基关节与指间关节各自独立驱动的仿人手指

摘要

基关节与指间关节各自独立驱动的仿人手指，它涉及一种仿人手指。现有仿人手指中的近关节和远关节无法各自独立运动，使手指实现动作具有局限性，无法完全复现人手的灵巧性。本发明中近指节的第一滑轮固装在近指节用外壳内，第一钢丝的一端固接在手掌部件上，第一钢丝的另一端绕过基关节固定连接在第一滑轮上；中指节包括中指节用外壳、指间关节、指间关节电位计、第二滑轮、钢丝套管和第二钢丝，远指节设在中指节远离近指节的一端，第二滑轮固定安装在中指节用外壳内，第二钢丝的一端设在手掌部件上，第二钢丝的另一端穿过钢丝套管固接在第二滑轮上，远指节通过四连杆机构与近指节中的近指节用外壳相连接。本发明用于机器人中。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基关节与指间关节各自独立驱动的仿人手指。

背景技术

根据抓取分类学研究表明，人手在进行灵巧操作时，人手的灵巧性集中体现在手指的 外展-内收和基关节与指间关节的运动独立性。虽然手指的外展-内收对于灵巧性抓取任务 具有重要作用，但在静态抓取时，不同的抓取任务中手指外展-内收的关节角度较为一致， 变化不明显。但在假手设计中，考虑到外形拟人、尺寸小、重量低的要求，在当前科技水 平的限制下，当前研究型假手及商业假手的设计中常忽略手指的外展-内收自由度，又由 于其在静态抓取中表现出的高度一致性，因此常采用手指关节转轴的拟人的偏置来实现手 指间固定的开合动作。手指基关节与指间关节的运动独立性一直以来都是假手以及新型欠 驱动手指机构研究的重点。

而当前假肢手基关节和指间关节的驱动多采用全局耦合的设计方式，将每根手指的自 由度缩减为一个。除此之外还有一部分假肢手采用了欠驱动的方式来实现包络抓取。但无 论是全耦合设计，还是欠驱动设计，都有一个缺陷，就是手指的近关节和远关节无法独立 运动，因此无法完成诸如抓圆盘等一系列动作，不能完全复现人手的灵巧性。从仿生的角 度来看，人手抓取物体的协同性理论分析结果表明，人手完成多种抓取任务的抓取姿势可 以由少数几种特征姿势线性组合而复现，同时复现准确性能够保持在可接受的范围内。研 究结果表明，人手在抓取物体时的第一特征姿势往往表现为手基关节的运动，第二特征姿 势往往表现为手指指间关节的运动，从复现人手灵巧的抓取能力来看，目前的高仿手指仍 然未有近关节和远关节无法独立运动的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基关节与指间关节各自独立驱动的仿人手指，以解决现有仿 人手指中的近关节和远关节无法各自独立运动，使手指实现动作具有局限性，无法完全复 现人手灵巧性的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基关节与指间关节各自独立驱动的仿人手指，它包括手指基座、近指节、中指节、 远指节和四连杆机构；

所述近指节包括近指节用外壳、基关节、基关节用电位计、第一扭簧、第一滑轮和第 一钢丝，所述手指基座的一端位于近指节用外壳内且该端通过基关节与近指节用外壳相铰 接，所述手指基座的另一端设置在手掌部件上，所述基关节用电位计套装在基关节外且其 分别与近指节用外壳和基关节相连接，所述第一扭簧位于近指节用外壳内且其套装在手指 基座上，所述第一滑轮固定安装在近指节用外壳内，所述第一钢丝的一端固定连接在手掌 部件上，所述第一钢丝的另一端绕过基关节固定连接在第一滑轮上；

所述中指节包括中指节用外壳、指间关节、指间关节用电位计、第二滑轮、钢丝套管 和第二钢丝，所述近指节用外壳通过指间关节设置在中指节用外壳内，所述指间关节用电 位计套装在指间关节外且其分别与中指节用外壳和指间关节相连接，钢丝套管设置在近指 节用外壳内，第二滑轮固定安装在中指节用外壳内，所述第二钢丝的一端设置在手掌部件 上，所述第二钢丝的另一端穿过钢丝套管固定连接在第二滑轮上；

所述远指节设置在中指节远离近指节的一端，所述远指节通过四连杆机构与近指节中 的近指节用外壳相连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中近指节通过第一钢丝驱动，中指节通过第二钢丝和钢丝套管相配合实现 驱动，第二钢丝和和钢丝套管之间配合设置使指间关节到手掌间的钢丝长度在手指的弯曲 过程中保持不变，最大限度的减少了由于近指节转动引起的指间关节转动。由于近指节和 中指节用两根钢丝分别驱动，因此可以独立运动。

2、本发明中基关节和指间关节各自独立运动，提高本发明的灵巧性，能够复现抓圆 盘及其他一系列的人手抓握动作。

3、本发明还能够实现抓握的主从分治。主从分治是一个前沿且实用的假手设计方法， 在未碰到物体之前，以耦合的方式主动完成抓握动作，在手指碰到物体之后，可以顺应地 实现包络。这样就能够同时继承全耦合假手抓握姿势美观和传统欠驱动假手抓握稳定的优 点。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的主视结构剖面图；

图3为本发明的侧视结构示意图，图中去掉第一钢丝2-6和第二钢丝3-6；

图4为本发明的侧视结构剖面图，图中去掉第一钢丝2-6和第二钢丝3-6。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括手 指基座1、近指节2、中指节3、远指节4和四连杆机构；

所述近指节2包括近指节用外壳2-1、基关节2-2、基关节用电位计2-3、第一扭簧2-4、 第一滑轮2-5和第一钢丝2-6，所述手指基座1的一端位于近指节用外壳2-1内且该端通 过基关节2-2与近指节用外壳2-1相铰接，所述手指基座1的另一端设置在手掌部件上， 所述基关节用电位计2-3套装在基关节2-2外且其分别与近指节用外壳2-1和基关节2-2 相连接，所述第一扭簧2-4位于近指节用外壳2-1内且其套装在手指基座1上，所述第一 滑轮2-5固定安装在近指节用外壳2-1内，所述第一钢丝2-6的一端固定连接在手掌部件 上，所述第一钢丝2-6的另一端绕过基关节2-2固定连接在第一滑轮2-5上；

所述中指节3包括中指节用外壳3-1、指间关节3-2、指间关节用电位计3-3、第二滑 轮3-4、钢丝套管3-5和第二钢丝3-6，所述近指节用外壳2-1通过指间关节3-2设置在中 指节用外壳3-1内，所述指间关节用电位计3-3套装在指间关节3-2外且其分别与中指节 用外壳3-1和指间关节3-2相连接，钢丝套管3-5设置在近指节用外壳2-1内，第二滑轮 3-4固定安装在中指节用外壳3-1内，所述第二钢丝3-6的一端设置在手掌部件上，所述 第二钢丝3-6的另一端穿过钢丝套管3-5固定连接在第二滑轮3-4上；

所述远指节4设置在中指节3远离近指节2的一端，所述远指节4通过四连杆机构与 近指节2中的近指节用外壳2-1相连接。

本发明中远指节4与中指节3之间按0.67的耦合比实现同步运动。

本发明中基关节2-2为MCP轴，第一滑轮2-5为MCP滑轮。本发明中指间关节3-2 为PIP轴，第二滑轮3-4为PIP滑轮。

本发明中钢丝套管3-5设置使中指节3到手掌部件的第二钢丝3-6的长度在手指弯曲 过程中基本保持不变，最大限度的减少了由于基关节2-2转动引起的指间关节3-2转动。

本发明中基关节用电位计2-3和指间关节用电位计3-3是分别用于测量基关节2-2和 指间关节3-2的转动角度的传感器。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述远 指节4包括远指节用外壳4-1、DIP轴4-2、第二扭簧4-3、扭簧挡销4-4，中指节用外壳 3-1远离手指基座1的一端通过DIP轴4-2铰接在远指节用外壳4-1内，第二扭簧4-3套 装在DIP轴4-2上，扭簧挡销4-4固定安装在远指节用外壳4-1内且靠近第二扭簧4-3设 置。

本发明中近指节2与中指节3为独立驱动，近指节用外壳2-1与远指节用外壳4-1分 别通过第一扭簧2-4和第二扭簧4-3复位。本发明中MCP轴的两端、PIP轴的两端以及 DIP轴4-2的两端均对应设置有轴端盖。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一 相同。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式二的进一步限定，本实施方式中所述四 连杆机构包括连杆本体5-1和两个连杆插销5-2，连杆本体5-1位于中指节用外壳3-1内 且其两端分别与近指节用外壳2-1和远指节用外壳4-1相连接，连杆本体5-1靠近手指基 座1的一端通过一个所述连杆插销5-2铰接在近指节用外壳2-1上，连杆本体5-1远离手 指基座1的一端通过另一个所述连杆插销5-2铰接在远指节用外壳4-1上。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一或三的进一步限定，本实施方式中近 指节2还包括第一钢丝压板和第一螺钉，所述第一钢丝压板和第一螺钉均设置在近指节用 外壳2-1内，第一钢丝压板通过第一螺钉与第一滑轮2-5可拆卸连接。

本实施方式近指节用外壳2-1内设置有第一导线槽，第一滑轮2-5为半轮结构，其包 括第一半轮件和第一平板，第一半轮件设置在第一平板上，第一平板上加工有第一通孔， 第一钢丝2-6的一端固定连接在手掌部件上，第一钢丝2-6的另一端先绕过第一半轮件的 轮面，然后穿过第一平板上的第一通孔，最后顺着第一导线槽向上伸出，第一钢丝2-6伸 出的一端位于第一平板上未设置第一半轮件的另一端面和第一钢丝压板之间，通过第一螺 钉将第一滑轮2-5与第一钢丝压板固定以达到夹紧第一钢丝2-6的目的。

本实施方式中第一钢丝2-6拉动第一滑轮2-5时会带动近指节用外壳2-1绕着基关节 2-2转动，转动时第一钢丝2-6与基关节2-2的距离保持不变。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，本实施方式的中指节 3还包括第二钢丝压板和第二螺钉，所述第二钢丝压板和第二螺钉均设置在中指节用外壳 3-1内，第二钢丝压板通过第二螺钉与第二滑轮3-4可拆卸连接。

本实施方式中指节用外壳3-1内设置有第二导线槽，第二滑轮3-4与第一滑轮2-5的 结构相同，第二滑轮3-4包括第二半轮件和第二平板，第二滑轮3-4中的第二半轮件设置 在第二平板上，第二平板上加工有第二通孔，第二钢丝3-6的一端固定连接在手掌部件上， 第二钢丝3-6的另一端先绕过第二半轮件的轮面，然后穿过第二平板上的第二通孔，最后 顺着第二导线槽向上伸出，第二钢丝3-6伸出的一端位于第二平板上未设置第二半轮件的 另一端面和第二钢丝压板之间，通过第二螺钉将第二滑轮3-4与第二钢丝压板固定以达到 夹紧第二钢丝3-4的目的。

本实施方式的技术效果是第二钢丝3-6拉动第二滑轮3-4时会带动中指节用外壳3-1 绕着指间关节3-2转动，转动时第二钢丝3-6与指间关节3-2的距离保持不变。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一或五的进一步限定，本实施方式中所 述第一滑轮2-5分别通过第一滑轮用销和第一滑轮用螺钉固定安装在近指节用外壳2-1 内。本实施方式中第一滑轮用销和第一滑轮用螺钉的设置能够实现随时调节第一钢丝2-6 的长度的效果，从而起到调整近指节2的初始位置的目的。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式六的进一步限定，本实施方式中所述第 二滑轮3-4分别通过第二滑轮用销和第二滑轮用螺钉固定安装在中指节用外壳3-1内。本 实施方式中第二滑轮用销和第二滑轮用螺钉的设置能够实现随时调节第二钢丝3-6的长 度的效果，从而起到调整中指节3的初始位置的目的。

本发明的实现抓取动作的过程：

第一种情况：只驱动近指节2：第一钢丝2-6拉动第一滑轮2-5，带动近指节用外壳 2-1转动，钢丝套管3-5和第二钢丝3-6在弯曲过程中变形，总长度不变，中指节用外壳 3-1不转动。

第二种情况：只驱动中指节3：第二钢丝3-6通过钢丝套管3-5拉动第二滑轮3-4，带 动中指节用外壳3-1转动，第二钢丝3-6不与MCP滑轮发生摩擦，因此近指节用外壳2-1 不转动。

第三种情况：同时驱动近指节2和中指节3，第一钢丝2-6拉动第一滑轮2-5，带动 近指节用外壳2-1转动，钢丝套管3-5和第二钢丝3-6在弯曲过程中变形，总长度不变， 不干扰中指节用外壳3-1转动；同时第二钢丝3-6通过钢丝套管3-5拉动第二滑轮3-4， 带动中指节用外壳3-1转动，第二钢丝3-6不与MCP滑轮发生摩擦，因此不干扰近指节 用外壳2-1转动。