一种机械仿生手的制作方法

本发明属于医疗康复技术领域，涉及一种仿生手，尤其涉及一种机械仿生手。

背景技术：

仿生手作为现如今解决病人截肢后生活自理的主要手段，仍是一个较为新兴热门的产品，市场上产品种类参差不齐，行业中尚未有对此类产品明确的要求和标准。

现有仿生手产品的设计理念丰富，柔性机构、刚性机构在市场上处处可见，优缺点明显；柔性机构的使用寿命有限，驱动绳索的磨损问题是该类产品发展开拓市场的首要难题；而以刚性连杆为运动机构的仿生手，质量大、运动迟缓不灵敏、用户体验性差不方便等问题也是该类产品在市场上推广所遇到的受限。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种仿生手结构，以便克服现有仿生手结构存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种机械仿生手，轻巧方便，优良的体验感：仿生手采用欠驱动设计，大大降低了传统仿生机械手的质量，摆脱了刚性机械手的笨重特点，给用户带来刚好的体验感。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种机械仿生手，包括两个第一模块化手指、两个第一模块化手指驱动机构、第二模块化手指、第二模块化手指驱动机构、大拇指机构、大拇指行星轮传动机构；

所述第一模块化手指包括一个模块化手指，所述第二模块化手指包括两个模块化手指；两个第一模块化手指分别用来仿生食指、中指，第二模块化手指用来仿生无名指及小拇指，大拇指机构用来仿生大拇指；

各第一模块化手指驱动机构连接对应的第一模块化手指，驱动所述第一模块化手指动作；所述第二模块化手指驱动机构连接所述第二模块化手指，驱动所述第二模块化手指动作；所述大拇指驱动机构通过大拇指行星轮传动机构连接大拇指机构，驱动大拇指机构动作；

所述模块化手指包括手指远指节、手指连杆、手指近指节外壳、扭簧、手指联动杆15、防撞机构；所述防撞机构包括手指拉力防撞杆；

所述手指远指节、手指连杆与手指近指节外壳用2mm螺栓通过过盈配合两两连接，防止产生轴向位移，以下2mm螺栓连接方式皆是如此(即通过过盈配合连接)；手指联动杆与手指近指节外壳通过2mm螺栓连接；手指联动杆与手指拉力防撞杆通过2mm螺栓连接；

所述手指拉力防撞杆的前端与手指联动杆通过2mm螺栓连接；手指拉力防撞杆的后端则与直线电机的输出轴通过2mm螺栓连接；

所述第一模块化手指驱动机构包括第一直线电机；所述第二模块化手指驱动机构包括第二直线电机；所述第一直线电机、第二直线电机均包括直线电机本体和直线电机固定端；各第一直线电机能驱动对应的一个模块化手指动作，第二直线电机连接所述第二模块化手指包括的两个模块化手指，能驱动两个模块化手指动作；

所述直线电机本体连接手指拉力防撞杆，手指拉力防撞杆连接手指联动杆的一端，手指联动杆分别与手指连杆、手指近指节外壳使用2mm螺栓连接，手指连杆的一端与手指远指节的一端可转动连接；

手指联动杆能在直线电机本体及手指拉力防撞杆的驱动下带动手指近指节外壳和手指连杆做圆周运动，由于两者圆周运动存在速度差异，这种圆周运动的速度相对差异便会使得圆周速度较快的连杆带动手指远指节做弯曲运动；若将手指基指节的一螺栓固定点看作速度绝对瞬心，则手指的弯曲运动可以看作绕该瞬心的圆周运动，而手指连杆和手指近指节外壳13分别与手指远指节的第一固定点和第二固定点，距离该绝对瞬心的半径不同，故相同角速度下，圆周运动存在速度差异；

通过添加扭簧来使得手指进行还原，并添加一个预紧力，使得手指在自然状态下得以保持；扭簧嵌于手指近指节与手指远指节的连接点处，扭簧的一端嵌于手指远指节，另一端则嵌于手指连杆的槽中,当手指弯曲时，给与手指一个相反的力矩以使得手指在电机不做功的情况下回复成伸展状态；

当外力弯曲手指时，为防止过大的外力指节通过手指传递到电机的推杆，则添加防撞机构；当外力作用于手指时，手指弯曲带动手指连杆向下运动，再通过联动杆使得手指拉力防撞杆继续向下移动，但是拉力防撞杆由于上部设有滑槽，所以在限定范围内只能提供拉力而不能提供推力，如此外力便无法作用于电机推杆使得电机受损；当电机正常工作时，电机提供拉力，则通过拉杆带动手指拉力防撞杆的下移，从而带动手指机构的弯曲；

所述大拇指机构包括大拇指远指节、大拇指远关节、大拇指旋转电机底座中部、大拇指旋转电机底座侧板、大拇指近指节外壳、电机固定带、第一锥齿轮、传动片；

所述大拇指行星轮转动机构包括第二锥齿轮、第三锥齿轮、第一轴承、第二轴承、行星齿轮机构的行星轮、变直径轴、旋转片、轴向固定件、行星齿轮机构的太阳轮、轴向固定件；

所述大拇指驱动机构包括微型减速电机；所述微型减速电机通过电机固定带固定于大拇指底座中部上，微型减速电机的一端连接有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮55啮合；锥齿轮安装于第一d型轴上，并且与传动片贴合在一起；锥齿轮的旋转能带动第一d型轴转动，进而带动传动片转动；

所述传动片靠近大拇指近指节外壳设置，传动片的转动能推动大拇指近指节外壳，从而推动大拇指远关节的旋转，并带动与大拇指远关节连接的大拇指远指节旋转；

所述第二锥齿轮与第三锥齿轮啮合，带动第三锥齿轮旋转，而第三锥齿轮安装于第二d型轴上，进而通过第二d型轴带动行星轮的转动，在齿轮两边分别设有第一轴承、第二轴承，加强其运动的稳定性，且限制其轴向位移，且第二d型轴被设计成变直径类型，故限制其一端的轴向位移，而另一端则通过轴向固定件54来限制其位移；行星轮与固定于手掌上的太阳轮相啮合，不同于行星轮的是，太阳轮的第三d型轴被设计为不可旋转，其安装基座的轴孔同为d型，而行星轮的安装基座的轴孔为圆形；故太阳轮不动，在旋转片的限制下，绕着太阳轮做圆周运动；

大拇指手指的弯曲运动和旋转运动是耦合的，其弯曲的程度与旋转的角度成设定比例，且当微型减速电机旋转时，拇指的弯曲方向和拇指的旋转方向都为同正过程或同负过程；此处大拇指的自然伸展作为弯曲运动的初始状态，拇指置于手侧边作为拇指旋转运动的初始状态，其拇指从伸展运动到完全弯曲的过程作为正方向，拇指从手侧运动到垂直于手的过程作为旋转运动的正过程。

一种机械仿生手，所述机械仿生手包括机械手部分，机械手部分包括手掌机构、至少一模块化手指、至少一模块化手指驱动机构；

所述模块化手指驱动机构设置于手掌机构内，手掌机构连接各模块化手指，各模块化手指驱动机构连接对应的模块化手指；

所述模块化手指包括第一指节、手指连杆、第二指节、复位机构、手指联动杆15、防撞机构；所述防撞机构包括拉力防撞杆；

所述第一指节通过手指连杆连接第二指节，所述第一指节通过复位机构连接第二指节；所述手指连杆、第二指节分别连接手指联动杆；

所述模块化手指驱动机构连接拉力防撞杆，通过带动拉力防撞杆驱动对应的模块化手指弯曲；在模块化手指驱动机构不提供动力或动力降低时，模块化手指的第一指节、第二指节通过复位机构复位或部分复位。

进一步地，当外力作用于手指时，手指弯曲带动手指连杆向下运动，再通过手指联动杆使得所述拉力防撞杆继续向下移动，但是拉力防撞杆由于上部设有滑槽，则外力作用时，电机拉杆会顺着滑槽向上位移，所以在限定范围内只能推力无法作用于电机本体，故该装置在限定范围内只能提供拉力而无法提供推力，如此外力便无法直接作用于电机拉杆使得电机受损；当电机正常工作时，电机提供拉力，则通过拉杆带动手指拉力防撞杆的下移，从而带动手指机构的弯曲。

本发明揭示了一种机械仿生手，所谓欠驱动是指系统中独立驱动器的数目小于自由度数。该仿生手主要由电机、手腕和机械手三部分组成。

所述机械手由2个模块化手指a、防撞机构、直线电机、大拇指机构、大拇指行星轮转动机构以及1个模块化手指b组成。

所述模块化手指由手指远指节，手指连杆，手指近指节外壳，扭簧，手指联动杆，手指拉力防撞杆，直线电机，模块化外壳封盖，模块化外壳底盘组成。

所述防撞机构由手指拉力防撞杆，直线电机，手指联动杆，模块化外壳底盘，模块化外壳封盖组成。

所述直线电机由直线电机和直线电机固定端组成；

本发明的仿生手的模块化手指结构部分：

具体地：由直线电机带动手指拉力防撞杆再进一步通过手指联动杆带动手指近指节外壳和手指连杆做圆周运动，由于两者圆周运动存在速度差异，这种圆周运动的速度相对差异便会使得圆周速度较快的连杆带动手指远指节做弯曲运动。

进一步地，通过添加扭簧来使得手指进行还原，并添加一个预紧力，使得手指在自然状态下得以保持；

进一步地，当外力弯曲手指时，为了防止过大的外力指节通过手指传递到电机的推杆，则添加了防撞机构。具体地：当外力作用于手指时，手指弯曲带动手指连杆向下运动，再通过联动杆使得手指拉力防撞杆继续向下移动，但是拉力防撞杆由于上部设有滑槽，所以在限定范围内只能提供拉力而不能提供推力，如此外力便无法作用于电机推杆使得电机受损。

本发明提出的机械仿生手的有益效果在于：

1、使用寿命长：延续了刚性机构耐用持久的特点，保证了较长一段时间内产品的正常工作；

2、可靠性高：创新的采用了防撞结构设计，使外力作用下机构作受迫运动时不会对电机等驱动结构造成损坏；

3、外观简洁大方：防撞机构、直线电机等装置放置于手掌内部，使得仿生手外观简洁大方，产品的日常使用中不会从外部对精密零件造成影响；

4、轻巧方便，优良的体验感：仿生手采用欠驱动设计，大大降低了传统仿生机械手的质量，摆脱了刚性机械手的笨重特点，给用户带来刚好的体验感；

附图说明

图1为本发明实施例的机械仿生手的剖视结构示意图；

图2为本发明实施例的机械仿生手主视图；

图3为本发明机械仿生手中大拇指部分的结构示意图；

图4为本发明机械仿生手中大拇指部分的另一结构示意图；

图5为本发明实施例的仿生手的模块化手指1的剖视结构示意图；

图6为本发明实施例的仿生手的模块化手指1的俯视图；

图7为本发明实施例的仿生手模块化手指2的主视图。

图8为本发明实施例的仿生手模块化手指2的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1至图8，本发明揭示了一种机械仿生手，可以是欠驱动机械仿生手，所谓欠驱动是指系统中独立驱动器的数目小于自由度数。所述机械仿生手包括手腕、机械手部分；所述机械手部分包括两个第一模块化手指、两个第一模块化手指驱动机构、第二模块化手指、第二模块化手指驱动机构、大拇指机构、大拇指行星轮传动机构。

所述第一模块化手指1包括一个模块化手指，所述第二模块化手指包括两个模块化手指；两个第一模块化手指分别用来仿生食指、中指，第二模块化手指用来仿生无名指及小拇指，大拇指机构用来仿生大拇指。

各第一模块化手指驱动机构连接对应的第一模块化手指，驱动所述第一模块化手指动作；所述第二模块化手指驱动机构连接所述第二模块化手指，驱动所述第二模块化手指动作；所述大拇指驱动机构通过大拇指行星轮传动机构5连接大拇指机构4，驱动大拇指机构4动作；

所述模块化手指包括手指远指节11、手指连杆12、手指近指节外壳13、扭簧14、手指联动杆15、防撞机构2；所述防撞机构2包括手指拉力防撞杆21。

所述手指远指节11、手指连杆12与手指近指节外壳13用2mm螺栓通过过盈配合两两连接，防止产生轴向位移，以下2mm螺栓连接方式皆是如此；手指联动杆15与手指近指节外壳13通过2mm螺栓连接；手指联动杆15与手指拉力防撞杆21通过2mm螺栓连接；

所述手指拉力防撞杆21的前端与手指联动杆15通过2mm螺栓连接；手指拉力防撞杆21的后端则与直线电机3的输出轴通过2mm螺栓连接。

所述第一模块化手指驱动机构包括第一直线电机3；所述第二模块化手指驱动机构包括第二直线电机；所述第一直线电机3、第二直线电机均包括直线电机本体和直线电机固定端；各第一直线电机3能驱动对应的一个模块化手指动作，第二直线电机连接所述第二模块化手指包括的两个模块化手指，能驱动两个模块化手指动作。

所述直线电机本体22连接手指拉力防撞杆21，手指拉力防撞杆21连接手指联动杆15的一端，手指联动杆15分别与手指连杆12、手指近指节外壳13使用2mm螺栓连接，手指连杆12的一端与手指远指节11的一端可转动连接。

手指联动杆15能在直线电机本体22及手指拉力防撞杆21的驱动下带动手指近指节外壳13和手指连杆12做圆周运动，由于两者圆周运动存在速度差异，这种圆周运动的速度相对差异便会使得圆周速度较快的连杆12带动手指远指节11做弯曲运动；若将手指基指节的一螺栓固定点看作速度绝对瞬心，则手指的弯曲运动可以看作绕该瞬心的圆周运动，而手指连杆12和手指近指节外壳13分别与手指远指节11的第一固定点和第二固定点，距离该绝对瞬心的半径不同，故相同角速度下，圆周运动存在速度差异。

通过添加扭簧14来使得手指进行还原，并添加一个预紧力，使得手指在自然状态下得以保持；扭簧14嵌于手指近指节13与手指远指节11的连接点处，扭簧的一端嵌于手指远指节11，另一端则嵌于手指连杆12的槽中,当手指弯曲时，给与手指一个相反的力矩以使得手指在电机不做功的情况下回复成伸展状态。

当外力弯曲手指时，为防止过大的外力指节通过手指传递到电机的推杆，则添加防撞机构；当外力作用于手指时，手指弯曲带动手指连杆12向下运动，再通过联动杆15使得手指拉力防撞杆21继续向下移动，但是拉力防撞杆21由于上部设有滑槽，所以在限定范围内只能提供拉力而不能提供推力，如此外力便无法作用于电机推杆使得电机受损；当电机正常工作时，电机提供拉力，则通过拉杆带动手指拉力防撞杆21的下移，从而带动手指机构的弯曲。

所述大拇指机构4包括大拇指远指节41、大拇指远关节42、大拇指旋转电机底座中部43、大拇指旋转电机底座侧板44、大拇指近指节外壳45、电机固定带47、第一锥齿轮48、传动片49。

所述大拇指机构4包括差动耦合机构，所述差动耦合机构是使大拇指弯曲的机构，指大拇指机构4中除了拇指远指节41、固定带47的大部分零件，包括大拇指远关节42、大拇指旋转电机底座中部43、大拇指近指节外壳45、大拇指旋转电机46、第一锥齿轮48、传动片49。

所述大拇指驱动单元通过电机固定带47固定于大拇指底座中部43上，大拇指驱动单元46的一端连接有第一锥齿轮48，第一锥齿轮48与第二锥齿轮55啮合；锥齿轮55安装于第一d型轴上，并且与传动片49贴合在一起；锥齿轮55的旋转能带动第一d型轴转动，进而带动传动片49转动。所述传动片49靠近大拇指近指节外壳45设置，传动片49的转动能推动大拇指近指节外壳45，从而推动大拇指远关节42的旋转，并带动与大拇指远关节42连接的大拇指远指节41旋转。

差动耦合机构是以不动的大拇指旋转电机底座中部43为底座，靠大拇指驱动单元驱动第一锥齿轮48，然后第一锥齿轮48与第二锥齿轮51啮合，带动与锥齿轮51固连的传动片49，从而带动大拇指近指节外壳45向前推动关节42，从而使手指弯曲。

所述大拇指行星轮转动机构5(作为大拇指整体旋转传动机构)包括第二锥齿轮55、第三锥齿轮56、第一轴承57、第二轴承58、行星齿轮机构的行星轮59、变直径轴510、旋转片51、轴向固定件52、行星齿轮机构的太阳轮53、轴向固定件54。

所述大拇指驱动机构包括微型减速电机46。所述微型减速电机46通过电机固定带47固定于大拇指底座中部43上，微型减速电机46的一端连接有第一锥齿轮48，第一锥齿轮48与第二锥齿轮55啮合；锥齿轮55安装于第一d型轴上，并且与传动片贴合在一起；锥齿轮55的旋转能带动第一d型轴转动，进而带动传动片49转动。

所述传动片49靠近大拇指近指节外壳45设置，传动片49的转动能推动大拇指近指节外壳45，从而推动大拇指远关节42的旋转，并带动与大拇指远关节42连接的大拇指远指节41旋转。

所述第二锥齿轮55与第三锥齿轮56啮合，带动第三锥齿轮56旋转，而第三锥齿轮56安装于第二d型轴上，进而通过第二d型轴带动行星轮59的转动，在齿轮两边分别设有第一轴承57、第二轴承58，加强其运动的稳定性，且限制其轴向位移，且第二d型轴被设计成变直径类型，故限制其一端的轴向位移，而另一端则通过轴向固定件54来限制其位移；行星轮59与固定于手掌上的太阳轮53相啮合，不同于行星轮的是，太阳轮的第三d型轴被设计为不可旋转，其安装基座的轴孔同为d型，而行星轮的安装基座的轴孔为圆形；故太阳轮53不动，在旋转片51的限制下，绕着太阳轮53做圆周运动。

大拇指手指的弯曲运动和旋转运动是耦合的，其弯曲的程度与旋转的角度成设定比例，且当微型减速电机旋转时，拇指的弯曲方向和拇指的旋转方向都为同正过程或同负过程；此处大拇指的自然伸展作为弯曲运动的初始状态，拇指置于手侧边作为拇指旋转运动的初始状态，其拇指从伸展运动到完全弯曲的过程作为正方向，拇指从手侧运动到垂直于手的过程作为旋转运动的正过程。

本发明将大拇指的弯曲和旋转作为一个联动运动，摒弃了测捏运动的情况下，这种联动方式足以完成球状握取，柱状握取和精确抓取，且只使用一个电机，降低成本同时可以满足大多日常需求。

实施例二

一种欠驱动机械仿生手，所述机械仿生手包括机械手部分，机械手部分包括手掌机构、至少一模块化手指、至少一模块化手指驱动机构(大拇指模块可以不包括，或者大拇指结构与实施例一中的结构不同)。

所述模块化手指驱动机构设置于手掌机构内，手掌机构连接各模块化手指，各模块化手指驱动机构连接对应的模块化手指。

所述模块化手指包括第一指节、手指连杆、第二指节、复位机构、手指联动杆、防撞机构；所述防撞机构包括拉力防撞杆。

所述第一指节通过手指连杆连接第二指节，所述第一指节通过复位机构连接第二指节；所述手指连杆、第二指节分别连接手指联动杆。

所述模块化手指驱动机构连接拉力防撞杆，通过带动拉力防撞杆驱动对应的模块化手指弯曲；在模块化手指驱动机构不提供动力或动力降低时，模块化手指的第一指节、第二指节通过复位机构复位或部分复位。

综上所述，本发明提出的本发明提出的欠驱动机械仿生手，具有如下优势：

1、使用寿命长：延续了刚性机构耐用持久的特点，保证了较长一段时间内产品的正常工作；

2、可靠性高：创新的采用了防撞结构设计，使外力作用下机构作受迫运动时不会对电机等驱动结构造成损坏；

3、外观简洁大方：防撞机构、直线电机等装置放置于手掌内部，使得仿生手外观简洁大方，产品的日常使用中不会从外部对精密零件造成影响；

4、轻巧方便，优良的体验感：仿生手采用欠驱动设计，大大降低了传统仿生机械手的质量，摆脱了刚性机械手的笨重特点，给用户带来刚好的体验感；

5、大拇指设计采用差动耦合机构以及行星轮机构，使得其可以用一个电机来控制大拇指的旋转和弯曲，在满足结构更为小巧的同时，没有放弃大拇指的主动旋转功能，而不是采用被动旋转结构，且其设计的工作模式覆盖日常生活的大部分需求。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。