CN102806563A - 水下牵引滑轮式拟人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下牵引滑轮式拟人机械手。包括手掌体、拇指体、食指体、中指体、无名指体、小指体和手腕节；手掌体包括“凸”字型壳和三个相同的U型支架，“凸”字型壳长边侧面分别与三个U型支架连接；结构相同且平行间隔均布的食指体、中指体和无名指体分别与各自U型支架连接，拇指体与靠近食指体一侧的“凸”字型壳凹槽端面连接，小指体与靠近食无名指体一侧的“凸”字型壳凹槽侧面连接，手腕节与“凸”字型壳短边侧面连接。本发明采用牵引滑轮的传动，减轻手指的重量，减少手指体积，减少传动的累积误差；机械零件设计更简单，降低零件制造成本；避免机械手本体的防水和防漏电，提高了机械手的可靠性，适合于水下作业。

Description

水下牵引滑轮式拟人机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手结构，具体地说是指一种水下牵引滑轮式拟人机械手。

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，灵巧型机械手应运而生。灵巧型机械手有多个自由度，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。2012年浙江理工大学研制了有二十个主动自由度，拇指的朝向和安装位置可调整的全驱动式灵巧机械手。

上述灵巧机械手大多采用内置式电机驱动手指关节，存在手指体积大、质量重、防水和防漏电性能低等不足，不利于灵巧机械手的水下作业。

 

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种水下牵引滑轮式拟人机械。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括手掌体、拇指体、食指体、中指体、无名指体、小指体和手腕节；手掌体包括“凸”字形壳和三个相同的U形支架，“凸”字形壳长边侧面分别与三个U形支架固定连接；结构相同且平行间隔均布的食指体、中指体和无名指体分别与各自U形支架连接，拇指体与靠近食指体一侧的“凸”字形壳凹槽端面连接，小指体与靠近无名指体一侧的“凸”字形壳凹槽侧面连接，手腕节与“凸”字形壳短边侧面连接。

所述的食指体、中指体和无名指体均由一个指体单元组成，小指体由一个指体单元与一个指体连接单元连接组成，拇指体由一个拇指指体单元与一个指体连接单元连接组成；食指体、中指体、无名指体和小指体的指体单元结构相同；拇指体和小指体的指体连接单元结构相同；

A）指体单元：包括指尖U形壳、活动滑轮、相同的三个固定滑轮、指尖体轴、上指体轴、中指体轴、下指十字叉以及两块相同的上指板和两块相同的中指板；两块上指板的一端通过指尖体轴转动连接在指尖U形壳开口端内侧，指尖体轴的两端与指尖U形壳固定连接，在两块上指板之间的指尖体轴中心的一侧上套有第一固定滑轮；两块中指板的一端通过上指体轴转动连接在两块上指板另一端的外侧，上指体轴的两端与两块上指板固定连接，在两块中指板之间的上指体轴上对称套有第二固定滑轮和活动滑轮，活动滑轮与指尖体轴上的第一固定滑轮对应并在同一侧；两块中指板的另一端通过中指体轴分别转动连接在下指十字叉一端的外侧，中指体轴的两端与两块中指板固定连接，在中指体轴中心套有第三固定滑轮；

B）指体连接单元：包括两块相同的指体连接板、第一U形支架，第二U形支架、两个相同的连接体固定滑轮、第一连接体轴和第二连接体轴；第一U形支架中间端的侧面固定连接在一块指体连接板上，第一U形支架的开口端通过第二连接体轴与第二U形支架开口端转动连接，第二连接体轴的两端与第一U形支架固定连接，在第二连接体轴的中心套有连接体固定滑轮，第一连接体轴的两端分别支撑在两块指体连接板之间，第一连接体轴中心固定套有连接体固定滑轮；

C）拇指指体单元：包括拇指指尖U形壳、两块相同的拇指指板、拇指十字叉、拇指指板轴、拇指指尖体轴和二个拇指固定滑轮；两块拇指指板的一端通过拇指指尖体轴转动连接在拇指指尖U形壳开口端两侧，拇指指尖体轴的两端与拇指指尖U形壳固定连接，在拇指指尖体轴中心的一侧上套有第一拇指固定滑轮；两块拇指指板的另一端通过拇指指板轴转动连接在拇指十字叉一端的外侧，拇指指板轴的两端与两块拇指指板固定连接，在拇指指板轴中心套有第二拇指固定滑轮；

所述的食指体、中指体和无名指体中：下指十字叉的另一端分别通过食指轴、中指轴、无名指轴转动连接在手掌体中各自的U形支架的开口端内侧，食指轴、中指轴、无名指轴上均固定有第四固定滑轮；

所述的小指体中：指体单元的下指十字叉另一端固定套在两块指体连接板之间的第一连接体轴上，第二U形支架的中间端固定连接在“凸”字形壳靠近无名指体的一侧边上；

所述的拇指体中：拇指指体单元的拇指十字叉另一端固定套在两块指体连接板之间的第一连接体轴上，第二U形支架的中间端固定连接在“凸”字形壳与小指体对应且靠近食指体的壳面上。

所述的手腕节包括手腕轴、手腕固定滑轮、靠掌固定件和半圆形腕关节件；手腕轴的中心套有手腕固定滑轮，手腕轴穿过靠掌固定件一侧对称布置的两个轴孔后分别与半圆形腕关节件的两端连接，靠掌固定件的另一侧与“凸”字形壳侧边顶部固定连接。

本发明具有的有益效果是：

1.与内置式电机驱动手指关节的灵巧机械手相比，本发明采用牵引滑轮的传动方式，减轻了手指的重量，减少了手指体积，减少了传动的累积误差。

2.与齿轮传动的灵巧机械手相比，本发明采用牵引滑轮传动，机械零件设计更简单，零件易于加工，降低零件制造成本且装配更简便。

3.本发明避免了灵巧机械手本体的防水和防漏电的顾虑，提高了灵巧机械手的可靠性，适合于水下作业，扩大了灵巧机械手的应用领域。

附图说明

图1是本发明的手掌正面示意图。

图2是本发明的手掌背面示意图。

图3是本发明的指体单元示意图。

图4是本发明的拇指体示意图。

图5是本发明的小指体示意图。

图6是本发明的食指体与U形支架的连接示意图。

图7是本发明的手腕节示意图。

图8是本发明的手掌体示意图。

图中：1. 手掌体，2. 拇指体，3. 食指体，4. 中指体，5 . 无名指体，6. 小指体 7. 手腕节，8. 中指体轴，9. 下指十字叉，10. 中指板，11. 上指体轴，12. 上指板，13. 指尖体轴，14. 手腕固定滑轮，15. 指尖U形壳，16. 活动滑轮，17.三个固定滑轮，18. “凸”字形壳，19. U形支架，20. 第一U形支架，21. 指体连接板，22. 第一连接体轴，23. 拇指十字叉，24. 拇指指板轴，25. 拇指指板，26. 拇指指尖体轴，27. 二个拇指固定滑轮，28. 拇指指尖U形壳，29. 连接体固定滑轮，30. 第二U形支架，31. 第二连接体轴，32. 半圆形腕关节件，33. 手腕轴，34. 靠掌固定件，35. 食指轴，36. 中指轴，37. 无名指轴，38. 第四固定滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括手掌体1、拇指体2、食指体3、中指体4、无名指体5、小指体6和手腕节7。

如图1和图8所示，手掌体1包括“凸”字形壳18和三个相同的U形支架19，“凸”字形壳18长边侧面分别与三个U形支架19固定连接；结构相同且平行间隔均布的食指体3、中指体4和无名指体5分别与各自U形支架19连接，拇指体2与靠近食指体3一侧的“凸”字形壳18凹槽端面连接，小指体6与靠近无名指体5一侧的“凸”字形壳18凹槽侧面连接，手腕节7与“凸”字形壳18短边侧面连接。

如图3所示，食指体3、中指体4和无名指体5均由一个指体单元组成：

指体单元：包括指尖U形壳15、活动滑轮16、相同的三个固定滑轮17、指尖体轴13、上指体轴11、中指体轴8、下指十字叉9以及两块相同的上指板12和两块相同的中指板10；两块上指板12的一端通过指尖体轴13转动连接在指尖U形壳15开口端内侧，指尖体轴13的两端与指尖U形壳15固定连接，指尖体轴13的两端穿过指尖U形壳15开口端的外侧后通过弹性挡圈固定，在两块上指板12之间的指尖体轴13中心的一侧上通过弹性挡圈套有三个固定滑轮17中的第一固定滑轮，两块上指板12的一端均通过轴承与指尖体轴13相连；两块中指板10的一端通过上指体轴11转动连接在两块上指板12另一端的外侧，上指体轴11的两端与两块上指板12固定连接，上指体轴11的两端穿过两块中指板10后通过弹性挡圈固定，在两块上指板12之间的上指体轴11上通过弹性挡圈对称套有第一固定滑轮17和活动滑轮16，活动滑轮16与指尖体轴13上三个固定滑轮17中的第一固定滑轮对应并在同一侧，两块中指板10的一端均通过轴承与上指体轴11相连，其中上指体轴11上的三个固定滑轮17中的第二固定滑轮和活动滑轮16在轴向通过三个套筒固定；两块中指板10的另一端通过中指体轴8分别转动连接在下指十字叉9一端的外侧，中指体轴8的两端与两块中指板10固定连接，中指体轴8的两端穿过两块中指板10后通过弹性挡圈固定，下指十字叉9一端通过轴承与中指体轴8相连；在中指体轴8中心套有三个固定滑轮17中的第三固定滑轮，第三固定滑轮通过弹性挡圈固定套在中指体轴8中间的套筒上。

如图1和图6所示，食指体3、中指体4和无名指体5中的下指十字叉9的另一端分别通过食指轴35、中指轴36、无名指轴37转动连接在手掌体1中的三个U形支架19的开口端内侧，食指轴35、中指轴36、无名指轴37上均固定有第四固定滑轮38。

如图5所示，小指体6由一个指体单元与一个指体连接单元连接组成，指体单元见上所述。

指体连接单元：包括两块相同的指体连接板21、第一U形支架20，第二U形支架30、两块相同的连接体固定滑轮29、第一连接体轴22和第二连接体轴31；第一U形支架20中间端的侧面通过螺钉固定连接在两块指体连接板21上，第一U形支架20开口端通过第二连接体轴31与第二U形支架30开口端转动连接，第二连接体轴31的两端通过弹性挡圈与第一U形支架20固定连接，在第二连接体轴31的中心通过弹性挡圈套有连接体固定滑轮29，第二连接体轴31的两端通过轴承分别与第二U形支架30转动连接，第一连接体轴22的两端分别通过轴承支撑在与两块指体连接板21之间，第一连接体轴22的两端穿过两块指体连接板21后通过弹性挡圈固定，第一连接体轴22中心固定套有连接体固定滑轮29。

小指体6中：指体单元的下指十字叉9另一端固定套在两块指体连接板21之间的第一连接体轴22上，第一连接体轴22的两端穿过两块指体连接板21后通过弹性挡圈固定，第二U形支架30的中间端通过螺钉固定连接在“凸”字形壳18凹槽侧面上，与无名指体5相邻。

如图4所示，拇指体2由一个指体连接单元与一个拇指指体单元连接组成，指体连接单元如上所述。

拇指指体单元：包括拇指指尖U形壳28、两块相同的拇指指板25、拇指十字叉23、拇指指板轴24、拇指指尖体轴26和相同的二个拇指固定滑轮27；两块拇指指板25的一端通过拇指指尖体轴26转动连接在拇指指尖U形壳28开口端两侧，拇指指尖体轴26的两端与拇指指尖U形壳28固定连接，拇指指尖体轴26的两端穿过两块拇指指板25一端的两侧后通过弹性挡圈固定，在拇指指尖体轴26中心的一侧上通过弹性挡圈套有二个拇指固定滑轮27的第一拇指固定滑轮，两块拇指指板25的一端均通过轴承与拇指指尖体轴26相连；两块拇指指板25的另一端通过拇指指板轴24转动连接在拇指十字叉23一端的外侧，拇指指板轴24的两端与两块拇指指板25固定连接，拇指指板轴24的两端穿过两块拇指指板25另一端的两侧后通过弹性挡圈固定，拇指十字叉23一端通过轴承与拇指指板轴24相连；在拇指指板轴24中心套有二个拇指固定滑轮27的第二拇指固定滑轮，第二拇指固定滑轮通过弹性挡圈固定套在拇指指板轴24中间的套筒上。

拇指体2中：拇指指体单元的拇指十字叉23另一端固定套在两块指体连接板21之间的第一连接体轴22上，第一连接体轴22的两端穿过两块指体连接板21后通过弹性挡圈固定，第二U形支架30的中间端通过螺钉固定连接在“凸”字形壳18的凹槽端面，与小指体6对应且靠近食指体3。

如图7所示，手腕节7包括手腕轴33、手腕固定滑轮14、靠掌固定件34和半圆形腕关节件32；在手腕轴33的中心通过弹性挡圈固定套有手腕固定滑轮14，手腕轴33穿过靠掌固定件34一侧对称布置的两个轴孔后分别与半圆形腕关节件32的两端连接，手腕轴33的两端穿过半圆形腕关节件32的两侧后通过弹性挡圈固定，靠掌固定件34一侧对称布置的两个轴孔均通过轴承与手腕轴33相连；靠掌固定件34的另一侧与“凸”字形壳18侧边顶部通过螺钉固定连接。

如图1、图3、图4、图5和图6所示，指尖体轴13、三个固定滑轮17中的第一固定滑轮构成了指尖体弯曲关节；上指体轴11、三个固定滑轮17中的第二固定滑轮、滑动滑轮16构成了上指体弯曲关节；中指体轴8、三个固定滑轮17中的第三固定滑轮构成了中指体弯曲关节；第一连接体轴22、连接体固定滑轮29构成了连接体弯曲关节；食指轴35、第二固定滑轮38构成了食指下指体弯曲关节；中指轴36、第二固定滑轮38构成了中指下指体弯曲关节；无名指轴37、第二固定滑轮38构成了无名指下指体弯曲关节；拇指指尖体轴26、拇指固定滑轮27构成了拇指指尖体弯曲关节；拇指指板轴24、拇指固定滑轮27构成了拇指指板弯曲关节。

通过钢丝绳牵拉指尖体弯曲关节中的第一固定滑轮17带动指尖U形壳15转动、通过钢丝绳牵拉上指体弯曲关节中的第二固定滑轮17带动两块上指板12转动、通过钢丝绳牵拉中指体弯曲关节中的第三固定滑轮17带动两块中指板10转动、通过钢丝绳牵拉食指下指体弯曲关节中的第四固定滑轮38带动指体单元转动、通过钢丝绳牵拉中指下指体弯曲关节第四固定滑轮38带动指体单元转动、通过钢丝绳牵拉无名指的下指体弯曲关节第四固定滑轮38带动指体单元转动、通过钢丝绳牵拉连接体弯曲关节中的连接体固定滑轮29带动指体单元转动、通过钢丝绳牵拉拇指指体弯曲关节中的拇指固定滑轮27带动拇指指尖U形壳28转动、通过钢丝绳牵拉拇指指板弯曲关节中的拇指固定滑轮27带动两块拇指指板25转动、通过钢丝绳牵拉连接体弯曲关节中的第四固定滑轮38带动拇指指体单元转动，从而实现了各个手指的各个关节的弯曲和侧展运动。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水下牵引滑轮式拟人机械手，其特征在于：包括手掌体（1）、拇指体（2）、食指体（3）、中指体（4）、无名指体（5）、小指体（6）和手腕节（7）；手掌体（1）包括“凸”字形壳（18）和三个相同的U形支架（19），“凸”字形壳（18）长边侧面分别与三个U形支架（19）固定连接；结构相同且平行间隔均布的食指体（3）、中指体（4）和无名指体（5）分别与各自U形支架（19）连接，拇指体（2）与靠近食指体（3）一侧的“凸”字形壳（18）凹槽端面连接，小指体（6）与靠近无名指体（5）一侧的“凸”字形壳（18）凹槽侧面连接，手腕节（7）与“凸”字形壳（18）短边侧面连接。

2.根据权利要求1所述的一种水下牵引滑轮式拟人机械手，其特征在于：所述的食指体（3）、中指体（4）和无名指体（5）均由一个指体单元组成，小指体（6）由一个指体单元与一个指体连接单元连接组成，拇指体（2）由一个拇指指体单元与一个指体连接单元连接组成；食指体（3）、中指体（4）、无名指体（5）和小指体（6）的指体单元结构相同；拇指体（2）和小指体（6）的指体连接单元结构相同；

A）指体单元：包括指尖U形壳（15）、活动滑轮（16）、相同的三个固定滑轮（17）、指尖体轴（13）、上指体轴（11）、中指体轴（8）、下指十字叉（9）以及两块相同的上指板（12）和两块相同的中指板（10）；两块上指板（12）的一端通过指尖体轴（13）转动连接在指尖U形壳（15）开口端内侧，指尖体轴（13）的两端与指尖U形壳（15）固定连接，在两块上指板（12）之间的指尖体轴（13）中心的一侧上套有第一固定滑轮；两块中指板（10）的一端通过上指体轴（11）转动连接在两块上指板（12）另一端的外侧，上指体轴（11）的两端与两块上指板（12）固定连接，在两块中指板（10）之间的上指体轴（11）上对称套有第二固定滑轮和活动滑轮（16），活动滑轮（16）与指尖体轴（13）上的第一固定滑轮对应并在同一侧；两块中指板（10）的另一端通过中指体轴（8）分别转动连接在下指十字叉（9）一端的外侧，中指体轴（8）的两端与两块中指板（10）固定连接，在中指体轴（8）中心套有第三固定滑轮；

B）指体连接单元：包括两块相同的指体连接板（21）、第一U形支架（20），第二U形支架（30）、两个相同的连接体固定滑轮（29）、第一连接体轴（22）和第二连接体轴（31）；第一U形支架（20）中间端的侧面固定连接在一块指体连接板（21）上，第一U形支架（20）的开口端通过第二连接体轴（31）与第二U形支架（30）开口端转动连接，第二连接体轴（31）的两端与第一U形支架（20）固定连接，在第二连接体轴（31）的中心套有连接体固定滑轮（29），第一连接体轴（22）的两端分别支撑在两块指体连接板（21）之间，第一连接体轴（22）中心固定套有连接体固定滑轮（29）；

C）拇指指体单元：包括拇指指尖U形壳（28）、两块相同的拇指指板（25）、拇指十字叉（23）、拇指指板轴（24）、拇指指尖体轴（26）和二个拇指固定滑轮（27）；两块拇指指板（25）的一端通过拇指指尖体轴（26）转动连接在拇指指尖U形壳（28）开口端两侧，拇指指尖体轴（26）的两端与拇指指尖U形壳（28）固定连接，在拇指指尖体轴（26）中心的一侧上套有第一拇指固定滑轮；两块拇指指板（25）的另一端通过拇指指板轴（24）转动连接在拇指十字叉（23）一端的外侧，拇指指板轴（24）的两端与两块拇指指板（25）固定连接，在拇指指板轴（24）中心套有第二拇指固定滑轮；

所述的食指体（3）、中指体（4）和无名指体（5）中：下指十字叉（9）的另一端分别通过食指轴（35）、中指轴（36）、无名指轴（37）转动连接在手掌体（1）中各自的U形支架（19）的开口端内侧，食指轴（35）、中指轴（36）、无名指轴（37）上均固定有第四固定滑轮（38）；

所述的小指体（6）中：指体单元的下指十字叉（9）另一端固定套在两块指体连接板（21）之间的第一连接体轴（22）上，第二U形支架（30）的中间端固定连接在“凸”字形壳（18）靠近无名指体（5）的一侧边上；

所述的拇指体（2）中：拇指指体单元的拇指十字叉（23）另一端固定套在两块指体连接板（21）之间的第一连接体轴（22）上，第二U形支架（30）的中间端固定连接在“凸”字形壳（18）与小指体（6）对应且靠近食指体（3）的壳面上。

3.根据权利要求1所述的一种水下牵引滑轮式拟人机械手，其特征在于：所述的手腕节（7）包括手腕轴（33）、手腕固定滑轮（14）、靠掌固定件（34）和半圆形腕关节件（32）；手腕轴（33）的中心套有手腕固定滑轮（14），手腕轴（33）穿过靠掌固定件（34）一侧对称布置的两个轴孔后分别与半圆形腕关节件（32）的两端连接，靠掌固定件（34）的另一侧与“凸”字形壳（18）侧边顶部固定连接。

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