专利名称：一种仿真手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动化技术领域，更具体地说涉及一种用于机器人的仿真手。
背景技术：
传统仿真手都是运用在工业方面，其运动方式单一，精度高，控制系统复杂，成本高；而具有高度灵活性的电机驱动的仿真手则由于成本高、结构复杂而很难应用于娱乐领域。鉴于目前娱乐市场对表演用仿真手的大量需求，研发出成本低、控制简单、机构灵活、重量小、仿真度高的仿真手迫在眉睫。
实用新型内容本实用新型要解决的问题在于，针对现有技术中成本高、控制复杂、重量大的仿真手的缺陷，提供一种仿真手。本实用新型解决上述问题所采取的方案是，提供一种仿真手，包括手掌组件、以及设置在所述手掌组件上的拇指组件、食指组件、中指组件、无名指组件和小指组件，所述食指组件、中指组件、无名指组件和小指组件结构相同，均包括四连杆和设置在所述四连杆末端用于驱动所述四连杆弯曲伸直的第一滑块摇杆机构，所述拇指组件包括三连杆和设置在所述三连杆末端用于驱动所述三连杆弯曲伸直的第二滑块摇杆机构，所述第一滑块摇杆机构和第二滑块摇杆机构结构相同。在本实用新型所述的仿真手中，所述第一滑块摇杆机构包括第一滑槽和第一滑块，通过驱动所述第一滑块在所述第一滑槽里滑动，带动四连杆弯曲和伸直。在本实用新型所述的仿真手中，所述四连杆为三个自由度的铰接结构，所述三连杆为两个自由度的铰接结构。在本实用新型所述的仿真手中，所述四连杆和三连杆中铰链结构的弯曲角度为 0° 至 62°。在本实用新型所述的仿真手中，还包括手臂组件，以及连接所述手臂组件和手掌组件的手腕组件，所述手腕组件为转轴，所述手掌组件可绕所述手腕组件的轴线转动。在本实用新型所述的仿真手中，还包括设置在所述手臂组件上与所述手掌组件相连的四杆机构，通过驱动所述四杆机构上下运动来带动所述手掌组件转动。在本实用新型所述的仿真手中，所述手掌组件绕所述手腕组件的轴线转动角度为 +45°至-45°，所述手掌组件与手臂组件平行时转动角度为0°。在本实用新型所述的仿真手中，还包括执行器，所述执行器包括拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元，分别用于驱动所述拇指组件、 食指组件、中指组件、无名指组件、小指组件中的滑块在相应滑槽里滑动。在本实用新型所述的仿真手中，所述执行器还包括手掌执行单元，用于驱动所述四杆机构上下运动。在本实用新型所述的仿真手中，还包括控制器，所述控制器包括拇指控制单元、食指控制单元、中指控制单元、无名指控制单元、小指控制单元和手掌控制单元，分别用于根据用户的指令来控制拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元和手掌执行单元的动作。实施本实用新型提供的仿真手，具有以下有益效果成本低、控制简单、机构灵活、 重量小并且仿真度高。
图1是本实用新型仿真手整体结构示意图；图2是本实用新型仿真手的食指组件结构示意图；图3是本实用新型仿真手的食指组件运动范围示意图；图4是本实用新型仿真手的手掌组件运动范围示意图；图5是本实用新型仿真手的操作系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。请参阅图1，为本实用新型仿真手整体结构示意图。如图1所示，本实用新型仿真手包括拇指组件1、食指组件2、中指组件3、无名指组件4和小指组件5这五个手指组件，以及手掌组件6、手腕组件7、手臂组件8和四杆机构9。拇指组件1包括三连杆和设置在三连杆末端的第二滑块摇杆机构，三连杆之间铰链连接，有两个铰链连接的结构，因此拇指组件1有两个自由度，可以弯曲和伸直。食指组件2、中指组件3、无名指组件4、小指组件5的结构相同，均包括四连杆和设置在四连杆末端的第一滑块摇杆机构，四连杆之间铰链连接，有三个铰链连接的结构，因此这四个手指组件均有三个自由度，均可以弯曲和伸直。手掌组件6上固定上述五个手指组件。手臂组件8可作为整个仿真手的支撑物，也可以将手臂组件8安装在其他装置上， 比如安装在机器人上，那么该仿真手就可以充当机器人的手。手腕组件7连接手掌组件6和手臂组件8，手腕组件7是一个转轴，能够使手掌组件6绕该转轴的轴线转动。四杆机构9 一端固定在手臂组件8上，另一端连接手掌组件6，驱动四杆机构9上下运动即可带动手掌组件6绕着手腕组件7转动。当向上提四杆机构9，手掌组件6就向下转动；当向下压四杆机构9，手掌组件6就向上转动。该运动过程可结合参阅图4，为本实用新型仿真手的手掌组件6运动范围示意图。请参阅图2，为本实用新型仿真手的食指组件结构示意图。如图2所示，本实用新型仿真手的食指组件包括四连杆和第一滑块摇杆机构。四连杆包括依次相连的第一远节指骨21、第一中节指骨23、第一近节指骨25和第一掌骨27，其中，第一掌骨27固定在手掌组件6上。第一远节指骨21、第一中节指骨23、第一近节指骨25和第一掌骨27之间为铰链连接，四连杆总共有三个这样的铰链连接的结构， 分别作为第一远关节22、第一中关节24和第一近关节26，因此四连杆有三个自由度，也就是说食指组件2有三个自由度。[0030]第一滑块摇杆机构设置在四连杆的末端，也既设置在第一掌骨27上，第一滑块摇杆机构包括第一滑槽和第一滑块，第一滑块在第一滑槽中的滑动带动四连杆弯曲和伸直， 也就带动食指组件2弯曲和伸直。当第一滑块由靠近手掌组件6的一端滑向远离手掌组件 6的一端时，食指组件2由伸直逐渐变为弯曲；当第一滑块由远离手掌组件6的一端滑向靠近手掌组件6的一端时，食指组件2由弯曲逐渐变为伸直。该运动过程可结合参阅图3，为本实用新型仿真手的食指组件2运动范围示意图。由于中指组件3、无名指组件4、小指组件5均和食指组件2结构组成以及运动方式均相同，因此对于中指组件3、无名指组件4、小指组件5的结构组成以及运动方式就不再赘述。 拇指组件1和食指组件2的结构组成基本相同，拇指组件1包括三连杆和滑块烟杆机构。三连杆包括依次相连的第二远节指骨、第二近节指骨和第二掌骨，其中，第二掌骨固定在手掌组件6上。第二远节指骨、第二近节指骨和第二掌骨之间为铰链连接，三连杆总共有两个这样的铰链连接的结构，分别作为第二远关节、和第二近关节，因此四连杆有两个自由度，也就是说拇指组件1有两个自由度。第二滑块摇杆机构设置在三连杆的末端，也即设置在第二掌骨上，第二滑块摇杆机构包括第二滑槽和第二滑块，第二滑块在第二滑槽中的滑动带动三连杆弯曲和伸直。也就带动拇指组件1弯曲和伸直。当第二滑块由靠近手掌组件6的一端滑向远离手掌组件6 的一端时，拇指组件1由伸直逐渐变为弯曲；当第二滑块由远离手掌组件6的一端滑向靠近手掌组件6的一端时，拇指组件1由弯曲逐渐变为伸直。以上所述第二远节指骨、第二近节指骨和第二掌骨分别与第一远节指骨21、第一近节指骨25和第一掌骨27结构相同，第二滑块摇杆机构也和第一滑块烟杆机构相同。总而言之，拇指组件1和其他四个手指组件的区别就在于，拇指组件1缺少第二中节指骨和第二中关节。因此，拇指组件1只有两个自由度，俄日其他资格手指组件有三个自由度。以上设计符合正常人类手指的结构组成。请参阅图3，为本实用新型仿真手的食指组件运动范围示意图。如图3所示，本实用新型仿真手的食指组件在伸直和弯曲范围内运动。食指组件2伸直时，四连杆在一条直线山；食指组件2弯曲时，四连杆中各个指骨和相邻指骨形成一定的角度。以第一近节指骨25为例，图3中带箭头的弧线表示第一近节指骨25的转动轨迹，第一近节指骨25转动绕第一近关节26转动满足函数关系A = arcsin(B/C)，其中B为位移，A为角度，C为预设的常数。当食指组件2伸直时，第一近节指骨25转动角度为0°，第一近节指骨25与第一掌骨27之间所成的角度为180° ；当食指组件2弯曲到最大程度时，第一近节指骨25转动角度为62°，第一近节指骨25与第一掌骨27之间所成的角度为118°。因此，第一近节指骨25转动角度的范围为0°至62°。由于第一掌骨27固定在手掌组件6上，因此第一掌骨27不转动。第一中节指骨23和第一远节指骨21的转动方式与第一近节指骨25的转动方式相同，此处不再赘述。拇指组件1中第二掌骨固定在手掌组件6上，因此第二掌骨不转动。第二近节指骨和第二远节指骨的转动方式与第一近节指骨25的转动方式相同，此处也不再赘述。以上设计符合正常人类手指的运动方式。[0040]请参阅图4，为本实用新型仿真手的手掌组件运动范围示意图。如图4所示，本实用新型仿真手的手掌组件6绕手腕组件7转动。手掌组件6转动满足函数关系D = arcsin (E/F)，其中E为位移，D为角度，F为预设的常数。手掌组件6与手臂组件8平行时时，转动角度为0° ；手掌组件6向上转动到最大限度时，转动角度为+45°，手掌组件6向下转动到最大限度时，转动角度为-45°。因此，手掌组件6转动角度的范围为+45°至-45°。以上设计符合正常人类手掌的运动方式。请参阅图5，为本实用 新型仿真手的操作系统结构示意图。如图5所示，本实用新型仿真手的操作系统包括执行器和控制器。执行器包括拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元，分别用于驱动拇指组件1、食指组件2、中指组件3、无名指组件4、小指组件5上的滑块在滑槽中滑动，从而带动拇指组件1、食指组件2、中指组件3、无名指组件4、小指组件5弯曲和伸直。执行器还包括手掌执行单元，用于向上提和向下压四杆机构9，从而带动手掌组件6上下转动和向上转动。控制器包括拇指控制单元、食指控制单元、中指控制单元、无名指控制单元、小指控制单元和手掌控制单元，分别与拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元和手掌执行单元相连，分别用于控制拇指执行单元、食指执行单元、 中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元和手掌执行单元的运动。执行器可以是六个独立的汽缸，六个气缸分别与五个滑块和一个四杆机构9相连，通过汽缸活塞的运动来驱动滑块和四杆机构9。控制器可以是计算机，通过PLC程序加人机界面控制。根据不同时序要求编写，修改PLC程序来控制相应汽缸活塞的运动情况，从而实现控制功能。利用操作系统，仿真手可以模拟正常人类的各种手势，进行各种表演。例如，表演 “石头剪刀布”的猜拳游戏，仿真手可以分别做出代表“石头”、“剪刀”、“布”的手势五个手指组件全都弯曲，则表示“石头”；食指组件2和中指组件3伸直，其余三个手指组件弯曲，则表示“剪刀”；五个手指组件全部伸直时，则表示“布”。又例如，表演拍皮球，五个手指组件全部伸直，手掌组件6不停来回地上下转动，转动的幅度和频率需要根据皮球的弹性以及皮球弹跳的距离等因素来确定，转动的幅度和频率的计算可以由计算机来完成。下面说明本实用新型的设计要领。五个手指组件中除拇指组件1为两个自由度外，其余四个手指组件均有三个自由度，各自由执行器独立驱动，实现具有一定函数关系的弯曲伸直角度。手指组件通过四连杆或三连杆与执行器结合，增大了手指组件处于水平初始位置的抗重力矩性能，并合理利用了手指内部空间；手腕组件7具有一个自由度，通过四杆机构9可实现大角度的活动范围， 同时也具有一定函数关系。这两种函数关系都是与正常人类的手运动时的角度关系相匹配的。通过各手指组件采用滑块摇杆机构和四连杆或三连杆的耦合，各手指可以做到足够小，免根部关节过大对造型的制约，在蒙皮后实现与人手指高度的一致性，结构简单、成本低，并且可实现各种微小型手指。各手指组件可单独驱动，也可由一个控制器同时驱动，不会出现干涉现象。本实用新型提供的仿真手，结构简单、成本低，却拥有与人手相一致的高仿真度，表演起来如同真手。其高仿真度体现在各手指关节的长度比例、转动角度及匹配关系、各手指在手掌上的分布等。 以上所述仅为本实用新 型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
权利要求1.一种仿真手，包括手掌组件(6)、以及设置在所述手掌组件(6)上的拇指组件(1)、 食指组件O)、中指组件(3)、无名指组件(4)和小指组件(5)，其特征在于，所述食指组件 O)、中指组件(3)、无名指组件(4)和小指组件( 结构相同，均包括四连杆和设置在所述四连杆末端用于驱动所述四连杆弯曲伸直的第一滑块摇杆机构，所述拇指组件(1)包括三连杆和设置在所述三连杆末端用于驱动所述三连杆弯曲伸直的第二滑块摇杆机构，所述第一滑块摇杆机构和第二滑块摇杆机构结构相同。
2.根据权利要求1所述的仿真手，其特征在于，所述第一滑块摇杆机构包括第一滑槽 (28)和第一滑块( )，通过驱动所述第一滑块09)在所述第一滑槽08)里滑动，带动四连杆弯曲和伸直。
3.根据权利要求2所述的仿真手，其特征在于，所述四连杆为三个自由度的铰接结构， 所述三连杆为两个自由度的铰接结构。
4.根据权利要求3所述的仿真手，其特征在于，所述四连杆和三连杆中铰链结构的弯曲角度为0°至62°。
5.根据权利要求1所述的仿真手，其特征在于，还包括手臂组件(8)，以及连接所述手臂组件( 和手掌组件(6)的手腕组件(7)，所述手腕组件(7)为转轴，所述手掌组件(6) 可绕所述手腕组件(7)的轴线转动。
6.根据权利要求5所述的仿真手，其特征在于，还包括设置在所述手臂组件(8)上与所述手掌组件(6)相连的四杆机构(9)，通过驱动所述四杆机构(9)上下运动来带动所述手掌组件(6)转动。
7.根据权利要求6所述的仿真手，其特征在于，所述手掌组件(6)绕所述手腕组件(7) 的轴线转动角度为+45°至-45°，所述手掌组件(6)与手臂组件(8)平行时转动角度为0°。
8.根据权利要求2或7所述的仿真手，其特征在于，还包括执行器，所述执行器包括拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元，分别用于驱动所述拇指组件(1)、食指组件O)、中指组件(3)、无名指组件G)、小指组件( 中的滑块在相应滑槽里滑动。
9.根据权利要求8所述的仿真手，其特征在于，所述执行器还包括手掌执行单元，用于驱动所述四杆机构(9)上下运动。
10.根据权利要求9所述的仿真手，其特征在于，还包括控制器，所述控制器包括拇指控制单元、食指控制单元、中指控制单元、无名指控制单元、小指控制单元和手掌控制单元， 分别用于根据用户的指令来控制拇指执行单元、食指执行单元、中指执行单元、无名指执行单元、小指执行单元和手掌执行单元的动作。
专利摘要本实用新型设计一种仿真手，包括手掌组件(6)、以及设置在手掌组件(6)上的拇指组件(1)、食指组件(2)、中指组件(3)、无名指组件(4)和小指组件(5)，食指组件(2)、中指组件(3)、无名指组件(4)和小指组件(5)结构相同，均包括四连杆和设置在四连杆末端用于驱动四连杆弯曲伸直的第一滑块摇杆机构，拇指组件包括三连杆和设置在三连杆末端用于驱动三连杆弯曲伸直的第二滑块摇杆机构，第一滑块摇杆机构和第二滑块摇杆机构结构相同。实施本实用新型提供的仿真手，具有以下有益效果成本低、控制简单、机构灵活、重量小并且仿真度高。
文档编号B25J9/08GK201941002SQ20102068482
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者刘辉, 刘道强, 官培雄, 戎志刚, 李明, 高敬义 申请人:深圳华强智能技术有限公司