基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手的制作方法

专利名称：基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人灵巧手。
背景技术：
末端执行器是机器人与外界环境相互作用的执行部件。随着现代科技的飞速 发展，机器人的应用不单单只局限于工业领域，而是逐步应用于农业、医疗以及 服务等领域。机器人的操作对象逐渐变得更加多样化和复杂化，这就要求机器人 的末端执行器要像人手一样灵活和安全。而传统的工业机器人末端执行器往往专 用性强、动作简单、灵活性差以及缺乏感知力等等，这些缺点使得传统的机器人 末端执行器已经不能满足当今社会需求。机器人多指灵巧手以人手为原型，从结 构和功能上模仿人手，具有3-5个手指以及多个自由度，可以实现对不同形状和大 小物体的灵巧操作和精确抓持。机器人多指灵巧手可以代替传统的专用机器人末 端执行器，从而可以扩大机器人的应用领域。
目前，国内外科研机构己经研制出多种多指灵巧手，其中以电机驱动，以及 气动人工肌肉通过人工腱驱动的灵巧手居多。
以电机驱动的多指灵巧手研究始于20世纪70年代，其中最具代表的是日本"电 子技术实验室"研制的Okada灵巧手。20世纪80年代初，美国斯坦福大学研制成功 了Stanford/JPL手;美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了Utah/MIT手。目前 为止，较为著名的电机驱动的多指灵巧手有日本的Hitachi灵巧手、德国的DLR-I 和DLR-II灵巧手、美国的NASA手、哈尔滨工业大学的DLR/HIT灵巧手以及北京 航天航空大学的BH系列灵巧手。基于电机驱动的多指灵巧手依靠电机旋转运动模 拟人手的各个关节转动，往往尺寸大于人手、结构复杂、抓持力小(一般小于20N) 且难于控制。
20世纪50年代，美国原子物理学家Joseph L.McKibben实用新型了气动人工肌 肉。进入21世纪，以气动人工肌肉驱动的多指灵巧手相继诞生。其中，比较著名
6的是英国Shadow机器人公司研制Shadow灵巧手，该灵巧手酷似人手，拥有5根手 指和一个手掌，具有19个自由度，由36根气动人工肌肉通过人工腱驱动各个关节 转动。Shadow灵巧手各个关节安装了角度传感器，手指指尖装有力传感器，可以 进行抓、握等操作。在国内，北京理工大学也设计了基于气动人工肌肉的多指灵 巧手。气动人工肌肉通过人工腱驱动的灵巧手，其外形尺寸和人手差不多，但是 也存在以下两点不足(1)驱动器和手分离，通过人工腱驱动各个关节转动，腱 传动系统中存在摩擦、松弛以及能量损耗的问题无法避免；(2)过多的气动人工 肌肉使得灵巧手的前臂粗大臃肿，给灵巧手与其他机器人系统的配合应用带来不 便。

实用新型内容
为了克服已有的机器人灵巧手的结构复杂、柔性差、适用性差的不足，本实 用新型提供一种结构简单、具有很好的柔性、适用性好的基于气动柔性驱动器的 机器人多指灵巧手。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是 一种基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌，手 掌内部设有五个手指安装座；五个手指分别是大拇指、食指、中指、无名指以及 小拇指，其中
食指、中指、无名指以及小拇指结构相同，分别有4个关节、4个指节、第 一腕骨以及第一指尖，所述的4个关节包括三个弯曲关节和第一侧摆关节；所述 的4个指节分别是第一远指节、第一中指节、第一近指节和第一掌骨节，第一远 指节的上端与第一指尖连接，第一远指节的下端与第一弯曲关节的上端连接，所 述第一弯曲关节的下端与第一中指节的上端连接，所述第一中指节的下端与第二 弯曲关节的上端连接，所述第二弯曲关节的下端与第一近指节的上端连接，所述 第一近指节的下端与第三弯曲关节的上端连接，所述第三弯曲关节的下端与第一 掌骨节的上端连接，所述第一掌骨节的下端与第一侧摆关节的上端连接，所述第 一侧摆关节的下端与第一腕骨的上端连接，所述第一腕骨安装在手掌的手指安装 座上；
所述大拇指包括4个关节、4个扭节、第二腕骨以及第二指尖，所述的4个关节分别是三个弯曲关节和第二侧摆关节；所述的4个指节分别是第二远指节、 第二中指节、第二近指节和第二掌骨节，第二远指节的上端与第二指尖连接，第
二远指节的下端与第四弯曲关节的上端连接，所述第四弯曲关节的下端与第二中 指节的上端连接，所述第二中指节的下端与第五弯曲关节的上端连接，所述第五 弯曲关节的下端与第二近指节的上端连接，所述第二近指节的下端与第六弯曲关 节的上端连接，所述第六弯曲关节的下端与第二掌骨节的上端连接，所述第二掌 骨节的下端与第二侧摆关节的上端连接，所述第二侧摆关节的下端与第二腕骨的 上端连接，所述第二腕骨安装在手掌的手指安装座上；
所述弯曲关节包括气动柔性驱动器、铰链转动副以及两个定位板，所述铰链 转动副的两侧与两个定位板固定连接，气动柔性驱动器的前后两个端盖与两个定 位板固定连接；
所述气动柔性驱动器包括前后两个端盖、 一个橡胶管以及一个管接头，所述 的橡胶管两端分别与前端盖、后端盖密封联接，前端盖上还设有一个与大气相连 接的通孔，所述的管接头安装在前端盖上，所述的橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝 且螺旋钢丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；
所述侧摆关节包括两个气动柔性驱动器和一个轴向可伸縮铰链，所述的轴向 可伸縮铰链由两个活动构件通过腰槽结构形成的一个可伸縮的转动副；所述的活 动构件与气动柔性驱动器前后端盖连接，所述两个气动柔性驱动器的轴线平行并 垂直于铰链销轴轴线；
在所述食指、中指、无名指以及小拇指中，三个弯曲关节的轴线平行，第一 侧摆关节竖直放置，第一侧摆关节的轴线和三个弯曲关节轴线垂直；
在所述大拇指中，第四弯曲关节和第五弯曲关节之间的轴线平行，第六弯曲 关节的轴线与前两个弯曲关节的轴线呈20 45度的夹角；所述第二侧摆关节是水 平放置，第二侧摆关节的轴线与第六弯曲关节轴线垂直。
作为优选的一种方案所述的铰链转动副包括两对刚性板状转动构件和一个 转动销轴，每对刚性板状转动构件的内侧两端之间通过所述转动销轴连接，所述 两对刚性板状构件的外侧两端与两个定位板固定连接。
作为优选的另一种方案f所述的轴向可俾縮铰链fef舌两个T型刚性连接件和
8一个销轴，上T型刚性连接件上端与气动柔性驱动器的端盖固定连接，上T型刚 性连接件下端设有圆孔，所述圆孔上安装销轴，下T型刚性连接件的上端设有长 孔，所述销轴穿过所述长孔，下T型刚性连接件的下端与气动柔性驱动器的另一 端盖固定连接。
作为优选的再另一种方案在所述食指、中指、无名指以及小拇指中，所述
弯曲关节的铰链转动副与第一掌骨节的上端、第一远指节、第一中指节和第一近 指节呈一体，所述侧摆关节的轴向可伸縮铰链与第一掌骨节的下端、第一腕骨呈 一体；
在所述大拇指中，所述弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节的上端、第二远 指节、第二中指节和第二近指节呈一体，所述侧摆关节的轴向可伸縮铰链与第二 掌骨节的下端、第二腕骨呈一体。
进一步，所述前后端盖上分别设有台阶轴，气动柔性驱动器通过前后两个端 盖上的台阶轴安装在两个固定板的中间.
更进一步，所述前后端盖上分别设有台阶轴，T型刚性连接件上分别左右对 称设有两个定位孔，所述定位孔和气动柔性驱动器前后端盖上的定位台阶轴配合。
再进一步，所述的手指安装座包括大拇指安装座、食指安装座、中指安装座、 无名指安装座以及小拇指安装座，所述5个手指安装座上分别设有与所述手指腕 骨上的定位轴配合的手指安装定位孔，所述的食指安装座、中指安装座、无名指 安装座以及小拇指安装座分别设有两个通孔，气动柔性驱动器的管接头与相应手 指侧摆关节设有气管连通，所述气管与通孔连通。
食指、中指、无名指以及小拇指四指之间的间距为10mm，并且相对于手掌 根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小拇指高20mm， 大拇指与食指的夹角可以为30-45°
本实用新型的技术构思为基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其外 形尺寸和普通人手相仿，拥有五个手指和一个手掌，具有20个自由度。相比于以 电机驱动的多指灵巧手，多指灵巧手尺寸小、具有很好的柔性和柔顺性、结构简 单、抓持力大且易于控制等特点。相比于气动人工肌肉驱动的灵巧手，多指灵巧 手采用气动柔性驱动器直接驱动，驱 直接安装在灵巧手本体上，不需要通过人工腱驱动，摩擦力小，能量损耗小，同时也避免了灵巧手前臂粗大等缺陷。
机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌；五个手指分别是大拇指、食 指、中指、无名指以及小拇指。根据仿生学原理，机器人作业环境的变化以及为 了避免发生运动干涉，食指、中指、无名指以及小拇指四指之间的间距为10mm， 并且相对于手掌根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小 拇指高20mm，大拇指与食指的夹角可以为30-45°。
所述的多指灵巧手的食指、中指、无名指以及小拇指结构、尺寸相同，分别 有4个关节、4个指节以及腕骨，每个手指有4个自由度，可以实现屈曲以及侧 摆运动。所述的4个关节包括三个弯曲关节和一个侧摆关节；所述的4个指节分 别是远指节、中指节、近指节和掌骨节。所述的三个弯曲关节结构相同，各个关 节轴线相互平行，分别包括一个气动柔性驱动器(以下简称气动柔性驱动器)，一 个铰链转动副以及两个固定板(以下简称固定板)；所述气动柔性驱动器包括前后 两个端盖、 一个橡胶管以及一个管接头，所述的橡胶管两端分别与前端盖、后端 盖密封联接，前后端盖上分别设有台阶轴，前端盖上还设有一个与大气相连接的 通孔，所述的管接头安装在前端盖上，所述的橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝且螺 旋钢丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；所述指节可以在气动柔 性驱动器驱动作用下绕铰链转动副转动；所述的两个固定板分别通过螺纹联接固 定在铰链两侧的指节上，每个固定板上分别设置有定位孔，气动柔性驱动器通过 前后两个端盖上的台阶轴安装在两个固定板的中间，这样的设计便于气动柔性驱 动器的更换。新述的侧摆关节包括两个气动柔性驱动器和一个轴向可伸縮铰链， 其关节轴线和前面所述的三个弯曲关节轴线垂直；所述的两个气动柔性驱动器与 前面弯曲关节中所述的气动柔性驱动器结构相同；所述的轴向可伸缩铰链是由两 个活动构件通过腰槽结构形成的一个可伸縮的转动副；所述的活动构件上分别设 有左右对称两个安装孔，与气动柔性驱动器端盖上的台阶轴过盈配合联接，从而 将两个气动柔性驱动器固定在两个活动体之间，所述的侧摆关节中的两个气动柔 性驱动器的轴线平行，垂直于铰链销轴轴线。所述的侧摆关节是竖直放置，其活 动构件分别构成手指的掌骨节和腕骨。
所述的多指灵巧手的大拇指与其它四指结构不同，包括4个关节、4个指节
10以及腕骨，同时具有4个自由度，抓握操纵时，可以实现屈曲以及侧摆运动。所 述的4个关节分别是三个弯曲关节，以及一个侧摆关节；所述的4个指节分别是 远指节、中指节、近指节和掌骨节。所述大拇指的三个弯曲关节与前面所述其它 四指中的弯曲关节的结构原理一样，根据人类手指结构，大拇指的三个弯曲关节 中，前两个弯曲关节(靠近指尖的两个弯曲关节)轴线平行，而与第三个弯曲关 节的轴线呈30度左右夹角，这与其它四指不同；所述大拇指的侧摆关节是水平放 置，其轴线与第三个弯曲关节轴线垂直。
所述机器人多指灵巧手的手掌包括手心、手背；手掌内部设有五个手指安装 座，这样设计可以加强手掌强度，每个手指安装座分别与手心手背通过螺钉固定 联接；每个手指安装座设有手指安装定位孔，所述的五个手指的掌骨节上分别设 有手指安装定位轴与手指安装座的定位孔配合定位，然后再通过螺纹联接将手掌 与手指固定；所述的手掌根部设有气管引出孔，食指、中指、无名指以及小拇指 4个手指侧摆关节8个气管要从手掌根部引出。
本实用新型的有益效果主要表现在1、具有和人手一般大小的尺寸，具有五 个手指以及20个自由度，每个手指都包括了三个屈曲关节以及一个侧摆关节，从 而可以实现屈曲运动以及侧摆运动，因此可以模拟人手的大部分动作；2、采用气 动柔性驱动器直接驱动，驱动器直接安装在机器人多指灵巧手本体上，不需要附 加任何传动减速机构，摩擦力小，能量损失低；3、尺寸更易小性化，结构简单紧 凑，加工方便、装配以及修理维护简便、成本低廉；4、采用气动柔性驱动器驱动 使其具有很好的柔性和适应性，同时手指输出力大，且容易控制；5、适用性好。


图1是机器人多指灵巧手立体图。
图2是机器人多指灵巧手手心向结构示意图。
图3是机器人多指灵巧手手背向结构示意图。
图4是机器人多指灵巧手手指中的弯曲关节立体图。
图5是机器人多指灵巧手手指中的弯曲关节结构原理示意图。
图6是图5的仰视图。
图7是弯曲关节某一工作状态结构示意衝。图8是机器人多指灵巧手手指中侧摆关节立体图。 图9是侧摆关节各个构件联接示意图。 图10是侧摆关节的结构原理示意图。
图11是侧摆关节向右侧摆某一工作状态时的结构示意图。 图12是食指、中指、无名指以及小拇指的立体图。 图13是食指、中指、无名指以及小拇指的结构示意图。 图14是图13的左视图。
图15是食指、中指、无名指以及小拇指某一工作状态的结构示意图。 图16是图15的左视图。
图17是食指、中指、无名指以及小拇指中掌骨节的结构示意图。
图18是大拇指的立体图。
图19是大拇指的各个构件联接示意图。
图20是大拇指某一工作状态的结构示意图。
图21是手掌的结构示意图。
图22是图21全剖视图。
图23是手掌各个构件联接示意图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。 参照图1 图23， 一种基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，包括五个手 指和一个手掌6，手掌内部设有五个手指安装座；五个手指分别是大拇指l、食指 2、中指3、无名指4以及小拇指5，其中食指2、中指3、无名指4以及小拇 指5结构相同，分别有4个关节、4个指节、第一腕骨23以及第一指尖18，所述 的4个关节包括三个弯曲关节和第一侧摆关节IV;所述的4个指节分别是第一远 指节19、第一中指节20、第一近指节21和第一掌骨节22，第一远指节19的上 端与第一指尖18连接，第一远指节19的下端与第一弯曲关节I的上端连接，所 述第一弯曲关节I的下端与第一中指节20的上端连接，所述第一中指节20的下 端与第二弯曲关节II的上端连接，所述第二弯曲关节II的下端与第一近指节21 的上端连接，所述第一近指节21的下端与第三弯曲关节III的上端连接，浙述第三弯曲关节m的下端与第一掌骨节22的上端连接，所述第一掌骨节22的下端与 第一侧摆关节IV的上端连接，所述第一侧摆关节IV的下端与第一腕骨23的上 端连接，所述第一腕骨23安装在手掌的手指安装座上；所述大拇指1包括4个关 节、4个指节、第二腕骨28以及第二指尖29，所述的4个关节分别是三个弯曲关 节和第二侧摆关节VIII;所述的4个指节分别是第二远指节24、第二中指节25、 第二近指节26和第二掌骨节27，第二远指节24的上端与第二指尖29连接，第 二远指节24的下端与第四弯曲关节V的上端连接，所述第四弯曲关节V的下端 与第二中指节25的上端连接，所述第二中指节25的下端与第五弯曲关节VI的 上端连接，所述第五弯曲VI关节的下端与第二近指节26的上端连接，所述第二 近指节26的下端与第六弯曲关节VII的上端连接，所述第六弯曲关节VII的下端 与第二掌骨节27的上端连接，所述第二掌骨节27的下端与第二侧摆关节VIII的 上端连接，所述第二侧摆关节VIII的下端与第二腕骨28的上端连接，所述第二 腕骨28安装在手掌的手指安装座上；
所述弯曲关节包括气动柔性驱动器7、铰链转动副以及两个定位板8、 12，所 述铰链转动副的两侧与两个定位板固定连接，气动柔性驱动器7的前后两个端盖 与两个定位板8、 12固定连接；
所述气动柔性驱动器包括前后两个端盖73、 74、 一个橡胶管71以及一个管 接头16，所述的橡胶管71两端分别与前端盖73、后端盖密封联接，前端盖73 上还设有一个与大气相连接的通孔，所述的管接头16安装在前端盖73上，所述 的橡胶管71管壁中嵌套有螺旋钢丝72且螺旋钢丝72是沿着橡胶管71的径向螺 旋密绕在橡胶管的内壁中；
所述侧摆关节包括两个气动柔性驱动器7和一个轴向可伸縮铰链，所述的轴 向可伸縮铰链由两个活动构件14、 15通过腰槽结构形成的一个可伸縮的转动副； 所述的活动构件14、 15与气动柔性驱动器7前后端盖73、 74连接，所述两个气 动柔性驱动器7的轴线平行并垂直于铰链销轴10的轴线；
在所述食指2、中指3、无名指4以及小拇指5中，三个弯曲关节的轴线平行， 第一侧摆关节IV竖直放置，第一侧摆关节IV的轴线和三个弯曲关节轴线垂直；
在所述大拇指1中，靠近指尖29的前两个弯曲关节之间的轴线平行，即第四弯曲关节V和第五弯曲关节VI之间的轴线平行，第六弯曲关节VII的轴线与前 两个弯曲关节的轴线呈20 45度的夹角；所述第二侧摆关节VIII是水平放置，第 二侧摆关节VIII的轴线与第六弯曲关节VII轴线垂直。
在所述食指2、中指3、无名指4以及小拇指5中，所述弯曲关节的铰链转动 副与第一掌骨节22的上端、第一远指节19、第一中指节20和第一近指节21呈 一体，所述侧摆关节的轴向可伸縮铰链与第一掌骨节22的下端、第一腕骨23呈 一体；
在所述大拇指1中，所述弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节27的上端、第 二远指节24、第二中指节25和第二近指节26呈一体，所述侧摆关节的轴向可伸 縮铰链与第二掌骨节27的下端、第二腕骨28呈一体。
本实施例的机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌6。所述的五个手 指包括大拇指l、食指2、中指3、无名指4以及小拇指5。本实用新型的机器人 多指灵巧手的手指布局以人手结构为依据，食指2、中指3、无名指4以及小拇指 5相互平行且间距为10mm，给手指佩戴人工皮肤留下充足空间，同时这四指指 尖相对于手掌6根部的高度不同，其中中指3比食指4高15mm，比无名指高 10mm，而无名指比小拇指高25mm;大拇指1与食指2之间的角度呈45°。
五个手指中总共使用了 15个基于气动柔性驱动器驱动的弯曲关节(简称弯曲 关节)。弯曲关节可以实现手指的屈曲运动，是本实用新型的重要组成部件，故对 弯曲关节进行详细的介绍。参照图4 图6，所述的弯曲关节包括一个气动柔性驱 动器7，两个固定板8、 12，两对刚性板状转动构件9、 11， 一个转动销轴IO、 一 个管接头16以及4个内六角螺栓13。所述的气动柔性驱动器7包括前端盖73、 后端盖74以及橡胶管71，所述的橡胶管71的两端分别与前端盖73、后端盖74 密封联接，其中前后端盖分别设有定位台阶轴，且前端盖73上设有一个与大气相 连通的通孔与管接头16通过螺纹固定联接，所述的橡胶管71管壁中嵌套有螺旋 钢丝72且螺旋钢丝72是沿着橡胶管71的径向螺旋密绕在橡胶管71的内壁中， 当高压气体通过管接头16进入橡胶管71内腔，由于螺旋钢丝72的径向限制作用， 在压縮气体的压力下，橡胶管71与螺旋钢丝72发生轴向形变，而其径向变形可 以忽略，从而产生驱动效果；所述的两个固定板8、 12通过四个内六角螺栓13
14固定联接在两对刚性板状转动构件9、 ll中间，其中固定板8、 12中设有定位孔 与气动柔性驱动器7的前后端盖上的定位台阶轴过盈配合，从而将驱动器7装配 在弯曲关节上；所述的两对刚性板状转动构件9、 11和销轴IO构成一个铰链转动 副。参照图7，基于气动柔性驱动器驱动的弯曲关节的工作原理是通过管接头 16把压縮空气通入气动柔性驱动器7的内腔中，在压縮空气的压力作用下，由于 螺旋钢丝72的限制左右，驱动器7发生轴向变形，从而对驱动器固定板8、 12 产生一定的推力，推力对销轴10中心线产生转矩，从而使得固定板8、 12带动刚 性转动构件9、 11绕销轴10中心线转动；当减小压缩空气的压力，由于橡胶管 71和螺旋钢丝72的回弹作用，气动柔性驱动器7收縮，从而带动固定板8、 12 绕销轴10回转，从而实现弯曲效果，由于弯曲关节的转动，橡胶管71会产生弧 形变形。基于气动柔性驱动器驱动的弯曲关节的转角范围为0。 100。，其结构简 单，刚性好，易于小型化，动作灵活，具有较大的实施价值。
每个手指不仅可以实现屈曲(弯曲)运动，而且可以实现侧摆运动。基于气 动柔性驱动器实用新型了侧摆关节。参照图8 图11，基于气动柔性驱动器的侧 摆关节包括两个气动柔性驱动器7，两个T型刚性连接件14、 15， 一个销轴10 以及两个管接头16。所述的气动柔性驱动器7工作原理在前面己经阐述清楚，其 前后端盖73、 74分别设有定位台阶轴，前端盖73设有与大气相连接的通孔与管 接头16通过螺纹固定联接；所述的T型刚性连接件14、 15上端分别左右对称设 有两个定位孔，用于和气动柔性驱动器7端盖上的定位台阶轴配合，配合为过盈 配合，T型刚性连接件14的下端设有圆孔与销轴10过盈配合，T型刚性连接件 15的下端对称设有两个长孔，故T型刚性连接件14、 15以及销轴IO通过一个腰 槽结构行成可上下伸縮的铰链转动副。参照图ll，基于气动柔性驱动器驱动的侧 摆关节的工作原理是在发生侧摆运动前，由于橡胶管71的不可压縮性，要预先 向侧摆关节的两个气动柔性驱动器7的内腔中通入相同压力的压縮空气，在等压 气体的作用下，两个气动柔性驱动器7发生相同的轴向伸长，又由于T型刚性连 接件14、 15之间是轴向可伸縮的铰链转动副，故两个气动柔性驱动器7将推动T 型刚性连接件轴向伸长直至销轴10两端与T型刚性连接件15的长孔上端接触为 止，预充气的目的在于使得两个气动柔性驱动l7的橡胶管7i分别有 一定的预伸长量便于侧摆关节发生侧摆运动；预充气结束后，通过改变两个气动柔性驱动器 7内腔的压縮空气的压力，使得两个驱动器7的橡胶管71发生不同的伸长，从而 可以实现侧摆关节的左右摆动，当左边驱动器的内腔气压大于右边驱动器的内腔 气压时，侧摆关节向右摆动，反之向左摆动；当减小压縮空气的压力，两边的气 动柔性驱动器7在橡胶管71以及螺旋钢丝72的回弹力作用下收縮，从而带动侧 摆关节恢复原状。基于气动柔性驱动器驱动的侧摆关节的转角范围为-20° 20°， 其刚性好，结构简单，易于小型化，拆装维护方便，动作灵活，具有较大的实施 价值。
食指2、中指3、无名指4以及小拇指5结构、尺寸相同，分别有4个指节、 4个关节、第一腕骨23以及第一指尖18。参照图12 图14，所述的4个指节分 别是第一远指节19、第一中指节20、第一近指节21以及第一掌骨节22，是由各 个关节的铰链活动构件所构成，第一掌骨节22的结构如图17所示；4个关节分 别是第一弯曲关节I、第二弯曲关节II、第三弯曲关节III以及第一侧摆关节IV， 其中弯曲关节和侧摆关节的工作原理以及结构组成前面已经做了详细的叙述；第
一弯曲关节i、第二弯曲关节ii和第三弯曲关节m的轴线相互平行；第一侧摆关
节IV竖直放置，其轴线与前面所述三个关节轴线相互垂直；所述第一腕骨23上设 有手指装配定位轴以及两个与手掌固定联接的安装孔;所述的第一指尖18是第一 远指节19的一部分，是一个五维力传感器，用于实时检测手指的抓持力。每个手 指具有4个自由度，第一远指节19、第一中指节20以及第一近指节21分别有一 个屈曲自由度，第一掌骨节22有一个侧摆自由度。所述的食指2、中指3、无名 指4以及小拇指5的工作原理是参照图15 图16，通过控制第一弯曲关节I、 第二弯曲关节II，第三弯曲关节III以及第一侧摆关节IV中气动柔性驱动器7的 内腔压縮空气的压力，驱动相应指节运动，从而可以实现手指的弯曲和侧摆。
大拇指l具有4个指节、4个关节、第二腕骨28以及第二指尖29，结构与其 他4指不同。参照图18 图20，所述的4个指节分别是第二远指节24、第二中指 节25、第二近指节26以及第二掌骨节27，是由各个关节的铰链活动构件所构成； 所述4个关节分别是第四弯曲关节V、第五弯曲关节VI、第六弯曲关节VII以及 第二侧摆关节vm，其中关节的结构原理这里不再赘述；第四弯曲关节V以及第五弯曲关节VI的轴向相互平行，根据人手的结构，第六弯曲关节VII的轴线与前 两个弯曲关节的轴线呈20~45度(优选为30度)夹角；第二侧摆关节VIII水平
放置，其轴线与第六弯曲关节vn的轴线垂直；所述第二腕骨28上设有手指装配
的定位放轴以及与手掌安装固定孔；所述的第二指尖29是第二远指节24的一部 分，是一个五维力传感器，用于实时检测手指的抓持力。大拇指1具有4个自由 度，第二远指节24、第二中指节25以及第二近指节26分别有一个屈曲自由度， 第二掌骨节27有一个侧摆自由度。通过控制第四弯曲关节V、第五弯曲关节VI， 第六弯曲关节VII以及第二侧摆关节VIII中气动柔性驱动器的内腔压縮空气的压 力，驱动相应指节运动，实现大拇指l的弯曲和侧摆，从而可以实现大拇指l与 其他四指的对捏和抓握。
机器人多指灵巧手的手掌6包括手心31、手背32、 5个手指安装座以及若干 紧固螺钉30。参照图21 图23，所述的手心31、手背32是刚性板状材料，上面 设有手指装配固定孔；所述的手指安装座包括大拇指安装座33、食指安装座34、 中指安装座35、无名指安装座36以及小拇指安装座37，分别通过紧固螺钉30 与手心31、手背32固定联接，加强手掌6的强度；所述5个手指安装座上分别 设有手指安装定位孔，与所述手指腕骨上的定位轴配合，从而对手指定位；所述 的食指安装座34、中指安装座35、无名指安装座36以及小拇指安装座37分别设 有两个通孔，相应手指侧摆关节的气管从孔引出；根据解剖学知识，人类手指的 掌骨节包于手掌内，故本实用新型的所有手指的掌骨节也是设置在手掌内。
本实施例的驱动系统与控制测量系统包括气泵、控制卡、工控机、五维力传 感器以及计算机软件，其中五维力传感器是由合肥中科院机器人智能研究所根据 使用要求研制。
权利要求1、一种基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌，手掌内部设有五个手指安装座；五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指以及小拇指，其中食指、中指、无名指以及小拇指结构相同，分别有4个关节、4个指节、第一腕骨以及第一指尖，所述的4个关节包括三个弯曲关节和第一侧摆关节；所述的4个指节分别是第一远指节、第一中指节、第一近指节和第一掌骨节，第一远指节的上端与第一指尖连接，第一远指节的下端与第一弯曲关节的上端连接，所述第一弯曲关节的下端与第一中指节的上端连接，所述第一中指节的下端与第二弯曲关节的上端连接，所述第二弯曲关节的下端与第一近指节的上端连接，所述第一近指节的下端与第三弯曲关节的上端连接，所述第三弯曲关节的下端与第一掌骨节的上端连接，所述第一掌骨节的下端与第一侧摆关节的上端连接，所述第一侧摆关节的下端与第一腕骨的上端连接，所述第一腕骨安装在手掌的手指安装座上；所述大拇指包括4个关节、4个指节、第二腕骨以及第二指尖，所述的4个关节分别是三个弯曲关节和第二侧摆关节；所述的4个指节分别是第二远指节、第二中指节、第二近指节和第二掌骨节，第二远指节的上端与第二指尖连接，第二远指节的下端与第四弯曲关节的上端连接，所述第四弯曲关节的下端与第二中指节的上端连接，所述第二中指节的下端与第五弯曲关节的上端连接，所述第五弯曲关节的下端与第二近指节的上端连接，所述第二近指节的下端与第六弯曲关节的上端连接，所述第六弯曲关节的下端与第二掌骨节的上端连接，所述第二掌骨节的下端与第二侧摆关节的上端连接，所述第二侧摆关节的下端与第二腕骨的上端连接，所述第二腕骨安装在手掌的手指安装座上；其特征在于所述弯曲关节包括气动柔性驱动器、铰链转动副以及两个定位板，所述铰链转动副的两侧与两个定位板固定连接，气动柔性驱动器的前后两个端盖与两个定位板固定连接；所述气动柔性驱动器包括前后两个端盖、一个橡胶管以及一个管接头，所述的橡胶管两端分别与前端盖、后端盖密封联接，前端盖上还设有一个与大气相连接的通孔，所述的管接头安装在前端盖上，所述的橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝且螺旋钢丝是沿着粗橡胶管的径向螺旋密绕在粗橡胶管的内壁中；所述侧摆关节包括两个气动柔性驱动器和一个轴向可伸缩铰链，所述的轴向可伸缩铰链由两个活动构件通过腰槽结构形成的一个可伸缩的转动副；所述的活动构件与气动柔性驱动器前后端盖连接，所述两个气动柔性驱动器的轴线平行并垂直于铰链销轴轴线；在所述食指、中指、无名指以及小拇指中，三个弯曲关节的轴线平行，第一侧摆关节竖直放置，第一侧摆关节的轴线和三个弯曲关节轴线垂直；在所述大拇指中，第四弯曲关节和第五弯曲关节之间的轴线平行，第六弯曲关节的轴线与前两个弯曲关节的轴线呈20～45度的夹角；所述第二侧摆关节是水平放置，第二侧摆关节的轴线与第六弯曲关节轴线垂直。
2、 如权利要求1所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于 所述的铰链转动副包括两对刚性板状转动构件和一个转动销轴，每对刚性板状转 动构件的内侧两端之间通过所述转动销轴连接，所述两对刚性板状构件的外侧两 端与两个定位板固定连接。
3、 如权利要求1所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于 所述的轴向可伸缩铰链包括两个T型刚性连接件和一个销轴，上T型刚性连接件 上端与气动柔性驱动器的端盖固定连接，上T型刚性连接件下端设有圆孔，所述圆孔上安装销轴，下T型刚性连接件的上端设有长孔，所述销轴穿过所述长孔， 下T型刚性连接件的下端与气动柔性驱动器的另一端盖固定连接。
4、 如权利要求2所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于 所述的轴向可伸縮铰链包括两个T型刚性连接件和一个销轴，上T型刚性连接件 上端与气动柔性驱动器的端盖固定连接，上T型刚性连接件下端设有圆孔，所述 圆孔上安装销轴，下T型刚性连接件的上端设有长孔，所述销轴穿过所述长孔， 下T型刚性连接件的下端与气动柔性驱动器的另一端盖固定连接。
5、 如权利要求1"~4之一所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特 征在于在所述食指、中指、无名指以及小拇指中，所述弯曲关节的铰链转动副 与第一掌骨节的上端、第一远指节、第一中指节和第一近指节呈一体，所述侧摆 关节的轴向可伸縮铰链与第一掌骨节的下端、第一腕骨呈一体； 在所述大拇指中，所述弯曲关节的铰链转动副与第二掌骨节的上端、第二远指节、 第二中指节和第二近指节呈一体，所述侧摆关节的轴向可伸缩铰链与第二掌骨节 的下端、第二腕骨呈一体。
6、 如权利要求5所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于 所述前后端盖上分别设有台阶轴，气动柔性驱动器通过前后两个端盖上的台阶轴 安装在两个固定板的中间。
7、 如权利要求5所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于 所述前后端盖上分别设有台阶轴，T型刚性连接件上分别左右对称设有两个定位 孔，所述定位孔和气动柔性驱动器前后端盖上的定位台阶轴配合。
8、 如权利要求5所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于所述的手指安装座包括大拇指安装座、食指安装座、中指安装座、无名指安装座以及小拇指安装座，所述5个手指安装座上分别设有与所述手指腕骨上的定位轴配合的手指安装定位孔，所述的食指安装座、中指安装座、无名指安装座以及小 拇指安装座分别设有两个通孔，气动柔性驱动器的管接头与相应手指侧摆关节设 有气管连通，所述气管与通孔连通。
9、如权利要求8所述的基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，其特征在于所述食指、中指、无名指以及小拇指四指之间的间距为10mm，并且相对于手掌 根部，中指比无名指高10mm，无名指比食指高5mm，食指比小拇指高20mm， 大拇指与食指的夹角可以为30-45°。
专利摘要一种基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，包括五个手指和一个手掌，手掌内部设有五个手指安装座；五个手指分别是大拇指、食指、中指、无名指以及小拇指，弯曲关节包括气动柔性驱动器、铰链转动副以及两个定位板，所述铰链转动副的两侧与两个定位板固定连接，气动柔性驱动器的前后两个端盖与两个定位板固定连接；侧摆关节包括两个气动柔性驱动器和一个轴向可伸缩铰链，所述的轴向可伸缩铰链由两个活动构件通过腰槽结构形成的一个可伸缩的转动副；所述的活动构件与气动柔性驱动器前后端盖连接，所述两个气动柔性驱动器的轴线平行并垂直于铰链销轴轴线。本实用新型结构简单、具有很好的柔性、适用性好。
文档编号B25J15/10GK201283575SQ20082016677
公开日2009年8月5日 申请日期2008年11月3日 优先权日2008年11月3日
发明者张立彬, 杨庆华, 王志恒, 钱少明, 鲍官军 申请人:浙江工业大学