CN202241302U - 仿生机器人手装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生机器人手装置，包括食指、中指、无名指、小指、手掌、设置在手掌中的电机、主动转轴、食指支撑柱、无名指支撑柱、小指支撑柱、传动机构和牵引装置。该装置采用单电机驱动和牵引机构综合实现了机器人手四指侧展与并拢运动，使机器人手在抓取物体时可以采用并拢或侧展某角度的抓取姿态，抓取物体时达到更好的包络抓取效果，抓取物体更稳定，能完成更多拟人化手势；无论机器人手抓取物体还是完成手势都更接近于人手。该装置结构简单、紧凑，制造成本低，控制容易，适用于拟人机器人手。

Description

仿生机器人手装置

技术领域

本实用新型涉及一种仿生机器人手装置。

背景技术

现有的灵巧手(如美国Robonaut手、英国Shadow公司的V5手、中德合作研发的HIT/DLR手和北航BH手等)多数采用非常复杂的多齿轮传动机构实现在食指、中指、无名指和小指根部的弯曲和侧展两个主动自由度运动，而且该弯曲和侧展转动中心线相互垂直。其不足在于：该装置结构复杂，成本昂贵，同时由于主动驱动的电机数量过多，加重了实时控制的难度。

对于人手的研究表明，人手的食指、中指、无名指和小指的侧展自由度运动非常重要，在抓取常见物体(尤其是球状物体)及完成一些常见手势动作(例如“V”字形手势、“OK”手势等)时，经常需要四指的侧展运动。但是多数时候，四指的侧展运动是同时进行的，少有单独一个手指的侧展运动。因而灵巧手所具备的每个手指均单独完成侧展运动看似更加“灵巧”，但却大大增加了控制难度和制造成本。四指的侧展运动能够在抓取物体时实现一种更加立体化的包络抓取效果，使得抓取更加稳定。

一种已有的带轮欠驱动机器人手装置(中国发明专利CN101214653A)，具有采用6个电机驱动的手掌和5个手指，每个手指均采用电机驱动的带轮欠驱动机构实现；拇指有3个自由度：一个是拇指与手掌之间的侧摆关节，另两个是拇指中间的弯曲自由度；食指、中指、无名指和小指结构相同、尺寸不同，分别具有3个弯曲自由度，其中包括一个手指的根部与手掌之间的手指弯曲自由度。其不足之处在于：该机器人手的食指、中指、无名指和小指不具备手指侧展运动，导致抓取常见物体时难以实现更好的立体包络抓取效果，抓取物体还不够稳定，同时难以完成像“V”字形手势、“OK”手势等常见手势。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有抓取物体稳定、侧展灵活的仿生机器人手装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型采用的仿生机器人手装置，包括食指、中指、无名指、小指和手掌；该仿生机器人手装置还包括设置在手掌中的电机、主动转轴、食指支撑柱、无名指支撑柱、小指支撑柱、传动机构和牵引装置。

手掌包括手掌前板和手掌背板，手掌前板和手掌背板固接成为中空的盒子状；电机与手掌固接；中指的根部与手掌固接，食指、无名指、小指的根部分别通过食指转轴、无名指转轴、小指转轴与手掌连接；食指转轴一端固定在手掌背板中，另一端与食指铆接；无名指转轴一端固定在手掌背板中，另一端与无名指铆接；小指转轴一端固定在手掌背板中，另一端与小指铆接；电机的输出轴与主动转轴相连，主动转轴的两端分别套设在手掌前板和手掌背板中。

食指支撑柱的一端固接在食指的根部，食指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第一滑槽中，该第一滑槽是以食指转轴的中心线为圆心、食指支撑柱的中心线与食指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；无名指支撑柱的一端与无名指的根部固接，无名指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第二滑槽中，该第二滑槽是以无名指转轴的中心线为圆心、无名指支撑柱的中心线与无名指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；小指支撑柱的一端固接在小指的根部，小指支撑柱的另一端镶嵌在手掌前板的第三滑槽中，该第三滑槽是以小指转轴的中心线为圆心、小指支撑柱的中心线与小指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；食指支撑柱、无名指支撑柱和小指支撑柱相互平行，中心线方向均由手掌的掌心指向手掌的后背。

电机通过传动机构与主动转轴相连，该传动机构包括减速器、第一锥齿轮和第二锥齿轮；减速器的输入端与输出端分别连接电机和第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮套固在主动转轴上。

作为本实用新型的一种优选方式，仿生机器人手装置的牵引装置包括主动转轴、食指腱绳、无名指腱绳、小指腱绳、定轴、第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧。定轴套固定在手掌前板和手掌背板中；食指腱绳一端与食指根部固连，另一端与主动转轴固连，腱绳中部绕过定轴；无名指腱绳一端与无名指根部固连，另一端与主动转轴固连，腱绳中部绕过定轴；小指腱绳一端与小指根部固连，另一端与主动转轴同连，腱绳中部绕过定轴；第一弹簧设在食指与中指之间；第二弹簧设在中指与无名指之间；第三弹簧设在无名指与小指之间。

作为本实用新型的另一种优选方式，仿生机器人手装置的牵引装置包括主动转盘、第一连杆、食指转盘、食指转轴、第二连杆、无名指转盘、无名指转轴、第三连杆、小指转盘和小指转轴。主动转盘套固在主动转轴上，第一连杆的一端与主动转盘铰接，第一连杆的另一端与食指转盘、无名指转盘或小指转盘铰接；食指转盘与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与无名指转盘铰接；无名指转盘与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小指转盘铰接。

食指转轴的中心点与第二连杆和食指转盘的铰接点确定的线段称为第一线段，第二连杆分别与食指转盘和无名指转盘的铰接点确定的线段称为第二线段，第二连杆和无名指转盘的铰接点与无名指转轴的中心点确定的线段称为第三线段，第一线段、第二线段和第三线段形成“Z”字形或“S”字形；无名指转轴的中心点与第三连杆和无名指转盘的铰接点确定的线段称为第四线段，第三连杆分别与无名指转盘和小指转盘的铰接点确定的线段称为第五线段，第三连杆和小指转盘的铰接点与小指转轴的中心点确定的线段称为第六线段，第四线段、第五线段和第六线段形成“C”字形。

(三)有益效果

本实用新型的优点在于：本实用新型所述的仿生机器人手装置采用单电机驱动和牵引装置传动综合实现了机器人手食指、无名指和小指相对中指的侧展与并拢运动效果。该装置使机器人手在抓取物体时可以采用并拢或侧展某角度的抓取姿态，使机器人手抓取物体时达到更好的包络抓取效果，抓取物体更加稳定，同时能够完成更多拟人化的手势，无论机器人手抓取物体还是完成手势都更接近于人手；该装置结构简单、紧凑，制造成本低，控制容易，适用于拟人机器人手。

附图说明附图说明

图1是本实用新型提供的仿生机器人手装置手掌外观图，此时食指、无名指和小指已并拢。

图2是仿生机器人手装置第一种实施方式的手掌剖视图，此时食指、无名指和小指展开。

图3是仿生机器人手装置第一种实施方式的局部侧视图。

图4是图3所示的I部分的放大图。

图5是仿生机器人手装置第二种实施方式的手背剖视图，此时食指、无名指和小指展开。

图6是仿生机器人手装置第二种实施方式的局部侧视图。

图7是图6所示的II部分的放大图。

图8是图6所示的III部分的放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1、图2和图5所示，本实用新型包括食指3、中指4、无名指5、小指6和手掌1；该仿生机器人手装置还包括设置在手掌中的电机711、主动转轴712、食指支撑柱823、无名指支撑柱825、小指支撑柱826、传动机构和牵引装置。

手掌包括手掌前板11和手掌背板12，手掌前板11和手掌背板12固接成为中空的盒子状；电机711与手掌1固接；中指4的根部与手掌1固接，食指3、无名指5、小指6的根部分别通过食指转轴813、无名指转轴815、小指转轴816与手掌1连接；食指转轴813一端固定在手掌背板12中，另一端与食指3铆接；无名指转轴815一端固定在手掌背板12中，另一端与无名指5铆接；小指转轴816一端固定在手掌背板12中，另一端与小指6铆接；电机711的输出轴与主动转轴712相连，主动转轴712的两端分别套设在手掌前板11和手掌背板12中。

食指支撑柱823的一端固接在食指3的根部，食指支撑柱823的另一端镶嵌在手掌前板11的第一滑槽113中，该第一滑槽113是以食指转轴813的中心线为圆心、食指支撑柱823的中心线与食指转轴813的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；无名指支撑柱825的一端与无名指5的根部固接，无名指支撑柱825的另一端镶嵌在手掌前板11的第二滑槽115中，该第二滑槽115是以无名指转轴815的中心线为圆心、无名指支撑柱825的中心线与无名指转轴815的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；小指支撑柱826的一端固接在小指6的根部，小指支撑柱826的另一端镶嵌在手掌前板11的第三滑槽116中，该第三滑槽116是以小指转轴816的中心线为圆心、小指支撑柱826的中心线与小指转轴816的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；食指支撑柱823、无名指支撑柱825和小指支撑柱826相互平行，中心线方向均由手掌1的掌心指向手掌的后背。

电机711通过传动机构与主动转轴712相连，该传动机构包括减速器721、第一锥齿轮731和第二锥齿轮732；减速器721的输入端与输出端分别连接电机711和第一锥齿轮731，第一锥齿轮731与第二锥齿轮732啮合，第二锥齿轮732套固在主动转轴上。

由图2可知，本实用新型的一种优选方式为：仿生机器人手装置的牵引装置包括主动转轴712、食指腱绳923、无名指腱绳925、小指腱绳926、定轴93、第一弹簧834、第二弹簧845和第三弹簧856。

定轴93套固定在手掌前板11和手掌背板12中；滚动轴承94套设在定轴93上，并彼此被螺母96隔开；螺母96通过螺纹固定在定轴93上；挡片97固定在螺母96和滚动轴承94的间隙中；套筒95套设在滚动轴承94上；食指腱绳923一端与食指3根部固连，另一端通过第一孔981固套在与主动转轴712的凹槽8内，腱绳中部绕过定轴93；无名指腱绳925一端与无名指5根部固连，另一端通过第三孔983固套在与主动转轴712的凹槽内，腱绳中部绕过定轴93；小指腱绳926一端与小指6根部固连，另一端通过第二孔982固套在与主动转轴712的凹槽内，腱绳中部绕过定轴93；第一弹簧834设在食指3与中指4之间；第二弹簧845设在中指4与无名指5之间；第三弹簧856设在无名指5与小指6之间。

下面就结合图1、图2、图3和图4详细介绍本实施方式一的工作原理。

机器人手指需要侧展时，电机正转，通过减速器721带动第一齿轮731转动，第二齿轮732转动，主动转轴712转动，滑动轴承931转动，滚动轴承932转动，主动转轴712与食指3间的腱绳923长度缩短，套筒952转动，滚动轴承942转动，弹簧834压缩，食指3绕食指转轴823转动，食指3绕食指转轴823的中心线侧展运动(偏离中指4)，同时主动转轴712与无名指间的腱绳925长度缩短，套筒953转动，滚动轴承943转动，弹簧845压缩，无名指5绕无名指转轴825转动，无名指5绕无名指转轴825的中心线侧展运动(偏离中指4)，同时主动转轴712与小指6间的腱绳926长度缩短，套筒951转动，滚动轴承941转动，弹簧845压缩，小指6绕小指转轴826动，小指6绕小指转轴826的中心线侧展运动。由于主动转轴712呈阶梯状，缠小指腱绳926部分比缠无名指腱绳925与食指腱绳923部分粗，因此小指6转动角度与无名指5及食指3有一定的耦合度，如图3所示。

机器人手指需要并拢时，电机711反转，主动转轴712反转，缠绕在主动转轴712上的腱绳923松弛下来，又通过弹簧834弹力作用，使腱绳923回复到缠绕前的状态，无名指5、小指6同时并拢运动，直到食指3、中指4、无名指5和小指6均完全并拢，机器人手并拢后的情形如图1所示。

由图6可知，本实用新型的另一种优选方式为：仿生机器人手装置的牵引装置包括主动转盘91、第一连杆911、食指转盘97、食指转轴813、第二连杆912、无名指转盘98、无名指转轴815、第三连杆913、小指转盘99和小指转轴816。

主动转盘97套固在主动转轴712上，第一连杆911的一端与主动转盘91铰接，第一连杆911的另一端与食指转盘97、无名指转盘98或小指转盘99铰接；食指转盘97与第二连杆912的一端铰接，第二连杆912的另一端与无名指转盘98铰接；无名指转盘98与第三连杆913的一端铰接，第三连杆913的另一端与小指转盘99铰接。

食指转轴823的中心点与第二连杆912和食指转盘97的铰接点确定的线段称为第一线段，第二连杆912分别与食指转盘97和无名指转盘98的铰接点确定的线段称为第二线段，第二连杆912和无名指转盘98的铰接点与无名指转轴815的中心点确定的线段称为第三线段，第一线段、第二线段和第三线段形成“Z”字形或“S”字形；无名指转轴815的中心点与第三连杆913和无名指转盘98的铰接点确定的线段称为第四线段，第三连杆913分别与无名指转盘98和小指转盘99的铰接点确定的线段称为第五线段，第三连杆913和小指转盘98的铰接点与小指转轴816的中心点确定的线段称为第六线段，第四线段、第五线段和第六线段形成“C”字形。

下面就结合图1、图5、图6、图7和图8详细介绍实施方式二的工作原理

机器人手指需要侧展时，电机711正转，通过减速器721带动第一齿轮731转动，第二齿轮732转动，主动转轴712转动，主动转盘91转动，通过第一连杆911拉动食指转盘97转动，食指转轴813转动，食指3绕食指转轴813的中心线侧展运动(偏离中指4)，同时食指转盘97将通过第二连杆912拉动无名指转盘98转动，无名指转轴815转动，无名指5绕无名指转轴815的中心线侧展运动(偏离中指4)。由于食指转盘97、第二连杆912和无名指转盘815之间的连接形成“Z”字形，因此，无名指5转动方向与食指3运动方向相反。同时，无名指转盘98通过第三连杆913拉动小指转盘99转动，小指转轴816转动，小指6绕小指转轴816的中心线侧展运动。由于无名指转盘98、第三连杆913和小指转盘99之间的连接形成“C”字形，小指6转动方向与无名指5相同。手指完全侧展开来的情形如图5所示。

机器人手指需要并拢时，电机711反转，通过传动机构，主动转轴712反转，通过第一连杆911拉动食指3并拢，同时通过第二连杆912和第三连杆913，将拉动无名指5、小指6同时并拢运动，直到手指均完全并拢，机器人手并拢后的情形如图1所示。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种仿生机器人手装置，包括食指、中指、无名指、小指和手掌；其特征在于：所述仿生机器人手装置还包括设置在手掌中的电机、主动转轴、食指支撑柱、无名指支撑柱、小指支撑柱和传动机构；所述手掌包括手掌前板和手掌背板，所述手掌前板和所述手掌背板固接成为中空的盒子状；所述电机与所述手掌固接；所述中指的根部与所述手掌固接，所述食指、所述无名指、所述小指的根部分别通过食指转轴、无名指转轴、小指转轴与所述手掌连接；所述食指转轴一端固定在所述手掌背板中，另一端与所述食指铆接；所述无名指转轴一端固定在所述手掌背板中，另一端与所述无名指铆接；所述小指转轴一端固定在所述手掌背板中，另一端与所述小指铆接；所述电机的输出轴与主动转轴相连，所述主动转轴的两端分别套设在所述手掌前板和所述手掌背板中；所述食指支撑柱的一端固接在所述食指的根部，另一端镶嵌在所述手掌前板的第一滑槽中，所述第一滑槽是以所述食指转轴的中心线为圆心、所述食指支撑柱的中心线与所述食指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；所述无名指支撑柱的一端与所述无名指的根部固接，另一端镶嵌在所述手掌前板的第二滑槽中，所述第二滑槽是以所述无名指转轴的中心线为圆心、所述无名指支撑柱的中心线与所述无名指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；所述小指支撑柱的一端固接在所述小指的根部，另一端镶嵌在所述手掌前板的第三滑槽中，所述第三滑槽是以所述小指转轴的中心线为圆心、所述小指支撑柱的中心线与所述小指转轴的中心线间距离为半径的圆弧滑槽；所述食指支撑柱、所述无名指支撑柱和所述小指支撑柱相互平行，中心线方向均由所述手掌的掌心指向所述手掌的后背，所述电机通过所述传动机构与主动转轴相连。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人手装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述减速器的输入端与输出端分别连接所述电机和所述第一锥齿轮，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合，所述第二锥齿轮套固在主动转轴上。

3.根据权利要求1所述的仿生机器人手装置，其特征在于：该机器人手装置还包括牵引装置；所述牵引装置包括主动转轴、食指腱绳、无名指腱绳、小指腱绳、定轴、第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧；所述定轴套固定在所述手掌前板和所述手掌背板中；所述食指腱绳一端与所述食指根部固连，另一端与所述主动转轴固连，所述腱绳中部绕过所述定轴；所述无名指腱绳一端与所述无名指根部固连，另一端与所述主动转轴固连，所述腱绳中部绕过所述定轴；所述小指腱绳一端与所述小指根部固连，另一端与所述主动转轴同连，所述腱绳中部绕过定轴；所述第一弹簧设在所述食指与所述中指之间；所述第二弹簧设在所述中指与所述无名指之间；所述第三弹簧设在所述无名指与所述小指之间。

4.根据权利要求1所述的仿生机器人手装置，其特征在于：该机器人手装置还包括牵引装置；所述的牵引装置包括主动转盘、第一连杆、食指转盘、食指转轴、第二连杆、无名指转盘、无名指转轴、第三连杆、小指转盘和小指转轴；所述主动转盘套固在所述主动转轴上，所述第一连杆的一端与所述主动转盘铰接，另一端与所述食指转盘、所述无名指转盘或所述小指转盘铰接；所述食指转盘与所述第二连杆的一端铰接，所述第二连杆的另一端与所述无名指转盘铰接；所述无名指转盘与所述第三连杆的一端铰接，所述第三连杆的另一端与所述小指转盘铰接。

5.根据权利要求4所述的仿生机器人手装置，其特征在于：所述食指转轴的中心点与所述第二连杆和所述食指转盘的铰接点确定的线段称为第一线段，所述第二连杆分别与所述食指转盘和所述无名指转盘的铰接点确定的线段称为第二线段，所述第二连杆和所述无名指转盘的铰接点与所述无名指转轴的中心点确定的线段称为第三线段，所述第一线段、所述第二线段和所述第三线段形成“Z”字形或“S”字形；所述无名指转轴的中心点与所述第三连杆和所述无名指转盘的铰接点确定的线段称为第四线段，所述第三连杆分别与所述无名指转盘和所述小指转盘的铰接点确定的线段称为第五线段，所述第三连杆和所述小指转盘的铰接点与所述小指转轴的中心点确定的线段称为第六线段，所述第四线段、所述第五线段和所述第六线段形成“C”字形。

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