自适应机械手掌的制作方法
【专利摘要】一种自适应机械手掌，包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，拇指安装座用来固定拇指，转轴部分可转动地安装在食指掌块上；食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座；手指安装座上安装手指，手掌身的左右两侧面具有倾斜角，安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供凸台插入的装配空间，转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，凸台固定在转轴销轴上。本实用新型结构合理、具有自由度、适用性良好。
【专利说明】
自适应机械手掌
技术领域
[0001 ]本发明属于机器人多指灵巧手领域，涉及一种自适应机械手掌。
【背景技术】
[0002]传统的末端执行器大多采用夹持式或者平移式的单自由度结构，这种传统的末端执行器操作任务简单，不需要复杂的控制系统，针对特定场合而定制，比如焊枪、吸盘、装配中的夹持器等。这种末端执行器通用性差，极大地限制了机器人的作业范围，而且这种执行器猪油手指的功能，缺少手掌的辅助。虽然操作的稳定性较好，依然存在着以下的缺点:(I)夹持方式单一，互换性差，影响了整体的作业效率；(2)夹持过程中接触点少，缺乏灵巧性；
(3)缺乏对力的可控性，没有对应的传感系统，无法精确反应抓取的位置和力反馈，这样将导致此类末端执行器只能用于夹持力要求不高的场合；
[0003]随着智能机器人的出现，传统的机器人应用趋于饱和，机器人的应用领域从工业领域延伸到农业、航空航天、深海探测、服务娱乐、医疗康复、远程操作等，因此受到了国内外众多研究者的关注。针对如此复杂多样的工作环境，对机器人的配置、适应性、灵巧性等方面有了更高的要求，促使了国内外的学者研发出了新一代末端执行器。机器人多指灵巧手以人手为原型，结合了人手的结构和运动规律，具有3-5个手指以及多个自由度，可以实现对不同形状的物体进行抓持和操作，但是这种灵巧手只有手指像人手的结构，但是手掌大多采用规则的刚性板材作为固定手指，不能像人手掌那样可以根据抓取的力实时调整手掌姿态。
[0004]根据传统灵巧手的手掌的设计情况，存在以下缺点:(I)手掌没有自由度，缺乏能动性，不利于抓取操作；(2)手掌缺少拖物台，物体只能卡在大拇指根部，抓取时十分不方便，很多时候物体会滑落，不利于手指稳定抓取；(3)手指与手掌无法密切配合，在抓取物体时抓取姿态收到了手掌的限制，导致抓取效率低下。综合以上的说明，多指灵巧手不仅需要使手指更加拟人化，手掌也需要像人手一样能够有一定的自由度，这样更利于手的稳定抓取操作。
【发明内容】
[0005]为了克服已有机器人灵巧手的手掌的过于简单、无自由度、适应性差的不足，本发明提供了一种结构合理、具有自由度、适用性良好的自适应机械手掌。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种自适应机械手掌，包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，所述转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。
[0008]进一步，所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。
[0009]再进一步，所述拇指安装座与手掌成75°夹角。当然，也可以为其他角度。
[0010]更进一步，中指掌块比无名指掌块高10mm，无名指掌块比食指掌块高5mm，食指掌块比小指掌块高15mm，拇指掌块与食指掌块的夹角位75度。
[0011 ]本发明的有益效果主要表现在:(I)具有类人手掌的结构和尺寸，五个手掌块合理布置和配合，具有4个自由度，能够进行弯曲适量的角度，基本实现人手的动作。(2)每个掌块的拇指安装座，采用腰圆型结构有利于手指进行侧摆，采用旋转凸台和定位凸台在轴销的辅助下，能够弯曲一定的角度，这样有利于抓取物体时，手掌自适应变化姿态。
【附图说明】
[0012]图丨是手掌工程图。
[0013]图2是手掌三维图。
[0014]图3是食指掌身二维图。
[0015]图4是食指掌身三维图。。
[0016]图5是拇指掌身三维图
[0017]图6是手背主视的中指掌身三维图。
[0018]图7是手掌主视的中指掌身三维图。
[0019]图8是手背主视的无名指掌身三维图。
[0020]图9是手掌主视的无名指掌身三维图。
[0021 ]图10是手背主视的小指掌身三维图。
[0022]图11是手掌主视的小指掌身三维图。
[0023]图12是以手掌主视的自适应弯曲一定角度三维图。
[0024]图13是以手背主视的手掌自适应弯曲一定角度三维图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0026]参照图1?图13，一种自适应机械手掌，包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，所述转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。
[0027]进一步，所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。
[0028]再进一步，所述拇指安装座与手掌成75°夹角。当然，也可以为其他角度。
[0029]更进一步，所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块以及小拇指掌块相对于手掌根部的距离是有差异的，中指掌块比无名指掌块高10mm，无名指掌块比食指掌块高5mm，食指掌块比小拇指掌块高15mm，大拇指掌块与食指掌块的夹角位75度;手掌的整体尺寸和形状基本类似于人手掌的结构，五个手掌块具有4个自由度，相对于其他的灵巧手掌结构更合理，具有很好的柔性和适应性等特点。
[0030]本实施例中，所述托物盘是一块凹形方块用来托住物体方便手指抓取;所述拇指安装座用来固定拇指，而且拇指安装座与手掌成75°夹角，这样拇指与其它四指就形成了一定的倾斜角，这样更能够保证抓取物体的稳定性;所述转轴的部分与食指一侧相配合，并且可以围绕食指一侧旋转，旋转角度都可以再0° — 90°内变化，使得拇指能够像人手一样自由的转动一定的角度，这里可以采用微型电机控制转动一定的角度。所述其他四个手掌模块结构基本类似，由手掌身、两侧配有与其他手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座；所述手掌身由梯形截面拉伸而来，两侧面具有10度的倾斜角，在其他手掌安装座处的转轴旋转下，手掌能够弯曲一定的角度，更适用于抓取物体，而且这个弯曲的部分不需要控制，能够自适应进行弯曲相应的角度;手指安装座由一个圆孔和腰形槽组成，这样手指能够进行侧摆运动，由于我们实验中抓取物体的时候，手指的侧摆很微小，但是抓取不同形状的物体时确实是有点差异的，所以此处我们根据抓取的物体的形状实时进行人工调整合适的侧摆距离。这样多指灵巧手既能够弯曲一定的角度，又能通过调整手指的侧摆选择更合理的抓取姿态。
[0031]本实施例中，从图1、2从手掌背部和底部两个方向给出了手掌的基本组成部分，基本上由五个模块儿组成，分别是拇指掌块(1)、食指掌块(2)、中指掌块(3)、无名指掌块(4)、小指掌块(5)。结合图2和5所示，所述手掌的拇指掌块包括了托物盘(6)、拇指安装座(7)以及可绕食指旋转的旋转凸台(8)，所述托物盘是一块凹形方块用来托住物体方便手指抓取；所述拇指安装座用来固定大拇指，而且拇指安装座与手掌成75°夹角，这样大拇指与其它四指就形成了一定的倾斜角，这样更能够保证抓取物体的稳定性;所述旋转凸台与食指一侧(13、14)相配合，并且可以围绕食指一侧旋转，旋转角度可以在0° — 90°内变化，使得拇指能够像人手一样自由的转动一定的角度，这里可以采用微型电机适时转动一定的角度。通过图3-5所示，介绍了拇指掌身和食指掌身，图3-4分别代表食指掌身的二维图和三维图，图3中食指手掌包括了手指安装座和与凸台对应的定位挡板(11-12)，手指安装座由定位销孔
(9)和腰圆型槽位(10)组成，由于抓取过程中相同物体的抓取侧摆很微小，所以此处采用人工调节侧摆距离的方法。图4和5基本对应，在这幅图中能够清晰地了解食指掌块的结构，定位凸台1(11、12)将于中指的旋转凸台(17)相配合，配合转轴就能够进行旋转弯曲，另一个定位凸台(13、14)将于拇指旋转凸台(8)相配合，使得拇指能在0-90度内旋转变化，极大地模拟了人手的大拇指结构。
[0032]图6-11为中指掌身、无名指掌身、小指掌身的结构图，下面逐一讲解它们的配合关系。每个模块基本组成包括了手掌安装座、旋转凸台、定位凸台组成。中指的旋转凸台(17)和食指的定位凸台(13、14)配合，所述中指的定位凸台(18、19)和无名指的旋转凸台(23)相配合，无名指的定位凸台(24、25)与小指的旋转凸台(29)相配合。尤其指出手掌上表面和下表不等宽导致侧面形成了一定的倾斜角，这样对扭转关节扭转的角度有一定的限制，相邻手掌块之间有一个很小的弯折活动范围，而且这样的设计使得手掌的弯折是自适应的，它会根据抓取物体的形状，在抓取力的带动下自适应调整手掌的弯曲弧度。另外的无名指掌身和小指掌身和中指结构类似，都是通过旋转凸台与定位凸台配合，在手掌连接处冗余倾斜面的限位配合适当的弯曲一定的角度。在图12-13看出在抓取物体过程中由于接触力的影响使得手掌能够自适应的弯曲一定的角度。从这几幅图中看出手掌弯曲成一定的弧度成包络状态，同时手指能够有利于手指侧摆一定的距离，这样更能够实时稳定地抓取。
[0033]上述所有整体和各个部分清晰讲述了手掌的所有结构的设计，模拟人手掌的结构和运动特征设计而成，机器人多指灵巧手掌包括五个手掌模块。所述的五个手掌模块包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块以及小指掌块。本发明的机器人多指灵巧手掌的手掌指布局以人手掌结构为依据，食指掌块、中指掌块、无名指掌块以及小指掌块的高度略有差别，4个掌块相对于手掌根部的高度不同，其中中指比食指高15mm，比无名指高10，而无名指比小指高20mm;大拇指与食指之间的角度呈75度。本手掌基本类似于人手掌，只要设计的手指模块的配合尺寸与手掌相匹配都可以相适用。这种自适应手掌完全能够提高灵巧手抓取的姿态，并能够保证抓取的稳定性要求。
【主权项】
1.一种自适应机械手掌，其特征在于:包括拇指掌块、食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块，所述拇指掌块包括托物盘、拇指安装座以及可绕食指掌块旋转的转轴部分，所述托物盘是用来托住物体方便手指抓取的方块，所述拇指安装座用来固定拇指，所述转轴部分可转动地安装在食指掌块上;所述食指掌块、中指掌块、无名指掌块和小指掌块均包括手掌身、两侧配有与相邻手指配合的安装座、转动轴销以及手指安装座;所述手指安装座上安装手指，所述手掌身的左右两侧面具有倾斜角，所述安装座为定位挡板或凸台，相邻两个定位挡板之间为供所述凸台插入的装配空间，转轴销轴可转动地安装在两个定位挡板之间，所述凸台固定在所述转轴销轴上。2.如权利要求1所述的自适应机械手掌，其特征在于:所述手指安装座设置圆孔和腰形槽，所述腰形槽以所述圆孔中心为圆形弧形布置用以实现侧摆运动。3.如权利要求1或2所述的自适应机械手掌，其特征在于:所述拇指安装座与手掌成75°夹角。4.如权利要求1或2所述的自适应机械手掌，其特征在于:中指掌块比无名指掌块高10mm，无名指掌块比食指掌块高5mm，食指掌块比小指掌块高15mm，拇指掌块与食指掌块的夹角位75度。
【文档编号】B25J15/00GK205572450SQ201521117389
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年12月29日
【发明人】王志恒, 方伟, 鲍官军, 都明宇, 杨庆华
【申请人】浙江工业大学