具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指的制作方法[0002]假手的发展终将面向用户，因此，假手商品化是其发展趋势。目前市场上应用的比较成熟的商业化假手大多只有一个自由度，每个手指没有相对运动的各个指节，并且缺少对于抓取任务来说至关重要的拇指，灵巧性和拟人性较差；近些年来，虽然也出现了一些具有仿人运动轨迹的拇指的新型假手，但是其拇指只有一个弯曲/伸展自由度，不能进行外展和内收，因此拇指与其他手指的对向性较差，抓取功能有很大局限；另外，现有的假手缺乏比较完善的感知系统不能充分感知外界环境变化，尤其是缺乏触觉感知功能；再者，现有拇指驱动通常放置于手掌内部、传动机构复杂、模块化程度低，单个手指不能独立控制，由于不具有自锁能力，续航时间短，这些因素都限制了假手的应用。
[0003]本发明为解决现有的假手拇指与其他手指的对向性较差，抓取功能存在局限性、缺乏触觉感知功能以及传动机构复杂、模块化程度低的问题，进而提供了一种具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指。[0004]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:[0005]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指包括掌骨指节、近指节和远指节，掌骨指节包括第一电机、第一减速器、固定框架、第一蜗杆、第一蜗杆轴、第一端盖、第一蜗轮、第一蜗轮盖板、掌骨关节轴、掌骨关节螺钉、掌骨基座、位置传感器、传感器固定架、第一塑料传动齿轮、第二塑料传动齿轮和传动轴；[0006]所述第一电机的输出端与第一减速器的输入端连接，第一减速器固装在固定框架上,第一蜗杆的一端与第一减速器输出轴连接，第一蜗杆的另一端设置有第一蜗杆轴，第一蜗杆轴通过轴承支撑在第一端盖上，掌骨关节轴的两端支撑在固定框架上，第一蜗轮和掌骨基座的一端均穿装在掌骨关节轴上，第一蜗轮位于掌骨基座的一端内，所述第一蜗轮与第一蜗杆啮合，掌骨关节轴的一端设置有第一蜗轮盖板，掌骨关节轴通过掌骨关节螺钉拉紧，掌骨关节轴的另一端上固套有第二塑料传动齿轮，位置传感器固定在传感器固定架上，第一塑料齿轮安装在位置传感器的传动轴上，第一塑料齿轮与位置传感器的内孔轴向固定连接，第一塑料传动齿轮和第二塑料传动齿轮相互啮合；[0007]近指节包括第二电机、第二减速器、近指节外壳、转动框架、第二蜗杆、第二蜗杆轴、第二端盖、蜗杆扣盖、第二蜗轮、第二蜗轮盖板、基关节轴、被动弹性元件、基关节螺钉和装饰盖和近指节钢丝轮；[0008]所述第二电机的输出端与第二减速器的输入端连接，第二减速器固定在转动框架上，近指节外壳固定在转动框架上且第二电机和第二减速器均位于近指节外壳内，近指节外壳的上端加工有第一圆台，第二蜗杆的一端与第二减速器的输出轴连接，第二蜗杆的另一端设置有第二蜗杆轴，第二蜗杆轴通过轴承支撑在第二端盖上，装饰盖安装在第二端盖上，蜗杆扣盖固定在转动框架上，基关节轴的两端支撑在转动框架上，第二蜗轮和掌骨基座的另一端均穿装在基关节轴上，第二蜗轮位于掌骨基座的另一端内，第二蜗轮与第二蜗杆啮合；基关节轴的一端通过第二蜗轮盖板被基关节螺钉拉紧，被动弹性元件安装在掌骨基座上并位于第二蜗轮和掌骨基座之间，近指节钢丝轮固装在第二蜗轮的侧壁上；
[0009]远指节包括指尖上盖板、指尖下盖板、中关节轴、中关节螺钉、远指节钢丝轮、扭簧、指尖位置传感器、指尖力矩传感器应变片、触觉传感器、指尖螺柱、顶针和钢丝；指尖上盖板安装在指尖下盖板上，指尖上盖板和指尖下盖板共同形成远指节外壳，指尖下盖板下部的右侧内壁上加工有第二圆台，远指节钢丝轮安装在第二圆台上，扭簧套装在指节外壳的第一圆台上，扭簧的一个扭臂嵌在近指节外壳的上部，扭簧的另一个扭臂与指尖下盖板固接，指尖力矩传感器应变片贴于指尖下盖板上端的内壁上，远指节的指肚上设置有触觉传感器，触觉传感器通过顶针限位，中关节轴的两端安装在指尖下盖板的下部，指尖位置传感器、近指节外壳的上端和远指节钢丝轮均穿装在中关节轴上，中关节轴通过中关节螺钉固定，钢丝缠绕在近指节钢丝轮和远指节钢丝轮上且钢丝的两端分别固定在近指节和远指节上，指尖螺柱通过螺钉将指尖上盖板和指尖下盖板拉紧。
[0010]本发明与现有的假手拇指相比具有以下有益效果:
[0011]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指在掌骨指节和近指节具有两套驱动机构，能够实现弯曲、伸展和外展、内收两个自由度，可以完成包括侧向捏取在内的各种典型抓取动作；
[0012]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指在远指节集成了力矩、位置和触觉三种传感器，具有力、位及触觉感知功能，能够感知力、位信息，并能利用触觉信息进行抓取力控制，防止被抓物体发生滑动；
[0013]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指基于模块化设计，可以独立运动，其远指节和近指节结构与其他手指相近，方便拆装及维护；
[0014]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指在掌骨指节和近指节均采用了蜗轮蜗杆传动机构，因此具有自锁能力，既可以在拇指转动过程中保持在任意位置，也可以在抓握物体时无需持续供电抓紧物体。



[0015]图1是本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指的初始状态示意图；图2是本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指弯曲30度后的状态示意图；图3是本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指内收到最终状态的示意图；图4为本发明
[0016]【具体实施方式】一:如图1~10所示，本实施方式的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指包括掌骨指节、近指节和远指节，掌骨指节包括第一电机1、第一减速器2、固定框架3、第一蜗杆4、第一蜗杆轴7、第一端盖8、第一蜗轮10、第一蜗轮盖板11、掌骨关节轴12、掌骨关节螺钉13、掌骨基座14、位置传感器15、传感器固定架16、第一塑料传动齿轮17、第二塑料传动齿轮18和传动轴19 ；[0017]所述第一电机I的输出端与第一减速器2的输入端连接,第一减速器2固装在固定框架3上，固定框架3与手掌固定连接，第一蜗杆4的一端与第一减速器2输出轴连接，第一蜗杆4的另一端设置有第一蜗杆轴7,第一蜗杆轴7通过轴承支撑在第一端盖8上,掌骨关节轴12的两端支撑在固定框架3上，第一蜗轮10和掌骨基座14的一端均穿装在掌骨关节轴12上，第一蜗轮10位于掌骨基座14的一端内，所述第一蜗轮10与第一蜗杆4啮合，掌骨关节轴12的一端设置有第一蜗轮盖板11，掌骨关节轴12通过掌骨关节螺钉13拉紧，掌骨关节轴12的另一端上固套有第二塑料传动齿轮18，位置传感器15固定在传感器固定架16上，第一塑料齿轮17安装在位置传感器15的传动轴19上，第一塑料齿轮17与位置传感器15的内孔轴向固定连接，第一塑料传动齿轮17和第二塑料传动齿轮18相互啮合；该固定架固定于手掌中；
[0018]近指节包括第二电机20、第二减速器21、近指节外壳22、转动框架23、第二蜗杆24、第二蜗杆轴27、第二端盖28、蜗杆扣盖30、第二蜗轮31、第二蜗轮盖板32、基关节轴33、被动弹性元件34、基关节螺钉35和装饰盖36和近指节钢丝轮；
[0019]所述第二电机20的输出端与第二减速器21的输入端连接，第二减速器21固定在转动框架23上，近指节外壳22固定在转动框架23上且第二电机20和第二减速器21均位于近指节外壳22内，近指节外壳22的上端加工有第一圆台，第二蜗杆24的一端与第二减速器21的输出轴连接，第二蜗杆24的另一端设置有第二蜗杆轴27，第二蜗杆轴27通过轴承支撑在第二端盖28上，装饰盖36安装在第二端盖28上，蜗杆扣盖30固定在转动框架23上，基关节轴33的两端支撑在转动框架23上，第二蜗轮31和掌骨基座14的另一端均穿装在基关节轴33上，第二蜗轮31位于掌骨基座14的另一端内，第二蜗轮31与第二蜗杆24啮合；基关节轴33的一端通过第二蜗轮盖板32被基关节螺钉35拉紧，被动弹性元件34安装在掌骨基座14上并位于第二蜗轮31和掌骨基座14之间，近指节钢丝轮固装在第二蜗轮31的侧壁上；
[0020]远指节包括指尖上盖板37、指尖下盖板38、中关节轴39、中关节螺钉40、远指节钢丝轮41、扭簧42、指尖位置传感器43、指尖力矩传感器应变片44、触觉传感器45、指尖螺柱46、顶针47和钢丝；指尖上盖板37安装在指尖下盖板38上，指尖上盖板37和指尖下盖板38共同形成远指节外壳，指尖下盖板38下部的右侧内壁上加工有第二圆台，远指节钢丝轮41安装在第二圆台上，扭簧42套装在指节外壳22的第一圆台上，扭簧42的一个扭臂嵌在近指节外壳22的上部，扭簧42的另一个扭臂与指尖下盖板38固接，指尖力矩传感器应变片44贴于指尖下盖板38上端的内壁上，远指节的指肚上设置有触觉传感器45，触觉传感器45通过顶针47限位，中关节轴39的两端安装在指尖下盖板38的下部，指尖位置传感器43、近指节外壳22的上端和远指节钢丝轮41均穿装在中关节轴39上，中关节轴39通过中关节螺钉40固定，钢丝缠绕在近指节钢丝轮和远指节钢丝轮41上且钢丝的两端分别固定在近指节和远指节上，指尖螺柱46通过螺钉将指尖上盖板37和指尖下盖板38拉紧。
[0021]位置传感器15采用的是MURATA公司的SVOl系列的电位计。
[0022]如图10所示，本发明的掌骨基座14 一端为掌骨指苄基座，另一端为近指苄基座。其中，近指苄基座的一端加工有凹槽，所述凹槽底面与水平面成20度角，这样可以保证拇指的初始位姿；与掌骨连接部分的中心孔为D型孔，可以保证与掌骨蜗轮10 —起转动。
[0023]本发明的具有力位及触觉感知功能的两自由度模块化假手拇指走线方式与其他四指大致相同，区别在于电源线和通讯线在依次穿过转动框架23的孔、第二端盖28的中心孔引入到装饰盖36后，先通过压线板固定在掌骨基座14的侧面，使弯曲/伸展所需线长留在此区间；再继续引线到掌骨部分的第一端盖8的孔内，由于手掌空间充足，线可沿手背板连到插座上，即外展/内收所需线长留在手掌中。
[0024]【具体实施方式】二:本实施方式第一塑料齿轮17的左侧加工有一体的“D”形圆台，“D”形圆台位于位置传感器15的内孔中。如此设计，可以使第一塑料齿轮17与位置传感器15的内孔一起转动，从而实现位置传感器的内孔与外壳的相对运动，保证其能正常工作。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:如图4所示，本实施方式所述掌骨指节还包括第一蜗杆垫片5和第一塑料套筒6，所述第一蜗杆4的一端上依次套装有第一蜗杆垫片5和第一塑料套筒6，第一蜗杆垫片5和第一塑料套筒6位于第一减速器2和固定框架3之间。如此设计，既可以有效地抵抗第一蜗杆4的较大的轴向载荷，也可以通过适当选择二者的材料确定适当的摩擦系数以减小驱动力的损耗。第一蜗杆垫片5和第一塑料套筒6还可以替换为推力轴承，虽然这样能够更好地降低摩擦损耗，但是手指尺寸会相对增加。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0026]【具体实施方式】四:如图7所示，本实施方式所述近指节还包括第二蜗杆垫片25和第二塑料套筒26，所述第二蜗杆24的一端上依次套装第二蜗杆垫片25和第二塑料套筒26，第二蜗杆垫片25和第二塑料套筒26位于第二减速器21和第二蜗杆24之间。如此设计，既可以有效地抵抗第二蜗杆24的较大的轴向载荷，也可以通过适当选择二者的材料确定适当的摩擦系数以减小驱动力的损耗。第二蜗杆垫片25和第二塑料套筒26还可以替换为推力轴承，虽然这样能够更好地降低摩擦损耗，但是手指尺寸会相对增加。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同。
[0027]【具体实施方式】五:如图4所示，本实施方式所述掌骨指节还包括第一调整垫片9，第一调整垫片9位于第一蜗杆4和第一端盖8之间。如此设计，可以调整第一蜗杆4压紧第一塑料套筒6的程度，使蜗杆能够顺畅地运转。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0028]【具体实施方式】六:如图7所示，本实施方式所述近指节还包括第二调整垫片29，第二调整垫片29位于第二蜗杆24和第二端盖28之间。如此设计，可以调整第二蜗杆24压紧第二塑料套筒26的程度，使蜗杆能够顺畅地运转。其它组成及连接关系与【具体实施方式】五相同。
[0029]工作原理:
[0030]如图1~10所示
[0031]拇指的外展、内收:掌骨指节的第一电机I输出轴驱动第一减速器2工作，第一减速器2的输出轴驱动第一蜗杆4带动第一蜗轮10转动，从而使掌骨基座14转动；
[0032] 拇指的弯曲、伸展:近指节的第二电机20输出轴驱动第二减速器21工作，第二减速器21的输出轴带动第二蜗杆24转动，近指节第二蜗轮31固定在掌骨基座14上，即第二蜗轮31相对于掌骨基座14不动，因此第二电机20、第二减速器21、近指节外壳22、转动框架23和第二蜗杆24绕第二蜗轮31开始转动，从而使近指节转动；钢丝是在两个指节的钢丝轮上缠绕的，由于钢丝长度不变，缠绕的距离就会通过拉动指尖运动来补偿，从而形成了远指节的耦合运动，远指节的复位是通过扭簧42实现的。