CN105345838A

CN105345838A - 机械手指及机械手

Info

Publication number: CN105345838A
Application number: CN201510919740.XA
Authority: CN
Inventors: 钱钟锋; 万芳
Original assignee: Pioneer Intelligent Machinery (shenzhen) Co Ltd
Current assignee: Shenzhen city Serse Biological Technology Co. Ltd.
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2016-02-24

Abstract

本发明公开了一种机械手指，包括中指段、基指段、端指段、变刚度连杆以及驱动装置，中指段两端分别与基指段及端指段转动连接，变刚度连杆两端分别与基指段及端指段转动连接，中指段、基指段、端指段及连杆构成四连杆机构，驱动装置用于驱动中指段相对于基指段转动以利用四连杆机构带动端指段相对于中指段转动。机械手指通过变刚度连杆实现机械手指之间的柔性连接，由于变刚度连杆可在一定范围内被动伸缩长度，具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手指具有柔性自适应特征。另外，本发明还公开了一种机械手，机械手包括上述的机械手指。

Description

机械手指及机械手

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种用于机器人的机械手指及机械手。

背景技术

现有模仿三指段的机械手指的两个关节之间刚性连接，相比人手缺乏柔性自适应特征，抓取易碎物品时容易造成破损。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种机械手指及机械手。

本发明实施方式的机械手指包括：

中指段；及

分别与所述中指段两端转动连接的基指段及端指段；及

变刚度连杆，所述变刚度连杆两端分别与所述基指段及所述端指段转动连接，所述中指段、所述基指段、所述端指段及所述变刚度连杆构成四连杆机构；及

驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述中指段相对于所述基指段转动以利用所述四连杆机构带动所述端指段相对于所述中指段转动。

本发明实施方式的机械手指通过变刚度连杆实现机械手指之间的柔性连接，并且利用四连杆机构带动所述端指段与所述中指段弯曲联动，由于变刚度连杆可在一定范围内被动伸缩长度，使得机械手指具有受力回转的空间，具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手指具有柔性自适应特征。

在某些实施方式中，所述变刚度连杆的数目为两个，所述变刚度连杆分别与所述基指段及所述端指段转动连接且位于所述中指段内的左右两侧。

在某些实施方式中，所述变刚度连杆的数目为一个，所述变刚度连杆呈U型，所述变刚度连杆置于所述中指段内部。

在某些实施方式中，所述变刚度连杆的数目为一个，所述变刚度连杆呈I型，所述变刚度连杆置于所述中指段中部。

在某些实施方式中，所述基指段的顶端外侧与所述中指段的底端外侧转动连接形成第一转轴，所述中指段的顶端内侧与所述端指段的底部内侧转动连接形成第二转轴，所述变刚度连杆的一端与所述基指段的顶端内侧转动连接形成第三转轴，所述变刚度连杆的另一端与所述端指段的底端外侧转动连接形成第四转轴，所述第一转轴、所述第二转轴、所述第三转轴及所述第四转轴平行。

在某些实施方式中，所述驱动装置包括拉丝，所述拉丝与所述中指段连接，通过所述拉丝驱动中指段进行转动。

在某些实施方式中，所述基指段形成有位于顶端外侧与所述中指段底端外侧转动连接形成第一转轴，所述第一转轴之间设置有回位弹簧。在某些实施方式中，所述回位弹簧可以为扭簧或者线簧。

本发明实施方式的机械手包括上述所述的机械手指。

在某些实施方式中，所述机械手指的数目为至少两个，所述机械手指内侧相对设置。

在某些实施方式中，所述机械手包括有基座，所述机械手指的所述基指段根部与所述基座转动连接形成第五转轴，所述驱动装置包括有拉丝，通过所述拉丝驱动基指段绕着所述第五转轴转动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的机械手指的立体示意图。

图2是图1的机械手指另一个视角的立体示意图。

图3是本发明实施方式的变刚度连杆受力分析示意图。

图4是机械手指的剖面示意图。

图5是四连杆机构的示意图。

图6是四连杆机构的工作原理示意图。

图7是机械手指的基指段立体示意图。

图8是机械手指的中指段立体示意图。

图9是机械手指的端指段立体示意图。

图10是机械手指的中指段与变刚度压缩连杆连接立体示意图。

图11是本发明实施方式的变刚度压缩连杆受力分析示意图。

图12是本发明实施方式的变刚度拉伸连杆受力分析示意图。

图13是本发明实施方式的变刚度压缩连杆立体示意图。

图14是图13的变刚度压缩连杆的第二连接件立体示意图。

图15是本发明实施方式的变刚度拉伸连杆立体示意图。

图16是本发明实施方式的机械手指的拉丝连接示意图。

图17是本发明实施方式的机械手立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的机械手指100包括中指段10、基指段20、端指段30、变刚度连杆40以及驱动装置50。中指段10两端分别与基指段20及端指段30转动连接。变刚度连杆40两端分别与基指段20及端指段30转动连接。中指段10、基指段20、端指段30及变刚度连杆40构成四连杆机构60。驱动装置50用于驱动中指段10相对于基指段20转动以利用四连杆机构60带动端指段30相对于中指段10转动。

本发明实施方式的机械手指100通过变刚度连杆40实现机械手指100之间的柔性连接，并且利用四连杆机构60带动端指段30与中指段10弯曲联动，由于变刚度连杆40可在一定范围内被动伸缩长度，使得机械手指100具有受力回转的空间，具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手指100具有柔性自适应特征。

本实施方式中，中指段10、基指段20以及端指段30基本呈椭圆形，当然，在其他实施方式中，中指段10、基指段20以及端指段30可以呈圆形。

如此，机械手指100模仿人手指的形状。

请参阅图3，曲线L1表示变刚度连杆40的X(受力)与Y(变形量)之间的关系，直线L2表示刚性连杆的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。

如曲线L1所示，当X(受力)为0时，变刚度连杆40的Y(变形量)为0，即保持原长；当X(受力)大于0时，即X(受力)为拉力时，变刚度连杆40的Y(变形量)随着X(受力)的增大呈曲线上升，而当X(受力)增大到一定值时，变刚度连杆40的Y(变形量)不再增大，呈水平直线；当X(受力)小于0时，即X(受力)为压力时，变刚度连杆40的Y(变形量)的值随着X(受力)的值的增大呈曲线增大，而当X(受力)的值增大到一定值时，变刚度连杆40的Y(变形量)的值不再增大，呈水平直线。

如直线L2所示，当X(受力)变化时，刚性连杆的Y(变形量)保持不变。

如此，变刚度连杆40具有受力伸缩的性能。

请参阅图1及图4，本实施方式中，变刚度连杆40的数目为两个。变刚度连杆40分别与基指段20及端指段30转动连接且位于中指段10内的左右两侧。

如此，提高了机械手指100的自适应性。

可以理解，在其他实施方式中，变刚度连杆40的数目可以为一个，呈U型或者I型，可以设置于中指段10的内部或者中部，如此可节约机械手指100本身的空间，提高设计自由度，并可以增大变刚度连杆40的刚度变化范围。因此，需要说明的是，变刚度连杆40并不仅限于本实施方式中的数目为两个、呈U型以及位于中指段10内的左右两侧。

请参阅图5，四连杆机构60a包括连接杆61a、连接杆62a、连接杆63a及连接杆64a。其中，连接杆61a与连接杆62a转动连接形成第一转轴612a，连接杆62a与连接杆64a转动连接形成第二转轴624a，连接杆61a与连接杆63a转动连接形成第三转轴613a，连接杆63a与连接杆64a转动连接形成第四转轴634a。第一转轴612a、第二转轴624a、第三转轴613a以及第四转轴634a基本平行。

请参阅图6，当固定连接杆61a，并驱动连接杆62a按如图6所示转动方向进行转动时，连接杆62a连续转动可以带动连接杆64a进行转动，同时连接杆63a沿连接杆62a转动方向进行转动。

如此，四连杆机构60a具有传动的特性。

请参阅图1，本实施方式中，中指段10、基指段20、端指段30及变刚度连杆40构成四连杆机构60。其中，基指段20的顶端外侧与中指段10底的端外侧转动连接形成第一转轴61。中指段10的顶端内侧与端指段30的底部内侧转动连接形成第二转轴62。变刚度连杆40的一端与基指段20的顶端内侧转动连接形成第三转轴63。变刚度连杆的另一端与端指段30的底端外侧转动连接形成第四转轴64。第一转轴61、第二转轴62、第三转轴63及第四转轴64平行。

如此，当驱动中指段10转动时，中指段10连续转动可以带动端指段30进行转动，从而形成中指段10与端指段30弯曲联动。同时，变刚度连杆40沿中指段10转动方向的方向进行转动，由于变刚度连杆40具有受力伸缩的性能，从而使得机械手指100具有受力回转的空间，从而提高机械手指100的自适应性能力。

请参阅图1、图2、图7、图8、图9和图10，本实施方式中，中指段10、基指段20以及端指段30包括内侧面b、与内侧面b相背的外侧面c、与内侧面b及外侧面c连接的左、右侧面d及与内侧面b、外侧面c及左、右侧面d连接的底面e、顶面f。

基指段20形成有贯穿内侧面b和外侧面c并位于顶面f连接处的第一枢接槽21。第一枢接槽21的两内侧壁形成有第一枢接孔22。中指段10包括自底面e靠近外侧面c处向下延伸且与第一枢接槽21配合的第一枢接块11。第一枢接块11包括有与第一枢接孔22配合的第一枢接轴12。中指段10通过第一枢接轴12与第一枢接孔22的配合与基指段20转动连接。端指段30形成有位于内侧面b及底面e连接处的第二枢接槽31。第二枢接槽31的两内侧壁形成有第二枢接孔32。中指段10顶面f靠近内侧面b处向上延伸且与第二枢接槽31配合的第二枢接块13。第二枢接块13包括有与第二枢接孔32配合的第二枢接轴14。端指段30通过第二枢接轴14与第二枢接孔32的配合与中指段10转动连接。

如此，中指段10、基指段20和端指段30之间的连接具有类似人手指关节连接的特性，并且结构简单，制造成本低。

本实施方式中，变刚度连杆40包括变刚度压缩连杆40a和变刚度拉伸连杆40b。

请参阅图11，曲线L3表示变刚度压缩连杆40a的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。如曲线L3所示，当X(受力)大于等于0时，变刚度压缩连杆40a的Y(变形量)为0，即保持原长，不随X(受力)的变化而变化，即变刚度压缩连杆40a不受拉力的影响；当X(受力)小于0时，即X(受力)为压力时，变刚度压缩连杆40a的Y(变形量)的值随着X(受力)的值的增大呈曲线增大，而当X(受力)的值增大到一定值时，变刚度压缩连杆40a的Y(变形量)的值不再增大，呈水平直线。

如此，变刚度压缩连杆40a可用于替换只承受压力的刚性连杆。

请参阅图12，曲线L4表示变刚度拉伸连杆40b的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。如曲线L4所示，当X(受力)小于等于0时，变刚度拉伸连杆40b的Y(变形量)为0，即保持原长，不随X(受力)的变化而变化，即变刚度拉伸连杆40b不受压力的影响；当X(受力)大于0时，即X(受力)为拉力时，变刚度拉伸连杆40b的Y(变形量)随着X(受力)的增大呈曲线上升，而当X(受力)增大到一定值时，变刚度拉伸连杆40b的Y(变形量)不再增大，呈水平直线。

如此，变刚度拉伸连杆40b可用于替换只承受拉力的刚性连杆。

请参阅图13及图14，本实施方式中，变刚度压缩连杆40a包括第一连接件41a、第二连接件42a、弹性机构43a、两个插销44a以及限位机构45a。第一连接件41a形成有用于连接外部的第三枢接孔411a；第二连接件42a形成有用于连接外部的第四枢接孔421a。第二连接件42a形成有滑槽422a。弹性机构43a两端分别与第一连接件41a、第二连接件42a固接。两个插销44a与第一连接件41a固定连接，与第二连接件42a的滑槽422a配合，并可沿滑槽422a进行直线运动。

当变刚度压缩连杆40a不受外力时，弹性机构43a保持原长；当变刚度压缩连杆40a受的外力为拉力时，限位机构45a限制弹性机构43a的伸长；当变刚度压缩连杆40a受的外力为压力时，变刚度压缩连杆40a的变形量随着压力的增大呈曲线增大，直至限位机构45a限制变刚度压缩连杆40a的变形，此时变形量不再随压力的增加而变化。

如此，变刚度压缩连杆40a具有缓冲受力的作用，从而提高机械手指100的自适应性能。

请参阅图15，本实施方式中，变刚度拉伸连杆40b包括第三连接件41b、第四连接件42b、弹性机构43b、两个插销44b、限位机构45b、线性滑块46b以及拉丝47b。第三连接件41b和第四连接件42b通过两根插销44b固接。弹性机构43b两端分别与第四连接件42b、线性滑块46b固接。线性滑块46b穿设于两个插销44b上，并可沿两个插销44b的轴向方向运动。拉丝47b包括第一拉丝471b和第二拉丝472b。第一拉丝471b直接与第三连接件41b外侧固接；第二拉丝472b穿过第四连接件42b与线性滑块46b固接。

当变刚度拉伸连杆40b不受外力时，弹性机构43b保持原长；当变刚度拉伸连杆40b受的外力为压力时，由于第三连接件41b和第四连接件42b固接，从而限制了弹性机构43b的压缩；当刚度拉伸连杆40b受的外力为拉力时，线性滑块46b沿两个插销44b的轴向方向运动而压缩弹性机构43b，使得变刚度拉伸连杆40b的变形量随着拉力的增大呈曲线增大，直至限位机构45b限制变刚度拉伸连杆40b的变形，此时变形量不再随拉力的增加而变化。

如此，结构简单，且变刚度拉伸连杆40b具有类似人手肌腱的作用，从而增加机械手指100的柔性。

本实施方式中，变刚度压缩连杆40a的数目为两个。变刚度压缩连杆40a分别与基指段20及端指段30转动连接且位于中指段10的左右侧面d上。

可以理解，在其他实施方式中，变刚度压缩连杆40的数目可以为一个，呈U型或者I型，可以设置于中指段10的内部或者中部，如此可节约机械手指100本身的空间，提高设计自由度，并可以增大变刚度压缩连杆40a的刚度变化范围。因此，需要说明的是，变刚度压缩连杆40并不仅限于本实施方式中的数目为两个及位于中指段10的左右两侧。

本实施方式中，变刚度压缩连杆40a一端通过形成的第三枢接孔411a与基指段20自左右侧面d靠近内侧面b及顶面f处向外延伸形成的第三枢接轴23配合；另一端通过形成的第四枢接孔421a与端指段30自左右侧面d靠近外侧面c及底面e出向外延伸有与第四枢接孔412a配合的第四枢接轴33。变刚度压缩连杆40a通过第三枢接轴23与第三枢接孔411a的配合及第四枢接轴33与第四枢接孔412a的配合分别与基指段20及端指段30转动连接且位于中指段10内的左右侧面d两侧内。

请参阅图16，本实施方式中，驱动装置50包括拉丝51。拉丝51绕过中指段10的第一转轴61并与中指段10顶端锁紧，通过拉丝51驱动中指段10绕着第一转轴61转动。

如此，驱动装置50通过拉丝51驱动机械手指100，从而模仿弯曲中指段10的动作，而中指段10在四连杆机构60的带动下也向内转动，从而模仿整个手指弯曲的动作，利用拉丝51实现，结构简单，成本较低。

本实施方式中，中指段10与基指段20的第一转轴61之间设置有回位弹簧70。

如此，当拉丝51未施力于中指段10时，回位弹簧70使中指段10与基指20段保持基本平行，此时变刚度连杆40处于自然伸直状态；当拉丝51施加拉力并接触物体时，不是克服变刚度连杆40的弹力，而是主要克服回位弹簧70的弹力，从而使得机械手指100具有更大的回转受力空间，提高了自适应性。

本实施方式中，回位弹簧70为线簧。可以理解，在其他实施方式中，回位弹簧70可以为扭簧。因此，需要说明的是，回位弹簧70并不仅限于本实施方式中的线簧。

如此，可根据具体情况进行设置。

请参阅图17，本发明实施方式的机械手200包括上述所述的机械手指100。

如此，机械手200具备了人手所拥有的自适应特性，有效的降低了传统机械手应力集中的风险。

本实施方式中，机械手200包括三个机械手指100。机械手指100内侧相对设置。可以理解，在其他实施方式中，机械手200可以包括2个、4个、5个或者6机械手200个机械手指100，从而模仿人手的自适应特性。因此，需要说明的是，机械手200包括机械手指100的数目并不仅限于本实施方式中的3个。

如此，可根据具体情况进行设置。

本实施方式中，机械手200包括有基座210。机械手指100的基指段20根部与基座210转动连接形成第五转轴211。

如此，配合基指段20根部的第五转轴211的转动自由度，当抓取较大的物体时，机械手指100张开形成一个较大的张角。拉丝51施加作用力于所述中指段10时，首先克服回位弹簧70的弹力使中指段10相对基指段20转动一定角度，同时带动端指段30的联动弯曲。此时机械手200形成类似人手的爪型结构，方便包络并抓取物体。在接触物体之后，拉丝51作用力继续克服变刚度连杆40的弹力，进而让端指段30适应物体的形状，具备一定自适应性。

而当抓取较小的物体时，首先转动基指段20根部，使各手指间形成较小的张角，此时可供回位弹簧70拉伸的空间较小，当机械手指100并拢接触物体时，拉丝51作用力克服变刚度连杆40的弹力，进而让端指段30相对中指段10向外转动，形成类似人手指端并拢的结构，这样接触面增大，方便夹取小型物体。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种机械手指，其特征在于，所述机械手指包括：

中指段；及

分别与所述中指段两端转动连接的基指段及端指段；及

2.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述变刚度连杆的数目为两个，所述变刚度连杆分别与所述基指段及所述端指段转动连接且位于所述中指段内的左右两侧。

3.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述变刚度连杆的数目为一个，所述变刚度连杆呈U型，所述变刚度连杆置于所述中指段内部。

4.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述变刚度连杆的数目为一个，所述变刚度连杆呈I型，所述变刚度连杆置于所述中指段中部。

5.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述基指段的顶端外侧与所述中指段的底端外侧转动连接形成第一转轴；及

所述中指段的顶端内侧与所述端指段的底部内侧转动连接形成第二转轴；及

所述变刚度连杆的一端与所述基指段的顶端内侧转动连接形成第三转轴；及

所述变刚度连杆的另一端与所述端指段的底端外侧转动连接形成第四转轴；及

所述第一转轴、所述第二转轴、所述第三转轴及所述第四转轴平行。

6.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述驱动装置包括拉丝，所述拉丝与所述中指段连接，通过所述拉丝驱动中指段进行转动。

7.如权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述基指段形成有位于顶端外侧与所述中指段底端外侧转动连接形成第一转轴，所述第一转轴之间设置有回位弹簧。

8.如权利要求7所述的机械手指，其特征在于，所述回位弹簧可以为扭簧或者线簧。

9.一种机械手，其特征在于包括如权利要求1-8任意一项所述的机械手指。

10.如权利要求9所述的机械手，其特征在于，所述机械手指的数目为至少两个，所述机械手指内侧相对设置。

11.如权利要求9所述的机械手，其特征在于，所述机械手包括有基座，所述机械手指的所述基指段根部与所述基座转动连接形成第五转轴，所述驱动装置包括有拉丝，通过所述拉丝驱动基指段绕着所述第五转轴转动。