一种基于双输出缠绕绳驱动器的假肢手的制作方法

本发明涉及机械人技术领域，尤其是一种基于双输出缠绕绳驱动器的假肢手。

背景技术：

近年来，随着经济的快速发展，机器人也得到了快速发展，并广泛运用于各个领域，机械手是机器人工作的最终执行机构，其性能直接决定了机器人的工作能力。与人类相似，具有高度通用性与灵巧性的机械手的开发十分必要。

目前，在机器人灵巧手以及医疗假肢手的设计中，手指的驱动方案大体上可以分为以下几种：

1、电机、减速器以及齿轮相组合所形成的刚性驱动方案；

2、气压缸或液压缸以及与之相匹配的能源供应装置所形成的气、液驱动方案；

3、采用形状记忆合金、形状记忆聚合物作为驱动器，电机、减速器、牵引绳索相组合作为驱动器以及气动肌腱和与之相匹配的气源系统作为驱动器的类肌腱柔性驱动方案。

然而，对于第一类驱动方案来说尽管可以通过电机的正反方向的转动而实现手指绕关节的两个方向的转动，但是受到驱动以及动力传递系统自身特性的影响，在任意状态下整个手指表现出刚性特性，这使得当外界较大的冲击载荷作用于手指时会导致传手指零部件的损坏。

对于气、液驱动方案来说，其气压源或液压源的安置问题仍然是限制其在机器人灵巧手，尤其是医疗假肢手领域应用的一个关键性制约因素。

对于类肌腱柔性驱动方案来说，目前为了实现手指绕关节双向运动主要采用两种方法。第一种是两个驱动器采取拮抗式的布置方法，但是驱动器数量的增加使得整体的质量以及体积难以减小，并且增加了控制难度使得控制系统更加复杂。第二种是采用单个类肌腱驱动器与复位弹簧相结合的方法，由类肌腱驱动器实现手指的向内弯曲运动，而手指的反向复位运动则由复位弹簧实现。但是由于复位弹簧的存在驱动器的输出力一部分将会用于克服弹簧的反向拉力，从而导致了驱动器的有效作用力的减小，进一步导致指尖力的减小。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双输出缠绕绳驱动器的假肢手，本发明的假肢手可以在相同的条件下提高手指指尖的有效输出力，实现指尖力的最大化，并且由于本发明采用的缠绕绳本身的刚度系数是有限的，并且绳索的刚度可以通过调整其预缠绕的圈数来改变，这使得在受到冲击载荷作用时缠绕绳所具有的弹性能够起到一定的缓冲作用，从而在一定程度上实现了对手指的保护作用。

本发明的技术方案为：一种基于双输出缠绕绳驱动器的假肢手，包括手臂、手掌、与手掌连接的大拇指、食指、中指、无名指、小指，所述的假肢手还包括用于驱动大拇指、食指、中指、无名指、小指动作的双输出缠绕绳组件。

优选的，所述的手臂包括手臂壳体、手臂连接座，所述的手臂连接座设置在手臂壳体一端，并且所述的手臂壳体内具有一用于安装双输出缠绕绳组件的腔室。

优选的，所述的双输出缠绕绳组件包括多个缠绕绳驱动器和多对输出缠绕绳，输出端绳座、双输出绳连接座，多个缠绕绳驱动器均设置在手臂壳体的腔室内，所述的输出端绳座、双输出绳连接座安装在手臂壳体内侧壁上，多对输出缠绕绳的一端分别与相应的缠绕绳驱动器连接，然后分别穿过输出端绳座、双输出绳连接座与大拇指、食指、中指、无名指、小指连接。

优选的，所述的缠绕绳驱动器的两端的一对输出缠绕绳进行相应圈数的预缠绕，并且两根输出缠绕绳的缠绕方向相反，所述的缠绕绳驱动器动作时，绕绳驱动器其中一个输出端的输出缠绕绳的长度由于缠绕圈数的不断增加而缩短，而另一个输出端的输出缠绕绳的长度由于缠绕的圈数不断的减少而增长。

优选的，多个所述的缠绕绳驱动器包括大拇指缠绕绳驱动器、食指缠绕绳驱动器、中指缠绕绳驱动器、无名指缠绕绳驱动器；

多对所述的输出缠绕绳包括大拇指双驱动绳、食指双驱动绳、中指双驱动绳、无名指双驱动绳。

优选的，所述的大拇指缠绕绳驱动器、大拇指双驱动绳用于驱动大拇指动作，所述的食指缠绕绳驱动器、食指双驱动绳用于驱动食指动作，中指缠绕绳驱动器、中指双驱动绳用于驱动中指动作，无名指缠绕绳驱动器、无名指双驱动绳用于驱动无名指、小指动作。

优选的，所述的大拇指包括大拇指第一指节、大拇指第二指节、大拇指驱动电机、大拇指电机座、大拇指主转轴，所述的大拇指电机座设置在手掌上，所述的大拇指驱动电机设置在大拇指电机座内，所述大拇指驱动电机的电机轴输出端上设置有一蜗杆，

所述的大拇指主转轴通过大拇指轴承a和大拇指轴承b设置在手掌上，并且所述的大拇指主转轴上设置有大拇指摆臂和涡轮，所述的大拇指第二指节通过大拇指连接轴可转动的设置在大拇指摆臂上，所述的涡轮与蜗杆齿合；

所述的大拇指第一指节通过大拇指连接轴设置在大拇指第二指节上，并且所述的大拇指第一指节与大拇指和大拇指摆臂上还设置有大拇指连架杆，所述的大拇指第一指节还与大拇指双驱动绳。

优选的，所述的大拇指第二指节上还设置有大拇指绳座，所述大拇指绳座上设置有相应的通孔，所述的通孔与大拇指绳索导管连通，所述的大拇指绳索导管的另一端与输出端绳座连通，所述的大拇指绳索导管内设置有大拇指输出缠绕绳，所述的大拇指双驱动绳一端穿过大拇指绳座与大拇指第一指节连接，所述大拇指双驱动绳的另一端与大拇指缠绕绳驱动器连接。

优选的，所述的大拇指轴承a和大拇指轴承b通过拇指轴承座a和拇指轴承座b设置在手掌上。

优选的，所述的大拇指连接轴的两端上还设置有e型卡簧，通过所述的e型卡簧防止大拇指连接轴松动。

优选的，所述的食指包括食指第一指节、食指第二指节、食指基座、食指连架杆，所述的食指基座安装在手掌上，所述的食指第二指节通过食指转轴可转动的设置在食指基座上，所述的食指第一指节通过食指转轴与食指第二指节连接，所述的食指第一指节与食指基座之间还设置有食指连架杆，所述的食指第二指节还与食指双驱动绳连接。

优选的，所述的食指基座上还设置有食指导管座、两个食指驱动绳导管，所述的食指导管座通过螺钉安装在食指基座上，两个所述的食指驱动绳导管的一端安装在食指导管座的通孔内，两个所述的食指驱动绳导管的另一端安装在输出端绳座的两个圆孔之内，所述的食指双驱动绳设置在两个所述的食指驱动绳导管内，并且所述的食指双驱动绳穿过食指导管座上的通孔分别连接在食指第二指节上，所述的食指双驱动绳另一端与食指缠绕绳驱动器连接。

优选的，所述的中指、无名指、小指的结构与食指结构相似。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用了全新的双输出缠绕绳驱动器作为驱动源，该驱动器结构紧凑体积小，质量轻，便于实现灵巧手或假肢手的小型化设计；

2、本发明由于该驱动器采用的是单电机双输出的驱动方式，所以使得控制方面的难度得以大大的降低，并可降低控制系统的开发和生产成本；

3、本发明通过调整双输出的绳索的预缠绕的圈数可以实现对手指的刚度的调整，从而将外界冲击载荷作用下手指零部件的损伤降低到最小程度；同时也可以减小假肢手在抓取物体时对物体造成的损伤；

4、本发明由于手指的回复运动不需要弹簧的辅助作用，相对于采用弹簧作为反向复位驱动装置来说使得同等情况下手指的指尖力得以提升；

5、本发明通过结构上的创新设计最大限度地减小了实现基本日常生活操作功能所需要的驱动器的数量，因而降低了假肢手的生产成本；

6、本发明将“导向管”引入到假肢手的设计当中，不仅解决了传统缠绕绳驱动器只能实现沿直线方向的运动和力的传递问题，使得传递路线可以根据应用场合的要求进行布置，同时“导向管”还可以起到对绳索的保护作用，防止由于与外界的摩擦或者是接触到尖锐的物体而造成的损毁。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中a和b为本发明假肢手不同侧面的结构示意图；

图2为本发明手臂的结构示意图；

图3为本发明大拇指的结构示意图；

图4为本发明大拇指的截面示意图a；

图5为本发明大拇指的截面示意图b；

图6为本发明大拇指的截面示意图c；

图7为本发明食指的结构示意图；

图8为本发明食指的截面结构示意图，其中，a、b为不同侧面的结构图；

图9为本发明无名指和小指驱动绳的结构示意图。

图中，1-大拇指，2-食指，3-中指，4-无名指，5-小指，6-手掌，7-手臂，

1-1-大拇指轴承a、1-2-蜗轮，1-3-大拇指绳轴、1-4-大拇指摆臂，1-5-大拇指第一指节、1-6-大拇指连接轴a、1-7-大拇指连架杆、1-8-大拇指牵引绳a、1-9-大拇指第二指节、1-10-大拇指牵引绳b、1-11-大拇指导管b、1-12-大拇指绳座、1-13-大拇指电机座、1-14-大拇指驱动电机、1-15-大拇指轴承座a、1-16-大拇指主转轴、1-17-大拇指连接轴b、1-18-大拇指轴承b、1-19-大拇指导管a、1-20-大拇指轴承座b、1-22-大拇指连接轴c、1-23-蜗杆。

2-1-食指第一指节、2-2-食指转轴a，2-3-食指第二指节，2-4-食指连架杆，2-5-食指转轴b、2-6-食指基座，2-7-食指牵引绳a、2-8-食指牵引绳b、2-9-食指导管座、2-10-食指驱动绳导管a、2-11-食指驱动绳导管b、2-12-食指转轴c、2-13-食指转轴d、2-14-e形卡簧。

71-手臂壳体，72-手臂连接座，73-缠绕绳驱动器，74-输出端绳座，75-双输出绳连接座；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本实施例提供一种基于双输出缠绕绳驱动器的假肢手，如图1的a、b所示，本实施例的假肢手包括手臂7、手掌6、与手掌6连接的大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5，所述的假肢手还包括用于驱动大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5动作的双输出缠绕绳组件。

优选的，如图2所示，所述的手臂7包括手臂壳体71、手臂连接座72，所述的手臂连接座72设置在手臂壳体71一端，并且所述的手臂壳体71内具有一用于安装双输出缠绕绳组件的腔室。

优选的，所述的双输出缠绕绳组件包括多个缠绕绳驱动器73和多对输出缠绕绳，输出端绳座74、双输出绳连接座75，多个缠绕绳驱动器73均设置在手臂壳体71的腔室内，所述的输出端绳座74、双输出绳连接座75安装在手臂壳体71内侧壁上，多对输出缠绕绳的一端分别与相应的缠绕绳驱动器73连接，然后分别穿过输出端绳座74、双输出绳连接座75与大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5连接。

优选的，所述的缠绕绳驱动器73的两端的一对输出缠绕绳进行相应圈数的预缠绕，并且两根输出缠绕绳的缠绕方向相反，所述的缠绕绳驱动器73动作时，缠绕绳驱动器73其中一个输出端的输出缠绕绳的长度由于缠绕圈数的不断增加而缩短，而另一个输出端的输出缠绕绳的长度由于缠绕的圈数不断的减少而增长。

优选的，多个所述的缠绕绳驱动器73包括大拇指缠绕绳驱动器、食指缠绕绳驱动器、中指缠绕绳驱动器、无名指缠绕绳驱动器；多对所述的输出缠绕绳包括大拇指双驱动绳、食指双驱动绳、中指双驱动绳、无名指双驱动绳。

优选的，所述的大拇指缠绕绳驱动器、大拇指双驱动绳用于驱动大拇指1动作，所述的食指缠绕绳驱动器、食指双驱动绳用于驱动食指2动作，中指缠绕绳驱动器、中指双驱动绳用于驱动中指3动作，无名指缠绕绳驱动器、无名指双驱动绳用于驱动无名指4、小指5动作。

优选的，如图3-6所示，所述的大拇指1包括大拇指第一指节1-5、大拇指第二指节1-9、大拇指驱动电机1-14、大拇指电机座1-13、大拇指主转轴1-16，所述的大拇指电机座1-13通过螺钉设置在手掌6上，所述的大拇指驱动电机1-14设置在大拇指电机座1-13内，并且所述大拇指驱动电机1-14的电机轴输出端上设置有一蜗杆1-23。

所述的大拇指轴承座a1-15和大拇指轴承座b1-20通过螺钉固定的安装在手掌6上所述的大拇指轴承座a1-15和大拇指轴承座b1-20内分别设置有大拇指轴承a1-1和大拇指轴承b1-18，所述的大拇指主转轴1-16通过大拇指轴承a1-1和大拇指轴承b1-18设置在手掌6上，并且所述的大拇指主转轴1-16上设置有大拇指摆臂1-4和涡轮1-2，所述的大拇指第二指节1-9通过大拇指连接轴b1-17可转动的设置在大拇指摆臂1-4上，所述的涡轮1-2与蜗杆齿合1-23。为了防止转轴松脱，在大拇指连接轴b1-17的两端分别安装有e形卡簧。

所述的大拇指第二指节1-9上设置有大拇指绳座1-12，所述大拇指绳座1-12上设置有相应的通孔，在大拇指绳座1-12的通孔上安装有大拇指导管b1-11，该大拇指导管b1-11的另一端分别安装在输出端绳座74之上，大拇指导管b1-11内的大拇指牵引绳b1-10穿过1-12大拇指绳座1-12上的通孔连接在大拇指第一指节1-5之上。

所述的大拇指第一指节1-5通过大拇指连接轴a1-6和大拇指连接轴c1-22设置在大拇指第二指节1-9上，并且所述的大拇指第一指节1-5与大拇指摆臂1-4上还设置有大拇指连架杆1-7，所述的大拇指连架杆1-7上还设置有大拇指导管a1-19，所述的大拇指导管a1-19内设置有大拇指牵引绳a1-8，大拇指导管a1-19内的大拇指牵引绳a1-8穿过大拇指连架杆1-7内的通孔连接在大拇指第一指节1-5上。

优选的，如图7-8所示，所述的食指2包括食指第一指节2-1、食指第二指节2-3、食指基座2-6、食指连架杆2-4，所述的食指基座2-6通过螺钉安装在手掌6上，

所述的食指第二指节2-3通过食指转轴c2-12可转动的设置在食指基座2-6上，所述的食指第一指节2-1通过食指转轴a2-2与食指第二指节2-3连接，所述的食指第一指节2-1与食指基座2-6之间还设置有食指连架杆2-4，本实施例中，所述的食指第一指节2-1通过食指转轴d2-13与食指连架杆2-4连接，所述的食指连架杆2-4通过食指转轴b2-5与食指基座2-6连接。为了防止转轴松脱，在转轴的两端分别安装有e形卡簧2-14；所述的食指基座2-6上还设置有食指导管座2-9、食指驱动绳导管a2-10和食指驱动绳导管b2-11，所述的食指导管座2-9通过螺钉安装在食指基座2-6上，食指驱动绳导管a2-10和食指驱动绳导管b2-11的一端安装在食指导管座2-9的通孔内，食指驱动绳导管a2-10和食指驱动绳导管b2-11的另一端安装在输出端绳座74的两个圆孔之内，所述的食指驱动绳导管a2-10和食指驱动绳导管b2-11内安装有食指牵引绳a2-7、食指牵引绳b2-8，并且所述的食指牵引绳a2-7、食指牵引绳b2-8穿过食指导管座2-9上的通孔分别连接在食指第二指节2-3上，所述的食指牵引绳a2-7、食指牵引绳b2-8另一端与食指缠绕绳驱动器连接。

当由食指驱动绳导管a2-10引出的食指牵引绳a2-7长度缩短时，由食指驱动绳导管b2-11引出的食指牵引绳b2-8的长度增加，此时手指实现的是向内的弯曲运动，而当由食指驱动绳导管a2-10引出的食指牵引绳a2-7长度增加时，由食指驱动绳导管b2-11引出的食指牵引绳b2-8的绳索的长度缩短，此时实现的是手指的回复运动。

本实施例中，所述的中指3、无名指4、小指5的结构与食指2结构相似。本实施例不在累述。另外，本实施例中，无名指4和小指5的绳索连接方式见附图9，在手臂7内部将无名指4以及小指5的驱动绳索连接在一起并与相应驱动器的一个输出端相连接，而无名指4以及小指5的回复绳索则连接在一起再与同一个驱动器的另外一个输出端相连。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。