專利名稱：機器人氣動靈巧手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人靈巧手，具體地說是涉及具有五個手指十六個關(guān)節(jié)二十二個自由度的一種機器人氣動靈巧手。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，原有的機器人末端操作器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今生產(chǎn)需求。為了克服普通末端操作器夾持方式單一、活動空間小、缺少靈活性、難以精確控制等缺點，靈巧型機械手(簡稱靈巧手)應(yīng)運而生。靈巧手有多個自由度，可以抓取多種形狀、不同材質(zhì)的物體，還可以對所抓持的物體進行精細(xì)操作。用其代替專用的夾持器，安裝到機器人操作器末端，不僅能擴大機器人的作業(yè)范圍，還能提高機器人的作業(yè)質(zhì)量。
十九世紀(jì)六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni開發(fā)了第一只機械手，它有五個手指和五個自由度。七十年代發(fā)明了多種通用夾持器，如日本Hanafusa開發(fā)了一個三指手機構(gòu)，每個手指有一個自由度；美國Crossley研制了三指八自由度機構(gòu)，其中一個手指有二個自由度，另兩個手指分別有三個自由度。八十年代，Salisbury，Jacobsen等人提出摸擬人手來設(shè)計通用夾持器的研究思想，研制了多指、多關(guān)節(jié)、多自由度的JPL靈巧手機構(gòu)；日本學(xué)者T.Okada研制了三指十一個自由度靈巧手；美國Utah大學(xué)研制了MIT手。九十年代末二十一世紀(jì)初，靈巧手的研發(fā)進入了一個新階段，關(guān)節(jié)數(shù)、手指數(shù)逐漸向人手靠近，其中比較有代表性的有1999年研制成功的NASA靈巧手，由四個手指和一個位置相對的拇指組成，共有十四個自由度，由十四個直流無刷電機驅(qū)動，其于人手外形尺寸很相似，具有很好的靈活性；2003年日本歧阜大學(xué)Haruhisa，Kawasaki等人研發(fā)了Gifu III靈巧手。Gifu III手是擬人電動靈巧手，尺寸略大于人手，外形更接近人手，共有五個手指十六個自由度，具有較高的靈巧性和精確控制性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供具有多自由度、多關(guān)節(jié)，能抓取不同形狀、不同材質(zhì)物體的一種機器人氣動靈巧手，能替代人手，在人類無法親臨或惡劣的環(huán)境中工作。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明由一個手掌、五個手指和手腕接口組成；手指和手腕接口都連接在手心和手背組合而成的機械接口上；五個手指分別是拇指、食指、中指、無名指和小指，其中食指、中指、無名指和小指的相鄰夾角都為15°，拇指與食指的相鄰夾角為88°，每個手指都有三個關(guān)節(jié)和四個自由度，手腕接口用于連接手掌和機器人操作器的末端，形成手腕關(guān)節(jié)，有兩個自由度，采用氣壓驅(qū)動兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)和氣動球關(guān)節(jié)，使手指關(guān)節(jié)的彎曲和側(cè)展運動；手背上裝有引導(dǎo)總管，使五個手指共二十五根氣壓管從手背的根部引出；此機構(gòu)是一種具有五指、十六個關(guān)節(jié)和二十二個自由度的機器人氣動靈巧手機構(gòu)。
所述的食指、中指和無名指尺寸大小相同，拇指和小指的尺寸大小相同；每個手指都有三個指節(jié)、三個關(guān)節(jié)和四個自由度；三個指節(jié)為上指節(jié)、中指節(jié)和下指節(jié)；三個關(guān)節(jié)為兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)和一個氣動球關(guān)節(jié)，第一氣動彎曲關(guān)節(jié)連接上指節(jié)和中指節(jié)、第二氣動彎曲關(guān)節(jié)連接中指節(jié)和下指節(jié)，下指節(jié)通過氣動球關(guān)節(jié)連接到手掌上。
所述的第一氣動彎曲關(guān)節(jié)包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體、抗拉彈簧鋼片、氣壓管和氣壓管接頭、聯(lián)接螺栓和螺母；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧—丁腈膠與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉膠接，通過螺栓和螺母與指尖體聯(lián)接，通過螺栓和螺母與指中體聯(lián)接，彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉內(nèi)部有彎曲纖維；所述的第二氣動彎曲關(guān)節(jié)包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體、抗拉彈簧鋼片、氣壓管和氣壓管接頭、聯(lián)接螺栓和螺母；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧—丁腈膠與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉膠接，通過螺栓和螺母與指中體聯(lián)接，通過螺栓和螺母與指末體聯(lián)接。
所述的氣動球關(guān)節(jié)包括球關(guān)節(jié)凹連接體、三個球關(guān)節(jié)空氣肌肉、球關(guān)節(jié)凸連接體、三根氣壓管和三個氣壓管接頭、聯(lián)接螺栓和螺母；球關(guān)節(jié)的凹、凸連接體的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧—丁腈膠與三個空氣肌肉膠接，通過螺栓和螺母與指末體聯(lián)接，通過螺栓和螺母與手掌聯(lián)接成一起。
所述的手指上指節(jié)包括指尖體、指尖帽；指尖體與指尖帽膠接成一體。指尖體末端是正方體帶孔凸臺，與氣動關(guān)節(jié)凹連接體的正方形帶孔凹槽相配合，用螺栓和螺母聯(lián)接固定。
所述的手掌包括手心、手背、引導(dǎo)總管、聯(lián)接螺栓和螺母；手心和手背都采用空心殼體結(jié)構(gòu)，為增強手掌強度，在手心和手背內(nèi)側(cè)設(shè)有手形加強筋，手心和手背零件合成一體，組成七個正方體凹臺機械接口，分別與五個手指的氣動球關(guān)節(jié)和手腕接口的兩個氣動球關(guān)節(jié)的正方體凸臺相接，手背上設(shè)有凹槽，通過螺栓和螺母，聯(lián)接引導(dǎo)總管，五個手指共二十五根氣壓管從手背的根部引出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益的效果是1.與電驅(qū)動的靈巧手相比，本發(fā)明采用氣壓驅(qū)動，簡化了靈巧手機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊、零件易于加工、降低制造成本、裝配簡便；2.采用氣動柔性關(guān)節(jié)(氣動彎曲關(guān)節(jié)和氣動球關(guān)節(jié))，能較好的實現(xiàn)人手指關(guān)節(jié)的彎曲和側(cè)展運動，具有較好的靈巧性，操作靈活；3.氣動靈巧手是按照摸擬人手的研發(fā)思想設(shè)計，有五個指、二十二個自由度，與人手生理結(jié)構(gòu)很接近，這為實現(xiàn)主、從手控制操作，提供了合適的硬件接口。
因此，本發(fā)明能保證滿足靈巧機械手的性能要求。


圖1是本發(fā)明的氣動靈巧手背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的氣動靈巧手正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的氣動靈巧手圖1的A-A剖視圖；圖4是本發(fā)明的氣動靈巧手手心結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的氣動靈巧手手背結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的氣動彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的氣動彎曲關(guān)節(jié)工作原理圖；圖8是本發(fā)明的氣動球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.手掌，2.手腕接口，3.手心，4.手背，5.機械接口，6.拇指，7.食指，8.中指，9.無名指，10.小指，11.氣動彎曲關(guān)節(jié)，12.氣動球關(guān)節(jié)，13.引導(dǎo)總管，14.上指節(jié)，15.中指節(jié)，16.下指節(jié)，17.螺栓，18.彎曲關(guān)節(jié)凹連接體，19.彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉，20.彎曲關(guān)節(jié)凸連接體，21.抗拉彈簧鋼片，22.螺栓，23.螺母，24.氣壓管接頭，25.氣壓管，26.螺母，27.螺栓，28.球關(guān)節(jié)凹連接體，29.球關(guān)節(jié)空氣肌肉，30.球關(guān)節(jié)空氣肌肉，31.球關(guān)節(jié)空氣肌肉，32.球關(guān)節(jié)凸連接體，33.螺栓，34.螺母，35.氣壓管接頭，36.氣壓管，37.螺母，38.指尖體，39.指尖帽，40.螺栓，41.螺母，42.螺栓，43.螺母，44.加強筋，45.加強筋 46.手背凹槽，47.氣壓管，48.氣壓管，49.指中體，50.指末體，51.氣動彎曲關(guān)節(jié)，52.抗拉彈簧鋼片，53.氣壓管，54.螺栓，55.螺栓，56.螺母，57.螺母，58.氣壓管接頭，59.氣壓管接頭，60.氣壓管接頭，61.彎曲纖維，62.氣壓管，63.彎曲關(guān)節(jié)凹連接體，64.彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉，65.彎曲關(guān)節(jié)凸連接體。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明如圖1、2所示，本發(fā)明由一個手掌1、五個手指和手腕接口2組成；手指和手腕接口2都連接在手心3和手背4組合而成的機械接口5上；五個手指分別是拇指6、食指7、中指8、無名指9和小指10，其中食指7、中指8、無名指9和小指10的相鄰夾角都為15°，拇指6與食指7的相鄰夾角為88°，可避免各手指的運動干涉，每個手指都有三個關(guān)節(jié)和四個自由度。手腕接口2用于連接手掌1和機器人操作器的末端，形成手腕關(guān)節(jié)，有兩個自由度，采用氣壓驅(qū)動兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)11、51和氣動球關(guān)節(jié)12，使手指關(guān)節(jié)的彎曲和側(cè)展運動；手背4上裝有引導(dǎo)總管13，使五個手指共二十五根氣壓管62從手背4的根部引出。
如圖3、6、7所示，所述的第一氣動彎曲關(guān)節(jié)11包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體18、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉19、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體20、抗拉彈簧鋼片21、氣壓管25和氣壓管接頭24、聯(lián)接螺栓17、22和螺母23、26；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體18、20與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉19膠接；通過螺栓17和螺母23與指尖體38聯(lián)接，通過螺栓22和螺母26與指中體49聯(lián)接；所述的第二氣動彎曲關(guān)節(jié)51包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體63、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉64、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體65、抗拉彈簧鋼片52、氣壓管53和氣壓管接頭60、聯(lián)接螺栓54、55和螺母56、57；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體63、65與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉64膠接，通過螺栓54和螺母56與指中體49聯(lián)接，通過螺栓55和螺母57與指末體50聯(lián)接。
彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉19是一段橡膠管，內(nèi)部含有彎曲纖維61，彎曲纖維61的作用是使空氣肌肉只能軸向伸展，而不能徑向膨脹。其工作原理是在沒有控制氣壓時，由于彈簧鋼片21的彈性，氣動彎曲關(guān)節(jié)11處于伸直狀態(tài)，當(dāng)控制氣體由氣壓管25經(jīng)氣壓管接頭24流入到彎曲關(guān)節(jié)空腔，迫使空氣肌肉在鋼片限制下發(fā)生單側(cè)拉伸，從而使氣動彎曲關(guān)節(jié)產(chǎn)生上下彎曲運動。
當(dāng)氣動彎曲關(guān)節(jié)11發(fā)生彎曲時，就實現(xiàn)了手指的上指節(jié)14和中指節(jié)15之間的彎曲運動；當(dāng)氣動彎曲關(guān)節(jié)51發(fā)生彎曲時，就實現(xiàn)了手指的中指節(jié)15和下指節(jié)16之間的彎曲運動。
如圖3、8所示，所述的氣動球關(guān)節(jié)12包括球關(guān)節(jié)凹連接體28、三個球關(guān)節(jié)空氣肌肉29、30、31、球關(guān)節(jié)凸連接體32、三根氣壓管36、47、48和三個氣壓管接頭35、58、59、聯(lián)接螺栓27、33和螺母34、37；球關(guān)節(jié)的凹、凸連接體28、32與三個空氣肌肉29、30、31膠接。通過螺栓27和螺母34與指末體50聯(lián)接，通過螺栓33和螺母37與手掌1聯(lián)接成一起。氣動球關(guān)節(jié)12通過三段空氣肌肉29、30、31不同的彎曲，可產(chǎn)生彎曲和側(cè)展運動，具有二個自由度。
氣動彎曲關(guān)節(jié)12的工作原理是當(dāng)控制氣體由三根氣壓管36、47、48經(jīng)三個氣壓管接頭35、58、59分別流入三個空氣肌肉空腔，迫使空氣肌肉伸展，當(dāng)三段空氣肌肉29、30、31輸入不同的控制氣壓時，三段空氣肌肉29、30、31分別拉伸不同距離，從而使氣動球關(guān)節(jié)12產(chǎn)生上下彎曲運動和左右側(cè)展運動。
如圖1、4、5所示，手掌1包括手心3、手背4、引導(dǎo)總管13、聯(lián)接螺栓40、42和螺母41、43；手心3和手背4都采用空心殼體結(jié)構(gòu)，為增強手掌1強度，在手心3和手背4內(nèi)側(cè)設(shè)有手形加強筋44、45，手心3和手背4零件合成一體，組成七個正方體凹臺機械接口5，分別與五個手指的氣動球關(guān)節(jié)12和手腕接口2的兩個氣動球關(guān)節(jié)的正方體凸臺相接，手背上設(shè)有凹槽46，通過螺栓40和螺母41，聯(lián)接引導(dǎo)總管13，五個手指共二十五根氣壓管4、48、25、36、53從手背4的根部引出。
如圖3所示，靈巧手的每個手指由一個指尖體38、一個指尖帽39、指中體49、指末體50、兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)11、51、一個氣動球關(guān)節(jié)12、兩片抗拉彈簧鋼片21、52、五根氣壓管47、48、25、36、53、六個螺栓17、22、54、55、27、33、六個螺母23、26、56、57、34、37、五個氣壓管接頭24、35、58、59、60。每個手指有四個自由度。
通過控制氣動靈巧手的十個氣動彎曲關(guān)節(jié)、七個氣動球關(guān)節(jié)的運動，可實現(xiàn)擬人手五指、十六個關(guān)節(jié)、二十二個自由度的機器人靈巧手操作。
權(quán)利要求
1.一種機器人氣動靈巧手，其特征在于由一個手掌(1)、五個手指和手腕接口(2)組成；手指和手腕接口(2)都連接在手心(3)和手背(4)組合而成的機械接口(5)上；五個手指分別是拇指(6)、食指(7)、中指(8)、無名指(9)和小指(10)，其中食指(7)、中指(8)、無名指(9)和小指(10)的相鄰夾角都為15°，拇指(6)與食指(7)的相鄰夾角為88°，每個手指都有三個關(guān)節(jié)和四個自由度，手腕接口(2)用于連接手掌(1)和機器人操作器的末端，形成手腕關(guān)節(jié)，有兩個自由度，采用氣壓驅(qū)動兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)(11、51)和氣動球關(guān)節(jié)(12)，使手指關(guān)節(jié)的彎曲和側(cè)展運動；手背(4)上裝有引導(dǎo)總管(13)，使五個手指共二十五根氣壓管(62)從手背(4)的根部引出；此機構(gòu)是一種具有五指、十六個關(guān)節(jié)和二十二個自由度的機器人氣動靈巧手機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機器人氣動靈巧手，其特征在于所述的食指(7)、中指(8)和無名指(9)尺寸大小相同，拇指(6)和小指(10)的尺寸大小相同；每個手指都有三個指節(jié)、三個關(guān)節(jié)和四個自由度；三個指節(jié)為上指節(jié)(14)、中指節(jié)(15)和下指節(jié)(16)；三個關(guān)節(jié)為兩個氣動彎曲關(guān)節(jié)(11、51)和一個氣動球關(guān)節(jié)(12)，第一氣動彎曲關(guān)節(jié)(11)連接上指節(jié)(14)和中指節(jié)(15)、第二氣動彎曲關(guān)節(jié)(51)連接中指節(jié)(15)和下指節(jié)(16)，下指節(jié)(16)通過氣動球關(guān)節(jié)(12)連接到手掌(1)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機器人氣動靈巧手，其特征在于所述的第一氣動彎曲關(guān)節(jié)(11)包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體(18)、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉(19)、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體(20)、抗拉彈簧鋼片(21)、氣壓管(25)和氣壓管接頭(24)、聯(lián)接螺栓(17、22)和螺母(23、26)；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體(18)(20)的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧-丁腈膠與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉(19)膠接，通過螺栓(17)和螺母(23)與指尖體(38)聯(lián)接，通過螺栓(22)和螺母(26)與指中體(49)聯(lián)接，彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉(19)內(nèi)部有彎曲纖維(61)；所述的第二氣動彎曲關(guān)節(jié)(51)包括彎曲關(guān)節(jié)凹連接體(63)、彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉(64)、彎曲關(guān)節(jié)凸連接體(65)、抗拉彈簧鋼片(52)、氣壓管(53)和氣壓管接頭(60)、聯(lián)接螺栓(54、55)和螺母(56、57)；彎曲關(guān)節(jié)的凹、凸連接體(63)(65)的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧-丁腈膠與彎曲關(guān)節(jié)空氣肌肉(64)膠接，通過螺栓(54)和螺母(56)與指中體(49)聯(lián)接，通過螺栓(55)和螺母(57)與指末體(50)聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機器人氣動靈巧手，其特征在于所述的氣動球關(guān)節(jié)(12)包括球關(guān)節(jié)凹連接體(28)、三個球關(guān)節(jié)空氣肌肉(29、30、31)、球關(guān)節(jié)凸連接體(32)、三根氣壓管(36、47、48)和三個氣壓管接頭(35、58、59)、聯(lián)接螺栓(27)(33)和螺母(34、37)；球關(guān)節(jié)的凹、凸連接體(28、32)的材料是硬質(zhì)聚氯乙烯，用環(huán)氧-丁腈膠與三個空氣肌肉膠接(29、30、31)，通過螺栓(27)和螺母(34)與指末體(50)聯(lián)接，通過螺栓(33)和螺母(37)與手掌(1)聯(lián)接成一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機器人氣動靈巧手，其特征在于所述的手指上指節(jié)(14)包括指尖體(38)、指尖帽(39)；指尖體(38)與指尖帽(39)膠接成一體。指尖體(38)末端是正方體帶孔凸臺，與氣動關(guān)節(jié)凹連接體(18)的正方形帶孔凹槽相配合，用螺栓(17)和螺母(23)聯(lián)接固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機器人氣動靈巧手，其特征在于所述的手掌(1)包括手心(3)、手背(4)、引導(dǎo)總管(13)、聯(lián)接螺栓(40)(42)和螺母(41)(43)；手心(3)和手背(4)都采用空心殼體結(jié)構(gòu)，為增強手掌(1)強度，在手心(3)和手背(4)內(nèi)側(cè)設(shè)有手形加強筋(44、45)，手心(3)和手背(4)零件合成一體，組成七個正方體凹臺機械接口(5)，分別與五個手指的氣動球關(guān)節(jié)(12)和手腕接口(2)的兩個氣動球關(guān)節(jié)的正方體凸臺相接，手背上設(shè)有凹槽(46)，通過螺栓(40)和螺母(41)，聯(lián)接引導(dǎo)總管(13)，五個手指共二十五根氣壓管(4、48、25、36、53)從手背(4)的根部引出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機器人氣動靈巧手。它由一個手掌、五個手指和手腕接口組成，手指和手腕接口都連接在手掌的機械接口上。五個手指分別是拇指、食指、中指、無名指和小指，各指之間按一定夾角布置，每個手指都有三個關(guān)節(jié)和四個自由度。手腕接口用于連接手掌和機器人操作器的末端，構(gòu)成手腕關(guān)節(jié)，有兩個自由度。手背上設(shè)引導(dǎo)總管，將五個手指共二十五根氣壓管從手背的根部引出。本發(fā)明采用氣壓驅(qū)動，簡化機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊、零件易于加工、降低制造成本；同時，采用氣動柔性關(guān)節(jié)，能實現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的彎曲和側(cè)展運動，具有靈巧性，操作靈活；它有五指十六個關(guān)節(jié)和二十二個自由度，與人手生理結(jié)構(gòu)很接近，為實現(xiàn)主、從手控制操作，提供了必須的硬件接口。
文檔編號B25J17/00GK1651200SQ20051004923
公開日2005年8月10日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者楊文珍, 竺志超, 趙勻 申請人:浙江理工大學(xué)