本發(fā)明涉及用于仿人機器人的手。

背景技術：

人手是人體的極其復雜的部分。人手包括繞手掌做關節(jié)式運動的多個手指。而且，每個手指具有多個相互做關節(jié)式運動的指骨。每個關節(jié)能夠通過肌肉來機動化。手的不同的關節(jié)尤其使得能夠抓住各種形狀的物體。在仿人機器人中做出了若干嘗試來最佳地接近人的功能性。在機器人中再現(xiàn)手的移動需要大量的獨立致動器來確保各種物體的抓取。從要提供的獨立致動器的數(shù)量方面以及不得不以協(xié)調方式控制的這些不同致動器的驅動方面講，這都增加了機器人的復雜度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是簡化仿人機器人的手的生產(chǎn)，與此同時保持其抓取不同形狀的物體的適應性。

為此目的，本發(fā)明的一個主題是用于仿人機器人的手，該手包括手掌以及關于手掌關節(jié)式運動的至少一個手指，該手指包括至少一個指骨以及將指骨與手掌連接的至少一個關節(jié)，該指骨沿主方向延伸，其特征在于，該關節(jié)包括允許多個自由度的彈性接合件，該手包括用于實現(xiàn)接合件所能實現(xiàn)的自由度中的旋轉自由度的機動化裝置，機動化的旋轉自由度允許繞著與指骨的主方向成直角的軸線的相對運動，并且，通過接合件所能實現(xiàn)的自由度中的其它自由度未機動化。

手的每個手指能夠包括多個相繼排列的指骨，兩個相繼排列的指骨通過關節(jié)連接，該關節(jié)包括類似于將指骨與手掌連接的接合件的彈性接合件。

每個彈性接合件有益地具有以如下方式限定的中立位置：機動化裝置允許包括所涉及到的彈性接合件的關節(jié)在中立位置任一側的角行程。

在本發(fā)明中，各關節(jié)中彈性接合件的存在使得能夠改善手指對可能遇到的物體的形狀的順從性。手指的順從性應當理解為其針對施加到其上的應力和力進行調節(jié)的能力。

附圖說明

通過閱讀作為實例給出的實施例的詳細說明，本發(fā)明將被更好的理解，并且其它優(yōu)點將變得顯而易見，說明僅提供附圖圖示出，在附圖中：

圖1示出了用于仿人機器人的手的立體表示；

圖2是圖1的手所配備的手指的立體表示；

圖3以縱向剖面表示圖2的手指；

圖4表示圖2的手指的分解視圖；

圖5以橫向剖面表示圖2的手指；

圖6A和6B表示當其遇到障礙物時的手指的順從性。

具體實施方式

為了清晰，相同的元件將在不同的圖中賦予相同的標識符。

圖1表示用于仿人機器人的手10。手10包括手掌11和五個手指13至17。手指以允許物體抓取在手指13至17之間的方式關于手掌11做關節(jié)式運動。類似于人手，手指13是拇指。手所抓握的物體保持在拇指13與其它手指14至17之間。本發(fā)明不限于具有五個手指的手。手指的數(shù)量能夠減少以簡化手的設計，并且甚至能夠增加手指的數(shù)量以允許抓取特定的物體。

圖2示出了手10所配備的手指的立體表示。該手指是包括三個相繼排列的指骨21、22和23的食指14。指骨相對于手10的手掌11串行地關節(jié)式運動。更具體地，指骨21在手掌11上做關節(jié)式運動。指骨22在指骨21上做關節(jié)式運動。指骨23在指骨22上做關節(jié)式運動且形成手指14的自由端。三個指骨21、22和23限定在人手指的圖像中。如之前的多個手指，不偏離本發(fā)明的范圍，可以限定具有另外數(shù)量的指骨的手指，減少其數(shù)量以利于手的設計或者增加其數(shù)量以用于手的特定用途。

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而形成。夾具包括至少一個配備有多個關節(jié)式運動指骨的移動手指，允許與所抓握的物體多點接觸。面對該關節(jié)式運動手指，可以布置固定的手指或者甚至直接布置手的手掌。

從上面能夠看出，指骨21在手掌11上做關節(jié)式運動。在圖2中，可以辨別出配合件25，其用于通過例如夾子26緊固到手掌11上。手指14的關節(jié)產(chǎn)生于指骨21與配合件25之間。從功能視角看，配合件25形成手掌11的一體部分。

下面的說明描述了食指14。明顯，本發(fā)明能夠被實施用于手指14至17中的每一個以及甚至用于拇指13。

圖3以縱向剖面表示手指14。配合件25與指骨21之間的關節(jié)支承參照物(reference)27。指骨21與22之間的關節(jié)支承參照物28，指骨22與23之間的關節(jié)支承參照物29。

在所表示的示例中，其它手指13，15，16和17類似于手指14。它們各自包括多個關節(jié)式運動指骨，例如近似人的解剖結構的三個指骨。

指骨21、22和23中的每一個沿分別為31、32和33的主方向延伸。手指14包括彈性接合件，其使得能夠使指骨相互關節(jié)式運動以及第一指骨21相對于手掌11做關節(jié)式運動。接合件形成關節(jié)27、28和29。更具體地，接合件35將配合件25與第一指骨21連接，并且因此將手掌11與第一指骨21連接。接合件36將指骨21和22連接。接合件37將指骨22和23連接。接合件35允許第一指骨21與手掌11之間有多個自由度。接合件36和37允許接合件36和37中的每一個所連接的兩個相繼排列指骨之間有多個自由度。接合件35、36和37各自由嵌入剛性零件中的彈性材料塊形成，接合件布置到剛性零件之間。接合件允許其所連接的兩個剛性件之間有多個自由度，主要是三個旋轉，而且還有具有小行程的三個平移。

對于關節(jié)27、28和29中的每一個，一個旋轉被機動化，而通過所涉及到的接合件所能實現(xiàn)的其它自由度未被機動化。換言之，手10包括用于實現(xiàn)所涉及到的關節(jié)的接合件所能實現(xiàn)的自由度中的旋轉自由度的機動化裝置。

機動化旋轉繞著與兩個相鄰的指骨的主方向成直角的軸線而發(fā)生，也即，用于關節(jié)28的軸線42以及用于關節(jié)29的軸線43。對于關節(jié)27，在第一指骨21與手掌11之間，機動化旋轉繞著與方向31成直角以及與形成配合件25的主方向的軸線34成直角的軸線41而發(fā)生。主方向34相對于手掌11固定。

通過接合件所允許的不同的自由度允許手指14有適應手10可能抓住或遇到的各種物體的形狀的一定靈活性。該靈活性使得能夠改善手對其可能遇到的物體的形狀的順從性。通過本發(fā)明，手改善了其對施加到其上的應力和力進行調節(jié)的能力。

不同的彈性接合件35、36和37可以相同，并且因此具有相同的剛度?？蛇x地，不同的彈性接合件35、36和37各自具有遠離手掌11隨距離減小的剛度。該減小的剛度使得能夠調節(jié)每個指骨21，22和23施加到手10所抓握的物體上的力。

每個關節(jié)的剛度可以根據(jù)所涉及到的關節(jié)所能實現(xiàn)的自由度而不同。減小的剛度可以僅涉及到機動化的自由度和/或其它非機動化的自由度。

每個指骨均包括剛性配件。更具體地，指骨21包括剛性配件45，指骨22包括剛性配件46，指骨23包括剛性配件47。接合件35嵌入到配合件25以及剛性配件45中。接合件36嵌入到剛性配件45和46中。接合件37嵌入剛性配件46和47中。能夠在每個的嵌入件之間獲得接合件35、36和37的靈活性。能夠以例如硅酮基材料的相同材料來生產(chǎn)三個接合件35、36和37。減小的剛度能夠通過將它們相應的嵌入件之間的接合件薄化而獲得。更一般地，每個關節(jié)的剛度能夠通過定義所涉及到的接合件的形狀來獲得。

對于指骨之間的各個關節(jié)以及手掌11與第一指骨21之間的各關節(jié)，能夠自動地完成根據(jù)單個自由度的機動化。有益地，機動化裝置包括手指14的全部的關節(jié)27、28和29共用的致動器50。共用的致動器50使得能夠簡化手的設計以及驅動。連同接合件35、36和37的減小的剛度一起，通過使得能夠更好地閉合物體上手指的末端，共用的致動器50使得能夠改善手10所抓握的物體的抓取。更具體地，對于來自共同的致動器50的相同的命令，由于接合件35、36和37的減小的剛度，將獲得逐漸遠離手掌11的關節(jié)27、28和29中的每一個的增加的角位移。與共同的致動器相關聯(lián)的減小的剛度還使得能夠獲得手指的全部關節(jié)的漸進閉合和打開運動學。該運動學接近于人的手指的運動學，人的手指是通過獨立的肌肉來移動的。根據(jù)本發(fā)明的且通過單一致動器所移動的手指與同指骨具有一樣多的致動器的機動化手指相比更易于驅動。

通過實現(xiàn)共用致動器50的示范性的實施例，機動化裝置包括在每個剛性配件45、46和47以及在配合件25中引導的線纜51。線纜51通過配合件25到達第一指骨21，以及從一個指骨到與機動化的旋轉自由度的軸線相距一定距離的下一指骨。線纜51由共用致動器50致動。圖3示出了將軸線43與線纜51在指骨23的剛性配件47中的引導分開的距離d。該距離d使得能夠在線纜51由共用致動器50張緊時獲得關節(jié)29的電動機轉矩。

線纜51可以嵌入到最后一個指骨23的剛性配件47中并且僅沿著手指14的內面53，也即用于與待抓握物體接觸的面延伸到手掌11。位于手掌11中的共用致動器50則是能夠拉線纜51以閉合手指14的單作用致動器。當線纜51松弛時，接合件35、36和37的剛度使得能夠再打開手指14。可選地，共用致動器50可以是雙作用致動器。當線纜51與雙作用致動器50關聯(lián)地實現(xiàn)時，線纜51沿著內面53以及沿著手指14的與內面53相反的外面54延伸。對于手指14的兩個面53和54，線纜51能夠在距軸線41、42和43相同的距離d處延伸。雙作用致動器50則能夠在內面53那側拉線纜51以閉合手指14或者在外面54那側拉線纜51以打開手指14。

致動器50施加到線纜51上的力與不同的接合件35、36和37的彈性變形成比例。致動器能夠施加的最大力將針對完全打開的手指或者針對完全閉合的手指而獲得，也就是說，在關節(jié)27、28和29的最大角位置之一處獲得。當手指在待抓握物體上閉合時，也需要考慮期望施加到抓握的物體上以將物體保持在手10中的力。

為了限制致動器必須施加的最大力，可以限定沒有力施加到線纜51上的手指的中立位置。該中立位置取決于接合件35、36和37中的每一個靜止時的形式。例如，彈性接合件35、36和37中的每一個均具有以如下方式限定的中立位置：機動化裝置允許包括所涉及到的彈性接合件35、36或37的關節(jié)27、28或29在中立位置的任一側的角行程。

中立位置能夠定義為手指14在其兩個極端位置(朝向手10的手掌11完全折疊以及當方向31至34對準時處于最大延伸度)之間的中間行程。還可以將該中立位置移位以利于手指14朝向其延伸或者朝向其折疊的機動化運動之一。例如，為了允許來自手指的足夠的力作用在所抓握的物體上，中立位置能夠被限定為比最大延伸位置更靠近折疊極端位置。

有益地，每個指骨21、22和23均包括位于手指14的內面53上的柔性件，分別為56，57和58。例如用硅酮基材料制造的這些柔性件使得通過與手10抓握的物體接觸而變形來增加指骨21、22和23中的每一個與所抓握物體之間的接觸表面積。選擇用來生產(chǎn)柔性件56、57和58的材料可具有使得能夠改善與所抓握物體的附著性的表面性質。硅酮基材料非常適合于滿足該功能。更一般地，柔性件56、57和58使得能夠改善通過手指14對物體的抓取。

圖4示出了手指14的立體圖和分解圖。在所表示的示例中，對于指骨21、22和23中的每一個，剛性配件以兩部分形成，分別為用于剛性配件45的45a和45b、用于剛性配件46的46a和46b，以及用于剛性配件47的47a和47b。對于每個配件，兩個部分使得能夠簡化手指14的安裝從而在兩個部分之間引導線纜51。對于指骨21、22和23中的每一個，兩個部分主要在所涉及到指骨的主方向的任一側延伸。

在圖4中，顯示出在安裝之前線纜51在每個指骨的兩個部分之間引導而為直線的。線纜51包括固定到線纜51上的形成突出物(outgrowth)的端部配合件，允許每個突出物固定線纜51的一點。在所表示的示例中，線纜51能夠由鋼線束形成，三個端部配合件61、62和63成型或卷曲到該鋼線束上。端部配合件61和63各自固定到線纜51的端部之一。端部配合件61和63允許致動器50(當是雙作用時)拉線纜51的每個端部。端部配合件62使得可以將線纜51固定到最后的指骨23的剛性配件47上，端部配合件62可以大致固定到線纜51的中間或者相對于中間偏移，取決于手指14的期望的運動幅度。更具體地，端部配合件62有益地定位在最后的指骨23的端部。圖3表示處于在方向31至34對準的延伸位置與朝向手掌11折疊的位置之間的中間位置的手指14。在中間位置，允許手指14延伸的線纜51的部分51a的長度大于允許手指14的折疊的線纜51的部分51b的長度。線纜51的部分51a和51b位于端部配合件62的任一側。

可選地，可以安裝兩個不同的線纜，每個線纜朝向手指14的極端位置之一作用。兩個不同的線纜對應于零件51a和51b中的每一個。

有益地，每個指骨21、22和23均包括外殼，分別為65，66和67，外殼覆蓋手指14的外面54。

有益地，對于指骨21、22和23中的每一個，外殼和柔性件分別包括柔性件和外殼的互補形狀，其被產(chǎn)生以便產(chǎn)生配件的嵌入件?？梢酝ㄟ^對應的柔性件的變形來產(chǎn)生每個嵌入件。因此避免了對諸如螺釘?shù)墓潭ǜ郊娜魏我揽俊?/p>

圖5以橫向剖面表示在指骨21上的手指14。其它指骨22和23具有類似的剖面。

有益地，為利于其制造和組裝，對于指骨21、22和23中的每一個，柔性件以圍繞剛性配件的兩個部分形成。更具體地，柔性件56由兩個部分56a和56b形成。柔性件57由兩個部分57a和57b形成，柔性件58由兩個部分58a和58b形成。每個柔性件的兩個部分圍繞剛性配件。對于指骨21、22和23中的每一個，柔性件的兩個部分主要在所涉及到的指骨的主方向的任一側延伸。該布置明顯可見于圖5中。

有益地，通過沿縱向將它們對半組合在一起，能夠產(chǎn)生不同的柔性件和不同的接合件。彈性接合件35、36和37能夠以如下方式限定：當根據(jù)其非機動化自由度而沒有應力施加到接合件35、36和37上時，不同的指骨的主方向31、32和33以及配合件25的主方向34保持在手指14的稱為縱向平面的平面中。這是圖3的剖面平面。以對半組合在一起是在縱向平面的任一側完成的。

更具體地，關于柔性件56、57和58，接合件35、36和37能夠以兩部分制成。接合件35由兩個部分35a和35b形成。接合件36由兩個部分36a和36b形成。接合件37由兩個部分37a和37b形成。部分35a、56a、36a、57a、37a和58a能夠以例如硅酮的單一成型件制成。類似地，部分35b、56b、36b、57b、37b和58b能夠以單個件組合在一起。通過在同一機械件中組合多個功能，即改善通過手指14對物體的抓取以及手指14的每個關節(jié)的靈活性，不同的件組合在一起使得能夠簡化手指的制造。

圖6A和圖6B表示當遇到障礙物時手指的順從性。在圖6A中，手10表示為其食指延伸。物體60位于距手10一定距離處，而不碰觸到手10。手指14的機動化允許手指14在基本上與圖6A和6B的平面成直角的運動中折疊。在圖6B中，食指14進入與物體60的接觸。手10和物體60的相對運動發(fā)生在圖6A和6B的平面中。在所選的示例中，手指14的機動化不允許手避免與物體60接觸。不同的彈性接合件35、36和37變形且允許手指14由于物體60的存在而接受外應力，而不會遭受損壞或者無需配備有該手的機器人的復雜的驅動。