CN121316001A - 拇指机构及仿人机械手 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种拇指机构及仿人机械手。拇指机构包括依次连接的腕掌驱动模组、掌指驱动模组、近端指节模组和远端指节模组；拇指机构具有至少五个转动自由度；腕掌驱动模组设置于手掌组件，用于驱动掌指驱动模组相对手掌组件绕第一轴线转动，模拟腕掌外展和内收运动；掌指驱动模组用于驱动自身相对腕掌驱动模组绕第二轴线转动，模拟掌骨屈伸运动，及驱动近端指节模组相对掌指驱动模组绕第三轴线转动，模拟近端指节旋转运动；近端指节模组用于驱动自身相对掌指驱动模组绕第四轴线转动，模拟近端指节屈伸运动，及驱动远端指节模组相对近端指节模组绕第五轴线转动，模拟远端指节屈伸运动。仿人机械手包括拇指机构，拇指机构被配置为仿人机械手的拇指结构。

Description

拇指机构及仿人机械手

技术领域

本公开涉及机器人领域，尤其涉及一种拇指机构及仿人机械手。

背景技术

机器人技术发展飞速，机器人需要面对的操作任务场景越来越复杂，操作对象也逐渐由结构化场景中的工厂零件转向复杂非结构化场景中的各类物体，这就需要机器人的末端执行器更加灵活并能实现更多种类的精细作业。

跟随这一发展趋势，仿人灵巧手等机械手开始逐步在越来越多的场景中投入使用。灵巧手整手的自由度布置形式决定了其灵活性与可实现的抓握动作的种类，其中拇指结构的灵活性又决定了整手的大部分功能。

现有市场中的拇指结构通常具有较少的自由度，很难像人手一样灵活，进而影响了灵巧手整手的灵活性。

发明内容

本公开提供了一种拇指机构及仿人机械手。

根据本公开的一个方面，提供了一种拇指机构，安装于手掌组件，其包括：依次连接的腕掌驱动模组、掌指驱动模组、近端指节模组和远端指节模组；

所述腕掌驱动模组设置于所述手掌组件，用于驱动所述掌指驱动模组相对手掌组件绕第一轴线转动，模拟腕掌外展和内收运动；

所述掌指驱动模组用于驱动自身相对腕掌驱动模组绕第二轴线转动，模拟掌骨屈伸运动，及驱动所述近端指节模组相对所述掌指驱动模组绕第三轴线转动，模拟近端指节旋转运动；

所述近端指节模组用于驱动自身相对所述掌指驱动模组绕第四轴线转动，模拟近端指节屈伸运动，及驱动所述远端指节模组相对所述近端指节模组绕第五轴线转动，模拟远端指节屈伸运动。

根据本公开的一个方面的技术方案，拇指机构通过腕掌驱动模组、掌指驱动模组、近端指节模组和远端指节模组的分层协同工作，实现了包括腕掌外展和内收、掌骨屈伸、近端指节自旋、近端指节屈伸和远端指节屈伸五个转动自由度，从而精确模拟人手拇指的复杂运动。拇指机构解决了现有拇指结构因自由度不足导致的灵活性缺陷，使应用该拇指机构的仿人机械手能够适应更多的物体和场景，显著提升了整手的适用性和灵活性，扩展了仿人机械手在复杂环境中的应用范围。

根据本公开的一个实施方式的拇指机构，所述腕掌驱动模组包括腕掌部件和第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述腕掌部件和手掌组件之间，用于驱动所述腕掌部件相对所述手掌组件绕第一轴线转动。

根据本公开的一个实施方式的拇指机构，所述掌指驱动模组包括掌骨部件、第二驱动机构及第三驱动机构，所述掌骨部件与腕掌部件绕第二轴线可转动地连接；所述第二驱动机构设置于所述腕掌部件和掌骨部件之间，用于驱动所述掌骨部件相对所述腕掌部件转动；所述第三驱动机构设置于所述掌骨部件和所述近端指节之间，用于驱动所述近端指节相对所述掌骨部件绕第三轴线转动。

根据本公开的一个实施方式的拇指机构，所述近端指节模组包括近端指节，所述近端指节与所述掌骨部件绕第三轴线和第四轴线可转动地连接；所述远端指节模组包括远端指节，所述远端指节与所述近端指节绕第五轴线可转动地连接。

根据本公开的一个实施方式的拇指机构，所述近端指节模组还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构设置于所述近端指节，并与所述掌骨部件及远端指节连接，用于驱动所述掌骨部件绕第四轴线转动，及驱动所述远端指节相对近端指节绕第五轴线转动；其中，所述第一轴线与第二轴线垂直、不相交；所述第二轴线与第三轴线垂直、不相交；所述第三轴线与第一轴线形成非零夹角；所述第四轴线与第五轴线平行，并均与第三轴线垂直相交。

在本实施例的技术方案中，该拇指机构工作原理如下：第一驱动机构驱动腕掌部件绕第一轴线转动，实现腕掌部件相对于手掌组件的外展和内收运动。第二驱动机构驱动掌骨部件绕第二轴线相对腕掌部件转动，实现掌骨部件的屈伸运动。第三驱动机构驱动近端指节绕第三轴线相对掌骨部件转动，实现近端指节的旋转运动。第四驱动机构同时驱动掌骨部件绕第四轴线转动和远端指节绕第五轴线转动。第四轴线与第五轴线平行且均与第三轴线垂直相交，确保掌骨部件的附加屈伸与远端指节的屈伸运动协调进行。其中，第一轴线与第二轴线垂直不相交、第二轴线与第三轴线垂直不相交、第三轴线与第一轴线形成非零夹角避免了运动干涉，使各自由度独立可控，从而为模拟人手拇指的复杂运动模式提供物理基础，并且使得模拟拇指的动作更加逼真。该技术方案通过具有五个自由度的拇指机构，显著提升了动作的灵活性，解决了现有拇指结构自由度不足的问题，同时使具有该拇指机构的机械手能够执行更丰富的抓握动作，进而提高了整手的适应性和功能性，克服了传统灵巧手因自由度少而导致的灵活性不足的问题。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第一驱动机构包括安装座、第一电机、第一谐波减速器和连杆；所述安装座用于与所述手掌组件固定连接；所述第一电机和第一谐波减速器固定设置于所述安装座；所述第一电机的输出轴与所述第一谐波减速器的输入端固定连接；所述第一谐波减速器的输出端与所述连杆固定连接；所述连杆与所述安装座可转动地连接，并与所述腕掌部件的外壳固定连接。

在本实施例的技术方案中，第一驱动机构的工作原理是：第一电机通电后，其输出轴驱动第一谐波减速器的输入端，经第一谐波减速器减速增扭后，第一谐波减速器的输出端带动连杆绕安装座运动。连杆的往复运动直接传递至腕掌部件的外壳，从而驱动腕掌部件绕第一轴线转动，实现腕掌部件相对于手掌组件的外展和内收运动。该技术方案利用谐波减速器的传动特性，确保运动平稳且响应迅速，且在第一电机断电时能够反向运动，能够在一定程度上保护拇指机构不受外力破坏，提升了产品的可靠性。连杆将旋转运动转化为腕掌部件的摆动，简化了传动路径。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述连杆包括具有弹性形变能力的应变梁，所述第一驱动机构还包括两组分别设置于所述应变梁两侧的应变片，所述应变片用于测量所述连杆扭矩；和/或所述远端指节具有弹性形变能力，并设置有应变片，所述应变片用于测量所述远端指节的扭矩。

在本实施例的技术方案中，应变梁在第一驱动机构传递扭矩时发生弹性形变，应变片通过检测形变量将机械变形转化为电信号，从而实时测量连杆的扭矩值，实现了对拇指机构运动状态的动态监测。其中，两组应变片对称布置于应变梁两侧，可消除非扭矩因素的干扰，提高测量精度。而远端指节的扭矩测量原理与应变梁的扭矩测量原理相同。其中，扭矩测量数据可用于闭环控制系统，使驱动机构能够根据负载变化自动调整输出；同时，实时监测避免了过载风险，延长了机构使用寿命，并增强了整手在复杂场景，如在精细操作或不规则物体抓取中的可靠性。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第一驱动机构还包括FPC组件，所述FPC组件包括：FPC主体，所述FPC主体设置于所述连杆，并与所述应变片的焊盘通过导线连接，用于传输应变信号；第一软排线，所述第一软排线一端与所述FPC主体连接，另一端通过固定件固定于所述连杆；以及第二软排线，所述第二软排线一端与所述第一软排线连接，另一端延伸至外部电路板，用于在关节转动时提供可弯曲的信号传输路径；其中，所述外部电路板独立于所述FPC组件，用于处理所述应变信号并控制关节驱动。

在本实施例的技术方案中，FPC主体直接集成于连杆表面，与应变片焊盘电连接以采集扭矩信号；第一软排线将信号从FPC主体引出并固定于连杆，第二软排线则通过柔性结构延伸至外部电路板，在腕掌部件绕第一轴线转动时允许排线弯曲变形而不损伤导线，确保信号连续传输；外部电路板独立处理信号并生成控制指令，实现驱动机构的实时响应。FPC组件的柔性布局适应了拇指机构的多自由度运动，大幅降低了信号传输故障率。同时，独立的外部电路板简化了机构内部结构，便于维护和升级，进一步优化了抓握控制的实时性与稳定性。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第二驱动机构包括固定设置于掌骨部件内部的第二电机和第二谐波减速器；所述第二电机的输出轴与所述第二谐波减速器的输入端传动连接；所述第二谐波减速器的输出轴与所述连杆连接。

在本实施例的技术方案中，第二驱动机构通过第二电机驱动第二谐波减速器，减速器将电机输出的高转速、低扭矩转换为低转速、高扭矩，其输出轴直接连接至连杆。当第二电机通电时，第二谐波减速器输出轴的旋转运动经连杆传递，驱动掌骨部件绕第二轴线相对腕掌部件转动，实现掌骨部件的屈伸运动。该技术方案将第二驱动机构集成于掌骨部件内部，避免了外部传动机构的复杂布线，并显著减小了产品的外部体积，提高了空间利用率，使拇指机构更紧凑，有效缓解了现有灵巧手因驱动组件外置导致的体积庞大和运动干涉问题，提升了机械手在狭小空间操作的适应性。同时，第二谐波减速器的输出轴直接连接连杆简化了传动路径，提升了驱动效率。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第三驱动机构包括第三电机、第一齿轮和第二齿轮；所述第三电机固定设置于所述掌骨部件内部；所述第一齿轮与所述第三电机的输出轴固定连接；所述第二齿轮固定设置于所述近端指节，并与所述第二齿轮啮合连接；所述第二齿轮设置有中心孔，所述中心孔用于穿设线缆。

在本实施例的技术方案中，第三电机通电后，其输出轴带动第一齿轮旋转，第一齿轮与第二齿轮啮合，从而将运动传递至固定于近端指节的第二齿轮，驱动近端指节绕第三轴线相对掌骨部件转动。第二齿轮的中心孔设计允许控制线缆从中穿过，在近端指节转动过程中线缆可自由滑动，避免因关节运动导致的线缆缠绕或拉扯。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第四驱动机构包括固定设置于所述近端指节的第四电机、第三谐波减速器、第四谐波减速器；所述第四电机的输出轴与所述第三谐波减速器及第四谐波减速器的输入端传动连接；所述第三谐波减速器的输出轴与所述掌骨部件连接；所述第四谐波减速器的输出轴与所述远端指节连接；所述第四电机至第四谐波减速器的减速比小于第四电机至第三谐波减速器的减速比，所述第四电机耦合驱动时，所述近端指节的驱动扭矩大于远端指节的驱动扭矩，且所述远端指节的转动范围大于近端指节的转动范围；所述第三谐波减速器、第四电机、第四谐波减速器沿所述近端指节的长度方向依次设置。

在本实施例的技术方案中，第四电机通过单一输出轴同时驱动第三谐波减速器和第四谐波减速器，其中第三谐波减速器将第四电机输出转换为低转速、高扭矩，驱动掌骨部件绕第四轴线转动；第四谐波减速器驱动远端指节绕第五轴线转动。当第四电机耦合工作时，由于减速比差异，近端指节获得更大驱动扭矩，适用于需要较大力量的抓握动作，如捏取硬物；而远端指节因减速比小，转动范围更大，适用于精细调整，如抓取小物体时的微调，使拇指机构能更自然地模拟人手拇指的复合运动，如对掌与捏取的结合，从而提升了整手在多样化抓握场景中的适应性和可靠性。第四驱动机构的各部件沿近端指节长度方向依次布置，这种线性布局优化了空间分配。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，还包括与所述第二齿轮固定连接的第一支撑架和第二支撑架，所述第三谐波减速器的输出轴与所述第一支撑架固定连接，所述近端指节与所述第二支撑架可转动地连接。

在本实施例的技术方案中，第一支撑架和第二支撑架作为刚性结构件，与第二齿轮固定连接。第一支撑架接收第三谐波减速器输出轴的驱动力，将运动传递至掌骨部件。第二支撑架则作为近端指节的转动支点，允许其绕第三轴线和第四轴线相对掌骨部件运动。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第一驱动机构内置于所述腕掌部件；所述第二驱动机构和第三驱动机构内置于所述掌骨部件；所述第四驱动机构内置于所述近端指节。

在本实施例的技术方案中，所有驱动机构均集成于对应部件内部：第一驱动机构设置在腕掌部件内，实现腕掌部件与手掌组件的相对转动；第二驱动机构和第三驱动机构共同容纳于掌骨部件内部，分别驱动掌骨部件与近端指节的运动；第四驱动机构则嵌入近端指节，控制掌骨部件和远端指节的复合动作。该内置式设计大幅缩减了拇指机构的外部轮廓尺寸，提高了空间利用率，使整手更接近人手的紧凑形态。同时，部件内部的密封环境减少了灰尘和外部冲击对驱动机构的影响。此外，各驱动机构的分区集成简化了线缆管理。

根据本公开的至少一个实施例的拇指机构，所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构包括配置为动力源的电机，所述腕掌部件、掌骨部件和近端指节设置有编码器，所述编码器用于测量所述电机的旋转角度。

在本实施例的技术方案中，每个驱动机构的电机均配备编码器，编码器集成于腕掌部件、掌骨部件或近端指节中，实时监测对应电机的旋转角度；编码器将角度数据反馈至控制系统，形成闭环调节，确保各关节运动精确匹配指令。例如，第一驱动机构的编码器监控腕掌部件转动角度，用于校正外展和内收位置。编码器提供的高精度位置反馈使运动控制更稳定，使拇指机构在抓握过程中实现更快速、自然的响应。

根据本公开的一个方面，提供了一种仿人机械手，包括：上述任意一项所述的拇指机构，所述拇指机构配置为仿人机械手的拇指结构；手掌组件，用于安装所述拇指机构；以及安装于所述手掌组件的食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件。

根据本公开的一个方面的技术方案，该仿人机械手将手掌组件作为安装平台，拇指机构作为拇指结构，提供五个独立自由度，模拟人手拇指的复杂运动模式，食指、中指、无名指和小指组件提供基础抓握功能，支持整手形成多样化的抓握姿态。该技术方案通过5自由度的拇指显著增强了机械手执行对掌、捏取等精细动作的能力，使整手能适应更广泛的场景，从而克服了传统设计因拇指功能单一而限制整手性能的缺陷，提升了仿人灵巧手在工业和服务领域的实用性和环境适应性。

根据本公开的至少一个实施例的仿人机械手，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件包括末端指节、中间指节和第一指节；所述末端指节和中间指节之间、中间指节和第一指节之间以及第一指节和手掌组件之间设置有具有旋转功能的旋转关节；所述第一指节和手掌组件之间设置有具有摆动功能的摆动关节；其中，三个所述旋转关节的转动轴线互相平行，并并与所述摆动关节的转动轴线垂直。

在本实施例的技术方案中，四指均通过三个旋转关节实现指节的屈伸运动，允许手指沿单一平面弯曲，摆动关节则提供第一指节相对于手掌组件的侧向摆动能力，使手指能进行外展和内收运动。四指分别具有4个活动自由度，仿人机械手整手共具有21个自由度，同时得益于拇指的特殊关节设计，整手可实现Cutkosky抓握分类法中的全部16种抓握动作，从而解决了背景技术中因手指结构简单导致的抓握能力不足问题，提升了整手在复杂任务中的可靠性。四指采用相同的关节布局，简化了制造工艺和运动控制算法，提高了四指运动的协调性。旋转关节与摆动关节的垂直设计，避免了运动干涉。

根据本公开的至少一个实施例的仿人机械手，所述手掌组件包括手掌基部、排线保持架和驱动板，所述排线保持架和驱动板固定设置于所述手掌基部内部；所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件固定安装于所述手掌基部，所述排线保持架与食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件固定连接；所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件的线路设置于所述排线保持架，并与所述驱动板电连接；所述拇指机构与所述驱动板电连接；所述驱动板用于控制所述拇指机构、食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件运动。

在本实施例的技术方案中，排线保持架作为刚性支架固定于手掌组件内部，增强了手掌组件与四指的连接强度。所有手指组件的电源和信号线等线缆沿保持架布设，连接至驱动板。驱动板集成微控制器和驱动电路，接收外部指令并生成控制信号，实现对各手指电机的同步驱动。其中，排线保持架显著减少了运动过程中线缆的磨损，能够延长线缆的使用寿命。

根据本公开的至少一个实施例的仿人机械手，所述手掌组件设置有散热孔和缝隙，所述手掌组件包括散热风扇，所述散热风扇用于驱动气流从所述缝隙进入所述手掌组件内部，并将所述手掌组件的内部热量从所述散热孔排出。

在本实施例的技术方案中，散热风扇安装于手掌组件内部，通电后产生定向气流，通过缝隙和散热孔形成进气和出气通道。气流流经驱动板、电机等发热部件，将热量带出组件外部，实现主动散热，维持内部温度稳定。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的结构示意图。

图2是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的正面结构示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的背面结构示意图。

图4是根据本公开的一个实施方式的拇指机构的结构示意图。

图5是根据本公开的一个实施方式的拇指机构的传动结构示意图。

图6是根据本公开的一个实施方式的腕掌驱动模组的结构示意图。

图7是根据本公开的一个实施方式的连杆及FPC组件的结构示意图。

图8是根据本公开的一个实施方式的掌指驱动模组的第一结构示意图。

图9是根据本公开的一个实施方式的掌指驱动模组的第二结构示意图。

图10是根据本公开的一个实施方式的近端指节模组与远端指节模组的结构示意图。

图11是根据本公开的一个实施方式的第一支撑架和第二支撑架的结构示意图。

图12是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的第三驱动机构和第四驱动机构的连接结构示意图。

图13是根据本公开的一个实施方式的远端指节设置第二应变片的结构示意图。

图14是根据本公开的一个实施方式的拇指结构设置编码器组件的结构示意图。

图15是根据本公开的一个实施方式的手掌组件与四指连接的内部结构示意图。

图16是根据本公开的一个实施方式的手掌组件设置散热孔的结构示意图。

附图标记说明：

100 拇指机构

101 第一轴线

101A 第一旋转关节

102 第二轴线

102A 第二旋转关节

103 第三轴线

103A 第三旋转关节

104 第四轴线

104A 第四旋转关节

105 第五轴线

105A 第五旋转关节

106 腕掌驱动模组

107 掌指驱动模组

108 近端指节模组

109 远端指节模组

110 腕掌部件

120 第一驱动机构

121 安装座

122 第一电机

123 第一谐波减速器

124 连杆

125 第一应变片

126 FPC主体

127 第一软排线

128 第二软排线

130 掌骨部件

140 第二驱动机构

141 第二电机

142 第二谐波减速器

150 近端指节

160 第三驱动机构

161 第三电机

162 第一齿轮

163 第二齿轮

163A 中心孔

170 远端指节

171 第二应变片

180 第四驱动机构

181 第四电机

182 第三谐波减速器

183 第四谐波减速器

184 齿轮组

185 第一支撑架

186 第二支撑架

190 编码器组件

191 第一编码器

192 第二编码器

193 第三编码器

200 食指组件

300 中指组件

400 无名指组件

500 小指组件

600 手掌组件

610 排线保持架

620 驱动板

630 散热风扇

640 散热孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

现有市场中的拇指结构通常具有较少的自由度，很难像人手一样灵活，进而影响了灵巧手整手的灵活性。同时，仿人灵巧手受限于驱动机构的尺寸大小，在驱动内置式整手的自由度配置上做了适当的简化，很难像人手一样灵活；与人手自由度配置类似的灵巧手又大多采用驱动外置的形式，整体体积往往比较大。

为了解决上述技术问题，本实施例提供一种仿人机械手，又称仿人五指灵巧手。

图1是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的结构示意图。图2是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的正面结构示意图。图3是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的背面结构示意图。

参阅图1至图3所示，本实施例的仿人机械手，包括：手掌组件600和安装在手掌组件600上的拇指机构100、食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500。

图4是根据本公开的一个实施方式的拇指机构的结构示意图。图5是根据本公开的一个实施方式的拇指机构的传动结构示意图。

如图1、图4和图5所示，其中，拇指机构100配置为仿人机械手的拇指，具有5个活动自由度。拇指机构100包括：腕掌部件110、第一驱动机构120、掌骨部件130、第二驱动机构140、近端指节150、第三驱动机构160、远端指节170、第四驱动机构180。

腕掌部件110和掌骨部件130用于模拟人手腕掌和掌骨，腕掌部件110与手掌组件600绕第一轴线101转动地连接，掌骨部件130与腕掌部件110绕第二轴线102可转动地连接。

第一驱动机构120设置于腕掌部件110和手掌组件600之间，用于驱动腕掌部件110相对手掌组件600绕第一轴线101转动。第二驱动机构140设置于腕掌部件110和掌骨部件130之间，用于驱动掌骨部件130相对腕掌部件110转动。

近端指节150与掌骨部件130绕第三轴线103和第四轴线104可转动地连接。远端指节170与近端指节150绕第五轴线105可转动地连接。

第三驱动机构160设置于掌骨部件130和近端指节150之间，用于驱动近端指节150相对掌骨部件130绕第三轴线103转动。第四驱动机构180设置于近端指节150，并与掌骨部件130及远端指节170连接，用于驱动掌骨部件130绕第四轴线104转动，及驱动远端指节170相对近端指节150绕第五轴线105转动。

如图4所示，上述第一轴线101与第二轴线102垂直、不相交；第二轴线102与第三轴线103垂直、不相交；第三轴线103与第一轴线101形成非零夹角；第四轴线104与第五轴线105平行，并均与第三轴线103垂直相交。

其中，腕掌部件110和第一驱动机构120构成CMC 驱动模组，即腕掌驱动模组106。掌骨部件130、第二驱动机构140及第三驱动机构160构成MCP 驱动模组，即掌指驱动模组107。近端指节150与第四驱动机构180构成近端指节模组108。远端指节170为远端指节模组109。腕掌驱动模组106与手掌组件600通过螺钉固定连接，与手掌组件600之间形成第一旋转关节101A。掌指驱动模组107与腕掌驱动模组106之间旋转连接，构成第二旋转关节102A。掌指驱动模组107与近端指节模组108之间旋转连接，构成垂直相交的第三旋转关节103A与第四旋转关节104A。近端指节模组108与远端指节模组109之间旋转连接，构成第五旋转关节105A。

第一旋转关节101A实现拇指根部内收外展自由度。第二旋转关节102A实现拇指屈伸自由度。第三旋转关节103A实现拇指轴线方向的自旋自由度。第四旋转关节104A和第五旋转关节105A实现拇指的屈伸自由度。

图6是根据本公开的一个实施方式的腕掌驱动模组的结构示意图。

如图6所示，第一驱动机构120包括安装座121、第一电机122、第一谐波减速器123和连杆124。安装座121用于与手掌组件600固定连接。第一电机122和第一谐波减速器123固定安装于安装座121。第一电机122的输出轴与第一谐波减速器123的输入端固定连接。第一谐波减速器123的输出端与连杆124通过螺钉固定连接。连杆124与安装座121可转动地连接，并与腕掌部件110的外壳固定连接。整个腕掌驱动模组106可以通过螺钉与手掌组件600连接。第一驱动机构120工作时，第一电机122的输出轴驱动第一谐波减速器123的输入端，经第一谐波减速器123减速增扭后，第一谐波减速器123的输出端带动连杆124绕安装座121运动；连杆124的运动直接传递至腕掌部件110的外壳，从而驱动腕掌部件110绕第一轴线101转动，实现腕掌部件110相对于手掌组件600进行0-90°的外展和内收运动。

具有上述第一驱动机构120的腕掌驱动模组106结构简单，通过大减速比谐波减速器与电机的组合，满足了第一旋转关节101A较大驱动扭矩的要求，同时可实现在被动力的驱动下反向驱动，其简单的结构占用了较少的体积，使其能够嵌入手掌组件600而不占用过多的空间。

图7是根据本公开的一个实施方式的连杆及FPC组件的结构示意图。

如图7所示，在一些实施例中，为了测量连杆124扭矩，连杆124包括具有弹性形变能力的应变梁，应变梁可以为二维力弹性体。第一驱动机构120还包括两组分别设置于应变梁两侧的第一应变片125。第一应变片125用于测量连杆124扭矩，即组成了可测量第一旋转关节101A和第二旋转关节102A扭矩的二维力传感器。两组第一应变片125对称粘贴于弹性体应变梁的两侧。应变梁在第一驱动机构120传递扭矩时发生弹性形变，第一应变片125通过检测形变量将机械变形转化为电信号，从而实时测量连杆124的扭矩值，实现了对拇指机构100运动状态的动态监测。

进一步地，第一驱动机构120还包括FPC组件，FPC组件包括：FPC主体126、第一软排线127以及第二软排线128。FPC主体126安装于连杆124侧壁，并与第一应变片125的焊盘通过导线连接，用于传输应变信号。第一软排线127一端与FPC主体126连接，另一端通过固定件固定于连杆124。第二软排线128一端与第一软排线127连接，另一端延伸至外部电路板，用于在关节转动时提供可弯曲的信号传输路径。其中，外部电路板独立于FPC组件，用于处理应变信号并控制关节驱动。固定件可以是钢板，钢板通过焊接或螺栓连接等方式固定在连杆124上，并通过槽孔结构或压紧等方式将第一软排线127固定在连杆124上。以上安装结构实现了FPC主体126的有效固定，并在第二旋转关节102A转动时提供安全的可弯曲排线连接，提升了排线的弯曲使用寿命。

图8是根据本公开的一个实施方式的掌指驱动模组的第一结构示意图。图9是根据本公开的一个实施方式的掌指驱动模组的第二结构示意图。

如图1、图9和图10所示，掌指驱动模组107在掌骨部件130内部集成了第二旋转关节102A的第二驱动机构140及第三旋转关节103A的第三驱动机构160。

第二驱动机构140包括固定设置于掌骨部件130内部的第二电机141和第二谐波减速器142。第二电机141的输出轴与第二谐波减速器142的输入端传动连接。第二谐波减速器142的输出轴与连杆124连接。当第二电机141通电时，第二谐波减速器142输出轴的旋转运动经连杆124传递，驱动掌骨部件130绕第二轴线102相对腕掌部件110转动，进而驱动第二旋转关节102A，实现0-60°范围腕掌关节屈伸运动。

如图10所示，第三驱动机构160包括第三电机161、第一齿轮162和第二齿轮163。第三电机161固定安装于掌骨部件130内部，由空心杯电机与行星齿轮减速箱组成。第一齿轮162与第三电机161的输出轴固定连接。第二齿轮163固定设置于近端指节150，并与第一齿轮162啮合连接。第三驱动机构160工作时，第三电机161通过输出轴带动第一齿轮162旋转，第一齿轮162与第二齿轮163啮合，将运动传递至固定于近端指节150的第二齿轮163，从而驱动近端指节150绕第三轴线103相对掌骨部件130转动，实现±30°范围拇指关节自旋运动。第二齿轮163设置有中心孔163A，中心孔163A用于穿设线缆。

图10是根据本公开的一个实施方式的近端指节模组与远端指节模组的结构示意图。

如图10所示，在近端指节模组108中，第四驱动机构180包括固定设置于近端指节150的第四电机181、第三谐波减速器182、第四谐波减速器183。第三谐波减速器182、第四电机181、第四谐波减速器183沿近端指节150的长度方向依次设置。第四电机181的输出轴与第三谐波减速器182及第四谐波减速器183的输入端传动连接，如分别通过两个齿轮组184连接。第三谐波减速器182的输出轴与掌骨部件130连接。第四谐波减速器183的输出轴与远端指节170连接。第四电机181至第四谐波减速器183的减速比小于第四电机181至第三谐波减速器182的减速比。第四电机181耦合驱动时，近端指节150的驱动扭矩大于远端指节170的驱动扭矩，且远端指节170的转动范围大于近端指节150的转动范围。示例性的，第四旋转关节104A的运动范围为0-72°，第五旋转关节105A的运动范围为0-90°。

图11是根据本公开的一个实施方式的第一支撑架和第二支撑架的结构示意图。图12是根据本公开的一个实施方式的仿人机械手的第三驱动机构和第四驱动机构的连接结构示意图。

如图9、图11和图12所示，近端指节模组108与掌指驱动模组107由第一支撑架185和第二支撑架186连接。第一支撑架185和第二支撑架186与第二齿轮163固定连接，如通过4个倾斜安装的螺钉连接固定。第三谐波减速器182的输出轴与第一支撑架185固定连接。近端指节150与第二支撑架186可转动地连接。该连接结构体积小，结构紧凑，使第三旋转关节103A与第四旋转关节104A垂直相交，增强了拇指的灵活性。

图13是根据本公开的一个实施方式的远端指节设置第二应变片的结构示意图。

如图13所示，远端指节170包括具有弹性形变能力的拇指尖连杆，是一种一维力弹性体。拇指尖连杆与一组第二应变片连接，组成了可测量第五旋转关节105A扭矩的一维力传感器。第二应变片171用于测量远端指节170的扭矩。

如图5所示，在一些实施例中，第一驱动机构120内置于腕掌部件110。第二驱动机构140和第三驱动机构160内置于掌骨部件130。第四驱动机构180内置于近端指节150。即所有驱动机构均集成于对应部件内部。该内置式设计大幅缩减了拇指机构100的外部轮廓尺寸，提高了空间利用率，使整手更接近人手的紧凑形态。

图14是根据本公开的一个实施方式的拇指结构设置编码器组件的结构示意图。

如图14所示，为了测量各个旋转关节的转动角度，腕掌部件110、掌骨部件130和近端指节150设置有编码器组件190，编码器组件190包括第一编码器191、第二编码器192和第三编码器193，各个编码器分别用于测量各个电机的旋转角度。

具体的，第一编码器191由圆形磁铁与同轴布置的磁传感器组成。第一个第一编码器191的圆形磁铁和磁传感器分别布置于第一旋转关节101A的第一电机输出轴与第一谐波减速器123输出轴。第二个第一编码器191安装在第二旋转关节102A的第二电机141输出轴。第三个第一编码器191的圆形磁铁和磁传感器分别安装在第四旋转关节104A的第四电机181输出轴与第三谐波减速器182输出轴。

各个第一编码器191结构形式均类似，下面以第一旋转关节101A上的第一编码器191为例进行说明。第一电机122的转子末端固定有随转子转动的圆形磁铁，其对应的磁传感器固定于同轴不动的结构件上，进而产生相对转动，测量磁铁磁场变化即可感知转动角度变化。第一旋转关节101A的第一谐波减速器123的输出轴固定有连杆124，连杆124与第一谐波减速器123输出轴同轴的末端固定有可跟随连杆124转动的圆形磁铁。对应的磁传感器固定于同轴不动的结构件上，进而产生相对转动，测量磁铁磁场变化感知转动角度变化。

第二旋转关节102A的第二电机141输出轴、第四旋转关节104A的第四电机181输出轴与第三谐波减速器182输出轴的编码器结构与此类似，在此不再赘述。

第二编码器192布置于第二旋转关节102A的第二谐波减速器142输出轴，由环形磁铁与不同轴的磁传感器组成，环形磁铁固定于连杆124与第二谐波减速器142输出轴同轴连接处，磁传感器布置于环形磁铁侧边，与MCP模组固定连接，从而使磁传感器与磁铁产生围绕第二旋转关节102A的相对转动，进而感知角度变化。

第三编码器193为绝对值编码器，布置于第三旋转关节103A的减速电机内部。第三编码器193同样采用磁铁与磁传感器同轴的布置形式。磁铁与空心杯电机绕组固定，磁传感器固定于空心杯电机外壳。第三编码器193用于测量绕组转动角度。第三旋转关节103A受限于结构空间，未布置输出轴侧的编码器，通过减速比计算出输出轴的转动角度仍然可满足使用要求。

图15是根据本公开的一个实施方式的手掌组件与四指连接的内部结构示意图。

如图1和图15所示，手掌组件600用于安装拇指机构100、食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500。

食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500包括末端指节、中间指节和第一指节。末端指节和中间指节之间、中间指节和第一指节之间以及第一指节和手掌组件600之间设置有具有旋转功能的旋转关节，可实现弯曲0-90°。第一指节和手掌组件600之间设置有具有摆动功能的摆动关节，可实现±13°侧摆。其中，三个旋转关节的转动轴线互相平行，并与摆动关节的转动轴线垂直。

示例性的，食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500采用内置式的电机、齿轮、谐波减速器驱动的手指结构。由于四指与拇指关节的结构均由电机与谐波驱动，可在整手断电时对各手指进行反向驱动，一定程度上可保护整手不受外力破坏。整手工作时，手指内部设置的力弹性体传感器可感知外部力大小，在控制系统调节下可实现手指的阻抗控制，实现整手的柔顺控制。手指结构可以采用现有技术的手指结构，如专利号为ZL 202422294381.0的结构。

图16是根据本公开的一个实施方式的手掌组件设置散热孔的结构示意图。

如图16所示，手掌组件600包括手掌基部、排线保持架610和驱动板620，排线保持架610和驱动板620固定设置于手掌基部内部。食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500固定安装于手掌基部，排线保持架610与食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500固定连接，并使得手掌基部、四指组件（即食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500）和排线保持架100形成“三明治”结构，且相邻手指间保持3.5°夹角。食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500的线路设置于排线保持架610，并与驱动板620电连接。拇指机构100与驱动板620电连接。驱动板620用于控制拇指机构100、食指组件200、中指组件300、无名指组件400以及小指组件500运动。

为了提升手掌组件600的散热效果，驱动手指时热量在手掌内部空间聚集无法及时散出，手掌组件600布置以下主动散热措施：手掌组件600的壳体上开设有散热孔640，手掌组件600内部不单独开设进风口，各手指间的间隙将起到进风口的作用。手掌组件600包括小型散热风扇630。散热风扇630用于驱动气流从缝隙进入手掌组件600内部，并将手掌组件600的内部热量从散热孔640排出。

以上技术方案的仿人机械手包括以下优点：整手具有21个自由度，更贴近人手的仿生设计，整手的抓握动作更加灵活，可实现Cutkosky抓握分类法中的全部16种抓握动作，可适应更多的使用场景。同时，拇指结构上自旋关节的引入使拇指更加灵活，拇指配合四指可实现更多的抓握方式。采用电机加谐波减速器的内置驱动机构，使得驱动结构体积较小，使在满足多自由设计的同时缩小了整手空间，为灵巧手的应用提供了便利。相同的四指设计，降低了手指的使用维护成本。内置力传感器的手指设计可实现被动力下的阻抗控制，实现整手的柔顺作业，并由其驱动结构特点可在断电状态下实现反向驱动，可保护整手免受破坏。手掌内置的主动散热措施可改善整手的工作温度表现，提升五指灵巧手的使用性能。

可以理解的是，与以上技术方案自由度配置相同，只是各关节具体位置、尺寸不同的方式同样可以实现灵活的灵巧手效果。上述各关节的传动机构不限于齿轮传动，带轮传动、绳索传动同样可以实现各关节由电机至减速器间的传动，以及减速器至关节的传动也不仅是直接驱动，也可以经齿轮、绳索、带轮等传动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种拇指机构，安装于手掌组件，其特征在于，包括：依次连接的腕掌驱动模组、掌指驱动模组、近端指节模组和远端指节模组；

所述腕掌驱动模组设置于所述手掌组件，用于驱动所述掌指驱动模组相对手掌组件绕第一轴线转动，模拟腕掌外展和内收运动；

所述掌指驱动模组用于驱动自身相对腕掌驱动模组绕第二轴线转动，模拟掌骨屈伸运动，及驱动所述近端指节模组相对所述掌指驱动模组绕第三轴线转动，模拟近端指节旋转运动；

所述近端指节模组用于驱动自身相对所述掌指驱动模组绕第四轴线转动，模拟近端指节屈伸运动，及驱动所述远端指节模组相对所述近端指节模组绕第五轴线转动，模拟远端指节屈伸运动。

2.根据权利要求1所述的拇指机构，其特征在于，所述腕掌驱动模组包括腕掌部件和第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述腕掌部件和手掌组件之间，用于驱动所述腕掌部件相对所述手掌组件绕第一轴线转动。

3.根据权利要求2所述的拇指机构，其特征在于，所述掌指驱动模组包括掌骨部件、第二驱动机构及第三驱动机构，所述掌骨部件与腕掌部件绕第二轴线可转动地连接；所述第二驱动机构设置于所述腕掌部件和掌骨部件之间，用于驱动所述掌骨部件相对所述腕掌部件转动；所述第三驱动机构设置于所述掌骨部件和所述近端指节之间，用于驱动所述近端指节相对所述掌骨部件绕第三轴线转动。

4.根据权利要求3所述的拇指机构，其特征在于，所述近端指节模组包括近端指节，所述近端指节与所述掌骨部件绕第三轴线和第四轴线可转动地连接；所述远端指节模组包括远端指节，所述远端指节与所述近端指节绕第五轴线可转动地连接。

5.根据权利要求4所述的拇指机构，其特征在于，所述近端指节模组还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构设置于所述近端指节，并与所述掌骨部件及远端指节连接，用于驱动所述掌骨部件绕第四轴线转动，及驱动所述远端指节相对近端指节绕第五轴线转动；其中，所述第一轴线与第二轴线垂直、不相交；所述第二轴线与第三轴线垂直、不相交；所述第三轴线与第一轴线形成非零夹角；所述第四轴线与第五轴线平行，并均与第三轴线垂直相交。

6.根据权利要求5所述的拇指机构，其特征在于，所述第一驱动机构包括安装座、第一电机、第一谐波减速器和连杆；

所述安装座用于与所述手掌组件固定连接；所述第一电机和第一谐波减速器固定设置于所述安装座；所述第一电机的输出轴与所述第一谐波减速器的输入端固定连接；所述第一谐波减速器的输出端与所述连杆固定连接；所述连杆与所述安装座可转动地连接，并与所述腕掌部件的外壳固定连接。

7.根据权利要求6所述的拇指机构，其特征在于，所述连杆包括具有弹性形变能力的应变梁，所述第一驱动机构还包括两组分别设置于所述应变梁两侧的应变片，所述应变片用于测量所述连杆扭矩；和/或所述远端指节具有弹性形变能力，并设置有应变片，所述应变片用于测量所述远端指节的扭矩。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的拇指机构，其特征在于，可选地，所述第一驱动机构还包括FPC组件，所述FPC组件包括：FPC主体，所述FPC主体设置于所述连杆，并与所述应变片的焊盘通过导线连接，用于传输应变信号；第一软排线，所述第一软排线一端与所述FPC主体连接，另一端通过固定件固定于所述连杆；以及第二软排线，所述第二软排线一端与所述第一软排线连接，另一端延伸至外部电路板，用于在关节转动时提供可弯曲的信号传输路径；

可选地，所述第二驱动机构包括固定设置于掌骨部件内部的第二电机和第二谐波减速器，所述第二电机的输出轴与所述第二谐波减速器的输入端传动连接，所述第二谐波减速器的输出轴与所述连杆连接；

可选地，所述第三驱动机构包括第三电机、第一齿轮和第二齿轮，

所述第三电机固定设置于所述掌骨部件内部，所述第一齿轮与所述第三电机的输出轴固定连接，所述第二齿轮固定设置于所述近端指节，并与所述第一齿轮啮合连接，所述第二齿轮设置有中心孔，所述中心孔用于穿设线缆；

可选地，所述第四驱动机构包括固定设置于所述近端指节的第四电机、第三谐波减速器、第四谐波减速器，所述第四电机的输出轴与所述第三谐波减速器及第四谐波减速器的输入端传动连接，所述第三谐波减速器的输出轴与所述掌骨部件连接，所述第四谐波减速器的输出轴与所述远端指节连接，所述第四电机至第四谐波减速器的减速比小于第四电机至第三谐波减速器的减速比，所述第四电机耦合驱动时，所述近端指节的驱动扭矩大于远端指节的驱动扭矩，且所述远端指节的转动范围大于近端指节的转动范围；

可选地，还包括与所述第二齿轮固定连接的第一支撑架和第二支撑架，所述第三谐波减速器的输出轴与所述第一支撑架固定连接，所述近端指节与所述第二支撑架可转动地连接；

可选地，所述第一驱动机构内置于所述腕掌部件，所述第二驱动机构和第三驱动机构内置于所述掌骨部件，所述第四驱动机构内置于所述近端指节；

可选地，所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构包括配置为动力源的电机，所述腕掌部件、掌骨部件和近端指节设置有编码器，所述编码器用于测量所述电机的旋转角度。

9.一种仿人机械手，其特征在于，包括：

权利要求1至8中任意一项所述的拇指机构，所述拇指机构配置为仿人机械手的拇指结构；

手掌组件，用于安装所述拇指机构；以及

安装于所述手掌组件的食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件。

10.根据权利要求9所述的拇指机构，其特征在于，

可选地，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件包括末端指节、中间指节和第一指节，所述末端指节和中间指节之间、中间指节和第一指节之间以及第一指节和手掌组件之间设置有具有旋转功能的旋转关节，所述第一指节和手掌组件之间设置有具有摆动功能的摆动关节，其中，三个所述旋转关节的转动轴线互相平行，并与所述摆动关节的转动轴线垂直；

可选地，所述手掌组件包括手掌基部、排线保持架和驱动板，所述排线保持架和驱动板固定设置于所述手掌基部内部，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件固定安装于所述手掌基部，所述排线保持架与食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件固定连接，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件的线路设置于所述排线保持架，并与所述驱动板电连接，所述拇指机构与所述驱动板电连接，所述驱动板用于控制所述拇指机构、食指组件、中指组件、无名指组件以及小指组件运动；

可选地，所述手掌组件设置有散热孔和缝隙，所述手掌组件包括散热风扇，所述散热风扇用于驱动气流从所述缝隙进入所述手掌组件内部，并将所述手掌组件的内部热量从所述散热孔排出。