一种两自由度多模式仿人机械手的制作方法

本发明涉及仿人机器人技术领域，尤其涉及一种两自由度多模式仿人机械手。

背景技术：

在我们周围生活着很多因手部损伤和病变导致截肢的患者，失去手部使他们工作和生活能力大大降低，他们对人手功能再造具有迫切的需求和渴望。但目前人类尚无法通过生物学的方法实现缺失肢体的再造，仿人机械假肢一直是截肢患者运动功能康复的唯一手段。

近几十年来，为了模拟人手的功能，国内外许多研究机构在仿人机械手的设计，分析和控制等方面做出了卓有成效的研究。目前，一些新型五指仿人假肢已被研制出来，如i-limb假肢、bebionic假肢等，这些假肢具有五指仿人外型，每个手指具有独立的驱动单元，能模拟人手进行日常抓取工作，但是5–6个独立驱动使假肢的重量和成本增加，售价高达几十万元，患者难以承担高额费用，这导致国内市场上的商业假肢仍以三指假手为主，功能单一，极大影响了截肢患者的生活质量。研制少驱动、多种抓握模式的仿人机械手具有重大的现实意义和社会需求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种两自由度多模式仿人机械手，针对已有仿人机械手的不足之处，采用两个独立驱动，可以完成侧捏、两指捏、抓握等日常动作。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在保证实现多种抓握模式的同时简化驱动单元的结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种两自由度多模式仿人机械手，包括拇指、食指、中指、无名指、小指，其特征在于，还包括协同驱动机构、掌部支撑架、法兰、掌部电机，所述协同驱动机构固结在所述掌部电机输出轴上，所述掌部支撑架上设有4个相同的手指安装孔、4个相同的第一滑槽、拇指连接孔、第二滑槽、掌部电机安装孔和法兰安装孔，所述掌部电机通过所述掌部电机安装孔固定在所述掌部支撑架上，所述法兰通过所述法兰安装孔固结在所述掌部支撑架上，所述食指、中指、无名指和小指固定在所述掌部支撑架上，所述拇指套设在所述掌部支撑架上。

进一步地，所述协同驱动机构包括拇指驱动杆、掌部第一销轴、掌部第一连杆、掌部第二销轴、掌部驱动杆、掌部第三销轴、掌部第二连杆、掌部第四销轴、掌部第五销轴和四指驱动杆，所述拇指驱动杆上设有导向滑块，所述掌部第一销轴套固在所述拇指驱动杆上，所述掌部第二销轴和所述掌部第三销轴套固在所述掌部驱动杆上，所述掌部第四销轴和4个相同的所述掌部第五销轴套固在所述四指驱动杆上，所述掌部第一连杆一端套设在所述掌部第一销轴上，另一端套设在所述掌部第二销轴上，所述掌部第二连杆一端套设在所述掌部第三销轴上，另一端套设在所述掌部第四销轴上。

进一步地，还包括掌心外壳和掌背外壳，所述掌心外壳和所述掌背外壳分别固结在所述掌部支撑架的两侧。

进一步地，所述食指、中指、无名指和小指的结构完全相同，所述食指、中指、无名指和小指中的一种包括手指滑块、手指基座、第一指骨、第二指骨、手指驱动杆、手指第一销轴、手指第二销轴、手指第三销轴、手指第四销轴、手指连杆、手指第五销轴和手指第六销轴，所述手指基座上设有手指固定孔和基座滑槽，所述手指滑块套设在所述基座滑槽中，所述手指第一销轴套固在所述手指滑块上，所述手指第二销轴和所述手指第四销轴套固在所述手指基座上，所述第一指骨套设在所述手指第二销轴上，所述手指第三销轴和所述手指第六销轴套固在所述第一指骨上，所述手指驱动杆一端套设在所述手指第一销轴上，另一端套设在所述手指第三销轴上，所述第二指骨套设在所述手指第六销轴上，所述手指第五销轴套固在所述第二指骨上，所述手指连杆一端套设在所述手指第五销轴上，另一端套设在所述手指第四销轴上。

进一步地，所述拇指包括拇指指骨、拇指电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、蜗杆、轴承、拇指基座、拇指第一销轴、蜗轮、拇指第二销轴、拇指连杆和拇指第三销轴，所述拇指基座上设有锥齿轮安装孔、拇指电机安装孔和轴承安装孔，所述拇指电机通过所述拇指电机安装孔固定在所述拇指基座上，所述第一锥齿轮套固在所述拇指电机输出轴上，所述轴承套固在所述拇指基座的所述轴承安装孔中，所述第二锥齿轮套设在所述锥齿轮安装孔中并与所述第一锥齿轮啮合，所述蜗杆一端套设在所述轴承上，另一端与所述第二锥齿轮固结，所述拇指指骨固结在所述拇指基座上，所述拇指第一销轴套固在所述拇指基座上，所述拇指连杆套设在所述拇指第一销轴上，所述蜗轮固结在所述拇指连杆上并与所述蜗杆啮合，所述拇指连杆上设有连杆滑槽，所述拇指第二销轴套固在所述拇指连杆上，所述拇指第三销轴套设在所述连杆滑槽中。

进一步地，所述掌部驱动杆上设有d型孔，所述协同驱动机构通过所述d型孔固结在所述掌部电机输出轴上。

进一步地，所述拇指驱动杆上的所述导向滑块套设在所述掌部支撑架的所述第二滑槽中。

进一步地，所述食指、中指、无名指和小指通过所述手指基座上的所述手指固定孔和所述掌部支撑架上的所述手指安装孔固定在所述掌部支撑架上，所述手指滑块套设在所述掌部支撑架上对应的所述第一滑槽中且固结在所述掌部第五销轴上。

进一步地，所述拇指通过所述拇指第二销轴套设在所述掌部支撑架的所述拇指连接孔中且所述拇指第三销轴套固在所述拇指驱动杆上。

本发明还提供了一种两自由度多模式仿人机械手的操作方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、当机械手收到拇指侧翻指令时，拇指电机带动第一锥齿轮、第二锥齿轮、蜗杆转动，从而使拇指指骨、拇指电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮、蜗杆、轴承、拇指基座、拇指第一销轴一起绕着蜗轮转动，实现拇指侧翻状态；

步骤2、当机械手收到侧捏指令时，拇指电机不转动，掌部电机转动，机械手拇指、食指、中指、无名指、小指同步弯曲运动直到捏住物体或者拇指与食指接触，从而实现侧捏动作；

步骤3、当机械手收到抓握或两指捏指令时，拇指电机先转动，达到拇指侧翻状态，然后掌部电机带动拇指、食指、中指、无名指、小指弯曲运动，直到抓住物体或者拇指与食指接触，从而实现抓握或两指捏动作；

步骤4、当机械手收到恢复初始自然状态指令时，相应电机反向运动直到机械手达到初始自然状态。

本发明的有益技术效果为：

1、本发明结构简单、可靠，易于控制，特别适合用于仿人假肢手。

2、本发明采用两个驱动电机，可实现自然状态、拇指侧翻、侧捏、两指捏、抓握等多种动作模式，在具有人手运动功能的同时极大地降低了机械手的重量和制造成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的去掉掌心外壳的整体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的去掉掌背外壳的整体结构示意图；

图3a是本发明的一个较佳实施例的掌部支撑架结构示意图；

图3b是图3a中所示掌部支撑架另一观看角度的结构示意图；

图4a是本发明的一个较佳实施例的食指、中指、无名指、小指结构示意图；

图4b是图4a的爆炸图；

图5是本发明的一个较佳实施例的协同驱动机构结构示意图；

图6a是本发明的一个较佳实施例的拇指结构示意图；

图6b是图6a的爆炸图；

图7是本发明的一个较佳实施例的拇指基座结构示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的初始自然状态示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的拇指侧翻状态示意图；

图10是本发明的一个较佳实施例的侧捏状态示意图；

图11是本发明的一个较佳实施例的抓握状态示意图；

图12是本发明的一个较佳实施例的两指捏状态示意图。

其中，1—拇指，2—食指，3—中指，4—无名指，5—小指，6—协同驱动机构，7—掌部支撑架，71—手指安装孔，72—第一滑槽，73—拇指连接孔，74—第二滑槽，75—掌部电机安装孔，76—法兰安装孔，8—法兰，9—掌部电机，10—掌心外壳，11—掌背外壳，12—手指滑块，13—手指基座，131—手指固定孔，132—基座滑槽，14—第一指骨，15—第二指骨，16—手指驱动杆，17—手指第一销轴，18—手指第二销轴，19—手指第三销轴，20—手指第四销轴，21—手指连杆，22—手指第五销轴，23—手指第六销轴，24—拇指驱动杆，241—导向滑块，25—掌部第一销轴，26—掌部第一连杆，27—掌部第二销轴，28—掌部驱动杆，281—d型孔，29—掌部第三销轴，30—掌部第二连杆，31—掌部第四销轴，32—掌部第五销轴，33—四指驱动杆，34—拇指指骨，35—拇指电机，36—第一锥齿轮，37—第二锥齿轮，38—蜗杆，39—轴承，40—拇指基座，401—锥齿轮安装孔，402—拇指电机安装孔，403—轴承安装孔，41—拇指第一销轴，42—蜗轮，43—拇指第二销轴，44—拇指连杆，441—连杆滑槽，45—拇指第三销轴。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一：

如图1、图2、图8、图10所示，本实施例所述一种两自由度多模式仿人机械手包括拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5、协同驱动机构6、掌部支撑架7、法兰8、掌部电机9、掌心外壳10和掌背外壳11；所述食指2、中指3、无名指4和小指5的结构完全相同；如图4a、图4b所示，食指2包括手指滑块12、手指基座13、第一指骨14、第二指骨15、手指驱动杆16、手指第一销轴17、手指第二销轴18、手指第三销轴19、手指第四销轴20、手指连杆21、手指第五销轴22和手指第六销轴23，其中手指基座13上设有手指固定孔131和基座滑槽132，所述手指滑块12套设在手指基座13的基座滑槽132中，手指第一销轴17套固在手指滑块12上，手指第二销轴18和手指第四销轴20套固在手指基座13上，第一指骨14套设在手指第二销轴18上，手指第三销轴19和手指第六销轴23套固在第一指骨14上，手指驱动杆16一端套设在手指第一销轴17上，另一端套设在手指第三销轴19上，第二指骨15套设在手指第六销轴23上，手指第五销轴22套固在第二指骨15上，手指连杆21一端套设在手指第五销轴22上，另一端套设在手指第四销轴20上；如图5所示，所述协同驱动机构6包括拇指驱动杆24、掌部第一销轴25、掌部第一连杆26、掌部第二销轴27、掌部驱动杆28、掌部第三销轴29、掌部第二连杆30、掌部第四销轴31、掌部第五销轴32和四指驱动杆33，拇指驱动杆24上设有导向滑块241，掌部第一销轴25套固在拇指驱动杆24上，掌部第二销轴27和掌部第三销轴29套固在掌部驱动杆28上，掌部第四销轴31和4个相同的掌部第五销轴32套固在四指驱动杆33上，掌部第一连杆26一端套设在掌部第一销轴25上，另一端套设在掌部第二销轴27上，掌部第二连杆30一端套设在掌部第三销轴29上，另一端套设在掌部第四销轴31上；如图6a、图6b、图7所示，所述拇指1包括拇指指骨34、拇指电机35、第一锥齿轮36、第二锥齿轮37、蜗杆38、轴承39、拇指基座40、拇指第一销轴41、蜗轮42、拇指第二销轴43、拇指连杆44和拇指第三销轴45，拇指基座40上设有锥齿轮安装孔401、拇指电机安装孔402和轴承安装孔403，拇指电机35通过拇指电机安装孔402固定在拇指基座40上，第一锥齿轮36套固在拇指电机35输出轴上，轴承39套固在拇指基座40的轴承安装孔403中，第二锥齿轮37套设在拇指基座40的锥齿轮安装孔401中并与第一锥齿轮36啮合，蜗杆38一端套设在轴承39上，另一端与第二锥齿轮37固结，拇指指骨34固结在拇指基座40上，拇指第一销轴41套固在拇指基座40上，拇指连杆44套设在拇指第一销轴41上，蜗轮42固结在拇指连杆44上并与蜗杆38啮合，拇指连杆44上设有连杆滑槽441，拇指第二销轴43套固在拇指连杆44上，拇指第三销轴45套设在拇指连杆44的连杆滑槽441中；如图3a、图3b所示，所述掌部支撑架7上设有4个相同的手指安装孔71、4个相同的第一滑槽72、拇指连接孔73、第二滑槽74、掌部电机安装孔75和法兰安装孔76，掌部电机9通过掌部电机安装孔75固定在掌部支撑架7上，协同驱动机构6通过掌部驱动杆28上的d型孔281固结在掌部电机9输出轴上，且拇指驱动杆24上的导向滑块241套设在掌部支撑架7的第二滑槽74中，食指2、中指3、无名指4和小指5通过手指基座13上的手指固定孔131和掌部支撑架7上的手指安装孔71固定在掌部支撑架7上，手指滑块12套设在掌部支撑架7上对应的第一滑槽72中且固结在掌部第五销轴32上，拇指1通过拇指第二销轴43套设在掌部支撑架7的拇指连接孔73中且拇指第三销轴45套固在拇指驱动杆24上，掌心外壳10和掌背外壳11分别固结在掌部支撑架7的两侧；所述法兰8通过掌部支撑架7上的法兰安装孔76固结在掌部支撑架7上，整个两自由度多模式仿人机械手通过法兰8安装到假肢接受腔上以作为假肢使用。

实施例二：

如图1、图4a、图4b、图5、图6a和图6b所示，所述掌部驱动杆28、掌部第二连杆30、四指驱动杆33、手指滑块12和掌部支撑架7组成四杆滑块机构，掌部驱动杆28、掌部第一连杆26、拇指驱动杆24和掌部支撑架7组成四杆滑块机构，当掌部电机9带动掌部驱动杆28转动时，手指滑块12和拇指驱动杆24会分别沿着掌部支撑架7上的第一滑槽72和第二滑槽74滑移；所述手指滑块12、手指基座13、第一指骨14和手指驱动杆16组成四杆滑块机构，当手指滑块12沿着手指基座13上的基座滑槽132(掌部支撑架7上的第一滑槽72)滑移时，第一指骨14会绕着手指第二销轴18(手指基座13)转动，所述手指基座13、第一指骨14、第二指骨15和手指连杆21组成交叉四杆机构，当第一指骨14绕着手指第二销轴18(手指基座13)转动时，第二指骨15会同时绕着手指第六销轴23(第一指骨14)转动，从而实现手指的弯曲/伸展运动；所述拇指驱动杆24、掌部支撑架7、拇指连杆44和拇指第三销轴45组成双滑块连杆机构，当拇指驱动杆24沿着掌部支撑架7上的第二滑槽74滑移时，拇指第三销轴45会沿着拇指连杆44上的连杆滑槽441滑移，同时拇指连杆44带着整个拇指1绕掌部支撑架7上拇指连接孔73转动，从而实现拇指弯曲/伸展。

实施例三：

所述两自由度多模式仿人机械手的初始自然状态如图8所示，当机械手收到拇指侧翻指令时，拇指电机35带动第一锥齿轮36、第二锥齿轮37、蜗杆38转动，从而使拇指指骨34、拇指电机35、第一锥齿轮36、第二锥齿轮37、蜗杆38、轴承39、拇指基座40、拇指第一销轴41一起绕着蜗轮42(拇指连杆44)转动，实现拇指侧翻状态，如图9所示；当机械手收到侧捏指令时，拇指电机35不转动，掌部电机9转动，按照实施例二中所述，机械手五指会同步弯曲运动直到捏住物体或者拇指1与食指2接触，从而实现侧捏动作，如图10所示；当机械手收到抓握或两指捏指令时，拇指电机35先转动，达到如图9所示的侧翻状态，然后掌部电机9带动五指弯曲运动，直到抓住物体或者拇指1与食指2接触，从而实现抓握或两指捏动作，如图11和图12所示。反之，当机械手收到恢复初始自然状态指令时，相应电机反向运动直到机械手达到如图8所示状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。