、小拇指屈伸机构；

所述的食指壳体、中指壳体、无名指壳体、小拇指壳体均包括与手掌壳体铰接的近端手指壳(2)以及与近端手指壳(2)铰接的远端手指壳(1)；

所述的食指屈伸机构包括设置在手掌壳体内部的食指屈伸电机(8)、设置在手掌壳体上的近端轴(23)、设置在手掌壳体与近端手指壳(2)之间的中间轴(22)以及设置在近端手指壳(2)与远端手指壳(1)之间的远端轴(21)，所述的食指屈伸电机(8)与近端轴(23)之间设有食指锥齿轮组(14)，所述的近端轴(23)与中间轴(22)之间设有食指正齿轮组(13)，所述的中间轴(22)与远端轴(21)之间设有同步带轮组；

所述的同步带轮组包括一对分别套设在中间轴(22)及远端轴(21)上的同步带轮(11)以及绕设在两同步带轮(11)之间的同步带(12)；

所述的食指正齿轮组(13)为1:2正齿轮组，所述的食指锥齿轮组(14)为1:3锥齿轮组；

所述的食指屈伸机构的工作过程为：在手掌壳体内部带有齿轮头的食指屈伸电机(8)驱动食指锥齿轮组(14)，食指锥齿轮组(14)改变了转矩的方向，同时将转矩传递到近端轴(23)，近端轴(23)带动食指正齿轮组(13)转动，同时中间轴(22)也随之转动，即掌指关节被驱动，中间轴(22)又通过同步带(12)和同步带轮(11)将转矩传递到远端轴(21)，远端轴(21)开始转动，即近端指关节被驱动，产生耦合的MCP和PIP运动；

所述的大拇指壳体包括与手掌壳体铰接的拇指连接壳(6)、与拇指连接壳(6)铰接的拇指手指壳(3)以及设置在拇指连接壳(6)上的限位壳(7)；

所述的大拇指旋转机构包括设置在手掌壳体内部的拇指旋转电机(10)以及分别设置在手掌壳体_上的第一拇指旋转轴(19)及第二拇指旋转轴(20)，所述的拇指连接壳(6)设置在第二拇指旋转轴(20)上，并通过第二拇指旋转轴(20)与手掌壳体铰接；

所述的拇指旋转电机(10)与第一拇指旋转轴(19)之间设有第二斜齿轮组(17)，所述的第一拇指旋转轴(19)与第二拇指旋转轴(20)之间设有拇指正齿轮组(16)；

所述的大拇指屈伸机构包括设置在拇指连接壳(6)与拇指手指壳(3)之间的横向屈伸轴(18)、设置在拇指手指壳(3)内部的拇指屈伸电机(9)以及设置在横向屈伸轴(18)与拇指屈伸电机(9)之间的第一斜齿轮组(15)。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度五指机械手，其特征在于，所述的手掌壳体包括相对设置的手掌外壳(5)及手背外壳(4)。

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