机械手拇指关节构件、关节支承件以及关节

技术领域

本发明涉及一种机械手拇指关节，具体而言，涉及一种机械手拇 指指骨与掌骨之间的鞍形连接关节。

背景技术

随着科技的发展，机械手的应用越来越广泛。为了使机械手更灵 活，更准确地模仿人手的动作，有必要对人手的结构和动作机理进行 研究。

研究发现，人手的动作主要由骨骼、关节和骨骼肌实现。骨骼之 间由关节连接，通过附着于骨骼的骨骼肌的收缩和舒张使骨骼运动， 从而实现人手的各种动作。

引证文件1～2对人手进行了研究，结果发现，人手骨骼可以分 为腕骨、掌骨和指骨。掌骨和指骨之间，以及指骨各节之间，通过关 节连接。这些关节可以分为三类：鞍形连接（saddle joint），如图 1（a）所示；髁状连接（condyloid joint），如图1（b）所示； 以及铰链连接（hinge joint），如图1（c）所示。指骨各节之间， 使用的是铰链连接。除拇指之外的其余四指指骨与掌骨之间，使用的 是髁状连接。拇指指骨与掌骨之间，使用的是鞍形连接。

在此基础上，引证文件1～2提出了一种机械手，在掌骨和指骨 之间以及指骨各节之间使用上述关节，并且使细线穿过各关节上的通 孔固定在各骨骼上，以模仿骨骼肌。通过电机旋转双向拉伸细线，来 模仿骨骼肌收缩和舒张。

其中，如图2所示，拇指的鞍形连接关节构件10的周面呈越靠 近中间越朝着轴线凹的曲面，即，越靠近中间，直径越小。因此，鞍 形连接关节构件10既可以绕着轴线在方向X上自由转动，又可以在 方向Y上自由转动，两个方向上的运动均不受限制。

然而，在方向Y上不受限制的运动既与实际的人手不符，又不容 易控制。此外，因为中间处的直径小，导致中间处的强度低，而在中 间处具有用于使细线穿过的通孔，因此，容易损坏。

引证文件1：Markus Grebenstein，Maxime Chalon，Gerd Hirzinger and Roland Siegwart，Antagonistically Driven Finger Design for the Anthropomorphic DLR Hand Arm System， 2010 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots，Nashville，TN，USA，December6-8，2010

引证文件2：Markus Grebenstein and Patrick van der Smagt，Antagonism for a Highly Anthropomorphic Hand-Arm System，Advanced Robotics 22(2008)39-55

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种机械手拇指关节，既 更加符合实际的人手，容易控制，又具有高强度，不容易损坏。

为了实现上述目的，本发明提供一种机械手拇指的关节构件，包 括：在轴线方向上的两个端面；连接两个所述端面的外轮廓面；以及 通孔，其贯穿所述外轮廓面，当垂直于所述轴线横剖所述关节构件时， 所述关节构件的每个横剖面均呈圆形，并且各所述横剖面的圆心相同。

为了实现上述目的，本发明还提供一种机械手拇指的关节支承件， 呈柱状，包括：支承面，用于与机械手拇指的关节构件相接触；以及 非支承面，所述支承面具有与所述关节构件的外轮廓面相对应的形状。

为了实现上述目的，本发明提供还一种机械手拇指关节，包括： 上述关节构件；以及上述关节支承件。

附图说明

图1示出指骨关节的分类，其中，（a）是铰链连接，（b）是髁状 连接，（c）是鞍形连接。

图2示出拇指的鞍形连接关节。

图3是根据本发明一个实施方式的机械手拇指关节构件的立体 图。

图4是图3所示的机械手拇指关节构件的剖面图。

图5是与图3所示的机械手拇指关节构件相配合的机械手拇指关 节支承件的剖面图。

具体实施方式

根据本发明一个实施方式的机械手拇指关节由关节构件（图3、4） 和关节支承件（图5）两部分构成。

如图3所示，关节构件大致呈沙漏状，由两边高、中间低的曲线 绕着轴线旋转而成。即，当垂直于轴线剖时，关节构件的每个剖面均 呈同心的圆形。而且，关节构件关于与轴线垂直的平面对称。

图4是关节构件的剖面图，示出关节构件周面的外轮廓（即，上 述两边高、中间低的曲线）。如图4所示，外轮廓由两边到中间依次包 括：倾斜部20、第一凹部30、凸部40、第二凹部50。

倾斜部20从外轮廓的端部开始，越向中间（越远离端部）越靠 近轴线地倾斜。

第一凹部30与倾斜部20相连续，呈U形。第一凹部30的数量 是两个。

凸部40与第一凹部30相连续，呈倒U形。凸部40的数量是两 个。

第二凹部50与两个凸部40相连续，呈U形。第二凹部50的数 量是一个。

图5是与关节构件相配合的关节支承件的剖面图。关节支承件呈 柱状，具有与关节构件相接触的支承面和不与关节构件相接触的非支 承面。根据需要，非支承面可以为任意形状。

如图5所示，关节支承件的支承面具有与关节构件的外轮廓相对 应的形状。具体来说，支承面由两边到中间依次包括：倾斜部20a、 第一凸部30a、凹部40a、第二凸部50a。

倾斜部20a从支承面的端部开始，越向中间（越远离端部）越远 离非支承面地倾斜。

第一凸部30a与倾斜部20a相连续，呈倒U形（当支承面在上、 非支承面在下时）。第一凸部30a的数量是两个。

凹部40a与第一凸部30a相连续，呈U形（当支承面在上、非支 承面在下时）。凹部40的数量是两个。

第二凸部50a与两个凹部40a相连续，呈倒U形（当支承面在上、 非支承面在下时）。第二凸部50a的数量是一个。

这样，将关节构件安装到关节支承件，使得关节支承件的支承面 与关节构件的外轮廓相接触。具体来说，关节构件的倾斜部20对应 关节支承件的倾斜部20a，关节构件的第一凹部30对应关节支承件 的第一凸部30a，关节构件的凸部40对应关节支承件的凹部40a， 关节构件的第二凹部50对应关节支承件的第二凸部50a。

需要注意的是，关节构件的外轮廓的尺寸并非与关节支承件的支 承面的尺寸完全一致，而是类似于间隙配合。具体来说，关节构件的 第一凹部30沿轴线方向的宽度大于关节支承件的第一凸部30a沿轴 线方向的宽度，关节构件的第一凹部30沿与轴线垂直的方向的高度 大于关节支承件的第一凸部30a沿与轴线垂直的方向的高度。关节构 件的凸部40沿轴线方向的宽度小于关节支承件的凹部40a沿轴线方 向的宽度，关节构件的凸部40沿与轴线垂直的方向的高度小于关节 支承件的凹部40a沿与轴线垂直的方向的高度。关节构件的第二凹部 50沿轴线方向的宽度大于关节支承件的第二凸部50a沿轴线方向的 宽度，关节构件的第二凹部50沿与轴线垂直的方向的高度大于关节 支承件的第二凸部50a沿与轴线垂直的方向的高度。

因为关节构件的外轮廓是圆形的，因此，当关节构件安装到关节 支承件后，关节构件能绕着其轴线转动，即，具有一个自由度。此外， 因为关节构件与关节支承件之间在关节构件的轴线方向上具有间隙， 因此，关节构件能在与关节构件的轴线垂直的平面上转动，即，具有 另一个自由度。

同时，因为关节构件的凸部40插入关节支承件的凹部40a，并 且关节支承件的第一凸部30a插入关节构件的第一凹部30，因此， 关节构件在与关节构件的轴线垂直的平面上的转动受到限制。

此外，因为关节构件具有凸部40，因此，与不具有凸部40时相 比，关节构件的中间处的直径更大，从而强度更大，即使在中间处具 有用于使细线穿过的通孔，也不容易损坏。而且，可以将通孔设置在 凸部40处，因为凸部40处的直径比第二凹部50处的直径更大，因 此强度更大，更不容易损坏。

此外，在上述实施方式中，关节构件具有两个凸部，相应地，关 节支承件具有两个凹部。因为关节构件的凸部的数量多于一个，因此， 更容易设置通孔。但是，关节构件的凸部和关节支承件的凹部的数量 不限于此，而是可以是其它数量。例如，关节构件具有一个凸部，关 节支承件具有一个与之相对应的凹部，或者三个凸部和凹部。