CN106994694A - 一种拟人全驱动五指灵巧机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拟人全驱动五指灵巧机械手，包括手掌组件、四套普通手指组件和一套拇指组件，普通手指组件能够模拟人类手指三个自由度的弯曲运动和侧向张合运动，拇指组件能够实现两个自由度的独立旋转运动和两个自由度的耦合旋转运动。本发明的拟人全驱动五指灵巧机械手具有如下优点：(1)灵巧性高，20个自由度，独立控制；(2)体积小，和一般成人手大小相似，小于200*95*35mm；(3)重量轻，小于500g；(4)断电后可以自锁。

Description

一种拟人全驱动五指灵巧机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，特别涉及一种拟人全驱动五指灵巧机械手，属于机器人技术领域。

背景技术

近年来，机器人技术不论在工业还是在民用领域的应用都有飞速的发展。机械手是机器人工作的最终执行机构，其性能直接决定了机器人的工作能力。与人类相似，具有高度通用性与灵巧性的机械手的开发十分必要。

当前，国内包括北航、清华、哈工大和中科院自动化研究所等单位有一些灵巧机械手的技术研究。但是，其体积较大、重量较高、非五指全驱动，灵巧性不足。国外，包括shadowhand等在内的机械手虽然具有较高的灵巧性，但是结构复杂，生产成本较高。机械手断电后不能自锁。

发明内容

本发明要解决现有技术中机械手存在的以下几个技术问题：(1)灵巧性不足；(2)驱动机构的制造成本高；(3)体积大，重量大；(4)机械手断电后不能自锁。

为了实现上述目的，本发明提供了一种拟人机械手，拟人机械手包括手掌组件、至少两套普通手指组件和一套拇指组件；

普通手指组件依次由采用铰链连接的普通手指尖、普通手指中、普通手指根以及普通手指张合座四个部分组成，普通手指组件能够模拟人类手指三个自由度的弯曲运动；普通手指张合座通过铰链连接于手掌组件，使普通手指组件能够模拟人类手指的侧向张合运动；

拇指组件依次由拇指尖、拇指中、拇指根、锥齿轮座以及拇指基座五个部分组成，拇指尖和拇指中采用铰链连接，拇指中和拇指根采用铰链连接，拇指根和锥齿轮座通过传动关节连接，锥齿轮座通过锥齿轮与拇指基座活动连接，拇指基座固定于手掌组件，拇指组件能够实现两个自由度的独立旋转运动和两个自由度的耦合旋转运动。

进一步地，拟人机械手共有四套普通手指组件，分别模拟人类食指、中指、无名指和小指的动作。

进一步地，普通手指组件每个自由度的弯曲运动分别由一个独立受控的驱动机构驱动；

驱动机构包括：

实现普通手指尖和普通手指中相对弯曲运动的第一驱动机构；

实现普通手指中和普通手指根相对弯曲运动的第二驱动机构；

实现普通手指根和普通手指张合座相对弯曲运动的第三驱动机构。

更进一步地，第一驱动机构包括：安装在普通手指中的第一电机，与第一电机连接的第一减速箱，与第一减速箱连接的第一蜗杆，安装在普通手指尖并与第一蜗杆啮合的第一蜗轮；

第二驱动机构包括：安装在普通手指根的第二电机，与第二电机连接的第二减速箱，与第二减速箱连接的第二蜗杆，安装在普通手指中并与第二蜗杆啮合的第二蜗轮；

第三驱动机构包括：安装在普通手指张合座的第三电机，与第三电机连接的第三减速箱，与第三减速箱连接的第三蜗杆，安装在普通手指根并与第三蜗杆啮合的第三蜗轮。

进一步地，普通手指张合座下边缘设置轮齿，手掌组件安装有与轮齿啮合的齿轮，齿轮由齿轮电机驱动并带动普通手指张合座实现侧向张合运动。

进一步地，拇指组件的每个自由度的旋转运动分别由一个独立受控的驱动机构驱动；

驱动机构包括：

实现拇指尖和拇指中相对旋转运动的第四驱动机构；

实现拇指中和拇指根相对旋转运动的第五驱动机构。

更进一步地，第四驱动机构包括：安装在拇指中的第四电机，与第四电机连接的第四减速箱，与第四减速箱连接的第四蜗杆，安装在拇指尖并与第四蜗杆啮合的第四蜗轮；

第五驱动机构包括：安装在拇指根的第五电机，与第五电机连接的第五减速箱，与第五减速箱连接的第五蜗杆，安装在拇指中并与第五蜗杆啮合的第五蜗轮。

进一步地，在锥齿轮座安装有传动关节电机和传动关节减速箱，传动关节电机转动并传至传动关节减速箱，再进一步传至传动关节，实现拇指根相对于锥齿轮座的旋转运动，传动关节减速箱的输出轴于拇指根呈0～90度的夹角。

进一步地，在锥齿轮座的表面加工有盘齿轮轮齿，在拇指基座安装有联动的锥齿轮电机和锥齿轮减速箱，锥齿轮减速箱连接与盘齿轮轮齿啮合的锥齿轮，锥齿轮电机转动并通过锥齿轮减速箱传递至锥齿轮，驱动锥齿轮座做相对于拇指基座的旋转运动。

进一步地，拇指尖表面和普通手指尖表面安装有触觉传感器，手掌组件可采用塑料、金属、碳纤维等材料制造。

本发明的有益效果：(1)灵巧性高，20个自由度，独立控制；(2)体积小，和一般成人手大小相似，小于200*95*35mm；(3)重量轻，小于500g；(4)断电后可以自锁。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中的拟人机械手的整体结构示意图；

图2是图1中普通手指组件的局部结构示意图；

图3是图2中A-A面的剖切结构示意图；

图4是图1中拇指组件的局部结构示意图；

图5是图1中手掌组件的局部结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实现本发明需设计制造五指手指及驱动机构和手掌结构，为此本发明提供了一种拟人全驱动五指灵巧机械手，如图1所示，包括手掌组件6、拇指组件5、食指组件4、中指组件3、小指组件2和无名指组件1，模拟人类的手掌和五根手指构造。除了拇指以外的其他四根称为普通手指，拇指位于普通手指侧面。整个机械手具有20个自由度。

如图2和图3所示，每一套普通手指组件由指尖7、指中13、指跟18以及手指张合座23四个连杆组成，具有三个自由度，可以实现模拟人类手指三个自由度的弯曲动作。普通手指和手掌之间采用铰链连接，可以实现侧向的张合动作。指尖7表面安装有触觉传感器。

普通手指组件每个自由度的弯曲运动分别由一个独立受控的小型化驱动机构驱动。固连于指中13的小型电机11经过多级减速箱10带动蜗杆9转动，蜗杆9带动固连于指尖7的小型蜗轮8绕旋转轴12转动，最终实现指尖7与指中13的相对旋转运动。

固连于指根18的小型电机17经过多级减速箱16带动蜗杆15转动，蜗杆15带动固连于指中13的小型蜗轮14绕旋转轴24转动，最终实现指中13与指跟18的相对旋转运动。

固连于手指张合座23的小型电机22经过多级减速箱21带动蜗杆20转动，蜗杆20带动固连于指跟18的小型蜗轮19绕旋转轴25转动，最终实现指根18与手指张合座23的相对旋转运动。

如图4所示，拇指组件5由拇指尖26、拇指中32、拇指根38、锥齿轮座42以及拇指基座45五个连杆组成，采用铰链连接。拇指组件5具有四个旋转自由度，包括两个自由度的独立旋转运动和两个自由度的耦合旋转运动。拇指组件5和手掌组件6采用固定连接。指尖26表面安装有触觉传感器。

固连于拇指中32的小型电机31经过多级减速箱30带动蜗杆28转动，蜗杆28带动固连于指尖26的小型蜗轮27绕旋转轴29转动，最终实现拇指尖26与拇指中32的相对旋转运动。

固连于拇指根38的小型电机37经过多级减速箱36带动蜗杆34转动，蜗杆34带动固连于拇指中32的小型蜗轮33绕旋转轴35转动，最终实现拇指中32与拇指跟38的相对旋转运动。

固连在锥齿轮座42的小型电机41经过多级减速箱40通过固连在拇指根38的传动关节39实现拇指根38相对于锥齿轮座42的旋转运动，传动关节39需保证多级减速箱40的输出轴与指根38呈一定夹角，此角度范围是0～90度。

固连在拇指基座45上的小型电机46通过多级减速箱44输出传动至锥齿轮43，驱动锥齿轮座42相对于拇指基座45的旋转运动，锥齿轮座42表面加工有与锥齿轮43啮合的盘齿轮轮齿。

拇指组件5整体的张合以及手掌姿态的改变需通过拇指基座45-锥齿轮座42和锥齿轮座42-传动关节39的耦合运动实现。拇指基座45和手掌组件6采用固定连接。

如图5所示，手掌组件6主要起到上述各零部件的支撑作用。多级减速箱48固连于手掌基座51上，小型电机49经过多级减速箱48，齿轮47固连于多级减速箱48的输出轴50上，齿轮47转动带动手指张合座23转动，实现普通手指组件的张合运动。拇指基座45通过固定支架52固连于手掌基座51。法兰53通过支撑连杆54与手掌基座51固连。法兰53与手掌基座51之间通过手背支撑板固连。本实施例中，手掌结构采用经优化的塑料壳体，通过去除无用材料的方式，减轻整体重量，同样地，也可以采用金属、碳纤维等材料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种拟人机械手，其特征在于，所述拟人机械手包括手掌组件、至少两套普通手指组件和一套拇指组件；

所述普通手指组件依次由采用铰链连接的普通手指尖、普通手指中、普通手指根以及普通手指张合座四个部分组成，所述普通手指组件能够模拟人类手指三个自由度的弯曲运动；所述普通手指张合座通过铰链连接于所述手掌组件，使所述普通手指组件能够模拟人类手指的侧向张合运动；

所述拇指组件依次由拇指尖、拇指中、拇指根、锥齿轮座以及拇指基座五个部分组成，所述拇指尖和所述拇指中采用铰链连接，所述拇指中和所述拇指根采用铰链连接，所述拇指根和所述锥齿轮座通过传动关节连接，所述锥齿轮座通过锥齿轮与所述拇指基座活动连接，所述拇指基座固定于所述手掌组件，所述拇指组件能够实现两个自由度的独立旋转运动和两个自由度的耦合旋转运动。

2.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，所述拟人机械手共有四套所述普通手指组件，分别模拟人类食指、中指、无名指和小指的动作。

3.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，所述普通手指组件每个自由度的所述弯曲运动分别由一个独立受控的驱动机构驱动；

所述驱动机构包括：

实现所述普通手指尖和所述普通手指中相对弯曲运动的第一驱动机构；

实现所述普通手指中和所述普通手指根相对弯曲运动的第二驱动机构；

实现所述普通手指根和所述普通手指张合座相对弯曲运动的第三驱动机构。

4.根据权利要求3所述的拟人机械手，其特征在于，

所述第一驱动机构包括：安装在普通手指中的第一电机，与所述第一电机连接的第一减速箱，与所述第一减速箱连接的第一蜗杆，安装在所述普通手指尖并与所述第一蜗杆啮合的第一蜗轮；

所述第二驱动机构包括：安装在普通手指根的第二电机，与所述第二电机连接的第二减速箱，与所述第二减速箱连接的第二蜗杆，安装在所述普通手指中并与所述第二蜗杆啮合的第二蜗轮；

所述第三驱动机构包括：安装在普通手指张合座的第三电机，与所述第三电机连接的第三减速箱，与所述第三减速箱连接的第三蜗杆，安装在所述普通手指根并与所述第三蜗杆啮合的第三蜗轮。

5.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，所述普通手指张合座下边缘设置轮齿，所述手掌组件安装有与所述轮齿啮合的齿轮，所述齿轮由齿轮电机驱动并带动所述普通手指张合座实现所述侧向张合运动。

6.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，所述拇指组件的每个自由度的旋转运动分别由一个独立受控的驱动机构驱动；

所述驱动机构包括：

实现所述拇指尖和所述拇指中相对旋转运动的第四驱动机构；

实现所述拇指中和所述拇指根相对旋转运动的第五驱动机构。

7.根据权利要求6所述的拟人机械手，其特征在于，

所述第四驱动机构包括：安装在所述拇指中的第四电机，与所述第四电机连接的第四减速箱，与所述第四减速箱连接的第四蜗杆，安装在所述拇指尖并与所述第四蜗杆啮合的第四蜗轮；

所述第五驱动机构包括：安装在所述拇指根的第五电机，与所述第五电机连接的第五减速箱，与所述第五减速箱连接的第五蜗杆，安装在所述拇指中并与所述第五蜗杆啮合的第五蜗轮。

8.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，在所述锥齿轮座安装有传动关节电机和传动关节减速箱，所述传动关节电机转动并传至所述传动关节减速箱，再进一步传至所述传动关节，实现所述拇指根相对于所述锥齿轮座的旋转运动，所述传动关节减速箱的输出轴于所述拇指根呈0～90度的夹角。

9.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，在所述锥齿轮座的表面加工有盘齿轮轮齿，在所述拇指基座安装有联动的锥齿轮电机和锥齿轮减速箱，所述锥齿轮减速箱连接与所述盘齿轮轮齿啮合的所述锥齿轮，所述锥齿轮电机转动并通过所述锥齿轮减速箱传递至所述锥齿轮，驱动所述锥齿轮座做相对于所述拇指基座的旋转运动。

10.根据权利要求1所述的拟人机械手，其特征在于，所述拇指尖表面和所述普通手指尖表面安装有触觉传感器。