CN107598960B - 全自由度易驱动的仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自由度易驱动的仿生机械手，包括依次设置的第一指节、第二指节、第三指节和第四指节，第二指节上设置有第一微型直线电机，第三指节上设置有第二微型直线电机，第四指节底端设置在工作台顶面，第四指节两侧工作台上分别为第三微型直线电机和第四微型直线电机，第三微型直线电机和第四微型直线电机分别连接有第四柔性筋和第三柔性筋，第三柔性筋和第四柔性筋的另一端均与第三指节连接，第三指节上设置有第二微型直线电机，第二微型直线电机连接有第二柔性筋，第二柔性筋的另一端与第二指节连接，第二指节上设置有第一微型直线电机。本实用新加工工艺简单、易于实现小型化、轻量化、便于驱动。

Description

全自由度易驱动的仿生机械手

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种全自由度易驱动的仿生机械手。

背景技术

传统机械手一般采用旋转电机驱动关节旋转实现动作，在有限的空间内，旋转电机转速高、转矩小、制作难度大，为达到握力要求，所采用的旋转电机还需加配减速器形成机组以驱动关节低转速、大扭矩偏转，整体结构极为复杂，传统机械手所采用的关节电机内还需加装位置传感器以保证电机换向，其驱动系统也很复杂，进一步限制了机械手实现小型化。传统机械手在实现双自由度关节的动作时，结构更为复杂。因此传统机械手在人手大小的空间内无法实现全部由度的动作。另外从仿生学角度来看，人手在自由状态下能够在外力作用下改变形状并适应所接触的物体形状，而传统的机械手在断电状态下自锁，无法实现这一功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种全自由度易驱动的仿生机械手，解决了传统机械手自由度少驱动系统复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，全自由度易驱动的仿生机械手，包括依次设置的第一指节、第二指节、第三指节和第四指节，第二指节上设置有第一微型直线电机，第三指节上设置有第二微型直线电机，第四指节底端设置在工作台顶面，第四指节两侧工作台上分别为第三微型直线电机和第四微型直线电机，第三微型直线电机和第四微型直线电机分别连接有第四柔性筋和第三柔性筋，第三柔性筋和第四柔性筋的另一端均与第三指节连接，第三指节上设置有第二微型直线电机，第二微型直线电机连接有第二柔性筋，第二柔性筋的另一端与第二指节连接，第二指节上设置有第一微型直线电机，第一微型直线电机上连接有第一柔性筋，第一柔性筋另一端与第一指节连接。

本发明的特点还在于，

第一指节和第二指节连接处、第二指节和第三指节连接处、第三指节和第四指节连接处分别设置有第一关节、第二关节和第三关节。

第一关节和第二关节为轴型关节，第三关节为球型关节。

第一微型直线电机、第二微型直线电机、第三微型直线电机和第四微型直线电机均由背轭板、定子绕组、永磁体动子和滑轨组成，背轭板与定子绕组粘合设置，定子绕组一侧设置有两个滑轨，两个滑轨上滑动套有永磁体动子，第一微型直线电机、第二微型直线电机、第三微型直线电机和第四微型直线电机的永磁体动子顶端分别与第一柔性筋、第二柔性筋、第四柔性筋和第三柔性筋连接。

背轭板为导磁金属，定子绕组由铜线绕制并封装，永磁体动子与滑轨的接触处镀铜。

第一柔性筋、第二柔性筋、第四柔性筋和第三柔性筋均为弹性绳。

本发明全自由度易驱动的仿生机械手的有益效果是，采用微型直线电机通电，以驱动永磁体动子做直线运动，永磁体动子拉动柔性筋牵动指节绕关节偏转，模拟人手肌肉收缩动作，使机械手按预期目标进行动作；微型直线电机加工工艺简单、易于实现小型化、轻量化、便于驱动；该机械手能够在真人手掌相同大小的体积内完成结构布置，解决了传统机械手体积大、成本高、自由度少、驱动系统复杂的问题；其成本相比传统机械手大幅度降低，有利于大量推广和普及。

附图说明

图1是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的结构示意图；

图2是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的弯曲状态图；

图3是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的工作状态图；

图4是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的背面结构图；

图5是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的微型直线电机结构示意图；

图6是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的微型直线电机侧视图；

图7是本发明全自由度易驱动的仿生机械手的微型直线电机俯视图。

图中，11.第一微型直线电机，12.第二微型直线电机，13.第三微型直线电机，14.第四微型直线电机；

21.第一关节，22.第二关节，23.第三关节；

31.第一柔性筋，32.第二柔性筋，33.第三柔性筋，34.第四柔性筋；

41.第一指节，42.第二指节，43.第三指节，44.第四指节；

5.工作台；

101.背轭板，102.定子绕组，103.永磁体动子，104.滑轨。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明全自由度易驱动的仿生机械手，如图1所示，包括依次设置的第一指节41、第二指节42、第三指节43和第四指节44，第二指节42上设置有第一微型直线电机11，第三指节43上设置有第二微型直线电机12，第四指节44底端设置在工作台5顶面，第四指节44两侧工作台5上分别为第三微型直线电机13和第四微型直线电机14，第三微型直线电机13和第四微型直线电机14分别连接有第四柔性筋34和第三柔性筋33，第三柔性筋33和第四柔性筋34的另一端均与第三指节43连接，第三指节43上设置有第二微型直线电机12，第二微型直线电机12连接有第二柔性筋32，第二柔性筋32的另一端与第二指节42连接，第二指节42上设置有第一微型直线电机11，第一微型直线电机11上连接有第一柔性筋31，第一柔性筋31另一端与第一指节41连接。

第一指节41和第二指节42连接处、第二指节42和第三指节43连接处、第三指节43和第四指节44连接处分别设置有第一关节21、第二关节22和第三关节23。

第一关节21和第二关节22为轴型关节，第三关节23为球型关节。

如图5-图7所示，第一微型直线电机11、第二微型直线电机12、第三微型直线电机13和第四微型直线电机14均由背轭板101、定子绕组102、永磁体动子103和滑轨104组成，背轭板101与定子绕组102粘合设置，定子绕组102一侧设置有两个滑轨104，两个滑轨104上滑动套有永磁体动子103，第一微型直线电机11、第二微型直线电机12、第三微型直线电机13和第四微型直线电机14的永磁体动子104顶端分别与第一柔性筋31、第二柔性筋32、第四柔性筋34和第三柔性筋33连接。

背轭板101为导磁金属，定子绕组102由铜线绕制并封装，永磁体动子103与滑轨104的接触处镀铜。

第一柔性筋31、第二柔性筋32、第四柔性筋34和第三柔性筋33均为弹性绳。

本发明全自由度易驱动的仿生机械手，如图2-图4所示，工作时，第一微型直线电机11、第二微型直线电机12、第三微型直线电机13和第四微型直线电机14通电，定子绕组102产生磁通驱动永磁体动子103沿滑轨104做直线运动，使得永磁体动子103通过第一柔性筋31牵动第一指节41绕第一关节21偏转，永磁体动子103通过第二柔性筋32牵动第二指节42绕第二关节22偏转，永磁体动子103通过第三柔性筋33和第四柔性筋34共同牵动第三指节43绕第三关节23转动，模拟人手肌肉收缩动作，使机械手按预期目标进行动作。

第一微型直线电机11、第二微型直线电机12、第三微型直线电机13和第四微型直线电机14是不需要位置传感器、开环运行、能够在整个工作段任意位置保持动子位置的电机，其特点是控制简单、动子运行距离长、能够长期堵转保持动子位置。

第一关节21、第二关节22和第三关节23依次对应人手由指节倒指根的三个指关节，人手前两个指关节为单自由度关节，因此第一关节21和第二关节22为轴型关节，人手指根处的指关节为双自由度关节，因此第三关节23为球型关节。

第一柔性筋31、第二柔性筋32、第四柔性筋34和第三柔性筋33是一种弹性绳，具有耐磨、强度高的特点，其弹性与人手筋相当。第一柔性筋31、第二柔性筋32、第四柔性筋34和第三柔性筋33与机械手握力相关，弹性越强则机械手握力越大，通过适用于危险场合替代作业领域、太空环境替代作业领域、高稳定作业领域等不同领域，可调整弹性以满足需要。

根据实际使用需要，可在本发明的机械手外加套一层仿生柔性壳，使其更接近于人手外观，也可改变指节形状，使其能够适应特定的使用场合。

本发明的全自由度易驱动的仿生机械手，以多个微型直线电机配合柔性筋牵动关节，完美模拟人手肌肉收缩牵动肌腱所能完成的所有自由度的精细动作，解决了传统机械手体积大、成本高、自由度少、驱动系统复杂的问题。该机械手能够在真人手掌相同大小的体积内完成结构布置，所采用的直线电机为成熟技术，价格低廉，驱动系统简易。本发明适用于医用假肢、危险场合替代作业、太空环境替代作业、高稳定作业等领域。

Claims (3)

1.全自由度易驱动的仿生机械手，其特征在于，包括依次设置的第一指节（41）、第二指节（42）、第三指节（43）和第四指节（44），所述第四指节（44）底端设置在工作台（5）顶面，所述第四指节（44）两侧工作台（5）上分别为第三微型直线电机（13）和第四微型直线电机（14），所述第三微型直线电机（13）和第四微型直线电机（14）分别连接有第四柔性筋（34）和第三柔性筋（33），所述第三柔性筋（33）和第四柔性筋（34）的另一端均与第三指节（43）连接，所述第三指节（43）上设置有第二微型直线电机（12），所述第二微型直线电机（12）连接有第二柔性筋（32），所述第二柔性筋（32）的另一端与第二指节（42）连接，所述第二指节（42）上设置有第一微型直线电机（11），所述第一微型直线电机（11）上连接有第一柔性筋（31），所述第一柔性筋（31）另一端与第一指节（41）连接；

所述第一指节（41）和第二指节（42）连接处、第二指节（42）和第三指节（43）连接处、第三指节（43）和第四指节（44）连接处分别设置有第一关节（21）、第二关节（22）和第三关节（23）；

所述第一关节（21）和第二关节（22）为轴型关节，所述第三关节（23）为球型关节；

所述第一微型直线电机（11）、第二微型直线电机（12）、第三微型直线电机（13）和第四微型直线电机（14）均由背轭板（101）、定子绕组（102）、永磁体动子（103）和滑轨（104）组成，所述背轭板（101）与定子绕组（102）粘合设置，所述定子绕组（102）一侧设置有两个滑轨（104），两个所述滑轨（104）上滑动套有永磁体动子（103），所述第一微型直线电机（11）、第二微型直线电机（12）、第三微型直线电机（13）和第四微型直线电机（14）的永磁体动子（103）顶端分别与第一柔性筋（31）、第二柔性筋（32）、第四柔性筋（34）和第三柔性筋（33）连接。

2.根据权利要求1所述的全自由度易驱动的仿生机械手，其特征在于，所述背轭板（101）为导磁金属，所述定子绕组（102）由铜线绕制并封装，所述永磁体动子（103）与滑轨（104）的接触处镀铜。

3.根据权利要求1所述的全自由度易驱动的仿生机械手，其特征在于，所述第一柔性筋（31）、第二柔性筋（32）、第四柔性筋（34）和第三柔性筋（33）均为弹性绳。