CN113524243B - 仿生拉压体两自由度机械腕 - Google Patents

仿生拉压体两自由度机械腕 Download PDF

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CN113524243B CN202110809283.4A CN202110809283A CN113524243B CN 113524243 B CN113524243 B CN 113524243B CN 202110809283 A CN202110809283 A CN 202110809283A CN 113524243 B CN113524243 B CN 113524243B
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Abstract

一种仿生拉压体两自由度机械腕，包括远端手臂、手腕和手掌；三维打印骨骼由21条编织人工韧带相连接，形成由桡腕关节和腕中关节构成的仿生机械腕，其中负责约束腕关节的运动范围的7条韧带是长度可调节的，并且通过4条人工肌腱由电机驱动实现伸展屈曲和外展内收运动。该机械腕能够模仿人手腕的2个自由度，且均为主动驱动，实现了接近于人手腕的运动性和柔顺性，安全性高，其腕骨的运动还可以进一步提高腕关节的输出力矩和速度。

Description

仿生拉压体两自由度机械腕
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种基于人体骨骼肌肉***的具有高度柔顺性的仿生拉压体两自由度机械腕。
背景技术
近几十年来，为了模拟人手的功能，国内外很多研究机构在仿人机械手的设计和控制等方面都取得了卓越的成果。但是对于和机械手的性能密切相关的机械腕，很多都是采用简单的串联式销轴设计，并没有能够实现接近于人手腕的运动性和柔顺性。
发明内容
为了解决以上存在的问题，本发明提出了一种仿生拉压体两自由度机械腕。
一种仿生拉压体两自由度机械腕，由远端手臂，手腕和手掌构成，其中骨骼由韧带连接，并且通过肌腱由电机驱动；具有三维打印骨骼，薄膜胶带软骨，编织人工韧带和人工肌腱四层结构；
所述的肌腱包括桡侧屈肌腱、桡侧伸肌腱、尺侧屈肌腱和尺侧伸肌腱；
所述的电机包括第一电机、第二电机、第三电机和第四电机：
三维打印骨骼采用聚乳酸材料和熔融沉积技术，所述远端手臂包括桡骨和尺骨的远端部分，其远端桡骨关节被融合固定；
所述手腕由近排腕骨和远排腕骨构成；近排腕骨包括舟状骨、月状骨、三角骨和豆状骨；远排腕骨包括大多角骨、小多角骨、头状骨和钩状骨；远排腕骨被融合固定；近排腕骨和桡骨以桡腕关节相接，远排腕骨和近排腕骨以腕中关节相接；
所述手掌包括第一掌骨、第二掌骨、第三掌骨、第四掌骨和第五掌骨，第二掌骨和第三掌与远排腕骨被融合固定。第一掌骨与大多角骨以拇指腕掌关节相接，第四掌骨和第五掌骨与钩状骨以钩掌关节相接；所有的关节面被一种聚四氟乙烯薄膜胶带覆盖以起到类似软骨减小关节间摩擦力的作用；编织人工韧带由高模量聚乙烯鱼线编织而成，其宽度为31毫米，厚度为14毫米。韧带固定位置会预留直径为4毫米的贯穿圆孔，单根韧带穿过圆孔后首尾相接从而连接和约束相邻骨骼以形成关节；
所述的韧带包括舟月韧带、三角月韧带、舟头韧带、三角头韧带、桡月韧带、尺月韧带、桡头韧带、桡大多角韧带、尺三角韧带、豆掌韧带、豆头韧带、尺豆韧带、拇指腕掌韧带、第一第二掌间韧带、第三第四掌间韧带、第四第五掌间韧带、第四钩掌韧带、第五钩掌韧带、第一第二掌横韧带、第三第四掌横韧带和第四第五掌横韧带；
舟月韧带连接舟状骨近端和月状骨桡侧，三角月韧带连接三角骨桡侧和月状骨尺侧，形成近排腕骨；舟月韧带和三角月韧带在月状骨背侧分别首尾相接后打结并烧结固定；舟头韧带连接舟状骨远端和头状骨，三角头韧带连接三角骨桡侧和头状骨，从而连接近排腕骨与远排腕骨，形成腕中关节；桡月韧带和尺月韧带分别连接桡骨和尺骨至月状骨桡侧和尺侧，形成桡腕关节；桡头韧带连接桡骨茎突和头状骨以约束舟状骨的屈曲，并进一步约束腕关节的伸展和屈曲；桡大多角韧带穿过舟状骨远端结节的圆孔后连接桡骨茎突和大多角骨以约束腕关节的内收；尺三角韧带连接尺骨茎突和三角骨尺侧以约束腕关节的外展；
舟头韧带、三角头韧带、桡月韧带、尺月韧带、桡头韧带、桡大多角韧带和尺三角韧带共同约束腕关节的运动范围，其长度均能被调节；舟头韧带和三角头韧带在头状骨背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过第三掌骨预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；桡月韧带、桡头韧带和桡大多角韧带在桡骨背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过桡骨预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；尺月韧带和尺三角韧带在尺骨背侧和尺侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过尺骨预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；
豆状骨由豆掌韧带、豆头韧带和尺豆韧带约束在三角骨掌侧，其中豆掌韧带尾端的两条鱼线穿过第五掌骨基底部的圆孔后分别从两侧绕到第五掌骨掌侧首尾相接打结并烧结固定；豆头韧带尾端的两条鱼线穿过头状骨的圆孔后从两侧绕到第三掌骨掌侧打结并烧结固定；尺豆韧带尾端的两条鱼线穿过尺骨茎突的圆孔后从两侧绕到尺骨背侧打结并烧结固定；豆掌韧带、豆头韧带和尺豆韧带的首端分别穿到豆状骨的三个互通的且与韧带截面相同尺寸的矩形孔内后由一条鱼线全部穿过，该鱼线的两端从豆状骨背侧的圆孔和三角骨的圆孔穿出到三角骨背侧并从两侧穿过三角骨尺侧的圆孔首尾相接后打结并烧结固定，以进一步约束豆状骨；
第一掌骨，即拇指掌骨，其基底部由拇指腕掌韧带和第一第二掌间韧带分别连接至大多角骨和第二掌骨基底部，形成拇指腕掌关节；第四掌骨和第五掌骨的基底部由第三第四掌间韧带、第四第五掌间韧带、第四钩掌韧带和第五钩掌韧带分别连接至第三掌骨基底部和钩状骨，形成钩掌关节；
第一第二掌横韧带连接第一掌骨和第二掌骨的远端；第三第四掌横韧带连接第四掌骨和第三掌骨的远端；第四第五掌横韧带连接第五掌骨和第四掌骨的远端，以形成手掌，并进一步约束拇指腕掌关节和钩掌关节的运动范围；
人工肌腱直接采用单根高模量聚乙烯鱼线，桡侧屈肌腱固定于第二掌骨基底部掌侧，其尾端穿过第二掌骨基底部的圆孔后绕到背侧打结并烧结固定，首端穿过舟状骨结节处直径为1.5毫米的孔以及桡骨茎突掌侧凸起处的孔后与第一电机相连接；桡侧伸肌腱固定于第二掌骨基底部背侧，其尾端穿过第二掌骨基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过桡骨茎突掌侧凸起处的孔后与第二电机相连接；尺侧屈肌腱固定于豆状骨掌侧，其尾端穿过豆状骨掌侧的孔后绕回打结并烧结固定，接着穿过第五掌骨基底部的圆孔并从钩状骨的圆孔穿回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨茎突掌侧凸起处的孔后与第三电机相连接；尺侧伸肌腱固定于第五掌骨基底部背侧，其尾端其穿过第五掌骨基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨茎突背侧凸起处的孔后与第四电机相连接。
本发明的有益效果：
此仿生拉压体两自由度机械腕基于人体骨骼肌肉***实现了高度仿生设计，具有以下优势：
1、本发明能够模仿人手腕的2个自由度，且均为主动驱动，实现了接近于人手腕的运动性和柔顺性，安全性高。
2、桡侧屈肌腱和尺侧屈肌腱的力臂可以分别由于腕桡伸时舟状骨的屈曲和豆状骨的平移而增大，从而提高输出腕关节的输出力矩和速度。
3、当用于约束腕关节的运动范围的7条韧带变松时，可以通过韧带调节机构调整至预定长度。
附图说明
图1是本发明的整体结构正视图。
图2是本发明的整体结构后视图。
图3是本发明的韧带调节机构图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种仿生拉压体两自由度机械腕，由远端手臂 1、手腕2和手掌3构成，其中骨骼由韧带4连接，并且通过肌腱5由电机6 驱动；
所述的肌腱5包括桡侧屈肌腱51、桡侧伸肌腱52、尺侧屈肌腱(53)和尺侧伸肌腱54；
所述的电机6包括第一电机61、第二电机62、第三电机63和第四电机 64：
所述远端手臂1包括桡骨11和尺骨12的远端部分，其远端桡骨关节被融合固定；
所述手腕2由近排腕骨21和远排腕骨22构成；近排腕骨21包括舟状骨 211、月状骨212、三角骨213和豆状骨214；远排腕骨22包括大多角骨221、小多角骨222、头状骨223和钩状骨224；远排腕骨22被融合固定；近排腕骨21和桡骨11以桡腕关节相接，远排腕骨22和近排腕骨21以腕中关节相接；
所述手掌3包括第一掌骨31、第二掌骨32、第三掌骨33、第四掌骨34 和第五掌骨35，第二掌骨32和第三掌33与远排腕骨22被融合固定。第一掌骨31与大多角骨221以拇指腕掌关节相接，第四掌骨34和第五掌骨35与钩状骨224以钩掌关节相接；
所述的韧带4包括舟月韧带401、三角月韧带402、舟头韧带403、三角头韧带404、桡月韧带405、尺月韧带406、桡头韧带407、桡大多角韧带408、尺三角韧带409、豆掌韧带410、豆头韧带411、尺豆韧带412、拇指腕掌韧带413、第一第二掌间韧带414、第三第四掌间韧带415、第四第五掌间韧带 416、第四钩掌韧带417、第五钩掌韧带418、第一第二掌横韧带419、第三第四掌横韧带420和第四第五掌横韧带421；
舟月韧带401连接舟状骨211近端和月状骨212桡侧，三角月韧带402 连接三角骨213桡侧和月状骨212尺侧，形成近排腕骨21；舟月韧带401和三角月韧带402在月状骨212背侧分别首尾相接后打结并烧结固定；舟头韧带403连接舟状骨211远端和头状骨223，三角头韧带404连接三角骨213桡侧和头状骨223，从而连接近排腕骨21与远排腕骨22，形成腕中关节；桡月韧带405和尺月韧带406分别连接桡骨11和尺骨12至月状骨212桡侧和尺侧，形成桡腕关节；桡头韧带407连接桡骨11 茎突和头状骨223以约束舟状骨211的屈曲，并进一步约束腕关节的伸展和屈曲；桡大多角韧带408穿过舟状骨211远端结节的圆孔后连接桡骨11茎突和大多角骨221以约束腕关节的内收；尺三角韧带409连接尺骨12茎突和三角骨213尺侧以约束腕关节的外展；
舟头韧带403、三角头韧带404、桡月韧带405、尺月韧带406、桡头韧带407、桡大多角韧带408和尺三角韧带409共同约束腕关节的运动范围，其长度均能被调节；舟头韧带403和三角头韧带404在头状骨223背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过第三掌骨33预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；桡月韧带405、桡头韧带407和桡大多角韧带 408在桡骨11背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过桡骨11预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；尺月韧带406和尺三角韧带409在尺骨12背侧和尺侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过尺骨12 预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；
豆状骨214由豆掌韧带410、豆头韧带411和尺豆韧带412约束在三角骨 213掌侧，其中豆掌韧带410尾端的两条鱼线穿过第五掌骨35基底部的圆孔后分别从两侧绕到第五掌骨35掌侧首尾相接打结并烧结固定；豆头韧带411 尾端的两条鱼线穿过头状骨223的圆孔后从两侧绕到第三掌骨33掌侧打结并烧结固定；尺豆韧带412尾端的两条鱼线穿过尺骨12茎突的圆孔后从两侧绕到尺骨12背侧打结并烧结固定；豆掌韧带410、豆头韧带411和尺豆韧带412 的首端分别穿到豆状骨214的三个互通的且与韧带截面相同尺寸的矩形孔内后由一条鱼线全部穿过，该鱼线的两端从豆状骨214背侧的圆孔和三角骨213 的圆孔穿出到三角骨213背侧并从两侧穿过三角骨213尺侧的圆孔首尾相接后打结并烧结固定，以进一步约束豆状骨214；
第一掌骨31，即拇指掌骨，其基底部由拇指腕掌韧带413和第一第二掌间韧带414分别连接至大多角骨221和第二掌骨32基底部，形成拇指腕掌关节；第四掌骨34和第五掌骨35的基底部由第三第四掌间韧带415、第四第五掌间韧带416、第四钩掌韧带417和第五钩掌韧带418分别连接至第三掌骨 33基底部和钩状骨224，形成钩掌关节；
第一第二掌横韧带419连接第一掌骨31和第二掌骨32的远端；第三第四掌横韧带420连接第四掌骨34和第三掌骨33的远端；第四第五掌横韧带 421连接第五掌骨35和第四掌骨34的远端，以形成手掌，并进一步约束拇指腕掌关节和钩掌关节的运动范围；
桡侧屈肌腱51固定于第二掌骨32基底部掌侧，其尾端穿过第二掌骨32 基底部的圆孔后绕到背侧打结并烧结固定，首端穿过舟状骨211结节处直径为1.5毫米的孔以及桡骨11茎突掌侧凸起处的孔后与第一电机61相连接；桡侧伸肌腱52固定于第二掌骨32基底部背侧，其尾端穿过第二掌骨32基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过桡骨11茎突掌侧凸起处的孔后与第二电机62相连接；尺侧屈肌腱53固定于豆状骨214掌侧，其尾端穿过豆状骨214掌侧的孔后绕回打结并烧结固定，接着穿过第五掌骨35基底部的圆孔并从钩状骨224的圆孔穿回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨12茎突掌侧凸起处的孔后与第三电机63相连接；尺侧伸肌腱54固定于第五掌骨35 基底部背侧，其尾端其穿过第五掌骨35基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨12茎突背侧凸起处的孔后与第四电机64相连接。

Claims (1)

1.一种仿生拉压体两自由度机械腕，其特征在于：由远端手臂(1)，手腕(2)和手掌(3)构成，其中骨骼由韧带(4)连接，并且通过肌腱(5)由电机(6)驱动；
所述的肌腱(5)包括桡侧屈肌腱(51)、桡侧伸肌腱(52)、尺侧屈肌腱(53)和尺侧伸肌腱(54)；
所述的电机(6)包括第一电机(61)、第二电机(62)、第三电机(63)和第四电机(64)：
所述远端手臂(1)包括桡骨(11)和尺骨(12)的远端部分，其远端桡骨关节被融合固定；
所述手腕(2)由近排腕骨(21)和远排腕骨(22)构成；近排腕骨(21)包括舟状骨(211)、月状骨(212)、三角骨(213)和豆状骨(214)；远排腕骨(22)包括大多角骨(221)、小多角骨(222)、头状骨(223)和钩状骨(224)；远排腕骨(22)被融合固定；近排腕骨(21)和桡骨(11)以桡腕关节相接，远排腕骨(22)和近排腕骨(21)以腕中关节相接；
所述手掌(3)包括第一掌骨(31)、第二掌骨(32)、第三掌骨(33)、第四掌骨(34)和第五掌骨(35)，第二掌骨(32)和第三掌33与远排腕骨(22)被融合固定；第一掌骨(31)与大多角骨(221)以拇指腕掌关节相接，第四掌骨(34)和第五掌骨(35)与钩状骨(224)以钩掌关节相接；
所述的韧带(4)包括舟月韧带(401)、三角月韧带(402)、舟头韧带(403)、三角头韧带(404)、桡月韧带(405)、尺月韧带(406)、桡头韧带(407)、桡大多角韧带(408)、尺三角韧带(409)、豆掌韧带(410)、豆头韧带(411)、尺豆韧带(412)、拇指腕掌韧带(413)、第一第二掌间韧带(414)、第三第四掌间韧带(415)、第四第五掌间韧带(416)、第四钩掌韧带(417)、第五钩掌韧带(418)、第一第二掌横韧带(419)、第三第四掌横韧带(420)和第四第五掌横韧带(421)；
舟月韧带(401)连接舟状骨(211)近端和月状骨(212)桡侧，三角月韧带(402)连接三角骨(213)桡侧和月状骨(212)尺侧，形成近排腕骨(21)；舟月韧带(401)和三角月韧带(402)在月状骨(212)背侧分别首尾相接后打结并烧结固定；舟头韧带(403)连接舟状骨(211)远端和头状骨(223)，三角头韧带(404)连接三角骨(213)桡侧和头状骨(223)，从而连接近排腕骨(21)与远排腕骨(22)，形成腕中关节；桡月韧带(405)和尺月韧带(406)分别连接桡骨(11)和尺骨(12)至月状骨(212)桡侧和尺侧，形成桡腕关节；桡头韧带(407)连接桡骨(11)茎突和头状骨(223)以约束舟状骨(211)的屈曲，并进一步约束腕关节的伸展和屈曲；桡大多角韧带(408)穿过舟状骨(211)远端结节的圆孔后连接桡骨(11)茎突和大多角骨(221)以约束腕关节的内收；尺三角韧带(409)连接尺骨(12)茎突和三角骨(213)尺侧以约束腕关节的外展；
舟头韧带(403)、三角头韧带(404)、桡月韧带(405)、尺月韧带(406)、桡头韧带(407)、桡大多角韧带(408)和尺三角韧带(409)共同约束腕关节的运动范围，其长度均能被调节；舟头韧带(403)和三角头韧带(404)在头状骨(223)背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过第三掌骨(33)预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；桡月韧带(405)、桡头韧带(407)和桡大多角韧带(408)在桡骨(11)背侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过桡骨(11)预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；尺月韧带(406)和尺三角韧带(409)在尺骨(12)背侧和尺侧分别首尾相接，引出的一端从侧面穿过尺骨(12)预留的圆孔并调节至预定长度后用螺丝和螺母配合拧紧固定；
豆状骨(214)由豆掌韧带(410)、豆头韧带(411)和尺豆韧带(412)约束在三角骨(213)掌侧，其中豆掌韧带(410)尾端的两条鱼线穿过第五掌骨(35)基底部的圆孔后分别从两侧绕到第五掌骨(35)掌侧首尾相接打结并烧结固定；豆头韧带(411)尾端的两条鱼线穿过头状骨(223)的圆孔后从两侧绕到第三掌骨(33)掌侧打结并烧结固定；尺豆韧带(412)尾端的两条鱼线穿过尺骨(12)茎突的圆孔后从两侧绕到尺骨(12)背侧打结并烧结固定；豆掌韧带(410)、豆头韧带(411)和尺豆韧带(412)的首端分别穿到豆状骨(214)的三个互通的且与韧带截面相同尺寸的矩形孔内后由一条鱼线全部穿过，该鱼线的两端从豆状骨(214)背侧的圆孔和三角骨(213)的圆孔穿出到三角骨(213)背侧并从两侧穿过三角骨(213)尺侧的圆孔首尾相接后打结并烧结固定，以进一步约束豆状骨(214)；
第一掌骨(31)，即拇指掌骨，其基底部由拇指腕掌韧带(413)和第一第二掌间韧带(414)分别连接至大多角骨(221)和第二掌骨(32)基底部，形成拇指腕掌关节；第四掌骨(34)和第五掌骨(35)的基底部由第三第四掌间韧带(415)、第四第五掌间韧带(416)、第四钩掌韧带(417)和第五钩掌韧带(418)分别连接至第三掌骨(33)基底部和钩状骨(224)，形成钩掌关节；
第一第二掌横韧带(419)连接第一掌骨(31)和第二掌骨(32)的远端；第三第四掌横韧带(420)连接第四掌骨(34)和第三掌骨(33)的远端；第四第五掌横韧带(421)连接第五掌骨(35)和第四掌骨(34)的远端，以形成手掌，并进一步约束拇指腕掌关节和钩掌关节的运动范围；
桡侧屈肌腱(51)固定于第二掌骨(32)基底部掌侧，其尾端穿过第二掌骨(32)基底部的圆孔后绕到背侧打结并烧结固定，首端穿过舟状骨(211)结节处直径为1.5毫米的孔以及桡骨(11)茎突掌侧凸起处的孔后与第一电机(61)相连接；桡侧伸肌腱(52)固定于第二掌骨(32)基底部背侧，其尾端穿过第二掌骨(32)基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过桡骨(11)茎突掌侧凸起处的孔后与第二电机(62)相连接；尺侧屈肌腱(53)固定于豆状骨(214)掌侧，其尾端穿过豆状骨(214)掌侧的孔后绕回打结并烧结固定，接着穿过第五掌骨(35)基底部的圆孔并从钩状骨(224)的圆孔穿回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨(12)茎突掌侧凸起处的孔后与第三电机(63)相连接；尺侧伸肌腱(54)固定于第五掌骨(35)基底部背侧，其尾端其穿过第五掌骨(35)基底部的圆孔后绕回掌侧打结并烧结固定，首端穿过尺骨(12)茎突背侧凸起处的孔后与第四电机(64)相连接。
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