CN114290358B - 仿生拉压体四自由度机器人手指 - Google Patents
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Abstract
一种仿生拉压体四自由度机器人手指,由掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨构成,掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的骨骼均由编织人工韧带连接,在编织人工腱鞘约束和引导下通过人工肌腱由电机驱动;该机械手指能够模仿人手指的4个自由度,其中掌指关节具有2个自由度,实现了接近于人手指的灵活性和柔顺性,安全性高,摩擦损耗低,其腱鞘设计还可以进一步提高输出指尖力。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域,尤其涉及一种基于人体骨骼肌肉系统的具有高度柔顺性的仿生拉压体四自由度机器人手指。
背景技术
近几十年来,为了模拟人手的功能,国内外很多研究机构在仿人机器人手的设计和控制等方面都取得了卓越的成果。但是对于和机器人手的性能密切相关的机器人手指,很多都是采用简单的串联式销轴设计,并没有能够实现接近于人手指的灵巧性和柔顺性。
发明内容
为了解决以上存在的问题,本发明提出了一种仿生拉压体四自由度机器人手指。此四自由度仿生机器人手指由掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨构成,具有三维打印骨骼,薄膜胶带软骨,编织人工韧带,编织人工腱鞘和人工肌腱五层结构。
三维打印骨骼采用聚乳酸材料和熔融沉积技术。近节指骨与掌骨以掌指关节相接,中节指骨与近节指骨以近端指间关节相接,远节指骨与中节指骨以远端指间关节相接。所有的关节面被一种聚四氟乙烯薄膜胶带覆盖,以起到类似软骨减小关节间摩擦力的作用。
编织人工韧带由三条高模量聚乙烯鱼线编织而成,其宽度为31毫米,厚度为14毫米。掌指关节处的韧带固定位置预留直径为4毫米的贯穿圆孔,近端和远端指间关节处的韧带固定位置预留直径为3毫米的贯穿圆孔;掌指关节和指间关节处的韧带两端穿过圆孔后分别固定从而连接和约束相邻骨骼以形成关节。
近节指骨基底部由掌侧韧带、桡侧副韧带、尺侧副韧带和背侧韧带连接至掌骨头部,形成掌指关节;掌侧韧带的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨头部背侧,掌侧韧带尾端的两条鱼线从掌骨头部掌侧的圆孔穿出经由近节指骨基底部掌侧的圆孔,并分别从近节指骨基底部桡侧和尺侧的圆孔穿出后绕到背侧打结并烧结固定;桡侧副韧带的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨头部尺侧,桡侧副韧带的尾端的两条鱼线从掌骨头部桡侧的圆孔穿出经由近节指骨基底部桡侧的圆孔,并分别从近节指骨基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到桡侧打结并烧结固定;尺侧副韧带的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨头部桡侧,尺侧副韧带尾端的两条鱼线从掌骨头部尺侧的圆孔穿出经由近节指骨基底部尺侧的圆孔,并分别从近节指骨基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到尺侧打结并烧结固定;背侧韧带的尾端由端部的鱼线打结固定在近节指骨背侧,背侧韧带首端的两条鱼线分别经由掌骨头部桡侧和尺侧的圆孔并从背侧的圆孔穿出后从两侧绕到桡侧打结并烧结固定。
中节指骨基底部由掌侧韧带,桡侧副韧带和尺侧副韧带连接至近节指骨头部,形成近端指间关节;远节指骨基底部由掌侧韧带,桡侧副韧带和尺侧副韧带连接至中节指骨头部,形成远端指间关节;韧带连接固定结构与掌指关节相同。
编织人工腱鞘由单条高模量聚乙烯鱼线编织而成,用于约束和引导肌腱;分别位于掌骨头部、近节指骨和中节指骨中部;其中掌骨腱鞘和近节指骨腱鞘均具有八个导向槽,中节指骨腱鞘具有六个导向槽。
人工肌腱直接采用单根高模量聚乙烯鱼线;其中指深屈肌腱固定于远节指骨基底部掌侧,指深屈肌腱的尾端穿过远节指骨基底部掌侧的圆孔从远侧的圆孔绕回掌侧打结并烧结固定,指深屈肌腱的首端穿过中节指骨腱鞘,近节指骨腱鞘和掌骨腱鞘掌侧中心的导向槽后与电机相连接;指浅屈肌腱固定于中节指骨掌侧,指浅屈肌腱的尾端绕到中节指骨基底部远侧的两个圆孔背侧打结并烧结固定,两条分束从圆孔穿回掌侧并分别穿过近节指骨腱鞘和掌骨腱鞘掌侧两边的导向槽后打结并烧结,指浅屈肌腱的首端空置,与指深屈肌腱的首端可以相互切换并与电机相连接。
指伸肌腱的中间束固定于中节指骨基底部背侧,指伸肌腱的尾端穿过中节指骨基底部背侧的圆孔并从其远侧的两个圆孔绕回掌侧打结并烧结固定;桡侧束和尺侧束固定于远节指骨基底部背侧,指伸肌腱的尾端穿过远节指骨基底部背侧的圆孔并从其远侧的圆孔绕回背侧打结并烧结固定;在中间束穿过近节指骨腱鞘背侧中心的导向槽、掌指关节背侧韧带和掌骨腱鞘背侧中心的导向槽,以及桡侧束和尺侧束穿过中节指骨腱鞘背侧中心的导向槽并分别穿过近节指骨腱鞘和掌骨腱鞘背侧两边的导向槽后,中间束、桡侧束和尺侧束打结,中间束、桡侧束和尺侧束的首端与电机相连接。
桡侧骨间肌腱和尺侧骨间肌腱的尾端分别与指伸肌腱的桡侧束和尺侧束相连接于近端指间关节背侧后打结并烧结固定,桡侧骨间肌腱和尺侧骨间肌腱的首端分别穿过近节指骨腱鞘和掌骨腱鞘桡侧和尺侧中心的导向槽后与电机相连接。
本发明的有益效果:
本发明基于人体骨骼肌肉系统实现了高度仿生设计,具有以下优势:
1、本发明能够模仿人手指的4个自由度,所有自由度均为主动驱动,实现了接近于人手指的灵活性和柔顺性,安全性高。
2、编织人工腱鞘和人工肌腱均采用高模量聚乙烯鱼线,相互间摩擦力极小,能量损耗低。
3、在手指屈曲时,编织人工腱鞘允许指屈肌腱的力臂增大以及指伸肌腱的两条侧束向掌侧滑移,以增加输出指尖力。
附图说明
图1是本发明的正视图;
图2是本发明的后视图;
图3是本发明的侧视图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示,一种仿生拉压体四自由度机器人手指,由掌骨1、近节指骨2、中节指骨3和远节指骨4构成,掌骨1、近节指骨2、中节指骨3和远节指骨4的骨骼均由编织人工韧带5连接,在编织人工腱鞘6约束和引导下通过人工肌腱7由电机8驱动;掌骨1、近节指骨2、中节指骨3和远节指骨4的骨骼为三维打印骨骼。
电机8包括第一电机81、第二电机82、三电机83和第四电机84;
近节指骨2与掌骨1以掌指关节相接,中节指骨3与近节指骨2以近端指间关节相接,远节指骨4与中节指骨3以远端指间关节相接。
近节指骨2基底部由掌侧韧带501、桡侧副韧带502、尺侧副韧带503和背侧韧带504连接至掌骨1头部,形成掌指关节;掌侧韧带501的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨1头部背侧,掌侧韧带501尾端的两条鱼线从掌骨1头部掌侧的圆孔穿出经由近节指骨2基底部掌侧的圆孔,并分别从近节指骨2基底部桡侧和尺侧的圆孔穿出后绕到背侧打结并烧结固定;桡侧副韧带502的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨1头部尺侧,桡侧副韧带502尾端的两条鱼线从掌骨1头部桡侧的圆孔穿出经由近节指骨2基底部桡侧的圆孔,并分别从近节指骨2基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到桡侧打结并烧结固定;尺侧副韧带503的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨1头部桡侧,尺侧副韧带503尾端的两条鱼线从掌骨1头部尺侧的圆孔穿出经由近节指骨2基底部的圆孔,并分别从近节指骨2基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到尺侧打结并烧结固定;背侧韧带504的尾端由端部的鱼线打结固定在近节指骨2背侧,背侧韧带504首端的两条鱼线分别经由掌骨1头部桡侧和尺侧的圆孔并从背侧的圆孔穿出后从两侧绕到桡侧打结并烧结固定。
中节指骨3基底部由掌侧韧带505、桡侧副韧带506和尺侧副韧带507连接至近节指骨2头部,形成近端指间关节;远节指骨4基底部由掌侧韧带508、桡侧副韧带509和尺侧副韧带510连接至中节指骨3头部,形成远端指间关节;韧带连接固定结构与掌指关节相同。
编织人工腱鞘6分别位于掌骨1头部,近节指骨2和中节指骨3中部;掌骨腱鞘61和近节指骨腱鞘62均具有八个导向槽,中节指骨腱鞘63具有六个导向槽。
指深屈肌腱71固定于远节指骨4基底部掌侧,指深屈肌腱71尾端穿过远节指骨4基底部掌侧的圆孔从远侧的圆孔绕回掌侧打结并烧结固定,指深屈肌腱71首端穿过中节指骨腱鞘63、近节指骨腱鞘62和掌骨腱鞘61掌侧中心的导向槽与第一电机81相连接;指浅屈肌腱72固定于中节指骨3掌侧,指浅屈肌腱72尾端绕到中节指骨3基底部远侧的两个圆孔背侧打结并烧结固定,两条分束从圆孔穿回掌侧并分别穿过近节指骨腱鞘62和掌骨腱鞘61掌侧两边的导向槽后打结并烧结,指浅屈肌腱72首端空置,与指深屈肌腱71的首端能相互切换并与第一电机81相连接;
指伸肌腱73的中间束73A固定于中节指骨3基底部背侧,中间束73A尾端穿过中节指骨3基底部背侧的圆孔并从其远侧的两个圆孔绕回掌侧打结并烧结固定;桡侧束73B和尺侧束73C固定于远节指骨4基底部背侧,桡侧束73B和尺侧束73C尾端穿过远节指骨4基底部背侧的圆孔并从其远侧的圆绕回背侧打结并烧结固定;中间束73A穿过近节指骨腱鞘62背侧中心的导向槽、掌指关节背侧韧带504和掌骨腱鞘61背侧中心的导向槽,桡侧束73B和尺侧束73C穿过中节指骨腱鞘63背侧中心的导向槽并分别穿过近节指骨腱鞘62和掌骨腱鞘61背侧两边的导向槽后,中间束73A、桡侧束73B和尺侧束73C打结,中间束73A、桡侧束73B和尺侧束73C的首端与第二电机82相连接。
桡侧骨间肌腱74和尺侧骨间肌腱75的尾端分别与指伸肌腱73的桡侧束73B和尺侧束73C相连接于近端指间关节背侧后打结并烧结固定,桡侧骨间肌腱74和尺侧骨间肌腱75的首端分别穿过近节指骨腱鞘62和掌骨腱鞘61桡侧和尺侧中心的导向槽后与第三电机83和第四电机84相连接。
所述的编织人工韧带5由三条高模量聚乙烯鱼线编织而成。
所述的编织人工腱鞘6由单条高模量聚乙烯鱼线编织而成。
Claims (5)
1.一种仿生拉压体四自由度机器人手指,其特征在于:由掌骨(1)、近节指骨(2)、中节指骨(3)和远节指骨(4)构成,掌骨(1)、近节指骨(2)、中节指骨(3)和远节指骨(4)的骨骼均由编织人工韧带(5)连接,在编织人工腱鞘(6)约束和引导下通过人工肌腱(7)由电机(8)驱动;
电机(8)包括第一电机(81)、第二电机(82)、三电机(83)和第四电机(84);
近节指骨(2)与掌骨(1)以掌指关节相接,中节指骨(3)与近节指骨(2)以近端指间关节相接,远节指骨(4)与中节指骨(3)以远端指间关节相接;
近节指骨(2)基底部由掌侧韧带(501)、桡侧副韧带(502)、尺侧副韧带(503)和背侧韧带(504)连接至掌骨(1)头部,形成掌指关节;掌侧韧带(501)的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨(1)头部背侧,掌侧韧带(501)尾端的两条鱼线从掌骨(1)头部掌侧的圆孔穿出经由近节指骨(2)基底部掌侧的圆孔,并分别从近节指骨(2)基底部桡侧和尺侧的圆孔穿出后绕到背侧打结并烧结固定;桡侧副韧带(502)的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨(1)头部尺侧,桡侧副韧带(502)尾端的两条鱼线从掌骨(1)头部桡侧的圆孔穿出经由近节指骨(2)基底部桡侧的圆孔,并分别从近节指骨(2)基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到桡侧打结并烧结固定;尺侧副韧带(503)的首端由端部的鱼线打结固定在掌骨(1)头部桡侧,尺侧副韧带(503)尾端的两条鱼线从掌骨(1)头部尺侧的圆孔穿出经由近节指骨(2)基底部的圆孔,并分别从近节指骨(2)基底部掌侧和背侧的圆孔穿出后绕到尺侧打结并烧结固定;背侧韧带(504)的尾端由端部的鱼线打结固定在近节指骨(2)背侧,背侧韧带(504)首端的两条鱼线分别经由掌骨(1)头部桡侧和尺侧的圆孔并从背侧的圆孔穿出后从两侧绕到桡侧打结并烧结固定;
中节指骨(3)基底部由掌侧韧带(505)、桡侧副韧带(506)和尺侧副韧带(507)连接至近节指骨(2)头部,形成近端指间关节;远节指骨(4)基底部由掌侧韧带(508)、桡侧副韧带(509)和尺侧副韧带(510)连接至中节指骨(3)头部,形成远端指间关节;韧带连接固定结构与掌指关节相同;
编织人工腱鞘(6)分别位于掌骨(1)头部,近节指骨(2)和中节指骨(3)中部;掌骨腱鞘(61)和近节指骨腱鞘(62)均具有八个导向槽,中节指骨腱鞘(63)具有六个导向槽;
指深屈肌腱(71)固定于远节指骨(4)基底部掌侧,指深屈肌腱(71)尾端穿过远节指骨(4)基底部掌侧的圆孔从远侧的圆孔绕回掌侧打结并烧结固定,指深屈肌腱(71)首端穿过中节指骨腱鞘(63)、近节指骨腱鞘(62)和掌骨腱鞘(61)掌侧中心的导向槽与第一电机(81)相连接;指浅屈肌腱(72)固定于中节指骨(3)掌侧,指浅屈肌腱(72)尾端绕到中节指骨(3)基底部远侧的两个圆孔背侧打结并烧结固定,两条分束从圆孔穿回掌侧并分别穿过近节指骨腱鞘(62)和掌骨腱鞘(61)掌侧两边的导向槽后打结并烧结,指浅屈肌腱(72)首端空置,与指深屈肌腱(71)的首端能相互切换并与第一电机(81)相连接;
指伸肌腱(73)的中间束(73A)固定于中节指骨(3)基底部背侧,中间束(73A)尾端穿过中节指骨(3)基底部背侧的圆孔并从其远侧的两个圆孔绕回掌侧打结并烧结固定;桡侧束(73B)和尺侧束(73C)固定于远节指骨(4)基底部背侧,桡侧束(73B)和尺侧束(73C)尾端穿过远节指骨(4)基底部背侧的圆孔并从其远侧的圆绕回背侧打结并烧结固定;中间束(73A)穿过近节指骨腱鞘(62)背侧中心的导向槽、掌指关节背侧韧带(504)和掌骨腱鞘(61)背侧中心的导向槽,桡侧束(73B)和尺侧束(73C)穿过中节指骨腱鞘(63)背侧中心的导向槽并分别穿过近节指骨腱鞘(62)和掌骨腱鞘(61)背侧两边的导向槽后,中间束(73A)、桡侧束(73B)和尺侧束(73C)打结,中间束(73A)、桡侧束(73B)和尺侧束(73C)的首端与第二电机(82)相连接;
桡侧骨间肌腱(74)和尺侧骨间肌腱(75)的尾端分别与指伸肌腱(73)的桡侧束(73B)和尺侧束(73C)相连接于近端指间关节背侧后打结并烧结固定,桡侧骨间肌腱(74)和尺侧骨间肌腱(75)的首端分别穿过近节指骨腱鞘(62)和掌骨腱鞘(61)桡侧和尺侧中心的导向槽后与第三电机(83)和第四电机(84)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种仿生拉压体四自由度机器人手指,其特征在于:所述的掌骨(1)、近节指骨(2)、中节指骨(3)和远节指骨(4)的骨骼为三维打印骨骼。
3.根据权利要求1所述的一种仿生拉压体四自由度机器人手指,其特征在于:所述的编织人工韧带(5)由三条高模量聚乙烯鱼线编织而成。
4.根据权利要求1所述的一种仿生拉压体四自由度机器人手指,其特征在于:所述的编织人工腱鞘(6)由单条高模量聚乙烯鱼线编织而成。
5.根据权利要求1所述的一种仿生拉压体四自由度机器人手指,其特征在于:所述的人工肌腱(7)采用单根高模量聚乙烯鱼线。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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