本發(fā)明涉及用于仿人機(jī)器人的手。

背景技術(shù)：

人手是人體的極其復(fù)雜的部分。人手包括繞手掌做關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)的多個(gè)手指。而且，每個(gè)手指具有多個(gè)相互做關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)的指骨。每個(gè)關(guān)節(jié)能夠通過肌肉來移動(dòng)。手的各關(guān)節(jié)尤其使得能夠抓住各種形狀的物體。在仿人機(jī)器人中做出了若干嘗試來最佳地接近人的功能性。抓取功能是機(jī)器人系統(tǒng)最難以生成的功能之一，其需要大量的獨(dú)立致動(dòng)器來確保各種物體的抓取。從要提供的獨(dú)立致動(dòng)器的數(shù)量方面以及不得不以協(xié)調(diào)方式控制的這些不同致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方面講，這都增加了機(jī)器人的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提出一種仿人機(jī)器人的手，該手具有多個(gè)手指并且通過減少用于手的每個(gè)手指的獨(dú)立致動(dòng)器的數(shù)量而使得能夠容易地適應(yīng)各種物體的形狀。

為此目的，本發(fā)明的一個(gè)主題是用于仿人機(jī)器人的手，該手包括手掌和相對(duì)于手掌機(jī)動(dòng)化的多個(gè)手指，該手進(jìn)一步包括多個(gè)手指共用的致動(dòng)器以及使得能夠?qū)⒅聞?dòng)器施加的力朝向手指分配的分布器。

在本發(fā)明的有益的變型例中，在與致動(dòng)器施加的力所取向的方向成直角的稱為正面的平面中，限定了致動(dòng)器施加的力在分布器上的施加點(diǎn)的投影以及手指施加的力在分布器上的施加點(diǎn)的投影。在正面中限定了與正面和稱為水平面的平面的交叉線成直角的稱為豎直方向的方向，所述稱為水平面的平面包含了致動(dòng)器所施加的力取向以及手的手掌主要延伸的方向。根據(jù)該豎直方向，致動(dòng)器所施加的力在分布器上的施加點(diǎn)的投影基本定位在手指所施加的力在分布器上的施加點(diǎn)的投影的質(zhì)心處，手指所施加的力在分布器上的施加點(diǎn)的投影不是全部重合。

術(shù)語分布器經(jīng)常用于航空領(lǐng)域。類似地，分布器可理解為使得能夠分配力的任何機(jī)械零件。分配是作為機(jī)械零件上的每個(gè)力的支承點(diǎn)的幾何配置的函數(shù)而完成的。分配使得機(jī)械零件的平衡狀態(tài)守恒。當(dāng)施加到機(jī)械零件上的力緩慢地演進(jìn)時(shí)，能夠根據(jù)靜態(tài)平衡等式來確定不同的力。在本發(fā)明中，分布器使得能夠?qū)碜詥我恢聞?dòng)器的力分配給多個(gè)手指。分布器的存在使得能夠改善手對(duì)可能遇到的物體的形狀的順從性。手的順從性應(yīng)當(dāng)被理解為是指其針對(duì)施加到它上面的應(yīng)力和力進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力。

分布器的實(shí)現(xiàn)使得能夠通過再現(xiàn)接近于人類的不固定的自然運(yùn)動(dòng)而使得手閉合。通過將單一致動(dòng)器與分布器相關(guān)聯(lián)，能夠使與分布器連接的各手指的運(yùn)動(dòng)完全地同步。

包括根據(jù)本發(fā)明的手的仿人機(jī)器人也是本發(fā)明的主題。

仿人機(jī)器人應(yīng)當(dāng)被理解為顯現(xiàn)出與人體的相似性的機(jī)器人。該仿人機(jī)器人可以是身體的上部，或者僅僅是與人手類似的末端有夾具的關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)臂。在本發(fā)明中，機(jī)器人的手的操作類似于人手。根據(jù)本發(fā)明的手使得能夠借助其手指的運(yùn)動(dòng)以及它們施加到物體上的力來抓握物體。

附圖說明

通過閱讀作為實(shí)例給出的實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明將被更好的理解，并且其它優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，通過附圖來對(duì)說明書進(jìn)行解釋說明，在附圖中：

圖1示出了用于仿人機(jī)器人的手的立體表示；

圖2a，2b和2c在不同的平面圖中表示出手的分布器；

圖3a，3b和3c表示抓握物體的手；

圖4表示抓握另一物體的手；

圖5，圖6和圖7是手的多個(gè)變型例的立體表示；

圖8表示從手掌側(cè)看到的打開的手；

圖9表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的手的仿人機(jī)器人；

為了清晰，相同的元件將在不同的圖中賦予相同的標(biāo)識(shí)符。

具體實(shí)施方式

圖1表示用于仿人機(jī)器人的手10。手10包括手掌11和五個(gè)手指13至17。手指關(guān)于手掌11做關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)從而允許物體抓取在手指13至17之間。類似人手，手指13是拇指。手所抓握的物體保持在拇指13與其它的手指14至17之間。本發(fā)明不限于具有五個(gè)手指的手。手指的數(shù)量能夠減少以簡化手的設(shè)計(jì)，并且甚至能夠增加手指的數(shù)量以允許抓取特定的物體。

更一般地，本發(fā)明的手能夠通過使得能夠抓握物體的夾具形成。夾具包括至少兩個(gè)關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)手指，允許與所抓握的物體有多點(diǎn)接觸。與這些關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)手指相反，能夠布置固定的手指或者甚至布置手的手掌。

根據(jù)本發(fā)明，手10包括為多個(gè)手指共用的致動(dòng)器以及使得能夠?qū)⒅聞?dòng)器施加的力朝向手指分配的分布器。在圖1所示的示例中，手10包括兩個(gè)致動(dòng)器101和102以及兩個(gè)分布器103和104。致動(dòng)器101通過連結(jié)桿105與分布器103連接，致動(dòng)器102通過連結(jié)桿106與分布器104連接。分布器103能夠分別經(jīng)由連結(jié)桿107、108、109和110來施力于四個(gè)手指14至17上。類似地，分布器104能夠分別經(jīng)由連結(jié)桿117、118、119和120施力于四個(gè)手指14至17上。

致動(dòng)器101和102可以是諸如氣缸的直線式致動(dòng)器。在本發(fā)明的上下文中能夠?qū)崿F(xiàn)任何其它類型的致動(dòng)器，例如旋轉(zhuǎn)式致動(dòng)器或人工肌肉。

在圖1表示的示例中，分布器103和104使得能夠朝向表示食指14、中指15、無名指16和小指17的四個(gè)手指分配力。在分配中還可以包括拇指13。更一般地，一個(gè)分布器或多個(gè)分布器103和104使得能夠?qū)⒁粋€(gè)致動(dòng)器或多個(gè)致動(dòng)器101和102所施加的力朝向拇指13以及至少一個(gè)其它手指14至17分配。

兩個(gè)分布器103和104各自主要在稱為水平面的平面中延伸，該水平面包含一方向，關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器施加的力取向在該方向上并且手10的手掌主要在該方向延伸。

手指能夠通過兩個(gè)連結(jié)桿致動(dòng)，例如用于食指14的連結(jié)桿107和117，一個(gè)延伸手指14，另一個(gè)將其折疊。兩個(gè)連結(jié)桿107和117隨后以協(xié)調(diào)的方式作用。致動(dòng)器101和102也以協(xié)調(diào)的方式作用。能夠使用同時(shí)拉連結(jié)桿105或106中的一個(gè)以及推另一個(gè)的單一致動(dòng)器。手10包括兩個(gè)分布器103和104，使得能夠?qū)⑹种?4、15、16和17中的每一個(gè)機(jī)動(dòng)化。分布器103使得能夠延長與其連接的手指且因此打開手10。分布器104使得能夠折疊與其連接的手指且因此閉合手10。

限定了與手10的手掌11連接的參照系。手掌主要在稱為水平面的平面125中延伸。當(dāng)手指14至17完全展開或打開時(shí)，它們?cè)谄矫?25中延伸。在圖1所示的構(gòu)造中，分布器103和104主要在水平面125中延伸。連結(jié)桿105和106也在水平面125中延伸。因此，致動(dòng)器101和102施加力的方向包含在平面125中。

限定了與水平面125成直角以及與致動(dòng)器101和102施加的力所取向的方向成直角的正面126。

最后，稱為豎直平面的第三平面127被限定，其與平面125和126成直角。當(dāng)手指14至17閉合或伸展時(shí)，指骨基本上在豎直平面中移位。

圖2a表示其中一個(gè)分布器，例如在正面中投影的分布器103。

圖2b表示在水平面中投影的同一分布器103，圖2c表示豎直平面中的分布器103。

分布器103主要在水平面中延伸。盡管如此，分布器可相對(duì)于該平面具有一定的曲率。該曲率在圖2a中明顯可見。該圖顯示出在正面中不同的力在分布器103上的施加點(diǎn)的投影。更具體地，連結(jié)桿105、107、108、109和110可以是其端部具有突出物(outgrowth)的線纜，突出物分別是卷曲或成型到線纜端部上的135、137、138、139和140。每個(gè)線纜的突出物保持在分布器103中產(chǎn)生的通道中。力的施加點(diǎn)是突出物與分布器103的接觸點(diǎn)。致動(dòng)器101施加到分布器103上的力標(biāo)識(shí)為F5。手指14、15、16和17施加的力分別標(biāo)識(shí)為F1、F2、F3和F4。致動(dòng)器101經(jīng)由連結(jié)桿105施加的力的施加點(diǎn)具有標(biāo)識(shí)符145。通過連結(jié)桿107施加的力的施加點(diǎn)具有標(biāo)識(shí)符147。通過連結(jié)桿108施加的力的施加點(diǎn)具有標(biāo)識(shí)符148。通過連結(jié)桿109施加的力的施加點(diǎn)具有標(biāo)識(shí)符149，并且通過連結(jié)桿110施加的力的施加點(diǎn)具有標(biāo)識(shí)符150。

在正面126中，限定與正面126和水平面125的交叉線成直角的豎直方向142。致動(dòng)器101所施加的力的施加點(diǎn)145的投影有益地位于大致在手指14至17所施加的力的施加點(diǎn)137至140的投影的質(zhì)心處。

更具體地，在豎直方向142上，施加點(diǎn)145的投影的橫坐標(biāo)被限定為原點(diǎn)。施加點(diǎn)147至150的投影的橫坐標(biāo)之和是零。手指14至17施加的力F1至F4在分布器103上的施加點(diǎn)147至150在豎直方向142上的投影不全部重合。

力F1至F5在分布器103上的不同的施加點(diǎn)的該相對(duì)位置使得能夠?qū)⒎植计?03的穩(wěn)定位置保持在手10的手掌11中。實(shí)際上，手指施加在分布器103上的力F1至F4能夠根據(jù)手10所抓握的物體的形狀而演進(jìn)。如此限定的力F1至F5在分布器103上的不同的施加點(diǎn)的相對(duì)位置使得能夠?qū)⒎植计?03保持在相對(duì)于水平面125基本恒定的相對(duì)位置上。分布器103能夠沿基本上由水平面125所包含的方向進(jìn)行平移移位。

而且，限定了在圖2b中可見的正面方向152。方向152平行于致動(dòng)器101施加的力F5所取向的方向。根據(jù)正面方向152，致動(dòng)器101施加的力F5在分布器103上的施加點(diǎn)145的投影被視為原點(diǎn)，并且致動(dòng)器101拉分布器103的方向被視為正向。手指14至17施加的力F1至F4在分布器103上的施加點(diǎn)147至150的投影的橫坐標(biāo)都是負(fù)的。

力F1至F5在分布器103上的不同的施加點(diǎn)的該相對(duì)位置使得能夠避免在手10的手掌11中分布器103的任何對(duì)接。

最后，能夠限定與方向142和152成直角的第三方向162。根據(jù)方向162，通過致動(dòng)器101所施加的力的施加點(diǎn)145的投影有益地定位在施加點(diǎn)1 48和149的投影的大體中部。類似地，仍根據(jù)方向162，施加點(diǎn)145的投影有益地定位在施加點(diǎn)147和150的投影的大體中部。換言之，根據(jù)方向162，將施加點(diǎn)145的投影與其它投影分開的多個(gè)距離被限定：L1用于點(diǎn)148的投影，L2用于點(diǎn)149的投影，L3用于點(diǎn)147的投影，L4用于點(diǎn)150的投影。有益地，L1＝L2且L3＝L4。

在兩兩手指的中間的施加點(diǎn)145的位置的觀察使得能夠?qū)⒅聞?dòng)器101的力以平衡的方式朝向不同的手指14至17分配。換言之，對(duì)于致動(dòng)器101施加的給定的拉力，施加到四個(gè)手指14至17中的每一個(gè)上的力等于致動(dòng)器101所施加的力的四分之一。

無論與分布器103連接的手指的數(shù)量如何，都可以產(chǎn)生該布置。更具體地，根據(jù)方向162，致動(dòng)器101所施加的力的施加點(diǎn)145的投影位于與分布器103連接的手指14至17所施加的力的施加點(diǎn)的投影的質(zhì)心處。

與分布器連接的不同手指的力的平衡分配使得能夠采用接近于人的抓取的所抓握物體的抓取，而無論物體的形狀如何，甚至僅用單一致動(dòng)器101。

圖3a，3b和3c表示手10抓握矩形物體165，例如手機(jī)。五個(gè)手指13至17與物體165接觸。物體165的形狀需要與分布器103和104連接的手指14至17中的每一個(gè)以不同的方式折疊。更具體地，食指14略微折疊，相反，小指17大幅地折疊。在圖1中，沒有抓握物體，與分布器103和104連接的手指14至17基本上以相同的方式折疊。物體165的存在改變了手指14至17的折疊，同時(shí)保持了手指14至17中的每一個(gè)施加于物體165上的基本上恒定的力。

在分布器103與104之間施加旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)物體165。該旋轉(zhuǎn)能夠在沒有抓握物體的圖1與抓握有物體165的圖3a至3c之間看出。一個(gè)或兩個(gè)分布器的存在使得手能夠適應(yīng)所抓握的物體的形狀。

圖4表示手10抓握?qǐng)A形物體166，諸如例如燒杯。物體166僅由五個(gè)手指中的三個(gè)手指保持。物體166在一側(cè)通過拇指13保持，而在另一側(cè)由食指14和中指15保持。借助分布器103和104，其它兩個(gè)手指16和17完全地折疊以與例如手10的手掌抵接。手指14至17所施加的力的相等性在比如燒杯166的物體的情況下不是完全的。盡管如此，不同的手指14至17的力比缺少分布器的情況下更平衡。

一般地，分布器的實(shí)現(xiàn)使得能夠?qū)⑴c該分布器相關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器所施加的力分配到不同的手指上。因此，不同的手指能夠在手抓握的物體上施加大致恒定的力，即時(shí)物體的形狀是可變的。

可選地，可以移離通過將致動(dòng)器101的施加點(diǎn)145定位在與手指14至17連接的連結(jié)桿的施加點(diǎn)147至150的質(zhì)心處所獲得的平衡。例如，可以將施加點(diǎn)145朝向食指14移位并且因此向食指14分配更多的力。食指14將趨于在其它手指之前閉合。食指14隨后比其它手指施加更大的力到所抓握的物體上。

在限值處，可以將手10的食指的施加點(diǎn)147與致動(dòng)器101的施加點(diǎn)145對(duì)準(zhǔn)。這使得能夠確保物體僅抓取在拇指13與食指14之間。

圖5表示手10的變型例，其中雙作用致動(dòng)器170作用于兩個(gè)分布器103和104上。在圖1的變型例中所表示的兩個(gè)連結(jié)桿105和106由具有兩端的線纜171來取代，每端都固定到分布器103和104中之一上。更具體地，線纜的一端由突出物135形成。線纜171的另一端在圖5中不可見，其是類似的且固定到分布器104上。致動(dòng)器170為兩個(gè)分布器103和104所共用。致動(dòng)器170是例如旋轉(zhuǎn)式致動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)滑輪172旋轉(zhuǎn)。線纜171纏繞到滑輪172上?；?72的旋轉(zhuǎn)將線纜171移位，這拉動(dòng)分布器103和104中之一且推另一個(gè)。

當(dāng)兩個(gè)分布器103和104基本上平行時(shí)，線纜171在滑輪172的直徑的近似一半上與滑輪172接觸。線纜171纏繞到滑輪172上使得能夠傳遞作為與滑輪172接觸的線纜171的長度的函數(shù)的轉(zhuǎn)矩。所傳遞的轉(zhuǎn)矩也是線纜171相對(duì)于滑輪172的摩擦系數(shù)的函數(shù)，因此是為線纜171以及為滑輪172選擇的相接觸的材料的性質(zhì)的函數(shù)。能夠限定這些材料以生成轉(zhuǎn)矩限制器并且因此生成手指14至17上的力的限制器。例如，如果大的外力施加到手指14至17上，則能夠允許線纜171相對(duì)于滑輪172滑動(dòng)，尤其是保護(hù)致動(dòng)器170。

可選地，存在避免線纜171相對(duì)于滑輪172的任何滑移的期望，尤其在致動(dòng)器170設(shè)有位置傳感器而使得能夠確定手指14至17的位置的情況下。為避免任何滑移，例如能夠?qū)⒕€纜171繞滑輪172纏繞多于一圈。還可以將線纜171相對(duì)于滑輪固定。

圖6表示手10的另一變型例，僅具有由線纜175和雙作用致動(dòng)器176致動(dòng)的單一分布器103。每個(gè)手指14至17均包括彈性元件，例如趨于將手指14至17保持在極端位置(或者是折疊或延伸)的彈簧。經(jīng)由分布器103，致動(dòng)器176允許每個(gè)手指移離它的極端位置。例如，通過彈簧而保持在延伸位置的手指14至17通過致動(dòng)器176被折疊。

圖7表示圖6的變型例，其中復(fù)位彈簧是全部手指14至17所共用的。該變型例也具有兩個(gè)分布器103和104。如在圖6的變型例中，分布器103經(jīng)由線纜175與致動(dòng)器176連接。此外，分布器104經(jīng)由彈簧178與手掌11的主體連接。因此，當(dāng)致動(dòng)器176拉分布器103時(shí)，為手指14至17共用的復(fù)位力借助分布器104來施加。復(fù)位力通過分布器104分配到手指14至17上。

另一構(gòu)造包含使用兩個(gè)分布器103和104，每個(gè)分布器作用于手指14至17的不同指骨上。兩個(gè)致動(dòng)器101和102則是獨(dú)立的。

在圖5，圖6和圖7所表示的變型例中，致動(dòng)器170或176獨(dú)立于一個(gè)或多個(gè)分布器103和104而施力于拇指13上。

為此目的，在圖5的變型例中，致動(dòng)器170旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)第二滑輪180，線纜181纏繞到該第二滑輪180上，使得能夠?qū)δ粗?3傳遞力。類似線纜171，線纜181使得能夠折疊和延伸拇指13。能夠提供兩個(gè)自由滑輪182，線纜181壓到自由滑輪182上以修正其在致動(dòng)器170與拇指13之間的方向。各自與滑輪172和180相關(guān)聯(lián)的線纜171和181被構(gòu)造為通過同樣旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器170來折疊拇指13以及其它手指14至17。致動(dòng)器170的反向旋轉(zhuǎn)使得能夠延伸拇指13以及其它手指14至17。因此，單一致動(dòng)器使得能夠閉合手10或者打開在抓握的物體上的手。

拇指13和其它四個(gè)手指14至17受相同的致動(dòng)器控制的該構(gòu)造能夠調(diào)換成圖6和圖7的其它變型例。因此，在圖6的變型例中，拇指13由與致動(dòng)器176連接的線纜185獨(dú)立于分布器103來致動(dòng)。在圖7的變型例中，復(fù)位力經(jīng)由彈簧188施加到拇指13上。該復(fù)位力與線纜185施加的力相對(duì)。

有益地，手10包括限制一個(gè)或多個(gè)分布器103和104的位移的止擋件。止擋件161和162例如形成在手掌10中，在手指14和17的水平處。當(dāng)對(duì)應(yīng)的連結(jié)桿處于行程末端時(shí)，分布器103和104抵靠一個(gè)止擋件或者抵靠兩個(gè)止擋件161和162。更具體地，當(dāng)食指14延伸到期望的最大程度時(shí)，分布器104開始抵靠止擋件161。分布器104在止擋件161上的抵靠避免了食指14返回而超過其延伸位置。該返回將類似于人解剖結(jié)構(gòu)中的指骨的關(guān)節(jié)之一的脫位。換言之，抵靠到止擋件上使得能夠限制所涉及到的手指的關(guān)節(jié)的角行程。分布器104抵靠到止擋件162上使得能夠以相同的方式來限制小指17的延伸。位于末位手指14和17的水平的兩個(gè)止擋件161和162足以限制與分布器104相關(guān)聯(lián)的全部手指的延伸。類似地，分布器103也能夠支承到止擋件161和162上從而限制手指14至17的折疊。

圖8表示出從手掌側(cè)看到的打開的手。該視圖使得能夠規(guī)定與分布器連接的手指的施加點(diǎn)的位置以及手指的相互取向。更具體地，使用圖2b，已經(jīng)規(guī)定，相對(duì)于正面方向152，在分布器103上的施加點(diǎn)147至150的投影的橫坐標(biāo)均為負(fù)的。橫坐標(biāo)的原點(diǎn)是致動(dòng)器所施加的力的施加點(diǎn)145的投影。通過對(duì)正面方向152上的施加點(diǎn)147至150的投影的不同橫坐標(biāo)求差分，能夠更好地近似人的解剖結(jié)構(gòu)。更具體地，作為絕對(duì)值，小指17所施加的力F4的施加點(diǎn)150的橫坐標(biāo)最小。作為絕對(duì)值，通過中指15所施加的力F2的施加點(diǎn)148的橫坐標(biāo)最大。作為絕對(duì)值，通過食指14和無名指16所施加的力F1和F3的施加點(diǎn)147和149的橫坐標(biāo)具有位于施加點(diǎn)148的橫坐標(biāo)與施加點(diǎn)150的橫坐標(biāo)之間的中間值。

有益地，與分布器連接的四個(gè)手指14至17是相同的。這使得能夠通過標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)成它們的機(jī)械零件來簡化其制造。雖然手10的手指相同，在人手的情況下情況并非如此，通過將施加點(diǎn)147至150交錯(cuò)以及因此將手指附接到手掌11，手10能夠在手指14至17的末端的配置方面近似人的解剖結(jié)構(gòu)。

而且，可以將四個(gè)手指14至17在正面中進(jìn)行不同地定向，使得當(dāng)手指閉合時(shí)，每個(gè)手指的末端趨于朝向彼此移動(dòng)。更具體地，相對(duì)于施加力F5的方向，隨著所涉及到的手指的施加點(diǎn)移離力F5所施加的方向，與所涉及到的分布器連接的手指延伸的方向越來越大地成角度打開。當(dāng)手指延伸時(shí)，手指延伸的方向應(yīng)當(dāng)理解為手指的主方向。在表示的示例中，中指和無名指在各自與力F5所施加的方向形成近似6°的角度的方向上延伸。無名指16和小指17沿著在它們之間形成近似12°的角度的方向而延伸。類似地，食指14和中指15沿著在它們之間形成近似12°的角度的方向上延伸。在閉合時(shí)，手指的末端朝向彼此移動(dòng)，這利于抓取在四個(gè)手指14至17與拇指13之間。顯然，這些角度值純碎是以示例的方式給出的。其它值當(dāng)然是可能的。

圖8表示出具有兩個(gè)手10的仿人機(jī)器人200。