專利名稱：基于電磁肌肉和筋腱驅動的仿生機械手的制作方法
技術領域：
本發明是涉及一種仿生機械手，具體地說是涉及一種基于電磁肌肉與筋腱驅動的仿生機械手。
背景技術：
人形機器人是當前機器人研究中的熱點，而人體結構中以手部的結構的復雜最為突出。當前研究中，人們普遍使用氣動、液壓等直線驅動作為驅動方式，這種驅動方式的機械手結構設計較成熟，但基于電磁肌肉可以在彎曲狀態下收縮提供拉力的特點而設計的機械手結構還幾乎沒有。同時，人手筋腱收縮帶動彎曲動作的仿生特征在實際應用中也很少涉及，更不用說筋腱和肌肉協調工作的機械手了。隨著超導材料的發展，必然會帶動電磁肌肉效率的提高，于是基于電磁肌肉驅動的設計也會相應增多。當前這個方面研究雖然并不 突出，但還是有很大前景的。同時隨著仿生肌肉的日益發展，其他具有柔軟特性可彎曲收縮的仿生肌肉也將相繼問世，針對這樣的肌肉驅動方式，也應當有一定的機械手結構去適應。而筋腱與肌肉的協調驅動可以更好的模仿人的動作，因此也值得研究發展。
發明內容
本發明的目的是克服了現有技術中的不足，提供了一種基于電磁肌肉與筋腱協調驅動的仿生機械手。為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現
本發明主要部分由手掌I、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驅動電機6、齒輪7、帶齒輪轉動輪8、手面9，筋腱位置固定環10、肌肉固定環11組成。其特征在于由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協調驅動；同時具有三種關節類型用于手指3不同段之間聯系的鉸接關節類型一、用于手指3與手掌I之間的球鉸關節類型二、用于拇指2與手掌之間聯系的球鉸關節類型三。具體工作方式如下手指3的彎曲有兩種驅動，一種是肌肉4驅動，一種是筋腱5驅動。正常做彎曲動作時，筋腱5在驅動電機帶動的轉動輪8的旋轉帶動下，手指3下端的筋腱5縮短，拉動手指3各段向內側彎曲；做舒張動作時反之即可。在需要抓握物體時，由于筋腱5提供的力量有限，借由肌肉4收縮帶動力量的加大，以提供足夠的摩擦力抓住物體。為了把握啟動肌肉4時機，可在手指3指端加裝壓力傳感器，在壓力為零時，肌肉4不啟動，壓力變大時，肌肉4啟動。總結來說，在單純做動作時，只要筋腱5驅動就可以了 ；在要抓握物體時，筋腱5驅動與肌肉4驅動協調工作(可以依靠壓力傳感器把握時機)。抓握時，通過關節類型二的手指2與手掌I的球鉸連接和兩側肌肉4收縮力調整實現對物體外形的適應。拇指2依靠前后左右四個方向的肌肉4收縮實現多方向運動。與現有技術相比，本發明的有益效果是
借助電磁肌肉柔軟特性與筋腱、肌肉協調驅動，使得仿生機械手可以靈活運動的同時，更大限度的模仿人手的動作。連接了相應的控制系統后，可以更好的代替人手發揮作用。由于電磁肌肉柔軟可以適應一定的收縮路徑變化，可以不必刻意考慮預留收縮路徑的問題。筋腱肌肉協調驅動既增大了整體手的力度，又是一種雙保險。
圖I是本發明一種仿生機械手的整體結構示意圖一 圖2是本發明一種仿生機械手的整體結構示意圖二
圖3是本發明一種仿生機械手的鉸接關節類 型一示意圖 圖4是本發明一種仿生機械手的球鉸關節類型二示意圖 圖5是本發明一種仿生機械手的球鉸關節類型三示意圖 圖6是本發明一種仿生機械手的筋腱驅動動力部分示意圖
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述
圖I、圖2所示的一種仿生機械手主要部分由手掌I、拇指2、手指3、肌肉4、筋腱5、驅動電機6、齒輪7、帶齒輪轉動輪8、手面9，筋腱位置固定環10、肌肉固定環11組成。手指3包括食指、中指、無名指、小指，由于結構類似，均作手指3介紹。手掌I包含四個供手指3連接用的球鉸支座1-1、供拇指2連接的球鉸支座1-2以及隔板1-3。本發明特征在于由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協調驅動；同時具有三種關節類型用于手指3不同段之間聯系的鉸接關節類型一、用于手指3與手掌I之間的球鉸關節類型二、用于拇指2與手掌之間聯系的球鉸關節類型三。筋腱布置有以下特征手指3上筋腱5布置手指3上的筋腱5從指端下部的筋腱位置固定環10開始開始，依次穿過接下來的數個筋腱位置固定環10，繞過位于手掌I內部的轉動輪8表面后再繞回手指3上部，穿過位于手指3各段上部的筋腱位置固定環10，在手指3指端部位固定結束。整個筋腱5呈現“U”字形，借助轉動輪8轉動帶動上下表面筋腱5長度不同，通過筋腱位置固定環10的約束帶動手指各段彎曲。通過設計可以使彎曲時下面筋腱5減少的距離等于上面筋腱5增長的距離，驅動電機6通過齒輪7傳動帶動轉動輪8作法線垂直于軸線的轉動，以便于拉動上下筋腱5，帶動彎曲。拇指2上的筋腱5為特殊情況，由于拇指2活動范圍大，無法以轉動輪8驅動，故以彈性材料制成，用以與拇指2彎曲內側的肌肉4相拮抗。在肌肉4無力時帶動拇指2復原。肌肉布置有以下特征在手指3段與段之間，以鉸接連接，左右各有一根肌肉4以收縮帶動彎曲。若是只有一根也可以起到相同效果；手指3與手掌I之間以球鉸連接，同時左右也以兩根肌肉4連在手掌I上，這樣兩根肌肉4收縮不同則可以帶動手指2左右略偏移，以適應要抓握的物體外形。在拇指2與手掌I之間以球鉸連接，同時前后左右四個方向上各布置一根肌肉4，以帶動拇指2向各個方向移動，靈活自由，同時也可以協調控制實現更多動作。圖3所示是本發明關節類型一的示意圖，其肌肉4收縮，帶動手指3繞鉸接軸轉動，上下筋腱運動方向相反，也起到帶動彎曲作用。
圖4所示是本發明關節類型二的示意圖，手指3根部借助球鉸連接在手掌I上，由于球鉸的特性使其可以左右略偏移的轉動，而不像鉸接那樣方向固定。借助手指3根部左右兩側肌肉4的不同收縮力引導手指3偏移，以適應物體。圖5所示是本發明關節類型三的示意圖，拇指2根部的鉸接較手指3更為自由。拇指2前后左右四個方向上各布置一根肌肉4連在手掌I上，以帶動拇指2向各個方向移動，靈活自由，同時也可以協調控制實現更多動作。圖6所示是本發明筋腱驅動動力部分的示意圖，主要由驅動電機6、齒輪7、轉動輪8構成。借助齒輪7改變原本轉動方向，以適應拉動筋腱5的作用。以上內容中肌肉不只局限于電磁肌肉，其他有柔軟特性的肌肉也同樣適用。肌肉 4兩端依靠肌肉位置固定環11連在骨骼支架上。本發明中涉及的未說明部份與現有技術相同或采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種基于仿生機械手，其結構包括手掌(I)、拇指(2)、手指(3)、肌肉(4)、筋腱(5)、驅動電機(6)、齒輪(7)、帶齒輪轉動輪(8)、手面(9)，筋腱位置固定環(10)、肌肉固定環(11)，其特征是所述機械手由骨骼支架作支撐，肌肉4、筋腱5協調驅動；所述機械手具有三種關節類型用于手指(3)不同段之間聯系的鉸接關節類型一、用于手指(3)與手掌(I)之間的球鉸關節類型二、用于拇指(2)與手掌之間聯系的球鉸關節類型三。
2.根據權利要求I所述的筋腱與肌肉協調驅動，其特征是所述筋腱(5)繞過轉動輪(8)兩端分別接在手指(3)上下兩面的端點處，轉動輪(8)轉動帶動上下表面筋腱(5)使之長度不同，通過筋腱位置固定環(10)的約束帶動手指各段彎曲；所述機械手正常做彎曲動作時，筋腱(5)在驅動電機帶動的轉動輪(8)的旋轉帶動下，手指(3)下端的筋腱(5)縮短，拉動手指(3)各段向內側彎曲；所述機械手做舒張動作時反之即可；所述機械手在需要抓握物體時，借由肌肉(4)收縮帶動力量的加大，以提供足夠的摩擦力抓住物體；所述機械手為了把握啟動肌肉(4)時機，可在手指(3)指端加裝壓力傳感器，在壓力為零時，肌肉(4)不啟動，壓力變大時，肌肉(4)啟動。
3.根據權利要求I所述的鉸接關節類型一，其特征是所述肌肉(4)收縮，則可帶動手指(3)繞鉸接軸轉動，上下筋腱(5)運動方向相反，也起到帶動彎曲作用。
4.根據權利要求I所述的球鉸關節類型二，其特征是所述手指(3)左右兩側各有一根肌肉(4);所述手指(3)借助球鉸預收帳(I)連接；所述左右肌肉(4)施加力不同可帶動手指向不同方向偏移彎曲以適應抓握時物體形狀改變。
5.根據權利要求I所述的球鉸關節類型三，其特征是所述拇指(2)前后左右四個方向上各布置一根肌肉(4)連在手掌(I)上，以帶動拇指(2)向各個方向移動。
全文摘要
本發明公開了一種仿生機械手，主要部分由手掌(1)、拇指(2)、手指(3)、肌肉(4)、筋腱(5)、驅動電機(6)、齒輪(7)、帶齒輪轉動輪(8)、手面(9)，筋腱位置固定環(10)、肌肉固定環(11)組成。筋腱(5)繞過轉動輪(8)兩端分別接在手指(3)上下兩面的端點處。轉動輪(8)轉動帶動上下表面筋腱(5)使之長度不同，通過筋腱位置固定環(10)的約束帶動手指各段彎曲。在單純做動作時，只要筋腱(5)驅動就可以了；在要抓握物體時，筋腱(5)驅動與肌肉(4)驅動協調工作(可以依靠壓力傳感器把握時機)。抓握時，通過關節類型二的手指(2)與手掌(1)的球鉸連接和兩側肌肉(4)收縮力調整手指(3)張合實現對物體外形的適應。拇指(2)依靠前后左右四個方向的肌肉(4)收縮實現多方向運動。
文檔編號B25J15/00GK102862160SQ201210375640
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月4日 優先權日2012年10月4日
發明者高蓉 申請人:南京大五教育科技有限公司