CN102814818B - 一种机器人用多指拟人手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人用多指拟人手，包括手腕、手掌，以及连接到手掌上的多个手指，每个手指具有多个关节，还包括多个弹簧，其分别设置于所述多个手指的每个关节，提供将手指保持在伸展状态的力矩。该多指拟人手通过在同一根手指上采用不同弹性系数的弹簧，使手指在进行抓取时，各关节以不同角度进行弯曲，从而与人手更加类似；而采用弹簧为主体的手掌，可以在抓取时具有一定的弯曲度与柔性，能够增加抓取的稳定性。

Description

一种机器人用多指拟人手

技术领域

本发明涉一种机器人用多指拟人手，该手具有弹性的手掌，适用于仿人机器人的多指手抓取作业时达到拟人手的效果。

背景技术

随着工业化的发展，人类的生产活动已逐渐深入到一些特殊领域，比如在水下、地下、核辐射、空间站等环境下对设备进行检查和维修；对一些大型物体的精确操作，比如汽车的组装；医疗上的微创伤手术等等。这些工作或具有危险性，或难于完成，非常需要机器人来代替人来完成这些工作。

这些复杂的工作需要机器人的手部装置具有完成精细操作的能力，同时通过手指运动能快速地适应对几何形状复杂的物体的抓取。而当今实际应用中的机器人大多数使用简单的末端执行器夹持工件完成工作，具有缺少灵活性、夹持方式有限、效率不高、能耗大等缺点。多指灵巧手有助于解决上述问题，它使机器人更加灵活，也更通用。多指灵巧手由于具有自适应性，可以实现多种不同的夹持，无需更换末端执行器。

从机器人手爪的研究进展来看，多指灵巧手仍然是研究最多的。全驱动多指灵巧手基于腱和滑轮(或是软管)的传动方式导致出力小、负载能力差、控制复杂，制约着其在机器人上的应用。而欠驱动手指通过欠驱动手指机构、机械限位和弹簧实现无动力关节对被抓取形状的被动自适应，具有驱动元件少，抓取范围广泛、控制简单、出力大、负载能力好等特点。但是，欠驱动机构中的弹性元件又给欠驱动手的精确控制，诸如精确的轨迹跟踪，力控制等造成了一定的困难，尤其是国内的一些欠驱动手中，加上其传感器数量的限制，难以实现复杂和准确的操作，限制了它的灵巧性。另外，由于现有的仿人手的手掌多由钢板组成，弹性较差，在完成抓取操作时，手掌与被抓取物的接触点少、接触面积小，抓取不稳定。

经过长时间的进化，人类的手非常灵活，不仅可以做出各种手势，而且还能够完成提起重物等操作。每只手都由29块骨头作为支架构成，这些骨头由123条韧带联系在一起，由35条强劲的肌肉来牵引。因此，在人手抓取物体，做出各种姿势时，动作非常柔和，并且可靠。在人手抓取物体时，不仅手指的各个关节都能够与物体相接触，而且手掌也有很大的面积可以接触到物体。这样，抓取比较稳定，物体不易滑落。但现有的机器人手，在做出手势的时候，动作非常僵硬，不协调；手掌采用刚性材料制成，抓取物体时手掌与物体的接触点较少，因此与物体之间的摩擦不大，容易滑落。

由此，就需要使机器人多指手能够在使用较少的驱动元件获得足够力的前提下，完成手的精确控制，并增强多指手抓取的稳定性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种手掌具有弹性、手指弯曲更加自然的机器人多指手，以解决现有技术的问题。该多指手能够在使用较少驱动元件的前提下，具有较强的带负载能力，并且能够进行比较精确的控制。灵巧手在完成抓取任务时，弹性手掌可以弯曲，增多手与物体的力的接触点，增大接触面积，使抓取更加稳定。当多指手进行拧螺丝等任务时，能够很好得控制手的运动精度；当多指手握物体时，能够抓取牢靠，不产生滑动。

一种机器人用多指拟人手，包括手腕、手掌，以及连接到手掌上的多个手指，每个手指具有多个关节，其特征在于，还包括

多个弹簧，其分别设置于所述多个手指的每个关节，提供将手指保持在伸展状态的力矩；

驱动装置，其置于所述拟人手内部，能够分别为所述多个手指的每一个提供驱动力，所述驱动力使手指的关节克服所述弹簧的力矩作用，分别围绕各个关节的轴发生转动，从而转变为握紧状态；

其中，在所述多个手指的每一个中，按照从掌端到指端的方向，各关节的弹簧的弹性系数逐渐增大，从而使手指能够弯曲完成抓取动作。

优选地，所述多个手指中包括食指，所述食指具有近掌端关节、中指节和近指端关节，其中近掌端关节的弹簧弹性系数最小，近指端关节的弹簧弹性系数最大。

优选地，所述多个手指中包括拇指，所述拇指具有近掌端关节和近指端关节，其中所述拇指的近掌端关节弹簧的弹性系数较小，所述拇指的近指端关节弹簧的弹性系数较大。

优选地，所述手掌包括多个弹性系数很大的弹簧，以使得当进行抓取动作时，所述手掌微微弯曲，其弯曲程度与手指的抓取动作相适应。

优选地，所述多个弹簧为拉伸弹簧、扭转弹簧或弯曲弹簧。

本发明的有益效果是，在保证抓取力较大的前提下，手指弯曲与人手更加类似，使仿人多指手的手掌具有弹性，抓取更加稳定；通过在同一根手指上采用不同弹性系数的弹簧，使手指在进行抓取时，各关节以不同角度进行弯曲，从而与人手更加类似；而采用弹簧为主体的手掌，可以在抓取时具有一定的弯曲度与柔性，能够增加抓取的稳定性。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的多指拟人手。

图2是上述实施方式中的多指拟人手的拇指的构成示意图。

图3是上述实施方式中的多指拟人手的手掌的构成示意图。

图中各标记的含义如下：

1 食指近指端关节 2 食指中指节     3 食指近掌端关节

4 拇指近指端关节 5 拇指近掌端关节 6 手指

7 手掌           8 手腕

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施方式的多指拟人手。该拟人手包括手掌7、手腕8，手掌7上连接有多个手指6，每个手指都具有多个关节。手指的每个关节处都设置有弹簧，用以提供将手指保持在伸展状态的力矩。多指手内部设置有各个手指的驱动装置，用于驱动各个手指的动作。当驱动装置进行驱动时，驱动力使手指的关节克服弹簧的力矩作用，分别围绕各个关节的轴发生转动，从而转变为握紧状态。通过调整每个手指的各个关节的弹簧的弹性系数，可以使手指弯曲完成预定的抓取动作。

例如，食指具有近掌端关节、中指节和近指端关节。其中，食指近掌端关节3的弹簧弹性系数最小(k3)，中指节2的弹簧弹性系数较大(k2)，近指端关节1的弹簧弹性系数最大(k1)。三个弹簧的弹性系数呈等差数列的关系：k1＝k2+k0＝k2+2*k0(k0为常数)。

由于同一根手指的各个关节的驱动力是相同的，因此在进行驱动时，食指近指端关节1的转动角度最小，中指节2转动角度较小，近掌端关节3的转动角度最大。因为三个指节的弹簧弹性系数呈等差数列，所以同一根手指的三个关节的转动角度大小也为等差数列：θ₃＝θ₂+θ₀＝θ₁+2θ₀(θ₀为常数)。

除拇指外，其他三指均与食指情况相似。

图2示出了上述实施方式中的多指拟人手的拇指的构成。其中拇指具有近掌端关节，以及近指端关节。拇指的近掌端关节弹簧的弹性系数较小(k3)，近指端关节弹簧的弹性系数较大(k2)。因此在进行驱动时，拇指近掌端关节5转动角度较大，近指端关节4转动角度较小。其弹簧系数和转动角度关系与图2的类似

图3示出了上述实施方式中的多指拟人手的手掌的构成。手掌7主要由多个弹性系数很大的弹簧构成。以使得当手掌进行包络抓取时，弹簧进行微微弯曲，其弯曲程度与手指的抓取动作相适应，从而能够增加手掌与物体的接触点的个数，增大接触面积，使包络抓取更加稳定，达到设计效果。

此外，除了以上各图中示出的使用拉伸弹簧的实施例之外，还可以使用扭转弹簧或弯曲弹簧为各个关节提供力矩，得到替代的实施方式。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人用多指拟人手，包括手腕、手掌，以及连接到手掌上的多个手指，每个手指具有多个关节，其特征在于，还包括

多个弹簧，其分别设置于所述多个手指的每个关节，提供将手指保持在伸展状态的力矩；

驱动装置，其置于所述拟人手内部，能够分别为所述多个手指的每一个提供驱动力，所述驱动力使手指的关节克服所述弹簧的力矩作用，分别围绕各个关节的轴发生转动，从而转变为握紧状态；

其中，在所述多个手指的每一个中，按照从掌端到指端的方向，各关节的弹簧的弹性系数逐渐增大，从而使手指能够弯曲完成抓取动作；

所述多个手指中包括食指，所述食指具有近掌端关节、中指节和近指端关节，其中近掌端关节的弹簧弹性系数k3最小，中指节的弹簧弹性系数k2较大，近指端关节的弹簧弹性系数k1最大，三个弹簧的弹性系数呈等差数列的关系；

在进行驱动时，食指近指端关节的转动角度最小，中指节转动角度较小，近掌端关节的转动角度最大，三个关节的转动角度大小为等差数列。

2.根据权利要求1所述的多指拟人手，其特征在于，所述多个手指中包括拇指，所述拇指具有近掌端关节和近指端关节，其中所述拇指的近掌端关节弹簧的弹性系数较小，所述拇指的近指端关节弹簧的弹性系数较大。

3.根据权利要求1-2之一所述的多指拟人手，其特征在于，所述手掌包括多个弹性系数很大的弹簧，以使得当进行抓取动作时，所述手掌微微弯曲，其弯曲程度与手指的抓取动作相适应。

4.根据权利要求1-2之一所述的多指拟人手，其特征在于，所述多个弹簧为拉伸弹簧、扭转弹簧或弯曲弹簧。