专利名称：具有可变形状手掌的仿人灵巧手的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿人灵巧手，具体涉及具有可变形状手掌的仿人灵巧手。
背景技术：
过去30年，机器手出现以来极大地弥补了传统的末端执行器的不足。典型的机器 手设计包括3手指的Manford/JPL机械手、4手指的Utah/MIT机械手、5手指的Belgrade/ USC机械手。此外，仿人机械手如i-Limb、SmartHand, DARPA仿人手、DLR/HIT仿人手以及 Siadow仿人手等的出现不但增加了不同工作环境中的可操作性，而且加强了对于被抓物体 完成细微调整的能力。研究表明，对一个具有刚性手指的机器手而言，理论上的自由度至少 是9才能具有灵巧性。典型的灵巧手通常采用每个手指具2或3个转动副的结构。然而， 在以往的机器手设计中，手掌通常是一个刚性体。不同手指之间夹角是固定的，这就限制了 一些手的灵巧性。特别地，通常手指的机构采用3个相互平行的转动副以完成抓取动作，每 一个手指通常在一个平面内操作，加之刚性手掌使手指平面之间的角度固定，从而限制了 手指之间相互协作的能力。因此，以往设计的仿人机械手难以根据被抓物体所具有的不同 的几何形状而作出相应的调整以实现不同的抓取策略。以往的典型的机械手和人手的主要 在于是前者具有刚性的手掌，而后者的手掌是可变的。因此，开发一种新型的、具有可变结 构手掌的机械手，可以克服传统仿人机械手手指之间相互位置不能变化的弱点；而且，通过 引入活动手掌，还可以提供比目前已有的机械手更大的运动空间和更高的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有可变形状手掌的仿人灵巧 手，该仿人灵巧手具有可变自由度和形状的手掌并且结构简单、体积小巧。本发明的具有可变形状手掌的仿人灵巧手，它包括手掌和与所述的手掌相连的 3-5个手指，所述的手掌由手掌连臂杆、手掌连杆I、手掌连杆II、手掌连杆III，手掌连杆IV 依次相连构成的封闭球面五连杆机构组成，所述的手掌连臂杆与前臂相连，其中手掌连杆 I、手掌连杆II，手掌连杆III和手掌连杆IV的相邻端之间通过旋转副转动相连，在所述的 手掌连臂杆的两端分别连接有一台电机，其中的一台电机的输出轴与手掌连杆I的一端固 定相连并且另一台电机的输出轴与手掌连杆IV的一端固定相连，全部旋转副的旋转轴线 以及两台电机的输出轴线交与一点，每一个手指包括手指座、手指连座杆，手指中间连杆和 手指末端，手指座、手指连座杆，手指中间连杆和手指末端的相邻端之间通过旋转轴依次转 动相连，各旋转轴彼此之间平行设置，所述的手指座固定连接在组成手掌的连杆上，每个手 指上的三个旋转轴与旋转驱动装置相连，在旋转驱动装置的驱动下手指连座杆、手指中间 连杆和手指末端能够绕三个旋转轴的各自旋转轴线转动并且每个手指与与其相连的组成 手掌的连杆俯仰转动相连。与现有的机械手和仿人机械手相比，本发明提出的具有可变形状手掌的仿人灵巧 手具有以下有益效果
1.本发明通过引入可变自由度和形状的活动手掌，与现有技术相比，它能够在很 大程度上提高机械手的操作空间。2.本发明通过引入可变自由度和形状的活动手掌，可以提供机械手操作的灵活 性，能够实现现有技术所不具有的搓、捻，及相邻手指之间的靠近和远离动作。2.本发明专利的手掌采用空心设计，大大减少了灵巧手的重量，与现有仿人机械 手相比更能体现轻巧的特点。3.本发明的手指可以采用欠驱动方案，由于可变自由度和形状活动手掌的引入， 本发明同样可以实现几乎所有人手的动作。与现有技术相比，该发明的制作成本要低很多。4.由于活动手掌的引入，本发明的手指需要更少的自由度，便可以实现与现有技 术类似的操作能力。5.本发明专利的手掌具有可折叠特性，当手掌和手指处于折叠状态时，本发明可 穿过现有操作手不能通过的夹缝或其他受限制区域，这使得本发明在地震、抢险等场合有 很大的应用潜力。
图1为本发明的一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手的总体结构示意图；图2为一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手的各组成部分的示意图；图3为本发明可变形手掌部分的结构示意图；图4为本发明可变形手掌变化为单自由度时的结构图；图5-1、5_2和5-3为本发明可变形手掌部分为两个自由度时所具有的几种不同的 运动形式；图6为本发明可变形手掌部分为单自由度时的运动形式；图7为本发明的手指部分采用欠驱动时的传动方式；图8为本发明所采用的一种扭转弹簧形式；图9、10和图11为本发明所特有的几种典型动作形式。其中1-包含前臂的手掌部分2-拇指部分3-食指部分4-中指部分5-无名指部 分6-小拇指部分7-球体8-圆柱9-小球体10-香烟11-前臂12-手掌连臂 杆 13-手掌连杆114-手掌连杆II 15-手掌连杆III 16-手掌连杆IV 131-中指座 132-无名指座 133-小拇指座 141-食指座 151-拇指旋转轴 152-拇指座 1001-扭 转弹簧 1002-牵引钢丝1002e-牵引钢丝驱动端 1003-牵引钢丝导向管 1004-手指 末端 1005-手指中间连杆1006-手指连座杆 1007-各手指座 1008-手指关节丝轮 1009-手指连杆导向轮
具体实施例方式下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明本发明基于变胞机构原理，提高了现有机械手的灵活度和工作空间。如图所示的本发明的具有可变形状手掌的仿人灵巧手，它包括手掌和与所述的手 掌相连的3-5个手指，所述的手掌由手掌连臂杆12、手掌连杆113、手掌连杆1114、手掌连杆11115，手掌连杆IV16依次相连构成的封闭球面五连杆机构组成，所述的手掌连臂杆与 前臂相连，其中手掌连杆I、手掌连杆II，手掌连杆III和手掌连杆IV的相邻端之间通过旋 转副转动相连，在所述的手掌连臂杆的两端分别连接有一台电机，其中的一台电机的输出 轴与手掌连杆I的一端固定相连并且另一台电机的输出轴与手掌连杆IV的一端固定相连， 全部旋转副的旋转轴线以及两台电机的输出轴线交与一点，每一个手指包括手指座、手指 连座杆，手指中间连杆和手指末端，手指座、手指连座杆，手指中间连杆和手指末端的相邻 端之间通过旋转轴依次转动相连，各旋转轴彼此之间平行设置，所述的手指座固定连接在 组成手掌的连杆上，每个手指上的三个旋转轴与旋转驱动装置相连，在旋转驱动装置的驱 动下手指连座杆、手指中间连杆和手指末端能够绕三个旋转轴的各自旋转轴线转动并且每 个手指与与其相连的组成手掌的连杆俯仰转动相连。所述的旋转副的结构可以采用现有的 结构如连接在相邻杆端一端上的轴，在另一杆端上安装有套在所述的轴上的轴承。所述的 旋转轴可以连接在相邻的手指杆端的一端上，另一手指杆端通过其上开有的孔与旋转轴转 动相连。优选的所述的手指为5个，在所述的手掌连杆I上依次固定连接有中指座131、无 名指座132和小拇指座133，在所述的手掌连杆II上固定连接有食指座141 ；在手掌连杆 III上固定安装有拇指旋转轴151，拇指座152旋转地安装在所述的拇指旋转轴上。所述的旋转驱动装置可以包括安装在各旋转轴中间的手指关节丝轮，在所述的各 旋转轴上安装有扭转弹簧1001，所述的扭转弹簧1001的中间部分套在各旋转轴上并且其 两端分别固定在由所述的各旋转轴连接的手指的相邻连杆上，在各手指座、手指连座杆、手 指中间连杆上设置有手指连杆导向轮1009，对应每个手指设置的牵引钢丝的一端固定在所 述的手指末端的外壁上，并依次通过各手指关节丝轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接 在所述的手指座上并且其另一端连接在前臂上的牵引钢丝导向管，经由前臂上的开孔与牵 引钢丝的电机相连；或者所述的旋转驱动装置可以包括安装在各旋转轴上的两个手指关节 丝轮1008，在各手指座、手指连座杆、手指中间连杆上分别与每一个手指关节丝轮相对应 的设置有手指连杆导向轮，对应每一个手指设置的两个牵引钢丝的一端各自固定在所述的 手指末端的相对侧的外壁上，并且每一个牵引钢丝依次通过与其对应设置的各手指关节丝 轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接在所述的手指座上并且其另一端连接在前臂上的 牵引钢丝导向管，经由前臂上的开孔与牵引钢丝的电机相连。下面再结合每一附图对本发明的最佳实施方式加以详细说明图1、图2分别为本发明一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手的总体结构示意图 和各组成部分的示意图。本发明由包含前臂的手掌部分1、拇指部分2、食指部分3、中指部 分4、无名指部分5和小拇指部分6等组成。拇指部分2、食指部分3、中指部分4、无名指部 分5和小拇指部分6的结构相同，与人手一致，尺寸上有差异。图3所示为本发明可变形手掌部分的结构示意图。包含前臂的手掌部分1包含前 臂11，与所述前臂11固定连接的手掌连臂杆12。手掌连杆113的一端通过电机的输出轴 与所述的手掌连臂杆12的一端固定相连，手掌连杆1114的一端与所述的手掌连杆113的 另一端通过旋转副相连。手掌连杆III15的一端通过旋转副与所述的手掌连杆1114的另 一端通过旋转副相连。手掌连杆IV16的一端通过旋转副与所述的手掌连杆III15的另一 端相连。所述的手掌连杆IV16的另一端与所述的手掌连臂杆12的另一端通过电机的输出轴固定相连。手掌连臂杆12、手掌连杆113、手掌连杆1114、手掌连杆11115、手掌连杆IV16 构成封闭的球面五连杆机构。图3所示状态下的构成所述包含前臂的手掌部分I的所述的 五连杆机构具有2个活动自由度，这是与现有技术采用无活动自由度的固定手掌的机械手 的最大不同。手掌连杆113和手掌连杆IV16可以在分别安装于所述的手掌连臂杆12的两个旋 转关节内的电机的驱动下运动。为了清晰表达手掌的运动情况，在图5-1、图5-2、图5-3中 未包含本发明的各手指部分，仅示出了包含前臂的手掌部分1的运动情况。可以看出，通过 引入活动手掌可以在很大程度上增加机械手的运动空间和运动灵活性，这是本发明相对于 现有技术的一个优势。本发明一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手的包含前臂的手掌部分1还具有变 自由度的功能，这使得本发明能够满足更多应用场合的需求。与图3所示的包含前臂的手 掌部分1的各组成部分的布置不同，图4所示的为手掌连杆III15和手掌连杆IV16重合的 情况。此时，手掌连臂杆12、手掌连杆113、手掌连杆1114、手掌连杆11115、手掌连杆IV16 构成封闭机构变化为具有一个自由度的球面四连杆机构。图4和图6示出了包含前臂的手 掌部分1的自由度变为1时的运动情况。该自由度的变化功能是本发明的另一个重要特点。如图2、图3所示，在所述的手掌连杆113上依次固定连接有中指座131、无名指座 132和小拇指座133 ；在所述的手掌连杆1114上固定连接有食指座141 ；在手掌连杆III15 上固定安装有拇指旋转轴151，拇指座152旋转地安装在所述的拇指旋转轴151上。这样， 不考虑各手指内部的运动情况下食指部分3相对于所述的手掌连杆1114仅有俯仰运动； 中指部分4、无名指部分5、小拇指部分6相对于所述的手掌连杆113仅有俯仰运动；拇指部 分2相对于手掌连杆III15除俯仰运动外还具有绕所述的拇指旋转轴151的旋转运动。一种通过欠驱动方式实现的本发明的手指形式如图7所示。由于本发明的各手指 的结构相同，因此图7所示的为一个通用的手指驱动形式，对本发明的5个手指均适用。手 指座1007的一端安装于所述的包含前臂的手掌部分1上。手指连座杆1006的一端通过旋 转轴与所述的手指座1007的另一端转动相连。手指中间连杆1005的一端通过旋转轴与所 述的手指连座杆1006的另一端转动相连。手指末端1004的一端通过旋转轴与所述的手指 中间连杆1005的另一端转动相连。手指关节丝轮1008安装于上述各旋转轴的中间，在所 述的手指座1007、手指连座杆1006、手指中间连杆1005中设置有手指连杆导向轮1009。牵 引钢丝1002的一端固定于所述的手指末端1004的背面，并依次通过各手指关节丝轮1008 和各手指连杆导向轮1009，并在所述的手指座1007上进入具有一定刚性的牵引钢丝导向 管1003，最后通过所述前臂11上的小孔到达牵引钢丝的驱动端，由电机牵引钢丝驱动端 1002e。在所述的各旋转轴上还安装有扭转弹簧1001，其结构如图8所述。所述的扭转弹簧 1001的中间部分套在所述的旋转轴上，其两端分别固定在由所述的各旋转轴连接的手指的 相邻连杆上。这样，当所述的牵引钢丝1002在电机的作用下拉紧时，手指会做出弯曲动作； 而当电机释放所述的牵引钢丝1002时，手指部分会在所述的扭转弹簧1001的弹簧力作用 下伸直。钢丝的驱动部分不属于本发明的范畴，在此不再赘述。本发明一种具有可变形状手掌的仿人灵巧手由具有可变形的手掌部分和手指部 分组成，由于手掌的变形功能使得本发明的机械手能够做出现有的具有固定手掌的机械手 所不能完成的动作，如搓、捻，及相邻手指之间的靠近和远离动作等。图9为利用本发明抓
6举一个球体7，通过手掌运动将食指部分3和中指部分4远离，并利用所述的食指部分3和 中指部分4与拇指部分2配合，可以形成在球体7周围均勻分布的三个托举点，有利于保证 托举的稳定。图10所示为本发明握住一圆柱体8的同时，食指部分3在手掌的运动下，可 以与拇指部分2配合，完成对小球体的抓持操作。图11所示为利用本发明所具有的食指部 分3和中指部分4的靠近动作完成对香烟的夹持动作。当然，本发明能够完成现有技术所 不具有的动作远不止这些。 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人 员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接 方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.具有可变形状手掌的仿人灵巧手，其特征在于它包括手掌和与所述的手掌相连的 3-5个手指，所述的手掌由手掌连臂杆、手掌连杆I、手掌连杆II、手掌连杆III，手掌连杆IV 依次相连构成的封闭球面五连杆机构组成，所述的手掌连臂杆与前臂相连，其中手掌连杆 I、手掌连杆II，手掌连杆III和手掌连杆IV的相邻端之间通过旋转副转动相连，在所述的 手掌连臂杆的两端分别连接有一台电机，其中的一台电机的输出轴与手掌连杆I的一端固 定相连并且另一台电机的输出轴与手掌连杆IV的一端固定相连，全部旋转副的旋转轴线 以及两台电机的输出轴线交与一点，每一个手指包括手指座、手指连座杆，手指中间连杆和 手指末端，手指座、手指连座杆，手指中间连杆和手指末端的相邻端之间通过旋转轴依次转 动相连，各旋转轴彼此之间平行设置，所述的手指座固定连接在组成手掌的连杆上，每个手 指上的三个旋转轴与旋转驱动装置相连，在旋转驱动装置的驱动下手指连座杆、手指中间 连杆和手指末端能够绕三个旋转轴的各自旋转轴线转动并且每个手指与与其相连的组成 手掌的连杆俯仰转动相连。
2.根据权利要求1所述的具有可变形状手掌的仿人灵巧手，其特征在于所述的手指 为5个，在所述的手掌连杆I上依次固定连接有中指座、无名指座和小拇指座，在所述的手 掌连杆II上固定连接有食指座；在手掌连杆III上固定安装有拇指旋转轴，拇指座旋转地 安装在所述的拇指旋转轴上。
3.根据权利要求1或2所述的具有可变形状手掌的仿人灵巧手，其特征在于所述的 旋转驱动装置包括安装在各旋转轴中间的手指关节丝轮，在所述的各旋转轴上安装有扭转 弹簧，所述的扭转弹簧的中间部分套在各旋转轴上并且其两端分别固定在由所述的各旋转 轴连接的手指的相邻连杆上，在各手指座、手指连座杆、手指中间连杆上设置有手指连杆导 向轮，对应每个手指设置的牵引钢丝的一端固定在所述的手指末端的外壁上，并依次通过 各手指关节丝轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接在所述的手指座上并且其另一端连 接在前臂上的牵引钢丝导向管，经由前臂上的开孔与牵引钢丝的电机相连。
4.根据权利要求1或2所述的具有可变形状手掌的仿人灵巧手，其特征在于所述的 旋转驱动装置包括安装在各旋转轴上的两个手指关节丝轮，在各手指座、手指连座杆、手指 中间连杆上分别与每一个手指关节丝轮相对应的设置有手指连杆导向轮，对应每一个手指 设置的两个牵引钢丝的一端各自固定在所述的手指末端的相对侧的外壁上，并且每一个牵 引钢丝依次通过与其对应设置的各手指关节丝轮、各手指连杆导向轮，再穿过一端连接在 所述的手指座上并且其另一端连接在前臂上的牵引钢丝导向管，经由前臂上的开孔与牵引 钢丝的电机相连。
全文摘要
本发明公开了具有可变形状手掌的仿人灵巧手，它包括手掌和与手掌相连的3-5个手指，手掌由手掌连臂杆、手掌连杆I、手掌连杆II、手掌连杆III，手掌连杆IV依次相连构成的封闭球面五连杆机构组成，每一个手指包括手指座、手指连座杆，手指中间连杆和手指末端，手指座、手指连座杆，手指中间连杆和手指末端的相邻端之间通过旋转轴依次转动相连，所述的手指座固定连接在组成手掌的连杆上，每个手指上的三个旋转轴与旋转驱动装置相连，在旋转驱动装置的驱动下手指连座杆、手指中间连杆和手指末端能够绕三个旋转轴的各自旋转轴线转动。本手具有可变自由度和形状的手掌并且结构简单、体积小巧。
文档编号B25J13/00GK102092049SQ20111002600
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者戴建生, 李建民, 王树新, 罗振军, 罗海风, 魏国武 申请人:天津大学