[发明专利]无抖动的仿生机械手

说明书

一种无抖动的仿生机械手，包括至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定；力输出线通过的路径上设有分束件，力输出线缠绕的线段在分束件处分离。分束件隔离了线段缠绕的扭矩对中指节、远指节的影响，既能分离缠绕在一起的线段，又不会阻滞力的传递，避免了手指抖动，保障力输出线的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种仿生机械，特别涉及一种无抖动的仿生机械手。

背景技术

仿生机械研究的主要领域有生物力学，控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学，生体流体力学和身体机械力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。

据统计，手是最容易受到损伤的人体器官之一，由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错，一旦受损，治疗难度很大，治疗后功能恢复也不理想。并且，不但是手本身受损会影响其运动功能，大脑、脊柱、手臂等受损，也会在不影响手的肌体时使手的运动功能丧失。

仿生手是目前日益发达的仿生机器人的关键功能性部件，现有的仿生手主要包含以下两类，第一类，功能相对灵活，但外观明显机械化，主要由刚性的连杆和铰链组成，通过连杆传动或者拉线方式实现指节之间的联动。这种仿生手的优点是可以将人手所有活动关节进行拆分，从而实现更多的自由度。使用连杆传动方式的仿生手输出的力比较大，但是连杆机构的刚度大，柔性低，重量大，外观与自然人手外观差距较大。拉线式的仿生手，其柔性高，但是输出的指力小，且拉线容易断，容易出现功能失效。第二类是外观颜色和质感都跟人手高度接近的硅胶手，这种手通过真人手倒模，再用硅胶灌注制成。但是这种手只有装饰功能，没有实质的运动功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外形接近人体肢体或者能够跟丧失运动机能的人体肢体相结合，同时又兼顾柔性和运动自由度，能够输出大指力的仿生机械。

一种仿生机械，具有至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定。

驱动电机输出的扭矩传递至力输出线，力输出线相互缠绕或者相互松开，力输出线的长度发生改变，从而使牵引部位移，整个被牵引的结构弯曲或者伸直。当力输出线抵住导线轴时，力输出线从被抵住的导线轴处转弯，也带动被牵引机构弯曲。

本发明的第一方面，其目的在于提供一种实现对机构运动的和谐生物力传递，实现符合生物力学的自然运动，避免出现违反自然生物运动的动作的导线轴位置和弹簧刚度优化方法。

该导线轴位置优化方法可用于丧失运动功能的人手和、或手臂，以连杆和弹簧重建的机械手、机械臂等。本文中将这些结构统称为被牵引机构。被牵引机构虚拟为具有连杆和弹性铰链的连杆模型。对于机械手和机械臂而言，以机械手、机械臂的连杆为连杆，机械手、机械臂的关节为弹性铰链。对于丧失运动功能的人手、手臂而言，以手骨作为连杆，以关节作为弹性铰链。

作为优选的方案，获得自然肢体运动数据库，对自然肢体建立运动模型，自然肢体的运动模型中，骨骼作为连杆，关节作为弹性铰链，肌腱作为力输出线，每个关节的参数包括肌腱长度l和关节的刚度，利用正逆运动学获得自然肢体肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系l＝f(θ_i)；使用PCA算法，获得自然肢体的第一主成分的维度方向，以及在该维度方向下肌腱运动量△l与关节角度θ的关系、以及当有多个关节时、多个关节角度之间的比例关系；

建立被牵引结构的运动模型，将运动模型的运动自由度约束在第一主成分的维度方向，运动模型包括连杆、相邻连杆之间的弹性铰链和力输出线，每个弹性铰链的参数包括两个插入点的位置和弹簧的刚度，两个插入点之间的力输出线长度表示肌腱长度；