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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号(45)授权公告日(21)申请号201920454070.2(22)申请日2019.04.04(73)专利权人连云港职业技术学院地址222000江苏省连云港市海州区花果山大道晨光路2号连云港职业技术学院刘旭东转(72)发明人刘旭东 (74)专利代理机构连云港润知专利代理事务所32255代理人王彦明(51)Int.Cl.B25J15/00(2006.01)(54)实用新型名称一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手(57)摘要一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手，包括按摩手掌、大拇指和四个手指，手指包括手指夹头、手指中段、手指根段并通过转动关节Ｃ、Ｄ顺序连接，四个手指转动关节Ｃ、Ｄ连接成一体构成联动结构，并通过转关节Ｏ与手掌连接；大拇指包括大拇指夹头、拇指中段和拇指末段并通过转动关节Ｇ、Ｆ顺序连接；拇指末段通过转动关节Ｅ与手掌连接，转动关节Ｅ与转关节Ｏ垂直设置，转动关节E、F、G通过舵机驱动转动，四个联动手指的转动关节O、D、C通过气动变胞机构实现关节的驱动，实现了手形及相关联动要求。权利要求书1页说明书4页附图2页CN209755242U2019.12.10CN209755242U1.一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手，括按摩手掌、大拇指和四个手指，手指包括手指夹头、手指中段、手指根段并通过转动关节Ｃ、Ｄ顺序连接，四个手指转动关节Ｃ、Ｄ连接成一体构成联动结构，联动的四根手指通过转关节Ｏ与手掌连接；大拇指包括大拇指夹头、拇指中段和拇指末段并通过转动关节Ｇ、Ｆ顺序连接；拇指末段通过转动关节Ｅ与手掌连接，转动关节Ｅ顺着手掌方向与转关节Ｏ垂直设置，转动关节Ｇ和转动关节Ｃ、Ｄ、Ｏ的转动方向相同设置，转动关节E、F、G通过舵机驱动转动，其特征在于：四个联动手指的转动关节O、D、C通过气动变胞机构实现关节的驱动，所述的气动变胞机构包括联杆ＣＤ、ＤＯ、ＣＢ、ＯＢ顺序铰接构成四边形结构，联杆ＣＤ、ＤＯ之间的铰接点Ｄ与转动关节Ｄ同轴设置，联杆ＣＤ、ＣＢ之间的铰接点Ｃ与转动关节Ｃ同轴设置，联杆ＤＯ、ＯＢ之间的铰接点Ｏ与转动关节Ｏ同轴设置，联杆ＯＢ、ＣＢ之间的铰接点为Ｂ，在手掌上顺着手掌方向设有驱动气缸，驱动气缸的驱动端设有铰接点Ａ，在铰接点Ａ和上述铰接点为Ｂ之间铰接驱动杆ＡＢ，在所述铰接点Ｄ上装有扭簧，扭簧的两端分别与联杆ＣＤ、ＤＯ连接给联杆ＣＤ、ＤＯ朝向四边形结构内侧转动的加力。权 利 要 求 书1/1页2CN209755242U2一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手技术领域[0001]本实用新型涉及一种机器人仿生技术，特别是一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手。背景技术[0002]随着科学技术的进步，机器人技术也日趋完善，机器人手作为机器人的重要部位，其适应未知物体的能力关系着机器人的使用价值。[0003]医学按摩对于按摩师来说，有较高的工作强度，因此设计出用来代替人手按摩的机械按摩手对于医学按摩领域有着重要的应用价值。发明内容[0004]本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种实现手形及相关联动要求、拿捏按摩具有一定的柔性的、基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手。[0005]本实用新型要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手，包括按摩手掌、大拇指和四个手指，手指包括手指夹头、手指中段、手指根段并通过转动关节Ｃ、Ｄ顺序连接，四个手指转动关节Ｃ、Ｄ连接成一体构成联动结构，联动的四根手指通过转关节Ｏ与手掌连接；大拇指包括大拇指夹头、拇指中段和拇指末段并通过转动关节Ｇ、Ｆ顺序连接；拇指末段通过转动关节Ｅ与手掌连接，转动关节Ｅ顺着手掌方向与转关节Ｏ垂直设置，[0006]转动关节Ｇ和转动关节Ｃ、Ｄ、Ｏ的转动方向相同设置，转动关节E、F、G通过舵机驱动转动，其特点是：四个联动手指的转动关节O、D、C通过气动变胞机构实现关节的驱动，所述的气动变胞机构包括联杆ＣＤ、ＤＯ、ＣＢ、ＯＢ顺序铰接构成四边形结构，[0007]联杆ＣＤ、ＤＯ之间的铰接点Ｄ与转动关节Ｄ同轴设置，[0008]联杆ＣＤ、ＣＢ之间的铰接点Ｃ与转动关节Ｃ同轴设置，[0009]联杆ＤＯ、ＯＢ之间的铰接点Ｏ与转动关节Ｏ同轴设置，[0010]联杆ＯＢ、ＣＢ之间的铰接点为Ｂ，[0011]在手掌上顺着手掌方向设有驱动气缸，驱动气缸的驱动端设有铰接点Ａ，在铰接点Ａ和上述铰接点为Ｂ之间铰接驱动杆ＡＢ，[0012]在所述铰接点Ｄ上装有扭簧，扭簧的两端分别与联杆ＣＤ、ＤＯ连接给联杆ＣＤ、ＤＯ朝向四边形结构内侧转动的加力。[0013]本实用新型与现有技术相比，该手的大拇指关节采用舵机驱动，而四个手指的关节则采用气动变胞机构来驱动。实现了手形及相关联动要求，因此，在对人体按摩的过程中有较高的柔性，从而很好地达到了按摩手所必须具备柔性的这一重要技术指标，完成了该按摩手按摩捏动作的运动。该按摩手在医学按摩领域应该有良好的应用前景。说 明 书1/4页3CN209755242U3附图说明[0014]图1为按摩手的结构示意图；[0015]图2为变胞机构驱动关节的按摩手在实现捏动作时的工作原理图；[0016]图3为变胞机构驱动关节的驱动原理图。具体实施方式[0017]以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。[0018]一种基于气动驱动的变胞机构柔性按摩手，包括按摩手掌、大拇指和四个手指，手指包括手指夹头、手指中段、手指根段并通过转动关节Ｃ、Ｄ顺序连接，四个手指转动关节Ｃ、Ｄ连接成一体构成联动结构，联动的四根手指通过转关节Ｏ与手掌连接；大拇指包括大拇指夹头、拇指中段和拇指末段并通过转动关节Ｇ、Ｆ顺序连接；拇指末段通过转动关节Ｅ与手掌连接，转动关节Ｅ顺着手掌方向与转关节Ｏ垂直设置，转动关节Ｇ和转动关节Ｃ、Ｄ、Ｏ的转动方向相同设置，转动关节E、F、G通过舵机驱动转动，四个联动手指的转动关节O、D、C通过气动变胞机构实现关节的驱动，所述的气动变胞机构包括联杆ＣＤ、ＤＯ、ＣＢ、ＯＢ顺序铰接构成四边形结构，[0019]联杆ＣＤ、ＤＯ之间的铰接点Ｄ与转动关节Ｄ同轴设置，[0020]联杆ＣＤ、ＣＢ之间的铰接点Ｃ与转动关节Ｃ同轴设置，[0021]联杆ＤＯ、ＯＢ之间的铰接点Ｏ与转动关节Ｏ同轴设置，[0022]联杆ＯＢ、ＣＢ之间的铰接点为Ｂ，[0023]在手掌上顺着手掌方向设有驱动气缸，驱动气缸的驱动端设有铰接点Ａ，在铰接点Ａ和上述铰接点为Ｂ之间铰接驱动杆ＡＢ，[0024]在所述铰接点Ｄ上装有扭簧，扭簧的两端分别与联杆ＣＤ、ＤＯ连接给联杆ＣＤ、ＤＯ朝向四边形结构内侧转动的加力。[0025]如图1所示，9．四个联动手指夹头、 10．大拇指夹头 7．按摩手掌，O、D、C、E、F、G为转动关节 。[0026]整个手掌在xoz平面内，图示为手心结构，构件1为四个手指，该四个手指为联动机构，可以视为一个整体，其在关节O、D、C的驱动下可以一起绕z轴方向旋转；大拇指2可以在关节E的驱动下绕x轴方向旋转，在关节G的驱动下，绕y轴方向旋转，在关节F的驱动下，绕z轴方向旋转。[0027]设人体需要按摩的部位位于xoz的平面内，按摩手的手心正对于被按摩部位，当需要按摩手做单指旋转揉的动作时，大拇指在关节F的驱动下，绕z轴方向旋转90度，再沿y轴方向让大拇指压住被按摩部位，整个手掌绕y轴方向做往复旋转运动，从而实现单指旋转揉的动作；当需要按摩手做掌揉的动作时，六个关节O、D、C、E、F、G都保持不动，整个手掌沿y轴方向移动到人体所需要的按摩部位，整个手掌做绕y轴方向的往复旋转运动，从而实现掌揉的按摩动作；当需要按摩手做掌振或往复拍打的动作时，六个关节O、D、C、E、F、G都保持不动，整个手掌沿y轴方向做轴向往复移动，从而实现掌振或拍的按摩动作；当需要按摩手做按摩滚的动作时，关节O带动四个联动手指绕z轴旋转弯曲和手掌形成一个定角度，然后整个手掌连同手指作为一个整体沿y轴方向移动到人体所需的按摩部位，然后整个弯曲的手说 明 书2/4页4CN209755242U4掌绕x轴旋转做按摩滚的动作；当需要按摩手做捏的动作时，大拇指关节E带动大拇指绕x轴方向旋转90度，然后大拇指的关节G带动大拇指绕z轴方向旋转，同时四个联动手指的关节O、D、C带动四个手指也绕z轴方向旋转，这样就可以捏住被按摩部位，从而实现按摩手捏的动作。[0028]如图2所示： 1．联杆ＯＢ、2．联杆ＣＢ、 3．联杆ＣＤ、4．联杆ＤＯ、5．驱动杆ＡＢ 、6．气缸、7．按摩手掌、8．大拇指、9．四个联动手指夹头、10．大拇指夹头、11．被捏按摩的部位。[0029]D带扭簧的铰链 ， E、F、G大拇指转动关节。[0030]大拇指8通过旋转关节E联接于手掌7上，关节E可以带动整个大拇指绕x轴方向转动。大拇指上还有关节F和关节G，关节F可以带动大拇指绕y轴方向转动，关节G可以带动大拇指绕z轴方向转动。当手掌进行捏按摩时，如图所示，大拇指上关节G在舵机的驱动下，带动大拇指夹头10和大拇指8围绕z轴方向转动成一个定角度，捏住被按摩部位11一侧保持定角度不动。气缸6固联在手掌7的背部，整个变胞机构由杆件1、2、3、4、5构成，其中铰链A、B、C、O为普通铰链，铰链D为带扭簧的铰链。当进行捏动作时，大拇指8在关节G的旋转下和指夹头10已经形成一个固定角度，气缸6驱动变胞机构ABCDO绕z轴做向被捏部位11进行旋转运动，当杆件4抵住11时，气缸6并未停止驱动，而是继续驱动整个变胞机构ABCDO，当驱动力大于铰链D的扭簧闭合力时，铰链D会发生旋转运动，即变胞机构ABCDO发生变胞运动，此时杆件3会围绕铰链D发生旋转运动，带动四个联动手指夹头9捏住被按摩部位11一侧，与已经形成定角度的大拇指8和其大拇指夹头10的机构一起共同捏住被按摩部位11完成对其的捏运动，气缸6如此往复上述运动，则完成了对被按摩部位11的往复捏按摩运动。由于该机构的变胞特性和气体驱动特性，使手指在进行捏按摩时有一定的柔性，这样对于医学按摩有着重要的意义。[0031]关节E、F、G的驱动都使用舵机来实现，通过控制系统发出指令，来实现关节所需旋转角度和夹紧力的控制。[0032]由于按摩手需要相当大的柔性，这样才能避免损伤被按摩的人体，所以四个联动手指的关节O、D、C不采用舵机驱动，而采用一种气动变胞机构来实现关节的驱动。由于该机构的气体驱动特性和变胞特性，使手指在实现拿捏按摩动作时有一定的柔性。[0033]如图3所示，（a）为平面铰链机构，其中O、A、B、C处的铰链是普通铰链，D处是一个特殊铰链，其是一个带有扭簧的铰链，扭簧有一定的初始闭合力矩。当滑块m向上移动，杆OD没有碰到任何阻挡物时，D处扭簧处于初始闭合状态，整个OBCD可以视为一个整体，即形成曲柄滑块机构。其机构自由度计算为,该机构的原动件数等于其自由度数，有确定运动。如图（b）、（c）所示，滑块m向上移动，当杆OD碰到阻挡物时，该阻挡物会阻止杆OD的旋转运动，而此时滑块m会继续向上移动，从而推动杆OD继续压紧阻挡物，当杆OD压紧阻挡物的力量超过D处扭簧的初始闭合力矩时，杆DC就会克服扭簧D的初始闭合力矩，从而使杆CD发生旋转运动，即产生变胞运动。此时机构的自由度计算应为，该机构的自由度数等于原动件数，有确定运动。[0034]在机械工程学中，变胞机构是指能在瞬时使某些构件发生合并/分离、或出现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化，从而产生新构型的机构。关于该类机构的特点与应用，人们已进行了多方面的研究。此外，由于气体驱动和液压驱动等其它驱动相比说 明 书3/4页5CN209755242U5具有一定的柔性，所以气动柔性关节技术在仿生机器人以及医疗机器人中有着重要的应用。例如，对于医学按摩机器人的按摩手，其手指要有较高的柔性，这样才能避免损伤人体被按摩的部位。[0035]按摩手是安装在按摩机器人的按摩头上的一个部件，要实现按摩的几种主要手法，需要模拟按摩医师的按摩操作手法。按摩机器人由机械臂，按摩头及按摩手组