CN1621206A - 仿人机器手机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器手机构，它由一个手掌、五个手指和机械接口构成，五个手指安装在手掌上，手掌的根部设有机械接口，机械接口用于实现仿人机器手机构与机器臂之间的连接。本发明的仿人机器手机构，拇指、食指各具有一个自由度，分别由一个电机驱动；中指、无名指和小指共用一个自由度，由同一个电机驱动，三指传动上采用同一摸块化设计，区别仅在于三指的远指节长度不同。食指、中指、无名指和小指的前两个关节各自运动耦合。各手指的近指节与手掌连接轴处设置有运动解耦装置，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。

Description

仿人机器手机构

技术领域

本发明涉及一种具有五指十四关节三自由度的仿人机器手机械结构的仿人机器手机构。

背景技术

人类研究手及手功能开始于医学外科领域的残疾人义肢研制和伤残程度评定。随着现代科技的发展，各种类型的夹持器、机械手不断涌现。十九世纪六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni开发了第一只机械手，它有五个手指和五个自由度。七十年代末产生了多种夹持器的设计方案。此后，机械手向着两个方向发展：其一是机器人灵巧手，此种手自由度多，常常在九个以上；其二是仿人形机器手，此种手自由度少，通常少于五个。

近年来，仿人形机器人得到国际上有关研究机构的重视，所开发的仿人形机器人也越来越多。为了使机器人能够完成某些操作任务，要求机器人的手具有类似人手的功能，因此，设计出功能全面、结构简单、安全可靠的机器手成为一个重要课题。设计仿人形机器手的一个主要要求是：使用较少数目的电机，实现较多数目的关节运动。为此，有多种可能的传动方案可以采纳，用来实现手指各关节的运动。较常见的是采用钢丝绳传动，另外，还有连杆传动、齿形带传动、齿轮传动等。这些传动方式各有优缺点：钢丝绳传动灵活性好，有利于长距离传动，但需要解决钢丝绳张紧问题；连杆传动结构简单，传动精度较高，但运动连续性较差；齿形带传动精度较高，有利于长距离传动，但对于带轮尺寸有限制；齿轮传动精度高，维护周期长，但不利于长距离传动。

发明内容

本发明的目的是提供一种五指十四关节三自由度的仿人机器手机械结构的仿人机器手机构。本发明的仿人机器手机构的传动方式采用多组定轴齿轮系来完成指节间的运动关系。该机器手能够代替人类手完成某些特定场合的简单操作任务。其结构简单，功能全面，安全可靠，加工、装配及维护简便，成本较低。

本发明是一种仿人机器手机构，它由一个手掌、五个手指和机械接口构成，五个手指安装在手掌上，手掌的根部设有机械接口，机械接口用于实现仿人机器手机构与机器臂之间的连接。本发明的仿人机器手机构，拇指、食指各具有一个自由度，分别由一个电机驱动；中指、无名指和小指共用一个自由度，由同一个电机驱动，三指传动上采用同一摸块化设计，区别仅在于三指的远指节长度不同。食指、中指、无名指和小指的前两个关节各自运动耦合。各手指的近指节与手掌连接轴处设置有运动解耦装置，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。

本发明仿人机器手机构的优点：(1)使用较少数目的电机，实现较多数目的关节运动；(2)外形及尺寸与人类手相当或相似，结构简单，功能全面；(3)该仿人机器手机构在人类无法亲临的环境下，其具有较高的工作灵活性和适应性，并能被较好地得到控制。

附图说明

图1是本发明仿人机器手整体结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是本发明手掌结构示意图。

图4是本发明拇指剖视图。

图5是本发明食指剖视图。

图6是本发明三指剖视图。

图7(a)是本发明仿人机器手远指节结构示意图。

图7(b)是本发明仿人机器手中指节结构示意图。

图7(c)是本发明仿人机器手近指节结构示意图。

图中：1.拇指    101.远指节        102.近指节        103.驱动电机

104.电机主动轮      105.分配轴        106.近指节关节轴  107.远指节关节轴

111.第一齿轮        112.第二齿轮      113.第三齿轮      114.第四齿轮

115.第五齿轮        116.第六齿轮      117.第七齿轮      118.第八齿轮

119.第九齿轮        120.第十齿轮      2.食指            201.远指节

202.中指节          203.近指节        204.驱动电机      205.电机主动轮

206.分配轴          207.近指节关节轴  208.齿轮心轴      209.中指节关节轴

210.远指节关节轴    211.第一齿轮      212.第二齿轮      213.第三齿轮

214.第四齿轮        215.第五齿轮      216.第六齿轮      217.第七齿轮

218.第八齿轮        219.第九齿轮      220.第十齿轮      221.第十一齿轮

222.第十二齿轮      223.第十三齿轮    224.第十四齿轮    3.中指

301.远指节          302.中指节        303.近指节        304.三指驱动电机

305.三指电机主动轮  306.三指分配轴    307.近指节关节轴  308.三指串联轴

309.中指节关节轴    310.远指节关节轴  311.第一齿轮      312.第二齿轮

313.第三齿轮      314.第四齿轮    315.第五齿轮    316.第六齿轮

317.第七齿轮      318.第八齿轮    319.第九齿轮    320.第十齿轮

321.第十一齿轮    4.无名指        101.远指节      402.中指节

403.近指节        5.小指          501.远指节      502.中指节

503.近指节        6.手掌          601.盖板        602.手指安装架

603.传感器        604.光路孔      7.机械接口

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种仿人机器手机构，具有五指十四关节三自由度的机械结构，能够完成类似人手的功能。在本发明中，除拇指是两个指节外，其余四指是三个指节，指节形状如图7所示，远指节为 形结构，中指节为 形结构，近指节为 形结构。指节与指节间的连接采用各指节上设有的轴孔801和各自的关节轴(远指节关节轴、中指节关节轴、近指节关节轴)实现连接。

如图1、2所示，仿人机器手机构由一个手掌6、五个手指和机械接口7构成，五个手指分别是拇指1、食指2、中指3、无名指4和小指5，拇指1垂直安装在手掌6上且位于食指2和中指3的指缝下方，布局上拇指1与其他四指相对。食指2、中指3、无名指4和小指5各具有三个指节和三个关节，拇指l具有两个指节和两个关节。拇指1、食指2各具有一个自由度，分别由一个电机驱动，两指的传动链各自独立设计；中指3、无名指4和小指5这三指共用一个自由度，由同一个电机驱动，三指传动上采用同一摸块化设计，仅在远指节长度上有所区别。食指2、中指3、无名指4和小指5的前两个关节各自运动耦合。食指2、中指3、无名指4和小指5的近指节与手掌6连接轴处设置有运动解耦装置，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。为了方便实现与机械臂的连接，在手掌6的根部设有一法兰盘式的机械接口7，该机械接口7上设有多个螺纹孔，通过螺钉实现手掌6和机器臂的安装连接。

手掌的结构如图3所示，手掌具有手指安装架602，食指2、中指3、无名指4、小指5固定安装在安装架602的各支承上，食指2、中指3、无名指4和小指5这四指的安装间距为3mm，以避免各指间发生运动干涉。拇指1的驱动电机103，食指2的驱动电机204，中指3、无名指4和小指5三指的驱动电机304安装在手掌6内，接近觉传感器603也安装在手掌6内。在手掌6的盖板601上设有观察传感器路径的光路孔604。

拇指1的结构如图4所示，拇指1布局上与其他四指(食指、中指、无名指和小指)相对，具有两个指节(远指节101和近指节102)和两个关节(远指节关节轴107和近指节关节轴106)，由一个电机103驱动，电机103安装于手掌6内。远指节101通过远指节关节轴107连接在近指节102上，近指节102通过近指节关节轴106连接在分配轴105上，分配轴105安装在手掌6上。拇指1通过一组定轴齿轮系(由齿轮逐一传递推动指节运动)实现各指节间的运动，电机103输出轴上固连有主动轮104，主动轮104通过电机103带动驱动第一齿轮111，再由第一齿轮111传递驱动第二齿轮112，以次类推至第十齿轮120，实现只需一个电机带动多个齿轮的运动关系。分配轴105以轴承安装于手掌6上，分配轴105上设有第一齿轮111、第二齿轮112、第三齿轮113，近指节关节轴106上设有第四齿轮114、第五齿轮115、第六齿轮116，第七齿轮117、第八齿轮118和第九齿轮119固连在近指节102的轴上，远指节关节轴107上设有第十齿轮120。第五齿轮115通过销钉与近指节102、近指节关节轴106相固连，近指节关节轴106以轴承安装于手掌6上，近指节102的一个安装架以轴承与近指节关节轴106联接，另一个安装架以紧顶螺钉与近指节关节轴106形成摩擦联接，调节紧顶螺钉可以改变近指节102与近指节关节轴106间的摩擦力值。当近指节102不受外阻力时，近指节102在摩擦力矩作用下与第五齿轮115、近指节关节轴106一同运动，当近指节102受到外阻力，且阻力矩大于摩擦力矩时，近指节102与近指节关节轴106间发生相对运动，近指节102受阻停止运动，近指节关节轴106可以继续转动，从而，允许远指节101继续运动，形成对物体的包络抓持。由此，拇指的近指节关节轴106附近设有的五个齿轮(第一齿轮至第五齿轮)形成一组定轴轮系，实现近指节102相对手掌6的运动，并通过近指节102与近指节关节轴106的摩擦联接，实现近指节102相对手掌6的运动离合。第二齿轮112传动于第六齿轮116，第六齿轮116以近指节关节轴106为心轴，通过第七齿轮117传动于第八齿轮118，第八齿轮118以销钉与第九齿轮119固连，并通过第八齿轮118传动于第十齿轮120，第十齿轮120、远指节转动轴107、远指节101通过销钉相固连，第十齿轮120运动时带动远指节101一同运动。由此，拇指的远指节关节轴107附近设有的五个齿轮(第六齿轮至第十齿轮)形成一组定轴轮系，实现远指节15相对近指节14的运动。

食指2的结构如图5所示，食指2具有三个指节(远指节、中指节、近指节)和三个关节。电机204固定于手掌6内，电机主动轮205以紧顶螺钉与电机204的输出轴固连，电机主动轮205通过第一齿轮211传动于第二齿轮212，第二齿轮212、第三齿轮213、第四齿轮214及分配轴206通过销钉相固连，分配轴206以轴承安装于手掌6上。第二齿轮212的运动分别通过第三齿轮213传递给第七齿轮217，通过第四齿轮214、第五齿轮215传递给第六齿轮216。第六齿轮216通过销钉与近指节203、近指节关节轴207相固连，近指节关节轴207以轴承安装于手掌6上，近指节203的一个安装架以轴承与近指节关节轴207联接，另一个安装架以紧顶螺钉与近指节关节轴207形成摩擦联接，调节紧顶螺钉可以改变近指节203与近指节关节轴207间的摩擦力值。当近指节203不受外阻力时，近指节203在摩擦力矩作用下与第六齿轮216、近指节关节轴207一同运动，当近指节203受到外阻力，且阻力矩大于摩擦力矩时，近指节203与近指节关节轴207间发生相对运动，近指节203受阻停止运动，近指节关节轴207可以继续转动，从而，允许中指节202、远指节201继续运动，形成对物体的包络抓持。由此，电机主动轮205、第一齿轮211、第二齿轮212、第四齿轮214及第六齿轮216形成一组定轴轮系，实现近指节203相对手掌6的运动，并通过近指节203与近指节关节轴207的摩擦联接，实现近指节203相对手掌6的运动离合。第三齿轮213传动第七齿轮217，第七齿轮217以近指节关节轴207为心轴，通过第八齿轮218传动于第九齿轮219，第九齿轮219与第十齿轮220固连，并通过第十齿轮220传动于第十一齿轮221，第十一齿轮221与中指节关节轴209、中指节202以销钉相固连，中指节关节轴209以轴承安装于近指节203上，第十一齿轮221运动时带动中指节202一同运动。由此，电机主动轮205、第一齿轮211、第二齿轮212、第三齿轮213、第七齿轮217、第八齿轮218、第九齿轮219、第十齿轮220及第十一齿轮221形成一组定轴轮系，实现中指节202相对近指节203的运动。第九齿轮219传动于第十二齿轮222，第十二齿轮222以中指节关节轴209为心轴，通过第十三齿轮223传动于第十四齿轮224，第十四齿轮224、远指节关节轴210、远指节201通过销钉相固连，第十四齿轮224运动时带动远指节201一同运动。由此，电机主动轮205、第一齿轮211、第二齿轮212、第三齿轮213、第七齿轮217、第八齿轮218、第九齿轮219、第十二齿轮222、第十三齿轮223及第十四齿轮224形成一组定轴轮系，实现远指节201相对中指节202的运动。中指节202、远指节201运动耦合，即当其中一个指节受到外阻力停止运动时，另一个指节也将停止运动。

三指的结构如图6所示，中指3、无名指4和小指5三指共用一个自由度，由同一个电机304驱动，三指传动上采用同一摸块化设计，各具有三个指节(远指节、中指节、近指节)和三个关节，三指仅在远指节长度上有所区别。三指的结构和驱动方式与食指2相同(连接关系此处不再写出，请参见食指2的说明)，不同之处在于三指间通过串联轴308组合成一个自由度的运动模式，串联轴308设在指节的近指节上，安装于近指节关系轴307的上方。驱动电机304固定于手掌6内，电机主动轮305以紧顶螺钉与电机304的输出轴固连。

Claims (6)

1.一种仿人机器手机构，其特征是：由手掌(6)、拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)和机械接口(7)构成，拇指(1)垂直安装在手掌(6)上且位于食指(2)、中指(3)之间的指缝下面，食指(2)、中指(3)、无名指(4)和小指(5)安装在手掌(6)前端的支架(602)上，手掌(6)的根部设有机械接口(7)，机械接口(7)用于实现仿人机器手机构与机器臂之间的连接；

其中，拇指(1)具有远指节(101)、近指节(102)、远指节关节轴(107)、近指节关节轴(106)、拇指驱动电机(103)，远指节(101)通过远指节关节轴(107)连接在近指节(102)上，近指节(102)通过近指节关节轴(106)连接在分配轴(105)上，分配轴(105)安装在手掌(6)上，拇指驱动电机(103)通过三组定轴齿轮系驱动拇指(1)运动；

其中，食指(2)具有远指节(201)、中指节(202)、近指节(203)、远指节关节轴(210)、中指节关节轴(209)、近指节关节轴(207)、食指分配轴(206)、食指驱动电机(204)，远指节(201)通过远指节关节轴(210)连接在中指节(202)上，中指节(202)通过中指节关节轴(209)连接在近指节(203)上，近指节(203)通过近指节关节轴(207)连接在手掌(6)支承端和安装架(602)的第一支承(6021)上，食指驱动电机(204)由三组定轴齿轮系驱动食指(2)运动；

其中，中指(3)、无名指(4)和小指(5)各具有远指节、中指节、近指节和远指节关节轴、中指节关节轴、近指节关节轴，三指共用一个三指驱动电机(304)、一个分配轴(306)，中指(3)、无名指(4)和小指(5)三指的远指节通过远指节关节轴连接在中指节上，中指节通过中指节关节轴连接在近指节上，近指节通过近指节关节轴连接在安装架(602)的支承上；三指通过三指串联轴(306)相连接，使得三指各自的近指节运动同步；三指驱动电机(304)通过定轴齿轮系驱动中指(3)、无名指(4)和小指(5)三指运动；

其中，手掌(6)内安装有拇指驱动电机(103)、食指电机(204)、三指电机(304)和接近觉传感器(603)；与食指(2)、中指(3)、无名指(4)和小指(5)连接端的手掌(6)设有安装架(602)；手掌(6)上开有传感器光路孔(604)；

其中，手掌(6)根部的机械接口(7)为一法兰盘，其上设有用于连接机器臂的螺纹孔。

2.根据权利要求1所述的仿人机器手机构，其特征是：拇指(1)的近指节关节轴(106)处设置有运动解耦装置，其结构是通过螺钉将近指节(102)压紧在近指节关节轴(106)上，形成摩擦连接，当外力小于摩擦力时，近指节(102)与近指节关节轴(106)保持固定连接，当外力大于摩擦力时，产生滑动，从而，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。

3.根据权利要求1所述的仿人机器手机构，其特征是：食指(2)的远指节关节轴(210)和近指节关节轴(207)运动耦合，近指节关节轴(207)处设置有运动解耦装置，其结构是通过螺钉将近指节(203)压紧在近指节关节轴(207)上，形成摩擦连接，当外力小于摩擦力时，近指节(203)与近指节关节轴(207)保持固定连接，当外力大于摩擦力时产生滑动，从而，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。

4.根据权利要求1所述的仿人机器手机构，其特征是：中指(3)、无名指(4)和小指(5)每个手指的远指节关节轴和近指节关节轴运动耦合；三指的近指节关节轴处设置有运动解耦装置，其结构是通过螺钉将近指节压紧在近指节关节轴上，形成摩擦连接，当外力小于摩擦力时，近指节与近指节关节轴保持固定连接，当外力大于摩擦力时产生滑动，从而，当手指近指节接触物体受阻时，其他指节仍可继续运动，完成对物体的包络抓持。

5.根据权利要求1所述的仿人机器手机构，其特征是：手掌(6)安装架(602)上设有第一支承(6021)、第二支承(6022)、第三支承(6023)，食指(2)安装在手掌(6)的侧臂与第一支承(6021)间，中指(3)安装在第一支承(6021)与第二支承(6022)间，无名指(4)安装在第二支承(6022)与第三支承(6023)间，小指(5)第三支承(6023)上。

6.根据权利要求1所述的仿人机器手机构，其特征是：远指节为“ ”形结构，中指节为“

”形结构，近指节为“ ”形结构。

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