CN106491250A - 用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指 - Google Patents

用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指 Download PDF

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Abstract

用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，它涉及一种耦合拇指。现有假手中的拇指的结构复杂且占有空间大，其外形以及运动功能不足且动作不够灵活。本发明包括掌指关节、近指节、远指节、电机组件、电路板组件和传感器组件；掌指关节上设有近指节，近指节上设有远指节，近指节内设有电机组件，远指节内设有电路板组件和传感器组件，电机组件在电路板组件的控制下使近指节围绕掌指关节用安装座作出转动动作，传感器组件固定安装在远指节的指肚端。本发明通过内置式电机组件的设置使其整体结构简化，占用空间小。近指节、远指节、路板组件和传感器组件之间相互配合使整体结构和功能更加趋于真正的人手拇指，本发明用于智能机器人中。

Description

用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指
技术领域
本发明具体涉及一种用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指。
背景技术
手是人类赖以生存和劳动的最复杂、最精细的工具，人类可以通过自己的双手与外界环境接触并从环境中取得信息，更好的操作环境。假手作为康复医学工程的重要内容和组成部分，是使残疾人康复、回归社会的重要手段。现有假手中的拇指的结构复杂且占地空间大，其结构和工作原理是通过机器人手指中同理制造出来，依然保留了中指节的设计，不符合真正人手拇指的结构，使其配合其他手指作出的抓取、握持或其他动作都不能达到真人拇指的标准和灵活，同时电机外置导致其整体结构复杂且占有空间大，也导致拇指的外形以及运动功能不足且动作不够灵活的问题，上述问题无法克服，也无法满足外形和功能高度模仿人手、对***作物体具有高度的自适应性能力的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，以解决现有假手中的拇指的结构复杂且占有空间大，其外形以及运动功能不足且动作不够灵活的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，它包括掌指关节、近指节、远指节、电机组件、电路板组件和传感器组件；
掌指关节上设置有近指节，近指节上设置有远指节，所述近指节内设置有电机组件，所述远指节内设置有电路板组件和传感器组件，所述电机组件在电路板组件的控制下使近指节围绕掌指关节用安装座作出转动动作，传感器组件固定安装在远指节的指肚端。
掌指关节包括掌指关节用安装座、掌指关节用轴、机关节回转轴和假手回转关节，所述掌指关节用安装座的下端通过机关节回转轴固定安装在假手回转关节上，所述掌指关节用安装座的上端通过掌指关节用轴与近指节相连接。
所述近指节包括耦合连杆用安装座、定位连接轴、耦合连接轴、掌指关节用轴、蜗轮、耦合连杆、近指节用安装座、近指节用外壳和蜗杆，近指节用安装座设置在近指节用外壳内且其与近指节用外壳相铰接，所述耦合连杆用安装座、定位连接轴、耦合连接轴、蜗轮、耦合连杆和蜗杆均设置在近指节用安装座的内部，所述耦合连杆用安装座的下端通过定位连接轴可拆卸连接在掌指关节用安装座上，所述耦合连杆用安装座的上端通过耦合连接轴与耦合连杆的下端相连接，所述蜗轮套装在掌指关节用轴上且其通过掌指关节用轴固定安装在掌指关节用安装座上，所述电机组件设置在近指节用安装座内，所述电机组件中的电机输出轴与蜗杆相连接，蜗杆与蜗轮相啮合。
所述远指节包括远指节用外壳、后盖、远指节用关节轴和耦合销轴，所述远指节用外壳通过远指节用关节轴与近指节用外壳相铰接，所述耦合连杆的上端通过耦合销轴铰接在远指节用外壳上，所述后盖可拆卸连接在远指节用外壳上。
电路板组件包括指尖电路板、电路板用套筒和电路板用固定螺钉，所述指尖电路板内设置有电路板用套筒，所述电路板用固定螺钉依次穿过指尖电路板和电路板用套筒可拆卸连接在远指节用外壳的内壁上。
传感器组件包括触觉传感器、传感器固定轴和关节角度传感器，远指节用外壳的指肚端加工有前开口，所述的触觉传感器通过传感器固定轴固定安装在远指节外壳的前开口处且其感应端处于远指节用外壳的外部，关节角度传感器固定安装在远指节用外壳内且其与指尖电路板电连接。
本发明与现有技术相比的有益效果：
一、本发明为一种结构简化，省去中指节的高仿耦合拇指，本发明整体机构集成化，电机内置式，有效将触觉传感器、位置传感器和力矩传感器集成于单根手指内，本发明的结构以及布局设计合理，手指集成度高，智能化水平高。
二、本发明根据人手拇指的实际关节运动角度设计，能够实现拇指的最大关节旋转角度，使得仿人型假手能够更加稳定的抓取或握持物体。
三、本发明的近指节外壳的截面形状设计设计合理可靠，凹槽的设计更有利于指尖板以及电机的连接导线的布局和传递。凹型的指内侧形状设计使得假手拇指外表美观，同时有利于拇指稳定的抓取物体。
附图说明
图1示意了本发明的主视结构剖面图；
图2是本发明的主视结构示意图；
图3是图2的左视结构示意图；
图4是图2的仰视结构示意图；
图5是本发明处于伸直极限状态的结构示意图；
图6是本发明处于弯曲极限状态的结构示意图；
图7示意了本发明安装在手掌上的使用状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式包括掌指关节、近指节、远指节、电机组件21、电路板组件和传感器组件；
掌指关节上设置有近指节，近指节上设置有远指节，所述近指节内设置有电机组件21，所述远指节内设置有电路板组件和传感器组件，所述电机组件21在电路板组件的控制下使近指节围绕掌指关节用安装座1作出转动动作，传感器组件固定安装在远指节的指肚端。
具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中掌指关节包括掌指关节用安装座1、掌指关节用轴9、机关节回转轴11和假手回转关节12，所述掌指关节用安装座1的下端通过机关节回转轴11固定安装在假手回转关节12上，所述掌指关节用安装座1的上端通过掌指关节用轴9与近指节相连接。其他结构与连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中所述近指节包括耦合连杆用安装座2、定位连接轴3、耦合连接轴6、掌指关节用轴9、蜗轮10、耦合连杆13、近指节用安装座14、近指节用外壳15和蜗杆19，近指节用安装座14设置在近指节用外壳15内且其与近指节用外壳15相铰接，所述耦合连杆用安装座2、定位连接轴3、耦合连接轴6、蜗轮10、耦合连杆13和蜗杆19均设置在近指节用安装座14的内部，所述耦合连杆用安装座2的下端通过定位连接轴3可拆卸连接在掌指关节用安装座1上，所述耦合连杆用安装座2的上端通过耦合连接轴6与耦合连杆13的下端相连接，所述蜗轮10套装在掌指关节用轴9上且其通过掌指关节用轴9固定安装在掌指关节用安装座1上，所述电机组件21设置在近指节用安装座14内，所述电机组件21中的电机输出轴与蜗杆19相连接，蜗杆19与蜗轮10相啮合。
本实施方式中耦合连杆用安装座2的下端依次通过定位螺钉4和若干个定位销钉5与掌指关节用安装座1可拆卸连接。
本实施方式中近指节用安装座14内用于放置电机组件21，电机组件21为电机齿轮箱组件，其为市场可售的成品件。
本实施方式中近指节还包括蜗杆用端盖16、轴承底座17和电机端轴承20，所述蜗杆 19的上端穿过电机端轴承20与电机的输出轴相连接，蜗杆19的下端设置有蜗杆端盖16，轴承底座17通过蜗杆端盖16固定安装在近指节用外壳15的底部，轴承底座17上固定安装有端盖轴承18。其他结构与连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中所述远指节包括远指节用外壳22、后盖23、远指节用关节轴24和耦合销轴25，所述远指节用外壳22通过远指节用关节轴24与近指节用外壳15相铰接，所述耦合连杆13的上端通过耦合销轴25铰接在远指节用外壳22上，所述后盖23可拆卸连接在远指节用外壳22上。
本实施方式中远指节用外壳22上加工有后开口，所述后盖23通过后盖用螺钉26可拆卸连接在远指节用外壳22上，后开口的加工是为了便于检修远指节用外壳22内的各个构件。其他结构与连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的电路板组件包括指尖电路板30、电路板用套筒31和电路板用固定螺钉32，所述指尖电路板30内设置有电路板用套筒31，所述电路板用固定螺钉32依次穿过指尖电路板30和电路板用套筒31可拆卸连接在远指节用外壳22的内壁上。其他结构与连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的传感器组件包括触觉传感器28、传感器固定轴29和关节角度传感器33，远指节用外壳22的指肚端加工有前开口，所述的触觉传感器28通过传感器固定轴29固定安装在远指节外壳22的前开口处且其感应端处于远指节用外壳22的外部，关节角度传感器33固定安装在远指节用外壳22内且其与指尖电路板30电连接。
本实施方式中传感器固定轴29的上端通过固定销钉27连接在远指节用外壳22顶部的内壁上。
本实施中的传感器组件包括触觉传感器28、位置传感器和力矩传感器，其中位置传感器为关节角度传感器33。力矩传感器为力矩传感器弹性体7，力矩传感器弹性体7固定在蜗轮10与掌指关节安装座1所形成的空间内并通过紧定螺钉8进行预紧。所述力矩传感器弹性体7固定在近指节与掌指关节安装座1之间的空间内并通过紧定螺钉8进行预紧，本发明的力矩传感器弹性体7的设置位置更加有利于拇指关节力矩的准确测量。本发明的传感器组件的设置有效将触觉传感器28、位置传感器和力矩传感器集成于单根手指内，结构高度紧凑且功能多样。
本发明的结构能够实现对人手拇指的高度模仿，电机内置节省了手掌中的空间，有利 于电路板的布置，近指节用外壳15与掌指关节用安装座1的连接方式能够保证近指节与掌指关节用安装座1无相对转动，其中掌指关节安装座相当于人手中的大多角骨，掌指关节安装座特殊的形状保证了拇指在运动中能够实现仿人的包络抓取构型。
本发明中触觉传感器与位置传感器集成于拇指指尖内，将引线直接接在指尖电路板30上，而指尖电路板30安装于远指节的后盖23内，此种安装方式融合了集成化设计的思想，有助于远指节的拆装和维护。其他结构与连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中所述近指节长度方向的中心轴线与远指节长度方向的中心轴线之间的夹角为α。所述的远指节与近指节具有α＝5°的初始相对转角。此种设计方式更好的模拟了人手拇指的自然构型，使得假手拇指的外形更加可靠与美观，同时加快了拇指在运动过程中的收拢速度。其他结构与连接关系与具体实施方式二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中所述近指节长度方向的中心轴线与耦合连杆用安装座2长度方向的中心轴线之间的夹角为β。其他结构与连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中夹角α与夹角β之间的比值为7:3。其他结构与连接关系与具体实施方式八相同。
本发明中近指节用外壳15的截面为带有凹型内槽的构型，近指节用外壳15的截面形状设计设计合理可靠，凹槽的设计更有利于指尖电路板30以及电机组件21之间连接导线的布局和传递。凹槽的凹型的指内侧形状设计使得本发明外形结构平整且合理，同时有利于拇指稳定的抓取物体。
本发明中近指节还包括柔性线压线顶针34和压线垫片35，所述压线顶针34和压线垫片35与近指节用外壳15相配合设置，压线顶针34与压线垫片35的应用保证了本发明的近指节用外壳15的凹槽内的导线的可靠固定。
工作原理
耦合连杆安装座2通过定位连接轴3、定位螺钉4和若干个定位销钉5与掌指关节安装座1相连，耦合连杆13通过耦合连接轴6与耦合连杆安装座2铰接，蜗轮10通过掌指关节用轴9与掌指关节安装座1铰接。近指节用安装座14通过掌指关节用轴9与掌指关节安装座1铰接，所述蜗杆19通过端盖轴承18与电机端轴承20与近指节用安装座14相配合，电机组件21与近指节用外壳15相配合，近指节用外壳15与近指节用安装座14 并通过螺钉固定其旋转自由度，远指节用外壳22通过远指节用关节轴24与近指节用外壳15铰接，远指节外壳22通过耦合销轴25与耦合连杆13铰接。电源开关打开以后，通过指尖电路板30控制电机组件21中的电机转动，电机通过蜗杆19带动近指节转动，远指节通过耦合连杆13实现与近指节耦合运动，在拇指运动过程中，力矩传感器弹性体7、触觉传感器28和关节角度传感器33分别采集基关节力矩信息、指尖接触力信息和集拇指关节角度信息并传递给指尖电路板30进行反馈控制，从而完成拇指的弯曲操作。

Claims (9)

1.一种用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：它包括掌指关节、近指节、远指节、电机组件(21)、电路板组件和传感器组件；
掌指关节上设置有近指节，近指节上设置有远指节，所述近指节内设置有电机组件(21)，所述远指节内设置有电路板组件和传感器组件，所述电机组件(21)在电路板组件的控制下使近指节围绕掌指关节用安装座(1)作出转动动作，传感器组件固定安装在远指节的指肚端。
2.根据权利要求1所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：掌指关节包括掌指关节用安装座(1)、掌指关节用轴(9)、机关节回转轴(11)和假手回转关节(12)，所述掌指关节用安装座(1)的下端通过机关节回转轴(11)固定安装在假手回转关节(12)上，所述掌指关节用安装座(1)的上端通过掌指关节用轴(9)与近指节相连接。
3.根据权利要2所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：所述近指节包括耦合连杆用安装座(2)、定位连接轴(3)、耦合连接轴(6)、掌指关节用轴(9)、蜗轮(10)、耦合连杆(13)、近指节用安装座(14)、近指节用外壳(15)和蜗杆(19)，近指节用安装座(14)设置在近指节用外壳(15)内且其与近指节用外壳(15)相铰接，所述耦合连杆用安装座(2)、定位连接轴(3)、耦合连接轴(6)、蜗轮(10)、耦合连杆(13)和蜗杆(19)均设置在近指节用安装座(14)的内部，所述耦合连杆用安装座(2)的下端通过定位连接轴(3)可拆卸连接在掌指关节用安装座(1)上，所述耦合连杆用安装座(2)的上端通过耦合连接轴(6)与耦合连杆(13)的下端相连接，所述蜗轮(10)套装在掌指关节用轴(9)上且其通过掌指关节用轴(9)固定安装在掌指关节用安装座(1)上，所述电机组件(21)设置在近指节用安装座(14)内，所述电机组件(21)中的电机输出轴与蜗杆(19)相连接，蜗杆(19)与蜗轮(10)相啮合。
4.根据权利要求3所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：所述远指节包括远指节用外壳(22)、后盖(23)、远指节用关节轴(24)和耦合销轴(25)，所述远指节用外壳(22)通过远指节用关节轴(24)与近指节用外壳(15)相铰接，所述耦合连杆(13)的上端通过耦合销轴(25)铰接在远指节用外壳(22)上，所述后盖(23)可拆卸连接在远指节用外壳(22)上。
5.根据权利要求4所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：电路板组件包括指尖电路板(30)、电路板用套筒(31)和电路板用固定螺钉(32)，所述指尖电路板(30)内设置有电路板用套筒(31)，所述电路板用固定螺钉(32)依次穿过指尖电路板(30)和电路板用套筒(31)可拆卸连接在远指节用外壳(22)的内壁上。
6.根据权利要求5所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：传感器组件包括触觉传感器(28)、传感器固定轴(29)和关节角度传感器(33)，远指节用外壳(22)的指肚端加工有前开口，所述的触觉传感器(28)通过传感器固定轴(29)固定安装在远指节外壳(22)的前开口处且其感应端处于远指节用外壳(22)的外部，关节角度传感器(33)固定安装在远指节用外壳(22)内且其与指尖电路板(30)电连接。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：所述近指节长度方向的中心轴线与远指节长度方向的中心轴线之间的夹角为α。
8.根据权利要求7所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：所述近指节长度方向的中心轴线与耦合连杆用安装座(2)长度方向的中心轴线之间的夹角为β。
9.根据权利要求8所述的用于残疾人假手的电机内置式高仿耦合拇指，其特征在于：夹角α与夹角β之间的比值为7:3。
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