CN104669291A - 一种仿生四指形封闭机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生四指形封闭机械手，包括固定架、直流电机、机械手指以及用于直流电机带动机械手指动作的传动系统，传动系统中包含有扭矩保护装置，所述的扭矩保护装置包括内轴结构和外环结构，内轴结构与直流电机输出轴同轴固设于直流电机输出轴的端部，外环结构套设于内轴结构上，外环结构上圆周径向均匀设置有不少于两个径向通孔，径向通孔内装设有弹性部件和滚珠，内轴结构上设置有与滚珠匹配的环形滚动槽，环形滚动槽上圆周径向均匀设置有与外环结构上径向通孔对应的滚珠槽；并设置蜗轮蜗杆机构作为电机传动和机械手动作的执行机构。本发明不仅实现了形封闭的功能，而且有效的解决了机械手指对力度的把控。

Description

一种仿生四指形封闭机械手

技术领域

本发明属于机器人操作领域，具体涉及一种仿生四指形封闭机械手。

背景技术

机器人飞速发展的今天，机械手是机器人与外界进行交互的主要手段之一。机器人手需要与人类的手一样具有通用性和灵活性。当前，很多文献已经着力于机械手方面。但是，大多数都是针对具体操作对象而设计的专用性机械手，脱离具体目标后无法使用，无法充当机器人手这样一个高度仿生的部件。并且，对于强度较小的物体，机械手不能力度过大而伤害到物体。当然，有一些研究已经着力于仿生机械手的研究。即使是这样，带来了新的问题：对加工工艺、材料的耐磨性要求较高、对使用年限有较高限制。

在当前的研究中，解决机械手力度问题方面主要是加传感器或者驱动源采取启动等。前者实现起来难度不大，但是加多少传感器、在哪个位置加都是很难决定的问题，因为并不能确定机械手抓取物体具体位置；后者虽然可以通过设计气缸压力阀解决力度问题，但是需要加上一个气动元件，并且也需要用户输入物体的最大耐受压力是多少。

发明内容

为了解决机械手力度掌控能力差的问题，本发明提出了一种仿生四指形封闭机械手，实现了机械手在抓取物体时完美的力度掌控。

本发明提出的一种仿生四指形封闭机械手，包括固定架、直流电机、机械手指以及用于直流电机带动机械手指动作的传动系统，传动系统中包含有扭矩保护装置，所述的扭矩保护装置包括内轴结构和外环结构，外环结构的内环直径略大于内轴结构的直径，内轴结构与直流电机输出轴同轴固设于直流电机输出轴的端部，外环结构套设于内轴结构上，外环结构上圆周径向均匀设置有不少于两个径向通孔，径向通孔内装设有弹性部件和滚珠，内轴结构上设置有与滚珠匹配的环形滚动槽，环形滚动槽上圆周径向均匀设置有与外环结构上径向通孔对应的滚珠槽。

正常工作状态下，设置于外环结构的径向通孔中的滚珠在弹簧的作用下部分嵌入内轴结构环形滚动槽的滚珠槽中，在直流电机输出轴带动内轴结构转动的同时，使外环结构与内环结构同步转动，驱动机械手指动作；当外环结构和内环结构之间扭矩过大时，滚珠在扭矩的作用下跳出滚珠槽，在环形滚动槽中转动，外环结构停止转动，机械手指停止动作。

所述的传动系统还包括由扭矩保护装置驱动并带动机械手指动作的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆，蜗杆与扭矩保护装置外环结构通过同步带轮连接，机械手指与蜗轮通过轴销连接。

所述的外环结构上径向通孔包括用于装载滚珠和弹簧的孔一和用于滚珠部分穿透并与内轴结构相接触的孔二，孔一的直径略大于滚珠的直径，孔二的直径略小于滚珠的直径，孔一靠近外环面的方向设置有螺纹，用于装载滚珠和弹簧后用螺栓固定。

所述的固定架为矩形，机械手指为四个且对称设置于固定架的四角，直流电机为两个，每个直流电机的转轴端部固设一个扭矩保护装置，其中一个扭矩保护装置的外环结构同时与相邻两个机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接，另一个扭矩保护装置的外环结构同时与另外两个机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接。

所述外环结构的径向通孔开设于外环结构的横向中心位置，径向通孔两侧横向对称设置有两条用于同步带轮连接的凹槽。

所述外环结构上设置的径向通孔为八个。

所述的机械手指为弧形机械手指。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

(1)本发明采用蜗轮蜗杆的自锁特性，当电机停止运行后，机械手手指不会因为外力的作用而运动，实现了形封闭的功能；

(2)本发明设计了扭矩保护装置，有效的解决了手指对力度的把控，当手指接触到物体后，电机会发生堵转，同时电机输出扭矩上升，当电机输出扭矩大于扭矩保护装置额定扭矩时，扭矩保护装置动作，机械手会由于蜗轮蜗杆的自锁特性实现形封闭，同时虽然扭矩保护装置启动，但是此时电机还是会给蜗轮蜗杆减速想输入大小为M的扭矩，具有一定的稳定特性；另外，本发明中的扭矩保护装置比螺纹扭矩保护装置更容易实现，螺纹扭矩保护装置对加工工艺要求较高，而且滑动时间久后会改变其额定扭矩值。而且本发明中的扭矩保护装置使用寿命更长。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1矩形骨架、2蜗轮蜗杆带轮、3扭矩保护装置、4直流电机、5蜗轮蜗杆减速箱、6手指固定件、7矩形骨架固定件、8弧形机械手指；

图2为本发明的蜗轮蜗杆机构示意图；

其中，51蜗轮蜗杆框架、52蜗杆、53蜗轮、6手指固定件、8弧形机械手指、9指尖；

图3位本发明扭矩保护装置结构示意图；

其中，31外环结构、32内轴结构、33滚珠槽、34滚珠和弹簧的安装孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例子进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本实施例的一种仿生四指形封闭机械手包括固定架、直流电机、机械手指以及用于直流电机带动机械手指动作的传动系统，具体为矩形骨架1、蜗轮蜗杆带轮2、扭矩保护装置3、直流电机4、蜗轮蜗杆机构5、手指固定件6、矩形骨架固定件7、弧形机械手指8、指尖9；蜗轮蜗杆减速箱5包括蜗轮蜗杆框架51、蜗杆52、蜗轮53；扭矩保护装置3包括外环结构31、内轴结构32、环形滚动槽、滚珠槽33、滚珠和弹簧的安装孔34。

本实施例的固定架为矩形骨架1，四个弧形机械手指8对称装设于矩形骨架1的四角，矩形骨架1的中间位置同轴对称设置有两个直流电机4，每个直流电机4的转轴端部固设一个扭矩保护装置3，其中一个扭矩保护装置的外环结构同时与相邻两个弧形机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接，另一个扭矩保护装置的外环结构同时与另外两个弧形机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接。

扭矩保护装置3为本实施例传动系统的一个重要装置，它包括包括内轴结构32和外环结构31，外环结构31的内环直径略大于内轴结构32的直径，外环结构31套设于内轴结构32上，内轴结构32与直流电机4输出轴同轴且固设于直流电机4输出轴的端部，外环结构31上圆周径向均匀设置有不少于两个径向通孔作为滚珠和弹簧的安装孔34，滚珠和弹簧的安装孔34包括用于装载滚珠和弹簧的孔一和用于滚珠部分穿透并与内轴结构相接触的孔二，孔一的直径略大于滚珠的直径，孔二的直径略小于滚珠的直径，孔一靠近外环面的方向设置有螺纹，用于装载滚珠和弹簧后用螺栓固定；内轴结构32上设置有与滚珠匹配的环形滚动槽，环形滚动槽上圆周径向均匀设置有与滚珠和弹簧的安装孔34对应的滚珠槽33。为了设备的小型化和稳定性，本实施例设置了八个径向通孔作为滚珠和弹簧的安装孔34，并采用直径为1.5mm的滚珠。

本实施例中滚珠和弹簧的安装孔34位于外环结构31的横向中心位置，滚珠和弹簧的安装孔34两侧横向对称设置有两条用于同步带轮连接的凹槽。

正常工作状态下，滚珠和弹簧的安装孔34中的滚珠在弹簧的作用下部分嵌入内轴结构32的滚珠槽33中，在直流电机4输出轴带动内轴结构32转动的同时，使外环结构31与内环结构32同步转动，驱动弧形机械手指8动作；当外环结构31和内环结构32之间扭矩过大时，滚珠在扭矩的作用下跳出滚珠槽33，从而实现内环结构32和外环结构31的相对转动，外环结构31停止转动，弧形机械手指8停止动作，起到扭矩保护的作用。

蜗轮蜗杆机构5包括蜗轮53和蜗杆52，蜗杆52与扭矩保护装置5的外环结构31通过同步带轮连接，弧形机械手指8与手指固定件6固定连接，手指固定件6与蜗轮53通过轴销连接。

四个弧形机械手指8的开合是通过扭矩保护装置3与同步带轮传动，将扭矩传递给蜗轮蜗杆机构5，进而由蜗杆52驱动蜗轮53实现弧形机械手指8的动作。在整个过程中，由于扭矩保护装置3的作用，弧形机械手指8不会因为不知道停止运动把物体夹伤或者把电机烧坏，实现了力度的控制。同时，扭矩保护装置启动后，由于蜗轮蜗杆机构5自锁的原因，也不会因为物体的伸缩把弧形机械手指8弹回，从而实现了形封闭抓稳物体。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种仿生四指形封闭机械手，包括固定架、直流电机、机械手指以及用于直流电机带动机械手指动作的传动系统，其特征在于，传动系统中包含有扭矩保护装置，所述的扭矩保护装置包括内轴结构和外环结构，外环结构的内环直径略大于内轴结构的直径，内轴结构与直流电机输出轴同轴固设于直流电机输出轴的端部，外环结构套设于内轴结构上，外环结构上圆周径向均匀设置有不少于两个径向通孔，径向通孔内装设有弹性部件和滚珠，内轴结构上设置有与滚珠匹配的环形滚动槽，环形滚动槽上圆周径向均匀设置有与外环结构上径向通孔对应的滚珠槽；

正常工作状态下，设置于外环结构的径向通孔中的滚珠在弹簧的作用下部分嵌入内轴结构环形滚动槽的滚珠槽中，在直流电机输出轴带动内轴结构转动的同时，使外环结构与内环结构同步转动，驱动机械手指动作；当外环结构和内环结构之间扭矩过大时，滚珠在扭矩的作用下跳出滚珠槽，在环形滚动槽中转动，外环结构停止转动，机械手指停止动作。

2.如权利要求1所述的一种仿生四指形封闭机械手，其特征在于，所述的传动系统还包括由扭矩保护装置驱动并带动机械手指动作的蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构包括蜗轮和蜗杆，蜗杆与扭矩保护装置外环结构通过同步带轮连接，机械手指与蜗轮通过轴销连接。

3.如权利要求1或2所述的一种仿生四指形封闭机械手，所述的外环结构上径向通孔包括用于装载滚珠和弹簧的孔一和用于滚珠部分穿透并与内轴结构相接触的孔二，孔一的直径略大于滚珠的直径，孔二的直径略小于滚珠的直径，孔一靠近外环面的方向设置有螺纹，用于装载滚珠和弹簧后用螺栓固定。

4.如权利要求3所述的一种仿生四指形封闭机械手，其特征在于，所述的固定架为矩形，机械手指为四个且对称设置于固定架的四角，直流电机为两个，每个直流电机的转轴端部固设一个扭矩保护装置，其中一个扭矩保护装置的外环结构同时与相邻两个机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接，另一个扭矩保护装置的外环结构同时与另外两个机械手指的蜗轮蜗杆机构通过同步带轮连接。

5.如权利要求4所述的一种仿生四指形封闭机械手，其特征在于，所述外环结构的径向通孔开设于外环结构的横向中心位置，径向通孔两侧横向对称设置有两条用于同步带轮连接的凹槽。

6.如权利要求5所述的一种仿生四指形封闭机械手，其特征在于，所述外环结构上设置的径向通孔为八个。

7.如权利要求6所述的一种仿生四指形封闭机械手，其特征在于，所述的机械手指为弧形机械手指。