一种单驱动拟人机械手
技术领域
本发明涉及机械手技术领域,尤其涉及一种单驱动拟人机械手。
背景技术
随着商用情感机器人的普及,拟人机械手成为人机交互的表现形式之一。现有拟人机械手,主要的驱动模式是使用单一驱动进行全部五指驱动,动作单一;使用五驱动实现全指分别驱动,结构复杂程度高,控制复杂。
为了解决这个问题,现有方案,使用单一驱动动力,传动机构以线绳和滑轮拉动手指运动为主。但是这种驱动方式,虽然也使用了单一驱动单元,但是动作简单,只能实现手抓的开合,并且无法为手指提供持续的动力保持手指的姿态,机械手是可以轻易受外力改变位置的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有技术中单驱动拟人机械手的手势单一的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种单驱动拟人机械手,包括手掌以及与所述手掌转动连接的两个手指组,每个所述手指组包括一根手指或多根连接在一起的手指;所述手掌内设有电机以及差速器,所述电机的输出轴设有动力输出齿轮,所述差速器的动力输入齿轮与所述动力输出齿轮啮合;所述差速器的两个输出半轴与两个所述手指组一一对应,且所述差速器的输出半轴通过啮合的齿轮对与其对应的所述手指组连接,用于驱动所述手指组的手指动作,所述啮合的齿轮对包括设于所述手指组靠近手掌一端的手指驱动齿轮以及设于所述差速器输出半轴的差速齿轮。
根据本发明,所述手指组靠近所述手掌一端设有多个同轴的所述手指驱动齿轮,所述差速齿轮与至少两个相邻的所述手指驱动齿轮同时啮合。
根据本发明,两个所述手指组分为第一手指组和第二手指组,所述第一手指组包括食指,所述第二手指组包括连接在一起的中指、无名指和小指。
根据本发明,所述第一手指组还包括拇指,所述拇指靠近所述手掌的一端通过连杆连接在所述手指驱动齿轮或所述差速齿轮的端面偏心位置,且所述连杆的两端均采用球接头连接。
根据本发明,所述中指、无名指以及小指通过依次穿过所述中指、无名指和小指靠近所述手掌一端的六角轴固定连接。
根据本发明,所述手掌连接手指的一端设有多个平行的安装座,每个所述安装座均设有安装孔,所述六角轴套设于所述安装孔内,且与所述安装座转动连接。
根据本发明,所述手掌内还设有两个差速锁分别用于控制所述差速器两个输出半轴是否转动。
根据本发明,所述差速锁包括U型板、电磁铁、弹簧以及磁性材料,所述电磁铁以及所述弹簧的一端均通过支架固定在手掌内,所述弹簧套设在电磁铁外侧,所述弹簧的另一端固定在U型板的底板,所述磁性材料设置在U型板的底板上,通过控制所述电磁铁的通断使所述U型板的两个侧板末端卡在所述差速齿轮的两个齿槽内或者远离所述差速齿轮。
根据本发明,所述电机沿所述手掌的长度方向设置,所述差速器包括第一壳体和第二壳体、多个行星齿轮、第一半轴齿轮和第二半轴齿轮,所述差速器的输出半轴分为与所述第一半轴齿轮固定连接的第一输出半轴和与所述第二半轴齿轮固定连接的第二输出半轴;
所述第一壳体和第二壳体均包括齿轮容纳段和半轴连接段,所述第一壳体和第二壳体的齿轮容纳段共同围成齿轮容纳腔;所述第一输出半轴与所述第一壳体的半轴连接段可转动连接,所述第二输出半轴与所述第二壳体的半轴连接段固定连接;
所述动力输入齿设于所述第一壳体远离所述第二壳体的端面边缘处;
所述第一壳体的齿轮容纳段内壁上设有多个用于连接行星齿轮的转轴。
根据本发明,所述行星齿轮设有三个,且三个所述行星齿轮呈星型分布。
根据本发明,所述手掌内设有第一支架,所述第一支架包括两个第一支撑板,两个所述第一支撑板上均设有通孔,所述第一壳体和第二壳体的半轴连接段分别套设于两个所述第一支撑板的通孔内,并通过轴承连接。
根据本发明,所述输出半轴为空心轴,且所述输出半轴用于连接所述差速齿轮的一端开设有沿所述输出半轴长度方向的U型槽,所述差速齿轮的中心孔处设有与所述U型槽相配合的键。
根据本发明,所述差速齿轮的中心孔为台阶孔,包括靠近所述输出半轴的第一孔段和远离所述输出半轴的第二孔段,第一孔段的直径大于所述第二孔段的直径;
所述手掌内设有第二支架,所述第二支架包括两个所述第二支撑板,所述第二支撑板上设有通孔,两个所述第二支撑板分别位于两个所述差速齿轮远离所述输出半轴的一端,所述第二支撑板与所述差速齿轮通过穿过所述第二支撑板的通孔和所述第二孔段的轴承销连接。
根据本发明,两个所述第二支撑板之间设有连接板,所述电机固定于所述连接板上。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点:本发明实施例提供的一种单驱动拟人机械手通过将多个手指进行分组以及设置的差速器,实现了在由一个电机单驱动的情况下实现多个不同的手势,解决了现有技术中单驱动机械手仅能张开或握拳的技术难题。单驱动实现多个不同手势,整体结构紧凑、重量轻、体积小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的第二手指组的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的手掌内部的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的第一手指组的结构示意图;
图5是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手的张开手势示意图;
图6是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手握拳手势示意图;
图7是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手“伸出食指触碰”手势示意图;
图8是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手“OK”手势示意图;
图9是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手由握拳手势变换为张开手势的变化状态示意图;
图10是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手由张开手势变换为握拳手势的变化状态示意图;
图11是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手由张开手势变换为“伸出食指触碰”手势的变化状态示意图;
图12是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手设置差速锁后由张开手势变换为“伸出食指触碰”手势的变化状态示意图;
图13是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手拾取物体状态示意图;
图14是本发明实施例提供的单驱动拟人机械手与第一手指组对应的差速锁工作状态的结构示意图;
图15是本发明实施例提供的手掌内部爆炸示意图;
图16是本发明实施例提供的差速器的爆炸示意图;
图17是本发明实施例提供的差速器另一角度的爆炸示意图。
图中:1:手掌;2:第一手指组;3:第二手指组;4:电机;5:差速器;51:动力输入齿轮;52:第一输出半轴;53:第二输出半轴;54:第一壳体;55:第二壳体;56:行星齿轮;57:U型槽;58:第一半轴齿轮;59:第二半轴齿轮;6:动力输出齿轮;7:手指驱动齿轮;8:差速齿轮;9:连杆;10:球接头;11:六角轴;12:安装座;13:安装孔;14:差速锁;15:U型板;16:电磁铁;17:弹簧;18:铁片;19:第一支撑板;20:轴承;21:第二支撑板;22:轴承销;23:连接板;24:增强轴;25:限位槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,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的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”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。
如图1至图4所示,本发明实施例提供的一种单驱动拟人机械手,包括手掌1以及与手掌1转动连接的两个手指组,每个手指组包括一根手指或多根连接在一起的手指;手掌1内设有电机4以及差速器5,电机4的输出轴设有动力输出齿轮6,差速器5的动力输入齿轮51与动力输出齿轮6啮合;差速器5的两个输出半轴与两个手指组一一对应,且差速器5的输出半轴通过啮合的齿轮对与其对应的手指组连接,用于驱动手指组的手指动作,啮合的齿轮对包括设于手指组靠近手掌1一端的手指驱动齿轮7以及设于差速器5输出半轴的差速齿轮8。由于差速器5具有动力自由分配的功能,可以根据两个手指组运动阻力不同来实现电机4驱动差速器5动作时,两个手指组不同时动作,从而实现多个手势,具体地,本实施例中可以通过两个手指组的质量不同来实现运动阻力的不同,也可以是通过两个手指组的结构不同来实现运动阻力的不同。本实施例中机械手工作时也可以是通过差速器5一侧输出半轴的锁止来实现仅一侧手指组动作,从而表现出不同的手势。
例如,本实施例中两个手指组分为第一手指组2和第二手指组3,第一手指组2包括食指,第二手指组3包括连接在一起的中指、无名指和小指。优选地,本实施例中的手指均采用四连杆机构,需要说明的使手指的结构并不限于采用四连杆机构实现手指弯曲和伸直,也可以采用其他能够在手指驱动齿轮7的带动下实现手指弯曲和伸直的机械结构。第二手指组3的运动阻力大于第一手指组2的运动阻力,假设机械手处于握拳手势,即第一手指组2和第二手指组3均为弯曲状态时,电机4工作,第二手指组3由于受到的运动阻力较大,差速器5用于驱动第一手指组2的输出半轴首先转动,第二手指组3保持不动,则机械手表现出的“伸出食指触碰”的手势,随后,由于第一手指组2运动到位后运动阻力增大,第二手指组3动作伸开所有手指,机械手表现出全部手指展开的手势。实现了三个不同的手势。
进一步地,如图4所示,本实施例中第一手指组2还包括拇指,拇指靠近手掌1的一端通过连杆9连接在手指驱动齿轮7或差速齿轮8的端面偏心位置,且连杆9的两端均采用球接头10连接。通过连杆9的转动实现拇指随食指一起运动。第一手指组2的运动阻力小于第二手指组3的运动阻力。如图9所示,当机械手处于握拳手势时,电机4动作,拇指和食指首先展开,表现出“伸出食指触碰”的手势后,其余手指也展开,机械手表现出张开手掌的手势。如图10所示,当机械手处于张开手掌的手势时,电机4动作,拇指和手指首先弯曲,表现出“OK”的手势,随后其余手指也弯曲,机械手表现出握拳的手势。实现了如图5-图8所示的4个不同的手势。本发明实施例提供的机械手设置手指的个数并不具体限定,不同的手指个数可以实现多个不同的手势。
进一步地,如图2所示,本实施例中中指、无名指以及小指通过依次穿过中指、无名指和小指靠近手掌1一端的六角轴11固定连接,实现中指、无名指和小指的同步联动。通过六角轴11固定连接的方式简单便于加工以及安装操作。优选地,本实施例中第二手指组3中的各个手指靠近手掌1的一端还设有增强轴24,增强第二手指组3的运动阻力。
进一步地,如图3所示,本实施例中手掌1连接手指的一端设有多个平行的安装座12,每个安装座12均设有安装孔13,六角轴11套设于安装孔13内,且与安装座12转动连接。六角轴11的轴线与第二手指组3对应的手指驱动齿轮7的轴线相同。通过设置在手掌1端部的安装座12实现手掌1与手指组的转动连接,安装座12的安装孔13直接套设在六角轴11外侧结构简单紧凑。具体的,本实施例中手掌1与食指和拇指连接的位置也设置有安装座12,与食指和拇指对应的安装座12分别与食指和拇指的手指驱动齿轮7的中心通过转轴转动连接。
本发明实施例提供的一种单驱动拟人机械手通过将多个手指进行分组以及设置的差速器5,实现了在由一个电机4单驱动的情况下实现多个不同的手势,解决了现有技术中单驱动机械手仅能张开或握拳的技术难题。单驱动实现多个不同手势,整体结构紧凑、重量轻、体积小。
如图13所示,本发明实施例提供的机械手在拾取物体时,由于差速器5的动力分配功能,机械手的两个手指组将受到不同的阻力,这个阻力将通过手指关节传递到差速器5内,从而对输入动力进行重新动力分配。
假设被拾取物体首先与第二手指组3中的手指接触,但是此时第一手指组2的手指未接触物体,则通过差速器5将更多的动力分配到第一手指组2,使第一手指组2以更快的速度去接触物体。
假设被拾取物体首先与第一手指组2中的手指接触,但是此时第二手指组3的手指未接触物体,则通过差速器5将更多的动力分配到第二手指组3,使第二手指组3以更快的速度去接触物体。
在抓取到物体后,第一手指组2和第二手指组3的全部手指接触物体,两个手指组接触到物体的位置可能不同,由于差速器5的存在,此时已经抓取的物体,如果由于外力从第一手指组2方向逃逸,即第一手指组2被迫打开,第二手指组3会抓的更紧,反之,如果由于外力从第二手指组3方向逃逸,即第二手指组3被迫打开,第一手指组2会抓的更紧。由于差速器5的存在,在不提供主动动力时,本发明实施例提供的拟人机械手可以形成自锁,为被拾取的物体提供姿态持续保持功能。
进一步地,本实施例中手指组靠近手掌1一端设有多个同轴的手指驱动齿轮7,差速齿轮8与至少两个相邻的手指驱动齿轮7同时啮合。差速齿轮8的齿宽设置较大增大了齿轮啮合的面积,使得手指组受力更加均衡,能够更好的承载动力端的动力供给,以及手指端的反向动力。
进一步地,如图14所示,本实施例中手掌1内还设有两个差速锁14分别用于控制差速器5两个输出半轴是否转动。当其中一个差速锁14工作时,其对应的输出半轴无法转动,电机4输出的动力均流向另一个输出半轴,可以实现手势状态的快速变换以及保持。例如,如图12所示,当第一手指组2包括拇指和食指,第二手指组3包括中指、无名指和小指时,与第一手指组2对应的差速锁14工作,机械手可以快速地由张开手势转变为“伸出食指触碰”的手势,并且可以保持该状态不变。与图11中所示的没有设置差速锁14时机械手实现张开手势到“伸出食指触碰”手势的变换过程相比较,省去了中间必须经历的“OK”手势和握拳手势,手势的变换更加快速。
进一步地,如图15所示,本实施例中差速锁14包括U型板15、电磁铁16、弹簧17以及磁性材料,电磁铁16以及弹簧17的一端均通过支架固定在手掌1内,弹簧17套设在电磁铁16外侧,弹簧17的另一端固定在U型板15的底板,磁性材料设置在U型板15的底板上,通过控制电磁铁16的通断使U型板15的两个侧板末端卡在差速齿轮8的两个齿槽内或者远离差速齿轮8。磁性材料优选为贴在U型板15底板的铁片18。具体地,本实施例中的支架设置在差速齿轮8与U型板15之间,支架的上端和下端均设有用于U型板15的两个侧板导向的限位槽25,保证U型板15在弹簧17的作用下能够沿直线运动;电磁铁16通电吸附铁片18,U型板15朝向差速齿轮8运动,侧板卡入差速齿轮8的齿槽内现在齿轮的转动;电磁铁16断电则U型板15在弹簧17的弹力作用下离开差速齿轮8。本实施例中支架也可以设置在U型板15远离差速齿轮8的一端,电磁铁16通电时U型板15远离差速齿轮8,电磁铁16断电时U型板15卡住差速齿轮8。
进一步地,如图16和图17所示,本实施例中电机4沿手掌1的长度方向设置,差速器5包括第一壳体54和第二壳体55、多个行星齿轮56、第一半轴齿轮58和第二半轴齿轮59,差速器5的输出半轴分为与第一半轴齿轮58固定连接的第一输出半轴52和与第二半轴齿轮59固定连接的第二输出半轴53;第一壳体54和第二壳体55均包括齿轮容纳段和半轴连接段,第一壳体54和第二壳体55的齿轮容纳段共同围成齿轮容纳腔;第一输出半轴52与第一壳体54的半轴连接段可转动连接,第二输出半轴53与第二壳体55的半轴连接段固定连接;动力输入齿设于第一壳体54远离第二壳体55的端面边缘处;第一壳体54的齿轮容纳段内壁上设有多个用于连接行星齿轮56的转轴。第一壳体54随动力输入齿轮51的转动而转动,并且第一壳体54作为了行星齿轮56的行星架,多个行星齿轮56随着第一壳体54一起转动,从而带动第一半轴齿轮58和第二半轴齿轮59的转动,实现第一输出半轴52的转动和第二输出半轴53的转动,由于第一输出半轴52和第二输出半轴53的运动阻力的不同,行星齿轮56自转实现第一输出半轴52和第二输出半轴53的不同转速。本发明实施例提供的差速器5结构简单紧凑。优选地,本实施例中差速器5采用塑料制成,减轻重量,注塑成型制作工艺更加简单。
优选地,本实施例中行星齿轮56设有三个,且三个行星齿轮56呈星型分布。在保证差速器5功能的情况下,提高了差速动力输出与抗反向输入的能力。与现有技术中设置两个行星齿轮56的差速器5比较,本发明实施例提供的差速器5具备更强的输出能力和反向承载能力,便于机械手手势的保持。
进一步地,本实施例中手掌1内设有第一支架,第一支架包括两个第一支撑板19,两个第一支撑板19上均设有通孔,第一壳体54和第二壳体55的半轴连接段分别套设于两个第一支撑板19的通孔内,并通过轴承20连接。实现了差速器5的支撑以及位置固定。
进一步地,本实施例中输出半轴为空心轴,且输出半轴用于连接差速齿轮8的一端开设有沿输出半轴长度方向的U型槽57,差速齿轮8的中心孔处设有与U型槽57相配合的键。直接通过输出半轴末端的U型槽57固定连接差速齿轮8整体结构更加紧凑,结构强度更好,且重量轻。
进一步地,本实施例中差速齿轮8的中心孔为台阶孔,包括靠近输出半轴的第一孔段和远离输出半轴的第二孔段,第一孔段的直径大于第二孔段的直径;手掌1内设有第二支架,第二支架包括两个第二支撑板21,第二支撑板21上设有通孔,两个第二支撑板21分别位于两个差速齿轮8远离输出半轴的一端,第二支撑板21与差速齿轮8通过穿过第二支撑板21的通孔和第二孔段的轴承销22连接。第二支架的对于差速齿轮8的支撑使得差速齿轮8的受力更加均衡,结构更加稳定。
优选地,本实施例中两个第二支撑板21之间设有连接板23,电机4固定于连接板23上。具体的,连接板23的中部设有开口,用于电机4输出轴的穿过。进一步地,本实施例中连接板23还可以作为上述的用于固定差速锁14中电磁铁16的支架,整体结构更加简单、紧凑。
最后应说明的是:以上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精神和范围。