(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 可 (10)申请公布号CN104942791A (43)申请公布日2015.09.30 (21)申请号201510332488.2 (22)申请日2015.06.16 (71)申请人浙江理工大学 地址310018浙江省杭州市下沙高教园区白 杨街道2号大街5号 (72)发明人金英子向新贤毛文波林哲 林培锋 (74)专利代理机构杭州九洲专利事务所有限公 司33101 代理人王洪新 (51)nt.Cl. B25J9/00(2006.01) B25J9/142006.01) B25J1700(2006.01) B25J15/10(2006.01) 权利要求书2页说明书5页附图9页 (54)发明名称 一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生 机械手 (57)摘要 本发明涉及一种绳牵引和气动肌肉驱动的多 自由度仿生机械手。目的是提供的机械手具有仿 生的基本功能，具有灵巧、安全、体积小、力重比 大、易制造、节能、环保、柔顺的特点。技术方案是： 一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械 手，其特征在于：包括机械手机构、为机械手机构 提供动力的人工肌肉系统、将动力传递给机械手 机构的绳牵引系统以及控制人工肌肉系统动作的 气路回路控制系统。 16LZ660I 石
CN104942791A 权利要求书 1/2页 1.一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征在于：包括机械手机 构、为机械手机构提供动力的人工肌肉系统、将动力传递给机械手机构的绳牵引系统以及 控制人工肌肉系统动作的气路回路控制系统； 所述机械手机构包括一端可活动地定位在固定支架(1)上，另一端和虎克较一（⑤）连 接的旋转支架(3)、与肩关节(6)相连接的机械上臂(8)、通过肘关节(10)可活动地定位在 机械上臂的机械下臂(11)、通过腕关节一(16)和腕关节二(17)可活动地定位在机械下臂 的手组件(18)以及可活动地并联定位在手组件的手掌(19)上的五根手指： 所述人工肌肉系统包括驱动机械上臂的第一气动肌肉(2)、第二气动肌肉(4)，驱动机 械下臂的第三气动肌肉(7)，驱动腕关节一(16)、腕关节二（17)、五根手指的一组第四气动 肌肉(13)； 所述绳牵引系统包括分别用于牵引旋转支架、腕关节一、腕关节二及五根手指运动的 若干绳子(43)。 2.根据权利要求1所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：所述旋转支架(3)的一端通过轴承可活动地定位在固定支架(1)上，所述肩关节(6) 和虎克铰一（⑤）固定在一起，并通过虎克铰一（⑤）可活动地定位在旋转支架的另一端：所述 机械上臂(8)的一端连接肩关节(6)，另一端通过虎克铰二(9)可转动地连接时关节(10)。 3.根据权利要求2所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特 征在于：所述第一气动肌肉的一端可转动地定位在固定支架上，另一端连接绳子，通过绳子 的牵引来驱动旋转支架(3)的旋转滑轮(41)，使旋转支架绕滑轮轴线实现一个自由度的转 动：所述第二气动肌肉的一端定位在旋转支架的圆盘(42-1)上，另一端通过驱动虎克铰 来实现肩关节以及机械上臂的前后屈伸和左右收展两个自由度的运动。 4.根据权利要求3所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特 征在于：所述机械下臂的一端固定在肘关节上，另一端通过腕关节一和腕关节二连接手掌； 所述第四气动肌肉一端可转动地定位在肌肉固定架(12)的一端，另一端连接绳子，在绳子 的牵引下来实现腕关节一的左右旋转和腕关节二的上下抬升两个自由度的运动。 5.根据权利要求4所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：所述第三气动肌肉的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克铰二驱动肘关 节，实现肘关节的前后伸展和左右旋转两个自由度的运动。 6.根据权利要求5所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：所述手掌(19)通过腕关节轴二(26)可转动地与支撑座(15)连接，支撑座通过腕关 节轴一(27)可转动地定位在手腕(14)上。 7.根据权利要求6所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：所述五个手指中的拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)和小指(25)各自由 若干个指节通过手指轴铰较接形成，并且各手指通过根部的手指轴一(31)可转动地并联铰 接在手掌上，同一手指中，手指轴一(31)的轴线和其它手指轴的轴线垂直： 所述五个手指中，拇指的手指轴一(31)的轴线和手掌的上下面平行，拇指其它的手指 轴轴线和手掌上下面所在的平面垂直。 8.根据权利要求7所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：所述指节的两个铰接端中，其中一个铰较接端固定一滑轮：每一滑轮上均缠绕一通过 2
CN104942791A 权利要求书 2/2页 牵引滑轮进而驱使指节运动的绳子，该绳子的两端分别穿过各指节中的导丝孔(44)、手掌 上的绕线轮(20)、手掌导线孔(45)、手腕以及肌肉固定架的形状盘后再分别与相应的第四 气动肌肉的一端连接，以实现每根手指三个自由度的仿生运动。 9.根据权利要求8所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征 在于：每根手指的中指节(37)和远指节(40)耦合，中指节一端的双滑轮(38)和远指节一 端的远滑轮(39)通过绳子牵引，当双滑轮绕其轴线转动时，在绳子的牵引下，远滑轮也会 产生相应的转动。 10.根据权利要求9所述的一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特 征在于：所述的肌肉固定架上有两个所述形状盘，两个形状盘上都有一组小孔，其中一个盘 上的小孔用来定位第四气动肌肉，另一盘上的小孔用来作为绳子的导向孔(46)。 3
CN104942791A 说明书 1/5页 一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手 技术领域 [0001] 本发明涉及仿生机械手技术领域，具体涉及一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由 度仿生机械手。 背景技术 [0002] 传统的机械手，其驱动方式大多为电机、液压驱动，通常自由度较少、体积较大、笨 重、且不具备柔顺性，这些缺陷使其应用范围较窄。 [0003] 随着电子技术和机器人仿生学的不断发展，对于气动肌肉仿生机械手的研究越来 越普遍。气动肌肉仿生机械手具有质轻、灵巧的优点，使其在医学、服务等领域得到了广泛 的应用，是技术发展的方向。 发明内容 [0004] 本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种多自由度仿生机械手，该 机械手具有仿生的基本功能，具有灵巧、安全、体积小、力重比大、易制造、节能、环保、柔顺 的特点。 [0005]本发明采用了以下技术方案：一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械 手，其特征在于：包括机械手机构、为机械手机构提供动力的人工肌肉系统、将动力传递给 机械手机构的绳牵引系统以及控制人工肌肉系统动作的气路回路控制系统： [0006]所述机械手机构包括一端可活动地定位在固定支架上，另一端和虎克铰一连接的 旋转支架、与肩关节相连接的机械上臂、通过肘关节可活动地定位在机械上臂的机械下臂、 通过腕关节一和腕关节二可活动地定位在机械下臂的手组件以及可活动地并联定位在手 组件的手掌上的五根手指： [0007]所述人工肌肉系统包括驱动机械上臂的第一气动肌肉、第二气动肌肉，驱动机械 下臂的第三气动肌肉，驱动腕关节一、腕关节二、五根手指的一组第四气动肌肉： [0008]所述绳牵引系统包括分别用于牵引旋转支架、腕关节一、腕关节二及五根手指运 动的若干绳子。 [0009]作为优选，所述旋转支架的一端通过轴承可活动地定位在固定支架上，所述肩关 节和虎克铰一固定在一起，并通过虎克铰一可活动地定位在旋转支架的另一端：所述机械 上臂的一端连接肩关节，另一端通过虎克铰二可转动地连接肘关节。 [0010]作为优选，所述第一气动肌肉的一端可转动地定位在固定支架上，另一端连接绳 子，通过绳子的牵引来驱动旋转支架的旋转滑轮，使旋转支架绕滑轮轴线实现一个自由度 的转动：所述第二气动肌肉的一端定位在旋转支架的圆盘42-1上，另一端通过驱动虎克铰 一来实现肩关节以及机械上臂的前后屈伸和左右收展两个自由度的运动。 [0011]作为优选，所述机械下臂的一端固定在肘关节上，另一端通过腕关节一和腕关节 二连接手掌；所述第四气动肌肉一端可转动地定位在肌肉固定架的一端，另一端连接绳子， 在绳子的牵引下来实现腕关节一的左右旋转和腕关节二的上下抬升两个自由度的运动。 4
CN104942791A 说 明书 2/5页 [0012] 作为优选，所述第三气动肌肉的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克 铰二驱动肘关节，实现肘关节的前后伸展和左右旋转两个自由度的运动。 [0013]作为优选，所述手掌通过腕关节轴二可转动地与支撑座连接，支撑座通过腕关节 轴一可转动地定位在手腕上。 [0014] 作为优选，所述五个手指中的拇指、食指、中指、无名指和小指各自由若干个指节 通过手指轴较接形成，并且各手指通过根部的手指轴一可转动地并联铰接在手掌上，同一 手指中，手指轴一的轴线和其它手指轴的轴线垂直： [0015] 所述五个手指中，拇指的手指轴一的轴线和手掌的上下面平行，拇指其它的手指 轴轴线和手掌上下面所在的平面垂直。 [0016]作为优选，所述指节的两个铰接端中，其中一个铰接端固定一滑轮：每一滑轮上 均缠绕一通过牵引滑轮进而驱使指节运动的绳子，该绳子的两端分别穿过各指节中的导丝 孔、手掌上的绕线轮、手掌导线孔、手腕以及肌肉固定架的形状盘后再分别与相应的第四气 动肌肉的一端连接，以实现每根手指三个自由度的仿生运动。 [0017] 作为优选，每根手指的中指节和远指节耦合，中指节一端的双滑轮和远指节一端 的远滑轮通过绳子牵引，当双滑轮绕其轴线转动时，在绳子的牵引下，远滑轮也会产生相应 的转动。 [0018]作为优选，所述的肌肉固定架上有两个所述形状盘，两个形状盘上都有一组小孔， 其中一个盘上的小孔用来定位第四气动肌肉，另一盘上的小孔用来作为绳子的导向孔。 [0019]本发明的工作原理是：当气路回路中充入不同量的空气时，各气动肌肉产生不同 的轴向拉力，使得手臂各关节发生相应的运动。手各机构的运动是通过气动肌肉拉动绳子， 在绳子的牵引下，带动滑轮，使手腕和各手指产生仿生运动。因此，通过控制气动肌肉内的 压力来实现机械手各机构的运动，再经过PID的模糊整定，不断调节，使机械手达到理想的 运动状态。 [0020]本发明的有益效果是：采用气动肌肉、简单的并联机构、气动回路控制系统，绳牵 引系统实现了人体手臂和手的仿生运动。此外该仿生机械手具有自由度多、质量轻、驱动器 力重比较大、柔顺、末端执行器灵巧、运动范围大等优点，这些使得它的通用性较强，可以在 仿生、康复、服务、工业等领域被应用。 附图说明 [0021] 图1为本发明整体的立体结构示意图： [0022] 图2为本发明的部分机构的立体结构示意图一： [0023] 图3为本发明的部分机构的立体结构示意图二： [0024] 图4为本发明的部分机构的立体结构示意图三： [0025] 图5为本发明中手组件的立体结构示意图一： [0026] 图6为本发明中手组件的立体结构示意图二： [0027] 图7为本发明中手指的立体结构示意图； [0028] 图8为本发明中手组件的动力传递关系示意图： [0029] 图9为本发明的气路回路控制系统示意图； [0030] 图10为本发明的控制流程图。 5