CN107433614A - 一种形变仿生机械手部装置 - Google Patents

Abstract

本发明为了克服现有的机械手装置无法主动适应目标物体的形状、通用型和稳定性较差等问题，提供了一种形变仿生机械手部装置，包括一个圆柱状壳体结构的手掌，手掌上具有三个仿生两节手指，分别是拇指、食指和中指，拇指在水平方向上的位置固定不动，食指和中指可在水平方向上做并拢和分开的动作，可以适应不同形状和尺寸的目标物体，每个仿生两节手指均可以实现向外伸张和向内收紧的动作，从而使抓取物体时更加稳固；本发明即可提高抓取的调节能力、简化了结构且又可保持三个仿生两节手指抓取的稳定性，本装置可实现不同形状、大小物体的自适应抓取，结构紧凑、控制容易、可靠性高，适用范围广。

Description

一种形变仿生机械手部装置

技术领域

本发明属于机器人手部技术领域，涉及一种具有仿生特征、可主动改变手型、主动适应目标物体的形变仿生机械手部装置。

背景技术

目前，很多国家包括我国存在人口老龄化问题，相关服务行业人员缺乏。伴随着时代发展和科技的进步，机器人技术发展在此方面具有很大的应用空间，然而，目前机器人手部抓取目标物体是一般只能被动的适应机械手所抓握的形状，而不能使机械手主动适应目标物体的形状，因此，机器人手部的功能还缺乏自适应性和柔顺性。

此外目前现有的机器人手部装置结构都比较复杂，在重复抓取目标物体的时候，可靠性不高，不便于维护与使用。

发明内容

本发明为了克服现有的机械手部装置适应性差的问题，提供了一种形变仿生机械手部装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种形变仿生机械手部装置，包括一个手掌，手掌具有三个仿生两节手指，其特征在于，所述的手掌为一个圆柱筒状的壳体，手掌底部为一个圆盘形的手掌底座，手掌底座上方为一个外径与手掌底座外径相同的圆盘型的掌面，一个矩形板沿手掌底座和掌面的外圆周围成手掌的手掌侧壁，掌面上有一个掌面扇形缺口，手掌侧壁与掌面扇形缺口对应的位置有一个第一弧形缺口，掌面上的扇形缺口和手掌侧壁上的弧形缺口在手掌底座上方构成一个横截面为扇形的二指转动槽，掌面上还有一个掌面矩形缺口，手掌侧壁与掌面矩形缺口对应的位置还有一个第二弧形缺口，掌面上的掌面矩形缺口与手掌侧壁上的第二弧形缺口在手掌底座上方构成一个单指固定槽；

三个仿生两节手指结构相同，分别为拇指、食指和中指，每个仿生两节手指均由一个手指本体通过一个弹性连杆连接一个手指传动盒构成，手指传动盒为两个竖直的盒面、连接两个盒面两侧的两个侧壁和连接两个盒面底部的盒底构成的一个顶部开口底部封闭的中空的盒体，手指传动盒盒体内部通过一个水平设置在两个盒面之间的的主动轴安装一个主动齿轮，手指传动盒盒体内部通过一个水平设置在两个盒面之间的从动轴安装一个从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合；

拇指的手指传动盒固定设置在单指固定槽内，拇指的手指传动盒内的主动轴的一端穿过拇指的手指传动盒的其中一个盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机的输出轴连接；

中指和食指沿顺时针方向依次设置在二指转动槽内，中指的手指传动盒的两个盒面沿顺时针方向依次为中指传动盒第一盒面和中指传动盒第二盒面，中指的手指传动盒内的主动轴的一端穿过中指传动盒第一盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机的输出轴连接；

食指的手指传动盒的两个盒面沿顺时针方向依次为食指传动盒第一盒面和食指传动盒第二盒面，食指的手指传动盒内的主动轴的一端穿过食指传动盒第二盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机的输出轴连接；

沿从动齿轮的端面开有一个从动齿轮槽，手指本体底部通过弹性连杆与从动齿轮槽固定连接，食指的手指传动盒靠近手掌中心处的侧壁上和中指的手指传动盒靠近手掌中心处的侧壁上分别通过一个竖直设置的掌部传动轴安装有一个掌部传动齿轮，传动轴的一端插入掌面上的掌面通孔内，传动轴的另一端插入手掌底座上的手掌底座通孔内，两个掌部传动齿轮相互啮合，其中一个掌部传动轴的下端与一个固定在手掌底座下端面上的掌部微电机的输出轴连接；

手指微电机的微电机控制模块的输入端和掌部微电机的微电机控制模块的输入端与主控制器的连接，手指本体上设置有触觉传感器和力觉传感器，触觉传感器和力觉传感器与主控制器连接。

进一步的技术方案包括：

所述的手指本体包括一个带有凹槽的手指指根和一个手指前节，手指前节向外弯曲，手指前节的弯曲部与凹槽上部铰接，手指前节上部的内端面处有一个手指前节上部圆孔，手指前节上部圆孔内安装有触觉传感器，手指前节下部的外端面处有手指前节弹簧孔，凹槽内与手指前节弹簧孔对称的位置有凹槽弹簧孔，一个微型弹簧的一端固定在手指前节弹簧孔内，微型弹簧的另一端固定在凹槽弹簧孔内，手指前节可沿铰接处旋转使手指前节的下部嵌入凹槽内,凹槽内且位于凹槽弹簧孔的下方安装有力觉传感器。

食指的手指传动盒上的掌部传动轴和中指的手指传动盒上的掌部传动轴的设置方式相同，均为：掌部传动轴的上部和下部分别通过一个固定套环设置在对应的手指传动盒靠近手掌中心处的侧壁上，掌部传动齿轮固定在掌部传动轴中部并位于两个固定套环之间。

食指的手指传动盒的靠近手掌中心处的侧壁上和中指的手指传动盒的靠近手掌中心处的侧壁上均有两个手指传动盒侧壁通孔，固定套环上有固定套环螺纹孔，每个固定套环分别通过螺栓固定在对应的手指传动盒靠近手掌中心处的侧壁上。

所述的二指转动槽在横截面上的圆心角为80度至140度。

所述的二指转动槽在横截面上的圆心角为120度。

所述的单指固定槽横截面上的中心线与二指转动槽横截面上的中心线之间的角度为180度。

所述的主控制器包括系统复位端、启动信号端、停止信号端、电机控制端和通信端口，触觉传感器与启动信号端连接，力觉传感器与停止信号端连接，手指微电机的微电机控制模块与电机控制端连接，掌部微电机的微电机控制模块与电机控制端连接，通信端口与上位机的上位机通信端口连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的三个仿生两节手指具有位置关系主动变化特征，以适应不同形状目标的抓取,并可根据传感器的力感,实现目标物体的有效无损伤抓握。

2.每个仿生两节手指均具有两节手指的结构，使其在抓取过程具有手指前节的上部逐渐收紧的效果，以钳住目标物体，从而抓取物体时更加稳固。

3.手指传动盒内的传动部分和手指传动盒之间的传动部分，传动链短、紧凑，降低传动系统误差，稳定性好。

4.控制器结构紧凑，具有模块化功能，可靠性高，且具有较好的经济性质，适用范围广。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的外部构造示意图；

图2a为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的仿生两节手指结构示意图；

图2b为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的仿生两节手指的凹槽内的结构示意图；

图3为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的食指与中指内部结构的剖视图；

图4为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的拇指内部结构剖视图；

图5a为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置食指和中指并拢时的俯视图；

图5b为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置食指和中指分开到最大角度时的俯视图；

图6为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的手掌侧壁的俯视图；

图7为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的掌面的结构示意图；

图8为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的手掌底座的结构示意图；

图9为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的食指的手指传动盒和中指的手指传动盒与掌部传动轴的连接结构示意图；

图10为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的单指固定槽与二指转动槽的位置示意图；

图11为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的拇指手指微电机与掌部微电机位置示意图

图12为本发明所述的一种形变仿生机械手部装置的控制系统结构示意图；

图中：1.拇指，2.食指，3.中指，4.手指前节，5.手指指根，6.手指前节轴孔，7.手指指根轴孔，8.手指前节上部圆孔，9.手指前节弹簧孔，10.凹槽弹簧孔，11.微型弹簧，12.弹性连杆，13.凹槽，14.手指传动盒，15.手指传动盒盒面通孔16.手指传动盒侧壁通孔，17.固定套环螺纹孔，18.固定套环，19.主动轮，20.从动轮，21.主动轴，22.从动轴，23.掌部传动轴，24.掌部传动齿轮，25.掌面，26.掌面通孔，27.掌面矩形缺口，28.掌面扇形缺口，29.手掌底座，30.手掌底座通孔，31.手掌侧壁，32.第一弧形缺口，33.第二弧形缺口，34.单指固定槽，35.二指转动槽，36.掌部微电机，37.手指微电机

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的一种形变仿生机械手部装置，如图1至图10所示；

本装置包括一个手掌，手掌具有三个仿生两节手指；

所述的手掌为一个圆柱筒状的壳体，手掌底部为一个圆盘形的手掌底座29，手掌底座29上方为一个外径与手掌底座29外径相同的圆盘型的掌面25，一个矩形板沿手掌底座29和掌面25的外圆周围成手掌的手掌侧壁31，掌面25上有一个掌面扇形缺口28，手掌侧壁31与掌面25扇形缺口对应的位置有一个第一弧形缺口32，掌面25上的扇形缺口和手掌侧壁31上的弧形缺口在手掌底座29上方构成一个横截面为扇形的二指转动槽35，掌面25上还有一个掌面矩形缺口27，手掌侧壁31与掌面25矩形缺口对应的位置还有一个第二弧形缺口33，掌面25上的掌面矩形缺口27与手掌侧壁31上的第二弧形缺口在手掌底座29上方构成一个单指固定槽34；

所述的三个仿生两节手指结构相同，分别为拇指1、食指2和中指3，每个仿生两节手指均由手指传动盒14和手指本体构成，所述的手指本体包括一个带有凹槽13的手指指根5和一个手指前节4，手指前节4向外弯曲，手指前节4的弯曲部钻有手指前节轴孔6，凹槽13内且位于凹槽弹簧孔10的下方安装有力觉传感器，凹槽13上部钻有手指指根轴孔7，通过短轴使手指前节4与手指指根5铰接，手指前节4上部的内端面处有一个手指前节上部圆孔8，手指前节上部圆孔8内安装有触觉传感器，手指前节4下部的外端面处有手指前节弹簧孔9，凹槽13内与手指前节弹簧孔9对称的位置有凹槽弹簧孔10，一个微型弹簧11的一端通过过盈配合的方式固定在手指前节弹簧孔9内，微型弹簧11的另一端同样通过过盈配合的方式固定在凹槽弹簧孔10内；

所述的手指传动盒14为由两个竖直的盒面、连接两个盒面两侧的两个侧壁和连接两个盒面底部的盒底构成的一个顶部开口底部封闭的中空的盒体，手指传动盒14内部的主动轴21与从动轴22通过与手指传动盒14两个竖直的盒面上的手指传动盒盒面通孔15间隙配合以达到定位，主动轴21上安装一个主动齿轮19，从动轴22上安装一个从动齿轮20，主动齿轮19的主动轴21与一个从外部固定在手指传动盒14竖直盒面上的手指微电机37的输出轴通过键连接，沿从动齿轮20的端面开有一个从动齿轮槽，手指本体通过一个弹性连杆12与从动齿轮槽通过过盈配合达到固定连接，主动齿轮19与从动齿轮20啮合，从而使手指本体可通过连杆随从动轮的运动完成相应转动；

所述的拇指1的手指传动盒14固定设置在单指固定槽34内，中指3和食指2沿顺时针方向依次设置在二指转动槽35内，中指3的手指传动盒14的两个盒面沿顺时针方向依次为中指传动盒第一盒面和中指传动盒第二盒面，中指3的手指传动盒14内的主动轴21的一端穿过中指传动盒第一盒面上的手指传动盒盒面通孔15后与一个固定在该盒面外侧的手指微电机37的输出轴通过键连接，食指2的手指传动盒14的两个盒面沿顺时针方向依次为食指传动盒第一盒面和食指传动盒第二盒面，食指2的手指传动盒14内的主动轴21的一端穿过食指传动盒第二盒面上的手指传动盒盒面通孔15后与一个固定在该盒面外侧的手指微电机37的输出轴通过键连接；

食指2的手指传动盒14靠近手掌中心处的侧壁上和中指的手指传动盒14靠近手掌中心处的侧壁上分别通过一个竖直设置的掌部传动轴23安装有一个掌部传动齿轮24，传动轴23的一端插入掌面25上的掌面通孔26内，与掌面通孔26形成间隙配合，传动轴23的另一端插入手部底座29上的手部底座通孔30内，与手部底座通孔30间隙配合，其中一个掌部传动轴23的下端与一个固定在手部底座29下端面上的掌部微电机36的输出轴通过键连接，两个掌部传动齿轮24相互啮合，从而带动食指2与中指3在手部底座29所在平面的方向上完成分开和并拢的运动；

所述的食指2的手指传动盒14上的掌部传动轴23和中指3的手指传动盒14上的掌部传动轴23的设置方式相同，食指2的手指传动盒14的靠近手掌中心处的侧壁上和中指3的手指传动盒14的靠近手掌中心处的侧壁上均有两个手指传动盒侧壁通孔16，固定套环18上有固定套环螺纹孔17，两个固定套环分别通过螺栓固定在手指传动盒14靠近手掌中心处的侧壁壁上，螺栓穿过手指传动盒侧壁通孔16后旋入固定套环18上的固定套环螺纹孔17内，掌部传动齿轮24固定在掌部传动轴23中部并位于两个固定套环18之间；所述手指微电机37的微电机控制模块的输入端和掌部微电机36的微电机控制模块的输入端与主控制器的连接，触觉传感器和力觉传感器与主控制器连接。

所述的单指固定槽34横截面上的中心线与二指转动槽35横截面上的中心线之间的角度为180度；

所述的二指转动槽35横截面上的圆心角为80度至140度，本实施例中优选为120度；

所述的主控制器包括系统复位端、启动信号端、停止信号端、电机控制端和通信端口，触觉传感器与启动信号端连接，力觉传感器与停止信号端连接，手指微电机37的微电机控制模块与电机控制端连接，掌部微电机36的微电机控制模块与电机控制端连接，通信端口与上位机的上位机通信端口连接，主控制器的复位端触发复位信号，复位信号初始化形变仿生机械手部装置的初始状态，食指2和中指3并拢并贴合，拇指1与其他食指2和中指3相对于手掌的中心呈接近180°角度；

本装置的工作原理:

所述的形变仿生机械手部工作前，其手型姿态处于初始状态。所述的主控制器根据上位机发来的指令信号，通过微电机控制块驱动掌部微电机36,带动掌部传动轴23转动，从而通过掌部传动齿轮24的啮合作用带动食指2与中指3在手部底座29所在平面的方向上完成开合运动，而改变手型姿态，以适应抓取目标的形状，达到扩大抓取范围的目的；

利用来自触觉传感器与力觉传感器的信号，主控制器控制手指微电机37的微电机控制模块驱动手指微电机37转动，实现抓取动作或停止动作；即当某一手指前节部位的触觉传感器触碰到所抓目标物体时，主控制器会接收到触觉传感器的信号，控制手指微电机37带动主动轴21转动，主动轴21上的主动齿轮19带动从动轴22上的从动齿轮20旋转，从而使弹性连杆12带动手指本体完成每个手指的闭合运动。

在抓取初期手指前节4的上部外张，可扩大抓取范围；随着抓取的进程，手指收紧，各手指的手指前节4的下部受到目标物体压力的作用，手指前节4的下部被压入手指指根5的凹槽13中，手指前节4的上部收紧，以钳住目标物体，从而抓取物体时更加稳固，此时位于凹槽13中的力觉传感器与手指前节4下部的外端面贴合并且力觉传感器检测到的力逐渐增大；在闭合运动过程中，所抓取的目标物体与手指前节4的接触力可通过凹槽13与手指前节4下部外端面之间的力觉传感器实时检测，当达到设定阈值时，主控制器产生停止信号，使手指微电机37停止运动，使手指保持当前位置与状态，完成有效的抓握操作；

当主控制器接收到上位机释放指令时，手指微电机37开始反转，手指微电机37的输出轴带动主动轴，主动轴21上的主动齿轮19带动从动轴22上的从动齿轮20旋转，通过弹性连杆带动手指本体张开复位，释放所抓目标物体。当形变仿生机械手部装置工作结束，主控制器接收到上位机的复位指令，其手型姿态通过驱动掌部微电机36使其复位初始状态。

Claims (8)

1.一种形变仿生机械手部装置，包括一个手掌，手掌具有三个仿生两节手指，其特征在于，所述的手掌为一个圆柱筒状的壳体，手掌底部为一个圆盘形的手掌底座(29)，手掌底座(29)上方为一个外径与手掌底座(29)外径相同的圆盘型的掌面(25)，一个矩形板沿手掌底座(29)和掌面(25)的外圆周围成手掌的手掌侧壁(31)，掌面(25)上有一个掌面扇形缺口(28)，手掌侧壁(31)与掌面(25)扇形缺口对应的位置有一个第一弧形缺口(32)，掌面(25)上的扇形缺口和手掌侧壁(31)上的弧形缺口在手掌底座(29)上方构成一个横截面为扇形的二指转动槽(35)，掌面(25)上还有一个掌面矩形缺口(27)，手掌侧壁(31)与掌面(25)矩形缺口对应的位置还有一个第二弧形缺口(33)，掌面(25)上的掌面矩形缺口(27)与手掌侧壁(31)上的第二弧形缺口在手掌底座(29)上方构成一个单指固定槽(34)；

三个仿生两节手指结构相同，分别为拇指(1)、食指(2)和中指(3)，每个仿生两节手指均由一个手指本体通过一个弹性连杆(12)连接一个手指传动盒(14)构成，手指传动盒(14)为两个竖直的盒面、连接两个盒面两侧的两个侧壁和连接两个盒面底部的盒底构成的一个顶部开口底部封闭的中空的盒体，手指传动盒(14)盒体内部通过一个水平设置在两个盒面之间的的主动轴(21)安装一个主动齿轮(19)，手指传动盒(14)盒体内部通过一个水平设置在两个盒面之间的从动轴(22)安装一个从动齿轮(20)，主动齿轮(19)与从动齿轮(20)啮合；

拇指(1)的手指传动盒(14)固定设置在单指固定槽(34)内，拇指(1)的手指传动盒(14)内的主动轴(21)的一端穿过拇指的手指传动盒(14)的其中一个盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机(37)的输出轴连接；

中指(3)和食指(2)沿顺时针方向依次设置在二指转动槽(35)内，中指(3)的手指传动盒(14)的两个盒面沿顺时针方向依次为中指传动盒第一盒面和中指传动盒第二盒面，中指(3)的手指传动盒(14)内的主动轴(21)的一端穿过中指传动盒第一盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机(37)的输出轴连接；

食指(2)的手指传动盒(14)的两个盒面沿顺时针方向依次为食指传动盒第一盒面和食指传动盒第二盒面，食指(2)的手指传动盒(14)内的主动轴(21)的一端穿过食指传动盒第二盒面后与一个固定在该盒面外侧中部的手指微电机(37)的输出轴连接；

沿从动齿轮(20)的端面开有一个从动齿轮槽，手指本体底部通过弹性连杆(12)与从动齿轮槽固定连接，食指(2)的手指传动盒(14)靠近手掌中心处的侧壁上和中指的手指传动盒(14)靠近手掌中心处的侧壁上分别通过一个竖直设置的掌部传动轴(23)安装有一个掌部传动齿轮(24)，传动轴(23)的一端插入掌面(25)上的掌面通孔(26)内，传动轴(23)的另一端插入手掌底座(29)上的手掌底座通孔(30)内，两个掌部传动齿轮(24)相互啮合，其中一个掌部传动轴(23)的下端与一个固定在手掌底座(29)下端面上的掌部微电机(36)的输出轴连接；

手指微电机(37)的微电机控制模块的输入端和掌部微电机(36)的微电机控制模块的输入端与主控制器的连接，手指本体上设置有触觉传感器和力觉传感器，触觉传感器和力觉传感器与主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，所述的手指本体包括一个带有凹槽(13)的手指指根(5)和一个手指前节(4)，手指前节(4)向外弯曲，手指前节(4)的弯曲部与凹槽(13)上部铰接，手指前节(4)上部的内端面处有一个手指前节上部圆孔(8)，手指前节上部圆孔(8)内安装有触觉传感器，手指前节(4)下部的外端面处有手指前节弹簧孔(9)，凹槽(13)内与手指前节弹簧孔(9)对称的位置有凹槽弹簧孔(10)，一个微型弹簧(11)的一端固定在手指前节弹簧孔(9)内，微型弹簧(11)的另一端固定在凹槽弹簧孔(10)内，手指前节(4)可沿铰接处旋转使手指前节(4)的下部嵌入凹槽(13)内,凹槽(13)内且位于凹槽弹簧孔(10)的下方安装有力觉传感器。

3.根据根据权利要求1所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，食指(2)的手指传动盒(14)上的掌部传动轴(23)和中指(3)的手指传动盒(14)上的掌部传动轴(23)的设置方式相同，均为：掌部传动轴(23)的上部和下部分别通过一个固定套环(18)设置在对应的手指传动盒(14)靠近手掌中心处的侧壁上，掌部传动齿轮(24)固定在掌部传动轴(23)中部并位于两个固定套环(18)之间。

4.根据权利要求3所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，食指(2)的手指传动盒(14)的靠近手掌中心处的侧壁上和中指(3)的手指传动盒(14)的靠近手掌中心处的侧壁上均有两个手指传动盒侧壁通孔(16)，固定套环(18)上有固定套环螺纹孔(17)，每个固定套环分别通过螺栓固定在对应的手指传动盒靠近手掌中心处的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，所述的二指转动槽(35)在横截面上的圆心角为80度至140度。

6.根据权利要求5所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，所述的二指转动槽(35)在横截面上的圆心角为120度。

7.根据权利要求1至权利要求6中任意一项所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，所述的单指固定槽(34)横截面上的中心线与二指转动槽(35)横截面上的中心线之间的角度为180度。

8.根据权利要求1所述的一种形变仿生机械手部装置，其特征在于，所述的主控制器包括系统复位端、启动信号端、停止信号端、电机控制端和通信端口，触觉传感器与启动信号端连接，力觉传感器与停止信号端连接，手指微电机(37)的微电机控制模块与电机控制端连接，掌部微电机(36)的微电机控制模块与电机控制端连接，通信端口与上位机的上位机通信端口连接。