CN104781053A

CN104781053A - 机械手

Info

Publication number: CN104781053A
Application number: CN201380059269.0A
Authority: CN
Inventors: 永塚正树; 远藤嘉将
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP5690318B2; WO2014077018A1; US20160263748A1; KR101600250B1; US9643323B2; CN104781053B; JP2014097546A; DE112013005465B4; KR20150074204A; DE112013005465T5

Abstract

本发明提供能够如人类的手那样握持物体并对握持的物体进行操作、并且还能够减少致动器的个数的机械手。本发明的机械手具备：第一致动器(31)，其对第一手指连杆(11)施加驱动力，以使第一手指连杆(11)相对于基部(1)进行相对旋转；第二致动器(32)，其对第二手指连杆(12)以及第三手指连杆(13)的至少一方施加驱动力，以使第二手指连杆(12)相对于第一手指连杆(11)进行相对旋转，并且使第三手指连杆(13)相对于第二手指连杆(12)进行相对旋转。

Description

机械手

技术领域

本发明涉及如人类的手指那样具有多个关节、能够握持物体并对握持的物体进行操作的机械手。

背景技术

作为如人类的手指那样具有多个关节的机械手，已知具备与手背对应的基部、与手指的基节骨对应的第一手指连杆、与手指的中节骨对应的第二手指连杆、与手指的末节骨对应的第三手指连杆的机械手。第一手指连杆以能够旋转的方式与基部连结。第二手指连杆以能够旋转的方式与第一手指连杆连结。第三手指连杆以能够旋转的方式与第二手指连杆连结。

在机械手握持物体时，通过手指卷绕物体。为了通过手指来卷绕物体，构成为第一手指连杆、第二手指连杆、第三手指连杆依次弯曲。作为典型的机械手，已知如下的机械手，其构成为当第一手指连杆弯曲时第二手指连杆与第一手指连杆连动而弯曲，当第二手指连杆弯曲时第三手指连杆连动而弯曲。使手指弯曲的驱动源是马达、直动致动器等致动器。驱动源向第一手指连杆施加驱动力，相对于基部使第一手指连杆弯曲。当第一手指连杆弯曲时，第二手指连杆、第三手指连杆依次弯曲。

但是，在以往的典型的机械手中，虽然能够稳定地“握持”物体，但存在难以对物体进行“操作”的课题。“握持”是指抓握物体，“操作”是指操作机械等使其动作。例如，在使机械手进行使用电动螺丝刀的螺纹紧固作业的情况下，机械手需要抓握(握持)电动螺丝刀的柄，引导(操作)电动螺丝刀的起动装置。在以往的典型的机械手中，存在抓握电动螺丝刀的柄较为容易，但引导电动螺丝刀的起动装置较为困难的课题。

作为解决该课题的机械手，申请人提出了在手指的各关节设置有小型的致动器的机械手(参照专利文献1)。在该机械手中，在基部与第一手指连杆之间的第一关节组装有第一致动器。在第一手指连杆与第二手指连杆之间的第二关节组装有第二致动器。在第二手指连杆与第三手指连杆之间的第三关节组装有第三致动器。根据专利文献1所记载的机械手，由于能够使第一至第三手指连杆独立地弯曲，因此既能够握持物体，还能够对握持的物体进行操作。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-113681号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所记载的机械手中，存在难以通过能够收纳于手指的各关节的大小的致动器来得到与人类相同的指尖力(力矩)和手指的弯曲角度(行程)的课题。另外，由于在各关节设置有致动器，因此存在致动器的个数较多的课题。

因此，本发明的目的在于，提供能够如人类的手那样握持物体并对握持的物体进行操作、并且还能够减少致动器的个数的机械手。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明涉及一种机械手，具备：基部；第一手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述基部；第二手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述第一手指连杆；第三手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述第二手指连杆；辅助连杆，其使所述第二手指连杆相对于所述第一手指连杆的相对旋转与所述第三手指连杆相对于所述第二手指连杆的相对旋转连动；第一致动器，其对所述第一手指连杆施加驱动力，以使所述第一手指连杆相对于所述基部相对旋转；第二致动器，其对所述第二手指连杆以及所述第三手指连杆中的至少一方施加驱动力，以使所述第二手指连杆相对于所述第一手指连杆进行相对旋转，并且使所述第三手指连杆相对于所述第二手指连杆进行相对旋转。

发明效果

根据本发明，(1)例如当在使第一致动器停止的状态下驱动第二致动器时，能够在不使手指的根部(第一手指连杆)弯曲的情况下仅使指尖(第二手指连杆以及第三手指连杆)弯曲。另外，(2)例如当大致等速且同时地驱动第一致动器以及第二致动器时，能够在不使指尖(第二手指连杆以及第三手指连杆)弯曲的情况下仅使根部(第一手指连杆)弯曲。此时，能够使两个致动器的力矩作用于手指。并且，(3)例如当同时驱动第一致动器以及第二致动器并且与第一致动器相比高速地驱动第二致动器时，能够使手指的根部(第一手指连杆)以及指尖(第二手指连杆以及第三手指连杆)弯曲。因此，能够如人类的手那样握持物体，并且能够进行对握持的物体进行操作的动作。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的机械手的手指伸长的状态的立体图。

图2是本发明的一实施方式的机械手的俯视图。

图3是本发明的一实施方式的机械手的侧视图。

图4是本发明的一实施方式的机械手的侧视图。

图5是本实施方式的机械手的动作图。

图6是表示本实施方式的机械手的第一以及第二致动器的另一例子的图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的一实施方式的机械手进行说明。图1是表示本实施方式的机械手的手指伸长的状态的立体图。图2是表示机械手的俯视图，图3以及图4是表示机械手的侧视图。该实施方式的机械手与人类的手指对应地具有三个关节，能够进行灵巧且精细的物体操作。代表性地，与其他手指组合使用，构成多关节多手指手。

首先，对机械手整体的机构进行说明。机械手具备与人类的手背对应的基部1、与手指的基节骨对应的第一手指连杆11、与手指的中节骨对应的第二手指连杆12、与手指的末节骨对应的第三手指连杆13。第一手指连杆11的基端部经由第一轴21以能够旋转的方式连结于基部1。第二手指连杆12的基端部经由第二轴22以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11的前端部。第三手指连杆13的基端部经由第三轴23以能够旋转的方式连结于第二手指连杆12的前端部。第一至第三轴21、22、23与人类的手的中间指节间关节、近位指节间关节、远位指节间关节对应。第一至第三轴21、22、23相互平行。

辅助连杆2的一端部经由连结轴3以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11，并且其另一端部经由连结轴4以能够旋转的方式连结于第三手指连杆13(参照图3以及图4)。辅助连杆2具有使第二手指连杆12相对于第一手指连杆11的相对旋转和第三手指连杆13相对于第二手指连杆12的相对旋转连动的功能。第一手指连杆11、第二手指连杆12、第三手指连杆13、辅助连杆2这四个连杆构成全部通过旋转副形成链接的四节旋转链接。若假设将第一手指连杆11固定，则第三手指连杆13仅能够进行某固定的运动。

如图1所示，第一致动器对第一手指连杆11施加驱动力，以使第一手指连杆11相对于基部1进行相对旋转。第一致动器是具有主体部31a以及相对于主体部31a进行直线运动的轴部31b(参照图2)的第一直动致动器31。第一直动致动器31的主体部31a以能够绕中心线L1旋转的方式支承于基部1。第一直动致动器31的轴部31b以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11，以能够对第一手指连杆11施加驱动力。当第一直动致动器31对第一手指连杆11施加驱动力时，第一手指连杆11相对于基部1进行相对旋转。伴随于第一手指连杆11相对于基部1的相对旋转，第一直动致动器31的主体部31a相对于基部1绕中心线L1摆动。

第二致动器对第二手指连杆12施加驱动力，以使第二手指连杆12相对于第一手指连杆11进行相对旋转。第二致动器是具有主体部32a以及相对于主体部32a进行直线运动的轴部32b的第二直动致动器32。第一直动致动器31与第二直动致动器32的大小相同。第二直动致动器32的主体部32a以能够绕中心线L1旋转的方式支承于基部1。第二直动致动器32的轴部32b以能够旋转的方式连结于工作连杆5的基端部。工作连杆5的前端部以能够旋转的方式连结于第二手指连杆12。当第二直动致动器32对第二手指连杆12施加驱动力时，第二手指连杆12相对于第一手指连杆11进行相对旋转。与之连动地，第三手指连杆13相对于第二手指连杆12旋转。另外，第二直动致动器32的主体部32a相对于基部1绕中心线L1摆动。

图5是表示机械手的动作图。根据以上这样构成的机械手，(1)例如当在使第一直动致动器31停止的状态下驱动第二直动致动器32时，能够在不使手指的根部(第一手指连杆11)弯曲的情况下仅使指尖(第二手指连杆12以及第三手指连杆13)弯曲(图5(C)→(B)→(A))。换言之，能够使第一手指连杆11相对于基部1保持恒定的角度不变，而使第二手指连杆12相对于第一手指连杆11相对旋转，并且使第三手指连杆13相对于所述第二手指连杆12相对旋转。

另外，(2)例如当大致等速且同时地驱动第一直动致动器31以及第二直动致动器32时，能够在不使指尖(第二手指连杆12以及第三手指连杆13)弯曲的情况下仅使根部(第一手指连杆11)弯曲(图5(C)→(D)→(E))。此时，能够使将第一以及第二直动致动器31、32的力矩合计而得到的力矩作用于手指。

并且，(3)例如当同时驱动第一直动致动器31以及第二直动致动器32并且与第一直动致动器31相比高速地驱动第二直动致动器32时，能够使手指的根部(第一手指连杆11)及指尖(第二手指连杆12以及第三手指连杆13)弯曲(图5(C)→(F))。

接下来，对机械手的各部的结构进行说明。如图1所示，在以下的说明中，将伸长的手指延伸的方向设为前后方向，将与伸长的手指正交的方向设为左右方向。

基部1具备底部1a、从底部1a的左右方向上的端部垂直地立起设置的一对支承壁1b、1c。在一对支承壁1b、1c之间设置有中间壁1d。第一直动致动器31的主体部31a以能够旋转的方式支承在支承壁1b与中间壁1d之间。第二直动致动器32的主体部32a以能够旋转的方式支承在中间壁1d与支承壁1c之间。第一直动致动器31相对于基部1旋转的中心线L1与第二直动致动器32相对于基部1旋转的中心线L1位于同一直线上。

第一以及第二直动致动器31、32使用滚珠丝杠以使轴部相对于主体部进行直线运动。在轴部31b、32b的外周面形成有螺纹。在主体部31a、32a上组装有与轴部31b、32b的螺纹螺合的滚珠丝杠螺母。在主体部31a、32a上安装有驱动滚珠丝杠螺母旋转的马达31c、32c。当马达31c、32c驱动滚珠丝杠螺母旋转时，轴部31b、32b沿轴线方向进行直线运动。

在基部1上配置有为了控制第一直动致动器31以及第二直动致动器32的马达而供给适当的电力的第一驱动器33以及第二驱动器(在图1中仅图示了第一驱动器33，但在第二直动致动器32的下方配置有第二驱动器)。第一驱动器33以及第二驱动器具备：向马达供给电力的PWM(pulsewidth modulation)逆变器等电力转换器、根据来自操作控制器等上位指令器以及后述的传感器的信息来控制电力转换器的控制器。第一驱动器33以及第二驱动器进行将第一以及第二直动致动器31、32的任一方设为主轴而将另一方设为从轴的同步控制。

第一直动致动器31的轴部31b经由第一适配器35以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11。第一适配器35具备固定于第一手指连杆11的主体部35a、从主体部35a分成两部分的一对轴支承部35b。连结轴28以能够旋转的方式支承于一对轴支承部35b。第一直动致动器31的轴部31b(参照图2)连结于连结轴28。

第二直动致动器32的轴部32b经由第二适配器36以能够旋转的方式连结于工作连杆5。第二适配器36具备连结于第二直动致动器32的轴部32b的主体部36a、从主体部36a的左右方向的端部向前方分成两部分而突出的一对连结片36b。在一对连结片36b上设置有连结轴37。工作连杆5的基端部以能够旋转的方式连结于连结轴37。

基部1的前端部形成为剖面呈U字形。在基部1的前端部的一对支承壁1e上架设有将第一手指连杆11支承为能够旋转的第一轴21。在基部1上安装有传感器38(参照图3)。该传感器38例如由同时并实时地检测X·Y·Z方向上的力以及力矩的六轴力觉传感器构成。

如图1所示，第一手指连杆11形成为剖面呈U字形，且具有底部、从底部的左右方向的端部垂直地立起设置的一对侧壁部11a。第一手指连杆11的一对侧壁部11a嵌入到基部1的前端部的一对支承壁1e之间。在第一手指连杆11的一对侧壁部11a的前端部设置有第二轴22。第二手指连杆12以能够旋转的方式支承于第二轴22(参照图3)。在第一手指连杆11上安装有例如由六轴力觉传感器构成的传感器39(参照图3)。

第二手指连杆12形成为剖面呈U字形，且具有底部、从底部的左右方向的端部垂直地立起设置的一对侧壁部12a。第二手指连杆12的一对侧壁部12a嵌入到第一手指连杆11的一对侧壁部11a之间。在第二手指连杆12的一对侧壁部12a的前端部设置有第三轴23。第三手指连杆13以能够旋转的方式支承于第三轴23。在第二手指连杆12的一对侧壁部12a的基端部设置有连结轴6。该连结轴6连结于工作连杆5的前端部(参照图4)。在一对侧壁部12a上形成有切口12b，以避免与连结轴4干涉(参照图4)。

第三手指连杆13形成为剖面呈U字形，且具有底部、从底部的左右方向的端部垂直地立起设置的一对侧壁部13a。在第三手指连杆13的一对侧壁部13a的内侧嵌入有第二手指连杆11的一对侧壁部12a。在第三手指连杆13的一对侧壁部13a的基端部设置有连结轴4。辅助连杆2以能够旋转的方式连结于该连结轴4。在第三手指连杆13上安装有例如由六轴力觉传感器构成的传感器40(参照图3)。

工作连杆5形成为前后方向上细长的板状。工作连杆5的基端部以能够旋转的方式连结于适配器36的连结轴28。工作连杆5的前端部以能够旋转的方式连结于第二手指连杆12的连结轴6。

辅助连杆2形成为前后方向上细长的板状。辅助连杆2的基端部以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11的连结轴3(参照图3)。辅助连杆2的前端部连结于第三手指连杆13的连结轴4(参照图3)。

以上，对本实施方式的机械手的结构进行了说明。根据本实施方式的机械手实现以下的效果。由于使手指动作的第一直动致动器31以及第二直动致动器32的主体部31a、32a配置于基部1，因此能够承载与人类的手指相同大小的力(关节力矩)，并且能够将手指小型化成与人类的手指同等的大小。另外，第一至第三手指连杆11、12、13接触物体、或者浸于水中，也能够保护第一以及第二直动致动器31、32。

通过将第一直动致动器31相对于基部1旋转的中心线L1与第二直动致动器32相对于基部1旋转的中心线L1配置在同一直线上，从而第一以及第二直动致动器31、32的控制变得容易。

由于第二直动致动器32经由工作连杆5对第二手指连杆12施加驱动力，因此能够将第二直动致动器32配置在位于从第二手指连杆12分离的位置的基部1。

通过将辅助连杆2以能够旋转的方式连结于第一手指连杆11以及第三手指连杆13，能够使该辅助连杆2与第一手指连杆11的旋转和第三手指连杆13的旋转连动。

本发明并不限于上述实施方式，在不变更本发明的主旨的范围内能够变更为以下记载的各种实施方式。

在上述实施方式中，机械手的手指具有三个关节，然而机械手的手指也可具有四个关节。在该情况下，第四手指连杆以能够旋转的方式连结于第三手指连杆的前端。并且，以使第三连杆相对于第二连杆的相对旋转与第四连杆相对于第三手指连杆的相对旋转连动的方式，将第二辅助连杆能够旋转地连结于第二手指连杆以及第四手指连杆。

在上述实施方式中，将第一至第三手指连杆11、12、13以及辅助连杆2构成为通过旋转副而形成链接的四节旋转链接，然而也能够将四个旋转副中的至少一个置换为滑动副。

在上述实施方式中，经由工作连杆5从第二直动致动器32向第二手指连杆12施加驱动力，然而也能够从第二直动致动器直接对第二手指连杆施加驱动力。另外，既可以经由工作连杆从第二直动致动器对辅助连杆施加驱动力，也可以经由工作连杆从第二直动致动器对第三手指连杆施加驱动力。

在上述实施方式中，作为使手指工作的驱动源，使用了设置于基部1的第一以及第二直动致动器31、32，也能够使用设置于基部1的图6所示的第一以及第二带减速器的旋转马达41、42。在该情况下，在第一以及第二带减速器的旋转马达41、42的输出轴41a、42a上固定有杆43。第一带减速器的旋转马达41经由杆43使第一手指连杆11旋转。第二带减速器的旋转马达42经由杆43使第二手指连杆12旋转。

在上述实施方式中，作为使手指工作的驱动源，使用了设置于基部1的第一以及第二直动致动器31、32，然而也可以在与人类的手的中间指节间关节对应的位置设置第一旋转马达，使第一连杆相对于基部进行相对旋转。另外，也可以在与人类的手的近位指节间关节对应的位置设置第二旋转马达，使第二连杆相对于第一连杆进行相对旋转。

在上述实施方式中，使用了利用滚珠丝杠的第一以及第二直动致动器31、32，然而也可以代替利用滚珠丝杠的第一以及第二直动致动器31、32，而使用气压或液压工作缸、线性马达、人造肌肉致动器等。

在上述实施方式中，将第一至第三轴21、22、23、连结轴3、4嵌入与轴的直径匹配的孔中，然而也可以嵌合于长孔中。在该情况下，需要设置对第一至第三轴21、22、23、连结轴3、4向长孔的长度方向的一端部势力的弹簧，以使第一至第三手指连杆11、12、13仅能够进行固定的运动。

工业上的可利用性

本发明的机械手能够作为人型机器人、工业用机器人等机器人的终端执行器来使用。此外，还能够作为代替人类的手的假手来使用。

本说明书以2012年11月14日在日本申请的日本特愿2012-250491为基础。其内容全部包含于此。

附图标记说明

1…基部，2…辅助连杆，5…工作连杆，11…第一手指连杆，12…第二手指连杆，13…第三手指连杆，21…第一轴，22…第二轴，23…第三轴，31…第一直动致动器(第一致动器)，31a…第一直动致动器的主体部，31b…第一直动致动器的轴部，32…第二直动致动器(第二致动器)，32a…第二直动致动器的主体部，32b…第二直动致动器的轴部，L1…中心线。

Claims

1.一种机械手，其中，具备：

基部；

第一手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述基部；

第二手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述第一手指连杆；

第三手指连杆，其以能够旋转的方式连结于所述第二手指连杆；

辅助连杆，其使所述第二手指连杆相对于所述第一手指连杆的相对旋转与所述第三手指连杆相对于所述第二手指连杆的相对旋转连动；

第一致动器，其对所述第一手指连杆施加驱动力，以使所述第一手指连杆相对于所述基部相对旋转；

第二致动器，其对所述第二手指连杆以及所述第三手指连杆中的至少一方施加驱动力，以使所述第二手指连杆相对于所述第一手指连杆进行相对旋转，并且使所述第三手指连杆相对于所述第二手指连杆进行相对旋转。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，

所述第一致动器以及所述第二致动器配置于所述基部。

3.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于，

所述第一致动器是具有主体部以及相对于所述主体部进行直线运动的轴部的第一直动致动器，

所述第二致动器是具有主体部以及相对于所述主体部进行直线运动的轴部的第二直动致动器，

所述第一直动致动器的所述主体部以及所述第二直动致动器的所述主体部配置于所述基部。

4.根据权利要求3所述的机械手，其特征在于，

所述第一直动致动器的所述主体部以能够旋转的方式支承于所述基部，

所述第二直动致动器的所述主体部以能够旋转的方式支承于所述基部，

所述第一直动致动器相对于所述基部旋转的中心线与所述第二直动致动器相对于所述基部旋转的中心线实质上位于同一直线上。

5.根据权利要求3或4所述的机械手，其特征在于，

所述机械手还具备工作连杆，所述工作连杆以能够旋转的方式连结于所述第二直动致动器的所述轴部，并且以能够旋转的方式连结于所述第二手指连杆或者所述辅助连杆，

所述第二直动致动器经由所述工作连杆对所述第二手指连杆施加驱动力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机械手，其特征在于，

所述辅助连杆以能够旋转的方式连结于所述第一手指连杆，并且以能够旋转的方式连结于所述第三手指连杆。