CN118123871A - 多自由度仿生灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开多自由度仿生灵巧手，多自由度仿生灵巧手包括手掌结构、仿生拇指、多功能仿生手指以及灵巧仿生手指，仿生拇指包括第一指节结构以及转盘，转盘转动设置于手掌结构，第一指节结构铰接于转盘，转盘的旋转轴线不平行于第一指节结构的旋转轴线；多功能仿生手指包括第二指节结构，第二指节结构万向铰接于手掌结构，第二指节结构能够进行曲张运动和摆动运动；灵巧仿生手指包括第三指节结构，第三指节结构铰接于手掌结构，第三指节结构能够进行曲张运动。本发明使仿生灵巧手具有多个自由度，能够丰富仿生灵巧手的功能。

Description

多自由度仿生灵巧手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及多自由度仿生灵巧手。

背景技术

机器人是当前研究热点之一，机器人的仿生手指是精密复杂的结构，在有限的空间内集成机械部件和电气部件，对仿生手指的抓握力、灵巧性、功能多样性产生一定的影响，因此，提高仿生手指的抓握力和灵巧性以及丰富仿生手指的功能性成为目前技术发展的难点之一。

现有的仿生手在手掌的掌壳设置五个电机，五个电机分别与五根仿生手指连接，从而控制五根仿生手指实现抓握动作，手指结构的各个指节之间由绳腱传动连接，手指结构中的各个指节只具有从动自由度，不具备独立动作的条件，灵巧性不够，抓握力不足，每根仿生手指只能往掌心方向弯曲，无法进行其他方向的动作，功能单一。

发明内容

本发明的目的在于：提供多自由度仿生灵巧手，使仿生灵巧手具有多个自由度，丰富仿生灵巧手的功能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

多自由度仿生灵巧手，包括：

手掌结构；

仿生拇指，包括第一指节结构以及转盘，所述转盘转动设置于所述手掌结构，所述第一指节结构铰接于所述转盘，所述转盘的旋转轴线不平行于所述第一指节结构的旋转轴线；

多功能仿生手指，包括第二指节结构，所述第二指节结构万向铰接于所述手掌结构，所述第二指节结构能够进行曲张运动和摆动运动；

灵巧仿生手指，包括第三指节结构，所述第三指节结构铰接于所述手掌结构，所述第三指节结构能够进行曲张运动。

作为一种可选的技术方案，所述仿生拇指还包括第一线性电机，所述第一线性电机的两端分别铰接于所述转盘和所述第一指节结构，所述第一线性电机用于带动所述第一指节结构进行曲张运动。

作为一种可选的技术方案，所述仿生拇指还包括根部线性电机，所述根部线性电机的两端分别铰接于所述转盘和所述手掌结构，所述根部线性电机用于带动所述转盘在所述手掌结构上转动。

作为一种可选的技术方案，所述多功能仿生手指还包括两个第二线性电机，两个所述第二线性电机的两端均分别万向铰接于所述第二指节结构和所述手掌结构，两个所述第二线性电机用于带动所述第二指节结构进行曲张运动或摆动运动。

作为一种可选的技术方案，所述第二指节结构的根部通过球销副铰接于所述手掌结构，所述第二线性电机的一端通过第一球面副铰接于所述手掌结构，所述第二线性电机的另一端通过第二球面副铰接于所述第二指节结构的根部。

作为一种可选的技术方案，两个所述第一球面副的旋转中心对称设置于所述球销副的旋转中心的左右两侧；

两个所述第二球面副的旋转中心对称设置于所述球销副的旋转中心的左右两侧。

作为一种可选的技术方案，所述灵巧仿生手指还包括第三线性电机，所述第三线性电机的两端分别铰接于所述第三指节结构和所述手掌结构，所述第三线性电机用于带动所述第三指节结构进行曲张运动。

作为一种可选的技术方案，所述第一指节结构、所述第二指节结构以及所述第三指节结构均包括步进线性电机和至少两个指节，相邻两个所述指节之间转动连接，相邻两个所述指节之间设有所述步进线性电机，所述步进线性电机用于带动相邻两个所述指节相对转动。

作为一种可选的技术方案，所述第二指节结构与所述第三指节结构中的所述指节数目相同；或者

所述第一指节结构、所述第二指节结构以及所述第三指节结构中的所述指节数目相同。

作为一种可选的技术方案，所述手掌结构设置为L型结构，所述手掌结构上设有避让空间，所述避让空间用于避让安装于所述手掌结构的PCB。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的多自由度仿生灵巧手包括手掌结构、仿生拇指、多功能仿生手指以及灵巧仿生手指；仿生拇指包括第一指节结构以及转盘，转盘转动设置于手掌结构，第一指节结构铰接于转盘，转盘能够带动第一指节结构相对手掌结构转动，能够模拟拇指做左右摆动动作，第一指节结构能够相对转盘转动，能够模拟拇指做弯曲握紧动作；多功能仿生手指包括第二指节结构，第二指节结构万向铰接于手掌结构，第二指节结构能够进行曲张运动和摆动运动；灵巧仿生手指包括第三指节结构，第三指节结构铰接于手掌结构，第三指节结构能够进行曲张运动。本发明的多自由度仿生灵巧手具有多个自由度，功能丰富。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明；

图1为实施例所述的多自由度仿生灵巧手的结构示意图；

图2为实施例所述的仿生拇指的结构示意图；

图3为实施例所述的多功能仿生手指的结构示意图；

图4为实施例所述的灵巧仿生手指的结构示意图；

图5为实施例所述的手掌结构的结构示意图。

图中：

1、手掌结构；11、避让空间；

2、仿生拇指；21、第一指节结构；22、转盘；23、第一线性电机；24、根部线性电机；

3、多功能仿生手指；31、第二指节结构；32、第二线性电机；33、球销副；34、第一球面副；35、第二球面副；

4、灵巧仿生手指；41、第三指节结构；42、第三线性电机；

100、步进线性电机；200、指节。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至图5所示，本实施例提供的多自由度仿生灵巧手包括手掌结构1、仿生拇指2、多功能仿生手指3以及灵巧仿生手指4；仿生拇指2包括第一指节结构21以及转盘22，转盘22转动设置于手掌结构1，第一指节结构21铰接于转盘22，转盘22的旋转轴线不平行于第一指节结构21的旋转轴线；多功能仿生手指3包括第二指节结构31，第二指节结构31万向铰接于手掌结构1，第二指节结构31能够进行曲张运动和摆动运动；灵巧仿生手指4包括第三指节结构41，第三指节结构41铰接于手掌结构1，第三指节结构41能够进行曲张运动。

具体的，转盘22能够带动第一指节结构21相对手掌结构1转动，能够模拟拇指做左右摆动动作，第一指节结构21能够相对转盘22转动，能够模拟拇指做弯曲握紧动作；第二指节结构31万向铰接于手掌结构1，第二指节结构31能够进行曲张运动和摆动运动；第三指节结构41铰接于手掌结构1，第三指节结构41能够进行曲张运动。本实施例提供的多自由度仿生灵巧手具有多个自由度，功能丰富。

线性电机的驱动精度高，能够精准控制各个仿生手指的运动轨迹，使仿生手指的弯曲幅度或者摆动幅度得到精准控制；线性电机的反应速度快，能够控制仿生手指进行各种动作的快速切换；线性电机在停电之后仍然具备自锁功能，在一些用于场景中例如车间，多自由度仿生灵巧手在握紧物品之后，若车间突然停电而导致线性电机断电，由于线性电机具备自锁功能，使仿生手指维持原状，因此多自由度仿生灵巧手还能够握紧物品，避免工件掉落到地面或者砸到其他工件或其他电气设备，能够保证安全性。

可选的，仿生拇指2还包括第一线性电机23，第一线性电机23的两端分别铰接于转盘22和第一指节结构21，第一线性电机23用于带动第一指节结构21进行曲张运动。利用第一线性电机23带动第一指节结构21进行曲张运动，使第一指节结构21具备弯曲自由度，能够将物品握紧于手掌结构1。

可选的，仿生拇指2还包括根部线性电机24，根部线性电机24的两端分别铰接于转盘22和手掌结构1，根部线性电机24用于带动转盘22在手掌结构1上转动。利用根部线性电机24驱动转盘22，使得第一指节结构21具备摆动自由度。

对于本实施例的仿生拇指2，由根部线性电机24驱动转盘22在手掌结构1上转动，转盘22带动第一指节结构21相对手掌结构1转动，能够模拟拇指做左右摆动动作，由第一线性电机23驱动第一指节结构21在转盘22上转动，模拟拇指做弯曲握紧动作。

在本实施例中，第一指节结构21包括两个步进线性电机100和三个指节200，相邻两个指节200之间转动连接，相邻两个指节200之间设有一个步进线性电机100。

本实施例的仿生拇指2具有四个自由度，具体包括一个由根部线性电机24驱动转盘22在手掌结构1上转动的自由度，一个由第一线性电机23驱动第一指节结构21在转盘22上转动的自由度，以及两个由步进线性电机100驱动相邻指节200相对转动的自由度。

可选的，多功能仿生手指3还包括两个第二线性电机32，两个第二线性电机32的两端均分别万向铰接于第二指节结构31和手掌结构1，两个第二线性电机32用于带动第二指节结构31进行曲张运动或摆动运动。

曲张运动包括弯曲动作和伸直动作，当需要第二指节结构31进行弯曲动作时，两个第二线性电机32同步收缩，当需要第二指节结构31进行伸直动作时，两个第二线性电机32同步伸直，当需要第二指节结构31进行摆动动作时，两个第二线性电机32异步伸缩，即其中一个第二线性电机32收缩，另外一个第二线性电机32伸长，从而使第二指节结构31实现左右摆动。两个第二线性电机32在同步收缩的情况下，还能够增加第二指节结构31的抓握力，以保证能够稳定抓紧物品。

在本实施例中，第二指节结构31包括两个步进线性电机100和三个指节200，相邻两个指节200之间转动连接，相邻两个指节200之间设有一个步进线性电机100。

本实施例的多功能仿生手指3具有四个自由度，具体包括由两个第二线性电机32同步驱动第二指节结构31进行曲张运动的自由度，由两个第二线性电机32异步驱动第二指节结构31进行摆动运动的自由度，以及两个由步进线性电机100驱动相邻指节200相对转动的自由度。

可选的，第二指节结构31的根部通过球销副33铰接于手掌结构1，第二线性电机32的一端通过第一球面副34铰接于手掌结构1，第二线性电机32的另一端通过第二球面副35铰接于第二指节结构31的根部。

在本实施例中，第二线性电机32的本体通过第一球面副34铰接于手掌结构1，第二线性电机32的输出端通过第二球面副35铰接于第二指节结构31的根部，球面副具有万向转动功能，第二线性电机32在伸缩时，球面副转动，本实施例利用两个第二线性电机32同步或者异步驱动第二指节结构31，使得第二指节结构31进行曲张运动或摆动运动。

当需要第二指节结构31进行曲张运动时，两个第二线性电机32处于平行状态，两个第二线性电机32的中心轴线平行且不重合，两个第二线性电机32的伸缩速度相同，在收缩速度相等的情况下，第二指节结构31实施弯曲动作，将物品抓握于手掌结构1，在伸长速度相等的情况下，第二指节结构31实施伸直动作，将物品释放。

当需要第二指节结构31实施摆动动作时，两个第二线性电机32处于平行状态，两个第二线性电机32的中心轴线平行且不重合，两个第二线性电机32进行异步伸缩的速度相等。

当两个第二线性电机32进行异步伸缩的速度不同时，第二指节结构31的运动轨迹不仅仅只进行弯曲动作或者只仅仅进行摆动动作，而是弯曲动作和摆动动作同步进行，其运动轨迹取决于异步伸缩的速度的差值大小。

可选的，两个第一球面副34的旋转中心对称设置于球销副33的旋转中心的左右两侧；两个第二球面副35的旋转中心对称设置于球销副33的旋转中心的左右两侧，由此能够更加容易控制第二指节结构31的摆动轨迹，例如当两个第二线性电机32进行异步伸缩的速度相等时，即可使得第二指节结构31只进行摆动动作，当两个第二线性电机32进行同步伸缩的速度相等时，即可使得第二指节结构31只进行弯曲动作或伸直动作。

可选的，第一球面副34包括第一球套和第一球头，第一球头与第一球套铰接，第一球套固定设置于手掌结构1，第一球头固定设置于第二线性电机32的本体。

可选的，第二球面副35包括第二球套和第二球头，第二球头与第二球套铰接，第二球套固定设置于第二线性电机32的输出端，第二球头固定设置于第二指节结构31。

可选的，灵巧仿生手指4还包括第三线性电机42，第三线性电机42的两端分别铰接于第三指节结构41和手掌结构1，第三线性电机42用于带动第三指节结构41进行曲张运动。

可选的，第一指节结构21、第二指节结构31以及第三指节结构41均包括步进线性电机100和至少两个指节200，相邻两个指节200之间转动连接，相邻两个指节200之间设有步进线性电机100，步进线性电机100用于带动相邻两个指节200相对转动。

可选的，第二指节结构31与第三指节结构41中的指节200数目相同。人的拇指具有两个指节，其他手指具有三个指节，因此，在一些实施例中，第一指节结构21包括一个步进线性电机100和两个指节200，第二指节结构31和第三指节结构41均包括两个步进电机和三个指节200。

在相邻两个指节200之间设置一个步进线性电机100，利用步进线性电机100驱动两个指节200相对转动，能够使指节200具备独立转动的自由度，指节200的运动更加灵巧，从而满足指节200独立动作的需求。

在本实施例中，第一指节结构21、第二指节结构31以及第三指节结构41中的指节200数目相同。

将第一指节结构21的指节200数目、第二指节结构31的指节200数目与第三指节结构41中的指节200数目设为相同，使得指节200结构能够通用，降低设计成本。

可选的，相邻两个指节200之间设有避让空间，使得相邻两个指节200能够在预设角度内相对转动。

可选的，手掌结构1设置为L型结构，手掌结构1上设有避让空间11，避让空间11用于避让安装于手掌结构1的PCB。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.多自由度仿生灵巧手，其特征在于，包括：

手掌结构（1）；

仿生拇指（2），包括第一指节结构（21）以及转盘（22），所述转盘（22）转动设置于所述手掌结构（1），所述第一指节结构（21）铰接于所述转盘（22），所述转盘（22）的旋转轴线不平行于所述第一指节结构（21）的旋转轴线；

多功能仿生手指（3），包括第二指节结构（31），所述第二指节结构（31）万向铰接于所述手掌结构（1），所述第二指节结构（31）能够进行曲张运动和摆动运动；

灵巧仿生手指（4），包括第三指节结构（41），所述第三指节结构（41）铰接于所述手掌结构（1），所述第三指节结构（41）能够进行曲张运动。

2.根据权利要求1所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述仿生拇指（2）还包括第一线性电机（23），所述第一线性电机（23）的两端分别铰接于所述转盘（22）和所述第一指节结构（21），所述第一线性电机（23）用于带动所述第一指节结构（21）进行曲张运动。

3.根据权利要求1所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述仿生拇指（2）还包括根部线性电机（24），所述根部线性电机（24）的两端分别铰接于所述转盘（22）和所述手掌结构（1），所述根部线性电机（24）用于带动所述转盘（22）在所述手掌结构（1）上转动。

4.根据权利要求1所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述多功能仿生手指（3）还包括两个第二线性电机（32），两个所述第二线性电机（32）的两端均分别万向铰接于所述第二指节结构（31）和所述手掌结构（1），两个所述第二线性电机（32）用于带动所述第二指节结构（31）进行曲张运动或摆动运动。

5.根据权利要求4所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述第二指节结构（31）的根部通过球销副（33）铰接于所述手掌结构（1），所述第二线性电机（32）的一端通过第一球面副（34）铰接于所述手掌结构（1），所述第二线性电机（32）的另一端通过第二球面副（35）铰接于所述第二指节结构（31）的根部。

6.根据权利要求5所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，两个所述第一球面副（34）的旋转中心对称设置于所述球销副（33）的旋转中心的左右两侧；

两个所述第二球面副（35）的旋转中心对称设置于所述球销副（33）的旋转中心的左右两侧。

7.根据权利要求1所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述灵巧仿生手指（4）还包括第三线性电机（42），所述第三线性电机（42）的两端分别铰接于所述第三指节结构（41）和所述手掌结构（1），所述第三线性电机（42）用于带动所述第三指节结构（41）进行曲张运动。

8.根据权利要求1-7任一项所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述第一指节结构（21）、所述第二指节结构（31）以及所述第三指节结构（41）均包括步进线性电机（100）和至少两个指节（200），相邻两个所述指节（200）之间转动连接，相邻两个所述指节（200）之间设有所述步进线性电机（100），所述步进线性电机（100）用于带动相邻两个所述指节（200）相对转动。

9.根据权利要求8所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述第二指节结构（31）与所述第三指节结构（41）中的所述指节（200）数目相同；或者

所述第一指节结构（21）、所述第二指节结构（31）以及所述第三指节结构（41）中的所述指节（200）数目相同。

10.根据权利要求1-7任一项所述的多自由度仿生灵巧手，其特征在于，所述手掌结构（1）设置为L型结构，所述手掌结构（1）上设有避让空间（11），所述避让空间（11）用于避让安装于所述手掌结构（1）的PCB。