專利名稱：仿人機器手機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有五指十四關節(jié)三自由度的仿人機器手機械結構的仿人機器手機構。
背景技術：
人類研究手及手功能開始于醫(yī)學外科領域的殘疾人義肢研制和傷殘程度評定。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種類型的夾持器、機械手不斷涌現(xiàn)。十九世紀六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni開發(fā)了第一只機械手，它有五個手指和五個自由度。七十年代末產(chǎn)生了多種夾持器的設計方案。此后，機械手向著兩個方向發(fā)展其一是機器人靈巧手，此種手自由度多，常常在九個以上；其二是仿人形機器手，此種手自由度少，通常少于五個。
近年來，仿人形機器人得到國際上有關研究機構的重視，所開發(fā)的仿人形機器人也越來越多。為了使機器人能夠完成某些操作任務，要求機器人的手具有類似人手的功能，因此，設計出功能全面、結構簡單、安全可靠的機器手成為一個重要課題。設計仿人形機器手的一個主要要求是使用較少數(shù)目的電機，實現(xiàn)較多數(shù)目的關節(jié)運動。為此，有多種可能的傳動方案可以采納，用來實現(xiàn)手指各關節(jié)的運動。較常見的是采用鋼絲繩傳動，另外，還有連桿傳動、齒形帶傳動、齒輪傳動等。這些傳動方式各有優(yōu)缺點鋼絲繩傳動靈活性好，有利于長距離傳動，但需要解決鋼絲繩張緊問題；連桿傳動結構簡單，傳動精度較高，但運動連續(xù)性較差；齒形帶傳動精度較高，有利于長距離傳動，但對于帶輪尺寸有限制；齒輪傳動精度高，維護周期長，但不利于長距離傳動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種五指十四關節(jié)三自由度的仿人機器手機械結構的仿人機器手機構。本發(fā)明的仿人機器手機構的傳動方式采用多組定軸齒輪系來完成指節(jié)間的運動關系。該機器手能夠代替人類手完成某些特定場合的簡單操作任務。其結構簡單，功能全面，安全可靠，加工、裝配及維護簡便，成本較低。
本發(fā)明是一種仿人機器手機構，它由一個手掌、五個手指和機械接口構成，五個手指安裝在手掌上，手掌的根部設有機械接口，機械接口用于實現(xiàn)仿人機器手機構與機器臂之間的連接。本發(fā)明的仿人機器手機構，拇指、食指各具有一個自由度，分別由一個電機驅(qū)動；中指、無名指和小指共用一個自由度，由同一個電機驅(qū)動，三指傳動上采用同一摸塊化設計，區(qū)別僅在于三指的遠指節(jié)長度不同。食指、中指、無名指和小指的前兩個關節(jié)各自運動耦合。各手指的近指節(jié)與手掌連接軸處設置有運動解耦裝置，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。
本發(fā)明仿人機器手機構的優(yōu)點(1)使用較少數(shù)目的電機，實現(xiàn)較多數(shù)目的關節(jié)運動；(2)外形及尺寸與人類手相當或相似，結構簡單，功能全面；(3)該仿人機器手機構在人類無法親臨的環(huán)境下，其具有較高的工作靈活性和適應性，并能被較好地得到控制。


圖1是本發(fā)明仿人機器手整體結構示意圖。
圖2是圖1的A向視圖。
圖3是本發(fā)明手掌結構示意圖。
圖4是本發(fā)明拇指剖視圖。
圖5是本發(fā)明食指剖視圖。
圖6是本發(fā)明三指剖視圖。
圖7(a)是本發(fā)明仿人機器手遠指節(jié)結構示意圖。
圖7(b)是本發(fā)明仿人機器手中指節(jié)結構示意圖。
圖7(c)是本發(fā)明仿人機器手近指節(jié)結構示意圖。
圖中1.拇指101.遠指節(jié)102.近指節(jié)103.驅(qū)動電機104.電機主動輪 105.分配軸106.近指節(jié)關節(jié)軸 107.遠指節(jié)關節(jié)軸111.第一齒輪112.第二齒輪 113.第三齒輪 114.第四齒輪115.第五齒輪116.第六齒輪 117.第七齒輪 118.第八齒輪119.第九齒輪120.第十齒輪 2.食指201.遠指節(jié)202.中指節(jié) 203.近指節(jié)204.驅(qū)動電機 205.電機主動輪206.分配軸 207.近指節(jié)關節(jié)軸 208.齒輪心軸 209.中指節(jié)關節(jié)軸210.遠指節(jié)關節(jié)軸211.第一齒輪 212.第二齒輪 213.第三齒輪214.第四齒輪215.第五齒輪 216.第六齒輪 217.第七齒輪218.第八齒輪219.第九齒輪 220.第十齒輪 221.第十一齒輪222.第十二齒輪 223.第十三齒輪224.第十四齒輪3.中指301.遠指節(jié) 302.中指節(jié)303.近指節(jié)304.三指驅(qū)動電機305.三指電機主動輪 306.三指分配軸307.近指節(jié)關節(jié)軸 308.三指串聯(lián)軸309.中指節(jié)關節(jié)軸310.遠指節(jié)關節(jié)軸 311.第一齒輪 312.第二齒輪
313.第三齒輪 314.第四齒輪315.第五齒輪316.第六齒輪317.第七齒輪 318.第八齒輪319.第九齒輪320.第十齒輪321.第十一齒輪4.無名指101.遠指節(jié) 402.中指節(jié)403.近指節(jié)5.小指 501.遠指節(jié) 502.中指節(jié)503.近指節(jié)6.手掌 601.蓋板602.手指安裝架603.傳感器604.光路孔 7.機械接口具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種仿人機器手機構，具有五指十四關節(jié)三自由度的機械結構，能夠完成類似人手的功能。在本發(fā)明中，除拇指是兩個指節(jié)外，其余四指是三個指節(jié)，指節(jié)形狀如圖7所示，遠指節(jié)為 形結構，中指節(jié)為 形結構，近指節(jié)為 形結構。指節(jié)與指節(jié)間的連接采用各指節(jié)上設有的軸孔801和各自的關節(jié)軸(遠指節(jié)關節(jié)軸、中指節(jié)關節(jié)軸、近指節(jié)關節(jié)軸)實現(xiàn)連接。
如圖1、2所示，仿人機器手機構由一個手掌6、五個手指和機械接口7構成，五個手指分別是拇指1、食指2、中指3、無名指4和小指5，拇指1垂直安裝在手掌6上且位于食指2和中指3的指縫下方，布局上拇指1與其他四指相對。食指2、中指3、無名指4和小指5各具有三個指節(jié)和三個關節(jié)，拇指l具有兩個指節(jié)和兩個關節(jié)。拇指1、食指2各具有一個自由度，分別由一個電機驅(qū)動，兩指的傳動鏈各自獨立設計；中指3、無名指4和小指5這三指共用一個自由度，由同一個電機驅(qū)動，三指傳動上采用同一摸塊化設計，僅在遠指節(jié)長度上有所區(qū)別。食指2、中指3、無名指4和小指5的前兩個關節(jié)各自運動耦合。食指2、中指3、無名指4和小指5的近指節(jié)與手掌6連接軸處設置有運動解耦裝置，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。為了方便實現(xiàn)與機械臂的連接，在手掌6的根部設有一法蘭盤式的機械接口7，該機械接口7上設有多個螺紋孔，通過螺釘實現(xiàn)手掌6和機器臂的安裝連接。
手掌的結構如圖3所示，手掌具有手指安裝架602，食指2、中指3、無名指4、小指5固定安裝在安裝架602的各支承上，食指2、中指3、無名指4和小指5這四指的安裝間距為3mm，以避免各指間發(fā)生運動干涉。拇指1的驅(qū)動電機103，食指2的驅(qū)動電機204，中指3、無名指4和小指5三指的驅(qū)動電機304安裝在手掌6內(nèi)，接近覺傳感器603也安裝在手掌6內(nèi)。在手掌6的蓋板601上設有觀察傳感器路徑的光路孔604。
拇指1的結構如圖4所示，拇指1布局上與其他四指(食指、中指、無名指和小指)相對，具有兩個指節(jié)(遠指節(jié)101和近指節(jié)102)和兩個關節(jié)(遠指節(jié)關節(jié)軸107和近指節(jié)關節(jié)軸106)，由一個電機103驅(qū)動，電機103安裝于手掌6內(nèi)。遠指節(jié)101通過遠指節(jié)關節(jié)軸107連接在近指節(jié)102上，近指節(jié)102通過近指節(jié)關節(jié)軸106連接在分配軸105上，分配軸105安裝在手掌6上。拇指1通過一組定軸齒輪系(由齒輪逐一傳遞推動指節(jié)運動)實現(xiàn)各指節(jié)間的運動，電機103輸出軸上固連有主動輪104，主動輪104通過電機103帶動驅(qū)動第一齒輪111，再由第一齒輪111傳遞驅(qū)動第二齒輪112，以次類推至第十齒輪120，實現(xiàn)只需一個電機帶動多個齒輪的運動關系。分配軸105以軸承安裝于手掌6上，分配軸105上設有第一齒輪111、第二齒輪112、第三齒輪113，近指節(jié)關節(jié)軸106上設有第四齒輪114、第五齒輪115、第六齒輪116，第七齒輪117、第八齒輪118和第九齒輪119固連在近指節(jié)102的軸上，遠指節(jié)關節(jié)軸107上設有第十齒輪120。第五齒輪115通過銷釘與近指節(jié)102、近指節(jié)關節(jié)軸106相固連，近指節(jié)關節(jié)軸106以軸承安裝于手掌6上，近指節(jié)102的一個安裝架以軸承與近指節(jié)關節(jié)軸106聯(lián)接，另一個安裝架以緊頂螺釘與近指節(jié)關節(jié)軸106形成摩擦聯(lián)接，調(diào)節(jié)緊頂螺釘可以改變近指節(jié)102與近指節(jié)關節(jié)軸106間的摩擦力值。當近指節(jié)102不受外阻力時，近指節(jié)102在摩擦力矩作用下與第五齒輪115、近指節(jié)關節(jié)軸106一同運動，當近指節(jié)102受到外阻力，且阻力矩大于摩擦力矩時，近指節(jié)102與近指節(jié)關節(jié)軸106間發(fā)生相對運動，近指節(jié)102受阻停止運動，近指節(jié)關節(jié)軸106可以繼續(xù)轉動，從而，允許遠指節(jié)101繼續(xù)運動，形成對物體的包絡抓持。由此，拇指的近指節(jié)關節(jié)軸106附近設有的五個齒輪(第一齒輪至第五齒輪)形成一組定軸輪系，實現(xiàn)近指節(jié)102相對手掌6的運動，并通過近指節(jié)102與近指節(jié)關節(jié)軸106的摩擦聯(lián)接，實現(xiàn)近指節(jié)102相對手掌6的運動離合。第二齒輪112傳動于第六齒輪116，第六齒輪116以近指節(jié)關節(jié)軸106為心軸，通過第七齒輪117傳動于第八齒輪118，第八齒輪118以銷釘與第九齒輪119固連，并通過第八齒輪118傳動于第十齒輪120，第十齒輪120、遠指節(jié)轉動軸107、遠指節(jié)101通過銷釘相固連，第十齒輪120運動時帶動遠指節(jié)101一同運動。由此，拇指的遠指節(jié)關節(jié)軸107附近設有的五個齒輪(第六齒輪至第十齒輪)形成一組定軸輪系，實現(xiàn)遠指節(jié)15相對近指節(jié)14的運動。
食指2的結構如圖5所示，食指2具有三個指節(jié)(遠指節(jié)、中指節(jié)、近指節(jié))和三個關節(jié)。電機204固定于手掌6內(nèi)，電機主動輪205以緊頂螺釘與電機204的輸出軸固連，電機主動輪205通過第一齒輪211傳動于第二齒輪212，第二齒輪212、第三齒輪213、第四齒輪214及分配軸206通過銷釘相固連，分配軸206以軸承安裝于手掌6上。第二齒輪212的運動分別通過第三齒輪213傳遞給第七齒輪217，通過第四齒輪214、第五齒輪215傳遞給第六齒輪216。第六齒輪216通過銷釘與近指節(jié)203、近指節(jié)關節(jié)軸207相固連，近指節(jié)關節(jié)軸207以軸承安裝于手掌6上，近指節(jié)203的一個安裝架以軸承與近指節(jié)關節(jié)軸207聯(lián)接，另一個安裝架以緊頂螺釘與近指節(jié)關節(jié)軸207形成摩擦聯(lián)接，調(diào)節(jié)緊頂螺釘可以改變近指節(jié)203與近指節(jié)關節(jié)軸207間的摩擦力值。當近指節(jié)203不受外阻力時，近指節(jié)203在摩擦力矩作用下與第六齒輪216、近指節(jié)關節(jié)軸207一同運動，當近指節(jié)203受到外阻力，且阻力矩大于摩擦力矩時，近指節(jié)203與近指節(jié)關節(jié)軸207間發(fā)生相對運動，近指節(jié)203受阻停止運動，近指節(jié)關節(jié)軸207可以繼續(xù)轉動，從而，允許中指節(jié)202、遠指節(jié)201繼續(xù)運動，形成對物體的包絡抓持。由此，電機主動輪205、第一齒輪211、第二齒輪212、第四齒輪214及第六齒輪216形成一組定軸輪系，實現(xiàn)近指節(jié)203相對手掌6的運動，并通過近指節(jié)203與近指節(jié)關節(jié)軸207的摩擦聯(lián)接，實現(xiàn)近指節(jié)203相對手掌6的運動離合。第三齒輪213傳動第七齒輪217，第七齒輪217以近指節(jié)關節(jié)軸207為心軸，通過第八齒輪218傳動于第九齒輪219，第九齒輪219與第十齒輪220固連，并通過第十齒輪220傳動于第十一齒輪221，第十一齒輪221與中指節(jié)關節(jié)軸209、中指節(jié)202以銷釘相固連，中指節(jié)關節(jié)軸209以軸承安裝于近指節(jié)203上，第十一齒輪221運動時帶動中指節(jié)202一同運動。由此，電機主動輪205、第一齒輪211、第二齒輪212、第三齒輪213、第七齒輪217、第八齒輪218、第九齒輪219、第十齒輪220及第十一齒輪221形成一組定軸輪系，實現(xiàn)中指節(jié)202相對近指節(jié)203的運動。第九齒輪219傳動于第十二齒輪222，第十二齒輪222以中指節(jié)關節(jié)軸209為心軸，通過第十三齒輪223傳動于第十四齒輪224，第十四齒輪224、遠指節(jié)關節(jié)軸210、遠指節(jié)201通過銷釘相固連，第十四齒輪224運動時帶動遠指節(jié)201一同運動。由此，電機主動輪205、第一齒輪211、第二齒輪212、第三齒輪213、第七齒輪217、第八齒輪218、第九齒輪219、第十二齒輪222、第十三齒輪223及第十四齒輪224形成一組定軸輪系，實現(xiàn)遠指節(jié)201相對中指節(jié)202的運動。中指節(jié)202、遠指節(jié)201運動耦合，即當其中一個指節(jié)受到外阻力停止運動時，另一個指節(jié)也將停止運動。
三指的結構如圖6所示，中指3、無名指4和小指5三指共用一個自由度，由同一個電機304驅(qū)動，三指傳動上采用同一摸塊化設計，各具有三個指節(jié)(遠指節(jié)、中指節(jié)、近指節(jié))和三個關節(jié)，三指僅在遠指節(jié)長度上有所區(qū)別。三指的結構和驅(qū)動方式與食指2相同(連接關系此處不再寫出，請參見食指2的說明)，不同之處在于三指間通過串聯(lián)軸308組合成一個自由度的運動模式，串聯(lián)軸308設在指節(jié)的近指節(jié)上，安裝于近指節(jié)關系軸307的上方。驅(qū)動電機304固定于手掌6內(nèi)，電機主動輪305以緊頂螺釘與電機304的輸出軸固連。
權利要求
1.一種仿人機器手機構，其特征是由手掌(6)、拇指(1)、食指(2)、中指(3)、無名指(4)、小指(5)和機械接口(7)構成，拇指(1)垂直安裝在手掌(6)上且位于食指(2)、中指(3)之間的指縫下面，食指(2)、中指(3)、無名指(4)和小指(5)安裝在手掌(6)前端的支架(602)上，手掌(6)的根部設有機械接口(7)，機械接口(7)用于實現(xiàn)仿人機器手機構與機器臂之間的連接；其中，拇指(1)具有遠指節(jié)(101)、近指節(jié)(102)、遠指節(jié)關節(jié)軸(107)、近指節(jié)關節(jié)軸(106)、拇指驅(qū)動電機(103)，遠指節(jié)(101)通過遠指節(jié)關節(jié)軸(107)連接在近指節(jié)(102)上，近指節(jié)(102)通過近指節(jié)關節(jié)軸(106)連接在分配軸(105)上，分配軸(105)安裝在手掌(6)上，拇指驅(qū)動電機(103)通過三組定軸齒輪系驅(qū)動拇指(1)運動；其中，食指(2)具有遠指節(jié)(201)、中指節(jié)(202)、近指節(jié)(203)、遠指節(jié)關節(jié)軸(210)、中指節(jié)關節(jié)軸(209)、近指節(jié)關節(jié)軸(207)、食指分配軸(206)、食指驅(qū)動電機(204)，遠指節(jié)(201)通過遠指節(jié)關節(jié)軸(210)連接在中指節(jié)(202)上，中指節(jié)(202)通過中指節(jié)關節(jié)軸(209)連接在近指節(jié)(203)上，近指節(jié)(203)通過近指節(jié)關節(jié)軸(207)連接在手掌(6)支承端和安裝架(602)的第一支承(6021)上，食指驅(qū)動電機(204)由三組定軸齒輪系驅(qū)動食指(2)運動；其中，中指(3)、無名指(4)和小指(5)各具有遠指節(jié)、中指節(jié)、近指節(jié)和遠指節(jié)關節(jié)軸、中指節(jié)關節(jié)軸、近指節(jié)關節(jié)軸，三指共用一個三指驅(qū)動電機(304)、一個分配軸(306)，中指(3)、無名指(4)和小指(5)三指的遠指節(jié)通過遠指節(jié)關節(jié)軸連接在中指節(jié)上，中指節(jié)通過中指節(jié)關節(jié)軸連接在近指節(jié)上，近指節(jié)通過近指節(jié)關節(jié)軸連接在安裝架(602)的支承上；三指通過三指串聯(lián)軸(306)相連接，使得三指各自的近指節(jié)運動同步；三指驅(qū)動電機(304)通過定軸齒輪系驅(qū)動中指(3)、無名指(4)和小指(5)三指運動；其中，手掌(6)內(nèi)安裝有拇指驅(qū)動電機(103)、食指電機(204)、三指電機(304)和接近覺傳感器(603)；與食指(2)、中指(3)、無名指(4)和小指(5)連接端的手掌(6)設有安裝架(602)；手掌(6)上開有傳感器光路孔(604)；其中，手掌(6)根部的機械接口(7)為一法蘭盤，其上設有用于連接機器臂的螺紋孔。
2.根據(jù)權利要求1所述的仿人機器手機構，其特征是拇指(1)的近指節(jié)關節(jié)軸(106)處設置有運動解耦裝置，其結構是通過螺釘將近指節(jié)(102)壓緊在近指節(jié)關節(jié)軸(106)上，形成摩擦連接，當外力小于摩擦力時，近指節(jié)(102)與近指節(jié)關節(jié)軸(106)保持固定連接，當外力大于摩擦力時，產(chǎn)生滑動，從而，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。
3.根據(jù)權利要求1所述的仿人機器手機構，其特征是食指(2)的遠指節(jié)關節(jié)軸(210)和近指節(jié)關節(jié)軸(207)運動耦合，近指節(jié)關節(jié)軸(207)處設置有運動解耦裝置，其結構是通過螺釘將近指節(jié)(203)壓緊在近指節(jié)關節(jié)軸(207)上，形成摩擦連接，當外力小于摩擦力時，近指節(jié)(203)與近指節(jié)關節(jié)軸(207)保持固定連接，當外力大于摩擦力時產(chǎn)生滑動，從而，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。
4.根據(jù)權利要求1所述的仿人機器手機構，其特征是中指(3)、無名指(4)和小指(5)每個手指的遠指節(jié)關節(jié)軸和近指節(jié)關節(jié)軸運動耦合；三指的近指節(jié)關節(jié)軸處設置有運動解耦裝置，其結構是通過螺釘將近指節(jié)壓緊在近指節(jié)關節(jié)軸上，形成摩擦連接，當外力小于摩擦力時，近指節(jié)與近指節(jié)關節(jié)軸保持固定連接，當外力大于摩擦力時產(chǎn)生滑動，從而，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。
5.根據(jù)權利要求1所述的仿人機器手機構，其特征是手掌(6)安裝架(602)上設有第一支承(6021)、第二支承(6022)、第三支承(6023)，食指(2)安裝在手掌(6)的側臂與第一支承(6021)間，中指(3)安裝在第一支承(6021)與第二支承(6022)間，無名指(4)安裝在第二支承(6022)與第三支承(6023)間，小指(5)第三支承(6023)上。
6.根據(jù)權利要求1所述的仿人機器手機構，其特征是遠指節(jié)為“ ”形結構，中指節(jié)為“ ”形結構，近指節(jié)為“ ”形結構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿人機器手機構，它由一個手掌、五個手指和機械接口構成，五個手指安裝在手掌上，手掌的根部設有機械接口，機械接口用于實現(xiàn)仿人機器手機構與機器臂之間的連接。本發(fā)明的仿人機器手機構，拇指、食指各具有一個自由度，分別由一個電機驅(qū)動；中指、無名指和小指共用一個自由度，由同一個電機驅(qū)動，三指傳動上采用同一摸塊化設計，區(qū)別僅在于三指的遠指節(jié)長度不同。食指、中指、無名指和小指的前兩個關節(jié)各自運動耦合。各手指的近指節(jié)與手掌連接軸處設置有運動解耦裝置，當手指近指節(jié)接觸物體受阻時，其他指節(jié)仍可繼續(xù)運動，完成對物體的包絡抓持。
文檔編號B25J15/10GK1621206SQ20041010270
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權日2004年12月28日
發(fā)明者郭衛(wèi)東, 劉博 , 張玉茹, 李久振, 劉軍傳, 李繼婷 申請人:北京航空航天大學