CN102085662B - 拟人电动机械灵巧手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拟人电动机械灵巧手。包括一个电动拇指、四个电动手指和机械手掌；电动拇指和四个电动手指均依次包括上、中、下指节和基座体；四个电动手指的下指节分别通过各自的基座体同一方向安装在机械手掌内，电动拇指的下指节通过电动拇指的基座体安装在机械手掌内，电动拇指位于机械手掌的另一侧面，五个电动手指与机械手掌共面；电动拇指具有四个主动自由度，每个电动手指均有三个主动自由度和一个从动自由度；共有十六个主动自由度和四个从动自由度，与人手自由度一致，为机械手的主从控制提供硬件设备。本发明仿生人手的外型布置、人手指的骨骼结构和人手指的运动功能设计，不仅可应用于工业领域，还可以作为人手的假肢。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人机械手，具体地说是涉及具有与人手自由度一致的十六个主动自由度和四个从动自由度的拟人电动机械灵巧手。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展和机器人应用领域的不断扩大，原有的机器人末端操作器已经不能满足当今生产需求。为了克服普通末端操作器夹持方式单一、活动空间小、缺少灵活性、难以精确控制等缺点，灵巧型机械手（简称灵巧手）应运而生。灵巧手有多个自由度，可以抓取多种形状、不同材质的物体，还可以对所抓持的物体进行精细操作。用其代替专用的夹持器，安装到机器人操作器末端，不仅能扩大机器人的作业范围，还能提高机器人的作业质量。
十九世纪六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni开发了第一只机械手，它有五个手指和五个自由度。七十年代发明了多种通用夹持器，如日本Hanafusa开发了一个三指手机构，每个手指有一个自由度；美国Crossley研制了三指八自由度机构，其中一个手指有二个自由度，另两个手指分别有三个自由度。八十年代，Salisbury, Jacobsen等人提出摸拟人手来设计通用夹持器的研究思想，研制了多指、多关节、多自由度的JPL灵巧手机构；日本学者T.Okada研制了三指十一个自由度灵巧手；美国Utah大学研制了MIT手。九十年代末二十一世纪初，灵巧手的研发进入了一个新阶段，关节数、手指数逐渐向人手靠近，其中比较有代表性的有：1999年研制成功的NASA灵巧手，由四个手指和一个位置相对的拇指组成，共有十四个自由度，由十四个直流无刷电机驱动，其于人手外形尺寸很相似，具有很好的灵活性；2003年日本歧阜大学Haruhisa, Kawasaki等人研发了Gifu Ⅲ灵巧手。Gifu Ⅲ手是拟人电动灵巧手，尺寸略大于人手，外形更接近人手，共有五个手指十六个自由度，具有较高的灵巧性和精确控制性。北京航空航天大学机器人研究所研制的BH-3手有三个手指，每个手指有三个关节，共9个自由度。2008年哈尔滨工业大学研制了HIT/DLRⅡ多指灵巧手，每个手指有3自由度，共有15个自由度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多自由度、多关节，能抓取不同形状、不同材质物体的灵巧手。它能替代人手，在人类无法亲临或恶劣的环境中工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括一个电动拇指、四个电动手指和机械手掌；电动拇指和四个电动手指均依次包括上指节、中指节、下指节和基座体；四个电动手指的下指节分别通过各自的基座体同一方向安装在机械手掌内，电动拇指的下指节通过电动拇指的基座体安装在机械手掌内，电动拇指位于机械手掌的另一侧面，电动拇指和四个电动手指与机械手掌共面；四个电动手指尺寸结构相同；电动拇指具有四个主动自由度，每个电动手指均有三个主动自由度和一个从动自由度；拟人电动机械灵巧手共有十六个主动自由度和四个从动自由度，与人手自由度一致。
所述的电动手指包括上指节体、上传动轴、上连架杆、连杆、曲柄、中指节体、中指节左从动锥齿轮、中指节右从动锥齿轮、中指节左传动轴、中指节右传动轴、中指节主动锥齿轮、中指节电机、下指节体、方形块、基弯曲传动轴、基弯曲电机、基弯曲主动锥齿轮、基过渡锥齿轮、基弯曲从动锥齿轮、侧展电机、侧展主动锥齿轮、侧展从动锥齿轮和侧展轴。
所述的上指节体经上传动轴联接中指节体，中指节体经中指节左传动轴和中指节右传动轴联接下指节体；方形块经基弯曲传动轴安装在下指节体的底部；中指节电机安装在下指节体内，基弯曲电机和侧展电机安装在基座体内。
所述的电动手指的一个从动自由度位于上指节体和中指节体联接处；中指节电机驱动中指节主动锥齿轮，经中指节左从动锥齿轮和中指节左传动轴，使曲柄旋转，进而带动连杆，连杆推与上指节体相联的上连架杆，使得上指节体绕上传动轴转动，从而与中指节体构成一个弯曲的从动自由度；中指节左从动锥齿轮和曲柄固联在中指节左传动轴上，中指节左传动轴与下指节体和中指节体滑动联接；上连架杆、连杆、曲柄和上指节体构成一个曲柄连杆机构；上传动轴与上指节体和中指节体滑动联接。
所述的电动手指的中指节体和下指节体联接处构成一个主动自由度；中指节电机驱动中指节主动锥齿轮，经中指节右从动锥齿轮和中指节右传动轴，带动中指节体转动，从而与下指节体构成一个弯曲的主动自由度；中指节右传动轴与中指节体和中指节右从动锥齿轮固联，与下指节体滑动联接。
所述的电动手指的下指节体和基座体联接处构成二个主动自由度；安装在基座体内的基弯曲电机驱动基弯曲主动锥齿轮，带动基过渡锥齿轮，经基弯曲从动锥齿轮和基弯曲传动轴，使得下指节体转动，从而与基座体构成一个弯曲的主动自由度；安装在基座体内的侧展电机驱动侧展主动锥齿轮，经侧展从动锥齿轮、侧展轴和方形块，带动下指节体摆动，从而与基座体构成一个侧展的主动自由度；基弯曲传动轴与下指节体和基弯曲从动锥齿轮固联，与方形块滑动联接；侧展从动锥齿轮、侧展轴和方形块三者固联。
所述的电动拇指的一个主动自由度位于拇指上指节体和拇指中指节体联接处，由拇指上指节电机，经拇指上主动锥齿轮、拇指上从动锥齿轮和拇指上传动轴，驱动拇指上指节体转动，从而与拇指中指节体构成一个弯曲的主动自由度；电动拇指中指节处和基体座处的结构和电动手指中指节处和基体座处的结构相同，电动拇指的其它三个主动自由度与电动手指的三个主动自由度相同。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1. 本发明仿生人手的外型布置、人手指的骨骼结构和人手指的运动功能设计，不仅可应用于工业领域，还可以作为人手的假肢。
2. 本发明设计了由五个锥齿轮组成的锥齿轮系，实现了手指基部的弯曲自由度和侧展自由度位于同一个运动中心，从而使手指基部运动更精确。
3. 本发明有共有十六个主动自由度和四个从动自由度，与人手自由度一致，从而为机械手的主从控制提供硬件设备。
因此，本发明能够满足了机器人灵巧机械手的性能。
附图说明:
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的电动手指主视图；
图3是本发明的电动手指侧视图；
图4是本发明的电动手指上指节结构示意图；
图5是本发明的手指基部结构示意图A；
图6是本发明的手指基部结构示意图B；
图7是本发明的电动拇指结构示意图。
图中：1.电动拇指，2.电动手指，3.机械手掌，4.上指节，5.中指节，6.下指节，7.基座体，8.上指节体，9.上传动轴，10.上连架杆，11.连杆，12. 曲柄，13. 中指节体，14.中指节左从动锥齿轮，15.中指节右从动锥齿轮，16.中指节左传动轴，17.中指节右传动轴，18.中指节主动锥齿轮，19.中指节电机，20. 下指节体，21.方形块，22.基弯曲传动轴，23.基弯曲电机，24.基弯曲主动锥齿轮，25. 基过渡锥齿轮，26.基弯曲从动锥齿轮，27.侧展电机，28.侧展主动锥齿轮，29.侧展从动锥齿轮，30.侧展轴，31.拇指上指节体，32.拇指中指节体，33. 拇指上指节电机，34.拇指上主动锥齿轮，35.拇指上从动锥齿轮，36.拇指上传动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实例施对本发明作进一步说明
如图1、图2、图3、图5、图7所示，本发明由一个电动拇指1、四个电动手指2和机械手掌3组成；电动拇指1和四个电动手指2均由上指节4、中指节5、下指节6和基座体7组成；电动拇指1具有四个主动自由度，每个电动手指2有三个主动自由度和一个从动自由度；拟人电动机械灵巧手共有十六个主动自由度和四个从动自由度，与人手自由度一致。
如图1所示，所述的电动拇指1和四个电动手指2，经基座体7按一定角度安装在机械手掌3内，且与机械手掌3共面；四个电动手指2尺寸结构相同。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述的电动手指2包括上指节体8、上传动轴9、上连架杆10、连杆11、曲柄12、中指节体13、中指节左从动锥齿轮14、中指节右从动锥齿轮15、中指节左传动轴16、中指节右传动轴17、中指节主动锥齿轮18、中指节电机19、下指节体20、方形块21、基弯曲传动轴22、基弯曲电机23、基弯曲主动锥齿轮24、基过渡锥齿轮25、基弯曲从动锥齿轮26、侧展电机27、侧展主动锥齿轮28、侧展从动锥齿轮29和侧展轴30；上指节体8经上传动轴9联接中指节体13，中指节体13经中指节左传动轴16和中指节右传动轴17联接下指节体20；方形块21经基弯曲传动轴22安装在下指节体20的底部；中指节电机19安装在下指节体20内，基弯曲电机23和侧展电机27安装在基座体7内。
如图2、图3、图4所示，所述的电动手指2的一个从动自由度位于上指节体8和中指节体13联接处；中指节电机19驱动中指节主动锥齿轮18，经中指节左从动锥齿轮14和中指节左传动轴16，使曲柄12旋转，进而带动连杆11，连杆11推与上指节体8相联的上连架杆10，使得上指节体8绕上传动轴9转动，从而与中指节体13构成一个弯曲的从动自由度；中指节左从动锥齿轮15和曲柄12固联在中指节左传动轴16上，中指节左传动轴16与下指节体20和中指节体13滑动联接；上连架杆10、连杆11、曲柄12和上指节体8构成一个曲柄连杆机构；上传动轴9与上指节体8和中指节体13滑动联接。
如图2、图3、图4所示，所述的电动手指2的中指节体13和下指节体20联接处构成一个主动自由度；中指节电机19驱动中指节主动锥齿轮18，经中指节右从动锥齿轮15和中指节右传动轴17，带动中指节体13转动，从而与下指节体20构成一个弯曲的主动自由度；中指节右传动轴17与中指节体13和中指节右从动锥齿轮15固联，与下指节体20滑动联接。
如图2、图3、图5、图6所示，所述的电动手指2的下指节体20和基座体7联接处构成二个主动自由度；安装在基座体内7的基弯曲电机23驱动基弯曲主动锥齿轮24，带动基过渡锥齿轮25，经基弯曲从动锥齿轮26和基弯曲传动轴22，使得下指节体20转动，从而与基座体7构成一个弯曲的主动自由度；安装在基座体7内的侧展电机27驱动侧展主动锥齿轮28，经侧展从动锥齿轮29、侧展轴30和方形块21，带动下指节体20摆动，从而与基座体7构成一个侧展的主动自由度；基弯曲传动轴22与下指节体20和基弯曲从动锥齿轮26固联，与方形块21滑动联接；侧展从动锥齿轮29、侧展轴30和方形块21三者固联。
如图1、图7所示，所述的电动拇指1的一个主动自由度位于拇指上指节体31和拇指中指节体32联接处，由拇指上指节电机33，经拇指上主动锥齿轮34、拇指上从动锥齿轮35和拇指上传动轴36，驱动拇指上指节体31转动，从而与拇指中指节体32构成一个弯曲的主动自由度；电动拇指1的其它三个主动自由度与电动手指2的三个主动自由度相同。
Claims (1)
1.一种拟人电动机械灵巧手，其特征在于：包括一个电动拇指(1)、四个电动手指和机械手掌(3)；电动拇指(1)和四个电动手指均依次包括上指节、中指节、下指节和基座体；四个电动手指(2)的下指节分别通过各自的基座体同一方向安装在机械手掌(3)内，电动拇指(1)的下指节通过电动拇指的基座体安装在机械手掌(3)内，电动拇指(1) 位于机械手掌(3)的另一侧面，电动拇指(1)和四个电动手指与机械手掌(3)共面；四个电动手指尺寸结构相同；电动拇指(1)具有四个主动自由度，每个电动手指(2)均有三个主动自由度和一个从动自由度；拟人电动机械灵巧手共有十六个主动自由度和四个从动自由度，与人手自由度一致；
所述的电动手指包括上指节体(8)、上传动轴(9)、上连架杆(10)、连杆(11)、曲柄(12)、中指节体(13)、中指节左从动锥齿轮(14)、中指节右从动锥齿轮(15)、中指节左传动轴(16)、中指节右传动轴(17)、中指节主动锥齿轮(18)、中指节电机(19)、下指节体(20)、方形块(21)、基弯曲传动轴(22)、基弯曲电机(23)、基弯曲主动锥齿轮(24)、基过渡锥齿轮(25)、基弯曲从动锥齿轮(26)、侧展电机(27)、侧展主动锥齿轮(28)、侧展从动锥齿轮(29)和侧展轴(30)；
所述的上指节体(8)经上传动轴(9)联接中指节体(13)，中指节体(13)经中指节左传动轴(16)和中指节右传动轴(17)联接下指节体(20)；方形块(21)经基弯曲传动轴(22)安装在下指节体(20)的底部；中指节电机(19) 安装在下指节体(20)内，基弯曲电机(23)和侧展电机(27)安装在基座体(7)内；
所述的电动手指的一个从动自由度位于上指节体(8)和中指节体(13)联接处；中指节电机(19)驱动中指节主动锥齿轮(18)，经中指节左从动锥齿轮(14)和中指节左传动轴(16)，使曲柄(12)旋转，进而带动连杆(11)，连杆(11)推与上指节体(8)相联的上连架杆(10)，使得上指节体(8)绕上传动轴(9)转动，从而与中指节体(13)构成一个弯曲的从动自由度；中指节左从动锥齿轮(15)和曲柄(12)固联在中指节左传动轴(16)上，中指节左传动轴(16)与下指节体(20)和中指节体(13)滑动联接；上连架杆(10)、连杆(11)、曲柄(12)和上指节体(8)构成一个曲柄连杆机构；上传动轴(9)与上指节体(8)和中指节体(13)滑动联接；
所述的电动手指的中指节体(13)和下指节体(20)联接处构成一个主动自由度；中指节电机(19)驱动中指节主动锥齿轮(18)，经中指节右从动锥齿轮(15)和中指节右传动轴(17)，带动中指节体(13)转动，从而与下指节体(20)构成一个弯曲的主动自由度；中指节右传动轴(17)与中指节体(13)和中指节右从动锥齿轮(15)固联，与下指节体(20)滑动联接；
所述的电动手指的下指节体(20)和基座体(7)联接处构成二个主动自由度；安装在基座体(7)内的基弯曲电机(23)驱动基弯曲主动锥齿轮(24)，带动基过渡锥齿轮(25)，经基弯曲从动锥齿轮(26)和基弯曲传动轴(22)，使得下指节体(20)转动，从而与基座体(7)构成一个弯曲的主动自由度；安装在基座体(7)内的侧展电机(27)驱动侧展主动锥齿轮(28)，经侧展从动锥齿轮(29)、侧展轴(30)和方形块(21)，带动下指节体(20)摆动，从而与基座体(7)构成一个侧展的主动自由度；基弯曲传动轴(22)与下指节体(20)和基弯曲从动锥齿轮(26)固联，与方形块(21)滑动联接；侧展从动锥齿轮(29)、侧展轴(30)和方形块(21)三者固联；
所述的电动拇指(1)的一个主动自由度位于拇指上指节体(31)和拇指中指节体(32)联接处，由拇指上指节电机(33)，经拇指上主动锥齿轮(34)、拇指上从动锥齿轮(35)和拇指上传动轴(36)，驱动拇指上指节体(31)转动，从而与拇指中指节体(32)构成一个弯曲的主动自由度；电动拇指(1)中指节处和基体座处的结构和电动手指中指节处和基体座处的结构相同，电动拇指(1)的其它三个主动自由度与电动手指的三个主动自由度相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150506 Termination date: 20161218 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |