专利名称：超声电机驱动的五指灵巧手的制作方法
技术领域：
超声电机驱动的五指灵巧手，属机器人领域。
背景技术：
随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科不断涌现，如太空探索、核能开发、 医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求，而传统的工业机器人末端夹持器 有一些缺点，如灵活性差，感知能力低下，力的控制精度不高等。近二十几年来， 多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展，并已逐渐成为一个专门的研究领域。多指灵巧手依照驱动器的位置分为两类内置型和外置型。内置型多指灵巧 手的手部关节的转动是由安装在手指或手掌内的驱动器驱动。典型的内置型多指灵巧手有WENDY灵巧手和DLR II灵巧手。内置型灵巧手的最大优势在于由于采用独立的手部结构，灵巧手可以安装在各种类型的机器人手臂上。但它也存在 着不足，其中尺寸上的限制尤为突出。外置型多指灵巧手的驱动器全部被放置在灵巧手之外。典型的外置型多指灵巧手有NASA robonaut灵巧手和Utah/MIT灵巧手。外置的驱动器通过腱驱动 关节转动。其优势在于可以利用高功率的驱动器产生非常大的驱动力，如气压 驱动；驱动器的外置可以使手指结构变得简单，从而使得多关节多自由度的灵巧 手成为可能，然而，由于驱动器的外置，这种灵巧手很难和各种机器人手臂相联， 而且手的工作空间变得有限，工作灵活性降低。超声电机具有低速大扭矩，不需减速齿轮可直接驱动负载；超声电机体积小 和重量轻等特点使其适合作为机构受到约束的灵巧手的驱动器；超声电机的自锁 力矩大，可以实现断电后仍然可以抓住物体。这些都是传统电磁电机所无法比拟 的。采用超声电机，可以像内置型灵巧手那样，将超声电机全部置于手掌内，形 成独立的手部结构；同时可以借鉴外置型灵巧手的方式，采用弹性线驱动方式使 手指结构变得更加简单，从而使灵巧手可以和普通人手一般大小，获得与人手一 样多的关节和自由度。
发明内容
本发明的目的在于研制一种手部独立、结构简单、具有与人手一样多的自由 度且体积相当于成人手大小的由超声电机驱动的五指灵巧手、应用于太空探索、 核能开发、医疗器械等领域。一种超声电机驱动的五指灵巧手，包括拇指、食指、中指、无名指、小指五 个手指、底座和手掌面。食指、中指、无名指、小指分别固定在底座和手掌面上， 拇指固定在底座上。其特征在于，所述的食指、中指、无名指、小指的结构相同，分别具有远端 指节、近端指节、掌骨指节和掌骨体及四个关节和四个自由度。四个关节是从指 根向外分别是掌指关节MPI、 MPII，近端指间关节PIP及远端指间关节DIP，每 个关节具有一个相对应的自由度。远端指节通过远端指间关节DIP连于近端指 节，近端指节再通过近端指间关节PIP连于掌骨指节，掌骨指节再通过掌指关节 MPII连于掌骨体。所述的远端指节包括指尖帽、远端指节体、远端指间DIP关节轴及远端从动 轮和测量远端指间关节DIP转角的电位计。指尖帽与远端指节体以螺纹连接，远 端指节体通过远端指节体支撑架固定在远端指间DIP关节轴上，远端从动轮固定 在远端指节体支撑架左边的远端指间DIP关节轴上并与远端指节体支撑架固连， 在远端指节体支撑架右边远端指间DIP关节轴安装有测量远端指间关节DIP转角 的电位计。所述的近端指节包括近端指节体、近端指间PIP关节轴、近端从动轮、近端 过渡轮、测量近端指间关节PIP转角的电位计。近端指节体通过近端指节体支撑 架固定在近端指间PIP关节轴上，近端从动轮固定在近端指节体支撑架左边的近 端指间PIP关节轴上并与近端指节体支撑架固连,近端过渡轮通过轴承安装在近 端指节体支撑架右边的近端指间PIP关节轴上，近端指间PIP关节轴的右端安装有测量近端指间关节PIP转角的电位计，该电位计置于近端过渡轮的右边。远端 指间关节DIP关节轴通过一对轴承安装在近端指节的指节体上。所述掌骨指节包括掌骨指节体、左掌骨指节侧板、右掌骨指节侧板、带动掌 骨关节MPI运动的从动轮、带动掌骨关节MPII运动的从动轮、掌骨过渡轮、驱动 远端指间关节DIP的主动轮、驱动远端指间关节DIP的超声电机、上立柱板、下 立柱板、测量掌骨关节MPII转角的电位计、测量掌骨关节MPI转角的电位计。驱 动远端指间关节DIP的超声电机输出轴通过轴承安装在右掌骨指节侧板上，驱动 远端指间关节DIP的主动轮固连在驱动远端指间关节DIP的超声电机输出轴上， 掌骨过渡轮和掌骨指节体通过轴承安装在驱动远端指间关节DIP的超声电机输 出轴上，掌骨过渡轮置于驱动远端指间关节DIP的主动轮的左侧，掌骨指节体置 于掌骨过渡轮的左侧、装在驱动远端指间关节DIP的超声电机输出轴末端。带动掌骨关节MPI运动的从动轮通过螺钉与掌骨指节体固连，其右端设计有一体 轴，轴上安装有测量掌骨关节MPI转角的电位计并通过轴承安装在左掌骨关节侧 板上。左掌骨指节侧板、右掌骨指节侧板、上立柱板、下立柱板通过螺钉连接成 起支撑作用的长方形结构。上立柱板轴上安装有测量掌骨关节MPII转角的电位计 和带动MPII关节运动的从动轮。近端指间PIP关节轴安装在掌骨指节体上。所述的掌骨体包括左掌骨面板、右掌骨面板、掌骨上板、掌骨下板、驱动掌 骨关节MPI的超声电机、驱动近端指间关节PIP的超声电机、驱动掌骨关节MPII 的超声电机、驱动掌骨关节MPI的主动轮、驱动掌骨关节MPII的主动轮、驱动近 端指间关节PIP的主动轮。其中左掌骨面板和右掌骨面板与掌骨上板和掌骨下板 通过螺钉连接成起支撑作用的长方形结构，右掌骨面板上分别安装有驱动近端指 间关节PIP的的超声电机和驱动掌骨关节MPI的超声电机，驱动近端指间关节 PIP的主动轮固连在驱动近端指间关节PIP的超声电机的轴上;驱动掌骨关节MPI 的主动轮固连在驱动掌骨关节MPI的超声电机的轴上，掌骨上板上安装有驱动掌 骨关节MPII的超声电机，驱动掌骨关节MPII的主动轮固连在驱动掌骨关节MPII的超声电机的轴上；所述掌骨指节中的上立柱板和下立柱板通过轴承分别安装在掌 骨上板和掌骨下板上。食指、中指、无名指、小指的掌骨体固定在底座及手掌面上连成一体。所述的食指、中指、无名指、小指的远端指节由安装在右掌骨指节侧板上的 超声电机驱动，超声电机带动超声电机轴上的主动轮经弹性线带动近端过渡轮， 近端过渡轮经弹性线带动远端从动轮实现远端指节的弯曲-伸展运动；近端指节 由安装在右掌骨面板上的超声电机带动主动轮转动经弹性线带动掌骨过渡轮，掌 骨过渡轮经弹性线带动近端从动轮实现弯曲-伸展运动；掌骨关节MPI由安装在 右掌骨面板上的超声电机带动主动轮经弹性线驱动从动轮实现弯曲-伸展运动；掌骨关节MPII由安装在掌骨上板上的超声电机带动主动轮经弹性线驱动从动轮 实现内收-外展运动。所述的拇指具有三个指节四个关节，三个指节为拇指远端指节、拇指近端指 节和拇指掌骨指节，四个关节为拇指根关节TMI和TMII、掌指关节MP、指间关 节IP，四个关节对应四个自由度，拇指根关节TMI和掌指关节MP和指间关节IP 为弯曲-伸展运动；拇指根关节TMII为内收-外展运动。拇指远端指节通过指间 关节IP连于拇指近端指节；拇指近端指节通过掌指关节MP连于拇指掌骨指节。 拇指远端指节体、驱动指间关节IP的从动轮与IP关节轴固连且驱动指间关节IP的从动轮通过螺钉与拇指近端指节固连，IP关节轴上安装有用于测量指间关 节IP转角的电位计，驱动指间关节IP运动的超声电机安装在拇指掌骨指节左侧 板上，驱动指间关节IP的主动轮与驱动指间关节IP的超声电机轴固连，经弹性 线驱动指间关节IP上从动轮，拇指近端指节通过轴承安装在驱动指间关节IP 的超声电机轴上，带动拇指近端指节运动的从动轮通过螺钉与拇指近端指节固 连，其右端设计有一体轴，轴上安装有测量掌指关节MP转角的电位计并通过轴 承安装在拇指掌骨指节右侧板上，驱动掌指关节MP的超声电机安装在拇指掌骨 指节右侧板上，驱动掌指关节MP的主动轮与驱动掌指关节MP的超声电机轴固连 经弹性线驱动带动拇指近端指节的从动轮，拇指根关节TMII由安装在拇指掌骨 指节根部的超声电机驱动，拇指根关节TMII的主动轮固定在驱动拇指根关节 TMII的超声电机轴上，经弹性线驱动从动轮，拇指根关节TMI由安装在连接板 上的超声电机驱动，驱动拇指根关节TMI主动轮固定在驱动拇指根关节TMI的超 声电机轴上经弹性线驱动从动轮，TMII关节和TMI关节轴上分别固定从动轮和 从动轮并各安装有一个测量关节转角的电位计，拇指通过连接板与底座连成一 体。本发明的优点是由于采用了超声电机，灵巧手不需减速装置，断电后仍可抓持物体，具有独立的手部结构，响应快，操作灵活，和普通人手一般大小，获 得与人手一样多的关节和自由度。
图1是超声电机驱动五指灵巧手的整体结构示意图。图2(a、 b、 c)是灵巧手食指、中指、无名指、小指结构示意图。图3是灵巧手食指、中指、无名指、小指的远端指节结构示意图。图4是图3的侧视图。图5是灵巧手食指、中指、无名指、小指的近端指节结构示意图。 图6是图5的侧视图。图7是灵巧手食指、中指、无名指、小指的掌骨骨节结构示意图。图8是是图7的俯视图。图9是图7的局部视图。图10是灵巧手食指、中指、无名指、小指掌骨体结构示意图。图11是图10的俯视图。图12 (a、 b、 c)是灵巧手拇指结构示意图。图13灵巧手控制系统硬件结构框图 图14灵巧手控制软件流程中1.食指 2.中指 3.无名指 4.小指 5.拇指 6.底座 7.手掌面 8.远端指节 9.近端指节 10.掌骨指节 11.掌骨体 12. DIP关节 13. PIP关节 14. MPI关节 15. MPII关节 16.指间帽 17.指节体 18. DIP关节轴 19.从动轮 20.电位计 21.指节体 22. PIP关节轴 23.从动轮 24.过渡轮 25.电位计 26.超声电机 27.右掌骨指节侧板 28.主动轮 29.从动轮 30.左掌骨指节侧板 31.过渡轮 32.指节体 33.下立柱板 34.上立柱板 35.从动轮 36.电位计 37.电位计 38.掌骨上板 39.左掌骨面板 40.掌骨下 板 41.主动轮 42.主动轮 43.右掌骨面板 44.主动轮 45.超声 电机 46.超声电机 47.超声电机 48.拇指远端指节 49.拇指近端 指节 50.拇指掌骨指节 51. IP关节 52. MP关节 53. TMII关节54. TMI关节 55.从动轮 56. IP关节轴 57.超声电机 58.拇指掌骨指节 左侧板 59.主动轮 60.从动轮 61.主动轮 62.拇指掌骨指节右侧 板 63.超声电机 64.超声电机 65.超声电机 66.拇指根部 67. 连接板。68.主动轮69.主动轮70.从动轮71.从动轮
具体实施例方式下面将结合附图对超声电机驱动的五指灵巧手作进一步的说明。 一种超声电机驱动的五指灵巧手，如图1所示，包括拇指5、食指l、中指 2、无名指3、小指4五个手指、底座6和手掌面7。食指l、中指2、无名指3、 小指4分别固定在底座6和手掌面7上，拇指5固定在底座6上。其特征在于，所述的食指l、中指2、无名指3、小指4的结构相同，如图2 (a)、 (b)所示，分别具有远端指节8、近端指节9、掌骨指节10和掌骨体11 及四个关节和四个自由度。四个关节从指根向外分别是掌指关节MPI14、 MPIU5， 近端指间关节PIP13及远端指间关节DIP12，每个关节具有一个相对应的自由度。 远端指节8通过远端指间关节DIP12连于近端指节9，近端指节9再通过近端指 间关节PIP13连于掌骨指节10，掌骨指节10再通过掌指关节MPII15连于掌骨体 11。所述的远端指节8，如图3、图4所示，包括指尖帽16、远端指节体17、远 端指间DIP关节轴18及远端从动轮19和测量远端指间关节DIP转角的电位计20。指尖帽16与远端指节体17以螺纹连接，远端指节体17通过远端指节体支 撑架固定在远端指间DIP关节轴18上，远端从动轮19固定在远端指节体支撑架 左边的远端指间DIP关节轴18上并与远端指节体支撑架固连，在远端指节体支 撑架右边远端指间DIP关节轴18安装有测量远端指间关节DIP12转角的电位计 20。所述的近端指节9，如图5、图6所示，包括近端指节体21、近端指间PIP 关节轴22、近端从动轮23、近端过渡轮24、测量近端指间关节PIP转角的电位 计25。近端指节体21通过近端指节体支撑架固定在近端指间PIP关节轴18上， 近端从动轮23固定在近端指节体支撑架左边的近端指间PIP关节轴22上并与近 端指节体支撑架固连，近端过渡轮24通过轴承安装在近端指节体支撑架右边的 近端指间PIP关节轴22上，近端指间PIP关节轴22的右端安装有测量近端指间 关节PIP13转角的电位计25，该电位计25置于近端过渡轮24的右边。远端指 间关节DIP关节轴18通过一对轴承安装在近端指节9的指节体21上。所述掌骨指节IO，如图7、图8、图9所示，包括掌骨指节体32、左掌骨指 节侧板30、右掌骨指节侧板27、带动掌骨关节MPI14运动的从动轮29、带动掌 骨关节MPII15运动的从动轮35、掌骨过渡轮31、驱动远端指间关节DIP12的主 动轮28、驱动远端指间关节DIP12的超声电机26、上立柱板34、下立柱板33、 测量掌骨关节MPII15转角的电位计36、测量掌骨关节MPI14转角的电位计37。 驱动远端指间关节DIP12的超声电机26输出轴通过轴承安装在右掌骨指节侧板 27上，驱动远端指间关节DIP12的主动轮28固连在驱动远端指间关节DIP12的 超声电机26输出轴上，掌骨过渡轮31和掌骨指节体32通过轴承安装在驱动远 端指间关节DIP12的超声电机26输出轴上，掌骨过渡轮31置于驱动远端指间关 节DIP12的主动轮28的左侧，掌骨指节体32置于掌骨过渡轮31的左侧、驱动 远端指间关节DIP12的超声电机26输出轴末端。带动掌骨关节MPI14运动的从 动轮29通过螺钉与掌骨指节体32固连，其右端设计有一体轴，轴上安装有测量 掌骨关节MPI14转角的电位计37并通过轴承安装在左掌骨关节侧板30上。左掌 骨指节侧板30、右掌骨指节侧板27、上立柱板34、下立柱板33通过螺钉连接 成起支撑作用的长方形结构。上立柱板34轴上安装有测量掌骨关节MPII15转角 的电位计36和带动MPII关节15运动的从动轮35。近端指间PIP关节轴22安装 在掌骨指节体32上。所述的掌骨体ll，如图IO、图11所示，包括左掌骨面板39、右掌骨面板43、掌骨上板38、掌骨下板40、驱动掌骨关节MPI14的超声电机45、驱动近端 指间关节PIP13的超声电机46、驱动掌骨关节MPII的超声电机47、驱动掌骨关 节MPI14的主动轮41、驱动掌骨关节MPII的主动轮42、驱动近端指间关节PIP13 的主动轮44。其中左掌骨面板39和右掌骨面板43与掌骨上板38和掌骨下板40 通过螺钉连接成起支撑作用的长方形结构，右掌骨面板43上分别安装有驱动近 端指间关节PIP13的的超声电机46和驱动掌骨关节MPI14的超声电机45，驱动 近端指间关节PIP13的主动轮44固连在驱动近端指间关节PIP13的超声电机46 的轴上；驱动掌骨关节MPI14的主动轮41固连在驱动掌骨关节MPI14的超声电 机45的轴上，掌骨上板38上安装有驱动掌骨关节MPII15的超声电机47,驱动 掌骨关节MPII15的主动轮42固连在驱动掌骨关节MPII的超声电机47的轴上;所 述掌骨指节10中的上立柱板34和下立柱板33通过轴承分别安装在掌骨上板38 和掌骨下板40上。食指1、中指2、无名指3、小指4的掌骨体11固定在底座6 及手掌面7上连成一体。所述的食指l、中指2、无名指3、小指4的远端指节8由安装在右掌骨指 节侧板27上的超声电机26驱动，超声电机26带动超声电机26轴上的主动轮 28经弹性线带动近端过渡轮24，近端过渡轮24经弹性线带动远端从动轮19实 现远端指节8的弯曲-伸展运动；近端指节9由安装在右掌骨面板43上的超声电 机46带动主动轮44转动经弹性线带动掌骨过渡轮31，掌骨过渡轮31经弹性线 带动近端从动轮23实现弯曲-伸展运动；掌骨关节MPI14由安装在右掌骨面板 43上的超声电机45带动主动轮41经弹性线驱动从动轮29实现弯曲-伸展运动； 掌骨关节MPII15由安装在掌骨上板38上的超声电机47带动主动轮42经弹性线 驱动从动轮35实现内收-外展运动。所述的拇指5，如图12 (a)、 (b)所示，具有三个指节四个关节，三个指节 为拇指远端指节48、拇指近端指节49和拇指掌骨指节50，四个关节为拇指根关 节TMI54和TMI153、掌指关节MP52、指间关节IP51，四个关节对应四个自由度， 拇指根关节TMI54和掌指关节MP52和指间关节IP51为弯曲-伸展运动；拇指根 关节TMII53为内收-外展运动。拇指远端指节48通过指间关节IP51连于拇指近 端指节49;拇指近端指节49通过掌指关节MP52连于拇指掌骨指节50。拇指远 端指节体48、驱动指间关节IP51的从动轮55与IP关节轴56固连且驱动指间 关节IP51的从动轮55通过螺钉与拇指近端指节49固连，IP关节轴56上安装 有用于测量指间关节IP51转角的电位计，驱动指间关节IP51运动的超声电机57安装在拇指掌骨指节左侧板58上，驱动指间关节IP51的主动轮59与驱动指 间关节IP51的超声电机57轴固连，经弹性线驱动指间关节IP51上从动轮55， 拇指近端指节49通过轴承安装在驱动指间关节IP51的超声电机57轴上，带动 拇指近端指节49运动的从动轮60通过螺钉与拇指近端指节49固连，其右端设 计有一体轴，轴上安装有测量掌指关节MP52转角的电位计并通过轴承安装在拇 指掌骨指节右侧板62上，驱动掌指关节MP52的超声电机63安装在拇指掌骨指 节右侧板62上，驱动掌指关节MP52的主动轮61与驱动掌指关节MP52的超声电 机63轴固连经弹性线驱动带动拇指近端指节49的从动轮60，拇指根关节TMII53 由安装在拇指掌骨指节根部66的超声电机64驱动，拇指根关节TMII53的主动 轮68固定在驱动拇指根关节TMII53的超声电机64轴上，经弹性线驱动从动轮 70，拇指根关节TMI54由安装在连接板67上的超声电机65驱动，驱动拇指根关 节TMI54主动轮69固定在驱动拇指根关节TMI54的超声电机65轴上经弹性线驱 动从动轮71， TMII关节53和TMI关节54轴上分别固定从动轮70和从动轮71 并各安装有一个测量关节转角的电位计，拇指5通过连接板67与底座6连成一 体。本发明超声电机驱动的五指灵巧手兼顾了内置型和外置型灵巧手的优点，由 于采用了超声电机作为驱动器，使得本发明没用减速装置，做到即小又巧、响应 迅速控制性能好、断电自锁安全性高、不受电磁场干扰，在未来的太空探索、核 能开发、医疗器械等领域中有着巨大的应用前景。驱动和控制系统如图13所示，由超声电机、驱动器、DSP、 CPLD和计算机 及控制软件组成，如图14所示，测量系统由力传感器、电位计构成。超声电机 选用的是南京航空航天大学精密驱动研究所研制的TRUM-30型超声电机，驱动器 由南京航空航天大学精密驱动研究所与超声电机配套提供；计算机用于灵巧手轨 迹规划及向下位机DSP发送控制数据，计算机和DSP之间采用RS232进行通讯； DSP选用的是TI公司的TMS320F2812， DSP完成全部关节运动控制算法和控制量 的给定，实现灵巧手各关节协调运动；CPLD选用Atral公司的MAX7000S系列的 EPM7192S， CPLD实现超声电机正反转控制及电路逻辑控制；通过调节DAC7724 施加在驱动器压频转换器上电压来改变超声电机的工作频率实现对其运行速度 的调节；使用AD公司AD7874和DSP2812片内A/D检测传感器信息；电位计选用 的是村田制作所SV01A型，用于检测各关节转角；力传感器由南京航空航天大学 根据要求研制；采用PID控制实现了灵巧手位置反馈控制。
权利要求
1. 一种超声电机驱动的五指灵巧手，包括拇指(5)、食指(1)、中指(2)、无名指(3)、小指(4)五个手指、底座(6)和手掌面(7)，食指(1)、中指(2)、无名指(3)、小指(4)分别固定在底座(6)和手掌面(7)上，拇指(5)固定在底座(6)上，其特征在于，所述的食指(1)、中指(2)、无名指(3)、小指(4)的结构相同，分别具有远端指节(8)、近端指节(9)、掌骨指节(10)和掌骨体(11)及四个关节和四个自由度，四个关节是从指根向外分别是掌指关节MPI(14)、MPII(15)，近端指间关节PIP(13)及远端指间关节DIP(12)，每个关节具有一个相对应的自由度，远端指节(8)通过远端指间关节DIP(12)连于近端指节(9)，近端指节(9)再通过近端指间关节PIP(13)连于掌骨指节(10)，掌骨指节(10)再通过掌指关节MPII(15)连于掌骨体(11)；所述的远端指节(8)包括指尖帽(16)、远端指节体(17)、远端指间DIP关节轴(18)及远端从动轮(19)和测量远端指间关节DIP转角的电位计(20)，指尖帽(16)与远端指节体(17)以螺纹连接，远端指节体(17)通过远端指节体支撑架固定在远端指间DIP关节轴(18)上，远端从动轮(19)固定在远端指节体支撑架左边的远端指间DIP关节轴(18)上并与远端指节体支撑架固连，在远端指节体支撑架右边远端指间DIP关节轴(18)安装有测量远端指间关节DIP(12)转角的电位计(20)；所述的近端指节(9)包括近端指节体(21)、近端指间PIP关节轴(22)、近端从动轮(23)、近端过渡轮(24)、测量近端指间关节PIP转角的电位计(25)，近端指节体(21)通过近端指节体支撑架固定在近端指间PIP关节轴(18)上，近端从动轮(23)固定在近端指节体支撑架左边的近端指间PIP关节轴(22)上并与近端指节体支撑架固连，近端过渡轮(24)通过轴承安装在近端指节体支撑架右边的近端指间PIP关节轴(22)上，近端指间PIP关节轴(22)的右端安装有测量近端指间关节PIP(13)转角的电位计(25)，该电位计(25)置于近端过渡轮(24)的右边，远端指间关节DIP关节轴(18)通过一对轴承安装在近端指节(9)的指节体(21)上；所述掌骨指节(10)包括掌骨指节体(32)、左掌骨指节侧板(30)、右掌骨指节侧板(27)、带动掌骨关节MPI(14)运动的从动轮(29)、带动掌骨关节MPII(15)运动的从动轮(35)、掌骨过渡轮(31)、驱动远端指间关节DIP(12)的主动轮(28)、驱动远端指间关节DIP(12)的超声电机(26)、上立柱板(34)、下立柱板(33)、测量掌骨关节MPII(15)转角的电位计(36)、测量掌骨关节MPI(14)转角的电位计(37)，驱动远端指间关节DIP(12)的超声电机(26)输出轴通过轴承安装在右掌骨指节侧板(27)上，驱动远端指间关节DIP(12)的主动轮(28)固连在驱动远端指间关节DIP(12)的超声电机(26)输出轴上，掌骨过渡轮(31)和掌骨指节体(32)通过轴承安装在驱动远端指间关节DIP(12)的超声电机(26)输出轴上，掌骨过渡轮(31)置于驱动远端指间关节DIP(12)的主动轮(28)的左侧，掌骨指节体(32)置于掌骨过渡轮(31)的左侧、装在驱动远端指间关节DIP(12)的超声电机(26)输出轴末端，带动掌骨关节MPI(14)运动的从动轮(29)通过螺钉与掌骨指节体(32)固连，其右端设计有一体轴，轴上安装有测量掌骨关节MPI(14)转角的电位计(37)并通过轴承安装在左掌骨关节侧板(30)上，左掌骨指节侧板(30)、右掌骨指节侧板(27)、上立柱板(34)、下立柱板(33)通过螺钉连接成起支撑作用的长方形结构，上立柱板(34)轴上安装有测量掌骨关节MPII(15)转角的电位计(36)和带动MPII关节(15)运动的从动轮(35)，近端指间PIP关节轴(22)安装在掌骨指节体(32)上；所述的掌骨体(11)包括左掌骨面板(39)、右掌骨面板(43)、掌骨上板(38)、掌骨下板(40)、驱动掌骨关节MPI(14)的超声电机(45)、驱动近端指间关节PIP(13)的超声电机(46)、驱动掌骨关节MPII的超声电机(47)、驱动掌骨关节MPI(14)的主动轮(41)、驱动掌骨关节MPII的主动轮(42)、驱动近端指间关节PIP(13)的主动轮(44)，其中左掌骨面板(39)和右掌骨面板(43)与掌骨上板(38)和掌骨下板(40)通过螺钉连接成起支撑作用的长方形结构，右掌骨面板(43)上分别安装有驱动近端指间关节PIP(13)的的超声电机(46)和驱动掌骨关节MPI(14)的超声电机(45)，驱动近端指间关节PIP(13)的主动轮(44)固连在驱动近端指间关节PIP(13)的超声电机(46)的轴上；驱动掌骨关节MPI(14)的主动轮(41)固连在驱动掌骨关节MPI(14)的超声电机(45)的轴上，掌骨上板(38)上安装有驱动掌骨关节MPII(15)的超声电机(47)，驱动掌骨关节MPII(15)的主动轮(42)固连在驱动掌骨关节MPII的超声电机(47)的轴上；所述掌骨指节(10)中的上立柱板(34)和下立柱板(33)通过轴承分别安装在掌骨上板(38)和掌骨下板(40)上，食指(1)、中指(2)、无名指(3)、小指(4)的掌骨体(11)固定在底座(6)及手掌面(7)上连成一体；所述的食指(1)、中指(2)、无名指(3)、小指(4)的远端指节(8)由安装在右掌骨指节侧板(27)上的超声电机(26)驱动，超声电机(26)带动超声电机(26)轴上的主动轮(28)经弹性线带动近端过渡轮(24)，近端过渡轮(24)经弹性线带动远端从动轮(19)实现远端指节(8)的弯曲-伸展运动；近端指节(9)由安装在右掌骨面板(43)上的超声电机(46)带动主动轮(44)转动经弹性线带动掌骨过渡轮(31)，掌骨过渡轮(31)经弹性线带动近端从动轮(23)实现弯曲-伸展运动；掌骨关节MPI(14)由安装在右掌骨面板(43)上的超声电机(45)带动主动轮(41)经弹性线驱动从动轮(29)实现弯曲-伸展运动；掌骨关节MPII(15)由安装在掌骨上板(38)上的超声电机(47)带动主动轮(42)经弹性线驱动从动轮(35)实现内收-外展运动；所述的拇指(5)具有三个指节和四个关节，三个指节为拇指远端指节(48)、拇指近端指节(49)和拇指掌骨指节(50)，四个关节为拇指根关节TMI(54)和TMII(53)、掌指关节MP(52)、指间关节IP(51)，四个关节对应四个自由度，拇指根关节TMI(54)和掌指关节MP(52)和指间关节IP(51)为弯曲-伸展运动；拇指根关节TMII(53)为内收-外展运动，拇指远端指节(48)通过指间关节IP(51)连于拇指近端指节(49)；拇指近端指节(49)通过掌指关节MP(52)连于拇指掌骨指节(50)，拇指远端指节体(48)、驱动指间关节IP(51)的从动轮(55)与IP关节轴(56)固连且驱动指间关节IP(51)的从动轮(55)通过螺钉与拇指近端指节(49)固连，IP关节轴(56)上安装有用于测量指间关节IP(51)转角的电位计，驱动指间关节IP(51)运动的超声电机(57)安装在拇指掌骨指节左侧板(58)上，驱动指间关节IP(51)的主动轮(59)与驱动指间关节IP(51)的超声电机(57)轴固连，经弹性线驱动指间关节IP(51)的从动轮(55)，拇指近端指节(49)通过轴承安装在驱动指间关节IP(51)的超声电机(57)轴上，带动拇指近端指节(49)运动的从动轮(60)通过螺钉与拇指近端指节(49)固连，其右端设计有一体轴，轴上安装有测量掌指关节MP(52)转角的电位计并通过轴承安装在拇指掌骨指节右侧板(62)上，驱动掌指关节MP(52)的超声电机(63)安装在拇指掌骨指节右侧板(62)上，驱动掌指关节MP(52)的主动轮(61)与驱动掌指关节MP(52)的超声电机(63)轴固连经弹性线驱动带动拇指近端指节(49)的从动轮(60)，拇指根关节TMII(53)由安装在拇指掌骨指节根部(66)的超声电机(64)驱动，拇指根关节TMII(53)的主动轮(68)固定在驱动拇指根关节TMII(53)的超声电机(64)轴上，经弹性线驱动从动轮(70)，拇指根关节TMI(54)由安装在连接板(67)上的超声电机(65)驱动，驱动拇指根关节TMI(54)主动轮(69)固定在驱动拇指根关节TMI(54)的超声电机(65)轴上经弹性线驱动从动轮(71)，TMII关节(53)和TMI关节(54)轴上分别固定从动轮(70)和从动轮(71)并各安装有一个测量关节转角的电位计，拇指(5)通过连接板(67)与底座(6)连成一体。
全文摘要
一种超声电机驱动的五指灵巧手，属机器人领域。它由结构独立的五个手指、连接组件构成。五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指、小指，布局上与人手相仿。五个手指每个各具有四个关节和四个自由度，由超声电机作为驱动单元，弹性线作为传动装置，带动各关节的转动。电机全部置于掌内，掌内设有供电缆引出的走线孔。连接组件包括底座、手掌面。底座和手掌面上设有安装孔，食指、中指、无名指、小指分别固定在底座和手掌面上，拇指固定在底座上。驱动和控制系统由超声电机、驱动器、DSP、CPLD和计算机及控制软件组成，测量系统由力传感器、电位计构成。
文档编号B25J15/00GK101214648SQ20081001929
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月18日 优先权日2008年1月18日
发明者周丽平, 孙志峻, 语 郭 申请人:南京航空航天大学