CN105945977A - 一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，包括手掌、大拇指、食指、中指、无名指、小拇指，手掌外部部分包括手背挡块、手背块、手心块、手心挡块和拇指压块，拇指压块斜插入手背块上大拇指位置的凹槽中，手心块与手背块和拇指压块通过一圈限位结构紧密合并，并通过中间的中心螺栓、中心螺母锁死，手心挡块和手背挡块分别卡入手心块和手背块的凹槽中，盖住中心螺栓和中心螺母；手掌内部部分包括舵机支架、五个舵机、五个盘线舵盘、拇指导向架和四指导向架，其中五个盘线舵盘通过螺丝锁在五个舵机的输出轴上。本发明结构灵活轻便，控制简单精确，提高仿真性，成本低廉，外观简单美观。

Description

一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手。

背景技术

随着人工智能逐渐走进大众的视野，类人型机器人的呼声也越来越大，而机械手便属于其中之一。机械手能模仿人手的某些动作功能，并以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

但现市面上可以控制运动的机械手大多只能都待在实验室中，且这些机械手成本十分高昂，控制原理繁杂，机械手上布满了各种控制线，并且裸露在外，使得机械手外观与人手差距甚远。高昂的成本和复杂的结构使其难以量产，不能更好地广泛利用。而外观较好的机械手其灵活性和控制性却难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，为了降低机械手的成本，简化其基本控制结构并保持其灵活性和控制协调性，提高仿真性使得机械手能够广泛应用，该机械手与传统的机械手相比其结构更加灵活轻便，控制更加简单精确，成本更加低廉，外观更加简单美观。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，包括手掌、大拇指、食指、中指、无名指、小拇指，其中大拇指由3节手指组成，食指、中指、无名指与小拇指由4节手指组成；手掌外部部分包括手背挡块、手背块、手心块、手心挡块和拇指压块，拇指压块斜插入手背块上大拇指位置的凹槽中，手心块与手背块和拇指压块通过一圈限位结构紧密合并，并通过中间的中心螺栓、中心螺母锁死，手心挡块和手背挡块分别卡入手心块和手背块的凹槽中，盖住中心螺栓和中心螺母；手掌内部部分包括舵机支架、五个舵机、五个盘线舵盘、拇指导向架和四指导向架，其中五个盘线舵盘通过螺丝锁在五个舵机的输出轴上。

作为本发明进一步的方案：舵机通过舵机固定螺丝锁在舵机支架上，其中驱动大拇指的舵机横向排列在舵机支架后部，其它四个舵机分别纵向排列在其对应的四指导向架的线槽孔前，与线槽孔轴错开一定距离排列，使盘线舵盘的盘线圆与对应的四指导向架、拇指导向架的线槽孔轴相切。

作为本发明进一步的方案：舵机支架被拇指导向架、四指导向架压在手背块上，四指导向架、拇指导向架、舵机支架均由手心块和手背块卡住。

作为本发明进一步的方案：所有手指的每节手指均由左右两块胶件组成，大拇指的指根节被手背块和拇指压块卡住，食指、中指、无名指与小拇指的指根节被手心块和手背块卡住，食指、中指、无名指与小拇指的指根节同时卡入四指导向架。

作为本发明进一步的方案：所述的各节手指的横截面从指根节到指尖节大小依次递减，两节手指之间的连结以横截面大的手指节伸出的圆柱插入横截面小的手指节的圆形侧孔中以构成单自由度的转动关节。

作为本发明进一步的方案：手指内部各个关节处均置入一个双扭弹簧，通过选用扭力的大小和初始角度不同的扭力弹簧，控制各个关节处回复扭力的大小变化，从而控制各个关节的转动。

作为本发明进一步的方案：手指内部贯穿一根牵引线，牵引线一端与手指的指尖节内部相连接，另一端穿过整个手指，通过手掌内部的拇指导向架、四指导向架与舵机上的盘线舵盘相连接。

作为本发明进一步的方案：手指弯曲内侧面为内凹曲面。

作为本发明进一步的方案：手指的每个关节极限转动角度为80°。

作为本发明进一步的方案：除五个舵机外的所有零件由塑胶件构成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种由扭力弹簧、舵机和细线控制的仿真机械手，由手掌和五个手指组成。其中大拇指由三节手指和两个转动关节组成，而其他四个手指由四节手指和三个转动关节组成。五个手指的各个转动关节处内嵌扭力弹簧，每个手指分别由舵机牵引的牵引线单独扯动，牵引线的一端固定在手指的指尖节内部，随后牵引线贯穿整个手指，最终通过手掌中的限位支架连接到对应的盘线舵盘上，并由对应的舵机控制。该机械手的五个手指可以单独控制运动，并可以在其行程范围内的任意位置上停止。整个机械手除五个舵机外，所有零件由塑胶件构成，各零件之间相互卡位，且螺丝螺栓螺母的使用较少，使得整体的重量轻。除指尖节外的各节手指的弯曲内侧面均由内凹面组成，当手指弯曲的时候更加方便抓取物体。

本发明的机械手除五个舵机外，所有零件由塑胶件构成，各零件之间相互卡位，且螺丝螺栓螺母的使用较少，使得整体的重量轻，五个手指可以单独控制运动，也可在其行程范围内的任意位置上停止，并除指尖节外的各节手指的弯曲内侧面均由内凹面组成。简化了控制结构的原理且成本低廉可量产，并使其外观更加简单美观。

附图说明

图1为机械手左手的整体图

图2为机械手左手的整体背面

图3为机械手左手的爆炸图；

图4为机械手内部图；

图5为机械手左手中指的爆炸图；

图6为机械手手指的内部侧视图；

图7为机械手手指的外部弯曲侧视图；

图中：1-手掌、2-大拇指、3-食指、4-中指、5-无名指、6-小拇指、7-手背挡块、8-中心螺栓、9-手背块、10-舵机支架、11-四指导向架、12-手心块、13-中心螺母、14-手心挡块、15-拇指导向架、16-盘线舵盘、17-舵机固定螺丝、18-舵机、19-拇指压块、20-中指指尖节左块、21-中指第二节左块、22-中指第三节左块、23-中指指根节左块、24-中指指尖节右块、25-第一节双扭弹簧、26-中指第二节右块、27-第二节双扭弹簧、28-中指第三节右块、29-第三节双扭弹簧、30-中指指根节右块、31-牵引线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

请参阅图1-图7，本发明实施例中，一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，包括手掌1、大拇指2、食指3、中指4、无名指5、小拇指6，其中大拇指2由3节手指组成，食指3、中指4、无名指5与小拇指6由4节手指组成。

手掌1外部部分包括手背挡块7、手背块9、手心块12、手心挡块14和拇指压块19，拇指压块19斜插入手背块9上大拇指2位置的凹槽中，手心块12与手背块9和拇指压块19通过一圈限位结构紧密合并，并通过中间的中心螺栓8、中心螺母13锁死，手心挡块14和手背挡块7分别卡入手心块12和手背块9的凹槽中，盖住中心螺栓8和中心螺母13。

手掌1内部部分包括舵机支架10、五个舵机18、五个盘线舵盘16、拇指导向架15和四指导向架11，其中五个盘线舵盘16通过螺丝锁在五个舵机18的输出轴上。

舵机18通过舵机固定螺丝17锁在舵机支架10上，其中驱动大拇指2的舵机18横向排列在舵机支架10后部，其它四个舵机18分别纵向排列在其对应的四指导向架11的线槽孔前，与线槽孔轴错开一定距离排列，使盘线舵盘16的盘线圆与对应的四指导向架11、拇指导向架15的线槽孔轴相切。舵机支架10被拇指导向架15、四指导向架11压在手背块9上，而四指导向架11、拇指导向架15、舵机支架10均由手心块12和手背块9卡住。

所有手指的每节手指均由左右两块胶件组成，大拇指2的指根节被手背块9和拇指压块19卡住，其他四个手指的指根节被手心块12和手背块9卡住，四个手指的指根节同时卡入四指导向架11。所述的各节手指的横截面从指根节到指尖节大小依次递减，两节手指之间的连结以横截面大的手指节伸出的圆柱插入横截面小的手指节的圆形侧孔中以构成单自由度的转动关节。手指内部各个关节处均置入一双扭弹簧，通过选用扭力的大小和初始角度不同的扭力弹簧，可以控制各个关节处回复扭力的大小变化，从而控制各个关节的转动。手指内部贯穿一根牵引线31，牵引线31一端与手指的指尖节内部相连接，另一端穿过整个手指，通过手掌1内部的导向架与舵机18上的盘线舵盘16相连接。

以机械手左手中指为例，介绍各手指的结构，如图5所示，由中指指尖节左块20、中指第二节左块21、中指第三节左块22、中指指根节左块23、中指指尖节右块24、第一节双扭弹簧25、中指第二节右块26、第二节双扭弹簧27、中指第三节右块28、第三节双扭弹簧29、中指指根节右块30组成，中指指尖节左块20、中指第二节左块21、中指第三节左块22、中指指根节左块23依次连接，中指指尖节右块24、中指第二节右块26、中指第三节右块28、中指指根节右块30依次连接，中指指尖节右块24上安装第一节双扭弹簧25，中指第二节右块26上安装第二节双扭弹簧27，中指第三节右块28上安装第三节双扭弹簧29。中指指尖节左块20与中指指尖节右块24通过第一节双扭弹簧25连接，中指第二节左块21与中指第二节右块26通过第二节双扭弹簧27连接，中指第三节左块22与中指第三节右块28通过第三节双扭弹簧29连接。

本发明机械手的五个手指（大拇指2、食指3、中指4、无名指5、小拇指6）的运动分别由其所对应的舵机18驱动，舵机18由单片机控制转动。舵机18可以较为精确控制其自身转动到最终角度位置，且由舵机18控制的手指可以较为精确地控制牵引线31的拉扯量，不同的拉扯量对应手指的不同位置，舵机18的转动的两个极限角度位置分别对应手指完全伸直和完全弯曲两个极限状态。

机械手手指的运动控制如下：单片机给某个舵机18输入供给电源和控制信号，随后舵机18转动，带动盘线舵盘16转动到控制信号对应的最终角度，从而拉扯相对应的牵引线31，手指内的牵引线31收缩相应的长度，拉扯手指指尖关节，由于牵引线31排布在手指内侧，与各个转动关节之间错开一定距离，手指指尖在受到牵引线31的拉力后自然弯曲，收缩后的牵引线31也自然弯曲，并抵住在各个关节的弯曲内侧，最终将手指各节拉扯成弯曲状态。

为了保证盘线舵盘16在转动的时候，牵引线31能够均匀平稳的缠绕在盘线舵盘16上，牵引线31在通过手掌内部导向架时被限制了牵引线31轴线与盘线舵盘16的相对位置，使牵引线与盘线舵盘16高度始终保持一致，并与盘线舵盘16边缘相切。

各个关节的扭力弹簧（第一节双扭弹簧25、第二节双扭弹簧27、第三节双扭弹簧29）在初始置入的时候均带有一定的预紧力。当手指处于伸直状态时，牵引线31对手指没有拉力，手指各个关节的扭力弹簧（第一节双扭弹簧25、第二节双扭弹簧27、第三节双扭弹簧29）的预紧力绷直。当手指处于弯曲状态时，牵引线31的张力和扭力弹簧（第一节双扭弹簧25、第二节双扭弹簧27、第三节双扭弹簧29）的扭力共同作用在手指的各个弯曲位置上，使手指关节处双向受力，并在达到力平衡状态后保持对应位置的弯曲状态。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，包括手掌、大拇指、食指、中指、无名指、小拇指，其中大拇指由3节手指组成，食指、中指、无名指与小拇指由4节手指组成；其特征在于，手掌外部部分包括手背挡块、手背块、手心块、手心挡块和拇指压块，拇指压块斜插入手背块上大拇指位置的凹槽中，手心块与手背块和拇指压块通过一圈限位结构紧密合并，并通过中间的中心螺栓、中心螺母锁死，手心挡块和手背挡块分别卡入手心块和手背块的凹槽中，盖住中心螺栓和中心螺母；手掌内部部分包括舵机支架、五个舵机、五个盘线舵盘、拇指导向架和四指导向架，其中五个盘线舵盘通过螺丝锁在五个舵机的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，舵机通过舵机固定螺丝锁在舵机支架上，其中驱动大拇指的舵机横向排列在舵机支架后部，其它四个舵机分别纵向排列在其对应的四指导向架的线槽孔前，与线槽孔轴错开一定距离排列，使盘线舵盘的盘线圆与对应的四指导向架、拇指导向架的线槽孔轴相切。

3.根据权利要求1所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，舵机支架被拇指导向架、四指导向架压在手背块上，四指导向架、拇指导向架、舵机支架均由手心块和手背块卡住。

4.根据权利要求1所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，所有手指的每节手指均由左右两块胶件组成，大拇指的指根节被手背块和拇指压块卡住，食指、中指、无名指与小拇指的指根节被手心块和手背块卡住，食指、中指、无名指与小拇指的指根节同时卡入四指导向架。

5.根据权利要求4所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，所述的各节手指的横截面从指根节到指尖节大小依次递减，两节手指之间的连结以横截面大的手指节伸出的圆柱插入横截面小的手指节的圆形侧孔中以构成单自由度的转动关节。

6.根据权利要求4所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，手指内部各个关节处均置入一个双扭弹簧，通过选用扭力的大小和初始角度不同的扭力弹簧，控制各个关节处回复扭力的大小变化，从而控制各个关节的转动。

7.根据权利要求4所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，手指内部贯穿一根牵引线，牵引线一端与手指的指尖节内部相连接，另一端穿过整个手指，通过手掌内部的拇指导向架、四指导向架与舵机上的盘线舵盘相连接。

8.根据权利要求4所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，手指弯曲内侧面为内凹曲面。

9.根据权利要求4所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，手指的每个关节极限转动角度为80°。

10.根据权利要求1所述的由扭力弹簧和舵机控制运动的机械手，其特征在于，除五个舵机外的所有零件由塑胶件构成。