[发明专利]仿生机械手的高集成度拇指

权利要求书

1.一种仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：拇指具有拇指手指和手舟骨，拇指手指包括拇指掌骨，近指节和远指节，拇指掌骨与近指节通过弹性铰链铰接，近指节与远指节通过弹性铰链铰接；拇指手指上设有导线轴，拇指手指有对应的拇指驱动电机，力输出线从拇指驱动电机引出后依次经过导线轴，力输出线的远端固定于远指节；手舟骨与手掌铰接，手舟骨具有手舟骨驱动电机；

每个关节具有各自的一对导线轴和位于插入点之间的弹簧；插入点和弹簧的刚度由优化方法确定，驱动电机作为PCA分析法获得的第一主成分方向的驱动器；优化方法包括以下操作：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；其中θ_i为机械手i关节的关节角度，i为近指节-掌骨，近指节-中指节，中指节-远指节中的任意一项；

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；

将弹簧刚度和肌腱长度作为输入，将每个关节的角度作为输出，以运动模型中肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系与自然肢体中肌腱运动量△l与关节角度θ之间的关系差距最小作为目标，不断调整插入点位置和弹簧刚度，迭代计算，直到目标达成；输出插入点位置和弹簧刚度，导线轴位置和弹簧刚度优化完成。

2.如权利要求1所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手舟骨的力输出线的近端穿过手舟骨驱动电机的输出轴，远端设置在手舟骨上；手心骨架上设置开口，拇指在该开口的区域内。

3.如权利要求1所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手舟骨电机的输出轴作为手舟骨与手掌的铰链销轴。

4.如权利要求3所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手掌上设置固定座，固定座与手舟骨电机外壳固定；手舟骨靠近固定座的一端设置通孔，该通孔与手舟骨电机外壳间隙配合；手舟骨的另一端与手舟骨电机的输出轴固定。

5.如权利要求1所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：拇指1与手心骨架相连，手心骨架上的开口提供拇指的活动空间。

6.如权利要求5所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手心骨架上的开口上覆盖有软垫。软垫相当于手掌肌肉，起到防滑和缓冲的作用。

7.如权利要求1所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：拇指1掌骨通过手舟骨与手背骨架相连，手背骨架上设有手舟骨连接座，手舟骨包括与手舟骨连接座铰接的第一连接部和与拇指掌骨铰接的第二连接部，手舟骨的力输出线绑在第二连接部上。

8.如权利要求5所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：第一连接部中的销轴轴向与第二连接部中的销轴轴向呈夹角。第一连接部朝向四指的方向，第二连接部朝向手心的方向，因此手舟骨驱动电机控制力输出线的长度，实现拇指向四指靠拢的动作；和/或拇指掌骨内设有拇指驱动电机的容腔。

9.如权利要求6所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手舟骨连接座包括底座和跟手舟骨连接的铰接部，铰接部位于底座的基面上，基面呈外低内高的斜面；和/或手舟骨连接座与手舟骨铰接的销轴朝向四指方向，手舟骨与拇指掌骨铰接的销轴跟拇指掌骨与近指节铰接的销轴平行。

10.如权利要求1或2所述的仿生机械手的高集成度拇指，其特征在于：手背骨架上设置手舟骨连接座的第一部分，手背骨架上设置手舟骨连接座的第二部分，舟骨连接座的第一部分、第二部分和手舟骨的第一连接部通过销轴铰接，销轴上设有扭簧；手掌内设置手舟骨驱动电机。