CN110842962B - 32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,该灵巧手借鉴人手的解剖学结构,手部为内骨骼式,外表适合包覆具有一定厚度的柔性仿生皮肤层;关节采用了双驱动器拮抗式驱动,兼顾柔顺操作和鲁棒性;采用了腱联接件和腱鞘固定件,易于拆装手部和腕部;五指的掌指关节都具有回转自由度,使手指能够自动柔顺地适应复杂的曲面;拇指的腕掌关节具有屈伸、环转两个自由度,拇指掌指关节具有侧摆的自由度,无名指和小指的腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,能够做对掌动作,以执行复杂的捏取操作;多自由度关节的各自由度轴线正交,利于控制和运动规划计算;该灵巧手非常适合柔顺地操作复杂形状的物体,便于生产、拆装与维护。

Description

32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手
技术领域
本发明属于仿生灵巧手领域,具体涉及一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手。
背景技术
仿生灵巧手是指手指数、自由度、形状和功能接近人手的机械手,能够灵活精细地操作物体,适合作为高性能假肢,或用于柔顺装配等工业场景,还可以代替人员进入污染、毒害、辐射等危险环境作业,以及应用于通用性较强的服务型机器人,是仿生机器人或人形机器人的关键组成部分。仿生灵巧手的特点是手部尺寸小巧而关节数量多,需要在狭小的空间内实现较大力量的传递,而且往往需要各个关节能够独立控制以达到较高的灵活性。
目前灵巧手大多采用腱传动、齿轮或连杆等传动方式。其中,腱传动具有柔顺、能胯关节传递较大力量等特点,被广泛应用于自由度数量高的灵巧手系统。该方式是通过腱(采用钢丝或柔绳)将位于手臂内的驱动器的力与运动传递至手部关节处,能够有效平衡手部空间尺寸约束与需要传递较大力量的矛盾;有的方案还会在腱的外层套上腱鞘(即软管),使腱能够在腱鞘内轴向滑动,用于约束腱的走向以及提供保护。然而这种方式需要使大量腱和腱鞘从腕部通过,手部与腕部不易自由拆装并与手臂分离或组合,不便于维护。因此,需要一种能够灵活地将腱和腱鞘断开、以及将手部和腕部拆装并与手臂分离或组合的方式,以便生产、拆装和维护。
人的关节由一对肌肉群组形成拮抗式驱动,即当一组肌肉收紧,另一组肌肉释放,对应关节即向一个方向转动,反之亦然。采用腱传动的灵巧手也可模拟此方式,令每个关节由一对驱动器进行拮抗式驱动,即需要关节向一个方向转动时,其中一个驱动器拉腱,另一个驱动器放腱,反之亦然;这样还可以控制关节刚度,进而兼顾柔顺操作和抗干扰鲁棒性。然而这种方式需要用到的电机数量较多,如何有效地利用小臂空间布置驱动器以及传动系统是一个难点。
人手中一些关节具有2个或更多自由度(如掌指关节和腕部关节),而且这些自由度的轴线接近正交,各个自由度由不同的肌肉群驱动,可以灵活独立的运动。仿生灵巧手关节的设计也应使相应关节的各个自由度的轴线尽量正交,这样在运动形态和人手最接近,而且关节的各个自由度互相解耦,便于控制与运动规划的计算。目前很多灵巧手的设计没有做到这一点,为控制和运动规划的计算带来了一定困难。
人手中的一些关节具有被动自由度,如掌指关节可以令手指在受外力作用下沿手指近指节轴线作小幅度旋转(即回转运动),这样可使手指自动柔顺地适应复杂的曲面,对抓握、抓持和操作复杂形状的物体具有重要意义,例如握笔书写、使用筷子等,手指需要作小幅度回转以配合笔或筷子的外形。然而目前的灵巧手还没有采用这种被动自由度,对复杂形状的物体的适应性不够好。
人手还具有对掌运动的能力。对掌运动是指拇指尖的掌面和其他各指的掌面相接触的运动,是人类在长期的生产过程中进化出的特有能力,使人手能够执行复杂的捏取动作以及使手掌适应具有复杂曲面的被操作对象,例如抓握苹果、灯泡等。对掌运动要求拇指的腕掌关节至少具有环转自由度和屈伸自由度以及小幅度侧摆的自由度,并且需要拇指掌指关节具有侧摆的自由度,以及需要无名指和小指的腕掌关节至少具有小幅度屈伸自由度和内收外展自由度(或者同时采用内旋的自由度)。现有的大部分灵巧手尚未充分实现对掌功能,不易执行复杂的捏取动作。
现在的大部分灵巧手采用外骨骼方案,其外壳较坚硬,手掌常常为一整块,手部表面也没有充足空间用于包覆有一定厚度的柔性仿生皮肤层,不利于执行柔顺握取和操作。
发明内容
为解决上述问题,本发明提出一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手;该灵巧手借鉴人手的解剖学结构,手部为内骨骼式,外表有足够空间用于包覆具有一定厚度的柔性仿生皮肤层;关节采用了双驱动器拮抗式驱动,能够控制关节刚度,兼顾柔顺操作和抗干扰鲁棒性;采用了易于拆装的腱联接件和腱鞘固定件,易于拆装手部和腕部;五指的掌指关节都具有回转的自由度,使手指能够自动柔顺地适应复杂的曲面(如持笔、使用筷子等);拇指的腕掌关节具有环转、屈伸两个自由度,拇指掌指关节具有侧摆的自由度,无名指和小指的腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,能够做对掌动作,适合执行复杂的捏取操作以及使手掌适应具有复杂曲面的被操作对象(如抓握苹果、灯泡等);多自由度关节的各自由度轴线正交,利于控制和运动规划计算;该灵巧手非常适合柔顺地抓握、抓持、捏取和操作复杂形状的物体,便于生产、拆装与维护。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,所述灵巧手包括:手部模块、腕部模块、小臂模块;
所述手部模块包括:拇指单元、食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元、掌部单元;
所述拇指单元由拇指远指节、拇指近指节、拇指远关节组成;
所述食指单元由食指远指节、食指中指节、食指近指节、食指远关节、食指近关节组成;
所述中指单元由中指远指节、中指中指节、中指近指节、中指远关节、中指近关节组成;
所述无名指单元由无名指远指节、无名指中指节、无名指近指节、无名指远关节、无名指近关节组成;
所述小指单元由小指远指节、小指中指节、小指近指节、小指远关节、小指近关节组成;
所述掌部单元由腕掌基座、拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节、拇指腕掌关节、无名指腕掌关节、小指腕掌关节、无名指掌指节挠性约束元件、小指掌指节挠性约束元件、拇指掌指关节、食指掌指关节、中指掌指关节、无名指掌指关节、小指掌指关节组成;
所述腕部模块由腕部关节和腕部支撑架组成;
所述小臂模块由腱鞘引导座和驱动器收纳仓组成;
所述拇指单元通过拇指掌指关节铰接于拇指掌指节;
所述食指单元通过食指掌指关节铰接于食指掌指节;
所述中指单元通过中指掌指关节铰接于中指掌指节;
所述无名指单元通过无名指掌指关节铰接于无名指掌指节;
所述小指单元通过小指掌指关节铰接于小指掌指节;
所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节分别安装有一个掌内驱动器,并与掌内驱动器的定子固联;
所述拇指掌指节通过拇指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述食指掌指节固联于腕掌基座;
所述中指掌指节固联于腕掌基座;
所述无名指掌指节通过无名指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述小指掌指节通过小指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述无名指掌指节挠性约束元件将中指掌指节与无名指掌指节柔性联接在一起;
所述小指掌指节挠性约束元件将无名指掌指节与小指掌指节柔性联接在一起;
所述腕掌基座通过腕部关节铰接于腕部支撑架;
所述腕部支撑架固联于小臂模块;
所述腱鞘引导座安装于腕部支撑架与小臂模块相衔接处;
所述驱动器收纳仓中安装有多个小臂内驱动器;
所述驱动器收纳仓中安装有驱动器驱动电路;
各个小臂内驱动器的输出轴分别安装有1个绞盘;
所述掌内驱动器和小臂内驱动器均配置为旋转型驱动器。
所述灵巧手具有32个自由度;其中,拇指远关节具有屈伸自由度,拇指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,拇指腕掌关节具有环转自由度和屈伸兼侧摆自由度,食指远关节具有屈伸自由度,食指近关节具有屈伸自由度,食指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,中指远关节具有屈伸自由度,中指近关节具有屈伸自由度,中指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指远关节具有屈伸自由度,无名指近关节具有屈伸自由度,无名指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,小指远关节具有屈伸自由度,小指近关节具有屈伸自由度,小指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,小指腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,腕部关节具有屈伸自由度和侧摆自由度。
可选地,所述拇指掌指关节的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述食指掌指关节的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述中指掌指关节的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述无名指掌指关节的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述小指掌指关节的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述无名指腕掌关节的屈伸自由度和内收外展自由度的轴线正交,所述小指腕掌关节的屈伸自由度和内收外展自由度的轴线正交,所述腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度的轴线正交,利于控制与运动规划的计算。
所述拇指掌指关节的回转自由度、食指掌指关节的回转自由度、中指掌指关节的回转自由度、无名指掌指关节的回转自由度、小指掌指关节的回转自由度、无名指腕掌关节的内收外展自由度、小指腕掌关节的内收外展自由度为由外力驱动的被动自由度。
所述拇指掌指关节的侧摆自由度由拇指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动。
所述食指掌指关节的侧摆自由度由食指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动。
所述中指掌指关节的侧摆自由度由中指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动。
所述无名指掌指关节的侧摆自由度由无名指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动。
所述小指掌指关节的侧摆自由度由小指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动。
所述拇指远关节的屈伸自由度、拇指掌指关节的屈伸自由度、拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度和环转自由度、食指远关节的屈伸自由度、食指近关节的屈伸自由度、食指掌指关节的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、中指掌指关节的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、无名指掌指关节的屈伸自由度、无名指腕掌关节的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度、小指掌指关节的屈伸自由度、小指腕掌关节的屈伸自由度、腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度分别由包括一对小臂内驱动器并采用腱传动的拮抗式驱动机构驱动,并且这些自由度互相解耦。
所述灵巧手的一至多个腱包覆有具有保护和引导腱的作用的腱鞘;所述腱鞘由内至外具有一至多层。
所述腱鞘引导座具有多个腱鞘安装口;
所述腱鞘的一端与采用腱传动的关节的关节座固定,另一端与腱鞘引导座的腱鞘安装口固定。
在所述拮抗式驱动机构中,受控关节的转动端通过腱固定元件与腱上任一点固联,受控关节的受控自由度由一对小臂内驱动器共同驱动;其中,一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱的一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的一个方向的运动趋势,另一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱的另一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的相反方向的运动趋势;这对小臂内驱动器构成拮抗式驱动。
通过配置构成拮抗式驱动的一对小臂内驱动器的速度和输出力对受控关节的运动、力矩、关节阻尼和关节刚度进行控制;这使灵巧手能够兼顾操作的柔顺性和抗干扰的鲁棒性。
所述灵巧手的各个关节处安装有关节角度传感器,测量各个自由度的旋转角度和角速度;角速度可以通过角度对时间做微分得到。
所述灵巧手的全部或部分关节处安装有关节力和力矩传感器。
所述灵巧手的一至多个腱安装有腱张力传感器。
所述灵巧手的一至多个绞盘安装有力矩传感器,测量小臂内驱动器输出轴作用于绞盘的力矩。
所述灵巧手采用腱传动的各个关节的关节座具有腱鞘安装口。
所述拇指远指节、食指远指节、中指远指节、无名指远指节、小指远指节、食指中指节、中指中指节、无名指中指节、小指中指节、拇指近指节、食指近指节、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为采用轻合金制作或者采用轻质非金属材料制作,具有电磁屏蔽层,用于屏蔽内部电路,提高抗电磁干扰能力。
所述拇指单元、食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的各指节的长度比例关系模拟人手。
所述拇指远指节、食指远指节、中指远指节、无名指远指节、小指远指节配置为外侧壁具有锥面并且底面开口的中空构造;外侧壁可以适配指端力传感器或仿生皮肤;中空的空间容纳关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
所述食指中指节、中指中指节、无名指中指节和小指中指节配置为中空管的构造;中空的空间容纳关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
所述拇指近指节、食指近指节、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为基部具有侧突的中空管的构造;侧突的空间容纳掌指关节回转角度传感器;中空的空间容纳回转复位装置、关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
所述拇指远关节、食指远关节、中指远关节、无名指远关节、小指远关节、食指近关节、中指近关节、无名指近关节和小指近关节分别配置为采用1自由度指间关节通用模组;
所述1自由度指间关节通用模组具有屈伸自由度,由指间关节座、指间关节转动端、指间关节屈伸轴、指间关节屈伸角度传感器组成。
所述指间关节屈伸轴具有与指间关节屈伸角度传感器适配的接口以及与指间关节转动端锁紧的接口。
所述指间关节座和指间关节转动端各有一个用于安装指节或关节力和力矩传感器的安装接口。
任一个所述指间关节座的安装方式包括下面的任一种:
指间关节座直接与指节固联;或,
指间关节座先与关节力和力矩传感器固联,关节力和力矩传感器再与指节固联,这种方式用于测量1自由度指间关节通用模组的一至多维力和力矩。
任一个所述指间关节转动端的安装方式包括下面的任一种:
指间关节转动端直接与指节固联;或,
指间关节转动端先与关节力和力矩传感器固联,关节力和力矩传感器再与指节固联,这种方式用于测量1自由度指间关节通用模组的一至多维力和力矩。
所述腕掌基座具有分别与腕部关节、拇指腕掌关节、无名指腕掌关节、小指腕掌关节、食指掌指节和中指掌指节联接的安装接口,配置为掌部单元的主要承力部件。
所述食指掌指节和中指掌指节的主轴线配置为形成0至15度的夹角,模拟人手掌部的曲面。
所述无名指掌指节的根部与无名指腕掌关节形成内收外展自由度的转动副。
所述小指掌指节的根部与小指腕掌关节形成内收外展自由度的转动副。
所述拇指掌指节的根部与拇指腕掌关节配合形成屈伸兼侧摆自由度的转动副,并且固联有用于腱传动的V型槽轮。
所述拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度为耦合了屈伸和侧摆两个运动的一个自由度,其轴线与拇指掌指关节侧摆自由度的轴线具有30至60度的夹角,模拟人手在做对掌动作时拇指腕掌关节同时做屈伸和侧摆动作的运动形态,以实现对掌功能。
所述拇指腕掌关节由拇指腕掌关节座、拇指腕掌关节转动端、拇指腕掌关节环转角度传感器和拇指腕掌关节屈伸侧摆角度传感器组成。
所述拇指腕掌关节转动端的一端与拇指腕掌关节座形成环转自由度的转动副并且同轴固联有用于腱传动的V型槽轮,另一端与拇指掌指节形成屈伸兼侧摆自由度的转动副;
所述拇指腕掌关节转动端具有腱鞘安装口。
所述无名指掌指节挠性约束元件约束无名指掌指节的运动范围,并使无名指掌指节在没有外力作用时保持在原位;当无名指掌指节做屈曲运动时,无名指掌指节挠性约束元件将其牵住同时附带发生内收运动。
所述小指掌指节挠性约束元件约束小指掌指节的运动范围,并使小指掌指节在没有外力作用时保持在原位;当小指掌指节做屈曲运动时,小指掌指节挠性约束元件将其牵住同时附带发生内收运动。
当所述掌部单元受到小指侧至拇指侧方向的外力时(如握手时),无名指掌指节和小指掌指节可同时发生内收运动,并由无名指掌指节挠性约束元件和小指掌指节挠性约束元件吸收和缓冲这个外力。
所述无名指腕掌关节由无名指腕掌关节座、无名指腕掌关节转动端、无名指腕掌关节屈伸角度传感器和无名指腕掌关节内收外展角度传感器组成。
所述小指腕掌关节由小指腕掌关节座、小指腕掌关节转动端、小指腕掌关节屈伸角度传感器和小指腕掌关节内收外展角度传感器组成。
所述拇指掌指关节、食指掌指关节、中指掌指关节、无名指掌指关节、小指掌指关节分别配置为采用3自由度掌指关节通用模组。
所述3自由度掌指关节通用模组具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度;可选地,这3个自由度的轴线正交以利于控制与运动规划的计算。
所述3自由度掌指关节通用模组由掌指关节侧摆转动端、掌指关节侧摆轴、掌指关节屈伸转动端、掌指关节屈伸轴、回转复位装置、掌指关节屈伸角度传感器、掌指关节侧摆角度传感器、掌指关节回转角度传感器、掌指关节腱导向槽组成。
所述掌指关节侧摆轴的柱面具有与掌指关节屈伸轴锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节侧摆角度传感器的接口。
所述掌指关节屈伸轴的柱面具有与掌指关节侧摆轴锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节屈伸角度传感器的接口。
所述掌指关节屈伸转动端具有支撑近指节做回转运动并承力的回转关节座。
所述回转复位装置安装于掌指关节屈伸转动端的回转关节座,具有弹性复位元件(如复位弹簧),使手指单元在受到外来的扭力时做回转运动,并且回转的幅度与该扭力成正相关;当外来的扭力消失时,手指单元回复至原位。
所述回转复位装置具有安装应变片或关节力和力矩传感器的接口,以测量3自由度掌指关节通用模组的一至多维力和力矩。
所述掌指关节腱导向槽固联于掌指关节侧摆转动端,途径掌指关节的腱和腱鞘嵌在掌指关节腱导向槽中滑动;掌指关节腱导向槽引导腱和腱鞘的走向,减弱掌指关节在做侧摆运动时对驱动掌指关节屈伸自由度的腱以及对跨越3自由度掌指关节通用模组的腱鞘的干涉;掌指关节腱导向槽的侧剖面为半圆型,使腱在传动过程中保持衡定的传动力臂长度(等于掌指关节腱导向槽内半径)。
所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节安装的掌内驱动器分别通过齿轮系带动其铰接的掌指关节侧摆转动端做侧摆运动。
所述腕部关节由腕部关节侧摆轴、腕部关节侧摆转动端、腕部关节屈伸轴、腕部关节屈伸转动端、腕部关节侧摆角度传感器、腕部关节屈伸角度传感器和腕部关节腱导向槽组成。
所述腕部关节侧摆轴的一端具有同轴从动V型槽轮,中部具有与腕部关节屈伸轴锁紧配合的缺口,另一端具有与腕部关节侧摆角度传感器适配的接口。
所述腕部关节屈伸轴的柱面具有与腕部关节侧摆轴锁紧配合的缺口,其一端具有与腕部关节屈伸角度传感器适配的接口。
所述腕部关节屈伸转动端具有与腕掌基座联接的接口,以及安装关节力和力矩传感器的接口(以测量腕部的一至多维力和力矩)。
所述腕部关节腱导向槽固联于腕部关节侧摆转动端,驱动腕部关节屈伸自由度的腱嵌在腕部关节腱导向槽中滑动,减弱腕部关节在做侧摆运动时对驱动腕部关节屈伸自由度的腱的干涉;所述腕部关节腱导向槽的侧剖面为半圆型,使腱在传动过程中保持衡定的传动力臂长度(等于腕部关节腱导向槽内半径)。
所述腕部支撑架具有腱鞘安装口、腕部关节座和小臂安装座,用于将腕部关节和小臂模块联接在一起。
一种改进的方案为,所述掌内驱动器配置为采用直线型驱动器,通过连杆机构驱动对应掌指关节侧摆转动端做侧摆运动。
一种改进的方案为,所述小臂内驱动器配置为采用直线型驱动器,驱动器输出轴与腱固联。
另一种改进的方案为,所述小臂内驱动器配置为采用旋转型驱动器,而小臂内驱动器的输出轴并不与绞盘固联,而是通过丝杠机构将小臂内驱动器输出轴的旋转运动转为直线运动;驱动器输出轴与丝杠机构的丝杠固联,丝杠机构的直线运动端与腱固联。
所述小臂内驱动器若采用旋转型驱动器,可以采用舵机、直流电机或无刷电机等;所述小臂内驱动器若采用直线型驱动器,可以采用人造肌肉、直线电机。
各个小臂内驱动器按照峰值输出力或峰值输出力矩的大小以及驱动对象的不同,分为主要关节驱动器、辅助关节驱动器、腕部关节驱动器;其峰值输出力或峰值输出力矩的大小关系为主要关节驱动器最小,辅助关节驱动器居中,腕部关节驱动器最大。
所述主要关节驱动器用于驱动拇指远关节的屈伸自由度、拇指掌指关节的屈伸自由度、拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度、食指远关节的屈伸自由度、食指近关节的屈伸自由度、食指掌指关节的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、中指掌指关节的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、无名指掌指关节的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度、小指掌指关节的屈伸自由度。
所述辅助关节驱动器用于驱动拇指腕掌关节的环转自由度、无名指腕掌关节的屈伸自由度、小指腕掌关节的屈伸自由度。
所述腕部关节驱动器用于驱动腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度。
所述小臂模块中的部分或全部小臂内驱动器采用的布局方式包括下面的一种或任几种:
将多个小臂内驱动器从拇指侧到小指侧方向排为多列安装;和/或,
将多个小臂内驱动器从手侧到肘侧方向排为多排安装;和/或,
将多个小臂内驱动器两两分为一组,每组的一对小臂内驱动器驱动同一个自由度,构成拮抗式驱动;其中,每组小臂内驱动器的安装方式进一步包括:
将每组的一对小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向手背侧,另一个输出轴朝向手心侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向拇指侧,另一个输出轴朝向小指侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手背侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手心侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向拇指侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向小指侧。
可选地,为充分利用小臂模块内的空间,所述小臂模块中的部分或全部小臂内驱动器采用如下布局方式:
1)将腕部关节驱动器置于驱动器收纳仓中最靠近腕部关节的位置;驱动腕部关节侧摆自由度的一组腕部关节驱动器同向安装,输出轴朝向手背侧;驱动腕部关节屈伸自由度的一组腕部关节驱动器相向安装,输出轴分别朝向手背侧和手心侧;
2)将主要关节驱动器置于驱动器收纳仓中远离腕部关节的位置;每组主要关节驱动器相向安装,分为手心向主要关节驱动器和手背向主要关节驱动器,即手心向主要关节驱动器输出轴朝向手心侧,手背向主要关节驱动器输出轴朝向手背侧;
3)将辅助关节驱动器置于腕部关节驱动器与主要关节驱动器之间的位置;每组辅助关节驱动器相向安装,输出轴分别朝向手背侧和手心侧;
4)将主要关节驱动器从拇指侧到小指侧排为5列,每列对应1个手指单元,即从拇指侧开始,第1列对应拇指单元,第2列对应食指单元,第3列对应中指单元,第4列对应无名指单元,第5列对应小指单元。
每列主要关节驱动器从手侧到肘侧方向排为3组(共6排),每组包括一对主要关节驱动器共同驱动该列对应手指单元的1个自由度;即从手侧开始,第1列第1组驱动拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度,第1列第2组驱动拇指掌指关节的屈伸自由度,第1列第3组驱动拇指远关节的屈伸自由度;第2列第1组驱动食指掌指关节的屈伸自由度,第2列第2组驱动食指近关节的屈伸自由度,第2列第3组驱动食指远关节的屈伸自由度;第3列第1组驱动中指掌指关节的屈伸自由度,第3列第2组驱动中指近关节的屈伸自由度,第3列第3组驱动中指远关节的屈伸自由度;第4列第1组驱动无名指掌指关节的屈伸自由度,第4列第2组驱动无名指近关节的屈伸自由度,第4列第3组驱动无名指远关节的屈伸自由度;第5列第1组驱动小指掌指关节的屈伸自由度,第5列第2组驱动小指近关节的屈伸自由度,第5列第3组驱动小指远关节的屈伸自由度。
所述小臂模块中的不同绞盘具有一至多种直径,各个绞盘分别分布在小臂模块的手背侧或手心侧或拇指侧或小指侧,每侧的部分或全部绞盘分为一至多层排列。
可选地,为充分利用小臂模块内的空间,将大量绞盘集成进小巧的小臂模块,为各个关节提供合适的运动行程,并且避免大量绞盘和腱互相干涉,小臂模块中的部分或全部绞盘采用如下布局:
1)采用4种不同直径的绞盘,按照绞盘的直径由小到大分为I型绞盘、II型绞盘、III型绞盘和IV型绞盘;
2)所述拇指远关节的屈伸自由度、食指远关节的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度配置为采用IV型绞盘驱动;
3)所述拇指掌指关节的屈伸自由度、食指近关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度配置为采用III型绞盘驱动;
4)所述拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度、食指掌指关节的屈伸自由度、中指掌指关节的屈伸自由度、无名指掌指关节的屈伸自由度、小指掌指关节的屈伸自由度配置为采用II型绞盘驱动;
5)所述拇指腕掌关节的环转自由度、无名指腕掌关节的屈伸自由度、小指腕掌关节的屈伸自由度、腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度配置为采用I型绞盘驱动;
6)所述第一列、第三列、第五列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在小臂模块的手心侧内层;第二列、第四列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在手心侧外层;
7)所述第一列、第三列、第五列的手背向主要关节驱动器的绞盘安装在小臂模块的手背侧外层;第二列、第四列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在手背侧内层。
所述驱动器收纳仓由一至多个子收纳仓组成;若所述子收纳仓多于一个,则其互相之间可以拆开或组装在一起,便于各个子收纳仓独立组装、调试和维护。
所述腱鞘引导座的多个腱鞘安装口分别分布在腱鞘引导座的手背侧和手心侧,每侧的腱鞘安装口分别排列为一至多层,使多个腱和腱鞘能够顺利跨过腕部模块通至手部模块的各个关节,减少相互干涉;所述腱鞘引导座具有与腕部支撑架适配的接口以及与小臂模块适配的接口。
所述灵巧手的一至多个腱鞘分别通过可拆卸的腱鞘固定元件将一端安装在腱鞘引导座的腱鞘安装口上,并通过可拆卸的腱鞘固定元件将另一端安装在采用腱传动的关节的关节座的腱鞘安装口上。
所述腱鞘固定元件使腱鞘能够容易地从腱鞘引导座上安装或拆下;
腱在绞盘和腱鞘引导座之间的部分装有腱联接件,腱联接件可断开或联接,从而使腱从中间断开或联接;所述腱联接件的最大外直径小于腱鞘引导座的腱鞘安装口的内直径,这样腱联接件可以随着腱一起从腱鞘安装口穿出。
所述灵巧手采用了腱鞘固定元件和腱联接件,使灵巧手的手部模块和腕部模块能够较便捷地与小臂模块组装在一起或拆下分离,便于生产和维护。
所述拇指远关节、拇指掌指关节、食指远关节、食指近关节、食指掌指关节、中指远关节、中指近关节、中指掌指关节、无名指远关节、无名指近关节、无名指掌指关节、小指远关节、小指近关节、小指掌指关节处各安装有1个I型腱鞘约束元件。
所述腕部关节安装有1个II型腱鞘约束元件。
所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节分别在其上表面和下表面各安装有1个III型腱鞘约束元件。
所述食指近指节、中指近指节、无名指近指节、小指近指节的手背侧和手心侧外表面分别安装有1个IV型腱鞘约束元件。
所述I型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导1至4个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔。
所述II型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导至少5个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许穿过其中的一至多个腱鞘在该II型腱鞘约束元件内部各自发生蜷曲的构造。
所述III型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许一至多个腱鞘在该III型腱鞘约束元件中的部分各自发生蜷曲的构造。
所述IV型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔。
所述灵巧手配置为采用如下的腱传动布局:
1)多个腱分布于所述灵巧手的手背侧和手心侧,其一端与对应的绞盘固联,其腱鞘的始端分别通过腱鞘固定元件固定于腱鞘引导座的手背侧和手心侧的腱鞘安装口,腱从中穿过,向腕部模块延伸;
2)其中,驱动腕部关节的各个腱通过腱鞘穿过腕部支撑架的腱鞘安装口,分别与腕部关节侧摆转动端、腕部关节屈伸转动端固联,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与腕部支撑架的腱鞘安装口固联;
3)其它腱及其腱鞘分别从手背侧和手心侧越过腕部关节,由安装于腕部的大关节处腱鞘挠性约束元件约束走向和蜷曲空间,继而分别在腕掌基座的手背侧和手心侧汇拢;
4)分别驱动拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度、无名指腕掌关节的屈伸自由度和小指腕掌关节的屈伸自由度的各个腱通过腱鞘穿过对应腕掌关节座的腱鞘安装口,与对应腕掌关节转动端固联,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与对应腕掌关节座的腱鞘安装口固联;
5)驱动拇指腕掌关节环转自由度的腱固联于拇指掌指节的V型槽轮,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与拇指腕掌关节转动端的腱鞘安装口固联;
6)分别驱动各个手指单元及对应掌指关节的腱及其腱鞘,继续分别从对应手指单元的掌指节的手背侧和手心侧通过,并分别由安装于掌指节手背侧和手心侧的III型腱鞘约束元件分为二至三层以约束走向与蜷曲空间;
7)途径拇指掌指节的腱及其腱鞘每侧分为内、外两层;每侧内层的腱驱动拇指掌指关节的屈伸自由度并与拇指掌指关节屈伸转动端固联,其腱鞘的末端与拇指掌指节固联;每侧外层的腱驱动拇指远关节的屈伸自由度,连同其腱鞘继续向拇指近指节延伸,在跨越拇指掌指关节时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向,这些腱固联于拇指远关节的指间关节转动端,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于拇指远关节的指间关节座;
8)途径食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节的腱及其腱鞘每侧分为内、中、外三层;每侧内层的腱驱动对应手指单元掌指关节的屈伸自由度并与掌指关节屈伸转动端固联,其腱鞘的末端与对应掌指节固联;每侧中层和外层的腱分别驱动对应手指单元近关节的屈伸自由度和远关节的屈伸自由度,连同其腱鞘继续向对应手指单元的近指节延伸,在跨越对应手指单元掌指关节时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向;
9)分别驱动食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的近关节的屈伸自由度的腱及其腱鞘继而分别从对应手指单元近指节的手背侧和手心侧通过,这些腱固联于对应手指单元近关节的指间关节转动端,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于对应手指单元近关节的指间关节座;
10)分别驱动食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的远关节的屈伸自由度的腱及其腱鞘在途径对应手指单元近指节时由近指节手背侧和手心侧固联的IV型腱鞘约束元件约束走向并能沿其轴线滑动,在跨越对应手指单元近关节时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向,这些腱固联于对应手指单元远关节的指间关节转动端,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于对应手指单元远关节的指间关节座。
所述灵巧手的各关节的各自由度轴线位置模仿人手,运动形态接近人手,能够很好地胜任人手能够执行的操作。
所述手部模块的结构为内骨骼式,外表面有充足空间,由具有一定厚度的仿生皮肤、柔性外套、刚性外壳包覆,用于保护内部构造以及使灵巧手适合抓握和自动适应复杂曲面物体。
所述刚性外壳将所述灵巧手按照各个手指单元的指节、掌部单元、腕部模块、小臂模块分段包覆。
所述仿生皮肤或柔性外套将所述灵巧手整体包覆,或者按照各个手指单元的整体或其各个指节、掌部单元、腕部模块、小臂模块分段包覆。
所述仿生皮肤、柔性外套、刚性外壳采用具有防水防尘和防止化学侵蚀的材料,和/或电磁屏蔽层,和/或具有屏蔽或减弱电离辐射作用的保护层。
本发明的有益效果为:本发明公开提供了一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,所述手部模块的结构为内骨骼式,外表有足够空间可以包覆具有一定厚度的柔性仿生皮肤层,为触觉感知、柔顺操作和抚摸提供了基础;关节采用了双驱动器拮抗式驱动,可以控制关节阻尼和关节刚度,兼顾操作的柔顺性和抗干扰的鲁棒性;采用了腱联接件和腱鞘固定件,腱和腱鞘容易联接或取下,进而使手部和腕部易于与小臂组装或分离,便于生产和维护;五指的掌指关节都具有回转自由度,使手指能够自动柔顺地适应具有复杂曲面的被操作对象(如握笔、使用筷子等);拇指的腕掌关节具有屈伸、环转两个自由度,拇指掌指关节具有侧摆的自由度,无名指和小指的腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,能够做对掌动作,以执行复杂的捏取操作以及使手掌适应具有复杂曲面的被操作对象(如握住苹果、灯泡等);多自由度关节的各自由度轴线正交,利于控制和运动规划计算;采用的驱动器、绞盘、腱和腱鞘的布局方式能充分利用灵巧手狭小的空间,使灵巧手的整体尺寸做到和人手一致;该灵巧手非常适合柔顺地操作复杂形状的物体,便于生产、拆装与维护,非常适合作为高端假肢或作为高性能通用机器人灵巧手或末端执行装置;该灵巧手可以配套能够防水、防尘和防止化学侵蚀,并且能够屏蔽或减弱电离辐射的柔性或刚性外壳、柔性外套或仿生皮肤,可以代替人员进入污染、毒害、辐射等危险环境作业。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的整体结构示意图;
图2为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的拇指单元示意图;
图3为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的食指单元示意图。
图4为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的1自由度指间关节通用模组示意图;
图5为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的掌部单元示意图;
图6为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的3自由度掌指关节通用模组示意图;
图7为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的拇指腕掌关节示意图;
图8为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的无名指腕掌关节示意图;
图9为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的小指腕掌关节示意图;
图10为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的腕部模块示意图;
图11为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的侧视图;
图12为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的小臂模块俯视图;
图13为本发明实施例中一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手的拮抗式驱动机构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见附图1,本发明实施例公开了一种32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,该灵巧手包括:拇指单元1、食指单元2、中指单元3、无名指单元4、小指单元5、掌部单元6、腕部模块7和小臂模块8。
参见附图2和附图5,所述拇指单元1由拇指远指节9、拇指近指节11、拇指远关节10组成,通过具有3个自由度的拇指掌指关节32与拇指掌指节24铰接。
参见附图3和附图5,所述食指单元2由食指远指节12、食指中指节14、食指近指节16、食指远关节13、食指近关节15组成,通过具有3个自由度的食指掌指关节33与食指掌指节25铰接。
参见附图1和附图5,所述中指单元3由中指远指节、中指中指节、中指近指节、中指远关节、中指近关节组成,通过具有3个自由度的中指掌指关节34与中指掌指节26铰接;
所述无名指单元4由无名指远指节、无名指中指节、无名指近指节、无名指远关节、无名指近关节组成,通过具有3个自由度的无名指掌指关节35与无名指掌指节27铰接;
所述小指单元5由小指远指节、小指中指节、小指近指节、小指远关节、小指近关节组成,通过具有3个自由度的小指掌指关节36与小指掌指节28铰接;
所述中指单元3、无名指单元4、小指单元5在结构上与食指单元2相近,参见附图3即可,不再使用额外的附图说明。
参见附图5,所述掌部单元6由腕掌基座23、拇指掌指节24、食指掌指节25、中指掌指节26、无名指掌指节27、小指掌指节28、拇指腕掌关节29、无名指腕掌关节30、小指腕掌关节31、无名指掌指节挠性约束元件83、小指掌指节挠性约束元件84、拇指掌指关节32、食指掌指关节33、中指掌指关节34、无名指掌指关节35、小指掌指关节36组成。
参见附图10,所述腕部模块7由腕部关节和腕部支撑架62组成。
参见附图11和附图12,所述小臂模块8由腱鞘引导座69和驱动器收纳仓组成。
参见附图1和附图2和附图3和附图5,所述拇指单元1通过拇指掌指关节32铰接于拇指掌指节24;
所述食指单元2通过食指掌指关节33铰接于食指掌指节25;
所述中指单元3通过中指掌指关节34铰接于中指掌指节26;
所述无名指单元4通过无名指掌指关节35铰接于无名指掌指节27;
所述小指单元5通过小指掌指关节36铰接于小指掌指节28;
所述拇指掌指节24、食指掌指节25、中指掌指节26、无名指掌指节27、小指掌指节28分别安装有一个掌内驱动器95,并与掌内驱动器95的定子固联;
所述拇指掌指节24通过拇指腕掌关节29铰接于腕掌基座23;
所述食指掌指节25固联于腕掌基座23;
所述中指掌指节26固联于腕掌基座23;
所述无名指掌指节27通过无名指腕掌关节30铰接于腕掌基座23;
所述小指掌指节28通过小指腕掌关节31铰接于腕掌基座23;
所述无名指掌指节挠性约束元件83将中指掌指节26与无名指掌指节27柔性联接在一起;
所述小指掌指节挠性约束元件84将无名指掌指节27与小指掌指节28柔性联接在一起;
参见附图1和和附图5和附图10,所述腕掌基座23通过腕部关节铰接于腕部支撑架62;
所述腕部支撑架62固联于小臂模块8;
所述腱鞘引导座69安装于腕部支撑架62与小臂模块8相衔接处;
所述驱动器收纳仓中安装有多个小臂内驱动器;
所述驱动器收纳仓中安装有驱动器驱动电路;
各个小臂内驱动器的输出轴分别安装有1个绞盘。
所述掌内驱动器95和小臂内驱动器均配置为旋转型驱动器。
所述灵巧手具有32个自由度;其中,拇指远关节10具有屈伸自由度,拇指掌指关节32具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,拇指腕掌关节29具有环转自由度和屈伸兼侧摆自由度,食指远关节13具有屈伸自由度,食指近关节15具有屈伸自由度,食指掌指关节33具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,中指远关节具有屈伸自由度,中指近关节具有屈伸自由度,中指掌指关节34具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指远关节具有屈伸自由度,无名指近关节具有屈伸自由度,无名指掌指关节35具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指腕掌关节30具有屈伸自由度和内收外展自由度,小指远关节具有屈伸自由度,小指近关节具有屈伸自由度,小指掌指关节36具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,小指腕掌关节31具有屈伸自由度和内收外展自由度,腕部关节具有屈伸自由度和侧摆自由度。
可选地,所述拇指掌指关节32的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述食指掌指关节33的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述中指掌指关节34的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述无名指掌指关节35的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述小指掌指关节36的屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度的轴线正交,所述无名指腕掌关节30的屈伸自由度和内收外展自由度的轴线正交,所述小指腕掌关节31的屈伸自由度和内收外展自由度的轴线正交,所述腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度的轴线正交,利于控制与运动规划的计算。
所述拇指掌指关节32的回转自由度、食指掌指关节33的回转自由度、中指掌指关节34的回转自由度、无名指掌指关节35的回转自由度、小指掌指关节36的回转自由度、无名指腕掌关节30的内收外展自由度、小指腕掌关节31的内收外展自由度为由外力驱动的被动自由度。
参见附图5,所述拇指掌指关节32的侧摆自由度由拇指掌指节24安装的掌内驱动器95通过齿轮系驱动;
所述食指掌指关节33的侧摆自由度由食指掌指节25安装的掌内驱动器95通过齿轮系驱动;
所述中指掌指关节34的侧摆自由度由中指掌指节26安装的掌内驱动器95通过齿轮系驱动;
所述无名指掌指关节35的侧摆自由度由无名指掌指节27安装的掌内驱动器95通过齿轮系驱动;
所述小指掌指关节36的侧摆自由度由小指掌指节28安装的掌内驱动器95通过齿轮系驱动。
所述拇指远关节10的屈伸自由度、拇指掌指关节32的屈伸自由度、拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度和环转自由度、食指远关节13的屈伸自由度、食指近关节15的屈伸自由度、食指掌指关节33的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、中指掌指关节34的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、无名指掌指关节35的屈伸自由度、无名指腕掌关节30的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度、小指掌指关节36的屈伸自由度、小指腕掌关节31的屈伸自由度、腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度分别由包括一对小臂内驱动器并采用腱传动的拮抗式驱动机构驱动,并且这些自由度互相解耦;
参见附图1和附图12,所述灵巧手的一至多个腱81包覆有具有保护和引导腱的作用的腱鞘;所述腱鞘由内至外具有一至多层;
参见附图1和附图11,所述腱鞘引导座69具有多个腱鞘安装口;
所述腱鞘的一端与采用腱传动的关节的关节座固定,另一端与腱鞘引导座69的腱鞘安装口固定;
参见附图4和附图13,在所述拮抗式驱动机构中,受控关节的转动端通过腱固定元件21与腱81上任一点固联,受控关节的受控自由度由一对小臂内驱动器共同驱动;其中,一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱81的一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的一个方向的运动趋势,另一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱81的另一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的相反方向的运动趋势;这对小臂内驱动器构成拮抗式驱动;
通过配置构成拮抗式驱动的一对小臂内驱动器的速度和输出力对受控关节的运动、力矩、关节阻尼和关节刚度进行控制;
参见附图4,以1自由度指间关节通用模组为例,腱81通过腱固定元件21固联于指间关节转动端18的槽轮处;其它由腱传动的关节的转动端均安装有类似作用的腱固定元件21;
参见附图13,1个手背侧小臂内驱动器通过手背侧绞盘93牵拉腱81的手背侧部分,1个手心侧小臂内驱动器通过手心侧绞盘90牵拉腱81的手心侧部分,构成拮抗式驱动机构共同牵拉手指关节转动端88;因判断关节运动趋势仅需参见手背侧绞盘93和手心侧绞盘90的运动,附图13中隐去了手背侧小臂内驱动器和手心侧小臂内驱动器;
1)当手背侧小臂内驱动器收紧腱81的手背侧部分,同时手心侧小臂内驱动器释放腱81的手心侧部分,手指关节转动端88向手背侧旋转,即伸展运动;
2)当手背侧小臂内驱动器释放腱81的手背侧部分,同时手心侧小臂内驱动器牵拉腱81的手心侧部分,手指关节转动端88向手心侧旋转,即屈曲运动;
当手背侧小臂内驱动器通过腱81的手背侧部分施加一定牵引力,同时手心侧小臂内驱动器通过腱81的手心侧部分施加一定牵引力,手指关节转动端88处的关节阻尼和关节刚度可通过动态调整两侧牵引力的大小进行控制;动态调整关节阻尼可使手指关节转动端88以平滑或者爆发(如弹手指)的方式运动;动态调整手指关节转动端88的关节刚度,可使其不受外力干扰,或者柔顺地适应外力。
采用腱传动的拮抗式驱动机构为灵巧手的关节阻尼和关节刚度控制提供了基础,使灵巧手能够兼顾操作的柔顺性和抗干扰的鲁棒性。
参见附图13,所述灵巧手的各个关节处安装有关节角度传感器89,测量各个自由度的旋转角度和角速度;
所述灵巧手的全部或部分关节处安装有关节力和力矩传感器87;
所述灵巧手的一至多个腱81安装有腱张力传感器92;
所述灵巧手的一至多个绞盘安装有力矩传感器,测量小臂内驱动器输出轴作用于绞盘的力矩。
所述灵巧手采用腱传动的各个关节的关节座具有腱鞘安装口。
参见附图1、附图2和附图3,所述拇指远指节9、食指远指节12、中指远指节、无名指远指节、小指远指节、食指中指节14、中指中指节、无名指中指节、小指中指节、拇指近指节11、食指近指节16、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为采用轻合金制作或者采用轻质非金属材料制作,具有电磁屏蔽层,用于屏蔽内部电路,提高抗电磁干扰能力;
所述拇指单元1、食指单元2、中指单元3、无名指单元4、小指单元5的各指节的长度比例关系模拟人手;
所述拇指远指节9、食指远指节12、中指远指节、无名指远指节、小指远指节配置为外侧壁具有锥面并且底面开口的中空构造;外侧壁可以适配指端力传感器或仿生皮肤91;中空的空间容纳指间关节力和力矩传感器22,以及电路和信号线;
所述食指中指节14、中指中指节、无名指中指节和小指中指节配置为中空管的构造;中空的空间容纳指间关节力和力矩传感器22,以及电路和信号线;
所述拇指近指节11、食指近指节16、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为基部具有侧突的中空管的构造;侧突的空间容纳掌指关节回转角度传感器43;中空的空间容纳回转复位装置、指间关节力和力矩传感器22,以及电路和信号线。
参见附图2和附图3和附图4,所述拇指远关节10、食指远关节13、中指远关节、无名指远关节、小指远关节、食指近关节15、中指近关节、无名指近关节和小指近关节分别配置为采用1自由度指间关节通用模组;
所述1自由度指间关节通用模组具有屈伸自由度,由指间关节座17、指间关节转动端18、指间关节屈伸轴19、指间关节屈伸角度传感器20组成;
所述指间关节屈伸轴19具有与指间关节屈伸角度传感器20适配的接口以及与指间关节转动端18锁紧的接口;
所述指间关节座17和指间关节转动端18各有一个安装指节或指间关节力和力矩传感器22的安装接口;
任一个所述指间关节座17的安装方式包括下面的任一种:
指间关节座17直接与指节固联;或,
指间关节座17先与指间关节力和力矩传感器22固联,指间关节力和力矩传感器22再与指节固联,这种方式用于测量1自由度指间关节通用模组的一至多维力和力矩;
任一个所述指间关节转动端18的安装方式包括下面的任一种:
指间关节转动端18直接与指节固联;或,
指间关节转动端18先与指间关节力和力矩传感器22固联,指间关节力和力矩传感器22再与指节固联,这种方式用于测量1自由度指间关节通用模组的一至多维力和力矩。
参见附图5,所述腕掌基座23具有分别与腕部关节、拇指腕掌关节29、无名指腕掌关节30、小指腕掌关节31、食指掌指节25和中指掌指节26联接的安装接口,配置为掌部单元6的主要承力部件;
所述食指掌指节25和中指掌指节26安装于腕掌基座23,安装时可使二者的主轴线形成0至15度的夹角,模拟人手掌部的曲面;
所述无名指掌指节27的根部有与无名指腕掌关节30形成内收外展自由度的转动副;
所述小指掌指节28的根部有与小指腕掌关节31形成内收外展自由度的转动副;
所述拇指掌指节24的根部与拇指腕掌关节29配合形成屈伸兼侧摆自由度的转动副,并且固联有用于腱传动的V型槽轮。
参见附图7,所述拇指腕掌关节29具有环转自由度和屈伸兼侧摆自由度;所述拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度为耦合了屈伸和侧摆两个运动的一个自由度,其轴线与拇指掌指关节32侧摆自由度的轴线具有30至60度的夹角,模拟人手在做对掌动作时拇指腕掌关节同时做屈伸和侧摆动作的运动形态,以实现对掌功能;
所述拇指腕掌关节29由拇指腕掌关节座57、拇指腕掌关节转动端58、拇指腕掌关节环转角度传感器60和拇指腕掌关节屈伸侧摆角度传感器59组成;
所述拇指腕掌关节转动端58的一端具有与拇指腕掌关节座57形成环转自由度的转动副的轴并且同轴固联有用于腱传动的V型槽轮61,另一端具有与拇指掌指节24形成屈伸兼侧摆自由度的转动副的轴并且与拇指腕掌关节屈伸侧摆角度传感器59的转动子固联;拇指腕掌关节屈伸侧摆角度传感器59的固定子与拇指掌指节24固联;
所述拇指腕掌关节转动端58具有腱鞘安装口。
参见附图5,所述无名指掌指节挠性约束元件83将中指掌指节26与无名指掌指节27柔性联接在一起,可以安装在中指掌指节26与无名指掌指节27之间或安装在中指掌指节26与无名指掌指节27的掌心侧,约束无名指掌指节27的运动范围,并使无名指掌指节27在没有外力作用时保持在原位(即休息位);当无名指掌指节27做屈曲运动时,无名指掌指节挠性约束元件83将其牵住同时附带发生内收运动。
所述小指掌指节挠性约束元件84将无名指掌指节27与小指掌指节28柔性联接在一起,可以安装在无名指掌指节27与小指掌指节28之间或安装在无名指掌指节27与小指掌指节28的掌心侧,约束小指掌指节28的运动范围,并使小指掌指节28在没有外力作用时保持在原位(即休息位);当小指掌指节28做屈曲运动时,小指掌指节挠性约束元件84将其牵住同时附带发生内收运动。
当所述掌部单元(即手掌部)受到小指侧至拇指侧方向的外力时(如握手时),无名指掌指节27和小指掌指节28可同时发生内收运动,并由无名指掌指节挠性约束元件83和小指掌指节挠性约束元件84吸收和缓冲这个外力。
所述无名指掌指节挠性约束元件83和小指掌指节挠性约束元件84可以采用柔性材料(如橡胶或硅胶)制作。
参见附图8,所述无名指腕掌关节30具有屈伸自由度和内收外展自由度,由无名指腕掌关节座52、无名指腕掌关节转动端53、无名指腕掌关节屈伸角度传感器54、无名指腕掌关节限位销56和无名指腕掌关节内收外展角度传感器55组成。
参见附图9,所述小指腕掌关节31具有屈伸自由度和内收外展自由度,由小指腕掌关节座47、小指腕掌关节转动端48、小指腕掌关节屈伸角度传感器49、小指腕掌关节限位销51和小指腕掌关节内收外展角度传感器50组成。
参见附图4和附图5和附图6,所述拇指掌指关节32、食指掌指关节33、中指掌指关节34、无名指掌指关节35、小指掌指关节36分别配置为采用3自由度掌指关节通用模组。
所述3自由度掌指关节通用模组具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度;可选地,这3个自由度的轴线正交以利于控制与运动规划的计算。
所述3自由度掌指关节通用模组由掌指关节侧摆转动端37、掌指关节侧摆轴40、掌指关节屈伸转动端38、掌指关节屈伸轴39、回转复位装置、掌指关节屈伸角度传感器42、掌指关节侧摆角度传感器41、掌指关节回转角度传感器43、掌指关节腱导向槽94组成。
所述掌指关节侧摆轴40的柱面具有与掌指关节屈伸轴39锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节侧摆角度传感器41的接口;
所述掌指关节屈伸轴39的柱面具有与掌指关节侧摆轴40锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节屈伸角度传感器42的接口;
所述掌指关节屈伸转动端38具有支撑近指节做回转运动并承力的回转关节座97;
所述回转复位装置安装于掌指关节屈伸转动端38的回转关节座97。
所述回转复位装置包括支撑轴44、弹簧卡紧元件45和弹性复位元件46(如复位弹簧);所述支撑轴44固联于掌指关节屈伸转动端38的回转关节座97;所述弹簧卡紧元件45固联于对应手指单元近指节的内壁;所述弹性复位元件46(如复位弹簧)卡在支撑轴44和弹簧卡紧元件45之间,使手指单元在受到外来的扭力时能够发生回转,并且回转的幅度与该扭力成正相关;当外来的扭力消失时,使手指单元回复至原位(即休息位)。
所述回转复位装置具有安装应变片或指间关节力和力矩传感器22的接口,以测量3自由度掌指关节通用模组的一至多维力和力矩;例如,应变片可安装于弹性复位元件46的外表面。
所述掌指关节腱导向槽94固联于掌指关节侧摆转动端37,途径掌指关节的腱81和腱鞘嵌在掌指关节腱导向槽94中滑动;掌指关节腱导向槽94引导腱81和腱鞘的走向,减弱掌指关节在做侧摆运动时对驱动掌指关节屈伸自由度的腱81以及对跨越3自由度掌指关节通用模组的腱鞘的干涉;掌指关节腱导向槽94的侧剖面为半圆型,使腱81在传动过程中保持衡定的传动力臂长度(等于掌指关节腱导向槽94内半径)。
参见附图5和附图6,所述拇指掌指节24、食指掌指节25、中指掌指节26、无名指掌指节27、小指掌指节28的掌内驱动器95分别通过齿轮系带动其铰接的掌指关节侧摆转动端37做侧摆运动。
参见附图10,所述腕部关节的侧摆自由度和屈伸自由度的轴线正交,利于控制与运动规划的计算。
所述腕部关节由腕部关节侧摆轴65、腕部关节侧摆转动端63、腕部关节屈伸轴96、腕部关节屈伸转动端64、腕部关节侧摆角度传感器67、腕部关节屈伸角度传感器68和腕部关节腱导向槽66组成。
所述腕部关节侧摆轴65的一端具有同轴从动V型槽轮,中部具有与腕部关节屈伸轴96锁紧配合的缺口,另一端具有与腕部关节侧摆角度传感器67适配的接口。
所述腕部关节屈伸轴96的柱面具有与腕部关节侧摆轴65锁紧配合的缺口,其一端具有与腕部关节屈伸角度传感器68适配的接口。
所述腕部关节屈伸转动端64具有与腕掌基座23联接的接口,以及安装关节力和力矩传感器87的接口(以测量腕部的一至多维力和力矩)。
所述腕部关节腱导向槽66固联于腕部关节侧摆转动端63,驱动腕部关节屈伸自由度的腱81嵌在腕部关节腱导向槽66中滑动,减弱腕部关节在做侧摆运动时对驱动腕部关节屈伸自由度的腱81的干涉;所述腕部关节腱导向槽66的侧剖面为半圆型,使腱81在传动过程中保持衡定的传动力臂长度(等于腕部关节腱导向槽66内半径)。
所述腕部支撑架62具有腱鞘安装口、腕部关节座和小臂安装座,用于将腕部关节和小臂模块8联接在一起。
参见附图5和附图6,一种改进的方案为,所述掌内驱动器95配置为采用直线型驱动器,通过连杆机构驱动对应掌指关节侧摆转动端37做侧摆运动。
一种改进的方案为,所述小臂内驱动器配置为采用直线型驱动器,驱动器输出轴与腱81固联。
另一种改进的方案为,所述小臂内驱动器配置为采用旋转型驱动器,而驱动器输出轴并不与绞盘固联,而是通过丝杠机构将小臂内驱动器输出轴的旋转运动转为直线运动;驱动器输出轴与丝杠机构的丝杠固联,丝杠机构的直线运动端与腱81固联。
所述小臂内驱动器若采用旋转型驱动器,可以采用舵机、直流电机或无刷电机等;所述小臂内驱动器若采用直线型驱动器,可以采用人造肌肉、直线电机。
参见附图1、附图5、附图11和附图12,各个小臂内驱动器按照峰值输出力或峰值输出力矩的大小以及驱动对象的不同,分为主要关节驱动器70、辅助关节驱动器71、腕部关节驱动器72;其峰值输出力或峰值输出力矩的大小关系为主要关节驱动器70最小,辅助关节驱动器71居中,腕部关节驱动器72最大。
所述主要关节驱动器70用于驱动拇指远关节10的屈伸自由度、拇指掌指关节32的屈伸自由度、拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度、食指远关节13的屈伸自由度、食指近关节15的屈伸自由度、食指掌指关节33的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、中指掌指关节34的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、无名指掌指关节35的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度、小指掌指关节36的屈伸自由度。
所述辅助关节驱动器71用于驱动拇指腕掌关节29的环转自由度、无名指腕掌关节30的屈伸自由度、小指腕掌关节31的屈伸自由度。
所述腕部关节驱动器72用于驱动腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度。
所述小臂模块8中的部分或全部小臂内驱动器采用的布局方式包括下面的一种或任几种:
将多个小臂内驱动器从拇指侧到小指侧方向排为多列安装;和/或,
将多个小臂内驱动器从手侧到肘侧方向排为多排安装;和/或,
将多个小臂内驱动器两两分为一组,每组的一对小臂内驱动器驱动同一个自由度,构成拮抗式驱动;其中,每组小臂内驱动器的安装方式进一步包括:
将每组的一对小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向手背侧,另一个输出轴朝向手心侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向拇指侧,另一个输出轴朝向小指侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手背侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手心侧;或,
将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向拇指侧;或,将每组的一对小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向小指侧。
可选地,为充分利用小臂模块8内的空间,所述小臂模块8中的部分或全部小臂内驱动器采用如下布局方式:
1)将腕部关节驱动器72置于驱动器收纳仓中最靠近腕部关节的位置;驱动腕部关节侧摆自由度的一组腕部关节驱动器72同向安装,输出轴朝向手背侧;驱动腕部关节屈伸自由度的一组腕部关节驱动器72相向安装,输出轴分别朝向手背侧和手心侧;
2)将主要关节驱动器70置于驱动器收纳仓中远离腕部关节的位置;每组主要关节驱动器70相向安装,分为手心向主要关节驱动器和手背向主要关节驱动器,即手心向主要关节驱动器输出轴朝向手心侧,手背向主要关节驱动器输出轴朝向手背侧;
3)将辅助关节驱动器71置于腕部关节驱动器72与主要关节驱动器70之间的位置;每组辅助关节驱动器71相向安装,输出轴分别朝向手背侧和手心侧;
4)将主要关节驱动器70从拇指侧到小指侧排为5列,每列对应1个手指单元,即从拇指侧开始,第1列对应拇指单元1,第2列对应食指单元2,第3列对应中指单元3,第4列对应无名指单元4,第5列对应小指单元5。
每列主要关节驱动器70从手侧到肘侧方向排为3组(共6排),每组包括一对主要关节驱动器70共同驱动该列对应手指单元的1个自由度;即从手侧开始,第1列第1组驱动拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度,第1列第2组驱动拇指掌指关节32的屈伸自由度,第1列第3组驱动拇指远关节10的屈伸自由度;第2列第1组驱动食指掌指关节33的屈伸自由度,第2列第2组驱动食指近关节15的屈伸自由度,第2列第3组驱动食指远关节13的屈伸自由度;第3列第1组驱动中指掌指关节34的屈伸自由度,第3列第2组驱动中指近关节的屈伸自由度,第3列第3组驱动中指远关节的屈伸自由度;第4列第1组驱动无名指掌指关节35的屈伸自由度,第4列第2组驱动无名指近关节的屈伸自由度,第4列第3组驱动无名指远关节的屈伸自由度;第5列第1组驱动小指掌指关节36的屈伸自由度,第5列第2组驱动小指近关节的屈伸自由度,第5列第3组驱动小指远关节的屈伸自由度。
所述小臂模块中的不同绞盘具有一至多种直径,各个绞盘分别分布在小臂模块的手背侧或手心侧或拇指侧或小指侧,每侧的部分或全部绞盘分为一至多层排列。
可选地,为充分利用小臂模块8内的空间,将大量绞盘集成进小巧的小臂模块8,为各个关节提供合适的运动行程,并且避免大量绞盘和腱81互相干涉,小臂模块8中的部分或全部绞盘采用如下布局:
1)采用4种不同直径的绞盘,按照绞盘的直径由小到大分为I型绞盘80、II型绞盘73、III型绞盘74和IV型绞盘75;
2)所述拇指远关节10的屈伸自由度、食指远关节13的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度配置为采用IV型绞盘75驱动;
3)所述拇指掌指关节32的屈伸自由度、食指近关节15的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度配置为采用III型绞盘74驱动;
4)所述拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度、食指掌指关节33的屈伸自由度、中指掌指关节34的屈伸自由度、无名指掌指关节35的屈伸自由度、小指掌指关节36的屈伸自由度配置为采用II型绞盘73驱动;
5)所述拇指腕掌关节29的环转自由度、无名指腕掌关节30的屈伸自由度、小指腕掌关节31的屈伸自由度、腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度配置为采用I型绞盘80驱动;
6)所述第一列、第三列、第五列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在小臂模块8的手心侧内层;第二列、第四列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在手心侧外层;
7)所述第一列、第三列、第五列的手背向主要关节驱动器的绞盘安装在小臂模块8的手背侧外层;第二列、第四列的手心向主要关节驱动器的绞盘安装在手背侧内层。
所述驱动器收纳仓由一至多个子收纳仓组成;若所述子收纳仓多于一个,则其互相之间可以拆开或组装在一起,便于各个子收纳仓独立组装、调试和维护。
参见附图1、附图11和附图12,在本发明的一种实施方式中,所述驱动器收纳仓由前部子收纳仓和后部子收纳仓组成。
所述前部子收纳仓由上侧前部收纳板76、下侧前部收纳板78以及联接件构成,其内部安装有多个辅助关节驱动器71和多个腕部关节驱动器72。
所述上侧前部收纳板76的手背侧外表面和所述下侧前部收纳板78的手心侧外表面敷设各个辅助关节驱动器71和各个腕部关节驱动器72的电源线。
所述后部子收纳仓由上侧后部收纳板77、下侧后部收纳板79以及联接件够成,其内部安装有多个主要关节驱动器70。
所述上侧后部收纳板77的手背侧外表面和所述下侧后部收纳板79的手心侧外表面敷设各个主要关节驱动器70的电源线。
所述前部子收纳仓和后部子收纳仓可以分离或组装在一起,这样前部子收纳仓和后部子收纳仓可以独立组装、调试和维护。
参见附图1、附图11和附图12,所述腱鞘引导座69的手背侧和手心侧各有多个腱鞘安装口,每侧的腱鞘安装口分别排列为一至多层,用于固定腱鞘、引导腱81的走向,使多个腱81和腱鞘能够顺利跨过腕部模块通至手部模块的各个关节,减少相互干涉;所述腱鞘引导座69具有与腕部支撑架62适配的接口以及与小臂模块8适配的接口。
所述灵巧手的一至多个腱鞘分别通过可拆卸的腱鞘固定元件将一端安装在腱鞘引导座69的腱鞘安装口上,并通过可拆卸的腱鞘固定元件将另一端安装在采用腱传动的关节的关节座的腱鞘安装口上。
所述腱鞘固定元件使腱鞘能够容易地从腱鞘引导座69上安装或拆下。
由于腱和腱鞘的数量很多,为了使各个附图清晰直观,仅在附图12中示出了其中一条腱81的一部分,其余腱和腱鞘均已隐去。
参见附图12,腱81在绞盘和腱鞘引导座69之间的部分装有腱联接件82,腱联接件82可断开或联接,从而使腱81便捷地从中间断开或联接;所述腱联接件82的最大外直径小于腱鞘引导座69的腱鞘安装口的内直径,这样腱联接件82可以随着腱81一起从腱鞘安装口穿出;所述腱联接件82可由两个子零件构成并采用螺纹衔接在一起。
所述灵巧手采用了腱鞘固定元件和腱联接件82,使灵巧手的手部模块和腕部模块能够较便捷地与小臂模块8组装在一起或拆下分离,便于生产和维护。
所述拇指远关节10、拇指掌指关节32、食指远关节13、食指近关节15、食指掌指关节33、中指远关节、中指近关节、中指掌指关节34、无名指远关节、无名指近关节、无名指掌指关节35、小指远关节、小指近关节、小指掌指关节36处各安装有1个I型腱鞘约束元件;所述I型腱鞘约束元件可采用柔性材料制成柔性套。
所述腕部关节安装有1个II型腱鞘约束元件;所述II型腱鞘约束元件可采用柔性材料制成内部隔为多层的柔性套。
所述拇指掌指节24、食指掌指节25、中指掌指节26、无名指掌指节27、小指掌指节28分别在其上表面和下表面各安装有1个III型腱鞘约束元件;所述III型腱鞘约束元件可制成内部隔为多层的通管或通槽。
所述食指近指节16、中指近指节、无名指近指节、小指近指节的手背侧和手心侧外表面分别安装有1个IV型腱鞘约束元件;IV型腱鞘约束元件可采用内壁光滑的通管;所述腱鞘可以在IV型腱鞘约束元件中沿轴向滑动。
所述I型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导1至4个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔;
所述II型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导至少5个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许穿过其中的一至多个腱鞘在该II型腱鞘约束元件内部各自发生蜷曲的构造。
所述III型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许一至多个腱鞘在该III型腱鞘约束元件中的部分各自发生蜷曲的构造。
所述IV型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔。
所述灵巧手配置为采用如下的腱传动布局:
1)多个腱81分布于所述灵巧手的手背侧和手心侧,其一端与对应的绞盘固联,其腱鞘的始端分别通过腱鞘固定元件固定于腱鞘引导座69的手背侧和手心侧的腱鞘安装口,腱81从中穿过,向腕部模块7延伸;
2)其中,驱动腕部关节的各个腱81通过腱鞘穿过腕部支撑架62的腱鞘安装口,分别与腕部关节侧摆转动端63、腕部关节屈伸转动端64固联,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与腕部支撑架62的腱鞘安装口固联;
3)其它腱81及其腱鞘分别从手背侧和手心侧越过腕部关节,由安装于腕部的大关节处腱鞘挠性约束元件约束走向和蜷曲空间,继而分别在腕掌基座23的手背侧和手心侧汇拢;
4)分别驱动拇指腕掌关节29的屈伸兼侧摆自由度、无名指腕掌关节30的屈伸自由度和小指腕掌关节31的屈伸自由度的各个腱81通过腱鞘穿过对应腕掌关节座的腱鞘安装口,与对应腕掌关节转动端固联,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与对应腕掌关节座的腱鞘安装口固联;
5)驱动拇指腕掌关节29环转自由度的腱81固联于拇指掌指节24的V型槽轮,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件与拇指腕掌关节转动端58的腱鞘安装口固联;
6)分别驱动各个手指单元及对应掌指关节的腱81及其腱鞘,继续分别从对应手指单元的掌指节的手背侧和手心侧通过,并分别由安装于掌指节手背侧和手心侧的III型腱鞘约束元件分为二至三层以约束走向与蜷曲空间;
7)途径拇指掌指节24的腱81及其腱鞘每侧分为内、外两层;每侧内层的腱81驱动拇指掌指关节32的屈伸自由度并与拇指掌指关节32屈伸转动端固联,其腱鞘的末端与拇指掌指节24固联;每侧外层的腱81驱动拇指远关节10的屈伸自由度,连同其腱鞘继续向拇指近指节11延伸,在跨越拇指掌指关节32时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向,这些腱81固联于拇指远关节10的指间关节转动端18,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于拇指远关节10的指间关节座17;
8)途径食指掌指节25、中指掌指节26、无名指掌指节27、小指掌指节28的腱81及其腱鞘每侧分为内、中、外三层;每侧内层的腱81驱动对应手指单元的掌指关节的屈伸自由度并与掌指关节屈伸转动端固联,其腱鞘的末端与对应掌指节固联;每侧中层和外层的腱81分别驱动对应手指单元近关节的屈伸自由度和远关节的屈伸自由度,连同其腱鞘继续向对应手指单元的近指节延伸,在跨越对应手指单元掌指关节时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向;
9)分别驱动食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的近关节的屈伸自由度的腱81及其腱鞘继而分别从对应手指单元近指节的手背侧和手心侧通过,这些腱81固联于对应手指单元近关节的指间关节转动端18,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于对应手指单元近关节的指间关节座17;
10)分别驱动食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的远关节的屈伸自由度的腱81及其腱鞘在途径对应手指单元近指节时由近指节手背侧和手心侧固联的IV型腱鞘约束元件约束走向并能沿其轴线滑动,在跨越对应手指单元近关节时由小关节处腱鞘挠性约束元件约束走向,这些腱81固联于对应手指单元远关节的指间关节转动端18,其腱鞘的末端通过腱鞘固定元件固联于对应手指单元远关节的指间关节座17。
所述灵巧手的各关节的各自由度轴线位置模仿人手,运动形态接近人手,能够很好地胜任人手能够执行的操作。
参见附图1和附图13,所述手部模块的结构为内骨骼式,外表面有充足空间以包覆具有一定厚度的仿生皮肤91、柔性外套、刚性外壳,保护内部构造以及使灵巧手适合抓握和自动适应复杂曲面物体。所述仿生皮肤91或柔性外套可采用硅胶材料制作。
内骨骼式远指节86的外部具有足够空间可以包覆仿生皮肤91、柔性外套、刚性外壳;所述仿生皮肤91上分布有触觉传感器85以提供触觉反馈,使所述灵巧手适合抓握和自动适应复杂曲面物体;所述触觉传感器85可采用应变材料(如微型应变片)制成;
所述刚性外壳可以是具有一定柔性的或刚性的,可以将所述灵巧手按照各个手指单元的指节、掌部单元6、腕部模块7、小臂模块8分段包覆。
所述仿生皮肤91或柔性外套可以将所述灵巧手整体包覆,或者按照各个手指单元的整体或其各个指节、掌部单元6、腕部模块7、小臂模块8分段包覆。
所述仿生皮肤91、柔性外套、刚性外壳采用具有防水防尘和防止化学侵蚀的材料,其中还可添加电磁屏蔽层,以及具有屏蔽或减弱电离辐射作用的保护层。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (31)

1.32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,包括:手部模块、腕部模块、小臂模块;
所述手部模块包括:拇指单元、食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元、掌部单元;
所述拇指单元由拇指远指节、拇指近指节、拇指远关节组成;
所述食指单元由食指远指节、食指中指节、食指近指节、食指远关节、食指近关节组成;
所述中指单元由中指远指节、中指中指节、中指近指节、中指远关节、中指近关节组成;
所述无名指单元由无名指远指节、无名指中指节、无名指近指节、无名指远关节、无名指近关节组成;
所述小指单元由小指远指节、小指中指节、小指近指节、小指远关节、小指近关节组成;
所述掌部单元由腕掌基座、拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节、拇指腕掌关节、无名指腕掌关节、小指腕掌关节、无名指掌指节挠性约束元件、小指掌指节挠性约束元件、拇指掌指关节、食指掌指关节、中指掌指关节、无名指掌指关节、小指掌指关节组成;
所述腕部模块由腕部关节和腕部支撑架组成;
所述小臂模块由腱鞘引导座和驱动器收纳仓组成;
所述拇指单元通过拇指掌指关节铰接于拇指掌指节;
所述食指单元通过食指掌指关节铰接于食指掌指节;
所述中指单元通过中指掌指关节铰接于中指掌指节;
所述无名指单元通过无名指掌指关节铰接于无名指掌指节;
所述小指单元通过小指掌指关节铰接于小指掌指节;
所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节分别安装有一个掌内驱动器;
所述拇指掌指节通过拇指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述食指掌指节固联于腕掌基座;
所述中指掌指节固联于腕掌基座;
所述无名指掌指节通过无名指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述小指掌指节通过小指腕掌关节铰接于腕掌基座;
所述无名指掌指节挠性约束元件将中指掌指节与无名指掌指节柔性联接在一起;
所述小指掌指节挠性约束元件将无名指掌指节与小指掌指节柔性联接在一起;
所述腕掌基座通过腕部关节铰接于腕部支撑架;
所述腕部支撑架固联于小臂模块;
所述腱鞘引导座安装于腕部支撑架与小臂模块相衔接处;
所述驱动器收纳仓中安装有多个小臂内驱动器;
所述驱动器收纳仓中安装有驱动器驱动电路;
各个小臂内驱动器的输出轴分别安装有1个绞盘;
所述掌内驱动器和小臂内驱动器均配置为旋转型驱动器;
所述灵巧手具有32个自由度;其中,拇指远关节具有屈伸自由度,拇指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,拇指腕掌关节具有环转自由度和屈伸兼侧摆自由度,食指远关节具有屈伸自由度,食指近关节具有屈伸自由度,食指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,中指远关节具有屈伸自由度,中指近关节具有屈伸自由度,中指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指远关节具有屈伸自由度,无名指近关节具有屈伸自由度,无名指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,无名指腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,小指远关节具有屈伸自由度,小指近关节具有屈伸自由度,小指掌指关节具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,小指腕掌关节具有屈伸自由度和内收外展自由度,腕部关节具有屈伸自由度和侧摆自由度;
所述拇指掌指关节的回转自由度、食指掌指关节的回转自由度、中指掌指关节的回转自由度、无名指掌指关节的回转自由度、小指掌指关节的回转自由度、无名指腕掌关节的内收外展自由度、小指腕掌关节的内收外展自由度为由外力驱动的被动自由度;
所述拇指掌指关节的侧摆自由度由拇指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动;
所述食指掌指关节的侧摆自由度由食指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动;
所述中指掌指关节的侧摆自由度由中指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动;
所述无名指掌指关节的侧摆自由度由无名指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动;
所述小指掌指关节的侧摆自由度由小指掌指节安装的掌内驱动器通过齿轮系驱动;
所述拇指远关节的屈伸自由度、拇指掌指关节的屈伸自由度、拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度和环转自由度、食指远关节的屈伸自由度、食指近关节的屈伸自由度、食指掌指关节的屈伸自由度、中指远关节的屈伸自由度、中指近关节的屈伸自由度、中指掌指关节的屈伸自由度、无名指远关节的屈伸自由度、无名指近关节的屈伸自由度、无名指掌指关节的屈伸自由度、无名指腕掌关节的屈伸自由度、小指远关节的屈伸自由度、小指近关节的屈伸自由度、小指掌指关节的屈伸自由度、小指腕掌关节的屈伸自由度、腕部关节的屈伸自由度和侧摆自由度分别由包括一对小臂内驱动器并采用腱传动的拮抗式驱动机构驱动,并且这些自由度互相解耦;
所述灵巧手的一至多个腱包覆有具有保护和引导腱的作用的腱鞘;所述腱鞘由内至外具有一至多层;
所述腱鞘引导座具有多个腱鞘安装口;
所述腱鞘的一端与采用腱传动的关节的关节座固定,另一端与腱鞘引导座的腱鞘安装口固定;
在所述拮抗式驱动机构中,受控关节的转动端通过腱固定元件与腱上任一点固联,受控关节的受控自由度由一对小臂内驱动器共同驱动;其中,一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱的一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的一个方向的运动趋势,另一个小臂内驱动器通过其输出轴固联的绞盘牵拉腱的另一端,进而牵拉受控关节的转动端使其具有沿着受控自由度的相反方向的运动趋势;这对小臂内驱动器构成拮抗式驱动;
通过配置构成拮抗式驱动的一对小臂内驱动器的速度和输出力对受控关节的运动、力矩、关节阻尼和关节刚度进行控制。
2.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手的各个关节处安装有关节角度传感器,测量各个自由度的旋转角度和角速度。
3.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手的全部或部分关节处安装有关节力和力矩传感器。
4.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手的一至多个腱安装有腱张力传感器。
5.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手的一至多个绞盘安装有力矩传感器,测量小臂内驱动器输出轴作用于绞盘的力矩。
6.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手采用腱传动的各个关节的关节座具有腱鞘安装口。
7.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指远指节、食指远指节、中指远指节、无名指远指节、小指远指节、食指中指节、中指中指节、无名指中指节、小指中指节、拇指近指节、食指近指节、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为采用轻合金制作或者采用轻质非金属材料制作,具有电磁屏蔽层。
8.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指单元、食指单元、中指单元、无名指单元、小指单元的各指节的长度比例关系模拟人手。
9.根据权利要求1、3或7中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指远指节、食指远指节、中指远指节、无名指远指节、小指远指节配置为外侧壁具有锥面并且底面开口的中空构造;中空的空间容纳关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
10.根据权利要求1、3或7中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述食指中指节、中指中指节、无名指中指节和小指中指节配置为中空管的构造;中空的空间容纳关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
11.根据权利要求1、2、3或7中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指近指节、食指近指节、中指近指节、无名指近指节和小指近指节配置为基部具有侧突的中空管的构造;侧突的空间容纳掌指关节回转角度传感器;中空的空间容纳回转复位装置、关节力和力矩传感器,以及电路和信号线。
12.根据权利要求1、2或3任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指远关节、食指远关节、中指远关节、无名指远关节、小指远关节、食指近关节、中指近关节、无名指近关节和小指近关节分别配置为采用1自由度指间关节通用模组;
所述1自由度指间关节通用模组具有屈伸自由度,由指间关节座、指间关节转动端、指间关节屈伸轴、指间关节屈伸角度传感器组成;
所述指间关节屈伸轴具有与指间关节屈伸角度传感器适配的接口以及与指间关节转动端锁紧的接口;
所述指间关节座和指间关节转动端各有一个用于安装指节或关节力和力矩传感器的安装接口;
任一个所述指间关节座的安装方式包括下面的任一种:
指间关节座直接与指节固联;或,
指间关节座先与关节力和力矩传感器固联,关节力和力矩传感器再与指节固联;
任一个所述指间关节转动端的安装方式包括下面的任一种:
指间关节转动端直接与指节固联;或,
指间关节转动端先与关节力和力矩传感器固联,关节力和力矩传感器再与指节固联。
13.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述食指掌指节和中指掌指节的主轴线配置为形成0至15度的夹角。
14.根据权利要求1、2或6中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指掌指节的根部与拇指腕掌关节配合形成屈伸兼侧摆自由度的转动副,并且固联有用于腱传动的V型槽轮;
所述拇指腕掌关节的屈伸兼侧摆自由度为耦合了屈伸和侧摆两个运动的一个自由度,其轴线与拇指掌指关节侧摆自由度的轴线具有30至60度的夹角;
所述拇指腕掌关节由拇指腕掌关节座、拇指腕掌关节转动端、拇指腕掌关节环转角度传感器和拇指腕掌关节屈伸侧摆角度传感器组成;
所述拇指腕掌关节转动端的一端与拇指腕掌关节座形成环转自由度的转动副并且同轴固联有用于腱传动的V型槽轮,另一端与拇指掌指节形成屈伸兼侧摆自由度的转动副;
所述拇指腕掌关节转动端具有腱鞘安装口。
15.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述无名指掌指节挠性约束元件约束无名指掌指节的运动范围,并使无名指掌指节在没有外力作用时保持在原位;当无名指掌指节做屈曲运动时,无名指掌指节挠性约束元件将其牵住同时附带发生内收运动;
所述小指掌指节挠性约束元件约束小指掌指节的运动范围,并使小指掌指节在没有外力作用时保持在原位;当小指掌指节做屈曲运动时,小指掌指节挠性约束元件将其牵住同时附带发生内收运动;
当所述掌部单元受到小指侧至拇指侧方向的外力时,无名指掌指节和小指掌指节可同时发生内收运动,并由无名指掌指节挠性约束元件和小指掌指节挠性约束元件吸收和缓冲这个外力。
16.根据权利要求1或权利要求2所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述无名指腕掌关节由无名指腕掌关节座、无名指腕掌关节转动端、无名指腕掌关节屈伸角度传感器和无名指腕掌关节内收外展角度传感器组成;
所述小指腕掌关节由小指腕掌关节座、小指腕掌关节转动端、小指腕掌关节屈伸角度传感器和小指腕掌关节内收外展角度传感器组成。
17.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指掌指关节、食指掌指关节、中指掌指关节、无名指掌指关节、小指掌指关节分别配置为采用3自由度掌指关节通用模组;
所述3自由度掌指关节通用模组具有屈伸自由度、侧摆自由度和回转自由度,并且这3个自由度的轴线正交;
所述3自由度掌指关节通用模组由掌指关节侧摆转动端、掌指关节侧摆轴、掌指关节屈伸转动端、掌指关节屈伸轴、回转复位装置、掌指关节屈伸角度传感器、掌指关节侧摆角度传感器、掌指关节回转角度传感器、掌指关节腱导向槽组成;
所述掌指关节侧摆轴的柱面具有与掌指关节屈伸轴锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节侧摆角度传感器的接口;
所述掌指关节屈伸轴的柱面具有与掌指关节侧摆轴锁紧配合的缺口,其一端具有适配掌指关节屈伸角度传感器的接口;
所述掌指关节屈伸转动端具有支撑近指节做回转运动并承力的回转关节座;
所述回转复位装置安装于掌指关节屈伸转动端的回转关节座,具有弹性复位元件,使手指单元在受到外来的扭力时做回转运动,并且回转的幅度与该扭力成正相关;当外来的扭力消失时,手指单元回复至原位;
所述回转复位装置具有安装应变片或关节力和力矩传感器的接口;
所述掌指关节腱导向槽固联于掌指关节侧摆转动端,途径掌指关节的腱和腱鞘嵌在掌指关节腱导向槽中滑动;掌指关节腱导向槽的侧剖面为半圆型,腱在传动过程中保持衡定的传动力臂长度。
18.根据权利要求17所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节安装的掌内驱动器分别通过齿轮系带动其铰接的掌指关节侧摆转动端做侧摆运动。
19.根据权利要求1、2或3中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述腕部关节的侧摆自由度和屈伸自由度的轴线正交;
所述腕部关节由腕部关节侧摆轴、腕部关节侧摆转动端、腕部关节屈伸轴、腕部关节屈伸转动端、腕部关节侧摆角度传感器、腕部关节屈伸角度传感器和腕部关节腱导向槽组成;
所述腕部关节侧摆轴的一端具有同轴从动V型槽轮,中部具有与腕部关节屈伸轴锁紧配合的缺口,另一端具有与腕部关节侧摆角度传感器适配的接口;
所述腕部关节屈伸轴的柱面具有与腕部关节侧摆轴锁紧配合的缺口,其一端具有与腕部关节屈伸角度传感器适配的接口;
所述腕部关节屈伸转动端具有与腕掌基座联接的接口,以及安装关节力和力矩传感器的接口;
所述腕部关节腱导向槽固联于腕部关节侧摆转动端,驱动腕部关节屈伸自由度的腱嵌在腕部关节腱导向槽中滑动;所述腕部关节腱导向槽的侧剖面为半圆型,腱在传动过程中保持衡定的传动力臂长度;
所述腕部支撑架具有腱鞘安装口、腕部关节座和小臂安装座。
20.根据权利要求17所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,一种改进的方案为,所述掌内驱动器配置为采用直线型驱动器,通过连杆机构驱动对应掌指关节侧摆转动端做侧摆运动。
21.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,一种改进的方案为,所述小臂内驱动器配置为采用直线型驱动器,驱动器输出轴与腱固联。
22.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,另一种改进的方案为,通过丝杠机构将小臂内驱动器输出轴的旋转运动转为直线运动;驱动器输出轴与丝杠机构的丝杠固联,丝杠机构的直线运动端与腱固联。
23.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,小臂模块中的部分或全部小臂内驱动器采用的布局方式包括下面的一种或任几种:
将多个小臂内驱动器从拇指侧到小指侧方向排为多列安装;和/或,
将多个小臂内驱动器从手侧到肘侧方向排为多排安装;和/或,
将多个小臂内驱动器两两分为一组,每组的一对小臂内驱动器驱动同一个自由度,构成拮抗式驱动;其中,每组小臂内驱动器的安装方式进一步包括:
将每组小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向手背侧,另一个输出轴朝向手心侧;或,
将每组小臂内驱动器相向安装,一个输出轴朝向拇指侧,另一个输出轴朝向小指侧;或,
将每组小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手背侧;或,
将每组小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向手心侧;或,
将每组小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向拇指侧;或,
将每组小臂内驱动器同向安装,其输出轴朝向小指侧。
24.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,小臂模块中的不同绞盘具有一至多种直径,各个绞盘分别分布在小臂模块的手背侧或手心侧或拇指侧或小指侧,每侧的部分或全部绞盘分为一至多层排列。
25.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述驱动器收纳仓由一至多个子收纳仓组成;若所述子收纳仓多于一个,则其互相之间可以拆开或组装在一起。
26.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述腱鞘引导座的多个腱鞘安装口分别分布在腱鞘引导座的手背侧和手心侧,每侧的腱鞘安装口分别排列为一至多层;所述腱鞘引导座具有与腕部支撑架适配的接口以及与小臂模块适配的接口。
27.根据权利要求1、6或26中任一权利要求所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手的一至多个腱鞘分别通过可拆卸的腱鞘固定元件将一端安装在腱鞘引导座的腱鞘安装口上,并通过可拆卸的腱鞘固定元件将另一端安装在采用腱传动的关节的关节座的腱鞘安装口上。
28.根据权利要求1或权利要求26所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,腱在绞盘和腱鞘引导座之间的部分装有腱联接件,腱联接件可断开或联接,从而使腱从中间断开或联接;所述腱联接件的最大外直径小于腱鞘引导座的腱鞘安装口的内直径。
29.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述拇指远关节、拇指掌指关节、食指远关节、食指近关节、食指掌指关节、中指远关节、中指近关节、中指掌指关节、无名指远关节、无名指近关节、无名指掌指关节、小指远关节、小指近关节、小指掌指关节处各安装有1个I型腱鞘约束元件;
所述腕部关节安装有1个II型腱鞘约束元件;
所述拇指掌指节、食指掌指节、中指掌指节、无名指掌指节、小指掌指节分别在其上表面和下表面各安装有1个III型腱鞘约束元件;
所述食指近指节、中指近指节、无名指近指节、小指近指节的手背侧和手心侧外表面分别安装有1个IV型腱鞘约束元件;
所述I型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导1至4个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔;
所述II型腱鞘约束元件为可以弯曲的柔性元件,具有引导至少5个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许穿过其中的一至多个腱鞘在该II型腱鞘约束元件内部各自发生蜷曲的构造;
所述III型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔,并且具有允许一至多个腱鞘在该III型腱鞘约束元件中的部分各自发生蜷曲的构造;
所述IV型腱鞘约束元件具有引导一至多个腱鞘沿各自轴向滑动的一至多个引导槽或引导孔。
30.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述手部模块的结构为内骨骼式。
31.根据权利要求1所述的32自由度仿生柔顺内骨骼灵巧手,其特征在于,所述灵巧手由柔性外套或刚性外壳包覆;
当由刚性外壳包覆时,所述刚性外壳将所述灵巧手按照各个手指单元的指节、掌部单元、腕部模块、小臂模块分段包覆;
当由柔性外套包覆时,所述柔性外套将所述灵巧手整体包覆,或者按照各个手指单元的整体或其各个指节、掌部单元、腕部模块、小臂模块分段包覆;
所述柔性外套、刚性外壳采用具有防水防尘和防止化学侵蚀的材料,并添加电磁屏蔽层和/或具有屏蔽或减弱电离辐射作用的保护层。
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