用于设在仿人机器人上的具有改进的手指的手

摘要

本发明涉及一种用于设在仿人机器人上的手。手包括手掌以及与手掌做关节式运动的至少一个手指(14)，手指(14)包括至少一个指骨(21，22，23)以及将指骨(21，22，23)与手掌连接的关节(27，28，29)，该指骨(21，22，23)沿主方向(31，32，33)延伸。根据本发明，关节(27，28，29)包括允许多个自由度的弹性接合件(35，36，37)。手包括用于使通过接合部分(35，36，37)所能实现的自由度中的一个旋转自由度机动化的机动化装置(50，51)，所述机动化的旋转自由度允许绕着与指骨(21，22，23)的主方向(31，32，33)垂直的轴(41，42，43)的相对运动。通过接合部分(35，36，37)所能实现的自由度中的其它自由度未机动化。

说明书

技术领域

本发明涉及用于仿人机器人的手。

背景技术

人手是人体的极其复杂的部分。人手包括绕手掌做关节式运动的多个手指。而且，每个手指具有多个相互做关节式运动的指骨。每个关节能够通过肌肉来机动化。手的不同的关节尤其使得能够抓住各种形状的物体。在仿人机器人中做出了若干尝试来最佳地接近人的功能性。在机器人中再现手的移动需要大量的独立致动器来确保各种物体的抓取。从要提供的独立致动器的数量方面以及不得不以协调方式控制的这些不同致动器的驱动方面讲，这都增加了机器人的复杂度。

发明内容

本发明目的是简化仿人机器人的手的生产，与此同时保持其抓取不同形状的物体的适应性。

为此目的，本发明的一个主题是用于仿人机器人的手，该手包括手掌以及关于手掌关节式运动的至少一个手指，该手指包括至少一个指骨以及将指骨与手掌连接的至少一个关节，该指骨沿主方向延伸，其特征在于，该关节包括允许多个自由度的弹性接合件，该手包括用于实现接合件所能实现的自由度中的旋转自由度的机动化装置，机动化的旋转自由度允许绕着与指骨的主方向成直角的轴线的相对运动，并且，通过接合件所能实现的自由度中的其它自由度未机动化。

手的每个手指能够包括多个相继排列的指骨，两个相继排列的指骨通过关节连接，该关节包括类似于将指骨与手掌连接的接合件的弹性接合件。

每个弹性接合件有益地具有以如下方式限定的中立位置：机动化装置允许包括所涉及到的弹性接合件的关节在中立位置任一侧的角行程。

在本发明中，各关节中弹性接合件的存在使得能够改善手指对可能遇到的物体的形状的顺从性。手指的顺从性应当理解为其针对施加到其上的应力和力进行调节的能力。

附图说明

通过阅读作为实例给出的实施例的详细说明，本发明将被更好的理解，并且其它优点将变得显而易见，说明仅提供附图图示出，在附图中：

图1示出了用于仿人机器人的手的立体表示；

图2是图1的手所配备的手指的立体表示；

图3以纵向剖面表示图2的手指；

图4表示图2的手指的分解视图；

图5以横向剖面表示图2的手指；

图6A和6B表示当其遇到障碍物时的手指的顺从性。

具体实施方式

为了清晰，相同的元件将在不同的图中赋予相同的标识符。

图1表示用于仿人机器人的手10。手10包括手掌11和五个手指13至17。手指以允许物体抓取在手指13至17之间的方式关于手掌11做关节式运动。类似于人手，手指13是拇指。手所抓握的物体保持在拇指13与其它手指14至17之间。本发明不限于具有五个手指的手。手指的数量能够减少以简化手的设计，并且甚至能够增加手指的数量以允许抓取特定的物体。

图2示出了手10所配备的手指的立体表示。该手指是包括三个相继排列的指骨21、22和23的食指14。指骨相对于手10的手掌11串行地关节式运动。更具体地，指骨21在手掌11上做关节式运动。指骨22在指骨21上做关节式运动。指骨23在指骨22上做关节式运动且形成手指14的自由端。三个指骨21、22和23限定在人手指的图像中。如之前的多个手指，不偏离本发明的范围，可以限定具有另外数量的指骨的手指，减少其数量以利于手的设计或者增加其数量以用于手的特定用途。

更一般地，本发明的手能够通过使得能够抓握物体的夹具而形成。夹具包括至少一个配备有多个关节式运动指骨的移动手指，允许与所抓握的物体多点接触。面对该关节式运动手指，可以布置固定的手指或者甚至直接布置手的手掌。

从上面能够看出，指骨21在手掌11上做关节式运动。在图2中，可以辨别出配合件25，其用于通过例如夹子26紧固到手掌11上。手指14的关节产生于指骨21与配合件25之间。从功能视角看，配合件25形成手掌11的一体部分。

下面的说明描述了食指14。明显，本发明能够被实施用于手指14至17中的每一个以及甚至用于拇指13。

图3以纵向剖面表示手指14。配合件25与指骨21之间的关节支承参照物(reference)27。指骨21与22之间的关节支承参照物28，指骨22与23之间的关节支承参照物29。

在所表示的示例中，其它手指13，15，16和17类似于手指14。它们各自包括多个关节式运动指骨，例如近似人的解剖结构的三个指骨。

指骨21、22和23中的每一个沿分别为31、32和33的主方向延伸。手指14包括弹性接合件，其使得能够使指骨相互关节式运动以及第一指骨21相对于手掌11做关节式运动。接合件形成关节27、28和29。更具体地，接合件35将配合件25与第一指骨21连接，并且因此将手掌11与第一指骨21连接。接合件36将指骨21和22连接。接合件37将指骨22和23连接。接合件35允许第一指骨21与手掌11之间有多个自由度。接合件36和37允许接合件36和37中的每一个所连接的两个相继排列指骨之间有多个自由度。接合件35、36和37各自由嵌入刚性零件中的弹性材料块形成，接合件布置到刚性零件之间。接合件允许其所连接的两个刚性件之间有多个自由度，主要是三个旋转，而且还有具有小行程的三个平移。

对于关节27、28和29中的每一个，一个旋转被机动化，而通过所涉及到的接合件所能实现的其它自由度未被机动化。换言之，手10包括用于实现所涉及到的关节的接合件所能实现的自由度中的旋转自由度的机动化装置。

机动化旋转绕着与两个相邻的指骨的主方向成直角的轴线而发生，也即，用于关节28的轴线42以及用于关节29的轴线43。对于关节27，在第一指骨21与手掌11之间，机动化旋转绕着与方向31成直角以及与形成配合件25的主方向的轴线34成直角的轴线41而发生。主方向34相对于手掌11固定。

通过接合件所允许的不同的自由度允许手指14有适应手10可能抓住或遇到的各种物体的形状的一定灵活性。该灵活性使得能够改善手对其可能遇到的物体的形状的顺从性。通过本发明，手改善了其对施加到其上的应力和力进行调节的能力。

不同的弹性接合件35、36和37可以相同，并且因此具有相同的刚度。可选地，不同的弹性接合件35、36和37各自具有远离手掌11随距离减小的刚度。该减小的刚度使得能够调节每个指骨21，22和23施加到手10所抓握的物体上的力。

每个关节的刚度可以根据所涉及到的关节所能实现的自由度而不同。减小的刚度可以仅涉及到机动化的自由度和/或其它非机动化的自由度。

每个指骨均包括刚性配件。更具体地，指骨21包括刚性配件45，指骨22包括刚性配件46，指骨23包括刚性配件47。接合件35嵌入到配合件25以及刚性配件45中。接合件36嵌入到刚性配件45和46中。接合件37嵌入刚性配件46和47中。能够在每个的嵌入件之间获得接合件35、36和37的灵活性。能够以例如硅酮基材料的相同材料来生产三个接合件35、36和37。减小的刚度能够通过将它们相应的嵌入件之间的接合件薄化而获得。更一般地，每个关节的刚度能够通过定义所涉及到的接合件的形状来获得。

对于指骨之间的各个关节以及手掌11与第一指骨21之间的各关节，能够自动地完成根据单个自由度的机动化。有益地，机动化装置包括手指14的全部的关节27、28和29共用的致动器50。共用的致动器50使得能够简化手的设计以及驱动。连同接合件35、36和37的减小的刚度一起，通过使得能够更好地闭合物体上手指的末端，共用的致动器50使得能够改善手10所抓握的物体的抓取。更具体地，对于来自共同的致动器50的相同的命令，由于接合件35、36和37的减小的刚度，将获得逐渐远离手掌11的关节27、28和29中的每一个的增加的角位移。与共同的致动器相关联的减小的刚度还使得能够获得手指的全部关节的渐进闭合和打开运动学。该运动学接近于人的手指的运动学，人的手指是通过独立的肌肉来移动的。根据本发明的且通过单一致动器所移动的手指与同指骨具有一样多的致动器的机动化手指相比更易于驱动。

通过实现共用致动器50的示范性的实施例，机动化装置包括在每个刚性配件45、46和47以及在配合件25中引导的线缆51。线缆51通过配合件25到达第一指骨21，以及从一个指骨到与机动化的旋转自由度的轴线相距一定距离的下一指骨。线缆51由共用致动器50致动。图3示出了将轴线43与线缆51在指骨23的刚性配件47中的引导分开的距离d。该距离d使得能够在线缆51由共用致动器50张紧时获得关节29的电动机转矩。

线缆51可以嵌入到最后一个指骨23的刚性配件47中并且仅沿着手指14的内面53，也即用于与待抓握物体接触的面延伸到手掌11。位于手掌11中的共用致动器50则是能够拉线缆51以闭合手指14的单作用致动器。当线缆51松弛时，接合件35、36和37的刚度使得能够再打开手指14。可选地，共用致动器50可以是双作用致动器。当线缆51与双作用致动器50关联地实现时，线缆51沿着内面53以及沿着手指14的与内面53相反的外面54延伸。对于手指14的两个面53和54，线缆51能够在距轴线41、42和43相同的距离d处延伸。双作用致动器50则能够在内面53那侧拉线缆51以闭合手指14或者在外面54那侧拉线缆51以打开手指14。

致动器50施加到线缆51上的力与不同的接合件35、36和37的弹性变形成比例。致动器能够施加的最大力将针对完全打开的手指或者针对完全闭合的手指而获得，也就是说，在关节27、28和29的最大角位置之一处获得。当手指在待抓握物体上闭合时，也需要考虑期望施加到抓握的物体上以将物体保持在手10中的力。

为了限制致动器必须施加的最大力，可以限定没有力施加到线缆51上的手指的中立位置。该中立位置取决于接合件35、36和37中的每一个静止时的形式。例如，弹性接合件35、36和37中的每一个均具有以如下方式限定的中立位置：机动化装置允许包括所涉及到的弹性接合件35、36或37的关节27、28或29在中立位置的任一侧的角行程。

中立位置能够定义为手指14在其两个极端位置(朝向手10的手掌11完全折叠以及当方向31至34对准时处于最大延伸度)之间的中间行程。还可以将该中立位置移位以利于手指14朝向其延伸或者朝向其折叠的机动化运动之一。例如，为了允许来自手指的足够的力作用在所抓握的物体上，中立位置能够被限定为比最大延伸位置更靠近折叠极端位置。

有益地，每个指骨21、22和23均包括位于手指14的内面53上的柔性件，分别为56，57和58。例如用硅酮基材料制造的这些柔性件使得通过与手10抓握的物体接触而变形来增加指骨21、22和23中的每一个与所抓握物体之间的接触表面积。选择用来生产柔性件56、57和58的材料可具有使得能够改善与所抓握物体的附着性的表面性质。硅酮基材料非常适合于满足该功能。更一般地，柔性件56、57和58使得能够改善通过手指14对物体的抓取。

图4示出了手指14的立体图和分解图。在所表示的示例中，对于指骨21、22和23中的每一个，刚性配件以两部分形成，分别为用于刚性配件45的45a和45b、用于刚性配件46的46a和46b，以及用于刚性配件47的47a和47b。对于每个配件，两个部分使得能够简化手指14的安装从而在两个部分之间引导线缆51。对于指骨21、22和23中的每一个，两个部分主要在所涉及到指骨的主方向的任一侧延伸。

在图4中，显示出在安装之前线缆51在每个指骨的两个部分之间引导而为直线的。线缆51包括固定到线缆51上的形成突出物(outgrowth)的端部配合件，允许每个突出物固定线缆51的一点。在所表示的示例中，线缆51能够由钢线束形成，三个端部配合件61、62和63成型或卷曲到该钢线束上。端部配合件61和63各自固定到线缆51的端部之一。端部配合件61和63允许致动器50(当是双作用时)拉线缆51的每个端部。端部配合件62使得可以将线缆51固定到最后的指骨23的刚性配件47上，端部配合件62可以大致固定到线缆51的中间或者相对于中间偏移，取决于手指14的期望的运动幅度。更具体地，端部配合件62有益地定位在最后的指骨23的端部。图3表示处于在方向31至34对准的延伸位置与朝向手掌11折叠的位置之间的中间位置的手指14。在中间位置，允许手指14延伸的线缆51的部分51a的长度大于允许手指14的折叠的线缆51的部分51b的长度。线缆51的部分51a和51b位于端部配合件62的任一侧。

可选地，可以安装两个不同的线缆，每个线缆朝向手指14的极端位置之一作用。两个不同的线缆对应于零件51a和51b中的每一个。

有益地，每个指骨21、22和23均包括外壳，分别为65，66和67，外壳覆盖手指14的外面54。

有益地，对于指骨21、22和23中的每一个，外壳和柔性件分别包括柔性件和外壳的互补形状，其被产生以便产生配件的嵌入件。可以通过对应的柔性件的变形来产生每个嵌入件。因此避免了对诸如螺钉的固定附件的任何依靠。

图5以横向剖面表示在指骨21上的手指14。其它指骨22和23具有类似的剖面。

有益地，为利于其制造和组装，对于指骨21、22和23中的每一个，柔性件以围绕刚性配件的两个部分形成。更具体地，柔性件56由两个部分56a和56b形成。柔性件57由两个部分57a和57b形成，柔性件58由两个部分58a和58b形成。每个柔性件的两个部分围绕刚性配件。对于指骨21、22和23中的每一个，柔性件的两个部分主要在所涉及到的指骨的主方向的任一侧延伸。该布置明显可见于图5中。

有益地，通过沿纵向将它们对半组合在一起，能够产生不同的柔性件和不同的接合件。弹性接合件35、36和37能够以如下方式限定：当根据其非机动化自由度而没有应力施加到接合件35、36和37上时，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的称为纵向平面的平面中。这是图3的剖面平面。以对半组合在一起是在纵向平面的任一侧完成的。

更具体地，关于柔性件56、57和58，接合件35、36和37能够以两部分制成。接合件35由两个部分35a和35b形成。接合件36由两个部分36a和36b形成。接合件37由两个部分37a和37b形成。部分35a、56a、36a、57a、37a和58a能够以例如硅酮的单一成型件制成。类似地，部分35b、56b、36b、57b、37b和58b能够以单个件组合在一起。通过在同一机械件中组合多个功能，即改善通过手指14对物体的抓取以及手指14的每个关节的灵活性，不同的件组合在一起使得能够简化手指的制造。

图6A和图6B表示当遇到障碍物时手指的顺从性。在图6A中，手10表示为其食指延伸。物体60位于距手10一定距离处，而不碰触到手10。手指14的机动化允许手指14在基本上与图6A和6B的平面成直角的运动中折叠。在图6B中，食指14进入与物体60的接触。手10和物体60的相对运动发生在图6A和6B的平面中。在所选的示例中，手指14的机动化不允许手避免与物体60接触。不同的弹性接合件35、36和37变形且允许手指14由于物体60的存在而接受外应力，而不会遭受损坏或者无需配备有该手的机器人的复杂的驱动。