一種薩克斯專用仿生手的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種薩克斯專用仿生手裝置，其中包括左手和右手，每個(gè)手掌包含5個(gè)手指。由于薩克斯吹奏時(shí)，每個(gè)手指的具體功能不同，需要的自由度也不盡相同，故每個(gè)手指的自由度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)薩克斯管實(shí)際吹奏的需求來設(shè)計(jì)的。每個(gè)手指的結(jié)構(gòu)基本包括指尖(一個(gè))、連接件(無、一個(gè)或多個(gè))、固定件(一個(gè))和關(guān)節(jié)(一個(gè)或多個(gè))。指尖用于按鍵，關(guān)節(jié)用于控制指尖或鏈接件的轉(zhuǎn)動(dòng)來按鍵，固定件固定于手掌之上并調(diào)整手指的位置，連接件用于連接指尖與固定件。我們采用舵機(jī)作為動(dòng)力來源，配以拉線轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)以帶動(dòng)連接件以及指尖的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)仿生手的快速、精確按鍵功能。
【專利說明】一種薩克斯專用仿生手

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用型手指結(jié)構(gòu)，是一種完全為吹奏薩克斯的需求所設(shè)計(jì)的手指結(jié)構(gòu)，能夠完全符合薩克斯吹奏的按鍵要求，并且符合人體功效學(xué)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，現(xiàn)有的薩克斯機(jī)器人的手指設(shè)計(jì)都是不完整的，由于薩克斯的構(gòu)造復(fù)雜、按鍵很多，一個(gè)手指需要控制一個(gè)或者多個(gè)按鍵，現(xiàn)有的薩克斯機(jī)器人的手指設(shè)計(jì)大多為一個(gè)自由度、最多為兩個(gè)自由度，不能完全滿足薩克斯的按鍵要求，即薩克斯的音域不能完全保證，在吹奏時(shí)只能選擇音域較窄的歌曲。而現(xiàn)有的一些靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)很多仿生的復(fù)雜操作功能，但是由于靈巧手的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，并且很難做成仿人手的大小，基本上現(xiàn)有的靈巧手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)均使用電機(jī)作為動(dòng)力來源，由于薩克斯的大小不能定做，所以手指的大小被限定，不能在關(guān)節(jié)處使用電機(jī)作為動(dòng)力來源，而且成本會(huì)很高，所以靈巧手并不適合作為薩克斯機(jī)器人的仿生手。
[0003]針對上述不足，本申請研制了一套新型的薩克斯專用應(yīng)用型仿生手結(jié)構(gòu)。通過對薩克斯吹奏的了解，發(fā)現(xiàn)每個(gè)手指所控制的鍵的個(gè)數(shù)以及方法均不相同，比如，左手食指需要三個(gè)單向自由度、左手中指需要兩個(gè)單向自由度、左手無名指和右手中指和無名指只需要一個(gè)單向自由度。所以按照每個(gè)手指的需要，設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)。這樣不僅可以節(jié)約成本，還能夠減少舵機(jī)的控制復(fù)雜度，提高設(shè)計(jì)控制的效率，并且提高手指結(jié)構(gòu)的緊湊度。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型仿生手需要解決以前仿生手的包括手指功能不完善、手指過大不符合吹奏薩克斯的要求、結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜浪費(fèi)成本和增加控制復(fù)雜度等問題，并且提出一種實(shí)用新型仿生手的結(jié)構(gòu)，解決以上不足。
[0005]本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:仿生手包括兩只手掌和十個(gè)手指(由于吹奏薩克斯左手右手按鍵方式不一樣，所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并不對稱)；兩只手掌分為左掌和右掌，左掌有一個(gè)垂直延伸板，延伸板上安裝左手拇指(有按鍵功能)，右掌沒有垂直延伸板，右手拇指(沒有按鍵功能)固定在右手臂上，用來固定薩克斯中部的位置，故不需要延伸板，安裝在延伸板上反而影響手掌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0006]組成手指的基本部分包括指尖(一個(gè))、連接件(無、一個(gè)或多個(gè))、固定件(一個(gè))和關(guān)節(jié)(一個(gè)或多個(gè))。指尖用于按鍵，關(guān)節(jié)用于控制指尖或鏈接件的轉(zhuǎn)動(dòng)來按鍵，固定件固定于手掌之上并調(diào)整手指的位置，連接件用于連接指尖與固定件。本申請采用舵機(jī)作為動(dòng)力來源，配以拉線轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)以帶動(dòng)連接件以及指尖的轉(zhuǎn)動(dòng)。拉線從關(guān)節(jié)下方與鏈接件的橫板上的小孔穿過并纏繞固定在圓形關(guān)節(jié)的凹槽中，另一端連接在舵機(jī)的舵盤上。
[0007]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以做如下改進(jìn):
[0008]進(jìn)一步，在固定板的延伸板上設(shè)計(jì)有一滑槽，并在手掌上設(shè)計(jì)兩道水平平行且與手指固定板上的滑槽寬度一樣的滑槽。根據(jù)兩點(diǎn)一線原則，能夠盡最大可能增加手指的調(diào)整范圍，用兩個(gè)直徑與滑槽寬度相同的螺栓固定。由于手指處受力不大，擰緊螺栓的摩擦力足以保證手指裝配調(diào)整后固定不動(dòng)。
[0009]進(jìn)一步，仔細(xì)研宄每個(gè)薩克斯按鍵的手指控制，發(fā)現(xiàn)左手食指需要三個(gè)單向自由度；左手中指需要兩個(gè)單向自由度；左手拇指和無名指、右手中指和無名指只需要一個(gè)單向自由度；左手小指和右手食指需要兩個(gè)單向自由度和一個(gè)擺動(dòng)自由度。通過對自由度的分析，我們可以基本確定手指的結(jié)構(gòu)，即，N個(gè)單向自由度需要N-1個(gè)連接件，需要N個(gè)關(guān)節(jié)。
[0010]進(jìn)一步，有關(guān)于關(guān)節(jié)滑輪的設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)滑輪設(shè)計(jì)為一個(gè)圓柱形滑輪，圓柱面中部設(shè)計(jì)為凹槽，圓心處打一通孔，用以穿過同樣大小的軸，保證關(guān)節(jié)與連接件或固定件之間的相對同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在非圓心處打一螺紋孔(或通孔)，用以連接指尖(或連接件)，保證指尖(或連接件)與該關(guān)節(jié)保持相對靜止，以此通過關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)指尖(或連接件)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的按鍵。通過在凹槽中設(shè)計(jì)一個(gè)壓線螺絲，來保證拉線與關(guān)節(jié)滑輪之間的相對靜止。
[0011]進(jìn)一步，有關(guān)連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所述仿生手的各手指的指節(jié)個(gè)數(shù)為0-2個(gè)不等，由于手指的驅(qū)動(dòng)源來自于關(guān)節(jié)處的拉線，為保證各拉線正常工作(能夠保持關(guān)節(jié)兩端拉線平行)而不相互干擾，則關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)必須有大小的區(qū)分，靠近指尖(遠(yuǎn)離舵機(jī))的關(guān)節(jié)較大，遠(yuǎn)離指尖(靠近舵機(jī))的關(guān)節(jié)較小。而連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則是根據(jù)關(guān)節(jié)的大小梯度變化而設(shè)計(jì)成“折線”型。
[0012]進(jìn)一步，有關(guān)多單向自由度的連接件的尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)薩克斯在proe中的三維掃描立體圖來建立手指模型，手指結(jié)構(gòu)的尺寸基本可以在建模中確立，為了減少舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)該相應(yīng)將關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的比較大，而連接件(或指尖)的受力位置應(yīng)該相應(yīng)的同轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置靠近。根據(jù)建立的模型來不斷調(diào)整尺寸，最終使得手指能夠完整依附于手掌之上，并且將手指按鍵能動(dòng)部分與薩克斯按鍵完美貼合。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型的薩克斯專用仿生手具有結(jié)構(gòu)簡單、仿人手尺寸、易控制、高自由度的特點(diǎn)。每個(gè)手指的結(jié)構(gòu)都依照薩克斯吹奏的需求而設(shè)計(jì)，具有專向性。手指的動(dòng)力來源為舵機(jī)提供，舵機(jī)具有易操作、靈敏度、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，使得手指的控制系統(tǒng)更簡單、易更改調(diào)整。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型所述一種薩克斯機(jī)器人的專用仿生手裝置的左手的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本實(shí)用新型所述一種薩克斯機(jī)器人的專用仿生手裝置的右手的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為本實(shí)用新型所述左手食指的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為本實(shí)用新型所述左手中指(與右手食指相同)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為本實(shí)用新型所述不帶有“口”型固定架的指尖的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖6為本實(shí)用新型所述帶有“口”型固定架的指節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖7為本實(shí)用新型所述一級連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖8為本實(shí)用新型所述二級連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖9為本實(shí)用新型所述固定件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖10為本實(shí)用新型所述單自由度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖11為本實(shí)用新型所述擺動(dòng)自由度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0026]1、手掌，2、手指，201、指尖，202、連接件，203、固定件，204、關(guān)節(jié)，201-1、平面帶有限位結(jié)構(gòu)的指尖，201-2、帶有立體固定架的指尖，202-1、組裝成型的一級連接件，202-2、一體的二級連接件，202-11、組裝成型一級連接件的兩側(cè)“7”型定位結(jié)構(gòu)，202-12、組裝成型一級連接件的工字型限位板，202-13、拉線環(huán)固定孔，202-14、轉(zhuǎn)軸固定孔。

【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述。
[0028]如圖1、2所示，圖紙結(jié)構(gòu)為薩克斯專用仿生手的左手和右手的結(jié)構(gòu)示意圖。該圖中每個(gè)仿生手包括手掌I和五個(gè)手指2，其中圖1為左手示意圖，圖2為右手示意圖。圖1左手示意圖中大拇指包括一個(gè)指尖201，一個(gè)關(guān)節(jié)204，一個(gè)固定件203;食指包括一個(gè)指尖201，兩個(gè)連接件202，一個(gè)固定件203，三個(gè)關(guān)節(jié)204;中指(與右手食指結(jié)構(gòu)相同)包括一個(gè)指尖201，一個(gè)連接件202，一個(gè)固定件203，二個(gè)關(guān)節(jié)204 ;無名指(與右手中指、無名指結(jié)構(gòu)相同)包括一個(gè)指尖201，一個(gè)固定件203，一個(gè)關(guān)節(jié)204;小指(與右手小指結(jié)構(gòu)相同)包括一個(gè)指尖201，一個(gè)固定件203，一個(gè)關(guān)節(jié)204。圖2中右手結(jié)構(gòu)示意圖中大多數(shù)手指結(jié)構(gòu)與左手手指相同，大拇指無按鍵功能，而只有固定作用，故將大拇指設(shè)計(jì)固定在手臂上，在圖中手掌上未顯示。所述每個(gè)指尖201與一個(gè)關(guān)節(jié)204固定連接，再一同接在固定件203或連接件202 —端；所述連接件202的另一端與一個(gè)關(guān)節(jié)204固定連接，再一同接在固定件203或連接件202 —端；所述每個(gè)關(guān)節(jié)204由一個(gè)舵機(jī)通過拉線控制；所述拉線的一端固定在關(guān)節(jié)204上，另一端固定在在舵機(jī)的舵盤上。
[0029]如圖3所示，所述手指為左手食指結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)薩克斯實(shí)際吹奏所需設(shè)計(jì)三個(gè)單向自由度，包括指尖201-1，連接件202-1和202-2，固定件203，關(guān)節(jié)204。所述指尖201-1與關(guān)節(jié)配合成第一單向自由度，用于控制薩克斯的正面按鈕；所述連接件202-1與關(guān)節(jié)配合成第二單向自由度，用于控制薩克斯的側(cè)面第一倍音鍵；所述連接件202-2與關(guān)節(jié)配合成第三單向自由度，用于控制薩克斯的側(cè)面第二倍音鍵。所述固定件203的U型結(jié)構(gòu)一端連接連接件202-2和關(guān)節(jié)204，另一端將滑槽固定于手掌上的兩條平行限位滑槽，用于調(diào)整整個(gè)手指的位置與朝向。
[0030]如圖4所示，所述手指為左手中指(與右手食指結(jié)構(gòu)相同)結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)薩克斯實(shí)際吹奏所需設(shè)計(jì)二個(gè)單向自由度，包括指尖201-1，連接件202-1，固定件203，關(guān)節(jié)204。所述指尖201-1與關(guān)節(jié)配合成第一單向自由度，用于控制薩克斯的正面按鈕；所述連接件202-1與關(guān)節(jié)配合成第二單向自由度，用于控制薩克斯的側(cè)面倍音鍵。所述固定件203的U型結(jié)構(gòu)一端連接連接件202-2和關(guān)節(jié)204，另一端將滑槽固定于手掌上的兩條平行限位滑槽，用于調(diào)整整個(gè)手指的位置與朝向。
[0031]如圖5、6所示，所述指尖包括201-1、201-2兩種。圖5所述指尖用于除左右手小指以外的其他所有手指的指尖。所述指尖201-1結(jié)構(gòu)中包含同軸孔201-11和止動(dòng)孔201-12。所述同軸孔201-11用于保持指尖相對于連接件的同軸旋轉(zhuǎn)；所述止動(dòng)孔201-12用于保持關(guān)節(jié)和指尖位置的相對靜止，以達(dá)到拉線控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)指尖旋轉(zhuǎn)按鍵的目的。圖6所述指尖用于左右手小指的指尖。由于小指除開單向自由度以外還需要一個(gè)擺動(dòng)自由度，擺動(dòng)自由度的實(shí)現(xiàn)需要更改關(guān)節(jié)204的結(jié)構(gòu)，從而不能用普通的連接件或固定件或指尖的結(jié)構(gòu)。所述指尖201-2結(jié)構(gòu)中包含同軸孔201-21和止動(dòng)孔201-22。所述同軸孔201-21用于保持指尖相對于連接件的同軸旋轉(zhuǎn)；所述止動(dòng)孔201-22用于保持關(guān)節(jié)和指尖位置的相對靜止，以達(dá)到拉線控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)指尖旋轉(zhuǎn)按鍵的目的。
[0032]如圖7、8所示，所述連接件包括202-1和202-2兩種。圖7所述連接件為一級連接件，即連接指尖與固定件或連接指尖與二級連接件的結(jié)構(gòu)。所述連接件202-1結(jié)構(gòu)中包含兩個(gè)平行放置的折型擋板202-11，和一個(gè)工字型限位板202-12。所述折型擋板202-11，兩個(gè)折型擋板平行對稱放置構(gòu)成類Y型結(jié)構(gòu)，大口端內(nèi)接關(guān)節(jié)204和指尖201 ;小口端內(nèi)接關(guān)節(jié)204，外接二級連接件202-2的大口端或固定件203的開口端。所述限位板202-12正面有兩個(gè)通拉線并限位的限位孔，側(cè)面有兩個(gè)與折型擋板相固定的螺紋孔。圖8所述連接件為二級連接件，即連接一級連接件和固定件的結(jié)構(gòu)。所述連接件202-2結(jié)構(gòu)與202-1不同之處在于202-2為一個(gè)整體件，而202-1由三個(gè)小零件組成。202-2實(shí)現(xiàn)的功能與202-1相似，但由于拉線走線的原因，二級連接件只能設(shè)計(jì)的比一級連接件小，這樣拉線才不會(huì)相互干擾。
[0033]如圖9所示，所述固定件203結(jié)構(gòu)中，上半部分為一個(gè)U型定位結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上側(cè)面有與指尖201和關(guān)節(jié)204連接的定位孔，底面有通拉線的限位孔。下半部分為一個(gè)與手掌固定的定位板，定位板上的滑槽與手掌上的兩條滑槽組成定位槽，以調(diào)整手指的最終具體朝向。
[0034]如圖10、圖11所示，所述關(guān)節(jié)包括204-1和204-2兩種。關(guān)節(jié)204-1用于單向自由度，204-2用于擺動(dòng)自由度。圖10所述關(guān)節(jié)204-1結(jié)構(gòu)中，包含同軸定位孔204-11，固定螺紋孔204-12，壓線螺紋孔204-13。所述同軸定位孔204-11用于保持關(guān)節(jié)204相對于連接件202或固定件203的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述固定螺紋孔204-12用于保持指尖201與關(guān)節(jié)204運(yùn)動(dòng)的相對靜止；所述壓線螺紋孔204-13用于保持拉線與關(guān)節(jié)204運(yùn)動(dòng)的相對靜止，以實(shí)現(xiàn)通過舵機(jī)操縱拉線來控制關(guān)節(jié)和指尖的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖11所述關(guān)節(jié)204-2結(jié)構(gòu)中，包含同軸定位孔204-21和支撐定位孔204-22，。所述同軸定位孔204-21用于保持關(guān)節(jié)相對于固定件的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述支撐定位孔204-22用于支撐單向自由度關(guān)節(jié)204-1，使其保證同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，包括了一個(gè)手掌和五個(gè)手指，其中大拇指包括一個(gè)連接件和一個(gè)固定件，固定件直接固定在手掌上或通過關(guān)節(jié)與金屬固定板連接，金屬固定板固定在手掌上，為了更好地適應(yīng)吹奏薩克斯的需要，左右手除拇指外的其他四個(gè)手指各不相同，左手的食指有三個(gè)關(guān)節(jié)，中指有兩個(gè)關(guān)節(jié)，無名指有一個(gè)關(guān)節(jié)，小指有一個(gè)關(guān)節(jié)，右手的食指有兩個(gè)關(guān)節(jié)，中指有一個(gè)關(guān)，各個(gè)關(guān)節(jié)通過連接件連接，每個(gè)關(guān)節(jié)最末端的關(guān)節(jié)用固定件與手掌連接，上述的每個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)舵機(jī)通過拉線控制其運(yùn)動(dòng)，拉線的一端固定在對應(yīng)的關(guān)節(jié)上另一端固定在舵機(jī)的舵盤上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，手指包括關(guān)節(jié)連接件和固定件；手掌由帶兩條螺栓槽的平板構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所的述薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，手指中的關(guān)節(jié)由滾輪組成，連接件由兩條長板和關(guān)節(jié)處的連接橫板組成，固定件為帶有螺栓槽的條形板；手掌由帶兩條螺栓槽的平板構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，共有兩種不同種類的關(guān)節(jié)，一種為單自由度關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)上下自由度的調(diào)整，另一種為兩個(gè)自由度關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)上下、左右自由度的調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述薩克斯專用仿生手裝置，其特征在于，所述單自由度關(guān)節(jié)包括一個(gè)轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸穿過轉(zhuǎn)輪中間的圓孔使轉(zhuǎn)輪在舵機(jī)拉線拉動(dòng)時(shí)可以進(jìn)行單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述兩自由度關(guān)節(jié)由一個(gè)轉(zhuǎn)輪、一個(gè)轉(zhuǎn)軸和一個(gè)豎直放置的支撐軸組成，支撐軸和轉(zhuǎn)輪通過轉(zhuǎn)軸連接在一起，整個(gè)關(guān)節(jié)由兩個(gè)舵機(jī)控制，一個(gè)控制支撐軸實(shí)現(xiàn)左右自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)控制轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)對上下自由度的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，在食指、中指、無名指和小指的連接件上設(shè)計(jì)有定位槽，同時(shí)在手掌上有兩條對應(yīng)的定位槽，安裝時(shí)用兩個(gè)螺栓進(jìn)行連接、固定。
【文檔編號】B25J15/10GK204248899SQ201420346439
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】范東宇, 王玥, 劉佩增, 何江龍, 楊凱, 陳凱翔, 趙亮, 劉泫梓 申請人:北京郵電大學(xué)