一種薩克斯專用仿生手的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種薩克斯專用仿生手裝置，其中包括左手和右手，每個手掌包含5個手指。由于薩克斯吹奏時，每個手指的具體功能不同，需要的自由度也不盡相同，故每個手指的自由度和結構設計是根據(jù)薩克斯管實際吹奏的需求來設計的。每個手指的結構基本包括指尖(一個)、連接件(無、一個或多個)、固定件(一個)和關節(jié)(一個或多個)。指尖用于按鍵，關節(jié)用于控制指尖或鏈接件的轉動來按鍵，固定件固定于手掌之上并調整手指的位置，連接件用于連接指尖與固定件。我們采用舵機作為動力來源，配以拉線轉動關節(jié)以帶動連接件以及指尖的轉動，以實現(xiàn)仿生手的快速、精確按鍵功能。
【專利說明】一種薩克斯專用仿生手
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種應用型手指結構，是一種完全為吹奏薩克斯的需求所設計的手指結構，能夠完全符合薩克斯吹奏的按鍵要求，并且符合人體功效學。
【背景技術】
[0002]目前，現(xiàn)有的薩克斯機器人的手指設計都是不完整的，由于薩克斯的構造復雜、按鍵很多，一個手指需要控制一個或者多個按鍵，現(xiàn)有的薩克斯機器人的手指設計大多為一個自由度、最多為兩個自由度，不能完全滿足薩克斯的按鍵要求，即薩克斯的音域不能完全保證，在吹奏時只能選擇音域較窄的歌曲。而現(xiàn)有的一些靈巧手能夠實現(xiàn)很多仿生的復雜操作功能，但是由于靈巧手的結構過于復雜，并且很難做成仿人手的大小，基本上現(xiàn)有的靈巧手的關節(jié)結構均使用電機作為動力來源，由于薩克斯的大小不能定做，所以手指的大小被限定，不能在關節(jié)處使用電機作為動力來源，而且成本會很高，所以靈巧手并不適合作為薩克斯機器人的仿生手。
[0003]針對上述不足，本申請研制了一套新型的薩克斯專用應用型仿生手結構。通過對薩克斯吹奏的了解，發(fā)現(xiàn)每個手指所控制的鍵的個數(shù)以及方法均不相同，比如，左手食指需要三個單向自由度、左手中指需要兩個單向自由度、左手無名指和右手中指和無名指只需要一個單向自由度。所以按照每個手指的需要，設計特定的結構。這樣不僅可以節(jié)約成本，還能夠減少舵機的控制復雜度，提高設計控制的效率，并且提高手指結構的緊湊度。
實用新型內容
[0004]本實用新型仿生手需要解決以前仿生手的包括手指功能不完善、手指過大不符合吹奏薩克斯的要求、結構過于復雜浪費成本和增加控制復雜度等問題，并且提出一種實用新型仿生手的結構，解決以上不足。
[0005]本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下:仿生手包括兩只手掌和十個手指(由于吹奏薩克斯左手右手按鍵方式不一樣，所以設計結構并不對稱)；兩只手掌分為左掌和右掌，左掌有一個垂直延伸板，延伸板上安裝左手拇指(有按鍵功能)，右掌沒有垂直延伸板，右手拇指(沒有按鍵功能)固定在右手臂上，用來固定薩克斯中部的位置，故不需要延伸板，安裝在延伸板上反而影響手掌的結構強度。
[0006]組成手指的基本部分包括指尖(一個)、連接件(無、一個或多個)、固定件(一個)和關節(jié)(一個或多個)。指尖用于按鍵，關節(jié)用于控制指尖或鏈接件的轉動來按鍵，固定件固定于手掌之上并調整手指的位置，連接件用于連接指尖與固定件。本申請采用舵機作為動力來源，配以拉線轉動關節(jié)以帶動連接件以及指尖的轉動。拉線從關節(jié)下方與鏈接件的橫板上的小孔穿過并纏繞固定在圓形關節(jié)的凹槽中，另一端連接在舵機的舵盤上。
[0007]在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進:
[0008]進一步，在固定板的延伸板上設計有一滑槽，并在手掌上設計兩道水平平行且與手指固定板上的滑槽寬度一樣的滑槽。根據(jù)兩點一線原則，能夠盡最大可能增加手指的調整范圍，用兩個直徑與滑槽寬度相同的螺栓固定。由于手指處受力不大，擰緊螺栓的摩擦力足以保證手指裝配調整后固定不動。
[0009]進一步，仔細研宄每個薩克斯按鍵的手指控制，發(fā)現(xiàn)左手食指需要三個單向自由度；左手中指需要兩個單向自由度；左手拇指和無名指、右手中指和無名指只需要一個單向自由度；左手小指和右手食指需要兩個單向自由度和一個擺動自由度。通過對自由度的分析，我們可以基本確定手指的結構，即，N個單向自由度需要N-1個連接件，需要N個關節(jié)。
[0010]進一步，有關于關節(jié)滑輪的設計，關節(jié)滑輪設計為一個圓柱形滑輪，圓柱面中部設計為凹槽，圓心處打一通孔，用以穿過同樣大小的軸，保證關節(jié)與連接件或固定件之間的相對同軸轉動。在非圓心處打一螺紋孔(或通孔)，用以連接指尖(或連接件)，保證指尖(或連接件)與該關節(jié)保持相對靜止，以此通過關節(jié)轉動來帶動指尖(或連接件)的轉動，實現(xiàn)手指的按鍵。通過在凹槽中設計一個壓線螺絲，來保證拉線與關節(jié)滑輪之間的相對靜止。
[0011]進一步，有關連接件的結構設計，所述仿生手的各手指的指節(jié)個數(shù)為0-2個不等，由于手指的驅動源來自于關節(jié)處的拉線，為保證各拉線正常工作(能夠保持關節(jié)兩端拉線平行)而不相互干擾，則關節(jié)的設計必須有大小的區(qū)分，靠近指尖(遠離舵機)的關節(jié)較大，遠離指尖(靠近舵機)的關節(jié)較小。而連接件的結構設計則是根據(jù)關節(jié)的大小梯度變化而設計成“折線”型。
[0012]進一步，有關多單向自由度的連接件的尺寸設計，根據(jù)薩克斯在proe中的三維掃描立體圖來建立手指模型，手指結構的尺寸基本可以在建模中確立，為了減少舵機的驅動力，應該相應將關節(jié)設計的比較大，而連接件(或指尖)的受力位置應該相應的同轉動軸的位置靠近。根據(jù)建立的模型來不斷調整尺寸，最終使得手指能夠完整依附于手掌之上，并且將手指按鍵能動部分與薩克斯按鍵完美貼合。
[0013]本實用新型的有益效果是:本實用新型的薩克斯專用仿生手具有結構簡單、仿人手尺寸、易控制、高自由度的特點。每個手指的結構都依照薩克斯吹奏的需求而設計，具有專向性。手指的動力來源為舵機提供，舵機具有易操作、靈敏度、準確度高、響應速度快的特點，使得手指的控制系統(tǒng)更簡單、易更改調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型所述一種薩克斯機器人的專用仿生手裝置的左手的結構示意圖；
[0015]圖2為本實用新型所述一種薩克斯機器人的專用仿生手裝置的右手的結構示意圖；
[0016]圖3為本實用新型所述左手食指的結構示意圖；
[0017]圖4為本實用新型所述左手中指(與右手食指相同)的結構示意圖；
[0018]圖5為本實用新型所述不帶有“口”型固定架的指尖的結構示意圖；
[0019]圖6為本實用新型所述帶有“口”型固定架的指節(jié)的結構示意圖；
[0020]圖7為本實用新型所述一級連接件的結構示意圖；
[0021]圖8為本實用新型所述二級連接件的結構示意圖；
[0022]圖9為本實用新型所述固定件的結構示意圖；
[0023]圖10為本實用新型所述單自由度關節(jié)的結構示意圖；
[0024]圖11為本實用新型所述擺動自由度關節(jié)的結構示意圖；
[0025]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0026]1、手掌，2、手指，201、指尖，202、連接件，203、固定件，204、關節(jié)，201-1、平面帶有限位結構的指尖，201-2、帶有立體固定架的指尖，202-1、組裝成型的一級連接件，202-2、一體的二級連接件，202-11、組裝成型一級連接件的兩側“7”型定位結構，202-12、組裝成型一級連接件的工字型限位板，202-13、拉線環(huán)固定孔，202-14、轉軸固定孔。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述。
[0028]如圖1、2所示，圖紙結構為薩克斯專用仿生手的左手和右手的結構示意圖。該圖中每個仿生手包括手掌I和五個手指2，其中圖1為左手示意圖，圖2為右手示意圖。圖1左手示意圖中大拇指包括一個指尖201，一個關節(jié)204，一個固定件203;食指包括一個指尖201，兩個連接件202，一個固定件203，三個關節(jié)204;中指(與右手食指結構相同)包括一個指尖201，一個連接件202，一個固定件203，二個關節(jié)204 ;無名指(與右手中指、無名指結構相同)包括一個指尖201，一個固定件203，一個關節(jié)204;小指(與右手小指結構相同)包括一個指尖201，一個固定件203，一個關節(jié)204。圖2中右手結構示意圖中大多數(shù)手指結構與左手手指相同，大拇指無按鍵功能，而只有固定作用，故將大拇指設計固定在手臂上，在圖中手掌上未顯示。所述每個指尖201與一個關節(jié)204固定連接，再一同接在固定件203或連接件202 —端；所述連接件202的另一端與一個關節(jié)204固定連接，再一同接在固定件203或連接件202 —端；所述每個關節(jié)204由一個舵機通過拉線控制；所述拉線的一端固定在關節(jié)204上，另一端固定在在舵機的舵盤上。
[0029]如圖3所示，所述手指為左手食指結構示意圖，根據(jù)薩克斯實際吹奏所需設計三個單向自由度，包括指尖201-1，連接件202-1和202-2，固定件203，關節(jié)204。所述指尖201-1與關節(jié)配合成第一單向自由度，用于控制薩克斯的正面按鈕；所述連接件202-1與關節(jié)配合成第二單向自由度，用于控制薩克斯的側面第一倍音鍵；所述連接件202-2與關節(jié)配合成第三單向自由度，用于控制薩克斯的側面第二倍音鍵。所述固定件203的U型結構一端連接連接件202-2和關節(jié)204，另一端將滑槽固定于手掌上的兩條平行限位滑槽，用于調整整個手指的位置與朝向。
[0030]如圖4所示，所述手指為左手中指(與右手食指結構相同)結構示意圖，根據(jù)薩克斯實際吹奏所需設計二個單向自由度，包括指尖201-1，連接件202-1，固定件203，關節(jié)204。所述指尖201-1與關節(jié)配合成第一單向自由度，用于控制薩克斯的正面按鈕；所述連接件202-1與關節(jié)配合成第二單向自由度，用于控制薩克斯的側面倍音鍵。所述固定件203的U型結構一端連接連接件202-2和關節(jié)204，另一端將滑槽固定于手掌上的兩條平行限位滑槽，用于調整整個手指的位置與朝向。
[0031]如圖5、6所示，所述指尖包括201-1、201-2兩種。圖5所述指尖用于除左右手小指以外的其他所有手指的指尖。所述指尖201-1結構中包含同軸孔201-11和止動孔201-12。所述同軸孔201-11用于保持指尖相對于連接件的同軸旋轉；所述止動孔201-12用于保持關節(jié)和指尖位置的相對靜止，以達到拉線控制關節(jié)旋轉，同時帶動指尖旋轉按鍵的目的。圖6所述指尖用于左右手小指的指尖。由于小指除開單向自由度以外還需要一個擺動自由度，擺動自由度的實現(xiàn)需要更改關節(jié)204的結構，從而不能用普通的連接件或固定件或指尖的結構。所述指尖201-2結構中包含同軸孔201-21和止動孔201-22。所述同軸孔201-21用于保持指尖相對于連接件的同軸旋轉；所述止動孔201-22用于保持關節(jié)和指尖位置的相對靜止，以達到拉線控制關節(jié)旋轉，同時帶動指尖旋轉按鍵的目的。
[0032]如圖7、8所示，所述連接件包括202-1和202-2兩種。圖7所述連接件為一級連接件，即連接指尖與固定件或連接指尖與二級連接件的結構。所述連接件202-1結構中包含兩個平行放置的折型擋板202-11，和一個工字型限位板202-12。所述折型擋板202-11，兩個折型擋板平行對稱放置構成類Y型結構，大口端內接關節(jié)204和指尖201 ;小口端內接關節(jié)204，外接二級連接件202-2的大口端或固定件203的開口端。所述限位板202-12正面有兩個通拉線并限位的限位孔，側面有兩個與折型擋板相固定的螺紋孔。圖8所述連接件為二級連接件，即連接一級連接件和固定件的結構。所述連接件202-2結構與202-1不同之處在于202-2為一個整體件，而202-1由三個小零件組成。202-2實現(xiàn)的功能與202-1相似，但由于拉線走線的原因，二級連接件只能設計的比一級連接件小，這樣拉線才不會相互干擾。
[0033]如圖9所示，所述固定件203結構中，上半部分為一個U型定位結構，結構上側面有與指尖201和關節(jié)204連接的定位孔，底面有通拉線的限位孔。下半部分為一個與手掌固定的定位板，定位板上的滑槽與手掌上的兩條滑槽組成定位槽，以調整手指的最終具體朝向。
[0034]如圖10、圖11所示，所述關節(jié)包括204-1和204-2兩種。關節(jié)204-1用于單向自由度，204-2用于擺動自由度。圖10所述關節(jié)204-1結構中，包含同軸定位孔204-11，固定螺紋孔204-12，壓線螺紋孔204-13。所述同軸定位孔204-11用于保持關節(jié)204相對于連接件202或固定件203的同軸轉動；所述固定螺紋孔204-12用于保持指尖201與關節(jié)204運動的相對靜止；所述壓線螺紋孔204-13用于保持拉線與關節(jié)204運動的相對靜止，以實現(xiàn)通過舵機操縱拉線來控制關節(jié)和指尖的轉動。圖11所述關節(jié)204-2結構中，包含同軸定位孔204-21和支撐定位孔204-22，。所述同軸定位孔204-21用于保持關節(jié)相對于固定件的同軸轉動；所述支撐定位孔204-22用于支撐單向自由度關節(jié)204-1，使其保證同軸轉動。
【權利要求】
1.一種薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，包括了一個手掌和五個手指，其中大拇指包括一個連接件和一個固定件，固定件直接固定在手掌上或通過關節(jié)與金屬固定板連接，金屬固定板固定在手掌上，為了更好地適應吹奏薩克斯的需要，左右手除拇指外的其他四個手指各不相同，左手的食指有三個關節(jié)，中指有兩個關節(jié)，無名指有一個關節(jié)，小指有一個關節(jié)，右手的食指有兩個關節(jié)，中指有一個關，各個關節(jié)通過連接件連接，每個關節(jié)最末端的關節(jié)用固定件與手掌連接，上述的每個關節(jié)都有一個舵機通過拉線控制其運動，拉線的一端固定在對應的關節(jié)上另一端固定在舵機的舵盤上。
2.根據(jù)權利要求1中所述的薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，手指包括關節(jié)連接件和固定件；手掌由帶兩條螺栓槽的平板構成。
3.根據(jù)權利要求1中所的述薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，手指中的關節(jié)由滾輪組成，連接件由兩條長板和關節(jié)處的連接橫板組成，固定件為帶有螺栓槽的條形板；手掌由帶兩條螺栓槽的平板構成。
4.根據(jù)權利要求1中所述薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，共有兩種不同種類的關節(jié)，一種為單自由度關節(jié)可以實現(xiàn)上下自由度的調整，另一種為兩個自由度關節(jié)可以實現(xiàn)上下、左右自由度的調整。
5.根據(jù)權利要求4所述薩克斯專用仿生手裝置，其特征在于，所述單自由度關節(jié)包括一個轉輪和轉軸，轉軸穿過轉輪中間的圓孔使轉輪在舵機拉線拉動時可以進行單自由度的轉動；所述兩自由度關節(jié)由一個轉輪、一個轉軸和一個豎直放置的支撐軸組成，支撐軸和轉輪通過轉軸連接在一起，整個關節(jié)由兩個舵機控制，一個控制支撐軸實現(xiàn)左右自由度的轉動，另一個控制轉輪實現(xiàn)對上下自由度的控制。
6.根據(jù)權利要求1所述一種薩克斯專用仿生手裝置，其特征是，在食指、中指、無名指和小指的連接件上設計有定位槽，同時在手掌上有兩條對應的定位槽，安裝時用兩個螺栓進行連接、固定。
【文檔編號】B25J15/10GK204248899SQ201420346439
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2014年6月26日
【發(fā)明者】范東宇, 王玥, 劉佩增, 何江龍, 楊凱, 陳凱翔, 趙亮, 劉泫梓 申請人:北京郵電大學