一种刚柔耦合结构的仿生多指手制造技术

本发明专利技术公开了一种刚柔耦合结构的仿生多指手，包括手掌部件、拇指部件和至少两个手指部件，拇指部件和手指部件可开合地与手掌部件连接，拇指部件和手指部件均包括依次设置的至少两个指节，相邻的两个指节之间通过可弯曲的柔性关节连接，指节相对关节转动，实现拇指部件和手指部件的弯曲，所述指节和关节为一体成型结构。本发明专利技术的拇指部件和手指部件主体结构使用刚柔耦合结构取代传统纯刚体结构的方式进行设计，更符合人手指的刚柔耦合结构的仿生学，并且通过一体成型的混合材料3D打印技术制造，零部件少、无需二次装配，结构紧凑、集成程度高，各手指和手掌结合，可形成结构、驱动、传感、控制集成一体的模块化多指手系统。控制集成一体的模块化多指手系统。控制集成一体的模块化多指手系统。

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔耦合结构的仿生多指手


[0001]本专利技术涉及仿生手的
，更具体地，涉及一种刚柔耦合结构的仿生多指手。

技术介绍

[0002]在人体各运动器官中，人手无疑是其中最复杂而又最灵活的部分。在自然界400万年的进化过程中，人类的手逐渐演变成为了一个全面的机械运动系统，具有多自由度、多指协调、灵活性强等特点。在仿生
中，以人类身体为原型的仿生机械目前正处于火热的研究中，尤其是作为人类身体上最复杂的运动器官之一，仿生手的研究与发展是其中的重点和难点。人手是仿生手的设计原型，具有20多个自由度，拥有着复杂的刚柔耦合结构，是一个复杂但具有高集成度的系统。作为人手的替代工具，仿生手在考虑人手结构和功能的同时，还需要满足结构简单、制造方便、集成程度高的实际应用需求。
[0003]现有的仿生手的各个手指组件能够自由地实现伸展或屈曲动作，彼此之间也能够形成配合以实现抓取等动作，除拇指以外的四指具备除远指节关节外的两个关节耦合运动的特点，但是，现有的仿生手的各个指节、关节之间的连接部位十分复杂，通常为铰接或者啮合连接，还有的是以插栓式固定、卡扣固定等其他形式的连接方式，连接结构复杂，进而导致仿生手的零部件多、故障率高，不利于仿生手的结构维护、装配，并且未能形成高度集成化的仿生手结构，使得该类仿生手的应用效果不佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上文所述的仿生手手指部分结构复杂的缺陷，提供一种刚柔耦合结构的仿生多指手。本专利技术使用刚柔耦合结构的方式进行设计，更符合人手指的刚柔耦合结构的仿生学，并且实现仿生手指的一体化制造，进一步简化了仿生手的结构。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种刚柔耦合结构的仿生多指手，包括手掌部件、拇指部件和至少两个手指部件，拇指部件和手指部件可开合地与手掌部件连接，拇指部件和手指部件均包括依次设置的至少两个指节，相邻的两个指节之间连接有可弯曲的关节，所述指节能够相对于前一指节绕所述关节转动，实现拇指部件和手指部件的弯曲，所述指节和关节为一体成型结构。
[0007]本专利技术的工作原理如下：本专利技术所述的仿生手包括手掌部件、拇指部件和手指部件，手指部件的数量至少为两个，拇指部件和手指部件与手掌部件可开合地连接。拇指部件和手指部件均包括由前(即靠近手掌部件一侧)向后依次设置的至少两个指节，相邻的两个指节之间连接有可弯曲的关节，指节能够绕关节转动，形成拇指部件和手指部件向着手掌部件的掌心方向弯曲的效果，以实现抓取物品等动作；在无需进行抓取动作时屈曲的拇指部件和手指部件恢复原状。作为其中一种优选方案，拇指部件和每个手指部件均设有独立的驱动装置，从而实现拇指部件和各个手指部件配合完成各种形态的抓、握、捏、夹等动作，拇指部件和各个手指部件之间能够形成独立控制，最终实现其他(如指向、手势等)手部动作。
[0008]本专利技术的创新点在于，所述指节和关节为一体成型结构，零部件只有一个，与现有的仿生手相比大大简化了手指部件的机械结构，使用刚柔耦合结构的方式进行设计，更符合人手指的刚柔耦合结构的仿生学。作为其中一种优选方案，所述指节和关节采用3D打印技术一体式制造，其材质为柔性材料，优选地采用热塑性聚氨酯弹性体材料，硬度为80A
‑
95A，既可以满足指节的相对刚性，又可以使关节具有一定的弹性形变。值得注意的是，拇指部件和手指部件与其驱动装置之间的连接件也可以同样地采用3D打印技术一体成型，所述连接件的材质为刚性塑料，优选地可采用PLA、ABS、PC等材质以满足其强度需求。拇指部件和手指部件的指节和关节、以及所述连接件由混合材料3D打印技术制造，3D打印机的两个打印喷嘴分别打印所述柔性材料和刚性材料，打印完成后，柔性材料和刚性材料为一体成型结构，无需额外的连接件将拇指部件或者手指部件的各个零部件连接起来。
[0009]进一步地，拇指部件包括拇指主体、拇指驱动部和对掌旋转结构，拇指驱动部一侧与拇指主体可拆卸连接，另一侧与对掌旋转结构可拆卸连接，所述对掌旋转结构与手掌部件可拆卸连接。相较于其他手指部件，拇指部件需要实现拇指屈曲和拇指对掌旋转两个自由度，因此拇指部件包括拇指主体、拇指驱动部和对掌旋转结构三个组成部分，其中所述拇指驱动部作用于拇指主体，使拇指主体能够向着手掌掌心方向进行屈曲；同时，所述对掌旋转结构作用于拇指驱动部，使得拇指主体、拇指驱动部能够同步地绕手掌部件进行旋转，以实现更好的抓取效果。
[0010]进一步地，拇指主体包括依次连接的拇指基座、拇指基关节、拇指近指节、拇指远关节和拇指远指节组成。上述结构均为一体成型，其中，拇指基座由刚性材料制成，其余关节和指节结构则由柔性材料制成。尽管材质相同，但由于关节和指节具有不同的结构，指节仍然具备一定的刚性，而关节则在各个指节之间形成易弯曲变形的柔性结构。在拇指主体进行屈曲动作时，指节的形状保持不变，而关节则在外力的作用下弯曲变形，实现拇指主体的屈曲动作。所述拇指远指节可转动地连接于拇指近指节的上端，拇指近指节可转动地连接于拇指基座的上端，所述拇指基座与所述拇指驱动部连接。拇指近指节上下两端设有斜面，拇指远指节下端和拇指基座上端也分别设有斜面，当拇指主体进行屈曲动作时，所述斜面能够保证拇指远指节相对拇指近指节、以及拇指近指节相对手掌部件的弯曲角度。此外，拇指基关节末端设有“T”状结构，拇指基座前端设有“T”状缺口，拇指基关节通过“T”状结构嵌入“T”状缺口与拇指基座形成刚柔耦合一体式的拇指主体。
[0011]进一步地，拇指驱动部包括拇指卷筒，一端缠绕在拇指卷筒上的拇指传动绳，用于驱动拇指卷筒的拇指电机，拇指电机的输出轴与拇指卷筒轴向转动连接。拇指近指节和拇指远指节上均设有供拇指传动绳穿过的通孔，拇指传动绳另一端穿过拇指近指节，并与拇指远指节固定连接。当拇指主体进行屈曲动作时，拇指电机启动，带动与其输出轴连接的拇指卷筒旋转。拇指卷筒旋转带动拇指传动绳收缩，与拇指传动绳固定连接的拇指远指节朝向手掌掌心方向弯曲，拇指远关节、拇指基关节发生形变，从而实现拇指主体的屈曲动作。
[0012]进一步地，对掌旋转结构包括拇指掌骨、掌指关节、掌指基座、掌指传动绳、掌指卷筒、掌指电机以及掌指编码器；拇指掌骨与拇指驱动部可拆卸连接；掌指传动绳两端分别连接拇指掌骨和掌指卷筒，拇指掌骨通过掌指关节与掌指基座连接，并可以在掌指传动绳的牵引下绕掌指基座旋转；掌指基座远离掌指关节一端连接掌指电机以及拇指编码器，掌指基座与手掌部件可拆卸连接。当拇指主体与拇指驱动部一齐朝手掌掌心方向旋转时，所述
掌指电机启动，带动与其输出轴连接的掌指卷筒旋转，掌指卷筒旋转带动掌指传动绳收缩，掌指传动绳另一端与拇指掌骨连接，拇指掌骨又与拇指驱动部固定连接。因此，所述掌指传动绳收缩时，连接拇指掌骨与掌指基座的掌指关节发生弯曲形变，拇指掌骨向掌心方向进行屈曲动作，从而带动整个拇指主体和拇指驱动部旋转。掌指编码器的主要作用是反馈电机轴的位置，并采集电流数据。作为其中一种优选方案，所述掌指编码器末端还设有驱动控制接口，可以通过驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合结构的仿生多指手，包括手掌部件(1)、拇指部件(2)和至少两个手指部件，拇指部件(2)和手指部件可开合地与手掌部件(1)连接，拇指部件(2)和手指部件均包括依次设置的至少两个指节，相邻的两个指节之间连接有可弯曲的关节，所述指节能够相对于前一指节绕所述关节转动，实现拇指部件(2)和手指部件的弯曲，其特征在于，所述指节和关节为一体成型结构。2.根据权利要求1所述的刚柔耦合结构的仿生多指手，其特征在于，拇指部件(2)包括拇指主体(211)、拇指驱动部(22)和对掌旋转结构(23)，拇指驱动部(22)一侧与拇指主体(21)可拆卸连接，另一侧与对掌旋转结构(23)可拆卸连接，所述对掌旋转结构(23)与手掌部件(1)可拆卸连接。3.根据权利要求2所述的刚柔耦合结构的仿生多指手，其特征在于，拇指主体(21)包括依次连接的拇指基座(215)、拇指基关节(214)、拇指近指节(211)、拇指远关节(213)和拇指远指节(212)，拇指远指节(212)可转动地与拇指近指节(211)连接，拇指近指节(211)可转动地与拇指基座(215)连接，所述拇指基座(215)与所述拇指驱动部(22)可拆卸连接。4.根据权利要求2或3所述的刚柔耦合结构的仿生多指手，其特征在于，拇指驱动部(22)包括拇指卷筒(222)，一端缠绕在拇指卷筒(222)上的拇指传动绳(221)，用于驱动拇指卷筒(222)的拇指电机(223)，拇指电机(223)的输出轴与拇指卷筒(222)轴向转动连接，拇指传动绳(221)另一端穿过拇指近指节(211)，并与拇指远指节(212)固定连接。5.根据权利要求2所述的刚柔耦合结构的仿生多指手，其特征在于，对掌旋转结构(23)包括拇指掌骨(231)、掌指关节(232)、掌指基座(233)、掌指传动绳(234)、掌指卷筒(235)、掌指电机(236)以及掌指编码器(237)；拇指掌骨(231)与拇指驱动部(22)可拆卸连接；掌指传动绳(234)两端分别连接拇指掌骨(231)和掌指卷筒(235)，拇指掌骨(231)通过掌指关节(232)与掌指基座(233)连接，并可以在掌指传动绳(234)的牵引下绕掌指基座(233)旋转；掌指基座(233)远离掌指关节(232)一端连接掌指电机(236)以及拇指编码器(237)；掌指基...

【专利技术属性】
技术研发人员：管贻生，林尚灿，苏满佳，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：