CN103372865A - 机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手，其包含有一个手掌部件；四个手指部件和一个拇指部件连接在手掌部件的上端，每个手指部件和拇指部件包含远节、中节、近节和根节，远节可调连接在中节上，中节可调连接在近节上，近节可调连接在根节上，根节可调连接在手掌部件的上端；许多腱索被排布在手指和拇指部件的每一个指节内，用来调节指节间关节的动作；还包含控制手指和拇指部件运动的驱动装置，其包含气动肌肉和弹簧，气动肌肉连接在腱索上并可充气，弹簧连接在手掌、手指和拇指部件的指节间关节上，通过增加气压给气动肌肉充气来拉动腱索，通过降低气压让气动肌肉放气来释放腱索，各指节在弹簧的拉力下都会运动到默认位置。

Description

机械手

技术领域

本发明涉及机械手，本发明具体涉及一种，由一组采用脉宽调制控制电磁阀的气动肌肉及弹簧组成的，并由此实现机械手手指的屈曲、外展、内收和伸展动作的灵巧拟人化的机械手。

背景技术

手是人类拥有的重要身体结构，由成人全身206块骨头中的54块组成。在日常生活中，我们用手来执行大多数任务，诸如抓、握、拿、按等。伟大的希腊哲学家已经将手和人类的智力联系在了一起。人类是当今世界最聪明最高等的生物，人类双手与众不同的灵巧操作是使人类变得高等的主要因素之一。现在，随着工业中自动化程度越来越高，对机械手的需求正与日俱增。在精细操作和重复组装任务中，由人为失误造成的工业损耗正被试图通过用机械手替代人类的方式来消除，这既是为了工作速度，也是为了工作的准确性。

在工业上，机械手正逐渐成为常用工具而用于不同的用途。每个行业都基于自己的需求运用机械手完成特定的任务。但问题在于，无论何时要使用机械手，它们都必须被编程。一旦任务改变，机械手必须被重新编程，因为它们是从设备。即便是任务中一个最小的改变，也能成为机械手被重新编程的原因。而在某些行业，比如金属冶炼、化工、切割、汽车、原子反应和空间探索业，由于人类工人在恶劣的环境下进行危险的作业，人身安全成为了另一个问题。

因此，有必要提供一种，由一组采用脉宽调制控制电磁阀的气动肌肉及弹簧组成的，并由此实现机械手手指的屈曲、外展、内收和伸展动作的拟人灵巧手，以及能使人类实时操控机械手的遥控***。

发明内容

本发明提供一种手指能做屈曲、外展、内收和伸展动作的灵巧拟人化的机械手，它的形状、大小、重量与真实的人手相当。

为实现上述目的，本发明提供一种机械手，其包含有一个手掌部件；四个手指部件和一个拇指部件，其分别连接在手掌部件的上端，每个手指部件和拇指部件包含一个远节、一个中节、一个近节和一个根节，其中，远节可调连接在中节上，中节可调连接在近节上，近节可调连接在根节上，根节可调连接在手掌部件的上端；若干腱索，其被排布在手指部件和拇指部件的每一个指节内，用来调节指节之间关节的动作；其特点是，控制手指部件和拇指部件运动的驱动装置，该驱动装置包含气动肌肉和弹簧，气动肌肉连接在腱索上并可充空气，弹簧连接在手掌部件、手指部件和拇指部件的指节间的关节上，通过增加气压给气动肌肉充气来拉动腱索，通过降低气压让气动肌肉放气来释放腱索，各指节在弹簧的拉力下都会运动到默认位置。

本发明的另一个目的是，提供一种包含用来控制气动肌肉内部气压的脉宽调制（PWM）电磁阀的气动肌肉。

本发明的另一个目的是，所提供的气动肌肉为一种柔性管，当充入压缩空气时，该柔性管在长度方向缩短，当管中空气被吸出时，柔性管恢复到原始长度。

每个上述的手指部件和拇指部件都具有四个自由度。

上述的拇指部件，以与手掌部件纵轴成大约45度的角度连接在手掌部件的上端。

本发明的另一个目的是，提供手指部件和拇指部件的指节，每个指节都包含若干用于固定腱索的钩子部件。

本发明还有一个目的是，提供一种安装在每一个节间关节上的探测器，用于从操作者佩戴的植入弯曲传感器的手套上获得关节角度数据，这样在操作者佩戴手套时，可用自己的手遥控手指和拇指部件的关节角度。

上述的弯曲传感器，通过蓝牙通路将关节角度数据传送给探测器。

上述指节之间的关节，是用连接块和销钉连接的。

上述的驱动装置，是安装在与机械手相连的前臂上。

本发明机械手和现有技术相比，其优点在于，本发明灵巧拟人化，能做屈曲、外展、内收和伸展动作。

附图说明

图1为本发明机械手的正视图；

图2为本发明机械手的后视图；

图3为本发明机械手移除后盖后的背向内部视图；

图4为本发明机械手中带有腱索布线图的一个机械手手指部件的全剖视图；

图5a为本发明机械手中一个已充气的气动肌肉；

图5b为本发明机械手中一个已放气的气动肌肉；

图6为本发明机械手中腱索的布线机构和机械手指节运动的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

应指出的是，以下详细说明是用于手套脱模码放机，且不限于任何特定的大小和配置，事实上，许多大小和配置不同的产品都在以下说明的范围之内。 

如图1所示，是机械手100的正视图，它包含一个手掌部件1，四个手指部件3和一个拇指部件5连接在手掌部件1的上端。每个手指部件3和拇指部件5都具有四个自由度（DOF），对应于四个关节。每个手指部件3和拇指部件5包含一个远节11、一个中节13、一个近节15和一个根节17，其中，远节11可调连接在中节13上，中节13可调连接在近节15上，近节15可调连接在根节17上，根节17可调连接在手掌部件1的上端。手指部件3和拇指部件5具有相同的结构、但尺寸不同。就弯度、弯曲点和远节尖端形状而论，手指部件3和拇指部件5的形状与人类的手指和拇指相似。

拇指部件5和手掌部件1之间的关节正处在中等角度，这是使拇指获得强大握力的关键。优选的，拇指部件5以与手掌部件1纵轴成大约45度的角度连接在手掌部件1的上端。从手指到手腕，手掌部件1的厚度逐渐增加。整个机械手共有20个自由度，其中不包含任何手腕和前臂的自由度。为了调节指节11、13、15、17间关节的动作，若干腱索21被排布在手指部件3和拇指部件5的每个指节11、13、15、17里。为了控制手指和拇指部件3、5的动作，装备了一种驱动装置。该驱动装置包含气动肌肉23和弹簧。

如图2所示，是机械手100的后视图。机械手100的后表面安装着一个后盖19，用来封装手指部件3和拇指部件5指节间的关节。如图3所示，是机械手100移除后盖19后的背向内部视图。

如图4所示，是带有腱索21布线图的一个机械手100手指部件3的全剖视图。手指部件3和拇指部件5的每一个指节11、13、15、17都包含许多用来固定腱索21的钩子部件25。指节11、13、15、17的关节用连接块27和销钉29连接。为使手指和拇指部件3、5的指节11、13、15、17运动，腱索上安装着若干用来拉紧和释放腱索的气动肌肉23。可选的，每一个指节11、13、15、17之间的关节上安装了一个探测器，用来从操作者佩戴的植入弯曲传感器的手套上获得关节角度数据，这样操作者在佩戴手套时，可用自己的手遥控手指部件3和拇指部件5的关节角度。弯曲传感器通过蓝牙通路将关节角度数据传送给探测器。

如图5a和图5b所示，是已充气的气动肌肉23和已放气的气动肌肉23。弹簧安装在手掌、手指、拇指部件1、11、13、15、17、19的节间关节上。气动肌肉23是可充气的，通过增加气压给气动肌肉23充气来拉动腱索21，通过降低气压给气动肌肉23放气来释放腱索21，通过弹簧的拉力使指节运动到默认位置。气动肌肉23是一种柔性管，柔性管在被压缩空气充气时会在长度上变短，当管中的空气被抽出时柔性管会恢复到它的原始长度。它们能产生强大的力量，而且重量很轻。优选的，气动肌肉23是圆筒形的，可以用坚韧的塑料或者金属编织物把它包裹起来。由于气动肌肉是基于其内部空气压力来工作的，因此用电磁阀来控制空气流入流出气动肌肉23。电磁阀由脉宽调制信号控制切换。

如图6所示，是一幅说明性示意图，说明了腱索21的布线机构和机械手100指节11、13、15、17的运动。优选的，在每个指节11、13、15、17中，设置有三个钩子25用作于单侧运动。将腱索21系在指节背面内侧最上面的钩子25上，然后将它穿过指节正面内侧的钩子25。穿过正面的钩子25后，再将它穿过背面较低的钩子25。当腱索21被气动肌肉23往下拉的时候，从背面较高的钩子25到正面较低的钩子25之间的腱索，会试图平行于从正面较低的钩子25到背面较低的钩子25之间的那部分腱索21。当背面较低的钩子25被设计得高于正面较低的钩子25时，指节的运动会大于90度。这种腱索21结构用于所有的指节11、13、15、17运动。腱索21的走线要避开关节间任何的运动耦合。这样，当拉动一个驱动装置时，只有相应的关节产生弯曲。这种非耦合运动的设计会在控制部分起到帮助作用，因为我们能够在运动时只从某个特定的关节得到反馈而忽略其他所有的手指关节。

本发明的几个最佳实例已经被描述说明，所属领域的技术人员应很容易在不违背本发明的精神和内容的基础上对其做出一些变化和修改。因此，下列权利要求意在囊括属于本发明精神和范围的变化、修改以及应用领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种机械手 （100），其包含：

一个手掌部件（1）；

四个手指部件（3）和一个拇指部件（5），该手指部件（3）和拇指部件（5）分别连接在手掌部件（1）的上端，每个手指部件（3）和手掌部件（5）都包含一个远节（11）、一个中节（13）、一个近节（15）和一个根节（17），所述远节（11）可调连接在中节（13）上，所述中节（13）可调连接在近节（15）上，所述近节（15）可调连接在根节（17）上，所述根节（17）可调连接在手掌部件（1）的上端；

若干腱索（21）被排布在手指部件（3）和拇指部件（5）的每个指节（11、13、15、17）里，用来调节指节（11、13、15、17）之间关节的动作；

其特征在于，

机械手还包含一种驱动装置，其用于控制手指部件（3）和拇指部件（5）运动，该驱动装置包含气动肌肉（23）和弹簧，气动肌肉（23）连接在腱索（21）上并可充气，所述弹簧连接在手掌、手指和拇指部件（1、11、13、15、17、19）的指节之间关节上，通过增加气压给气动肌肉（23）充气来拉动腱索（21），通过降低气压让气动肌肉（23）放气来释放腱索（21），各指节（11、13、15、17）在弹簧的拉力下都会运动到默认位置。

2.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，所述的气动肌肉（23）包含用来控制气动肌肉（23）内部气压的脉宽调制电磁阀。

3.如权利要求2所述的机械手（100），其特征在于，所述的气动肌肉（23）是一种柔性管，该柔性管在被压缩空气充气时会在长度上变短，当管中的空气被抽出时该柔性管会恢复到它的原始长度。

4.如权利要求2所述的机械手（100），其特征在于，所述的电磁阀，由脉宽调制信号控制切换。

5.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，每个所述的手指部件（3）和拇指部件（5）都具有四个自由度。

6.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，所述的拇指部件（5），以与手掌部件（1）纵轴成大约45度的角度连接在手掌部件（1）的上端。

7.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，每个所述的手指部件（3）和拇指部件（5）的指节（11、13、15、17），都包含若干用来固定腱索（21）的钩子部件（25）。

8.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，该机械手还包含一种安装在每个指节（11、13、15、17）关节上的探测器，用来从操作者佩戴的植入弯曲传感器的手套上获得关节角度数据，这样操作者在佩戴手套时，可用自己的手遥控所述手指部件（3）和拇指部件（5）的关节角度。

9.如权利要求8所述的机械手（100），其特征在于，所述的弯曲传感器，通过蓝牙通路将关节角度数据传送给探测器。

10.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，所述指节（11、13、15、17）之间的关节，是用连接块（27）和销钉（29）连接的。

11.如权利要求1所述的机械手（100），其特征在于，所述的驱动装置，是安装在与机械手（100）相连的前臂上。

Images