CN105522587A - 仿生三指机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生三指机械手，包括指根、指中、指尖三个关节组成手指，手指设置有三根，指尖通过第一转轴与指中铰接，指中通过第二转轴与指根铰接，手指驱动装置通过驱动推杆驱动机构使指中和指尖进行联动；还包括，用于安装手指的圆柱形骨架；用于控制手指在水平方向进行旋转的手掌控制装置；安装在指根与圆柱形骨架之间的手掌。本专利采用手指驱动装置、手掌控制装置的新型传动方式，用国产化电机实现低成本设计完成高精度的控制需求；本发明的指尖控制由平行四边形推杆驱动机构实现指中、指尖的固定比例摇摆，此设计传递效率高，传动精度高，不会出现因打滑产生的传动误差。

Description

仿生三指机械手

技术领域

本发明涉及仿生机器手技术领域，尤其是涉及一种仿生三指机械手。

背景技术

机器人飞速发展，已经成为工业4.0的核心技术之一，机械手是机器人与外界进行交互和操作的主要手段之一，起着不可替代的作用，特别是与人类的手一样具有通用性和灵活性的灵巧手已迫在眉睫。

当前，很多文献已经着力于机械手方面的研究，有针对具体问题的专用机械手，也有仿人手的5指机械手；比如：北航的bh系列手、清华的th系列手。但前者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；后者性能并不能满足通用、灵巧等实际需求。当然，有一些研究已经着力于仿生机械手的研究，比如国外的barretthand机械手。但是此机械手存在结构复杂、灵活性低、通用性差、力度掌控能力差等问题，尤其是对加工工艺、材料的耐磨性要求较高、对使用年限有较高限制的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，基于barrettband机械手的外形，为了解决机器人手灵活性低、通用性差、力度掌控能力差等问题，提出一种仿生三指形封闭机械手。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的仿生三指机械手，包括：

手指，包括指根、指中、指尖、推杆驱动机构和手指驱动装置，所述指尖通过第一转轴与指中铰接，所述指中通过第二转轴与指根铰接，所述推杆驱动机构包括安装在指尖上的与所述第一转轴连接的被动摆臂、安装在第二转轴上的与所述驱动结构啮合连接的被动齿轮、安装在指中上的与所述被动齿轮啮合连接的主动摆臂以及分别与被动摆臂和主动摆臂相连接的两根连杆；手指驱动装置安装在指根内部，手指驱动装置通过驱动被动齿轮旋转进而驱使指中和指尖的联动；

圆柱形骨架，用于安装所述手指；

手掌控制装置，安装于所述圆柱形骨架内，所述手掌控制装置与所述指跟连接；所述手掌控制装置用于控制所述手指在水平方向进行旋转；

手掌，安装在指根与圆柱形骨架之间。

进一步的，所述手指驱动装置包括电机、扭矩保护器、离合器、减速齿轮组、丝杠、滑块和用于与被动齿轮啮合连接的主动齿条；所述电机依次通过离合器、减速齿轮组驱动丝杠旋转，所述滑块安装在丝杠上，所述主动齿条设置在滑块上。

进一步的，所述手掌为矩形壳体。

进一步的，所述在手掌中心位置安装有用于拍摄图像的高清摄像头。

进一步的，所述手掌的一组对角处分别设置有用于预判抓取目标或者环境深度信息的深度传感器。

进一步的，所述指尖表面安装有触觉传感器。

进一步的，所述手指包括一根安装在圆柱形骨架的固定手指以及分别安装在圆柱形骨架上并与手掌控制装置连接的两根活动手指。

进一步的，所述手掌控制装置包括底盘以及安装在所述底盘内的蜗杆、涡轮、与涡轮啮合第一齿轮以及通过齿轮系与涡轮啮合的第二齿轮；所述蜗杆驱动涡轮旋转，所述涡轮驱动所述第一齿轮和第二齿轮旋转。

进一步的，所述第一齿轮和第二齿轮分别与活动手指进行轴连接。

进一步的，还包括用于与外部机械臂连接的螺纹连接器，所述螺纹连接器安装于所述圆柱形骨架底部。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1、采用手指驱动装置、手掌控制装置的新型传动方式，用国产化电机实现低成本设计完成高精度的控制需求；

2、本发明的指尖控制由平行四边形推杆驱动机构实现指中、指尖的固定比例摇摆，此设计传递效率高，传动精度高，不会出现因打滑产生的传动误差；

3、本发明采用齿轮传动、丝杠传动、齿轮齿条组合实现断电保护功能使得机械手成本进一步降低，效率进一步提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明提供的手指的结构示意图；

图3为本发明提供的手掌控制装置的结构示意图；

其中：1、手指，2、圆柱形骨架，3、手掌控制装置；4、手掌；5、第一转轴，6、第二转轴，7、高清摄像头，8、深度传感器，9、触觉传感器，10、螺纹连接器，11、指根，12、指中，13、指尖，14、推杆驱动机构，15、手指驱动装置，31、底盘，32、蜗杆，33、涡轮，34、第一齿轮，35、第二齿轮，141、被动摆臂，142、被动齿轮，143、主动摆臂，144、连杆，151、电机，152、扭矩保护器，153、离合器，154、减速齿轮组，155、丝杠，156、滑块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1-图3，本发明提供的仿生三指机械手，包括：手指1、圆柱形骨架2、手掌控制装置3和手掌4；

所述手指1设置有三根具有三个关节的手指，包括一根安装在圆柱形骨架2上的固定手指以及分别安装在圆柱形骨架2上并与手掌控制装置3活动连接的两根活动手指，所述两根活动手指可以在手掌控制装置3驱动下进行旋转；所述手掌4安装在指根11与圆柱形骨架2之间。

请参照图2，本实施例的手指1包括指根11、指中12、指尖13、推杆驱动机构14和手指驱动装置15。

所述指尖13通过第一转轴5与指中12铰接，所述指中12通过第二转轴6与指根11铰接，所述推杆驱动机构14包括被动摆臂141、被动齿轮142、主动摆臂143以及两根连杆144；

所述被动摆臂141安装在指尖13上，被动摆臂141与第一转轴5连接；

所述被动齿轮142安装在第二转轴6上，并且被动齿轮142与手指驱动装置15啮合连接；

所述主动摆臂143安装在指中12上，主动摆臂143与所述被动齿轮142啮合连接；

所述两根连杆144分别与被动摆臂141和主动摆臂143相连接；优选地，将两根连杆144分别设置在被动摆臂141和主动摆臂143左右两侧，形成平行四边形机构实现对指尖13关节定传动比的摇摆运动；

所述手指驱动装置15安装在指根11内部，手指驱动装置15包括电机151、扭矩保护器152、离合器153、减速齿轮组154、丝杠155、滑块156和用于与被动齿轮142啮合连接的主动齿条；所述电机151采用伺服电机，伺服电机151依次通过扭矩保护器152、离合器153、减速齿轮组154驱动丝杠155旋转，伺服电机151与减速齿轮组154之间采用离合器153，以保证手指抓紧并且压力传感器尚未动作时，电机151不会堵转。所述滑块156安装在丝杠155上，滑块156在丝杠155的带动在做水平运动，所述主动齿条设置在滑块156上，主动齿条与安装在指中12上的被动齿轮142啮合连接，该齿条将水平运动通过被动齿轮142转变成指中12的旋转摆动运动，所述指中12通过连杆144带动指尖13进行联动；实现手指的抓取动作。

本实施例中，指中12、指尖13的运动是由同一个电机151完成，因此手指传动属于欠驱动控制。由于扭矩保护器152的作用，手指不会因为继续运行而损伤物体或电机151。同时，扭矩保护器152启动后，由于系统自锁的原因，机械手也不会因为物体的伸缩把手指弹回，从而实现了形封闭抓稳物体的功能。

本实施中，要实现指中12和指尖13这两个关节的不同运动，则需要指中12和指尖13这两个关节之间存在机械耦合。该耦合为角度耦合，即为指中12的相对固定部分指根11转动140度时，末端关节指尖13转动45度，角度比例为28/9，约为3.1倍。

作为一个优选实施例，本实施例中还包括指甲，所述指甲分别安装在三根手指的指尖上。

本实施例的手掌控制装置3安装于所述圆柱形骨架2内，所述手掌控制装置3与所述两根活动手指的指根连接；所述手掌控制装置3用于控制所述两根活动手指在水平方向进行旋转。

请参照图3；具体的，所述手掌控制装置3包括底盘31以及安装在所述底盘31内的蜗杆32、涡轮33、与涡轮33啮合第一齿轮34以及通过齿轮系与涡轮33啮合的第二齿轮35；所述蜗杆32驱动涡轮33旋转，所述涡轮33驱动所述第一齿轮34和第二齿轮35旋转，所述第一齿轮34和第二齿轮35上分别与活动手指进行轴连接。所述第一齿轮34和第二齿轮35分别带动活动手指的进行摆动，在表观上即三个手指的摆放位置的改变，实现对不同目标抓取策略的转变。

作为一个优选实施例，所述手掌4设置为矩形壳体，本领域技术人员均知，该手掌4并不局限于矩形，还可以根据实际应用情况设置为圆形、椭圆形、梯形等其他形状，理应在本专利的保护范围之内。

作为一个优选实施例，所述在手掌4中心位置安装有用于拍摄图像的高清摄像头7；高清摄像头7可以增强手指的抓取功能，利用其实现复杂抓取策略，设计基于图像信息的多信息融合抓取策略；

作为一个优选实施例，所述手掌4的一组对角处分别设置有用于预判抓取目标或者环境深度信息的深度传感器8。所述深度传感器8可以预判抓取目标或者环境的深度信息，与图像信息相结合，可以实现目标相对于机械手掌4的空间坐标。

作为一个优选实施例，所述指尖13表面安装有触觉传感器9。所述触觉传感器9可以采集抓取物体时手指使用力的大小，以实现对易碎性物体的抓取，体现灵巧手的柔顺性。

本实施例中提到的高清摄像头7、深度传感器8以及触觉传感器9，这三者的结合让机械手更为精巧，可以更好的控制和设计抓取策略。

作为一个优选实施例，还包括用于与外部机械臂连接的螺纹连接器10，所述螺纹连接器10安装于所述圆柱形骨架2底部。

作为一个优选实施例，为了更好的进行密封，防止腐蚀性液体、粉尘等对机械手内、外部构成损伤，集成在内部的电气部分的发热元器件使用机械手外壳进行散热。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1、采用手指驱动装置、手掌控制装置的新型传动方式，用国产化电机实现低成本设计完成高精度的控制需求；

2、本发明的指尖控制由平行四边形推杆驱动机构实现指中、指尖的固定比例摇摆，此设计传递效率高，传动精度高，不会出现因打滑产生的传动误差；

3、在barretthand机械手中利用蜗轮蜗杆传动实现此功能，但蜗轮蜗杆32机械效率低，特别是具备自锁的蜗轮蜗杆，正向机械效率η小于50％；蜗杆传动齿面的螺旋线方向滑动速度很大，因此容易引起磨损和发热，常用贵重的耐磨材料(如青铜合金)作蜗轮，而且还要有良好的润滑和散热条件；蜗杆的导程角小，故其螺旋角大，因此所受轴向力大，故其轴承结构也较复杂；本发明采用齿轮传动、丝杠传动、齿轮齿条组合实现断电保护功能避免了以上诸多问题。使得灵巧手成本进一步压低，效率进一步提升。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种仿生三指机械手，其特征在于，包括：

手指，包括指根、指中、指尖、推杆驱动机构和手指驱动装置；所述指尖通过第一转轴与指中铰接，所述指中通过第二转轴与指根铰接，所述推杆驱动机构包括安装在指尖上的与所述第一转轴连接的被动摆臂、安装在第二转轴上的与所述驱动结构啮合连接的被动齿轮、安装在指中上的与所述被动齿轮啮合连接的主动摆臂以及分别与被动摆臂和主动摆臂相连接的两根连杆；所述手指驱动装置安装在指根内部，手指驱动装置通过驱动被动齿轮旋转进而驱使指中和指尖的联动；

圆柱形骨架，用于安装所述手指；

手掌控制装置，安装于所述圆柱形骨架内，所述手掌控制装置与所述指跟连接；所述手掌控制装置用于控制所述手指在水平方向进行旋转；

手掌，安装在指根与圆柱形骨架之间。

2.根据权利要求1所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述手指驱动装置包括电机、扭矩保护器、离合器、减速齿轮组、丝杠、滑块和用于与被动齿轮啮合连接的主动齿条；所述电机依次通过扭矩保护器、离合器、减速齿轮组驱动丝杠旋转，所述滑块安装在丝杠上，所述主动齿条设置在滑块上。

3.根据权利要求2所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述手掌为矩形壳体。

4.根据权利要求3所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述在手掌中心位置安装有用于拍摄图像的高清摄像头。

5.根据权利要求4所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述手掌的一组对角处分别设置有用于预判抓取目标或者环境深度信息的深度传感器。

6.根据权利要求5所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述指尖表面安装有触觉传感器。

7.根据权利要求6所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述手指包括一根安装在圆柱形骨架的固定手指以及分别安装在圆柱形骨架上并与手掌控制装置连接的两根活动手指。

8.根据权利要求7所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述手掌控制装置包括底盘以及安装在所述底盘内的蜗杆、涡轮、与涡轮啮合第一齿轮以及通过齿轮系与涡轮啮合的第二齿轮；所述蜗杆驱动涡轮旋转，所述涡轮驱动所述第一齿轮和第二齿轮旋转。

9.根据权利要求8所述的仿生三指机械手，其特征在于，所述第一齿轮和第二齿轮分别与活动手指进行轴连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的仿生三指机械手，其特征在于，还包括用于与外部机械臂连接的螺纹连接器，所述螺纹连接器安装于所述圆柱形骨架底部。